ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
CAST ALLOY ON ALUMINIUM BASE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам литейных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано в производстве поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и других деталей.
Алюминиевые сплавы, используемые в производстве поршней ДВС, должны обеспечивать уровень комплекса механических свойств (прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость) при высокой термостойкости и высокой износостойкости. Как правило, всем этим требованиям соответствуют сплавы на основе алюминия, легированные медью, никелем, магнием, марганцем, кремнием и титаном.
Данные сплавы получили широкое распространение и раскрыты во многих патентных документах.
В частности, в патентах DE 3135943, 10.09.1981 и GB 2085920, 09.09.1981 фирмой «Comaico Limited Australia» запатентован высокопрочный износостойкий алюминиево - кремниевый сплав, который содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: кремний 12-15; магний 0,1-1,0; медь 1,5-5,5; никель 1,0-3,0; железо 0,1-1,0; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; цирконий 0,01-0,1; стронций 0,001-0,1; алюминий - остальное.
Очень близкий состав представлен в патенте FR 2489846, 12.3.1982, а именно «Алюминиевый сплав с повышенными механическими и противоизносными свойствами и процесс его изготовления», разработанный «Institut National industrielle. Paris» и содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: кремний 12-15; магний 0,4-1,0; медь 1,5-4,0; никель 1,0-3,0; железо 0,1-0,5; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; цирконий 0,01-0,1; стронций 0,01-0,05; алюминий - остальное.
в
Известен литой сплав на основе алюминия, содержащий компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремний 8,0-11,0; магний 0,15-0,6; медь 2,0-4,0; титан 0,3-0,3; марганец 0,1-0,5; бор 0,01-0,1; по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей стронций, кальций, барий, натрий и сурьму 0,005-0,5 алюминий - остальное (SU 778314 А1, 20.04.1996). Недостатками известного сплава являются: низкое временное сопротивление при растяжении (σ=43-45,5 МПа), относительно высокая твердость, приводящая к износу контртела (115-130 НВ).
в
в100
в100
200
250
Наиболее близким по составу к заявляемому изобретению является литейный сплав на основе алюминия, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: кремний 12,5-14,5; медь 2,0-4,5; никель 2,0-3,0; магний 0,4-0,9; молибден 0,2-0,7; титан 0,15-0,45; железо 0,1-0,9; марганец 0,1-0,5; цирконий 0,02-0,15; алюминий - остальное (RU 1709746 С, 30.10.1994 г.). Известный состава сплава обладает оптимальным комплексом свойств, повышенными механическими свойствами при комнатной температуре (σ=380-421 МПа, δ=2,5-3,4%), высокой жаропрочностью (σ ≥185 МПа, σ ≥95 МПа) и высокой твердостью (НВ=1580-1530), свидетельствующей о способности сплава работать на износ. Такой высокий уровень механических свойств в сложнолегированном алюминиевом сплаве можно достичь либо деформацией со значительной степенью обжатия слитка после закалки, либо с помощью многоступенчатой термической обработки с искусственным старением в несколько этапов. Однако деформирование не подходит для литых деталей, а сложная термообработка вызывает сильное изменение геометрических размеров с короблением деталей сложной конфигурации и по этой причине также неприемлема для крупногабаритных деталей и литых деталей с переменными сечениями, а именно такими являются поршни ДВС, особенно дизелей тепловозов. В патенте не указано, после какой термообработки получены представленные механические свойства, в то время как сравнение свойств после литья и обычного искусственного старения, применяющегося в промышленности (либо 210±10°С 10-24 часа, либо 250±10°С 5 часов), показывает для известного сплава, что он обладает недостаточной прочностью, малой пластичностью, избыточной твердостью, низкой термостойкостью и износостойкостью, при достаточно высоком изнашивании чугунного (стального) контртела.
Техническим результатом заявляемого сплава является повышение механических свойств в литом состоянии и после стандартной термообработки, повышение предела прочности и относительного удлинения (пластичности) при растяжении, ударной вязкости, снижение твердости, повышение термостойкости (температуры разупрочнения под нагрузкой), повышение износостойкости пары трения алюминиевый сплав-сталь (чугун), уменьшение вероятности появления горячих трещин в литых деталях.
Заявленный технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе алюминия, включающий кремний, медь, никель, магний, марганец, титан, дополнительно содержит цинк и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний
12,0-13,0
Медь
3,1-3,5
Магний
1,36-1,5
Никель
1,4-1,5
Марганец
0,61-0,75
Титан
0,10-0,20
Цинк
0,20-0,50
Хром
0,10-0,20
Алюминий
Остальное
В сплаве допускается примесь железа не более 0, 01%.
