ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALUMINIUM-BASED CAST ALLOY

Изобретение относится к металлургии литейных сплавов на основе алюминия с повышенными технологическими и механическими свойствами, используемых в качестве конструкционных материалов в машиностроении и электротехнической промышленности.
Известен литейный сплав на основе алюминия (А.с. СССР №1803450, МПК C22C 21/04, 1993), содержащий, мас.%:
Кремний
5,0-12,0
Магний
0,3-2,5
Медь
1,0-2,0
Цинк
0,2-2,0
Марганец
0,1-0,6
Нитриды титана
0,02-0,2
Нитриды алюминия
0,01-0,08
Никель
0,01-0,3
Алюминий
Остальное.
Известный сплав склонен к образованию газоусадочной пористости и обладает нестабильными пластическими и технологическими свойствами.
Известен также литейный сплав на основе алюминия (Патент РФ №2415193, МПК C22C 21/04, 2011), содержащий, мас.%:
Кремний
2,8-4,4
Магний
0,05-0,8
Медь
0,5-3,5
Цинк
0,2-3,0
Марганец
0,2-1,2
Железо
1,2-2,2
Церий
0,01-0,3
Алюминий и примеси
Остальное.
Этот литейный сплав обладает низкой коррозийной стойкостью, имеет пониженную жидкотекучесть и недостаточную трещиностойкость. В стандартных технологических пробах на трещиностойкость при заливке в металлические формы образуются несколько трещин, имеющих общую длину до 14-20 см.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является литейный сплав на основе алюминия АЛ 30 (АК12ММгН) по ГОСТ 1583-93 следующего химического состава, мас.%:
Кремний
11-13
Медь
0,8-1,5
Магний
0,8-1,3
Никель
0,8-1,3
Марганец
до 0,2
Железо
до 0,7
Хром
до 0,2
Цинк
до 0,2
Титан
до 0,2
Свинец
до 0,05
Алюминий и примеси
Остальное.
При литье в кокиль отливки из известного сплава после закалки с температуры 520±5°C в воде и старения по режиму Т6 обладают следующими механическими и технологическими свойствами:
Временное сопротивление разрыву, МПа
216-225
Относительное удлинение, %
0,7-0,9
Твердость, НВ
90-95
Скорость коррозии, мг/м<sup>2</sup>
82-87
Эффективная скорость резания, м/мин
35-45
Относительная шлифуемость (эталон АКЧЖ), %
112-118
Плотность, г/см<sup>3</sup>
2,63-2,8
Недостатками известного литейного сплава на основе алюминия являются низкие характеристики коррозийной стойкости, трещиностойкости (11-15 см) и нестабильные технологические свойства.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости и технологических свойств.
Поставленная задача решается тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, медь, магний, никель, марганец, железо, хром, цинк, титан, свинец дополнительно содержит бор, церий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний
11-13
Медь
0,8-1,5
Магний
0,8-1,3
Никель
0,5-1,2
Марганец
0,3-1,2
Железо
0,3-0,8
Хром
0,3-0,5
Цинк
0,3-0,5
Титан
0,22-0,35
Свинец
0,02-0,21
Бор
0,02-0,06
Церий
0,02-0,05
Азот
0,02-0,05
Алюминий
Остальное.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение бора в литейный сплав в количестве 0,02-0,06 мас.% снижает газовыделение при кристаллизации, повышает дисперсность структуры, плотность, трещиностойкость и коррозионную стойкость отливок и предохраняет расплав от загорания. При содержании бора до 0,02 мас.% характеристики плотности, трещиностойкости и коррозионной стойкости недостаточны. При увеличении бора более 0,06 мас.% снижаются пластические и технологические свойства сплава.
Дополнительное введение церия в количестве 0,02-0,05 мас.% обусловлено высокой его модифицирующей и химической активностью, способностью кристаллизации структурных составляющих сплава в более компактной форме, что способствует повышению пластических, технологичнеких свойств и трещиностойкости. При содержании церия до 0,02 мас.% модифицирующий эффект недостаточен. При увеличении содержания церия более 0,06 мас.% повышается угар сплава и увеличивается газовыделение.
Дополнительное введение азота в количестве 0,02-0,05 мас.% обусловлено его рафинирующим влиянием, способностью очищать расплав от взвешенных оксидных (неметаллических) включений и образовывать дисперсные нитридные включения, что способствует повышению трещиностойкости и технологических свойств сплава в отливках. При концентрации азота до 0,02 мас.% количество нитридных включений и рафинирующий эффект не достаточны и технологические свойства отливок низкие. При увеличении содержания азота более 0,06 мас.% отмечается повышение угара магния и церия, что снижает пластические и технологические свойства сплава в отливках.
Для измельчения кристаллических зерен сплава в отливках, повышения плотности и коррозийной стойкости сплава содержание марганца в сплаве повышено до 0,3-1,2 мас.%. При увеличении содержания марганца более 1,2 мас.% снижаются характеристики трещиностойкости, пластических и технологических свойств. При концентрации марганца менее 0,3 мас.% плотность, коррозионная стойкость и прочностные свойства сплава недостаточны.
