ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
CAST ALUMINUM ALLOY

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, а именно, к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении отливок сложной формы литьем в металлическую форму, преимущественно литьем под давлением.
Предшествующий уровень техники
Известно, что отливки сложной формы в зависимости от назначения изготавливают из термически неупрочняемых и упрочняемых сплавов системы Al-Si и Al-Mg. Отливки, предназначенные для наиболее ответственных деталей, как правило, используют после термической обработки типа Т6 и Т5, включающей закалку в воду или на воздухе, соответственно, с последующим старением для увеличения прочностных свойств, см. http://metalurgu.ru/termoobrabotka-metallov-i-splavov/termicheskaya-obrabotka-alyuminievyih-i-magnievyih-splavov.html
Термически неупрочняемые сплавы, используемые для литья под давлением на основе системы Al-Si, например, А413.2 или АК12пч (ГОСТ 1583-93), характеризуются, высокой технологичностью при литье и относительно невысоким уровнем прочностных свойств, в частности, предел текучести, не превышает 60-80 МПа, в зависимости от толщины, получаемой отливки. Более высокий уровень прочностных свойств отливок уже в литом состоянии обеспечивает добавка меди, в частности, известны сплавы типа АА383.1 или АК12М2. Повышение механических свойств в этом случае сопровождается существенным снижением относительного удлинения и ухудшением коррозионной стойкости.

Среди термически неупрочняемых сплавов известны сплавы на основе твердого раствора на базе системы Al-Mg, например, АМг6л, АМг5К, АМг5Мц (ГОСТ 1583-93), Magsimal59 (Rheinfelden Alloys) и др., характеризующиеся удовлетворительной технологичностью при литье, хорошей коррозионной стойкостью, хорошим уровнем прочностных свойств и относительного удлинения. Среди недостатков сплавов этой системы следует выделить высокую линейную усадку и недостаточно хорошая герметичность тонкостенных отливок.

Сочетание высокого уровня прочностных свойств, относительно удлинения и коррозионной стойкости реализуется в сплавах системы Al-Si с добавкой 0,2-0,5 масс. % магния, в частности, известны сплавы типа АК9 (ГОСТ 1583-93), Silafont36 (Rheinfelden Alloys), trimal37 (Trimet) и др. Закалка существенно усложняет технологический цикл получения отливок, поскольку при ее использовании возможно коробление отливок (особенно при использовании закалки в воду), изменение габаритных размеров и появление трещин.
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 В2 (публ. 31.08.2004). Из этого сплава возможно получить отливки с хорошим сочетанием литейных и механических свойств при содержании (масс. %): Ni - 2-6, Mn - 1-3, Fe - 1, Si - менее 1, а также при незначительном содержании других неизбежных примесей. Среди недостатков известного сплава 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, материал 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 описаны в изобретении компании Alcoa по патенту US 8349462 В2 (публ. 08.01.2013) и заявке ЕР 2011055318 компаний Rheinfelden Alloys GmbH & Co. KG. Предложены составы сплавов для применения в литом состоянии. Общим в предложенных сплавах является высокое содержание никеля 1-6 масс. %, что определяет основной недостаток - существенное снижение коррозионной стойкости. При относительно невысоком содержании никеля и марганца литейные сплавы имеют невысокий уровень прочностных характеристик.
Известен материал на основе системы Al-Ni-Mn предложенный НИТУ «МИСиС» и раскрытый в патенте RU 2478131 (публ. 27.03.2013). Материал содержит (масс. %): 1,5-2,5 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%. Одним из недостатков данного сплава является его повышенная склонность к образованию сосредоточенной пористости, что затрудняет получение качественных относительно крупных отливок. Другой недостаток связан с необходимостью использования повышенных температур литья, что не всегда может быть реализовано в условиях литейных предприятий.
Наиболее близким к предложенному является изобретение НИТУ МИСиС, раскрытое в патенте RU 2660492 (публ. 06.07.2018). Материал для использования в литом состоянии содержит (масс. %): 5.4-6,4 Са, 0,3-0,6 Si и 0,8-1,2 Fe. Среди недостатков данного изобретения следует выделить низкое относительное удлинение, которое не превышало 2,6%, что ограничивает использование материала в ответственных литых деталях.
