ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ-(ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЙ ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СИЛУМИН)
CAST ALUMINIUM ALLOY-(SPARINGLY-ALLOYED HIGH-STRENGTH SILUMIN)

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении корпусных деталей ответственного назначения, в частности деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.
Отливки, предназначенные для наиболее ответственных деталей, обычно используют после полной термической обработки типа Т6 (закалка и старение на максимальную прочность). Для достижения необходимого качества последних от сплава требуется сочетание высокой технологичности (в частности, при получении тонкостенных отливок сложной формы) и достаточно хорошего уровня разных механических свойств (прочности, пластичности, вязкости разрушения и др.). Для реализации такого сочетания используют, как правило, специальные силумины, которые отличаются от остальных следующими особенностями:
- узкий концентрационный интервал легирующих элементов;
- строгое ограничение по примесям (в первую очередь, по железу), что сильно ограничивает возможность использования вторичного сырья для их приготовления;
- обязательная термическая обработка, включающая закалку (обычно типа Т6);
- существенно более строгие (по сравнению с обычными силуминами) требования к приготовлению расплава и его обработке (рафинирование, модифицирование, дегазация, фильтрация).
в
2
2
5
2
8
6
Силумины с указанными особенностями можно назвать высокопрочными, так как после полной термообработки типа Т6 гарантируемый уровень σ обычно составляет 300-400 МПа (т.е. выше, чем у обычных силуминов). Упрочнение после термообработки достигается за счет вторичных выделений фаз MgSi, AlCu и AlCuMgSi (как правило, метастабильных модификаций). Поэтому термически упрочняемые силумины обязательно содержат добавки меди и магния, необходимые для образования этих выделений. Многие из них содержат малые добавки, которые, положительно влияя на некоторые свойства, часто оказывают еще больший вред. Примером является бериллий, который, с одной стороны, положительно влияет на морфологию Fe-фазы, а с другой, оказывает вредное влияние на здоровье человека.
Наиболее прочные промышленные силумины (в частности, входящие в ГОСТ 1583-93), содержат добавку бериллия, что приводит к их существенному удорожанию, а также требует специальных мер предосторожности при их производстве.
Наиболее прочный среди них сплав АК8М3ч, который содержит, мас.%:
Кремний
7-8,5
Медь
2,5-3,5
Магний
0,2-0,45
Цинк
0,5-1,0
Бериллий
0,05-0,25
Титан
0,1-0,25
Бор
0,015-0,1
Алюминий и примеси
остальное
2
5
2
8
6
В этом силумине упрочнение достигается за счет фаз AlCu и AlCuMgSi. Недостатком сплава АК8М3ч помимо наличия в его составе бериллия является низкий солидус (на верхнем пределе по магнию и меди он ниже 520°С), что не позволяет добиться достаточной сфероидизации кремниевой фазы при нагреве под закалку.
Наиболее прочным среди безмедистых силуминов является сплав АК8л (ГОСТ 1583-93), который содержит, мас.%:
Кремний
6,5-8,5
Магний
0,35-0,55
Бериллий
0,15-0,4
Алюминий и примеси
остальное
2
Недостатком этого сплава является наличие в его составе экологически вредной добавки бериллия. Кроме того, рабочие температуры этого сплава не превышают 200°С. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы MgSi (а именно, метастабильные модификации β' и β") при длительных нагревах свыше ~200°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению.
Наиболее близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 5523050 (1996 г., Lloyd; David J. etc., Alcan International Limited).
Данный сплав содержит кремний, магний и марганец при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
Кремний
7-16
Медь
0-5,0
Магний
0,3-2,0
Марганец
0,5-3,0
Железо
0-1,0
Алюминий и примеси
остальное
Из этого силумина можно получать отливки с хорошим сочетанием литейных и механических свойств за счет добавки марганца, который позволяет связать железо в скелетообразные включения и уменьшить его вредное влияние. В формуле патента особенно подчеркивается отсутствие бериллия и меди. Первым недостатком этого сплава, как и силумина АК8ч, является ограничение по максимальной рабочей температуре. Второй недостаток этого сплава заключается в жестком ограничении по предельно допустимой концентрации меди, что предъявляет высокие требования к чистоте шихтовых материалов и затрудняет использование вторичного сырья. Третий недостаток связан с тем, что его температура ликвидуса недостаточно низка, что затрудняет использование специальной технологии обработки расплава.
Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого экономнолегированного высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu и не менее 0,2% Fe. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора, а также иметь солидус не ниже 550°С, а ликвидус не выше 605°С.
Поставленная задача решена тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, магний, медь, марганец и железо, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы кремния эвтектического происхождения, содержит легирующие компоненты в следующем количестве, мас.%:
Кремний
8.6-10.2
Медь
0.3-0.5
Магний
0.35-0.5
Марганец
0.1-0.45
Железо
0.2-0.5
при этом должны выполняться следующие условия:
а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С; а температура ликвидуса не выше 605°С;
15
3
2
б) железо должно быть полностью связано в скелетообразные включения фазы Al(Fe,Mn)Si;
5
2
8
6
в) магний должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы AlCuMgSi(Q').