Заявленная совокупность компонентов сплава позволяет получить после литья модифицированную структуру с мелкими и равномерно распределенными частицами интерметаллических фаз и с дисперсной кремнистой эвтектикой. В прототипе модифицирующий эффект достигается за счет титана и циркония, а в заявляемом сплаве дорогостоящий и дефицитный цирконий заменен на хром. Отсутствие легирования сплава железом обуславливает отсутствие интерметаллидов, где железо связывается никелем и молибденом, что позволяет снизить содержание никеля и отказаться от легирования молибденом. С другой стороны, повышение содержания магния и марганца при дополнительном легировании цинком позволяет значительно упрочнить алюминиевую матрицу твердыми растворами замещения на основе этих элементов. Такая структура и состав литых слитков обеспечивают повышение прочности и ударной вязкости при достаточной пластичности и снижении твердости. При последующей термической обработке (отжиге) происходит искусственное старение, обеспечивающие повышение всех механических свойств сплава при уменьшении твердости за счет выделений из пересыщенного твердого раствора фаз-упрочнителей.
Сплав с содержанием компонентов ниже предлагаемого нижнего предела имеет грубую структуру немодифицированной вырожденной кремнистой эвтектики с крупными зернами и крупными интерметаллидами, что обуславливает низкие механические свойства. Количество легирующих элементов недостаточно для получения необходимого эффекта при искусственном старении. Повышается вероятность получения горячих трещин при отливке деталей.
Сплав с содержанием компонентов выше заявляемого предела имеет грубую структуру за счет резкого увеличения объемной доли крупных и хрупких частиц интерметаллидов кристаллизационного происхождения с неблагоприятной морфологией (пластины и иглы). Повышение содержания легирующих элементов приводит к повышению твердости и снижению всех остальных механических свойств, что резко снижает выход годной продукции.
Механические свойства сплава определены на образцах из отливок в чугунный кокиль и на образцах, прошедших после литья обычную повышенную термическую обработку при температуре 250±10°С в течение 5 часов.
в
Испытания на определение предела прочности сплава на растяжение (σ, МПа) и относительное удлинение (δ5) проводились по ГОСТ 1497-84, на определение твердости по ГОСТ 9012-59, на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78.
Химический состав, механические, технологические и антифрикционные свойства сплава в литом и термообработанном состоянии и сплава-прототипа до и после контрольных отливок приведены соответственно в таблицах 1 и 2.
Низкая прочность и пластичность свидетельствуют о склонности сплава к хрупкому разрушению. Низкая ударная вязкость, характеризующая работу на зарождение и развитие трещины, свидетельствует о возможности трещинообразования в эксплуатации, в то время как проверка на горячеломкость по методу И.И.Новикова дает оценку возможности появления трещин при отливке деталей. Термостойкость дает возможность сравнить сплавы по разупрочнению под нагрузкой под действием высоких температур, воздействие которых неизбежно при работе поршней ДВС. Низкая износостойкость (большой износ) свидетельствует о пониженной работоспособности в условиях трения. Поэтому крайне важно повысить минимальный уровень всех этих свойств.
В одинаковых условиях отливки литые образцы заявляемого сплава имеют преимущество перед прототипом в минимальных значениях по пределу прочности на 30%, по пластичности в 19 раз, ударной вязкости в 3,5 раза по износу сплава на 25%, по износу стального контртела в 3,5 раза, по вероятности появления горячих трещин в 3-4 раза, по термостойкости на 40-45°С.
В термообработанном состоянии по единому режиму минимальные свойства заявляемого сплава имеют преимущество перед прототипом: по пределу прочности на 21%, по пластичности в 3 раза, по ударной вязкости в 8 раз, по износу сплава да 27%, по износу стального контртела в 3 раза, по термостойкости на 40-60°С.
Предлагаемый сплав рекомендуется использовать в литых конструкциях, где необходимы высокий комплекс механических свойств, термостойкость, отсутствие литейных горячих трещин и износостойкость, в частности для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания автотракторного, судового и железнодорожного транспорта.
Таблица 1
Состав компонентов
Содержание компонентов, мас.%
Предлагаемый сплав по примерам
Прототип
Состав №1
Состав №2
Состав №3
RU 1709746
Кремний
12,0
13,0
12,6
12,5-14,5
Медь
3,10
3,5
3,3
2,0-4,5
Никель
1,41
1,50
1,45
2,0-3,0
Магний
1,37
1,50
1,40
0,4-0,9
Марганец
0,62
0,75
0,67
0,1-0,5
Титан
0,10
0,20
0,15
0,15-0,45
Цинк
0,20
0,50
0,33
-
Хром
0,10
0,20
0,14
-
Молибден
-
-
-
0,2-0,7
Железо
-
-
-
0,1-0,9
Цирконий
-
-
-
0,02-0,15