Ливарний сплав на основі алюмінію

Ливарний сплав на основі алюмінію, що містить магній, кремній, цирконій, мідь, марганець, нікель, кобальт, титан, залізо, бор, вуглець, хром, молібден та вольфрам, який відрізняється тим, що додатково містить скандій при такому співвідношенні компонентів, мас. %: магній 3,0-22,0 кремній 2,8-10,0 цирконій 0,05-1,0 мідь 0,5-2,5 марганець 0,05-1,0 нікель 0,05-1,5 кобальт 0,05-1,5 титан 0,05-1,0 залізо 0,05-1,0 бор 0,05-1,0 вуглець 0,05-0,5 хром 0,05-1,0 молібден 0,05-0,3 вольфрам 0,05-0,5 скандій 0,01-0,6 алюміній решта. UA (21) a200707596 (22) 06.07.2007 (24) 11.08.2008 (46) 11.08.2008, Бюл.№ 15, 2008 р. (72) МІЛЬМАН ЮЛІЙ ВИКТОРОВИЧ, U A, ЛЕГКА ТЕТЯНА МИКОЛАЇВН А, U A, БАРАБАШ ОЛЕГ МАРКОВИЧ, UA, КОРЖОВА НАТАЛІЯ ПЕТРІВНА, UA, ГРИНКЕВИЧ КОСТЯНТИН ЕДУАРДОВИЧ, UA, МОРДОВЕЦЬ НАДІЯ МИ ХАЙЛІВН А, U A, ВОСКОБІЙНИК ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ПОДРЕЗОВ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, U A, МЕЛЬНИК ВИКТОР ХАРИТОНОВИЧ, UA, КЬОНГ КЬОН КІМ, ДЖОНГ МУ ЛІ (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М. ФРАНЦЕВИЧА Н АН УКРАЇНИ, U A, ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ІМ.Г.В. КУРДЮМОВА Н АН УКРАЇНИ, UA, ІНСТИТУТ МАШИН ТА МАТЕРІАЛІВ КОРЕЇ (56) UA, 56411, A, 15.05.2003 UA, 72560, C2, 15.03.2005 RU, 2237096, C1, 27.09.2004 JP, 06025782, A, 01.02.1994 JP, 09279280, A, 28.10.1997 US, 20070240796, A1, пріор. від 03.11.2004 C2 2 (19) 1 3 83776 турах ви ще 260°С ливарного сплаву на основі алюмінію. Технічна задача вирішується за рахунок того, що сплав на основі алюмінію містить магній, кремній, цирконій, мідь, марганець, нікель, кобальт, титан, залізо, бор, вуглець, хром, молібден та вольфрам, причому додатково вводять скандій при такому співвідношенні компонентів, мас.%: магній 3,0-22,0 кремній 2,8-10,0 цирконій 0,05-1,0 мідь 0,5-2,5 марганець 0,05-1,0 нікель 0,05-1,5 кобальт 0,05-1,5 титан 0,05-1,0 залізо 0,05-1,0 бор 0,05-1,0 вуглець 0,05-0,5 хром 0,05-1,0 молібден 0,05-0,3 вольфрам 0,05-0,5 скандій 0,01-0,6 алюміній решта Введення скандію приводить до підвищення жароміцності сплаву завдяки додатковому утворенню ультрадисперсних частинок фази за його участю, які не взаємодіють з іншими компонентами і у сукупності з ними у наведеному вище співвідношенні забезпечують стабільну роботу сплаву при високих температурах. Позитивний вплив скандію на властивості сплаву виявляється також у збільшенні термічної стабільності структури сплаву, зменшенні схильності до утворення гарячих тріщин. При вмісті скандію в сплаві менше 0,01мас.% об’ємна частка дисперсоїдів зміцнюючої фази за його участю є недостатньою для реалізації механізму дисперсійного зміцнення. При вмісті скандію в сплаві більше 0,6мас. % утворюються крупні первинні кристали його алюмініду, що призводить до значного погіршення механічних властивостей сплаву. Суттєвими ознаками сплаву на основі алюмінію є наявність магнію, кремнію, цирконію, міді, марганцю, нікелю, кобальту, титану, заліза, бору, вуглецю, хрому, молібдену та вольфраму. Відмітною суттєвою ознакою є наявність у сплаві (мас. %): скандію 0,01-0,6. Суть запропонованого винаходу полягає в застосуванні відомих компонентів у поєднанні з новим компонентом у певній кількості, що забезпечує високу жароміцність та зносостійкість сплаву при температурах ви ще 260°С, а також його високі технологічні властивості. Кремній сумісно з магнієм формує евтектичну структур у сплаву, що забезпечує підвищену жароміцність, зносостійкість та високу рідкоплинність. Концентраційні значення верхньої і нижньої меж введення цих елементів обумовлені особливостями їх взаємодії в базовій потрійній системі Al-Mg-Si і в сукупності з іншими компонентами визначають область існування евтектичних сплавів за участю Mg2Si. Ці сплави характеризуються наявністю тонко диференційованої структу 4 ри, утвореною армуючою фазою (Mg2Si), яка розміщується в металічній матриці (a-АІ) у вигляді волокон або пластин. Висока температура (~590595)°С та малий (2-8)°С температурний інтервал евтектичного перетворення, значна об’ємна частка зміцнюючої фази та фазовий склад, який не змінюється при додатковому легуванні, сприяють високим значенням жароміцності та зносостійкості та високим ливарним властивостям. При вмісті магнію і кремнію в сплаві менше, відповідно, 3,0мас.