Алюминиево-кальциевый сплав
ALUMINUM-CALCIUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе вторичного алюминия и может быть использовано для изготовления как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.), детали судостроения и водозаборной арматуры, радиаторов отопления и др. Сплав на основе алюминия содержит, масс.%: кальций 2,0-3,0 , марганец 1,2-2,0, железо 0,2-0,4, кремний 0,1-0,3, медь 0,05-0,3, цинк 0,1-1.0, алюминий-остальное, причем суммарное содержание кальция, марганца и железа должно находиться в пределах от 4,6 до 6,0 масс.%.
Техническим результатом изобретения является создание нового экономнолегированного коррозионностойкого алюминиевого сплава, не требующего термической обработки и предназначенного для получения, как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов (в частности, листов и прутков), обладающих высокими и стабильными механическими свойствами.
Среди марочных алюминиевых сплавов, предназначенных для работы при повышенных температурах, как правило, используют сплав с добавкой меди, к примеру, литейный сплав АМ5 (ГОСТ 1583-93). Существенным недостатком сплавов с добавкой меди является пониженная коррозионная стойкость. Кроме того, технология получения отливок из сплавов типа АМ5 требует проведения термической обработки, включающей в себя операцию закалки, что в значительной степени удорожает их стоимость и нередко приводит к появлению нежелательного брака, в частности, к нестабильности размеров. Следует также отметить, что сплавы типа АМ5 имеют очень низкие литейные свойства, что затрудняет получение из них тонкостенных отливок сложной геометрии [Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов - М.: МИСиС, 2005, 376 с].
Известен сплав, раскрытый в патенте US 2004/0261916 F1 (публ. 30.12.2004, патентовладелец: Alcoa Inc.). Данный сплав, предназначенный для получения фасонных отливок различными методами литья, содержит (масс.%): 0,5-6%Ni, 1-3% Mn, до 1%Zr, до 0,6%Sc. В частных пунктах этого патента заявлены наиболее предпочтительные концентрации легирующих элементов: ~4%Ni, ~2% Mn, ~0,6%Zr, (или ~ 0,3%Sc). Основным недостатком этого сплава является неэкономный состав: высокое содержание никеля и скандия, а также отсутствие среди легирующих компонентов железа. Это препятствует использованию лома отходов для его производства. Следует также отметить, что повышенное содержание никеля отрицательно сказывается на их коррозионной стойкости.
Zr
sc
3
2
Известен сплав, раскрытый в патенте РФ №2478131 (публ. 27.03.2013, бюл.№9). Сплав, предназначенный для получения отливок, содержит (мас.%): 1,5-2,5 Ni; 1-2 Mn; 0,3-0,7 Fe, 0,2-0,6 Zr, 0,02-0,12 Sc, 0,002-0,1 Се при содержании циркония и скандия, удовлетворяющем условию 0,44<2·C +C <0,64, причем цирконий и скандий присутствуют в структуре сплава в виде фазы Al(Zr,Sc) с кристаллической решеткой L1 и средним размером наночастиц не более 20 нм. Техническим результатом является создание нового литейного экономнолегированного термостойкого сплава, который обладает высокими литейными свойствами, обусловленными наличием в его составе никеля в качестве основного эвтектико-образующего элемента. Снижение концентрации никеля по сравнению со сплавом, приведенным в патенте US 2004/0261916, улучшает коррозионную стойкость. Однако она, тем не менее, остается недостаточно высокой. Недостатками данного сплава также является наличие в его составе дорогостоящего скандия и строгое ограничение по примеси кремния, который оказывает негативное влияние на горячеломкость в процессе кристаллизации отливок.
Наиболее близким к заявляемому сплаву является литейный алюминиевый сплав, раскрытый в патенте РФ 2672653 (Публ.16.11.2018 Бюл. № 32). Данный сплав содержит, мас. %: кальций 2,0-2,6, железо 0,3-0,5, кремний 0,1-0,5, марганец 0,8-1,2, цирконий 0,2-0,3, скандий 0,08-0,12, алюминий - остальное. Данный сплав после отжига при 400°С обладает следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 240 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 160 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.Техническим результатом изобретения является создание коррозионностойкого алюминиевого сплава, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего высокими и стабильными механическими свойствами, не требующего операции закалки в ходе проведения термической обработки. Недостатком данного сплава является наличие в его составе дорогостоящего скандия. Кроме того, для достижения требуемой прочности данного требует проведение термической обработки (отжига) отливок. Еще одним недостатком является пониженная пластичность (в приведенных примерах относительное удлинение не превышает 6,5 %).
Задачей изобретения является создание нового экономнолегированного сплава на основе алюминия, предназначенного для получения, как фасонных отливок сложной формы, так и деформированных полуфабрикатов, и обладающего высокими механическими свойствами без использования термической обработки.
