СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ И ОТЛИВКА ИЗ СПЛАВА AlCu
METHOD FOR PRODUCING CASTINGS OF COMPLEX SHAPE AND CASTING FROM ALCU ALLOY

Изобретение относится к способу получения отливок сложной формы из алюминиево-медного сплава.
Если здесь приводятся данные по содержанию легирующих элементов, то они соотнесены с весом соответствующего сплава, если не указано иное.
Выполненные из алюминиево-медных сплавов упоминаемого здесь типа отливки обладают особо высокими прочностными свойствами прежде всего при повышенных температурах применения, превышающих 250°С. Правда этому противостоят плохие литейные свойства, которые затрудняют получение заготовок литейной технологией.
Типичными примерами таких отливок могут служить головки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания, которые, во-первых, во время практического применения подвержены действию высоких температур и, во-вторых, обладают сложной конструкцией, образованной филигранно выполненными элементами, такими, как охлаждающие и масляные каналы, канавки, перемычки, направляющие и им подобные.
Существенной проблемой при обработке по существу не содержащих кремний алюминиево-медных сплавов является их выраженная подверженность горячему растрескиванию и их способность к подпитке, которая заметно хуже, чем у традиционных алюминиево-кремниевых сплавов.
Из WO 2008/072972 А1 известен способ получения отливок сложной формы из алюминиево-медного сплава, содержащего (в вес.%): 2 – 8% Cu, 0,2 – 0,6% Mn, 0,07 – 0,3% Zr, до 0,25% Fe, до 0,3% Si, 0,05 – 0,2% Ti, до 0,04% V, остальное – Al и неизбежные примеси, при этом суммарное содержание примесей составляет не более 0,1%. Присутствию церия придаётся при этом особое значение в связи с получением мелкозернистой структуры с размером зёрен не более 100 мкм.
Для увеличения мелкозернистости структуры отливки при осуществлении известного способа в расплав соответствующего состава перед разливкой дополнительно вводится измельчающее зернистость средство, например, TiC, в количестве обычно 2 кг на тонну расплава. Полученная после разливки и затвердевания отливка подвергается термообработке, при которой она сначала подвергается диффузионному отжигу при температуре 530 – 545°С. С температуры диффузионного отжига отливку ускоренно охлаждают водой или потоком воздуха, причём, в частности, резкое охлаждение водой считается эффективным с учётом требуемой высокой прочности, однако охлаждение воздушным потоком рекомендуется в том случае, когда вследствие своей сложной формы отливка при быстром охлаждении приобретает склонность к растрескиванию. После резкого охлаждения отливку выдерживают в течение 3 - 14 часов при температуре 160 – 240°С для повышения твёрдости структуры.
Опыты по практическому применению известного способа показали, что, хотя известный сплав и обладает преимуществами в отношении своих свойств, представляющих интерес, в частности, для получения технологией разливки головок цилиндров для двигателей внутреннего сгорания, однако в промышленном масштабе не удаётся получать с необходимой эксплуатационной надёжностью известным способом из этого сплава отливки, удовлетворяющие вытекающим из практического применения требованиям.
Так, обнаружилось, что размер зерна соответственно полученных отливок действительно чрезвычайно колеблется в зависимости от способа разливки. Например, в очень крупной пробной заготовке, которая затвердевала очень медленно, средний размер зерна составил около 100 мкм. Если же из этой пробной заготовки отобрать небольшой кусок, снова его расплавить и затем снова подвергнуть очень быстрому затвердеванию, то несмотря на большую скорость затвердевания размер зерна опять составит вопреки ожиданиям от 500 до 900 мкм. Отливки с такой крупнозернистой структурой совершенно не достаточны для применения, на которое рассчитаны приведённые здесь способы.
Поэтому на фоне уровня техники задача заключалась в создании способа, обеспечивающего на практике надёжное получение отливок из алюминиево-медного сплава известного типа.
В отношении способа эта задача решена изобретением в результате того, что при производстве отливок из алюминиево-медного сплава проводятся указанные в пункте 1 формулы изобретения технологические операции.