Указанные параметры следует рассчитывать с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5 или выше).
Сущность изобретения состоит в следующем.
Концентрация кремния в заявленных пределах обеспечивает необходимую температуру ликвидуса и, как следствие, высокие технологические свойства (в частности, формозаполняемость).
5
2
8
6
Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы AlCuMgSi, что вносит основной вклад в прочность сплава, в частности предел текучести при литье в металлические формы не менее 280 МПа, а относительное удлинение (δ) не менее 3%, а при литье в разовые формы (земляные, холодно твердеющие смеси и т.п.) не менее 280 МПа, а относительное удлинение (δ) не менее 2%. Кроме того, при выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойства, а также термической стабильности.
15
3
2
15
3
2
Марганец и железо в заявленных пределах полностью входят в эвтектические включения фазы Al(FeMn)Si, которые кристаллизуются преимущественно в составе тройной эвтектики (Al)+(Si)+Al(FeMn)Si. Такой характер кристаллизации оказывает благоприятное влияние на литую структуру (а именно, на морфологию кремниевой и железистой фаз), что способствует формированию глобулярных включений кремниевой фазы при нагреве под закалку.
ПРИМЕР 1.
Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» на основе вторичного алюминия марки АК9. Химический состав сплавов определяли на эмиссионном спектрометре ARL 3560B-1583 (в процессе плавки состав доводили до заданных значений). Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ1583-93. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 540±5°С, закалка в холодной воде и старение при 175°С). Температуры ликвидуса и равновесного солидуса определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную доли вторичных выделений фаз, содержащихся в алюминиевой матрице (табл.2), рассчитывали с помощью программы Thermo-Calc по методике, описанной в [Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов. - М.: МИСиС, 2007, 284 с.]. Механические свойства на разрыв определяли по ГОСТ 1497-84 на цилиндрических отдельно отлитых в кокиль образцах (образец №1 по ГОСТ 1583-93, п.5.2.3.).
Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6
№
Концентрации, % по массе
σ<sub>0,2</sub> <sup>1</sup>, МПа
δ<sup>2</sup>, %
T<sub>S</sub> <sup>4</sup>, °C
T<sub>L</sub> <sup>4</sup>, °C
Si
Mg
Cu
Mn
Fe
Al
1
8
0,2
0,1
0,05
0,05
ост.
195
8,5
570
609
2
8,6
0,55
0,4
0,5
0,5
ост.
335
4,2
554
603
3
9,4
0,45
0,3
0,3
0,3
ост.
320
4,8
559
598
4
10,2
0,35
0,5
0,1
0,1
ост.
305
5,7
560
592
5
11
0,7
1
0,7
0,7
ост.
340
1,3
544
583
6
7,5
0,5
<0,01
0,7
0,1
ост.
295
5,0
562
612
<sup>1</sup>предел текучести; <sup>2</sup>относительное удлинение; <sup>3</sup>температура равновесного солидуса (расчет), <sup>4</sup>температура ликвидуса (расчет)
Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание предела текучести, относительного удлинения и температур ликвидуса и равновесного солидуса. При этом эвтектические включения кремниевой и железистой фаз во всех составах заявленного сплава имели компактную морфологию (фиг.1).
5
2
8
6
s
0,2
5
2
8
6
В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы AlCuMgSi (табл.2). Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с частичным пережогом из-за того, что T<550°C. Сплав-прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по значению σ, поскольку в нем отсутствует фаза AlCuMgSi (табл.2). Кроме того, он имеет более высокую температуру ликвидуса.
Таблица 2
Фазовый состав алюминиевой матрицы экспериментальных сплавов в состоянии Т6
№<sup>1</sup>
Объемная доля фазы, об.% (расчет)
Mg<sub>2</sub>Si
Al<sub>5</sub>Cu<sub>2</sub>Mg<sub>8</sub>Si<sub>6</sub>
Al<sub>2</sub>Cu
(Si)
1
0,07
0,81
0
0,97
2
0
1,7
0
0,60
3
0
1,39
0
0,69
4
0
1,11
0,20
0,81
5
0
1,53
0,66
0,64
6
1,22
0
0
0,98
<sup>1</sup>см. табл.1
ПРИМЕР 2.
0,2
Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» были залиты 10 шт. серийных отливок детали (фиг.2) методом гравитационного литья в металлическую форму (кокиль). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ=330 МПа, δ=5,1%.
ПРИМЕР 3.
0,2
Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в лабораторных условиях МИСиС были залиты 5 шт. фасонных отливок детали (фиг.3) методом быстрого прототипирования (керамические формы). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ=290 МПа, δ=2,8%.