Поставленная задача решена тем, что сплав на основе алюминия, содержащий кальций, марганец, железо и кремний, отличается тем, что он дополнительно содержит медь и цинк при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:
Кальций
2,0-3,0
Марганец
1,2-2,0
Железо
0,2-0,4
Кремний
0,1-0,3
Медь
0,05-0,3
Цинк
0,1-1,0
Алюминий
основа
при этом суммарное содержание кальция, марганца, железа, меди и цинка должно находиться в пределах от 4,6 до 6,0 масс.%
в
0,2
В базовом исполнении сплава в виде отливок, полученных методами литья в металлические формы, в литом состоянии (без термообработки) обладает следующими механическими свойствами на растяжение: временное сопротивление разрыву (σ) - не менее 200 МПа, предел текучести (σ) - не менее 120 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
в
0,2
В частном примере данный сплав в виде листов обладает следующими механическими свойствами на растяжение: временное сопротивление разрыву (σ) - не менее 240 МПа, предел текучести (σ) - не менее 140 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
в
0,2
В частном примере данный сплав в виде прутков обладает следующими механическими свойствами на растяжение: временное сопротивление разрыву (σ) - не менее 260 МПа, предел текучести (σ) - не менее 150 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.
Сущность изобретения заключается в том, что разработан сплав на основе алюминия, содержащий кальций, марганец, железо и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и цинк при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:
Кальций
2,0-3,0
Марганец
1,2-2,0
Железо
0,2-0,4
Кремний
0,1-0,3
Медь
0,05-0,3
Цинк
0,1-1.0
Алюминий
остальное
причем суммарное содержание кальция, марганца и железа должно находиться в пределах от 4,6 до 6,0 масс. %.
Осуществление изобретения
происходит в следующим образом. Кальций выполняет функцию основного эвтектика-образующего элемента, что позволяет сохранить высокие литейные свойства на уровне сплава-прототипа и при этом повысить коррозионную стойкость.
Железо и кремний в заявленных пределах позволяют повысить дисперсность алюминиево-кальциевой эвтектики. Другими словами, эти элементы выполняют функцию модификаторов эвтектики, что благоприятно сказывается на механических свойствах.
Концентрация марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств за счет легирования алюминиевой матрицы. Концентрации цинка и меди в заявленных пределах обеспечивают необходимый уровень прочности за счет легирования алюминиевой матрицы и кальций-содержащей фазы.
ПРИМЕР 1.
Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графит-шамотных тиглях на основе первичного алюминия марки А5E и лома алюминиевых банок. Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ 1583-93.
в
0,2
Механические свойства (временное сопротивление разрыву - σ, условный предел текучести - σ и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания проводили при комнатной температуре по ГОСТ 1497-84 после 3-часового стабилизирующего нагрева при температуре 350°С.
Таблица 1. - Составы экспериментальных сплавов и их свойства в литом состоянии
№
Легирующие компоненты, масс. % (алюминий-основа)
Механические свойства
Ca
Mn
Fe
Si
Cu
Zn
Σ<sup></sup>(Ca+Mn+Fe+Si+Cu+Zn)
σ<sub>в</sub>, МПА
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
1
1.0
0,6
0,1
0,05
0,02
-
165
80
12,0
2
2,0
2,0
0,3
0,3
0,3
1,0
5,9
215
130
7,5
3
2,5
1,6
0,4
0,2
0,2
0,4
5,3
220
135
6,5
4
3,0
1,2
0,2
0,1
0,05
0,05
4,6
210
125
6,0
5
4,0
2,8
0,8
0,8
0,5
1,5
-
120
120
0
Из таблицы 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным содержанием марганца и других элементов в алюминиевой матрице. Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с наличием первичных интерметаллидных кристаллов.
ПРИМЕР 2.
Из заявляемого сплава состава №3 были приготовлены листы (толщиной 2 мм) методом горячей прокатки. Как видно из табл.2, заявляемый сплав обладает требуемым уровнем механических свойств.
ПРИМЕР 3.
Из заявляемого сплава состава №3 были приготовлены прутки (диаметром 9 мм) методом горячей прокатки. Как видно из табл.2, заявляемый сплав обладает требуемым уровнем механических свойств.
Таблица 2. - Механические свойства сплава №3 (см.табл.1) в виде деформированных полуфабрикатов
Видполуфабриката
Мех. свойства на растяжение
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
Лист
250
145
5,5
Пруток
270
160
7,0
Технические результаты: создание экономнолегированного сплава на основе алюминия, с возможностью получения, как фасонных отливок сложной формы, так и деформированных полуфабрикатов, и обладающего высокими механическими свойствами без использования термической обработки.