Високоміцний ливарний сплав на основі алюмінію

Реферат: Винахід належить до кольорової металургії і може бути використаний при виготовленні деталей, які працюють в умовах значного навантаження в діапазоні температур до 150 °C. Високоміцний ливарний сплав на основі алюмінію містить, мас. %: магній 4,0-16,0; кремній 2,09,0; марганець 0,05-1,5; хром 0,05-0,5; титан 0,05-0,6; бор 0,005-0,05; цинк 1,0-8,0; принаймні один або декілька елементів, вибраних з групи, що включає: мідь 0,05-2,2; цирконій 0,05-0,5; скандій 0,01-0,6; алюміній - решта. UA 108965 C2 (12) UA 108965 C2 UA 108965 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до кольорової металургії і може бути використаний при виготовленні деталей, які працюють в умовах значного навантаження в діапазоні температур до 150 °C. В даний час одними з найбільш високоміцних сплавів, що знайшли застосування в промисловості, є сплави алюмінію на основі бінарної системи Al-Cu та сплави системи Al-ZnMg-Cu. Проте суттєвим недоліком цих типів сплавів є недостатньо високі ливарні властивості, що створює додаткові перепони на шляху їх використання при виготовленні деталей складної форми. Відомий сплав на основі алюмінію (патент Китаю № 102392157 (А), МПК B22D1/00; В62К11/02;С22С1/03; С22С1/06; С22С21/02; С22С21/08, опубл. 28.03.2012 p.), що має наступне співвідношення компонентів, мас. %: кремній (Si) 2,0-3,0 магній (Mg) 2,0-5,0 цинк (Zn) 0,5-1,0 марганець (Мn) 0,2-1,0 мідь (Сu) 0,3-0,7 алюміній (Аl), основа. Недоліком відомого сплаву є недостатньо високі механічні властивості, що обумовлено заявленим вмістом цинку та міді в ньому. Найбільш близьким за технічною суттю та результатом, що досягається, до сплаву, що заявляється, є ливарний сплав на основі алюмінію (патент України на винахід № 88857, МПК С22С 21/00, С22С 21/06, опубл. 25.11.2009 р., Бюл. № 22), що містить, мас. %: магній (Mg) 3,0-15,0 кремній (Si) 2,8-8,0 цирконій (Zr) 0,5-1,0 мідь (Сu) 0,1-2,0 марганець (Mn) 0,05-1,0 нікель (Ni) 0,05-1,5 титан (Ті) 0,05-1,0 бор (В) 0,05-1,0 хром (Сr) 0,05-1,0 скандій (Sc) 0,01-0,6 гафній (Hf) 0,01-0,6 ітрій (Y) 0,01-0,85 алюміній (Аl) основа. Спосіб термічної обробки відомого сплаву включає обробку зливків в печі опору, наприклад, при 300 °C впродовж 4 годин. Недоліком відомого сплаву є недостатньо високий рівень механічних властивостей при кімнатній температурі. В основу винаходу поставлено задачу розробити високоміцний ливарний сплав на основі алюмінію шляхом зміни кількісного та якісного складу сплаву на основі алюмінію, за рахунок чого досягаються високі механічні властивості сплаву в діапазоні температур до 150 °C при збереженні високих ливарних властивостей. Поставлена задача вирішується тим, що високоміцний ливарний сплав на основі алюмінію, що містить магній, кремній, марганець, хром, титан і бор, згідно з винаходом, додатково містить цинк і принаймні один або декілька елементів з групи, що включає мідь, цирконій, скандій, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: магній (Mg) 4,0-16,0 кремній (Si) 2,0-9,0 марганець (Мn) 0,05-1,5 хром (Сr) 0,05-0,5 титан (Ті) 0,05-0,6 бор (В) 0,005-0,05 цинк (Zn) 1,0-8,0 принаймні один або декілька елементів, вибраних з групи, що включає: мідь (Сu) 0,05-2,2 цирконій (Zr) 0,05-0,5 скандій (Sc) 0,01-0,6 алюміній (Аl) решта. Необхідність вмісту компонентів сплаву у вищезазначених межах обумовлена наступним. 1 UA 108965 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Магній та кремній сумісно з алюмінієм формують евтектичну структуру, що забезпечує поєднання високих механічних властивостей з високою рідкоплинністю. Сплав характеризується наявністю тонкодиференційованої структури, утвореної армуючою фазою (Mg2Si), яка розміщується в металічній матриці (α-Аl) у вигляді волокон або пластин. Концентраційні значення верхньої і нижньої меж введення цих елементів обумовлені особливостями фазових рівноваг в потрійній системі Al-Mg-Si. При вмісті магнію і кремнію в сплаві менше, відповідно, 4,0 мас. % та 2,0 мас. %, об'ємна частка евтектики за участю Mg2Si є недостатньою для отримання високих механічних та ливарних характеристик. При вмісті магнію і кремнію в сплаві, відповідно, більше 16,0 мас. % і 9,0 мас. % утворюється