Оптимальные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения и поясняются ниже в отдельности в качестве общего замысла изобретения.
Способ получения отливок филигранно выполненной формы согласно изобретению включает в себя следующие технологические операции:
а) плавление алюминиево-медного сплава, содержащего (в вес.%):
6 – 8% Cu,
0,3 – 0,55% Mn,
0,15 – 0,25% Zr,
до 0,25% Fe,
до 0,125% Si,
0,05 – 0,2% Ti,
до 0,04% V,
остальное – алюминий и неизбежные примеси;
б) выдержка расплава при температуре 730 – 810°С в течение 4 – 12 часов;
в) перемешивание расплава;
г) отбор из расплава её порции;
д) получение отливки из отобранной из расплава порции;
е) диффузионный отжиг отливки при 475 – 545°С в течение 1 – 16 часов;
ж) закалку отливки от температуры диффузионного отжига до температуры не свыше 300°С, причём отливку закаливают по меньшей мере в температурном диапазоне от 500 до 300°С при скорости охлаждения 0,75 – 15 К/с;
з) искусственное старение отливки, причём при искусственном старении отливку выдерживают в течение 1 – 10 часов при температуре 150 – 300°С;
и) охлаждение отливки до комнатной температуры.
Способ согласно изобретению рассчитан на известный из WO 2008/072972 А1 алюминиево-медный сплав и позволяет получить отливку, удовлетворяющую на практике самым жёстким требованиям к его потребительским свойствам.
Содержание меди в обрабатываемом согласно изобретению сплаве составляет от 6 до 8 вес.%, что необходимо для обеспечения термической стойкости получаемой отливки. Оптимальные свойства в этом отношении достигаются в том случае, когда содержание меди в обрабатываемом согласно изобретению сплаве составляет 6,5 – 7,5 вес.%.
Марганец при содержании от 0,3 до 0,55 вес.% поддерживает диффузию меди в алюминиевую матрицу структуры полученной согласно изобретению детали и таким образом также стабилизирует прочность сплава согласно изобретению при высоких рабочих температурах. Особенно надёжно этот эффект обеспечивается в том случае, когда содержание марганца составляет 0,4 – 0,55 вес.%.
Цирконий имеет особое значение для термической стойкости полученных согласно изобретению отливок. Так, например, цирконий способствует при содержании 0,15 – 0,25 вес.% образованию дисперсных выделений, наличие которых в полученных из литейных сплавов согласно изобретению отливках гарантирует положение, при котором сплавы согласно изобретению будут иметь мелкую структуру, обусловленное этим оптимальное равномерное распределение механических свойств по объёму отливки и минимальную склонность к растрескиванию. Эти преимущества особенно надёжно достигаются тогда, когда содержание циркония в обработанном согласно изобретению сплаве составляет 0,18 – 0,25 вес.%, в частности, 0,2 – 0,25 вес.%.
Присутствие железа в сплаве согласно изобретению нежелательно, так как оно способно образовывать хрупкие фазы. Поэтому содержание железа ограничено величиной не более 0,25 вес.%, предпочтительно 0,12 вес.%.
Предельное, предусмотренное изобретением содержание кремния составляет не более 0,125 вес.%, так как при его более высоком содержании возрастает риск образования горячих трещин. Отрицательное воздействие кремния на свойства сплава согласно изобретению можно уверенно исключить в результате того, что его содержание будет ограничено величиной не более 0,06 вес.%.
Титан при содержании от 0,05 до 0,2 вес.%, в частности, от 0,08 до 0,12 вес.%, как и цирконий, способствует измельчению зерна. Измельчению зерна можно также способствовать добавкой ванадия в количестве до 0,04 вес.%. Это происходит, в частности, в том случае, когда в обрабатываемом согласно изобретению сплаве ванадий присутствует в количестве от 0,01 до 0,03 вес.%.
Суммарное содержание технологически обусловленных неизбежных примесей должно поддерживаться, как это имеет место в уровне техники, низким, в частности, не превышать 0,1 вес.%.
