Ливарний сплав на основі алюмінію

Ливарний сплав на основі алюмінію, що містить магній, кремній, цирконій, мідь, марганець, нікель, титан, бор, хром, скандій, який відрізняється тим, що додатково містить гафній та ітрій, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: магній 3,0-15,0 кремній 2,8-8,0 цирконій 0,05-1,0 мідь 0,1-2,0 марганець 0,05-1,0 нікель 0,05-1,5 титан 0,05-1,0 бор 0,05-1,0 хром 0,05-1,0 скандій 0,01-0,6 гафній 0,01-0,6 ітрій 0,01-0,85 алюміній решта. Винахід стосується кольорової металургії, зокрема, сплавів на основі алюмінію системи Al-SiMg, і може бути використаний у машинобудуванні при виготовленні деталей, які працюють при підвищених температурах, зокрема поршнів в автомобільній промисловості. Відомо ливарний сплав на основі алюмінію (Патент РФ №2237096, МПК 7 С22С 21/04, 2003), до складу якого входить мас. %: кремній 5,0-10,0; мідь 2,0-5,0; магній 0,3-0,7; титан 0,05-0,4; цирконій 0,01-0,3; стибій 0,2-0,4; скандій 0,05-0,6; неодим 0,1-0,3; кальцій 0,3-2,0; алюміній - решта. Недоліком відомого сплаву є невисока жароміцність та зносостійкість. Відомо ливарний сплав на основі алюмінію (Україна, патент №22435А, МПК С22С 21/00, 1995), до складу якого входить кремній 14,0-16,5; мідь 1,2-2,5; магній 0,8-1,5; марганець 0,5-1,3; титан 0,05-0,20; нікель 0,01-0,6; цинк 0,01-0,5; залізо 0,7-1,6; хром 0,01-0,2; цирконій 0,01-0,4; фосфор 0,03-0,1; алюміній - решта. Недоліком відомого сплаву є нестабільність рівня механічних властивостей та забруднення навколишнього середовища при його виробництві та литві виливок з нього завдяки наявності фосфору. Найбільш близьким за технічною сутністю є ливарний сплав на основі алюмінію (Україна, патент №83776, МПК 7 С22С21/00; С22С21/06, 2007), до складу якого входить, мас.%: магній 3,022,0; кремній 2,8-10,0; цирконій 0,05-1,0; мідь 0,52,5; 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 0,051,0; вуглець 0,05-0,5; хром 0,05-1,0; молібден 0,050,3; вольфрам 0,05-0,5; скандій 0,01-0,6; алюміній решта. Недоліком відомого ливарного сплаву є те, що високий вміст легуючих елементів призводить до нестабільності фазового складу, до утворення грубих структурних складових і, як наслідок, до нестабільності механічних властивостей. Технічною задачею даного винаходу є вдосконалення складу ливарного сплаву на основі алюмінію шляхом зміни якісного та кількісного складу основних і легуючих елементів і додаткового легування гафнієм та ітрієм, що приводить до підви (19) UA (11) 88857 (13) (21) a200906999 (22) 03.07.2009 (24) 25.11.2009 (46) 25.11.2009, Бюл.№ 22, 2009 р. (72) МІЛЬМАН ЮЛІЙ ВИКТОРОВИЧ, БАРАБАШ ОЛЕГ МАРКОВИЧ, ЛЕГКА ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА, КОРЖОВА НАТАЛІЯ ПЕТРІВНА, ГРИНКЕВИЧ КОСТЯНТИН ЕДУАРДОВИЧ, ПОДРЕЗОВ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ІМ. Г.В. КУРДЮМОВА НАН УКРАЇНИ, ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І. М. ФРАНЦЕВИЧА НАН УКРАЇНИ (56) UA, 23435, A, 03.03.1998 UA, 83776, C2, 11.08.2008 RU, 2221891, C1, 20.01.2004 US, 6004506, 21.12.1999 US, 20070240796, A1, 18.10.2007 C2 1 3 щення механічних властивостей при збереженні ливарних властивостей. Це також забезпечує зменшення витрат, необхідних для отримання дорогих лігатур алюміній-вольфрам, алюміній-молібден, алюміній-кобальт, за рахунок чого знижується собівартість сплаву. Технічна задача вирішується за рахунок того, що ливарний сплав на основі алюмінію містить магній, кремній, цирконій, мідь, марганець, нікель, титан, бор, хром та скандій, згідно