ЖАРОПРОЧНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
HOT-RESISTANT ALUMINIUM ALLOY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к алюминиевому литейному сплаву, упрочняемому при холодной деформации, с хорошей термостабильностью, для изготовления литых деталей, подвергающихся термическим и механическим напряжениям.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Развитие дизельных двигателей в целях улучшения сгорания дизельного топлива и повышения удельной мощности приводит, помимо прочего, к повышению давления вспышки и, следовательно, к механическому напряжению, действующему в пульсирующем режиме на блок цилиндров, что предъявляет самые строгие требования к материалу. Помимо высокой износостойкости, материал, используемый для изготовления блоков цилиндров, должен обладать высокотемпературной циклической прочностью.
В настоящее время для термически напряженных деталей обычно используются алюминиево-кремниевые сплавы, причем их термостабильность повышается путем добавления меди. Однако медь повышает чувствительность к образованию горячих трещин и оказывает нежелательное воздействие на литейные качества (жидкотекучесть). Область применения, требующая особенно хорошей термостабильности, в основном относится к изготовлению крышек цилиндров в автомобильной промышленности - см., например, F.J.Feikus "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen fűr Zylinderkőpfe" («Оптимизация алюминиево-кремниевых литейных сплавов для крышек цилиндров»), Giesserei-Praxis, 1999, volume 2, pp.50-57.
Патент US-A-3868250 раскрывает жаропрочный AlMgSi-сплав для изготовления крышек цилиндров. Кроме обычных добавок, сплав содержит от 0,6 до 4,5 мас.% Si, от 2,5 до 11 мас.% Mg, из которых от 1 до 4,5 мас.% составляет свободный Mg, и от 0,6 до 1,8 мас.% Мn.
В патентном документе WO 96/15281 описывается алюминиевый сплав, имеющий от 3,0 до 6,0 мас.% Mg, от 1,4 до 3,5 мас.% Si, от 0,5 до 2,0 мас.% Мn, не более 0,15 мас.% Fe, не более 0,2 мас.% Ti, остальную часть составляет алюминий с другими примесями, каждая из которых может составлять не более 0,02 мас.%, и общее содержание примесей не более 0,2 мас.%. Сплав пригоден для изготовления деталей, механические свойства которых должны удовлетворять строгим требованиям. Сплав предпочтительно подвергается литью под давлением, тиксолитью или тиксоштамповке.
В патентной публикации WO 00/43560 описывается подобный алюминиевый сплав для изготовления защитных деталей методами литья под давлением, жидкой штамповки, тиксолитья или тиксоштамповки. Сплав содержит 2,5-7,0 мас.% Мg, 1,0-3,0 мас.% Si, 0,3-0,49 мас.% Мn, 0,1-0,3 мас.% Сr, не более 0,15 мас.% Ti, не более 0,15 мас.% Fe, не более 0,00005 мас.% Са, не более 0,00005 мас.% Na, не более 0,0002 мас.% Р, другие примеси, каждая из которых составляет не более 0,02 мас.%, и остальную часть - алюминий.
2
Литейный сплав типа AlMgSi, известный из патентного документа ЕР-А-1234893, содержит от 3,0 до 7,0 мас.% Мg, от 1,7 до 3,0 мас.% Si, от 0,2 до 0,48 мас.% Мn, от 0,15 до 0,35 мас.% Fe, не более 0,2 мас.% Ti, может содержать также от 0,1 до 0,4 мас.% Ni, и остальную часть - алюминий, а также примеси, образуемые в процессе изготовления, каждая из которых составляет не более 0,02 мас.%, и всего не более 0,2 мас.% при условии, что магний и кремний присутствуют в сплаве в основном при весовом коэффициенте Mg:Si, составляющем 1,7:1, в соответствии с составом квазибинарной эвтектики с твердыми фазами Al и MgSi. Сплав предназначен для изготовления деталей безопасности в автомобильной промышленности методами литья под давлением, рео- и тиксолитья.
Патентный документ ЕР-А-1645647 раскрывает литейный сплав, упрочняемый при холодной деформации. Сплав на основе литейного металла с чистотой алюминия 99,9 содержит 6-11 мас.% Si, 2,0-4,0 мас.% Сu, 0,65-1,0 мас.% Мn, 0,5-3,5 мас.% Zn, не более 0,55 мас.% Мg, 0,01-0,04 мас.% Sr, не более 0,2 мас.% Ti, не более 0,2 мас.% Fe и, необязательно, по меньшей мере, один из следующих элементов: серебро - 0,01-0,08, самарий - 0,01-1,0, никель - 0,01-0,40, кадмий - 0,01-0,30, индий - 0,01-0,20 и бериллий до 0,001 мас.%. Сплав, приведенный в качестве примера, имеет следующий состав: Si 9%, Cu 2,7%, Мn 1%, Zn 2%, Sr 0,02%, Mg 0,5%, Fe 0,1%, Ti 0,1%, Ag 0,1%, Ni 0,45%, In 0,1%, Be 0,0005%.
