Ливарний сплав на основі алюмінію

Реферат: Винахід належить до кольорової металургії, зокрема до сплавів на основі алюмінію, і може бути використаний при виготовленні деталей і вузлів, що працюють у агресивних середах при підвищених температурах і динамічних навантаженнях, наприклад, в двигунах внутрішнього згорання. Ливарний сплав на основі алюмінію місить, мас. %: кремній 6,5-7,5, магній 0,2-0,4, марганець 0,2-0,5, титан 0,10-0,20, стронцій 0,05-0,10 і бор 0,02-0,05. Титан, стронцій і бор введені у співвідношенні між собою як 4:2:1. UA 104816 C2 (12) UA 104816 C2 UA 104816 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до кольорової металургії, а саме до сплавів на основі алюмінію, і може бути використаний при виготовленні деталей і вузлів, що працюють при підвищених температурах, агресивних середах і динамічних навантаженнях, наприклад, в двигунах внутрішнього згорання. Такі сплави повинні мати високу механічну міцність при статичних навантаженнях, корозійну стійкість та мінімальне теплове розширення, і високу пластичність. Відомий сплав на основі алюмінію, що містить 6…8 мас. % кремнію і 0,2…0,4 мас. % Mg (ГОСТ 1583-93). Основним недоліком вказаного сплаву АК7ч є невисокий рівень міцнісних властивостей при низькій пластичності, підвищений коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C. Відомий сплав на основі алюмінію, що включає кремній і магній, в який для підвищення технологічних і механічних властивостей сплаву додатково вводяться: 2…5 мас. % міді, 0,02…0,2 мас. % титану, 0,02…0,2 мас. % цирконію, 0,01-0,3 мас. % ніобію, 0,02…0,6 мас. % кадмію, 0,005…0,1 мас. % натрію, 0,001…0,1 мас. % калію (а.с. СССР № 519487, МКИ2 С22С21/04; опубл. 30.06.76. Бюл. Изобретений СССР, 1976 № 24). Істотним недоліком аналога є: складне легування, низька корозійна стійкість та підвищений коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C. Найбільш близьким до запропонованого винаходу є сплав на основі алюмінію, що включає кремній і магній, в який для підвищення міцності і пластичності вводять 0,01…0,09 мас. % стронцію, 0,06…0,6 мас. % титану, 0,01…0,2 мас. % бору, 0,03…0,3 мас. % цирконію, 0,01…0,5 мас. % кобальту (а.с. СССР № 1586243, МКИ6 С22С21/04, опубл. 10.04.95. Бюл. № 10). Істотним недоліком аналога є складне легування та низька корозійна стійкість, та підвищений коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C що обмежує його використання як конструкційного матеріалу. Задачею винаходу є підвищення корозійної стійкості при високих міцнісних і пластичних характеристиках сплаву, пониження коефіцієнта теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300 °C. Технічний результат полягає в тому, що завдяки зміні вмісту титану, стронцію та бору у вказаному співвідношенні формується тонкодиференційована евтектична структура, виділяється дрібнодисперсний тугоплавкий інтерметалід AlB12 з низьким коефіцієнтом теплового лінійного розширення при одночасному розширенні області розчинності легуючих елементів в α-Al твердому розчині, внаслідок чого зменшуються кількість та розміри залізовмісних фаз, що приводить до підвищення міцності, пластичності, корозійної стійкості, та зниженню коефіцієнта теплового лінійного розширення. Крім того, за рахунок додаткового введення титану, бору та стронцію у вказаному співвідношенні зі стронцієм зменшується температурний інтервал кристалізації, внаслідок цього знижується повна ливарна усадка. Для вирішення поставленої задачі пропонується сплав на основі алюмінію, що включає кремній, магній, марганець титан, стронцій і бор, який відрізняється тим, що титан, стронцій і бор введені у співвідношенні між собою як 4:2:1 при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: кремній 6,5…7,5 магній 0,2…0,4 марганець 0,2…0,5 титан 0,10…0,20 стронцій 0,05…0,10; бор 0,02…0,05 алюміній решта. Істотними ознаками, загальними для сплавів, що є найбільш близькими, є наявність кремнію, магнію, марганцю, титану, бору, стронцію. Ознакою, що відрізняє сплав, є, знижений вміст титану та бору, причому