Раскрытие изобретения
Задачей предложенного изобретения является создание нового алюминиевого сплава, предназначенного для получения отливок преимущественно методом литья под высоким давлением, но не ограничиваясь, удовлетворяющего заданным требованиям по комплексу технологических и механических характеристик, прежде всего относительного удлинения, что определяет также и преимущества изобретения.
Выбор легирующих элементов для создания нового литейного сплава был осуществлен исходя из того, что при легировании должны быть одновременно выполнены следующие условия:
1) наличие эвтектической составляющей;
2) наличие элементов, способных обеспечивать твердорастворное упрочнение без существенного увеличения интервала кристаллизации.
Для выполнения этих условий были проанализированы фазовые диаграммы состояния. При этом выбор элементов, способных обеспечить требуемый уровень технологичности и способности к упрочнению в литом состоянии, осуществлялся на основе прямого измерения литейных характеристик и определения механических свойств.
Поскольку относительное удлинение зависит, прежде всего, от размера структурных составляющих, то для обеспечения высокого относительного удлинения концентрационный диапазон легирующих элементов дополнительно выбирался из условия способности к формированию в литой структуре фаз кристаллизационного происхождения с относительно благоприятной морфологией.
Техническим результатом также является обеспечение требуемого сочетания технологических и механических свойств сплава при литье.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что предложенный литейный сплав на основе алюминия содержит кальций, железо, марганец, кремний, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, цинк, хром, титан, цирконий, ванадий и скандий, при следующих концентрациях легирующих элементов, масс. %:
Кальций
1.1-2,7
Железо
0,05-0,25
Марганец
1,2-2,4
Кремний
0,06-0,22
Цинк
до 1,0
Хром
0,05-0,2
Титан
0,05-0,2
Цирконий
0,05-0,18
Ванадий
до 0,15
Скандий
0,05-0,14
Алюминий и неизбежные примеси
остальное.
При этом должны выполняться следующие условия: кальций и/или железо должны быть представлены преимущественно в виде эвтектических частиц с размером не более 3 мкм, а суммарное содержание титана, циркония, ванадия и скандия в сплаве не должна превышать 0,3 масс. %.
Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы объема правовой охраны изобретения, определенного формулой.
Сущность изобретения
Опытным путем установлено, что концентрация кальция и железа в заявленных пределах обеспечивает необходимое количество эвтектических частиц, что обеспечивает требуемое сочетание технологичности при литье (прежде всего по показателю горячеломкость). При условии, что поперечный размер эвтектических частиц не более 3 мкм, в пределах заявленного химического состава обеспечивается достижение относительного удлинения на уровне не менее 7%. Содержание кальция и железа менее заявленного уровня приведет к снижению литейных характеристик. Содержание кальция и железа выше заявленного уровня приведет к снижению значений относительного удлинения.
6
Марганец в заявленных пределах необходим для обеспечения твердорастворного упрочнения в литом состоянии. Меньшее содержание марганца будет недостаточно для достижения требуемого уровня прочностных характеристик, в частности, предел текучести не менее 100 МПа, а при больших количествах формируются первичные кристаллы фазы Al(Fe,Mn), снижающие механические характеристики.
Кремний в заявленном количестве перераспределяется между твердым раствором и эвтектикой, что обеспечивает, прежде всего, дополнительное твердорастворное упрочнение в литом состоянии. При большем содержании кремний частично взаимодействует с марганцем, что снижает концентрацию марганца в твердом растворе и снижает прочностные характеристики.
Цинк в заявленных концентрациях преимущественно располагается в твердом растворе, обеспечивая повышение прочностных характеристик.
7
Хром в заявленных пределах необходим для обеспечения твердорастворного упрочнения. Меньшая концентрация хрома не обеспечит требуемого уровня прочностных свойств, а при более высокой концентрации будет преобладать вероятность формирования первичных кристаллов фазы AlCr, что приведет к снижению уровня механических свойств.
Цирконий, ванадий и скандий в заявляемых количествах необходимы для твердорастворного упрочнения. При меньших концентрациях не достигается заданный уровень прочностных характеристик, а при больших количествах потребуется повышение температуры литья выше типичного уровня, что снизит стойкость форм для литья.
Титан в заявленном диапазоне необходим для модифицирования алюминиевого твердого раствора. При большем содержании титана в структуре возможно появление первичных кристаллов, которые снизят общий уровень механических свойств, а при меньшем - не будет реализован требуемый положительный эффект от влияния этого элемента на общие характеристики сплава.