9
3
Стандартизованный литейный сплав типа AlSiCu (Fe), известный как сплав 226 (патентный документ EN AC-46000), содержит 8-11 мас.% Si, не более 1,30 мас.% Fe, 2-4 мас.% Cu, не более 0,55 мас.% Мn, 0,05-0,55 мас.% Mg, не более 0,015 мас.% Сr, не более 0,55 мас.% Ni, не более 1,20 мас.% Zn, не более 0,35 мас.% Рb, не более 0,25 мас.% Sn, не более 0,25 мас.% Ti, другие примеси, каждая из которых составляет не более 0,05 мас.%, всего не более 0,25 мас.%, остальная часть - алюминий.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание алюминиевого сплава, имеющего хорошую термическую стабильность, для изготовления литейных деталей, подвергающихся термическим и механическим напряжениям. Сплав предназначается главным образом для литья под давлением, но также для фасонного литья без применения давления, фасонного литья под низким давлением и литья в песок.
В особенности, задачей настоящего изобретения является создание алюминиевого сплава для блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания, особенно дизельных двигателей, изготавливаемых методом литья под давлением.
Детали, отлитые из сплава, имеют высокую прочность после упрочнения при холодной деформации.
Решение указанной задачи достигается при помощи сплава в соответствии с настоящим изобретением, содержащего:
- кремний - 11,0-12,0 мас.%,
- магний - 0,7-2,0 мас.%,
- марганец- 0,1-1,0 мас.%,
- железо - не более 1 мас.%,
- медь - не более 2 мас.%,
- никель - не более 2 мас.%,
- хром - не более 1 мас.%,
- кобальт - не более 1 мас.%,
- цинк - не более 2 мас.%,
- титан - не более 0,25 мас.%,
- бор - до 40 частей на миллион,
- необязательно стронций - 80-300 частей на миллион, и
- алюминий с другими элементами и примесями, образуемыми в процессе изготовления, каждая из которых составляет не более 0,05 мас.%, всего не более 0,2 мас.% - остальная часть.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения сплав имеет следующие предпочтительные диапазоны содержания перечисленных ниже элементов сплава:
- кремний - 11,2-11,8 мас.%,
- марганец - 0,6-0,9 мас.%,
- железо - не более 0,15 мас.%,
- магний - 1,8-2,0 мас.%,
- медь - 1,8-2,0 мас.%,
- никель - 1,8-2,0 мас.%,
- титан - 0,08-0,25 мас.%,
- бор - 20-30 частей на миллион.
В соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения сплав имеет следующие предпочтительные диапазоны содержания перечисленных ниже элементов сплава:
- кремний - 11,2-11,8 мас.%,
- марганец - 0,6-0,9 мас.%,
- железо - не более 0,15 мас.%,
- магний - 1,8-2,0 мас.%,
- медь - 1,8-2,0 мас.%,
- никель - 1,8-2,0 мас.%,
- кобальт - 0,6-1,0 мас.%,
- титан - 0,08-0,25 мас.%,
- бор - 20-30 частей на миллион.
В соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения сплав имеет следующие предпочтительные диапазоны содержания перечисленных ниже элементов сплава:
- кремний - 11,2-11,8 мас.%,
- марганец - 0,6-0,9 мас.%,
- железо - не более 0,15 мас.%,
- магний - 0,7-1,0 мас.%,
- медь - 1,8-2,0 мас.%,
- хром - 0,5-1,0 мас.%,
- цинк - 1,7-2,0 мас.%,
- титан - 0,08-0,25 мас.%,
- бор - 20-30 частей на миллион.
Добавление марганца препятствует приставанию отливок к поверхности формы. Кроме того, марганец в значительной степени способствует термическому упрочнению. Пониженное содержание железа приводит к высокой деформации растяжения и снижает опасность создания пластинок, содержащих Fe, вызывающих повышенную кавитацию и снижающих пригодность к механической обработке.
Высокое содержание Si обеспечивает очень хорошие литейные качества (жидкотекучесть) и снижает кавитацию. Близкий к эвтектическому состав Al-Si также позволяет снизить температуры литья и, следовательно, продлевает срок службы металлической литейной формы. Гипоэвтектический уровень Si выбран так, чтобы исключить образование первичных кристаллов кремния.
