Ливарний сплав на основі алюмінію

Ливарний сплав на основі алюмінію, що містить кремній, магній, марганець і стронцій, який відрізняється тим, що він додатково містить скандій, при цьому співвідношення стронцію та скандію дорівнює 1:3, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: кремній 6-8 магній 0,2-0,4 марганець 0,2-0,5 стронцій та скандій в сумі не більше 0,6 алюміній решта. (19) (21) a200814955 (22) 25.12.2008 (24) 11.01.2010 (46) 11.01.2010, Бюл.№ 1, 2010 р. (72) КУЦОВА ВАЛЕНТИНА ЗИНОВІЇВНА, АЮПОВА ТЕТЯНА АНАТОЛІЇВНА, ЄЛАГІН АНТОН СЕРГІЙОВИЧ, ЯЩУК МАР'ЯНА МИКОЛАЇВНА (73) НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ (56) UA, 59269, A, 15.08.2003 SU, 1573044, A1, 23.06.1990 SU, 1235241, A, дата подання 21.03.1984 RU, 2123538, C1, 20.12.1998 3 сті, та зниженню коефіцієнту теплового лінійного розширення. Крім того за рахунок додаткового введення скандію у вказаному співвідношенні зі стронцієм зменшується температурний інтервал кристалізації, внаслідок цього знижується повна ливарна усадка. Для досягнення поставленої мети в сплав на основі алюмінію, що містить кремній, магній і стронцій, додатково вводять скандій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: Кремній 6...8; Магній 0,2...0,4; Марганець 0,2...0,5 в сумі не більше 0,6 при Стронцій та скандій співвідношенні 1:3; Алюміній Решта. Істотними ознаками, загальними для сплавів, що являються найбільш близькими, є наявність кремнію, магнію, марганцю, стронцію. Ознакою, що відрізняє сплав, є наявність скандію, причому, співвідношення стронцію і скандію складає 1:3, а вміст стронцію та скандію складає не більше 0,6%. Кремній - основний легуючий елемент, в заявлених межах забезпечує високі ливарні властивості, підвищення міцносних властивостей сплаву і зменшення його коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300°С. Збільшення вмісту кремнію більше 8мас.% і, відповідно, евтектичного кремнію, приводить до пониження пластичності сплаву. При вмісті кремнію менше 6мас.% мала кількість евтектичної складової в сплаві не забезпечує необхідний рівень міцносних властивостей і збільшує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300°С. Магній в кількості 0,2...0,4мас.% вводять для зміцнення сплаву. Введення магнію в кількості більше 0,4мас.% приводить до виділення великої кількості фази Mg2Si, що покрихчує сплав і знижує його пластичність, а також збільшує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300°С. Зменшення вмісту магнію менше 0,2мас.% викликає появу малої кількості одиничних кристалів Mg2Si, що не дає необхідних показників міцності. Марганець в кількості 0,2...0,5мас.% вводять для покращення морфології фаз, що містять залізо, є ефективним компенсатором заліза, зв'язує залізо в тонкодиференційовану фазу FeSi(Mg, Mn), причому об'ємна частка фаз FeSiAl 5 і FeAl3, що знижують корозійну стійкість, пластичність, міцність, зменшується. Введення марганцю в кількості більше 0,5мас.% підвищує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву, погіршує пластичні властивості. При введенні марганцю менше 0,2мас.% утворюється недостатньо легований твердий розчин -Аl, що не забезпечує високу міцність сплаву. Введення стронцію і скандію в кількості 0,6мас.% при співвідношенні 1:3 необхідно для підвищення корозійної стійкості при одночасному зменшенні його коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300°С при високих значеннях міцносних та плас 89335 4 тичних властивостей унаслідок досягнення оптимального рівня диференціювання евтектичного кремнію і виділення дрібнодисперсних виділень інтерметалідної фази Al3Sc в структурі сплаву. Сумісне збільшення вмісту в сплаві стронцію і скандію вище 0,6мас.% і порушенні співвідношення 1:3 призводить до зниження корозійної стійкості, міцносних властивостей при одночасному погіршенню пластичності унаслідок виділення інтерметалідних фаз AlSr, Al4Sr, що покрихчують сплав, зменшенню диференціювання евтектичного кремнію, а також коагуляції інтерметаліду Al 3Sc. При сумісному зменшенні вмісту стронцію менше і скандію менше 0,6мас.% знижується пластичність сплаву з одночасним зменшенням міцносних властивостей що пов'язано зі зменшенням ступеня диференціювання евтектичного кремнію і розчинності легуючих елементів в твердому -А1 розчині, збільшенням коефіцієнта теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300°С. Описаний ефект не є очевидним, оскільки сумісне модифікування стронцієм і скандієм дозволяє отримати синергичний ефект від дії кожного елементу, що виявляється в досягненні оптимального поєднання зниженого коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300°С, високій корозійній стійкості, при високих значеннях (в порівнянні з прототипом) міцносних і пластичних властивостей. Дослідні сплави, виготовляли на базі алюмінію марки А9, кремнію марки Кр1 (ГОСТ 2169), лігатур Al-5мас.% Sr, Al-1.96мас.