Изобретение основано на знании того, что для уверенного получения бездефектных отливок сложной формы, например, головок цилиндров для бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания из алюминиево-медного сплава необходимо модифицировать параметры технологического процесса с помощью мер, иных, чем уже известные. Только таким образом могут изготавливаться технологически надёжно отливки с составом согласно изобретению, обладающие по всему своему объёму размером зерна менее 100 мкм, в идеальном случае, менее 80 мкм.
В качестве первого шага в этом направлении расплав необходимо выдерживать достаточно длительное время при соответствующем температурном режиме.
В результате обширных исследований было установлено, что для этого требуется выдержка в горячем состоянии в течение 4 – 12 часов при температуре от 730 до 810°С, в частности, от 750 до 810°С, причём требуемые результаты достигаются особенно надёжно в том случае, когда длительность выдержки составляет 6 – 10 часов, а температура выдержки – 770 – 790°С.
Механизм действия, связанный с предусмотренной согласно изобретению выдержкой при указанных выше режимах времени и температуры (технологическая операция б) способа согласно изобретению), до настоящего времени окончательно не выяснен. Однако представляется, что присутствие Zr, Ti и факультативно V в предусмотренных изобретением количествах оказывает решительное влияние. Вместе с алюминием в качестве основного компонента сплава эти элементы образуют при высоких температурах предварительные выделения, которые активируются при длительной выдержке и затем действуют в качестве измельчающего зернистость средства.
Также было установлено, что для достижения литейного результата, сохраняющегося неизменно положительным в течение многих операций разливки, расплав необходимо тщательно перемешивать до начала соответствующей операции разливки.
Затем начинается с технологической операции г) собственно процесс разливки. Технологические операции г) – к) способа согласно изобретению после этого повторяются столь часто, пока не будет произведено предусмотренное для соответствующей разливочной операции количество отливок.
При этом в случае необходимости в промежутке между двумя отборами порций перемешивание может повторяться. Перемешивание, производимое, например, в виде интенсивного размешивания, может проводиться в процессе обычной обработки для удаления газа, как она обычно применяется в производственном способе обсуждаемого здесь типа перед началом собственно процесса разливки, начинающегося с отбора первой порции расплава.
Образованию особенно мелкой структуры в получаемых согласно изобретению отливках можно способствовать также в результате того, что соответствующая порция расплава, например, на своём пути к разливочной форме будет подвержена факультативно обработке для измельчения зерна до начала разливки с получением отливки. В результате такой обработки и применения способа согласно изобретению получают отливки, для которых может быть гарантирована структура со средним размером зерна менее 60 мкм.
В качестве оптимально добавляемых средств для измельчения зерна пригодны для этой цели уже известные соединения, как, например, TiC или TiB, которые могут добавляться соответственно в количестве от 1 до 10 кг на тонну расплава. В данном случае опыты показали, что оптимальный эффект измельчения зерна достигается тогда, когда доза средства для измельчения зерна составляет 4 – 8 кг на тонну расплава.
Для получения отливки (технологическая операция д) способа согласно изобретению в принципе может применяться любой традиционный способ литья. Это предопределяет возможность применения обычной гравитационной разливки.
Однако опробование способа согласно изобретения на практике показало, что отлитые из обработанного согласно изобретению сплава детали остаются чувствительными к образующемуся при охлаждении температурному градиенту даже в том случае, когда вследствие отсутствия кремния в сплаве в отливке обеспечивается мелкая структура в результате мероприятий по подготовке разливки. Такой чувствительности можно противодействовать с помощью способа литья, обеспечивающего по возможности хорошо ориентированное затвердевание.
Если необходимо получить особо филигранно выполненные детали с оптимальными свойствами, то необходимо применить так называемый «динамический способ литья». Под ним понимаются такие способы, при которых литейная форма во время своего заполнения расплавом находится в движении, необходимом, с одной стороны, для обеспечения спокойного, слабо вихревого потока расплава и связанного с этим также спокойного заполнения литейной формы и, с другой стороны, для достижения после заполнения оптимального протекания затвердевания.
