Литейный алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деталей автомобильных двигателей, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С. Литейный сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: кремний 7,6-8,6, медь 0,3-0,5, магний 0,26-0,38, марганец 0,1-0,3, железо 0,1-0,3, при выполнении следующих условий: температура равновесного солидуса сплава - не ниже 550°С, объемная доля вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ - не ниже 0,8 об.%. Получается экономнолегированный силумин, предназначенный для получения фасонных отливок сложной формы и обладающий высокими механическими свойствами σ_в не менее 320 МПа, δ не менее 4%. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

 

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

Детали автомобильных двигателей отличаются сложной формой, поэтому их, как правило, изготавливают из силуминов (сплавов на основе системы Al-Si) различными методами фасонными литья: в землю, кокиль, под давлением 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 обычных следующими особенностями:

1) узкий концентрационный интервал легирующих элементов (например, по магнию он составляет менее 0,1%);

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

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

4) 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 σ_в обычно составляет 300-400 МПа (т.е. выше, чем у обычных силуминов). Упрочнение после термообработки достигается за счет вторичных выделений фаз Mg₂Si, Al₂Cu 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 Al₂Cu 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 близким сплавом к предложенному является безбериллиевый силумин, раскрытый в патенте US 6773666 (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. Первым недостатком этого сплава является ограничение по максимальной рабочей температуре. Это связано с тем, что вторичные выделения фазы Mg₂Si при длительных нагревах свыше 180°С склонны к огрублению, что приводит к разупрочнению. 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.

Задачей изобретения является создание нового безбериллиевого высокопрочного силумина, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и допускающего не менее 0,2% Cu. При этом сплав не должен содержать добавок циркония, хрома, титана, бора и стронция, а также иметь солидус не ниже 550°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	7,6-8,6
Медь	0,3-0,5
Магний	0,26-0,38
Марганец	0,1-0,3
Железо	0,1-0,3

при этом должны выполняться следующие условия:

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

б) объемная вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ должна быть не ниже 0,8 об.%

Сущность изобретения состоит в следующем.

Медь и магний в заявленных пределах находятся в алюминиевой матрице в виде вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆, что вносит основной вклад в прочность сплава. При выбранных концентрациях меди и магния достигается сочетание высокой температуры солидуса, высоких литейных свойств сплава, 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.

1. Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марок А7, сплава АК12оч, магния марки Мг90 (99,9%), меди M1 (99,9%) и лигатур: Al-10%Mn и Al-10%Fе. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку при 545±5°С, закалка в холодной воде и старение). Равновесный солидус определяли методом дифференциального термического анализа и уточняли расчетом по программе Thermo-Calc (база данных TTAL5). Объемную долю вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ 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 (полученных согласно ГОСТ 1583-93).

Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработки Т6 и выдержки при 190°С в течение 8 часов
№	Концентрации, % по массе	σв 1, МПа	δ2, %	НВ3	Ts 4, °C	Q4, об. %
	Si	Mg	Cu	Mn	Fe	Al
1	7	0.2	0,1	0,05	0,05	ост.	260	10	80	570
2	7,6	0,26	0,26	0,3	0,3	ост.	330	8	105	566
3	8	0,32	0,35	0,2	0,2	ост.	345	6	110	563
4	8,4	0,38	0,45	0,1	0,1	ост.	350	4,5	116	560
5	9	0,5	1	0,5	0,5	ост.	320	1,6	120	548
6	7,5	0,5	<0,01	0,7	0,1	ост.	270	3,5	85	561	0
1временное сопротивление на разрыв; 2относительное удлинение; 3твердость по Бриннелю; 4температура равновесного солидуса (расчет), 5объмная доля вторичных выделений фазы Al5Cu2Mg8Si6

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, относительного удлинения и равновесного солидуса. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆. Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с частичным пережогом из-за того, что T_s<550°C. Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по значениям σ_в и НВ, поскольку в нем отсутствует фаза Al₅Cu₂Mg₈Si₆. При этом включения кремниевой фазы во всех составах заявленного сплава имели глобулярную морфологию (см. чертеж ).

ПРИМЕР 2.

Определяли механические свойства сплавов 3 и 6 (см. табл.1) при повышенных температурах. Механические свойства на разрыв определяли по ГОСТ 9651-84 на цилиндрических образцах, выточенных из кокильных отливок (согласно ГОСТ 1583-93). Результаты, приведенные в табл.2, показывают, что заявляемый сплав (№3) превосходит известный (№6), по прочности, как при 150°С, так и при 200°С.

Таблица 2
Прочностные свойства экспериментальных сплавов при повышенных температурах
№	Т, С°	σв, МПа	σ0,2, МПа
3	150	190	170
200	95	70
6	150	150	135
200	70	50

ПРИМЕР 3.

Из заявляемого сплава состава №3 (см. табл.1) в заводских условиях ООО «РосАЛит» были залиты 100 шт. серийных отливок дет. 514.1003015 «Головка цилиндров» (см. чертеж 1). Все отливки имели удовлетворительное качество.

1. Литейный алюминиевый сплав, 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 фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆, и равномерно распределенные в матрице глобулярные частицы кремниевой фазы, отличающийся тем, что он содержит легирующие компоненты в следующем количестве, мас.%:

Кремний	7,6-8,6
Медь	0,3-0,5
Магний	0,26-0,38
Марганец	0,1-0,3
Железо	0,1-0,3

при выполнении следующих условий: температура равновесного солидуса сплава не ниже 550°С, объемная доля вторичных выделений фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ не ниже 0,8 об.%.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки, обладающей следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в не менее 320 МПа, относительное удлинение δ не менее 4%.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки головок блока цилиндров.