Ливарний сплав на основі алюмінію

Ливарний сплав на основі алюмінію, що містить кремній, залізо, магній, марганець, мідь, цинк, який відрізняється тим, що додатково містить бор і олово в співвідношенні 1:1, але в сумі не більше 0,4 мас. %, при наступному співвідношенні компонентів сплаву, мас. %: кремній 18-20 мідь 0,5-0,6 магній 0,1-0,2 марганець 0,5-0,6 цинк 0,25-0,3 залізо 0,7-0,8 бор і олово в сумі не більше 0,4 при співвідношенні 1:1. алюміній решта. (19) (21) a200813137 (22) 12.11.2008 (24) 25.12.2009 (46) 25.12.2009, Бюл.№ 24, 2009 р. (72) КУЦОВА ВАЛЕНТИНА ЗИНОВІЇВНА, НОСКО ОЛЬГА АНАТОЛІЇВНА, КОТОВА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВНА, ШЕРСТОБИТОВА АЛЬОНА СЕРГІЇВНА (73) НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ (56) UA 21906 C2, 30.04.1998 SU 185489 A1, 25.04.1969 SU 346370 A1, 28.07.1972 JP 1104741 A, 21.04.1989 JP 2149630 A, 08.06.1990 JP 2004225121 A, 12.08.2004 3 Кремній Мідь Магній Марганець Цинк Залізо Бор і олово 18-20 0,5-0,6 0,1-0,2 0,5-0,6 0,25-0,3 0,7-0,8 в сумі не більше 0,4 при співвідношенні 1:1 Алюміній основа Істотними ознаками, спільними для сплаву, що заявляється, та прототипу є наявність кремнію, міді, магнію, марганцю, цинку, заліза. Ознакою, що відрізняє сплав, який заявляється, є наявність в сплаві бору і олова у кількості не більше 0,4% при співвідношенні компонентів 1:1. Необхідність вмісту в сплаві компонентів у вищезгаданих співвідношеннях обумовлена наступними обставинами. Кремній підвищує рідкотекучість, формозаповнюваність і механічні властивості. Тверді частки кремнію забезпечують низький коефіцієнт лінійного розширення і високий опір зносу, що є важливим для поршневих сплавів. В інтервалі концентрацій 18-20% змінюється структура алюмінієвокремнієвого розплаву. Своєрідність структури розплаву при цьому вмісті кремнію визначає при твердінні високий комплекс властивостей, що включають корозійну стійкість, міцність, лінійне подовження при кімнатній температурі, зносостійкість, рідкотекучість. При вмісті кремнію нижче 18,0% підвищується коефіцієнт теплового розширення, знижується твердість, зносостійкість, рідкотекучість, формозаповнюваність. Збільшення вмісту кремнію вище 20,0% призводить до зниження пластичності, жароміцності. Мідь забезпечує приріст міцності при високому рівні відносного подовження, забезпечуючи зміцнення твердого розчину і підвищуючи жароміцність. Мідь є одним з компонентів поршневих сплавів. При концентрації міді в сплаві на рівні 0,6% спостерігається найбільш вдале поєднання міцності і пластичності. Магній істотно зміцнює ливарні алюмінієві сплави за рахунок виділення фаз Mg2Si і W(CuSi4MgAl), що містять магній, при старінні. Здійснює нейтралізуючий вплив на добавки заліза, утворюючи фазу (FeMg3Si6Al8) кристалізаційного походження, що має розгалужену морфологію. Для зв'язування заліза в розгалужену фазу вміст магнію в сплаві повинен бути до 1,5%. При концентрації магнію вище 1,5% підвищується коефіцієнт теплового лінійного розширення, зменшується відносне подовження, рідкотекучість. Марганець підвищує зносостійкість, жароміцність. Облагороджується форма виділень залізистої складової, що сприятливо позначається на міцносних характеристиках і пластичності сплаву при кімнатній температурі. Марганець - найбільш ефективний елемент - компенсатор заліза. Він змінює морфологію фаз, що містять залізо, сприяє формуванню розгалуженої фази, яка у присутності міді має склад -(Fe, Мn,Сu)3Sі2Аl15. Найбільш ефективне зв'язування заліза в α-фазу при вмісті заліза в сплаві 0,7-0,8% відбувається при концентрації марганцю 0,5-0,6%. При цьому зменшується об'ємна частка фази β-FeSiAl5, яка знижує корозій 89139 4 ну стійкість, пластичність, міцність. Частина марганцю при литті в кокіль, рідкому штампуванню, литті під