Литейный алюминиевый сплав

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. Сплав содержит, 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 сплав имеет температуру ликвидуса в пределах от 608 до 620°С; температуру равновесного солидуса не ниже 552°С и структуру после термообработки по режиму Т66, содержащую количество включений кремниевой фазы в пределах от 6,4 до 7,5 об.%; железо в структуре сплава полностью связано в скелетообразные включения фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, а магний полностью связан во вторичные выделения фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆. Техническим результатом является создание сплава, предназначенного для получения фасонных отливок ответственного назначения и обладающего высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 пр., 2 ил.

 

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.

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_в) 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;

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).

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 частном исполнении данный сплав должен обеспечивать следующие механические свойства на растяжение: временное сопротивление на разрыв (σ_в) не менее 305 МПа, предел текучести (σ_0,2) 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.%;

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

д) магний в термообработанном состоянии должен быть полностью связан во вторичные выделения фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆ (Q).

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

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_в) не менее 305 МПа, предел текучести (σ_0,2) 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.

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

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 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	TL 1, °C	TS 2, 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)

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 Al₅FeSi, а в сплавах 5 и 6 количество включений кремниевой фазы (Q₁) слишком велико. Алюминиевая матрица сплава 1 содержит фазу Mg₂Si, в которую связана часть магния.

Таблица 2
Параметры структуры экспериментальных сплавов1 в термообработанном состоянии
№	Q1 2, об.%	Наличие Fe-содержащих фаз	Наличие вторичных выделений в алюминиевой матрице
Al15(FeMn)3Si2	Al5FeSi	Al5Cu2Mg8Si6	Mg2Si
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).

Все отливки имели удовлетворительное качество: в них отсутствовали дефекты литейного происхождения, а механические свойства вырезанных образцов имели следующие значения: σ_в=315 МПа, σ_0,2=250 МПа, δ=3,8%.

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, магний, медь марганец и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, 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 сплав имеет температуру ликвидуса от 608 до 620°С, температуру равновесного солидуса не ниже 552°С и структуру после термообработки по режиму Т6, содержащую количество включений кремниевой фазы от 6,4 до 7,5 об.%, причем железо в структуре сплава полностью связано в скелетообразные включения фазы Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, а магний полностью связан во вторичные выделения фазы Al₅Cu₂Mg₈Si₆.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что выполнен в виде крупногабаритных отливок сложной формы, полученных литьем в разовые формы, при этом литой сплав имеет временное сопротивление на разрыв (σ_в) не менее 305 МПа, предел текучести (σ_0,2) не менее 235 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 3%.