ЛИТЕЙНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ
CASTING ALUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении крупногабаритных отливок сложной формы, предназначенных для изготовления деталей ответственного назначения, в частности корпусов редукторов, применяемых в авиастроении.
в
Отливки сложной формы обычно делают из силуминов. Отливки, предназначенные для наиболее ответственных деталей, как правило, используют после полной термической обработки типа Т6 (закалка и старение на максимальную прочность). Для достижения необходимого качества таких отливок от сплава требуется сочетание высокой технологичности (в частности горячеломкости и жидкотекучести) и достаточно хорошего уровня разных механических свойств (в частности, прочности, пластичности, вязкости разрушения и др.). Для реализации такого сочетания используют, как правило, так называемые безмедистые силумины (1 группа по ГОСТ 1583-93). При получении крупногабаритных отливок обычно используют методы литья в разовые формы (земляные, холодно твердеющие смеси и т.п.). Недостатком наиболее используемых силуминов (типа АК7ч и АК9ч) является их невысокая прочность. В частности, гарантируемое значение временного сопротивления на разрыв (σ) сплава АК7ч для литья в разовые формы составляет всего 225 МПа (ГОСТ 1583-93, термообработка Т6).
Наиболее прочным среди безмедистых силуминов является сплав АК8л (ГОСТ-1583-93), который содержит, мас.%:
Кремний
6,5-8,5
Магний
0,35-0,55
Бериллий
0,15-0,4
Алюминий и примеси
остальное
Этот силумин имеет более высокую прочность по сравнению с АК7ч, в том числе для литья в разовые формы. Однако сплав АК8л имеет существенный недостаток, который заключается в том, что он содержит экологически вредную добавку бериллия.
Известен сплав, раскрытый в патенте US 6,773,666 (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
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. Главный 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.
Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав на основе алюминия, раскрытый в заявке на патент РФ 2010107316 (публ. 10.09.2011 г., бюл. 25, Н.А.Белов и др.). Данный сплав содержит кремний, магний, медь, марганец и железо в следующем количестве, мас.%:
Кремний
8,6-10,2
Медь
0,3-0,5
Магний
0,35-0,5
Марганец
0,1-0,45
Железо
0,2-0,5
Алюминий и примеси
остальное
При этом должны выполняться следующие условия:
а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С; а температура ликвидуса не выше 605°С;
15
3
2
б) железо должно быть полностью связано в скелетообразные включения фазы Al(Fe,Mn)Si,
5
2
8
6
в) магний должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы AlCuMgSi(Q).
Первым недостатком данного сплава является его повышенная склонность к образованию сосредоточенной пористости (это связано с чрезмерно узким интервалом кристаллизации), что затрудняет получение качественных крупногабаритных отливок. Второй недостаток связан с повышенной объемной долей включений кремниевой фазы, что затрудняет нанесение на поверхность отливок специальных покрытий.
Задачей изобретения является создание нового алюминиевого сплава (безбериллиевого высокопрочного силумина), предназначенного для получения крупногабаритных фасонных отливок и удовлетворяющего заданным требованиям по комплексу технологических и эксплуатационных характеристик.
в
0,2
В частном исполнении данный сплав должен обеспечивать следующие механические свойства на растяжение: временное сопротивление на разрыв (σ) не менее 305 МПа, предел текучести (σ) не менее 235 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.
Поставленная задача решена тем, что литейный сплав на основе алюминия содержит кремний, магний, медь, марганец и железо в следующем количестве, мас.%:
Кремний
6,6-7,4
Магний
0,31-0,45
Медь
0,18-0,32
Марганец
0,15-0,45
Железо
0,15-0,4
Алюминий
Остальное
При этом должны выполняться следующие условия:
а) температура ликвидуса сплава должна находиться в пределах от 608 до 620°С;
б) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 552°С;
в) количество включения кремниевой фазы в термообработанном состоянии должно находиться в пределах от 6,4 до 7,5 об.%;
15
3
2
г) железо должно быть полностью связано в скелетообразные включения фазы Al(Fe,Mn)Si;
5
2
8
6
д) магний в термообработанном состоянии должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы AlCuMgSi (Q).