тиском, як і мідь, залишається в твердому розчині алюмінію понад рівноважну концентрацію, підвищуючи ступінь викривленості кристалічної граткі, а отже, і механічних властивостей сплаву. При концентрації марганцю меншій, ніж 0,5%, знижуються жароміцність, корозійні властивості, зносостійкість, а при вмісті марганцю вище 0,6%, збільшується коефіцієнт теплового лінійного розширення, зменшується міцність, рідкотекучість. Цинк підвищує міцностні властивості за рахунок підвищення ступеня легованості твердого розчину, оскільки яких-небудь інтерметалідів з іншими легуючими елементами він не утворює, і в процесах дисперсійного зміцнення при старінні участі не приймає. У деякій кількості цинк розчиняється у фазі a-(Fe, Μn, Cu)3Si2Al15 при отриманні виливок кокільним литвом, литвом під тиском, підвищує рідкотекучість, формозаповнюваність. При вмісті цинку більше 0Д% знижується жароміцність, збільшується коефіцієнт теплового лінійного розширення. Залізо - зменшує коефіцієнт теплового лінійного розширення, підвищує жароміцність, запобігає пригару виливок до стінок прес-форм, підвищує твердість алюмінієвих сплавів. Вплив заліза на структуру і властивості залежить не тільки від його вмісту в сплаві, але і від якісного складу і кількісного співвідношення інших компонентів. Залежно від цього залізо утворює фази: -FeSiAl5, (Fe,Mn,Cu)3Si2Al15, -FeMg3Si6Al8. Перша має голкоподібну форму, є концентратором напруги, погіршуючи механічні і корозійні властивості сплаву. Підвищення зносостійкості і жароміцності відбувається в результаті утворення розгалужених фаз, що містять залізо: -(Fe,Mn,Cu)3Si2Al15, FeMg3Si6Al8, які сприяють армуванню твердого розчину алюмінію, блокуванню меж його зерен. При вмісті заліза в сплаві 0,7-0,8% знижується коефіцієнт теплового розширення. Вміст елементів-компенсаторів (Mg, Μn, Сr) підібраний так, щоб максимально зв'язати залізо в інтерметалідні фази α і . При збільшенні вмісту заліза вище 0,8% при литві в кокіль і 1,6% - при рідкому штампуванні знижується корозійна стійкість, міцність, відносне подовження. При концентрації заліза менше 0,7% зменшуються твердість, жароміцність, зносостійкість, рідкотекучість, збільшується коефіцієнт теплового лінійного розширення. Бор та олово - сприяють підвищенню рідкотечості, формозаповнюваності і пластичності при кімнатній температурі, покращують оброблювання різанням. їх вплив на комплекс властивостей обумовлений модифікуючою дією на первинні кристали кремнію і алюмінієво-кремнієву евтектику одночасно. Хімічний склад сплаву, що заявляється, і відомого сплаву приведений в таблиці 1. Для приготування сплавів використовували наступні матеріали: алюміній марки А7 (ГОСТ 11069), кремній марки Кр1 (ГОСТ 2169), мідь марки М1 (ГОСТ 859), цинк марки Ц1 (ГОСТ 3640), магній марки Мг90 (ГОСТ 804), залізо карбонільне, марганець марки Мр1 (ГОСТ 6008). 5 З металів виплавляли лігатури: Аl - 16,3%Fe, Al - 24,3%Μn, ΑΙ - 45,8%Cu, ΑΙ -0,5%Β. Цинк, магній кремній, олово вводили в чистому вигляді. Сплави виплавляли в печі СШОЛ - 1.1.6.12-М3У4.2, яку розігрівали до температури 900°С. Виготовлені лігатури, використані у відповідних пропорціях, а також алюміній марки А7 завантажували в графітовий тигель і розплавляли. Після зниження температури до 800°С вводили цинк і магній. Плавки проводили під покривнорафінуючим флюсом (50% NaCl, 34% КСl, 12% NAF, 4% NaAlF). Після витримки в печі протягом 15-20 хв. розплав ретельно перемішували і проводили розливку. Визначення всіх властивостей було продубльоване в електротермічному цеху ВАТ «Втортех»на сплавах, які виплавлені на основі складнолегованого силуміну, наступного хімічного складу, мас. %: Si - 18,0-20,0;Cu - 0,6; Mg - 0,1; Μn - 0,5; Ζn - 0,3; Fe - 0,8; В - 0,2; Sn - 0,2. Расшихтовку до необхідного вмісту компонентів здійснювали