Общей характеристикой известных под названием «способы литья с заполнением формы кантовкой» динамических способов литья является то, что литейная форма заполняется из состыкованной с ней ёмкости с расплавом, при этом она вместе с ёмкостью с расплавом поворачивается вокруг оси вращения из исходного положения, в котором эта ёмкость заполняется подлежащим разливке расплавом, в конечное положение, в котором в результате такого поворотного движения расплав устремляется в литейную форму. Примеры таких способов описаны в ЕР 1 155 763 А1, DE 10 2004 015 649 B3, DE 10 2008 015 856 A1, DE 10 2010 022 343 A1 и в ещё не опубликованной немецкой заявке на патент DE 10 2014 102 724.8.
В результате пояснённых выше мероприятий (технологические операции а) – д), а также дополнительно проводимая при необходимости обработка для измельчения зерна) получают после разливки и затвердевания отливку, структура которой удовлетворяет требованиям к её мелкозернистости (средний размер зёрен: < 100 мкм).
Для задания её других потребительских свойств отливка проходит согласно изобретению термическую обработку, при которой она подвергается прежде всего диффузионному отжигу при температуре 475 – 545°С в течение 1 – 16 часов. Для достижения по возможности большой концентрации меди в алюминиевой матрице и следовательно для полного исчерпания потенциала сплава температура диффузионного отжига может быть задана равной 515 – 530°С.
Продолжительность диффузионного отжига существенного влияния не оказывает. В рамках изобретения её необходимо регулировать таким образом, чтобы присутствующая медь могла наилучшим образом раствориться в алюминиевой матрице. На практике обычно удаётся растворить по меньшей мере 60% присутствующей меди, причём стремятся растворить по возможности большие доли, например по меньшей мере 70% и более присутствующей меди. Для этого на практике может быть предусмотрена при промышленном производстве деталей для двигателей внутреннего сгорания длительность диффузионного отжига от 2 до 6 часов.
После диффузионного отжига соответствующую отливку подвергают закалке путем ускоренного охлаждения с температуры диффузионного отжига до температуры прекращения охлаждения, составляющей не более 300°С. При этом скорости резкого охлаждения придаётся решающее значение.
Скорость резкого охлаждения ограничивается в сторону уменьшения по причине того, что при слишком медленном охлаждении образуются слишком низкие прочностные показатели. Так было выяснено, что при обычном резком охлаждении на воздухе предел прочности при растяжении и условный предел текучести отливок, полученных из обработанного согласно изобретению сплава, ниже, чем у отливок из стандартизированных сплавов. Поэтому изобретением предусмотрена на технологической операции з) скорость резкого охлаждения всей отливки в среднем, не менее 0,75 К/с.
В противоположность этому слишком быстрое охлаждение после диффузионного отжига создаёт опасность образования трещин. Они могут образоваться, например, в том случае, когда отливка резко охлаждается водной струёй, водным потоком или погружением в ёмкость с температурой ниже 70°С.
При резком охлаждении нагретой по меньшей мере до 70°С водой можно с достаточной уверенностью предупредить растрескивание.
В качестве альтернативы также возможно проводить резкое охлаждение с помощью образуемого распылением тумана. При резком охлаждении таким туманом охлаждение настолько щадящее, что и в этом случае не происходит растрескивания, если при этом туман образуют распылением при комнатной температуре.
Независимо от того, каким образом проводится резкое охлаждение, для предупреждения растрескивания согласно изобретению верхний предел скорости охлаждения, достигнутой в среднем для всей отливки при технологической операции з) способа согласно изобретению, установлен равным 15 К/с.
Идеальной является достигнутая для всей отливки средняя скорость охлаждения от 1,5 до 7,5 К/с. Так, например, при резком охлаждении водой с температурой 90°С скорость охлаждения составила около 7,5 К/с и при опробовании способа согласно изобретению были получены наилучшие результаты.
Как упоминалось выше, в качестве средства резкого охлаждения может применяться, например, поток или образуемый распылением туман. При использовании охлаждения распыляемым туманом присутствует возможность того, что детали будут охлаждаться путём воздействия на их наружную сторону или изнутри в результате того, что средство резкого охлаждения будет поступать по имеющимся в отливке каналам, например, в головке цилиндра – через водяную рубашку. Применяемые при этом меры описаны, например, в DE 102 22 098 В4. При охлаждении снаружи скорость охлаждения составляет от около 2 до 2,5 К/с, при охлаждении изнутри эта скорость составляет от 1,5 до 3,75 К/с.