% і 2,8мас.%, об’ємна частка евтектики за участю Mg2Si є недостатньою для отримання високої жароміцності. При вмісті магнію і кремнію в сплаві, відповідно, більше 22,0мас.% і 10,0мас.%, утворюється велика кількість крупних первинних кристалів Mg2Si, що призводить до значного окрихчування сплаву. Цирконій розчиняється у фазі, яка утворює ультрадисперсні частинки. Введення його в сплав приводить до зменшення схильності цих частинок до коагуляції та забезпечує високу термічну стабільність структури і властивостей. Одночасне введення Sc та Zr сприяє покращенню жароміцності та зносостійкості сплаву, а також підвищенню однорідності структури відливки. При вмісті цирконію менше 0,05мас.% його вплив на жароміцність та зносостійкість сплаву є незначним. При вмісті цирконію більше 1,0мас.%, в сплаві утворюються крупні кристали його інтерметаліду Al3 Zr, що призводить до значного погіршення пластичних характеристик сплаву. Мідь, марганець, нікель та кобальт сприяють досягненню високої жароміцності сплаву при збереженні достатньої пластичності. Зміцнюючий ефект при введенні цих елементів досягається за рахунок легування твердого розчину на основі алюмінію, а також за рахунок появи у структурі метастабільних та стабільних фаз, які утворюються при частковому розпаді пересиченого твердого розчину при кристалізації або високотемпературному нагріванні. Ці елементи впливають на взаємну дифузійну р ухливість атомів і підвищують жароміцність сплаву. Мідь входить до складу сполук за участю перехідних металів, які стійкі при підвищених температурах, що також сприяє підвищенню жароміцності та зносостійкості сплаву. При вмісті в сплаві міді менше 0,5мас.% її вплив на жароміцність сплаву є незначним, а при вмісті більше 2,5мас.% утворюються легкоплавкі евтектики, що зменшує жароміцність сплаву. При вмісті в сплаві марганцю менше 0,05мас.% його вплив на жароміцність та зносостійкість сплаву є незначним, а при вмісті більше 1,0мас.% утворюються грубі інтерметаліди, які окрихчують сплав. При вмісті в сплаві нікелю менше 0,05мас.% його вплив на жароміцність сплаву є незначним, а при вмісті більше 1,0мас.% утворюються легкоплавкі евтектики, що зменшує жароміцність сплаву. При вмісті в сплаві кобальту менше 0,05мас.% його вплив на жароміцність сплаву є незначним, а при вмісті більше 1,5мас.% кобальту більше 1,0мас.% утворюються грубі інтерметаліди, які окрихчують сплав. 5 83776 Титан, залізо сумісно з бором і вуглецем приводять до підвищення зносостійкості та жароміцності сплаву та мають модифікуючий вплив. При вмісті в сплаві титану менше 0,05мас.% його вплив на зносостійкість сплаву незначний, а при вмісті більше 1,0мас.% утворюються грубі кристали алюмініду за його участю, які погіршують пластичність сплаву. При вмісті в сплаві заліза менше 0,05мас.% його вплив на зносостійкість сплаву незначний, а при вмісті більше 1,0мас.% утворюються грубі кристали карбідів та боридів за його участю, наявність яких погіршує характеристики пластичності. При вмісті в сплаві бору менше 0,05мас.% його вплив на зносостійкість сплаву незначний, а при вмісті більше 1,0мас.% утворюються грубі кристали боридів, наявність яких погіршує характеристики пластичності сплаву. При вмісті в сплаві вуглецю менше 0,05мас.%, його вплив на зносостійкість сплаву незначний, а при вмісті більше 0,5мас.