з використанням вище вказаних металів і лігатур. Механічні властивості: тимчасовий опір розриву при кімнатній температурі B20°С (МПа) і відносне подовження (%) визначали за ГОСТ 1497. Випробування проводили на розривній машині Р5 на зразках діаметром 10 мм, відлитих в металевий кокіль, який підігрітий до температури 250°С. Швидкість охолодження сплавів складала 2 К/с. Тимчасовий опір розриву при 250°С - B250°С (МПа) і відносне подовження (%) при тій же температурі - визначали за ГОСТ 9651 на машині 1231-У10 на зразках, отриманих за тією ж методикою. Твердість сплаву (НВ) вимірювали за ГОСТ 9012-59 на твердомірі Бріннель моделі ТШ- 2М при кімнатній температурі втискуванням кулі діа 89139 6 метром 10 мм при навантаженні 1000 кГс впродовж 30 секунд. Випробування на знос проводили на машині СМЦ-2 без мастила (сухе тертя) за схемою дискколодка при терті ковзання в парі з чавуном СЧ21-42 (И.В. Крагельский. Трение и износ. - Μ.: Машгиз, 1982, 232 с). Величину зносу визначали по втраті маси зразка в процесі випробувань. Точність зважування складала 0,0001 г. Рідкотекучість оцінювали по прутковій пробі (Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.Μ., Бибиков Э.М. Производство оливок из цветных металлов и сплавов. -М.: Металургия, 1986. - 416 с). Похибка вимірювань - 5%. Формозаповнюваність сплавів визначали по пробі Енглера-Еллерброка (Engler S., Ellerbrock R. Uber das Formfullungsvermogen von Aluminium-siliziumLeglerungen bei Kokillenguss.-Aluminium, 1975, 51 № 4, S. 281-284). Похибка вимірювань - 3-5 %. Лінійну усадку визначали по комплексній пробі на приладі Большакова (Колобнев И.Ф., Крымов В.В., Мельников А.В. Справочник литейщика. Цветное литье из легких сплавов. - М.: Машиностроение. 1974. - 416 с). Похибка вимірювань - 3%. Коефіцієнт лінійного термічного розширення (а) визначали калориметричним методом. Експерименти проводили на повітрі, в температурному інтервалі 20 - 400°С. Швидкість нагріву складала 6 К/хв. Похибка вимірювань - 2%. Випробування показали, що межа міцності сплаву прототипу (сплав марки Mahle 138) має більш широкий діапазон зміни межі міцності залежно від варіацій його хімічного складу ( B20°С =153 - 229МПа), ніж наведений в джерелі інформації про сплав - прототип [Хохлев В.М. Производство литейных алюминиевых сплавов. Μ.: Металургия, 1980, с. 14-15. табл. 7-8], а саме 180-220 МПа. 7 89139 8 Як випливає з таблиці 2, сплав, що заявлячість, формозаповнюваність, при близьких знається, має високу міцність, пластичність, тверченнях коефіцієнту теплового лінійного розшидість, жаростійкість, зносостійкість, рідкотекурення, лінійної усадки. Досягнення вищого технічного результату при використанні запропонованого сплаву в порівнянні із сплавом - прототипом підтверджується підвищенням межі міцності при кімнатній температурі в 1,45 разів; відносного подовження при тій же температурі в 1,5-6 разів; твердості (НВ) в 1,2-1,3 рази; жаростійкості при 250°С в 1,2-1,3 рази; відносного подовження при 250°С в 1,2-1,4 рази; зносостійкості (J) в 1,1-1,2 рази; рідкотекучості у 1,2 рази, формозаповнюваності у 1,2-1,3 рази. Запропонований сплав був розроблений авторами в лабораторії ливарних конструкційних спла Комп’ютерна верстка І. Скворцова вів кафедри матеріалознавства Національної металургійної академії і апробований в електротермічному цеху ВАТ «Втортех». Сплав рекомендується для отримання методом литва поршнів двигунів внутрішнього згоряння високої питомої потужності замість сплаву АК22. Передбачуваний значний економічний ефект пов'язаний з усуненням операції термообробки, оскільки рівень механічних властивостей пропонованого сплаву в литому стані знаходиться на рівні механічних властивостей сплаву АК22 після термічної обробки. 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