з винаходом додатково містить гафній та ітрій при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: магній 3,0-15,0 кремній 2,8-8,0 цирконій 0,05-1,0 мідь 0,1-2,0 марганець 0,05-1,0 нікель 0,05-1,5 титан 0,05-1,0 бор 0,05-1,0 хром 0,05-1,0 скандій 0,01-0,6 гафній 0,01-0,6 ітрій 0,01-0,85 алюміній решта Суттєвими ознаками сплаву на основі алюмінію є наявність магнію, кремнію, цирконію, міді, марганцю, нікелю, титану, бору, хрому та скандію. Відмітною суттєвою ознакою є наявність у сплаві (мас. %): гафнію (0,01-0,6) та ітрію (0,01-0,85), введення яких сприяє підвищенню високотемпературної міцності ливарного сплаву. Суть запропонованого винаходу полягає в застосуванні відомих компонентів у поєднанні з новими компонентами у певній кількості, що забезпечує високу жароміцність сплаву при температурах вище 300°С, а також його високі технологічні властивості. Приклади хімічних складів і механічних властивостей сплавів наведені в Таблиці. Кремній сумісно з магнієм формує евтектичну структуру 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 структури, утвореною армуючою фазою (Mg2Si), яка розміщується в металічній матриці (a-Аl) у вигляді волокон або пластин. Звуження концентраційних меж введення магнію і кремнію в поєднанні з іншими елементами сприяє збереженню фазового складу та високої температури плавлення ливарного сплаву при введенні додаткових елементів, супроводжується збільшенням кількості евтектичної складової і, як наслідок, покращенням механічних та ливарних властивостей. 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 15,0мас. % і 88857 4 8,0мас. % утворюється велика кількість крупних первинних кристалів Mg2Si, що призводить до суттєвого окрихчування сплаву. Введення ітрію сприяє модифікуванню первинних кристалів Mg2Si, що покращує характеристики пластичності сплаву при збереженні високих характеристик міцності. При вмісті в сплаві ітрію менше 0,05мас. %, модифікування первинних кристалів Mg2Si не спостерігається, а при його вмісті більше 0,85мас. % в структурі сплаву додатково з'являються грубі кристали Mg2Si дендритної форми, що суттєво знижує характеристики пластичності сплаву. 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. Введення добавок тугоплавких металів цирконію, гафнію та хрому у вказаних межах підвищує жароміцність сплаву. Цирконій та гафній розчиняються у фазі, яка утворює ультрадисперсні частинки фази з Ll2 структурою. Введення їх в сплав приводить до зменшення схильності цих частинок до коагуляції та забезпечує високу термічну стабільність структури і властивостей. Одночасне введення Sc, Zr та Hf сприяє покращенню жароміцності 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 Al3Zr, що призводить до значного погіршення пластичних характеристик сплаву. При вмісті гафнію менше 0,01мас. % його вплив на жароміцність та зносостійкість сплаву є незначним. При вмісті гафнію більше 0,6мас. %, в сплаві утворюються крупні кристали інтерметалідів, що значно погіршує пластичність 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. Мідь, марганець та нікель 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 частково 5 му розпаді пересиченого твердого розчину при кристалізації або високотемпературному нагріванні. Ці елементи впливають на взаємну дифузійну рухливість атомів і підвищують жароміцність сплаву. Мідь входить до складу сполук за участю перехідних металів, які стійкі при підвищених температурах, що також сприяє підвищенню жароміцності сплаву. Зміна концентраційних