ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
CAST ALUMINUM ALLOY

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении отливок сложной формы литьем в металлическую форму различными видами литья, в частности литьем под давлением, литьем под низким давлением, гравитационным литьем и т.д.
Предшествующий уровень техники
Отливки сложной формы, в зависимости от назначения, изготавливают из термически не упрочняемых и упрочняемых силуминов. Отливки, предназначенные для наиболее ответственных деталей, как правило, используют после полной термической обработки типа Т6 (ГОСТ 1583-93), включающей закалку в воду и старение на максимальную прочность. При этом максимальный уровень прочностных характеристик в состоянии Т6 у безмедистых силуминов (например, сплава АК7пч (ГОСТ 1583-93)) обычно составляет до 250-300 МПа для временного сопротивления разрыву и 170-240 МПа для значений предела текучести. Закалка существенно усложняет технологический цикл получения отливок, поскольку при ее использовании возможно коробление отливок, изменение габаритных размеров и появление трещин.
Термически неупрочняемые сплавы обычно характеризуются невысокими значениями механических свойств, в частности у сплава АК12пч (ГОСТ 1583-93) временное сопротивление при литье в металлическую форму не превышает 180-210 МПа, предел текучести находится на уровне 70-80 МПа, а типичные значения относительное удлинение достигают уровня 6-15%. Низкое значения относительного удлинения, соответствуют структуре сплава с грубой морфологией кремния эвтектического происхождения, для повышения относительного удлинения силумины в этом случае модифицируют, однако, зачастую, следствием этого является увеличение пористости, что в свою очередь приводит к ухудшению герметичности тонкостенных отливок.
Известен литейный сплав системы Al-Ni-Mn, предназначенный для получения структурных компонентов для автомобильного и аэрокосмического применения, являющийся альтернативой марочным силуминам, разработанный компанией Alcoa и раскрытый в патенте US 6783730 B2 (публ. 31.08.2004). Из этого сплава возможно получить отливки с хорошим сочетанием литейных и механических свойств при содержании (масс. %) 2-6% Ni, 1-3% Mn, 1% Fe, менее 1% кремния, а также при содержании других неизбежных примесей. Среди недостатков предложенного изобретения следует выделить то, что высокий уровень литейных и механических свойств обеспечивается использованием высоких по чистоте марок алюминия и при высоком содержании никеля, что существенно удорожает стоимость полученных отливок. Кроме того, предложенный материала является термически неупрочняемым во всем концентрационном диапазоне, что ограничивает его использование. При этом в области высоких концентраций никеля существенно снижается коррозионная стойкость отливок.
Известны литейные алюминиевые сплавы на основе систем Al-Ni и Al-Ni-Mn и способ получения литых деталей из них, которые описанные в изобретении компании Alcoa US 8349462 B2 (публ. 08.01.2013). В изобретении предложены составы сплавов для применения в литом состоянии и способ их получения для достижения заданной структуры, которая обеспечивает требуемый уровень механических свойств и формирование декоративных анодированных покрытий. Химический состав предложенного изобретения содержит следующий диапазон легирующих элементов (масс. %): 6,6-8,0% Ni; 0,5-3.5% Mn, до 0,25% любого элемента из группы Fe и Si; до 0,5% любого элемента из группы Cu, Zn, и Mg; до 0,2% любого элемента из группы Ti, Zr, and Sc, дополнительно В и С может быть включен до содержания 0,1%. Как и в изобретении US 6783730 B2 высокий уровень литейных и механических свойств обеспечивается использованием высоких по чистоте марок алюминия и при высоком содержании никеля, что существенно удорожает стоимость полученных отливок. При этом высокие концентрации никеля существенно снижают коррозионную стойкость. При этом в области высоких концентраций никеля существенно снижается коррозионная стойкость отливок. При относительно невысоком содержании никеля и марганца литейные сплавы имеют невысокий уровень прочностных характеристик.