% утворюються грубі кристали карбідів титану та заліза, наявність яких погіршує характеристики пластичності. Введення добавок тугоплавких металів хрому, молібдену та вольфраму у вказаних межах підвищує жароміцність сплаву. При вмісті в сплаві хрому менше 0,05мас.%, його вплив на жароміцність сплаву незначний, а при вмісті більше 1,0мас.%, утворюються легкоплавкі евтектики, що призводить до зниження жароміцності сплаву. При вмісті в сплаві молібдену менше 0,05мас.%, його вплив на жароміцність сплаву незначний, а при вмісті більше 0,3мас.%, утворюються легкоплавкі евтектики, що призводить до зниження жароміцності сплаву. При вмісті в сплаві вольфраму менше 0,05мас.% його вплив на жароміцність сплаву незначний, а при вмісті більше 0,5мас.%, утворюються легкоплавкі евтектики, що призводить до зниження жароміцності сплаву. Виплавку дослідних зливків проводили в електричних печах опору з використанням різних тиглів. Після розчинення всіх компонентів сплаву розплав ретельно перемішували, потім 6 рафінували інертним газом, знімали шлак і розливали в ливарні форми для охолодження. Для реалізації механізму дисперсійного зміцнення проводили термічну обробку зливків в печі опору, наприклад, при 300°С протягом 4 годин. При цьому формуються ультрадисперсні частинки зміцнюючої фази, наявність яких при певному співвідношенні інших компонентів сприяє високій жароміцності та зносостійкості сплаву. Після такої термічної обробки виготовляли зразки для визначення механічних властивостей на розтяг та проведення триботехнічних випробувань. Ме ханічні випробування на розтяг проводили на установці типу "INSTRON". Зразок витримували без навантаження 0,5 години (час стабілізації) при температурі випробування з наступним навантаженням його до руйнування. Швидкість навантаження складала 10-3с-1, діаметр робочої частини зразка - 3мм, довжина його робочої частини 18мм. Триботехнічні випробування проводили на установці „CATC" (комп’ютерізований триботехнічний комплекс) відповідно до схеми "сфераплощина" в квазістатичному (Р=22Н) та динамічному (амплітуда 10Н, частота 25Гц) режимах навантаження при температурі 300°С у вогнетривкій оливі ГЖ-ФК [ТУ 6-02-3-114-77]. Критерієм оцінки були показники зносу глибини доріжок тертя на ділянках відповідно квазістаціонарного (Is) та динамічного (Id) режимів навантаження (Wear. 2005. - 258. - P.77-82). Приклади хімічних складів і властивостей сплавів наведені в Таблиці. Як видно, сплав, що заявляється, по комплексу властивостей: жароміцності, та зносостійкості при температурах ви ще 260°С, також з урахуванням способу одержання (метод лиття) перевищує відомі сучасні ливарні сплави. Винахід, що заявляється, може бути використаний для одержання монолітних зливків підвищеної жароміцності, та зносостійкості при температурах ви ще 260°С методом лиття для потреб машинобудівної та автомобільної промисловості. Сплав може бути виготовлений як у лабораторних, так і в промислових умовах. 7 83776 8 Таблиця Хімічний склад і в ластив ості сплав ів Хімічний склад сплаву, мас. % № спла Mg ву 1 2 3 4 5 6 7* 3,0 9,5 10,0 22,0 1,8 23,0 15,0 Si Zr 2,8 4,5 10,0 10,0 12,8 2,6 7,0 0,05 0,14 0,05 1,0 0,02 1,5 0,05 Сu Mn 0,5 1,9 2,6 1,0 0,3 2,5 0,5 Ni Co Ті Fe В С Cr Mo 1,0 0,05 1,5 1,0 0,05 0,05 0,05 0,6 0,06 0,06 0,07 0,2 0,3 0,06 0,05 0,05 0,05 0,06 0,06 1,0 0,05 0,05 1,5 0,05 0,05 1,0 0,05 0,5 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 1,2 2,0 1,6 1,1 1,1 1,1 0,6 0,05 0,05 0,05 0,05 0,8 1,0 0,05 W 0,05 0,05 0,05 0,1 0,1 0,06 0,05 0,05 0,05 1,0 0,3 0,5 0,02 0,02 0,02 1,1 0,4 0,6 0,05 0,3 0,05 Sc Al 0,01 0,25 0,4 0,6 0,005 0,7 осн. осн. осн. осн. осн. осн. осн. Механічні в ласти- Зносостійкість в ості при випробусплав ів в аннях на розтяг Т=300°С s0,2, sb, d, % Is ,мкм Id,мкм МПа МПа 54 62 15 102 133 90 105 7,2 111 136 85 101 1,0 91 128 53 67 8,9 150 >250 30 42 23 102 224 44 64 38 >250 38 45 15 >250 * прототип Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601