Посредством добавления хрома достигается дальнейшее улучшение антиадгезионного поведения сплава и повышаются значения прочности. Кобальт служит для увеличения термической стабильности. Титан и бор уменьшают размер зерна. Хорошее измельчение зерна в значительной мере способствует улучшению литейных и механических свойств.
Предпочтительной областью применения алюминиевого сплава в соответствии с настоящим изобретением является изготовление литейных деталей, подвергающихся термическим и механическим напряжениям, таких как отливки, полученные методом литья под давлением, фасонного литья или литья в песчаные формы, в особенности для блоков цилиндров в автомобильной промышленности, изготавливаемых методом литья под давлением.
Ниже в описании предпочтительных вариантов осуществления приведены другие преимущества, признаки и подробности настоящего изобретения.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сплавы в соответствии с настоящим изобретением отливались методом литья под давлением для получения плоских растяжимых образцов с толщиной стенки 3 мм. После удаления из формы для литья под давлением образцы охлаждались в неподвижном воздухе.
Механические свойства - предел текучести (Rp0.2), сопротивление растяжению (Rm) и относительное удлинение при разрыве (А) определялись для растяжимых образцов в литом состоянии при комнатной температуре (RT), при температурах 150°С, 225°С и 300°С, а также при комнатной температуре (RT) и при температуре термической обработки (НТТ) после различной одноступенчатой термической обработки в течение 500 часов при 150°С, 225°С и 300°С.
Сравнение исследуемых сплавов представлено в Таблице 1.
В Таблицах 2, 3 и 4 представлены механические свойства, определенные для растяжимых образцов сплавов по Таблице 1 в литом состоянии при различных температурах.
В Таблицах 5, 6 и 7 представлены результаты определения механических свойств при комнатной температуре (RT) и при температуре термической обработки (НТТ) для растяжимых образцов сплавов по Таблице 1 после термической обработки в течение 500 часов при различных температурах.
Результаты длительных испытаний подтверждают хорошую термическую стабильность сплава в соответствии с настоящим изобретением.
Таблица 1
Химический состав сплава, мас.%
Сплав
Si
Mg
Mn
Fe
Сu
Ni
Cr
Co
Zn
Ti
AlSi11Mg2Cu2Ni2
11,5
2,0
0,7
0,1
2,0
2,0
0,19
AlSi11Mg2Cu2Ni2Co
11,7
1,9
0,7
0,1
1,9
1,9
0,9
0,18
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
11,6
0,9
0,7
0,1
2,0
0,7
2,0
0,15
Таблица 2
Предел текучести (Rp0.2) при разных температурах
Сплав
Rp0.2 (МПа)
RT
150°С
225°С
300°С
AlSi11Mg2Cu2Ni2
300
315
243
117
AlSi11Mg2Cu2Ni2Co
300
320
254
124
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
250
260
210
97
Таблица 3
Сопротивление растяжению (Rm) при разных температурах
Сплав
Rm (МПа)
RT
150°C
225°C
300°C
AlSi11Mg2Cu2Ni2
320
350
280
160
AlSi11Mg2Cu2Ni2Co
349
340
290
180
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
370
340
240
120
Таблица 4
Относительное удлинение при разрыве (А) при разных температурах
Сплав
А (%)
RT
150°C
225°C
300°C
AlSi11Mg2Cu2Ni2
0,3
0,6
1,2
10,7
AlSi11Mg2Cu2Ni2Co
0,4
0,4
0,8
7
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
2
3,6
8,1
48
Таблица 5
Предел текучести (Rp0.2) после 500 час термической обработки при разных температурах, определенный при RT и НТТ
Сплав
Rp0.2 (МПа)
150°С RT
225°С RT
300°C RT
150°C HTT
225°С НТТ
300°C НТТ
AlSi11Mg2Cu2Ni2
300
200
110
310
150
55
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
300
175
100
275
135
50
Таблица 6
Сопротивление растяжению (Rm) после 500 час термической обработки при разных температурах, определенное при RT и НТТ
Сплав
Rp0.2 (МПа)
150°С RT
225°С RT
300°C RT
150°C HTT
225°С НТТ
300°С НТТ
AlSi11Mg2Cu2Ni2
310
270
250
330
220
105
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
380
300
230
325
180
70
Таблица 7
Относительное удлинение при разрыве (А) после 500 час термической обработки при разных температурах, определенное при RT и НТТ
Сплав
А (%)
150°C RT
225°С RT
300°C RT
150°C НТТ
225°С НТТ
300°C HTT
AlSi11Mg2Cu2Ni2
0,2
0,7
3,1
0,4
1,8
32
AlSi11Mg1Cu2Cr1Zn2
1,3
2,9
4,7
2,7
12
63