ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
CASTABLE ALUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.
Детали автомобильных двигателей отличаются сложной формой, поэтому их, как правило, изготавливают из силуминов (сплавов на основе системы Al-Si) различными методами фасонными литья: в землю, кокиль, под давлением 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 обычных следующими особенностями:
1) узкий концентрационный интервал легирующих элементов (например, по магнию он составляет менее 0,1%);
2) строгое ограничение по примесям (в первую очередь, по железу), что сильно ограничивает возможность использования вторичного сырья для их приготовления;
3) обязательная термическая обработка, включающая закалку (обычно типа Т6);
4) 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 близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 6773666 (2004 г., Lin; Jen C. etc., Alcoa Inc).
Данный сплав содержит кремний, магний и марганец при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
Кремний
6-9
Магний
0,2-0,8
Марганец
0,1-1,2
Алюминий
остальное
2
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 является ограничение по максимальной рабочей температуре. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы MgSi при длительных нагревах свыше 180°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению. 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.
Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора и стронция, а также иметь солидус не ниже 550°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
7,6-8,6
Медь
0,3-0,5
Магний
0,26-0,38
Марганец
0,1-0,3
Железо
0,1-0,3
при этом должны выполняться следующие условия:
а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С;
5
2
8
6
б) объемная вторичных выделений фазы AlCuMgSi должна быть не ниже 0,8 об.%
Сущность изобретения состоит в следующем.
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. При выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойств сплава, 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.
5
2
8
6
1. Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марок А7, сплава АК12оч, магния марки Мг90 (99,9%), меди M1 (99,9%) и лигатур: Al-10%Mn и Al-10%Fе. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 545±5°С, закалка в холодной воде и старение). Равновесный солидус определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную долю вторичных выделений фазы AlCuMgSi 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 (полученных согласно ГОСТ 1583-93).
Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6 и выдержки при 190°С в течение 8 часов
№
Концентрации, % по массе
σ<sub>в</sub> <sup>1</sup>, МПа
δ<sup>2</sup>, %
НВ<sup>3</sup>
T<sub>s</sub> <sup>4</sup>, °C
Q<sup>4</sup>, об. %
Si
Mg
Cu
Mn
Fe
Al
1
7
0.2
0,1
0,05
0,05
ост.
260
10
80
570
2
7,6
0,26
0,26
0,3
0,3
ост.
330
8
105
566
3
8
0,32
0,35
0,2
0,2
ост.
345
6
110
563
4
8,4
0,38
0,45
0,1
0,1
ост.
350
4,5
116
560
5
9
0,5
1
0,5
0,5
ост.
320
1,6
120
548
6
7,5
0,5
<0,01
0,7
0,1
ост.
270
3,5
85
561
0
<sup>1</sup>временное сопротивление на разрыв; <sup>2</sup>относительное удлинение; <sup>3</sup>твердость по Бриннелю; <sup>4</sup>температура равновесного солидуса (расчет), <sup>5</sup>объмная доля вторичных выделений фазы Al<sub>5</sub>Cu<sub>2</sub>Mg<sub>8</sub>Si<sub>6</sub>
5
2
8
6
s
в
5
2
8
6
Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, относительного удлинения и равновесного солидуса. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы AlCuMgSi. 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 значениям σ и НВ, поскольку в нем отсутствует фаза AlCuMgSi. При этом включения кремниевой фазы во всех составах заявленного сплава имели глобулярную морфологию (см. чертеж ).
ПРИМЕР 2.
Определяли механические свойства сплавов 3 и 6 (см. табл.1) при повышенных температурах. Механические свойства на разрыв определяли по ГОСТ 9651-84 на цилиндрических образцах, выточенных из кокильных отливок (согласно ГОСТ 1583-93). Результаты, приведенные в табл.2, показывают, что заявляемый сплав (№3) превосходит известный (№6), по прочности, как при 150°С, так и при 200°С.
Таблица 2
Прочностные свойства экспериментальных сплавов при повышенных температурах
№
Т, С°
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
3
150
190
170
200
95
70
6
150
150
135
200
70
50
ПРИМЕР 3.
Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в заводских условиях ООО «РосАЛит» были залиты 100 шт. серийных отливок дет. 514.1003015 «Головка цилиндров» (см. чертеж 1). Все отливки имели удовлетворительное качество.