При технологической операции з) отливку охлаждают до температуры, которая ниже или равна температуре последующей выдержки. Согласно изобретению искусственное старение длится от 1 до 10 часов при температуре 150 – 300°С, в частности, 200 – 260°С. Таким образом искусственное старение проводится по образцу традиционного метода, однако, в отличие от традиционного метода, в изобретении совершенно не предусмотрено перестаривание.
Длительность искусственного старения не оказывает существенного влияния на результат обработки. Однако для достижения устойчивого состояния отливки оказалось целесообразным, чтобы старение проводилось в течение по меньшей мере двух часов. При практическом осуществлении продолжительность искусственного старения составляет обычно от 2 до 4 часов.
Следовательно произведённые согласно изобретению отливки отличаются тем, что они состоят из алюминиево-медного сплава с содержанием (в вес.%) 6 – 8% Cu, 0,3 – 0,55% Mn, 0,15 – 0,25% Zr, до 0,25% Fe, до 0,125% Si, 0,05 – 0,2% Ti, до 0,04% V, остальное – Al и неизбежные примеси, и при этом имеют структуру со средним размером зерна менее 100 мкм, в частности, менее 80 мкм.
При этом полученные и наделённые соответствующими свойствами согласно изобретению отливки с минимальной подверженностью к растрескиванию даже после по меньшей мере 400 часов применения при температуре не менее 250°С, что является типичным при использовании в автомобильных двигателях внутреннего сгорания, обладали при температуре испытания 250°С пределом прочности при растяжении не менее 160 МПа, обычно не менее 200 МПа, и условным пределом текучести не менее 100 МПа, обычно не менее 150 МПа.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примеров выполнения.
Для опробования способа согласно изобретению были приготовлены опытные расплавы S1, S2, S3 в традиционной плавильной печи, состав которых приведён в таблице 1.
При этом расплавы S1, S2, S3 выдерживались в плавильной печи в течение времени tH при температуре ТН.
Затем, до начала собственно разливочной операции провели обычную обработку для удаления газов, при которой соответственно расплавы S1, S2, S3 дополнительно интенсивно перемешивались для обеспечения надлежащего смешения.
Во время последовавшей затем разливочной операции из расплавов S1, S2, S3 были получены отливки G1 – G4 (расплав S1), G5 (расплав S2) и G6, G7 (расплав S3). Отливки G1 – G5 представляли собой головки цилиндров для дизельных двигателей внутреннего сгорания, в то время как изготавливаемые отливки G6, G7 были головками цилиндров для бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Для изготовления отливок G1 – G7 при соответствующей разливочной операции из плавильной печи были отобраны с помощью обычной литейной ложки достаточные порции соответствующих расплавов S1, S2, S3.
В содержащуюся в литейной ложке порцию расплава добавили TiB поcредством дозирования DKF.
Разливка соответствующей порции расплава проводилась с применением известного под названием “Rotacast” метода центробежного литья в обычной машине центробежного литья, как, например, в раскрытой в ЕР 1 155 763 А1.
После затвердевания и извлечения из формы полученные отливки подвергли диффузионному отжигу при температуре TLG в течение времени tLG.
По окончании диффузионного отжига отливки охладили с температуры диффузионного отжига TLG до температуры прекращения охлаждения TAS со скоростью охлаждения dAS.
Затем последовало искусственное старение отливок G1 – G7. При этом отливки выдерживались в течение времени tWA при соответствующей температуре TWA.
В таблице 2 приведены для каждой из полученных отливок G1 – G7 расплав, из которых они были изготовлены, и параметры: время выдержки tH, температура выдержки ТН, дозирование DKF, температура диффузионного отжига TLG, длительность диффузионного отжига tLG, температура прекращения охлаждения TAS, скорость охлаждения dAS, длительность искусственного старения tWA и температура искусственного старения TWA.