Компании Alcoa в изобретении US 8950465 B2 (публ. 10.02.2015) на алюминиевые сплавы и способ их получения расширила концентрационный диапазон легирующих элементов, отраженный в изобретении US 8349462 B2. В предложенном изобретении отливки в литом состоянии могут быть выполнены из сплавов систем Al-Ni и Al-Ni-Mn при следующем концентрационном диапазоне легирующих элементов (масс. %), в частности для системы Al-Ni содержится 0,5-8,0% Ni и для Al-Ni-Mn содержится 0,5-8,0% Ni и 0,5-3,5% Mn. Среди недостатков предложенного изобретения следует выделить то, что высокий уровень литейных и механических свойств обеспечивается использованием высоких по чистоте марок алюминия и при высоком содержании никеля, что существенно удорожает стоимость полученных отливок.
Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав на основе алюминия, разработанный НИТУ «МИСиС» и раскрытый в патенте РФ 2478131 С2 публ. 27.03.2013 г. Данный сплав содержит (масс. %): l,5-2,5% Ni, 0,3-0,7% Fe, 1-2% Mn, 0,02-0,2% Zr, 0,02%-0,12% Sc и 0,002-0,1%Се. Отливки, полученные из сплава после отжига (без использования операции закалки) характеризуются временным сопротивлением не менее 250 МПа при относительном удлинении не менее 4%. Первым недостатком данного сплава является его повышенная склонность к образованию сосредоточенной пористости, что затрудняет получение качественных относительно крупных отливок. Второй недостаток связан с необходимостью использования повышенных температур литья, что не всегда может быть реализовано в условиях литейных предприятий.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание нового алюминиевого сплава, предназначенного для получения фасонных отливок и удовлетворяющего заданным требованиям по комплексу технологических и механических характеристик, прежде всего относительного удлинения.
Техническим результатом является обеспечение требуемого сочетания технологических и механических свойств сплава при литье.
Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе алюминия содержит железо, никель, марганец, по меньшей мере один элемент выбранный из группы титан и цирконий при следующих концентрациях легирующих элементов, масс. %:
Железо
0,1-1,1
Марганец
0,5-2,5
Никель
1,2-2,2
Хром
0,02-0,20
Титан
0,02-0,15
Цирконий
0,02-0,35
Алюминий
остальное
при этом должны выполняться следующие условия: эвтектические элементы железо и никель должны быть представлены преимущественно в виде алюминидов эвтектического происхождения в количестве не менее 4 масс. %.
В частном исполнении данный сплав позволяет получать отливки, в которых обеспечиваются следующие механические свойства на растяжение:
- при соотношении 0,02≤Zr+Ti≤0,45: в литом состоянии временное сопротивление не менее 200 МПа и относительное удлинение не менее 15%;
Количество эвтектической составляющей следует рассчитывать с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5).
2
Цирконий может перераспределяться между твердым раствором и вторичными выделениями с размером до 20 нм и типом решетки L1.
Сплав может содержать алюминий, полученный по технологии электролиза с инертным анодом.
Приведенные выше варианты частного выполнения по изобретению не являются единственно возможными. Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения, определенной первым пунктом формулы.
Сущность изобретения
Концентрация железа и никеля в заявленных пределах обеспечивает необходимое количество алюминидов эвтектического происхождения в количестве не менее 4 масс. %, что, в свою очередь, обеспечивает требуемое сочетание технологичности при литье (прежде всего по показателю горячеломкость). При содержании железа и никеля менее заявленного количества доля эвтектических фаз будет меньше требуемого уровня, что не обеспечит необходимый уровень литейных свойств, а при содержании более заявляемого концентрационного диапазона железа и никеля и - в структуре при кристаллизации сформируются первичные кристаллы Fe,Ni- содержащих фаз, что приведет к снижению общего уровня механических свойств.
6
Марганец в заявленных пределах необходим для обеспечения твердорастворного упрочнения в случае литого состояния и для дисперсионного твердения для термически обработанного состояния. Меньшее концентрации марганца будут недостаточны для достижения требуемого уровня прочностных свойств, а при больших количествах будет высока вероятность формирования первичных кристаллов фазы Al(Fe,Mn), что приведет к снижению уровня механических свойств и снижена технологичность при литье.