В случае введения титана в виде многокомпонентной диаграммы Al-Ti-В или Al-Ti-C в сплаве возможно его присутствие в количествах, пропорциональных содержанию в лигатуре. При этом бор и углерод, как самостоятельные элементы, применительно к рассматриваемому диапазону не оказали значимого влияния на механические и литейные свойства.
Примеры осуществления изобретения
ПРИМЕР 1
В лабораторных условиях приготовлены составы сплавов, приведенные в таблице 1. Сплавы готовили в индукционной печи в графитовых тиглях с использованием алюминия марок А85 и А99 и лигатур: Al-10Са, Al-10Fe, Al-20Mn, Al-10Si, Al-5Ti. Содержание цинка находилось на уровне примеси 0,02 масс. %. Сумма остальных элементов не превысила 0,05 масс. %.
Полученные сплавы заливали в металлический кокиль «отдельно отлитый цилиндрический образец» с диаметром рабочей части 10 мм. Форма была нагрета до температуры 150°С. Литейные свойства сплавов оценивались по показателю горячеломкость (ПГ) с использованием «кольцевой пробы», где наилучшим показателем является кольцо с минимальной толщиной стенки, закристаллизовавшегося без трещины. Механические свойства оценивали при одноосном растяжении отдельно отлитых образцов (табл. 2). Скорость испытания 10 мм/мм, длина рабочей части 50 мм.
Из анализа результатов таблиц 1 и 2 видно, что сплавы 2-6 в заявленном концентрационном диапазоне обеспечивают хороший уровень литейных характеристик. Сплав состава 1 характеризуется неудовлетворительным уровнем механических свойств (прежде всего по показателю предел текучести) и по показателю горячеломкости. В структуре сплава 7 выявлены первичные кристаллы железистой фазы, что негативно отразилось на механических свойствах.
Для использования в литом состоянии наиболее предпочтителен состав 3 ввиду наилучшего соотношения предела текучести и относительного удлинения. Наиболее оптимальная структура сплава состава 3 табл. 1 приведена на фиг. 1.
ПРИМЕР 2
Для оценки уровня упрочнения в литом состоянии за счет малых добавок приготовлены 4 сплава на примере сплава состава 3 табл. 1. Оценку уровня упрочнения в литом состоянии оценивали по значениям механических свойств на разрыв отдельно отлитых образцов.
Для использования в литом состоянии наиболее предпочтительным является состав 3 (табл. 3)
ПРИМЕР 3
В лабораторных условиях из сплава состава 3 табл. 3 методом литья под высоким давлением получены плоские образцы. Результаты испытаний на разрыв приведены в табл. 5. Толщина образцов составляла 2,4 мм. Расчетная длина 50 мм.
ПРИМЕР 4
Оценка влияния переходных элементов циркония, скандия, ванадия и титана, а также их суммы на уровень механических свойств заявляемого сплава проводили по испытаниям на одноосное растяжение. Состав сплава и значения механических свойств приведены в таблице 6 и 7 соответственно.
Механические свойства оценивали при одноосном растяжении отдельно отлитых образцов. Скорость испытания 10 мм/мм, длина рабочей части 50 мм.
Из анализа результатов таблиц 6 и 7 видно, что составы 1-5 в заявленном концентрационном диапазоне обеспечивают хорошее сочетание прочностных свойств и относительного удлинения. В сплаве состава 7, отмечается низкий уровень относительного удлинения, что обусловлено присутствием в структуре первичных кристаллов, содержащих титан, цирконий, ванадий и скандий.
В случае легирования добавками циркония, скандия, ванадия и титана (например, для литья крупногабаритных отливок) для использования в литом состоянии наиболее предпочтительным является состав 1 (табл. 6).
ПРИМЕР 5
Проведена оценка влияния размера структурных составляющих, в частности, поперечного размера эвтектических составляющих литой структуры на уровень механических свойств (табл. 8). Изменение поперечного размера эвтектических составляющих осуществляли путем кристаллизации сплава с разными скоростями охлаждения. Изменение скорости охлаждения осуществлялось изменением сечения отливки на примере состава 3 табл. 1.
Из анализа результатов табл.8 следует, что уровень механических свойств, измеренных в литом состоянии, зависит от размера структурных составляющих сплава, в частности, с увеличением поперечного размера эвтектических фаз наблюдается снижение уровня прочностных характеристик.
Таким образом, примеры осуществления предложенного изобретения подтверждают указанные преимущества нового сплава.