Указанные параметры следует рассчитывать с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5 или выше).
в
0,2
В частном исполнении данный сплав позволяет получать крупногабаритные отливки сложной формы, полученные литьем в разовые формы, в которых обеспечиваются следующие механические свойства на растяжение (после термообработки по режиму Т6): временное сопротивление на разрыв (σ) не менее 305 МПа, предел текучести (σ) не менее 235 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Концентрация кремния в заявленных пределах обеспечивает необходимые значения температуры ликвидуса и объемной доли включений кремниевой фазы, что, в свою очередь, обеспечивает требуемое сочетание технологических и эксплуатационных характеристик.
5
2
8
6
Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы Q (AlCuMgSi), что вносит основной вклад в прочность сплава. При выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойства сплава.
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
Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в таблице 1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях в условиях учебно-производственного участка НИТУ «МИСиС» на основе отходов силуминов различных марок. Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 540±3°С, закалка в холодной воде и старение при 175±3°С). Температуры ликвидуса и равновесного солидуса определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемные доли кремниевой фазы и вторичных выделений фаз, содержащихся в алюминиевой матрице (таблица 1), 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.].
Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и характерные температуры
№
Концентрации, % по массе
T<sub>L</sub> <sup>1</sup>, °C
T<sub>S</sub> <sup>2</sup>, C
Si
Mg
Cu
Mn
Fe
Al
1
5,5
0,6
0,1
0,05
0,7
ост.
624
558
2
6,6
0,45
0,32
0,15
0,15
ост.
616
558
3
7,0
0,37
0,25
0,30
0,28
ост.
614
562
4
7,4
0,31
0,18
0,45
0,4
ост.
612
564
5
8,5
0,1
0,6
0,7
0,05
ост.
603
565
6
9,5
0,4
0,4
0,3
0,3
ост.
596
558
1 - температура ликвидуса (расчет), 2 - температура равновесного солидуса (расчет)
5
1
2
Из таблиц 1-2 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения заданных параметров. В сплаве 1 температура ликвидуса слишком высокая, а в сплавах 5 и 6, наоборот, слишком низкая. Кроме того, в сплаве 1 имеется нежелательная фаза AlFeSi, а в сплавах 5 и 6 количество включений кремниевой фазы (Q) слишком велико. Алюминиевая матрица сплава 1 содержит фазу MgSi, в которую связана часть магния.
Таблица 2
Параметры структуры экспериментальных сплавов<sup>1</sup> в термообработанном состоянии
№
Q<sub>1</sub> <sup>2</sup>, об.%
Наличие Fe-содержащих фаз
Наличие вторичных выделений в алюминиевой матрице
Al<sub>15</sub>(FeMn)<sub>3</sub>Si<sub>2</sub>
Al<sub>5</sub>FeSi
Al<sub>5</sub>Cu<sub>2</sub>Mg<sub>8</sub>Si<sub>6</sub>
Mg<sub>2</sub>Si
1
4,62
+
+
+
+
2
6,57
+
-
+
-
3
6,99
+
-
+
-
4
7,36
+
-
+
-
5
8,61
+
-
+
-
6
9,74
+
-
+
-
1 - составы см. в таблице 1, 2 - объемная доля эвтектических включений кремниевой фазы (расчет)
ПРИМЕР 2
Из заявляемого сплава состава №3 (см. таблицу 1) в заводских условиях ОАО «УМПО» были залиты 10 шт. серийных отливок детали «Корпус редуктора» (Фигура 1), имеющей габаритные размеры 930×310×150 мм и преобладающую толщину стенки 4-5 мм, методом гравитационного литья в песчаную форму, изготовленную на основе фуранового связующего (ХТС) послойной печатью на установке S-15 (ProMetal) (Фигура 2).
в
0,2
Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ=315 МПа, σ=250 МПа, δ=3,8%.