литейный алюминиевый сплав-(экономнолегированный высокопрочный силумин)

Формула изобретения

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, магний, медь, марганец и железо, характеризующийся структурой, представляющей собой алюминиевую матрицу и равномерно распределенные в матрице частицы кремниевой и железистой фаз эвтектического происхождения, отличающийся тем, что он содержит легирующие компоненты 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 выполнении следующих условий:

температура равновесного солидуса сплава не ниже 550°С, а температура ликвидуса не выше 605°С, железо полностью связано в скелетообразные включения фазы Al₁₅(Fe,Mn) ₃Si₂, а магний полностью связан во вторичные выделения фазы Al₅Cu₂Mg₈Si ₆ (Q').

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в металлических формах в виде кокильных отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: предел текучести ( _0,2) - не менее 310 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 3%.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он получен в разовых формах в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: предел текучести ( _0,2) - не менее 280 МПа, относительное удлинение ( ) - не менее 2%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении корпусных деталей ответственного назначения, в частности деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С: головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы 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 остальных следующими особенностями:

- узкий концентрационный интервал легирующих элементов;

- строгое ограничение по примесям (в первую очередь, по железу), что сильно ограничивает возможность использования вторичного сырья для их приготовления;

- обязательная термическая обработка, включающая закалку (обычно типа Т6);

- существенно более строгие (по сравнению с обычными силуминами) требования к приготовлению расплава и его обработке (рафинирование, модифицирование, дегазация, фильтрация).

Силумины с указанными особенностями можно назвать высокопрочными, так как после полной термообработки типа Т6 гарантируемый уровень _в обычно составляет 300-400 МПа (т.е. выше, чем у обычных силуминов). Упрочнение после термообработки достигается за счет вторичных выделений фаз Mg₂Si, Al₂ Cu и Al₅Cu₂Mg₈Si₆ (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

В этом силумине упрочнение достигается за счет фаз Al₂ Cu и Al₅Cu₂Mg₈Si₆ . 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 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

Недостатком этого сплава является наличие в его составе экологически вредной добавки бериллия. Кроме того, рабочие температуры этого сплава не превышают 200°С. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы Mg₂Si (а именно, метастабильные модификации ' и ") при длительных нагревах свыше ~200°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению.

Наиболее близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 5523050 (1996 г., Lloyd; David J. etc., Alcan International Limited).

Данный сплав содержит кремний, магний и марганец при следующих концентрациях компонентов, мас.%:

Кремний	7-16
Медь	0-5,0
Магний	0,3-2,0
Марганец	0,5-3,0
Железо	0-1,0
Алюминий и примеси	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. Первым недостатком этого сплава, как и силумина АК8ч, является ограничение по максимальной рабочей температуре. 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. Третий недостаток связан с тем, что его температура ликвидуса недостаточно низка, что затрудняет использование специальной технологии обработки расплава.

Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого экономнолегированного высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu и не менее 0,2% Fe. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора, а также иметь солидус не ниже 550°С, а ликвидус не выше 605°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	8.6-10.2
Медь	0.3-0.5
Магний	0.35-0.5
Марганец	0.1-0.45
Железо	0.2-0.5

при этом должны выполняться следующие условия:

а) температура равновесного солидуса сплава должна быть не ниже 550°С; а температура ликвидуса не выше 605°С;

б) железо должно быть полностью связано в скелетообразные включения фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂;

в) магний должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ (Q').

Указанные параметры следует рассчитывать с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5 или выше).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Концентрация кремния в заявленных пределах обеспечивает необходимую температуру ликвидуса и, как следствие, высокие технологические свойства (в частности, формозаполняемость).

Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg ₈Si₆, что вносит основной вклад в прочность сплава, в частности предел текучести при литье в металлические формы не менее 280 МПа, а относительное удлинение ( ) не менее 3%, а при литье в разовые формы (земляные, холодно твердеющие смеси и т.п.) не менее 280 МПа, а относительное удлинение ( ) не менее 2%. Кроме того, при выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойства, а также термической стабильности.

Марганец и железо в заявленных пределах полностью входят в эвтектические включения фазы Al₁₅(FeMn) ₃Si₂, которые кристаллизуются преимущественно в составе тройной эвтектики (Al)+(Si)+Al₁₅(FeMn) ₃Si₂. 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 табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» на основе вторичного алюминия марки АК9. Химический состав сплавов определяли на эмиссионном спектрометре ARL 3560B-1583 (в процессе плавки состав доводили до заданных значений). Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ1583-93. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 540±5°С, закалка в холодной воде и старение при 175°С). Температуры ликвидуса и равновесного солидуса определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную доли вторичных выделений фаз, содержащихся в алюминиевой матрице (табл.2), 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 (образец № 1 по ГОСТ 1583-93, п.5.2.3.).

Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6
№	Концентрации, % по массе	0,2 1, МПа	2, %	TS 4, °C	TL 4, °C
Si	Mg	Cu	Mn	Fe	Al
1	8	0,2	0,1	0,05	0,05	ост.	195	8,5	570	609
2	8,6	0,55	0,4	0,5	0,5	ост.	335	4,2	554	603
3	9,4	0,45	0,3	0,3	0,3	ост.	320	4,8	559	598
4	10,2	0,35	0,5	0,1	0,1	ост.	305	5,7	560	592
5	11	0,7	1	0,7	0,7	ост.	340	1,3	544	583
6	7,5	0,5	<0,01	0,7	0,1	ост.	295	5,0	562	612
1предел текучести; 2относительное удлинение; 3температура равновесного солидуса (расчет), 4температура ликвидуса (расчет)

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание предела текучести, относительного удлинения и температур ликвидуса и равновесного солидуса. При этом эвтектические включения кремниевой и железистой фаз во всех составах заявленного сплава имели компактную морфологию (фиг.1).

В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ (табл.2). Сплав 5 имеет низкое значение , что связано с частичным пережогом из-за того, что T _s<550°C. Сплав-прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по значению _0,2, поскольку в нем отсутствует фаза Al ₅Cu₂Mg₈Si₆ (табл.2). Кроме того, он имеет более высокую температуру ликвидуса.

Таблица 2
Фазовый состав алюминиевой матрицы экспериментальных сплавов в состоянии Т6
№ 1	Объемная доля фазы, об.% (расчет)
Mg2Si	Al5Cu2Mg8Si6	Al2Cu	(Si)
1	0,07	0,81	0	0,97
2	0	1,7	0	0,60
3	0	1,39	0	0,69
4	0	1,11	0,20	0,81
5	0	1,53	0,66	0,64
6	1,22	0	0	0,98
1см. табл.1

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава № 3 (см. табл.1) в заводских условиях ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» были залиты 10 шт. серийных отливок детали (фиг.2) методом гравитационного литья в металлическую форму (кокиль). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: _0,2=330 МПа, =5,1%.

ПРИМЕР 3.

Из заявляемого сплава состава № 3 (см. табл.1) в лабораторных условиях МИСиС были залиты 5 шт. фасонных отливок детали (фиг.3) методом быстрого прототипирования (керамические формы). Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: _0,2=290 МПа, =2,8%.