титан, стронцій та бор в сумі не більше 0,35 % у співвідношенні 4:2:1. Кремній - основний легуючий елемент, в заявлених межах забезпечує високі ливарні властивості, підвищення міцнісних властивостей сплаву і зменшення його коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C. Збільшення вмісту кремнію більше 7,5 % і, відповідно, евтектичного кремнію, призводить до пониження пластичності сплаву. При вмісті кремнію менше 6,5 % мала кількість евтектичної складової в сплаві не забезпечує необхідний рівень міцнісних властивостей і збільшує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300 °C. Магній в кількості 0,2…0,4 мас. % вводять для зміцнення сплаву. Введення магнію в кількості більше 0,4 мас. % приводить до виділення великої кількості фази Mg2Si, що покрихчує 1 UA 104816 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 сплав і знижує його пластичність, а також збільшує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300 °C. Зменшення вмісту магнію менше 0,2 мас. % викликає появу малої кількості одиничних кристалів Mg2Si, що не дає необхідних показників міцності. Марганець в кількості 0,2…0,5 % вводять для покращення морфології фаз, що містять залізо, є ефективним компенсатором заліза, зв'язує залізо в тонкодиференційовану фазу FeSi(Mg, Μn), причому об'ємна частка фаз FeSiAl5 і FeAl3, що знижують корозійну стійкість, пластичність, міцність, зменшується. Введення марганцю в кількості більше 0,5 % підвищує коефіцієнт теплового лінійного розширення сплаву, погіршує пластичні властивості. При введенні марганцю менше 0,2 % утворюється недостатньо легований твердий розчин α-Al, що не забезпечує високу міцність сплаву. Введення титану, стронцію та бору у кількості в сумі не більш 0,35 мас. % і співвідношенні 4:2:1 необхідно для підвищення корозійної стійкості при одночасному зменшенні його коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C при високих значеннях міцнісних та пластичних властивостей внаслідок досягнення оптимального рівня диференціювання евтектичного кремнію і виділення дрібнодисперсних виділень інтерметалідної фази AlB12 в структурі сплаву. Сумісне збільшення вмісту в сплаві титану, стронцію та бору вище 0,35 мас. % і порушенні співвідношення 4:2:1 призводить до зниження корозійної стійкості, міцнісних властивостей при одночасному погіршенню пластичності унаслідок виділення інтерметалідних фаз AlSr, Al4Sr, що покрихчують сплав, коагуляції фази AlB12, зменшенню диференціювання евтектичного кремнію. При сумісному зменшенні вмісту титану, стронцію та бору менш ніж 0,175 мас. % знижується пластичність сплаву з одночасним зменшенням міцнісних властивостей що пов'язано із зі зменшенням ступеня диференціювання евтектичного кремнію і розчинності легуючих елементів в твердому ex-ΑΙ розчині, збільшенням коефіцієнта теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300 °C. Описаний ефект не є очевидним, оскільки сумісне модифікування титаном, стронцієм і бором дозволяє отримати синергичний ефект від дії кожного елемента, що виявляється в досягненні оптимального поєднання зниженого коефіцієнта теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C, високій корозійній стійкості, при високих значеннях (в порівнянні з прототипом) міцнісних і пластичних властивостей. Дослідні сплави, виготовляли на базі алюмінію марки А9, кремнію марки Кр1 (ГОСТ 2169), лігатур Al-10 % Sr, Аl-5 %ТІ - 1 % В. Сплави виплавляли в лабораторних умовах в печах типа СНОЛ-2.5,2.5,2.5/2М і СШОЛ-11,6/12-М3. Задану температуру підтримували з точністю 0,5 градуса приладом ВРТ-1. Вимірювання температури проводили за допомогою хромельалюмелевої термопари універсальним вимірювальним приладом Р-4833 (клас точності 0,05). Приготування сплаву - прототипу 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 °C сплаву визначали за даними дилатометричних досліджень стандартних зразків, проведених за допомогою дилатометру АД-80 в температурному інтервалі 20-300 °C при швидкості нагріву і охолоджування 5 °C/хв. 20 °C Міцнісні і пластичні властивості (тимчасовий опір руйнуванню, відносне стиснення ε ) визначали за даними стандартних випробувань на стиснення. Випробування на стиснення проводили на випробувальній машині FP-100/1, при максимальному навантаженні 40 кН, в масштабі 10:1. Швидкість деформації складала 1,6 мм/хв. Твердість сплаву (НВ) визначали по ГОСТ 9012-59 на твердомірі Бріннель моделі ТШ – 2 М при кімнатній температурі при втискуванні кулі діаметром 2,5 мм при навантаженні 250 кГс 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. - 416 с.). Випробування на загальну корозію сплаву проводили відповідно до ГОСТ 9.017 на пласких зразках 50×50×3 мм у вологій атмосфері. 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 коефіцієнта теплового лінійного розширення для сплаву-прототипу проводили в аналогічних умовах за тими ж технологіями. 2 UA 104816 C2 5 10 15 20 Результати випробувань порівняно з прототипом наведені в таблиці 2. Аналіз представлених даних свідчить про наступне. Забезпечення оптимального діапазону легування І модифікування алюмінію згідно з формулою винаходу забезпечує зниження коефіцієнта теплового лінійного розширення сплаву при температурах експлуатації до 300 °C 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 прототипом. Вихід за вказані оптимальні межі вмісту елементів в сплаві збільшує його коефіцієнт теплового лінійного розширення при температурах експлуатації до 300 °C на 8 %, знижує твердість на 15…19 %, міцнісні та пластичні властивості на 9-28 %, обумовлюючи погіршення експлуатаційних властивостей навіть в порівнянні з прототипом. 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 у агресивних середах при підвищених температурах і динамічних навантаженнях, наприклад, в двигунах внутрішнього згорання, замість сплаву АК7ч. Передбачуваний значний економічний ефект пов'язаний з усуненням складного легування, оскільки рівень механічних властивостей пропонованого сплаву в литому стані знаходиться на рівні механічних властивостей сплаву АК7ч після термічної обробки. Таблиця 1 Хімічний склад відомого і запропонованого сплавів Сплав Запропонований Прототип Склад 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Вміст компонентів Стронцій Бор 0,09 0,045 0,06 0,03 0,08 0,04 0,10 0,05 0,08 0,04 0,10 0,05 0,10 0,05 0,05 0,025 0,07 0,035 0,05 0,025 0,10 0,05 Кремній Магній Титан 7 0,3 0,18 6 0,2 0,12 8 0,4 0,16 6 0,3 0,20 7 0,3 0,16 6 0,20 0,20 7 0,4 0,20 8 0,3 0,10 7 0,3 0,14 6 0,3 0,10 8 0,3 0,20 12 9,0 0,5 0,26 0,03 0.15 Марганець Алюміній 0,35 0,20 0,5 0,15 0,35 0,40 основа 0,35 0,35 0,20 0,35 0,35 0,1 %Со 0,1 %Zr Таблиця 2 Механічні властивості запропонованого і відомого сплавів в литому стані Найменування технічних і експлуатаційних властивостей і їх одиниці вимірювання 1. Межа міцності σв при 20 °C, МПа 2. Умовна межа текучості σ02 при 20 °C, МПа 3. Відносне стиснення 20С % при 20 °C ε , 4. Твердість НВ при 20 °C 1 2 5 6 7 8 9 419 407 430 414 445 428 425 405 426 416 432 384 315 310 322 310 325 320 330 309 319 307 325 301 62 56 63 65 58 55 54 61 65 63 52 108 106 118 107 116 112 115 115 110 109 113 105 3 10 11 Прототип 4 64 3 UA 104816 C2 Таблиця 2 Найменування технічних і експлуатаційних 1 2 3 4 5 6 7 властивостей і їх одиниці вимірювання 5. Повна ливарна 1,10 1,17 1.00 1,00 1,00 1,05 1.03 усадка % 6. Коефіцієнт теплового лінійного розширення в 23,0 23,5 22,7 23.4 22,5 23,2 22.8 інтервалі температур 6 (20-300 °C)°10 , град-1 2 2 7. Зміна маси, х10 , г/м 0,76 0,86 0,78 0,77 0,76 0,77 0,83 8 9 10 11 Прототип 1,05 1,06 1,18 1,03 1,19 22,9 22,8 23,6 22,5 23,8 0,89 0,87 0,85 0,84 0,9 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Ливарний сплав на основі алюмінію, що включає кремній, магній, марганець, титан, стронцій і бор, який відрізняється тим, що титан, стронцій і бор введені у співвідношенні між собою як 4:2:1 при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: кремній 6,5-7,5 магній 0,2-0,4 марганець 0,2- 0,5 титан 0,10-0,20 стронцій 0,05-0,10 бор 0,02-0,05 алюміній решта. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4