% Sc. Сплави виплавляли в лабораторних умовах в печах типа СНОЛ2.5,2.5,2.5/2М і СШОЛ-11,6/12-М3. Задану температуру підтримували з точністю 0,5 градуса приладом ВРТ-1. Вимірювання температури проводили за допомогою хромель-алюмелевої термопари універсальним вимірювальним приладом Р-4833 (клас точності 0,05). Розрахункову кількість стронцієвої лігатури вводили при 750°С в розплав, витримували 25...30мин., потім вводили розрахункову кількість скандієвої лігатури, витримували 25...30мин. Приготування сплаву – найближчого аналога проводили в аналогічних умовах за тими ж технологіями. У таблиці 1 представлені випробувані склади сплаву. Їх властивості оцінювали за наступними показниками. Коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300°С сплаву визначали за даними дилатометричних досліджень стандартних зразків, проведених за допомогою дилатометру АД-80 в температурному інтервалі 20-300°С при швидкості нагріву і охолоджування 5°С/мин. Міцносні і пластичні властивості (тимчасовий  опір руйнуванню, відносне стиснення 20 C ) визначали за даними стандартних випробувань на стиснення. Випробування на стиснення проводили на випробувальній машині FP-100/1, при максимальному навантаженні 40кН, в масштабі 10:1. Швидкість деформації складала 1,6мм/мін. 5 89335 Твердість сплаву (НВ) визначали по ГОСТ 9012-59 на твердомірі Бріннель моделі ТШ-2М при кімнатній температурі при втискуванні кулі діаметром 2,5мм при навантаженні 250кГс протягом 30 секунд. Повну ливарну усадку оцінювали 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. - 416с.]. Випробування на загальну корозію сплаву проводили відповідно до ГОСТ 9.017-74, при зануренні в 3% розчин NaCl і 1% Н2О2. Корозійну стійкість оцінювали по зміні маси шляхом зважування зразка на аналітичних вагах з погрішністю не більше 0,002 до і після випробувань, заздалегідь видаливши продукт корозії. Випробування на стиснення, твердість, загальну корозію, а також оцінку ливарної усадки та коефіцієнту теплового лінійного розширення для сплаву-найближчого аналога проводили в аналогічних умовах за тими ж технологіями. 6 Результати випробувань порівняно з найближчим аналогом наведені в таблиці 2. Аналіз представлених даних свідчить про наступне. Забезпечення оптимального діапазону легування і модифікування алюмінію згідно формулі винаходу забезпечує зниження коефіцієнта теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300°С на 8,5%, підвищення корозійної стійкості на 15%, повної ливарної усадки на 15...20%, підвищення твердості на 5.7%, підвищення межі міцності на 35...40%, межі текучості на 35...40% і відносного стиснення на 15...20% в порівнянні з найближчим аналогом. Вихід за вказані оптимальні межі змісту елементів в сплаві збільшує його коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300°С на 5%, знижує твердість на 20...25%, міцносні та пластичні властивості на 10%, обумовлюючи погіршення експлуатаційних властивостей навіть в порівнянні з найближчим аналогом. Таблиця 1 Хімічний склад відомого і запропонованого сплавів Сплав Склад Прототип 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Магній 0,3 0,2 0,4 0,3 0,3 0,15 0,45 0,3 0,3 0,3 0,3 12 Запропонований Кремній 7 6 8 5 9 7 7 7 7 7 7 9,0 0,23 Вміст компонентів Марганець Стронцій 0,35 0,10 0,20 0,06 0,5 0,15 0,15 0,10 0,60 0,10 0,35 0,10 0,35 0,10 0,35 0,05 0,35 0,18 0,35 0,10 0,35 0,10 0,2-0,5 0,25 Скандій 0,35 0,15 0,50 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,12 0,60 0,04 % Sb 0,13 % La Алюміній Решта. Таблиця 2 Механічні властивості запропонованого і відомого сплави і в литому стані Найменування технічних і експлуатаційних властивос1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 тей і їх одиниці вимірювання 1. Межа міцності в при 20°С, Мпа 330 320 440 315 325 305 340 333 305 260 420 320 2. Умовна межа текучості 02 при 20°С, Мпа 100 78 213 96 104 96 110 112 98 95 212 156  20 C 64 65 64 67 54 67 50 49 56 64 40 55 3. Відносне стиснення при 20°С ,% 4. Твердість НВ при 20°С 90 72 97 65 98 72 95 88 91 68 91 90 5. Повна ливарна усадка % 1,15 1,17 0,95 1,10 1,00 1,05 1,10 1,15 1,16 1,20 0,95 1,20 6. Коефіцієнт теплового лінійного розширення в інтер23,0 24,0 22,7 25 22,5 23,0 23,1 22,9 22,8 24,6 22,5 24,0 6 валі температур (20-300°С)°10 , град-1 2 2 7. Зміна маси, ×10 , г/м 0,75 0,86 0,76 0,77 0,78 0,85 0,83 0,89 0,91 0,90 0,84 0,9 Запропонований сплав був розроблений авторами в лабораторії ливарних конструкційних сплавів кафедри матеріалознавства Національної металургійної академії України. Сплав рекомендується для отримання методом литва при виготовленні деталей і вузлів, що працюють при підвищених температурах і динамічних навантаженнях, наприклад, в двигунах внут 7 89335 рішнього згорання, замість сплаву АК7ч. Передбачуваний значний економічний ефект пов'язаний з усуненням операції термічної обробки, оскільки рівень механічних властивостей пропонованого Комп’ютерна верстка М. Мацело 8 сплаву в литому стані знаходиться на рівні механічних властивостей сплаву АК7ч 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