меж введення міді в сплаві обумовлена зміною концентраційнотемпературних меж існування двофазної евтектичної рівноваги в багатокомпонентній системі при введенні додаткових елементів. При вмісті в сплаві міді менше 0,1мас. % її вплив на жароміцність сплаву є незначним, а при вмісті більше 2,0мас. % 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 1,5мас. % утворюються легкоплавкі евтектики, що зменшує жароміцність сплаву. Титан сумісно з бором 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 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. Виплавку дослідних зливків проводять в електричних печах опору в тиглях з Аl2О3. Плавку проводять на повітрі з використанням захисних флюсів (LiCl та LiF) у співвідношенні, відповідно 3:1. Зливки виготовляють з чистих шихтових матеріалів (Аl, Mg, Y, Ni) та лігатур: Al-Si, Al-Cr, Al-Mn, AlZr, Al-Sc, Al-Hf, Al-Cu, Al-Ti-B. Лігатури можуть бути виготовлені в індукційній печі (наприклад, Al-Cr, AlMn та Al-Zr), в печі опору (наприклад, Al-Si, Al-Cu), 88857 6 в електродуговій печі (наприклад, Al-Hf) або іншими методами (наприклад, Al-Sc та АІ-Ті-В). Для забезпечення повного розчинення лігатур і попередження формування небажаних інтерметалідних фаз рекомендовано дотримуватись наступного порядку завантаження шихтових матеріалів: (флюс + Аl) ® розплав ® Ni ® розплав ® (Al-Si) ® розплав ® (Al-Mn) ® розплав ® (Al-Cr) + (Al-Zr) + (Al-Hf) ® розплав ® Mg ® розплав ® (AlSc) ® (Al-Ti-B) ® виливка сплаву у мідну виливницю. Перед веденням кожного з компонентів розплав перемішують та витримують до повного розчинення попередніх компонентів. Температури плавлення та розливу зливків повинні бути в межах, відповідно, (700-750)°С та (680-720)°С. Після розчинення всіх компонентів розплав необхідно ретельно перемішувати, рафінувати інертним газом, зняти шлак та розлити в ливарні форми для охолодження. Для реалізації механізму дисперсійного зміцнення здійснюється термічна обробка 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. З метою контролю якості виливок, після термічної обробки виготовляють зразки, наприклад, для визначення механічних властивостей на розтяг. Механічні випробування на розтяг (Таблиця) 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. Як видно, сплав, що заявляється, за жароміцністю при температурах вище 300°С з урахуванням способу одержання (метод лиття) перевищує відомі сучасні ливарні сплави. Винахід, що заявляється, може бути використаний для одержання монолітних зливків підвищеної жароміцності при температурах вище 300°С методом лиття для потреб машинобудівної та автомобільної промисловості. Сплав може бути виготовлений як у лабораторних, так і в промислових умовах. 7 88857 8 Таблиця Хімічний склад і властивості сплавів Хімічний склад сплаву, мас.% № сплаву Mg 1 2 3 4 5 6 7* 3,0 8,0 10,0 15,0 2,0 17,5 9,5 Si Zr Сu Mn Ni Ті В Сr Sc Hf Y Al 2,8 3,6 8,0 8,0 15,8 2,6 4,5 0,05 0,15 0,05 1,0 0,02 1,5 0,05 0,1 0,3 2,0 1,0 0,05 2,5 1,9 1,0 0,5 0,05 0,05 0,02 1,2 0,6 0,05 0,2 0,05 1,5 0,02 2,0 0,06 1,0 0,08 0,05 0,05 0,02 1,1 0,07 0,05 0,35 1,0 0,05 0,02 1,1 0,3 0,05 0,1 0,05 1,0 0,02 1,1 0,1 0,01 0,25 0,4 0,6 0,005 0,7 0,25 0,01 0,2 0,01 0,6 0,05 0,7 0,01 0,06 0,01 0,85 0,02 0,9 осн осн осн осн осн осн осн Механічні властивості при випробуваннях на розтяг Т=330°С s0,2, МПа sb, МПа d, % 67 76 9,1 140 155 11,5 100 130 14 70 88 13 56 65 23 44 66 21 65 75 11 * найближчий аналог Комп’ютерна верстка М. Ломалова Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601