значна кількість крупних первинних кристалів Mg2Si, зменшується об'ємна частка евтектичної складової, що призводить до суттєвого окрихчування сплаву та погіршення його ливарних властивостей. Марганець та хром сприяють пригніченню рекристалізації в сплавах алюмінію, покращенню їх механічних властивостей та збільшенню стійкості до корозії, особливо це стосується сплавів з міддю. При вмісті марганцю чи хрому менше 0,05 мас. % їх вплив на міцність та корозійну стійкість сплаву є незначним, а при вмісті марганцю більше 1,5 мас. % та хрому більше 0,5 % в сплаві утворюються грубі кристали інтерметалідів складного складу, що призводить до окрихчування сплаву. Титан та бор є модифікаторами структури сплаву, їх введення сприяє підвищенню однорідності структури та зменшенню розміру зерна, досягненню оптимального співвідношення міцності та пластичності, а також покращенню зносостійкості сплаву. При зменшенні нижньої межі концентрації титану 0,05 % та бору 0,005 % модифікуюча дія цих елементів відсутня. Перевищення верхньої межі введення титану 0,6 % та бору 0,05 % призводить до виділення грубих кристалів складних сполук, що значно погіршує ливарні та пластичні характеристики сплаву. Цинк та мідь розчиняються в матриці сплаву, збільшуючи ступінь його легованості. З іншої сторони, при легуванні евтектичних сплавів цинком після відповідної термічної обробки в їх матриці при частковому розпаді пересиченого твердого розчину утворюються частинки зміцнюючих фаз за участі магнію, що не взаємодіють з евтектичними колоніями. Співвідношення Zn:Mg визначає склад цих фаз та ефект від їх введення. Здатність зміцнюючих фаз, які містять цинк, до коагуляції при високих температурах обмежує температурний інтервал застосування сплаву 150 °C. Якщо вміст цинку менше 0,1 % та міді менше 0,05 % вищезгадані ефекти не можуть бути отримані в достатній мірі. Якщо вміст цинку перевищує 8,0 % та міді 2,2 % суттєво знижується пластичність та корозійна стійкість сплаву. Введення в сплав принаймні одного або декількох елементів з групи, що включає мідь, скандій та цирконій у зазначених межах сприяє підвищенню механічних властивостей сплаву. Ефект впливу міді на міцність сплаву приблизно аналогічний ефекту від добавки такої ж кількості цинку. При надлишку у сплаві міді крім виділення додаткових фаз можуть утворюватись багатофазні евтектики, що підвищує крихкість сплаву, погіршує його рідкоплинність та сприяє збільшенню кількості і розміру усадочних пор. Мідь дещо зменшує схильність до корозійного розтріскування сплавів, зменшуючи корозійну стійкість під напругою. Цирконій аналогічно хрому сприяє підвищенню міцності та корозостійкості сплаву. Крім того, цирконій підвищує різальні властивості алюмінієвих сплавів. При вмісті цирконію більше 1,0 мас. % в сплаві утворюються крупні кристали інтерметаліду Al3Zr, що призводить до значного погіршення пластичних характеристик сплаву. Позитивний вплив скандію на властивості сплаву виявляється у збільшенні термічної стабільності структури, покращенні його зварюваності та зменшенні схильності до утворення гарячих тріщин. При одночасному введенні скандію та цирконію досягається додатковий зміцнюючий ефект за рахунок появи метастабільних та стабільних фаз, які утворюються при частковому розпаді пересиченого твердого розчину при кристалізації або високотемпературному нагріванні. При зниженні вмісту скандію в сплаві менше 0,01 мас. % об'ємна частка дисперсоїдів зміцнюючої фази за його участі є недостатньою для реалізації механізму дисперсійного зміцнення. При вмісті скандію в сплаві більше 0,6 мас. % утворюються крупні первинні кристали його алюмініду, що призводить до значного погіршення механічних властивостей сплаву. Запропонований винахід реалізується наступним чином. Виплавку дослідних зливків проводили в електричній печі опору або індукційній печі в тиглях з Аl2О3 на повітрі з використанням захисних флюсів (LiCl та LiF) у співвідношенні, відповідно, 3:1 або в захисному середовищі (Аr). Зливки виготовляли з чистих шихтових матеріалів та лігатур, виготовлених в індукційній печі, в печі опору або іншими методами. Послідовність завантаження компонентів шихти повинна попереджувати утворення грубих кристалів інтерметалідних