Повышение концентрации хрома до 0,3-0,5 мас.% обусловлено также существенным увеличением плотности и коррозионной стойкости сплава в отливках. При увеличении концентрации хрома более 0,5 мас.% снижаются литейные и пластические свойства. При снижении концентрации хрома менее 0,3 мас.% характеристики плотности, твердости и прочности недостаточны.
Содержание кремния (11-13 мас.%), меди (0,3-1,5 мас.%) и магния (0,8-1,3 мас.%) принято на основе практики производства термообрабатываемых отливок из литейных сплавов на основе системы Al-Si-Cu (алюминий-кремний-медь) с повышенной прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации.
Для измельчения зерна и повышения пластических и технологических свойств в сплав вводят 0,22-0,35 мас.% титана, 0,3-0,5 мас.% цинка, 0,02-0,21 мас.% свинца и 0,5-1,2 мас.% никеля. При увеличении их концентрации более верхних пределов снижаются характеристики трещиностойкости, плотности и твердости. При содержании их менее нижних пределов пластические свойства, коррозионная стойкость и технологические свойства недостаточны.
2
3
2
Введение железа (0,3-0,8 мас.%) способствует повышению коррозионной стойкости, твердости и прочности. В зависимости от содержания железа, марганца и церия в отливках образуются как игольчатые выделения типа Al-Fe-Si (алюминий-железо-кремний), снижающие трещиностойкость, пластические и технологические свойства, так и более дисперсные и компактные выделения типа (Al, Mn, Fe, Si, Ce), способствующие повышению пластических, технологических свойств и коррозионной стойкости. При концентрации железа менее 0,3 мас.% компактных выделений железистой составляющей не образуется и основными структурными составляющими сплава являются фазы S (AlCuMg) и Al(Ni,Cu), которые снижают пластические свойства и трещиностойкость. При увеличении концентрации железа более 0,8 мас.% повышается содержание игольчатых выделений типа В (Al-Fe-Si), снижающих пластические свойства, трещиностойкость и обрабатываемость резанием на металлорежущих станках.
Опытные плавки литейных сплавов проводились в тигельных индукционных печах ИАТ-2,5. В качестве шихтовых материалов использовали чушки алюминиевого сплава АК12ММгН (50% от металлозавалки), возврат собственного производства из сплава АЛ30 (45% от металлозавалки) и легирующие и модифицирующие добавки (5% от металлозавалки). Медь и ферробор вводят в расплав при температуре 790-800°C, а церий и магниевую лигатуру - в конце плавки перед сливом расплава. Максимально допустимый перегрев расплава в печи - 860-880°C. Продувку расплавов азотом производят в миксерах (раздаточных печах) после рафинирования гексахлорэтаном и серой.
Разливку литейных сплавов производят в металлические формы после восстановления под шлаком в течение 10-15 минут для получения звездообразных технологических проб на трещиностойкость, стандартных технологических проб на жидкотекучесть, образцов и деталей.
В таблице 1 приведены химические составы сплавов опытных плавок.
В таблице 2 приведены механические и технологические свойства этих сплавов.
Как видно из таблицы 2 предложенный сплав обладает более высокими характеристиками механических свойств, трещиностойкости и технологических свойств.
Таблица 1
Химический состав литейных сплавов опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов, мас.% (алюминий - остальное) литейных сплавов для составов
1(изв.)
2
3
4
5
6
Кремний
1,2
9,7
1,1
12,1
13
15
Медь
1,1
0,6
0,8
1,3
1,5
1,7
Магний
0,9
0,5
0,8
1,1
1,3
1,4
Никель
0,9
0,3
0,5
1,0
1,2
1,3
Марганец
0,1
0,2
0,3
0,9
1,2
1,5
Железо
0,5
0,2
0,3
0,6
0,8
1,2
Хром
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,7
Цинк
0,1
0,1
0,3
0,4
0,5
0,6
Титан
0,07
0,2
0,22
0,3
0,35
0,5
Свинец
0,06
0,01
0,02
0,16
0,21
0,3
Бор
-
0,01
0,02
0,04
0,06
0,1
Церий
-
0.01
0,02
0,04
0,05
0,07
Азот
-
0,01
0,02
0,03
0,05
0,06
Таблица 2
Механические и технологические свойства сплавов опытных плавок
Свойства литейных сплавов
Показатели свойств для составов литейных сплавов опытных плавок
1 (изв.)
2
3
4
5
6
Временное сопротивление разрыву, МПа
218
223
228
235
237
226
Относительное удлинение, %
0,8
0,9
1,0
1,2
1,4
1,1
Плотность, г/см<sup>3</sup>
2,68
2,7
2,9
3,1
3,2
2,8
Эффективная скорость резания, м/мин
37
35
52
60
55
44
Скорость коррозии, мг/м<sup>2</sup>
83
82
80
75,6
72,8
81
Трещиностойкость (общая длина трещин в пробе), см
12
11
9,1
7,2
6,5
10,3