3
2
Цирконий в заявляемых количествах необходимы для твердорастворного упрочнения (при использовании в литом состоянии) или образования вторичных выделений фазы AlZr с кристаллической решеткой L1 (в случае использования термической обработки). При меньших концентрациях количество последних будет недостаточным для достижения заданных прочностных характеристик, а при больших количествах потребуется повышение температуры литья выше заданного уровня.
3
2
Титан в заявляемом количестве необходим для модифицирования алюминиевого твердого раствора, кроме того титан способен растворяться в вторичной фазе AlZr с кристаллической решеткой Ll, увеличивая эффект дисперсионного твердения в случае использования термической обработки. При большем содержании титана в структуре возможно появление первичных кристаллов, которые снизят общий уровень механических свойств, а при меньшем - не будет реализован положительный эффект от влияния этого элемента.
Хром в заявленных пределах необходим для обеспечения твердорастворного упрочнения для литого состояния и/или для дисперсионного твердения для термически обработанного состояния. Меньшая концентрация хрома не обеспечит требуемого уровня прочностных свойств, а при более высокой концентрации будет высока вероятность формирования первичных кристаллов фазы Al7Cr, что приведет к снижению уровня механических свойств.
Присутствие кремния в качестве примеси до 0,15 масс. % обеспечит дополнительный эффект от твердорастворного упрочнения. При большем содержании кремния происходит существенное увеличение интервала кристаллизации, что приведет к снижению литейных характеристик.
Пример конкретного исполнения
ПРИМЕР 1
В лабораторных условиях приготовлены составы сплавов, указанные в таблице 1. Сплавы готовили в индукционной печи в графитовых тиглях с использованием алюминия марки А85, никеля марки Н0 и лигатур Al-10Cr, Al-10Mn, и Al-5Ti. Температура литья для сплавов составляла 750°С. Полученные сплавы заливали в металлический кокиль «пруток» для оценки механических свойств и анализа микроструктуры. Литейные свойства сплавов оценивались по показателю горячеломкость (ПГ) с использованием «кольцевой пробы», где наилучшим показателем является кольцо с минимальным сечением стенки, закристаллизовавшейся без трещины. С использованием расчетного метода проанализирован фазовый состав и количество эвтектической фазы рассмотренных сплавов. Результаты представлены в таблице 2. Для сплава 5 таблицы 1 расчет не производился ввиду некорректного расчета эвтектической фазы из-за наличия первичных кристаллов.
Из анализа результатов таблиц 1 и 2 видно, что сплавы 2-5 в заявленном концентрационном диапазоне обеспечивают хороший уровень литейных характеристик. Сплав состава 1 характеризуется неудовлетворительным уровнем литейных свойств (по показателю горячеломкости), прежде всего, ввиду низкого содержания эвтектики. В структуре сплава 5 выявлены первичные кристаллы железистой фазы, что негативно отразилось на механических свойствах и прежде всего относительного удлинения (таблица 3). Механические свойства определялись из отливки, полученной гравитационным литьем со средней скоростью охлаждения в интервале кристаллизации около 10 К/с. Испытания на разрыв проведено на отдельно отлитых образцах диаметром 10 мм и расчетной длиной 50 мм. Скорость испытания составляла 10 мм/мин.
Формирование в структуре алюминидов эвтектического происхождения с благоприятной морфологией является необходимым условием для достижения высокого уровня относительного удлинения. Типичная структура, обеспечивающая хороший уровень относительного удлинения приведена на фигуре 1.
Для использования в литом состоянии наиболее предпочтителен состав, соответствующий сплавам 2 и 3 (табл. 1).
ПРИМЕР 2
Для оценки влияния количества эвтектики были приготовлены сплавы с переменным ее содержанием при фиксированном содержании железа и никеля соответственно. Химический состав представлен в таблице 4. Для сплава 5 таблицы 1 расчет не производился ввиду некорректного расчета эвтектической фазы из-за наличия первичных кристаллов.
Из таблицы 4 видно, что только заявляемый сплавы при условии количества эвтектики выше 4 обеспечивают требуемые значения по показателю горячеломкости.
ПРИМЕР 3
Из состава сплава 2 и 3 таблица 1 были получены отливки методом литья под давлением (HPDC). Результаты приведены в таблице 5.