Високоміцний ливарний алюмінієвий сплав

Винахід відноситься до галузі кольорової металургії і може бути застосовано як матеріал для виготовлення конструкцій, або їх елементів, деталей машин та механізмів. Відомий сплав того ж призначення АМ4,5Кд (див. ДСТУ - 2839-94, Ливарні алюмінієві сплави, - 1995, - 34с.), який містить (в мас. %): Мідь 4,3-4,9% Марганець 0,35-0,6% Титан 0,05-0,35% Кадмій 0,1-0,25% Кремній до 0,05% Магній до 0,03%. Недоліком даного сплаву є низький рівень технологічних властивостей, а саме, схильність до утворення гарячих та холодних тріщин при виливанні та зниження рівня механічних властивостей, що особливо проявляється при литті в металеві форми, або при литві тонкостінних виробів. В якості прототипу прийнято сплав (див. Золоторевский B.C. Структура и прочность алюминиевых сплавов М. Металургия,-1981.-190с.), який містить: Мідь 4,3 - 4,9% Марганець 0,35 - 0,6% Титан 0,05 - 0,35% Кадмій 0,1 -0,25% Цирконій 0,05 - 0,3% Кремній до 0,05% Магній до 0,03%. Недоліком даного сплаву є низький рівень технологічних властивостей, а саме, схильність до утворення гарячих та холодних тріщин при виливанні та зниження рівня механічних властивостей та їх нестабільність, що особливо проявляється при литті в металеві форми, або при литві тонкостінних виробів, а також те, що введення цирконію значно підвищує вартість сплаву. Висока схильність цього сплаву до утворення гарячих та холодних тріщин, зниження рівня механічних властивостей та їх нестабільність, особливо при литті в металеві форми, пов'язана з високою хімічною спорідненістю між цирконієм та міддю. В наслідок чого цирконій з міддю утворює інтерметаліди, що містять цирконій та мідь, які за умов прискореного охолодження розплаву, не встигають розчинитися під час перитектичних реакцій, внаслідок чого вміст міді та цирконію в твердому розчині знижується, що стає причиною зниження рівня механічних властивостей сплаву та їх нестабільності. В основу даного винаходу покладена задача підвищення рівня технологічних та механічних властивостей сплаву при литві останнього в металеві форми, шляхом введення до його складу вуглецю в концентраційному діапазоні від 0,001 до 0,035 по масі, та азоту 0,003-0,01 по масі, що забезпечує отримання складних за формою виливків з високоміцного сплаву АМ4,5Кд без гарячих та холодних тріщин, при литті виливків в металеві форми з стабільними механічними властивостями на рівні ДСТУ 2839-94. Поставлена задача виконується тим, що в сплаві на основі алюмінію, що містить мідь, марганець, титан, кремній, кадмій, новим є те, що він додатково містить вуглець та азот, при наступному співвідношенні компонентів, мас %: Мідь 4,2-5,5 Марганець 0,35-0,8 Титан 0,05-0,5 Кремній 0,03-0,15 Кадмій 0,1-0,25 Вуглець 0,001-0,035 Азот 0,003-0,01 Алюміній інше. Введення вуглецю діапазоні від 0,001 до 0,035 по масі, та азоту 0,003-0,01% по масі забезпечує збільшення кількості активних центрів росту a - твердого розчину, за рахунок утворення стійких зародкових фаз в розплаві сплаву типу ТіС, TiN, TiAlC, TiAlN та метастабільних кластерних угруповань, що містять вуглець, азот, титан та алюміній, змінює характер взаємодії компонентів в розплаві за рахунок макролегування вуглецем та азотом. Це призводить до руйнування міжатомних зв'язків між титаном та міддю в розплаві та утворення зв'язків між титаном, вуглецем, азотом та алюмінієм. В наслідок зміни характеру взаємодії легуючих компонентів в розплаві він наближується до твердого, що виявляється в зменшенні температурних коливань в період охолодження та нагрівання розплаву, твердіння