Достигнутый после охлаждения до комнатной температуры средний размер зерна в структуре, предел прочности при растяжении Rm, условный предел текучести Rp0,2 и относительное удлинение А приведены в таблице 3.
Было установлено, что отливка G3, охлаждённая со слишком низкой скоростью охлаждения dAS после диффузионного отжига, обладала заметно более низким пределом прочности при растяжении Rm, а также заметно меньшим условным пределом текучести Rp0,2 по сравнению с отливками G1, G2 и G4, прошедшими термообработку согласно изобретению и изготовленными из того же расплава S1.
Таким образом изобретением создан надёжный на практике способ получения отливок из алюминиево-медного сплава, содержащего: 6 – 8% Cu, 0,3 – 0,55% Mn, 0,15 – 0,25% Zr, до 0,25% Fe, до 0,125% Si, 0,05 – 0,2% Ti, до 0,04% V, остальное – Al и неизбежные примеси. Расплав, приготовленный в соответствии с инструкцией о сплавлении, выдерживался при 730 – 810°С в течение 4 – 12 часов и затем интенсивно перемешивался по меньшей мере однократно. После этого расплав порционно разлили с получением соответствующей отливки, которую затем подвергли диффузионному отжигу при 475 – 545°С в течение 1 – 16 часов. С температуры диффузионного отжига отливку охладили до температуры не свыше 300°С, причём в температурном диапазоне от 500 до 300°С, проходимом в процессе охлаждения, скорость охлаждения составила 0,75 – 15 К/с. После этого отливку подвергли выдержке в горячем состоянии в течение 1 – 10 часов при 150 – 300°С. В заключение отливку охладили до комнатной температуры.
Таблица 1
Расплав
Cu
Mn
Zr
Fe
Si
Ti
V
Согласно изобретению?
S1
6,52
0,455
0,206
0,074
0,095
0,086
0,0093
Да
S2
6,34
0,433
0,189
0,094
0,10
0,085
0,0095
Да
S3
6,47
0,453
0,198
0,089
0,051
0,091
0,0101
Да
Данные приведены в вес.%, остальное - алюминий и неизбежные примеси
Таблица 2
Отливка
Расплав
TH
tH
DKF
TLG
tLG
TAS
dAS
TWA
tWA
Согласно изобретению
°С
ч
кг/т расплава
°С
ч
°С
К/с
°С
ч
G1
S1
780
12
8
530
4
100
6,9
240
4
Да
G2
S1
780
12
8
530
4
100
13,8
240
4
Да
G3
S1
780
12
8
530
4
150
0,70
240
4
Нет
G4
S1
780
12
8
530
4
150
2,45
240
4
Да
G5
S2
775
8
7
530
4,5
75
2,03
240
4
Да
G6
S3
779
8,5
8
530
4
90
7,5
240
4
Да
G7
S3
779
8,5
8
530
4
90
7,5
240
4
Да
Таблица 3
Расплав
Отливка
TH
tH
DKF
TLG
tLG
TAS
dAS
TWA
tWA
Согласно изобретению
°С
ч
кг/т расплава
°С
ч
°С
К/с
°С
ч
S1
G1
780
12
8
530
4
100
6,9
240
4
Да
S1
G2
780
12
8
530
4
100
13,8
240
4
Да
S1
G3
780
12
8
530
4
150
0,70
240
4
Нет
S1
G4
780
12
8
530
4
150
2,45
240
4
Да
S2
G5
775
8
7
530
4,5
75
2,03
240
4
Да
S3
G6
779
8,5
8
530
4
90
7,5
240
4
Да
Отливка
Средний размер зерна
Rm
Rp0,2
A
Cогласно изобретению
мкм
МПа
МПа
%
G1
53,0
324
203
3,89
Да
G2
54,3
333
218
3,43
Да
G3
52,8
270
137
7,03
Нет
G4
55,2
297
173
4,58
Да
G5
46,5
336
212
4,79
Да
G6
39,5
329
196
4,99
Да
G7
36,8
329
198
5,55
Да