фаз. 2 UA 108965 C2 5 10 15 20 25 Перед введенням кожного з компонентів розплав перемішували та витримували до повного розчинення попередніх компонентів. Температури плавлення та розливу зливків були в межах, відповідно, (700-750)°С та (680-720)°С. Після розчинення всіх компонентів розплав ретельно перемішували, рафінували інертним газом або спеціальними препаратами, знімали шлак та розливали в ливарні форми. Наявність більш ніж 30 об. % евтектики в сплаві забезпечує його високу рідкоплинність. Для забезпечення дисперсійного зміцнення проводили термічну обробку зливків сплаву, що включала гартування зливків у воді з температур 350-550 °C після попередньої їх витримки впродовж 1-2 годин з наступним відпалом при температурі 100-170 °C впродовж 20-24 годин. Після термічної обробки виготовляли зразки сплаву для визначення механічних властивостей на розтяг. Запропонований винахід перевіряли наступним чином. Приклад 1. Виплавляли сплав на основі алюмінію, що містить, мас. %: магній (Mg) 7,0-9,0 кремній (Si) 2,72-3,0 марганець (Мn) 0,38-0,5 хром (Сr) 0,05-0,2 титан (Ті) 0,05-0,2 бор (В) 0,01-0,04 цинк (Zn) 3,5-4,5 алюміній (Аl) основа. Виплавку зливків вагою 200 г проводили в електричній печі опору в тиглях з Аl2О3 на повітрі з використанням захисного флюсу. Отримані зливки сплаву піддавали термічній обробці, що включала гартування зливків у воді з температури 440 °C після попередньої їх витримки впродовж 1 години та наступний відпал при температурі 120 °C впродовж 20 годин. Механічні випробування на розтяг проводили на установці типу "INSTRON". Зразок витримували без навантаження 0,5 години (час стабілізації) при температурі випробування з -3 -1 наступним навантаженням його до руйнування. Швидкість навантаження складала 10 с , діаметр робочої частини зразка - 3 мм, довжина його робочої частини - 18 мм. Сплав має наступні властивості при температурі 20 °C: межа міцності (σ*в), МПа 360-410 межа плинності (σ0,2), МПа 265-354 відносне подовження (δ), % 1,1-1,9. Приклад 2. Виплавляли сплав на основі алюмінію, що містить, мас. %: магній (Mg) 8,0-10,0 кремній (Si) 2,8-3,1 марганець (Мn) 0,8-1,0 хром (Сr) 0,05-0,2 титан (Ті) 0,01-0,04 бор (В) 0,005-0,05 цинк (Zn) 4,0-5,0 мідь (Сu) 0,4-0,7 цирконій (Zr) 0,08-0,15 скандій (Sc) 0,15-0,3 алюміній (Аl) основа. Сплав було виплавлено, як в Прикладі 1. Отримані зливки сплаву піддавали термічній обробці, що включала гартування зливків у воді з температури 520 °C після попередньої їх витримки впродовж 1 години та наступний відпал при температурі 120 °C впродовж 20 годин. Сплав має наступні властивості при температурі 20 °C: межа міцності (σв), МПа 500-520 межа плинності (σ0,2), МПа 430-450 відносне подовження (δ), % 1,90-3,0. Приклад 3. Виплавляли сплав на основі алюмінію, що містить, мас. %: магній (Mg) 8,0-9,0 кремній (Si) 3,2-5,0 марганець (Мn) 0,8-1,0 хром (Сr) 0,05-0,2 титан (Ті) 0,01-0,04 бор (В) 0,005-0,05 цинк (Zn) 6,0-7,0 3 UA 108965 C2 5 цирконій (Zr) 0,08-0,15 скандій (Sc) 0,15-0,3 алюміній (Al) основа. Сплав було виплавлено, як в Прикладі 1. Отримані зливки сплаву піддавали термічній обробці, що включала гартування зливків у воді з температури 440 °C після попередньої їх витримки впродовж 2 годин та наступний відпал при температурі 120 С впродовж 24 годин. Сплав має наступні властивості при температурі 150 °C: межа міцності (σв), МПа 430-440 межа плинності (σ0,2), МПа 420-430 відносне подовження (δ), % 0,2-0,3. Винахід можна застосовувати для виготовлення деталей складної форми як у лабораторних, так і в промислових умовах. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Високоміцний ливарний сплав на основі алюмінію, що містить магній, кремній, марганець, хром, титан і бор, який відрізняється тим, що він додатково містить цинк і принаймні один або декілька елементів з групи, що включає мідь, цирконій, скандій при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: магній 4,0-16,0 кремній 2,0-9,0 марганець 0,05-1,5 хром 0,05-0,5 титан 0,05-0,6 бор 0,005-0,05 цинк 1,0-8,0 принаймні один або декілька елементів, вибраних з групи, що включає: мідь 0,05-2,2 цирконій 0,05-0,5 скандій 0,01-0,6 алюміній решта. 15 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4