та плавлення твердого розчину та утворенні однорідної, дрібної рівновісної структури комірчасте - дендритного типу без включень грубих інтерметалічних фаз не розчинних при термічній обробці. Внаслідок утворення дрібної рівновісної структури виливок має можливість компенсувати усадкові напруження за рахунок рідкої фази, яка відділяє кристали та підживлює виливок з надливу, внаслідок чого, створюються умови для отримання складних за формою виливків з високоміцного сплаву без гарячих та холодних трі щин, при литті виливків в металеві форми з стабільними механічними властивостями на рівні ДСТУ 2839-94. Вплив мікролегування вуглецем та азотом на технологічні та механічні властивості сплаву, що пропонується представлено в таблиці. Приклад виконання: плавки сплаву проводились в печі опору, в графі тошамотному тиглі. Як вихідна шихта використовувався сплав АМ4,5Кд (див. ДСТУ 2839 - 94) наступного складу: Мідь 4,5% Марганець 0,6% Титан 0,22% Кадмій 0,15% Кремній 0,05% Магній 0,03% Після розплавлення сплаву в нього вводили лігатур у, що містить вуглець, азот та титан. Після введення лігатури розплав перемішували графітовою мішалкою, витримували 5 хвилин в температурному інтервалі 700740°С та розливали на стандартні (згідно ДСТУ 1583-89) зразки для механічних випробувань на розрив. Литво зразків для механічних випробувань проводили в підігріту до температури 200°С стандартну металічну форму, діаметр робочої частини зразків 12мм. Термічну обробку сплавів здійснювали у печі опору, в якій встановлено перемішувач атмосфери. Ме ханічні властивості визначали на зразках, відлити х у кокіль відповідно до вимог ДСТУ 1583-89. Випробування механічних властивостей проводились на розривній машині TIRA - TEST за стандартними методиками. Кількість вуглецю та азоту у складі сплаву визначали за допомогою вакуумного спектрального аналізу. Як видно з даних представлених в таблиці, результати випробувань наведені у 2, 3, 4 прикладах досягається вищий рівень технологічних (зниження схильності до утворення тріщин) та механічних (межа міцності при розтягуванні, твердість, відносне подовження) властивостей ніж у прикладах 1, 5. У прототипу та у сплава х, що знаходяться за діапазоном сплаву, що заявляється, технологічні та механічні властивості мають нижчий рівень. Це підтверджує забезпечення отримання складних за формою виливків з високоміцного сплаву АМ4,5Кд без гарячих та холодних тріщин, прилитті виливків в металеві форми з стабільними механічними властивостями на рівні ДСТУ 2839-94. Даний сплав може бути використаний для виготовлення конструкцій, або їх елементів, деталей машин та механізмів, а саме корпусів літаків та ракет в промислових масштабах. Таблиця Хімічний склад, Механічні в ластив ості Сu Μn Ті Cd Si С Ν ΑΙ Межа міцності, при Прототип (мас.%) 4,5-4,9 0,35-0,6 0,05-0,3 0,1-0,2 0,03-0,05 залишок 20оС, s в МПа, 220 - 306 після термічної обробки (Т5) Відносне подовження d , %, 3,6 після термічної обробки (Т5) Тв ердість HRB 48-56 Кількість тріщин в 10 литих зразках 20 для механічних в ипробувань, литих в металеву форму За межами сплаву, що заяв ляється 4,3 0,2 0,04 0,05 0,06 0,0009 залишок Сплав , що пропонується (мас.%) 1 2 3 4 5 4,4 0,2 0,1 0,1 0,06 0,001 0,003 залишок 4,8 0,38 0,25 0,12 0,05 0,015 0,007 залишок 4,9 0,45 0,20 0,17 0,04 0,02 0,008 залишок 5,0 0,5 0,3 0,2 0,045 0,025 0,009 залишок 5,5 0,8 0,5 0,25 0,03 0,035 0,01 залишок За межами сплаву, що заяв ляється 5,9 1,0 0,6 0,3 0,08 0,04 0,012 залишок 297 416 430 445 442 440 330 3,8 5,2 7,6 8,0 7.3 5,9 4,3 55 68 79 85 80 73 63 15 3 0 0 0 4 12