Ливарний сплав на основі алюмінію

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано в машиностроении при получении отливок поршней, например, автомобилестроении. Известен литейный поршневой сплав на основе алюминия [ГОСТ 1583-89], содержащий, мас.%: Кремний 11,0-13,0 Медь 1,5-3,0 Магний 0 ,8-1,3 Марганец 0,3-0,6 Титан 0,05-0,2 Никель 0,8-1,3 Цинк До 0,5 Железо До 0,8 Хром До 0 ,2 Алюминий Остальное Сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, жаропрочностью, но высоким коэффициентом теплового линейного расширения, низкой износостойкостью. Наиболее близким по технической сущности и результатам использования является сплав на основе алюминия [Хо хлев В.М. Производство литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, с. 14-15, табл. 7-8, "сплав ФРГ марки Mahle 138], содержащий, мас.%: Кремний 17,0-19,0 Медь · 0,8-1,3 Магний 0 ,8-1,3 Марганец До 0,2 Титан До 0,2 · Никель 0,8-1,3 Цинк До 0,2 Железо До 0.7 Алюминий Остальное Имея меньший коэффициент теплового линейного расширения, у него низкие износостойкость, жидкотекучесть, формозаполняемость, механические свойства при комнатной и повышенных температурах, пониженная коррозионная стойкость. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования литейного сплава на основе алюминия путем дополнительного 'введения хрома, циркония, фосфора и изменения при этом количественного состава остальных компонентов, что обеспечит более высокий технический результат, а именно: высокие износостойкость, жидкотекучесть, формозаполняемость, механические свойства при комнатной и повышенных температурах, коррозионную стойкость при близких коэффициенте теплового линейного расширения, линейной усадке. Задача решается тем, что известный литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, медь, магний, марганец, титан, никель, цинк и железо, дополнительно содержит хром, цирконий, фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%: Кремний 14,0-16.5 Медь 1,2-2,5 Магний 0 ,8-1,5 Марганец 0,5-1,3 Тиган 0,05-0,2 Никель 0,01-0,6 Цинк 0,01-0,5 Железо 0,7-1,6 Хром 0,01-0,2 Цирконий 0,01-0,4 Фосфор 0,03-0,1 Алюминий Остальное причем отношение суммарного содержания марганца и хрома к содержанию железа составляет (0,7-1): 1. Существенными признаками, общими для наиболее близкого и заявляемого сплавов являются наличие в них кремния, меди, магния, марганца, титана, никеля, цинка, железа. Заявляемый сплав отличается от прототипа наличием хрома 0,01-0,2%, циркония 0,01-0,4% и фосфора 0,03-0,1%, отношением суммарного содержания марганца и хрома к содержанию железа, которое составляет для заявляемого сплава (0,7-1): 1, Необходимость содержания в сплаве компонентов в выше указанных соотношениях обусловлена следующими обстоятельствами. Кремний - повышает жидкотекучесть. формозаполняемость, механические свойства, износостойкость. Для поршневых сплавов важен низкий температурный коэффициент линейного расширения и высокое сопротивление износу, обеспечиваемое твердыми частицами кремния. Основным аргументом, определившим содержание кремния в сплаве 14,0-16,5 мас.%, явился факт существенного изменения структуры алюминиевокремниевого расплава в этом интервале концентраций. Своеобразие структуры расплава при этом содержании кремния определило при затвердевании высокий уровень комплекса свойств, включающих коррозионную стойкость, твердость, предел прочности, линейное удлинение при комнатной и повышенных температурах, износостойкость, жидкотекучесть. При содержании кремния ниже 14,0% повышается коэффициент теплового линейного расширения, понижается твердость, износостойкость, жидкотекучесть, формозаполняемость. Увеличение содержания кремния выше 16,5% приводит к снижению пластичности, жаропрочности. Медь - обеспечивает прирост прочности при достаточно высоком уровне относительного удлинения. Благодаря упрочнению твердого раствора алюминия, медь является одним из основных компонентов поршневых сплавов, повышая их жаропрочность. При увеличении концентрации меди до 2,5% происходит увеличение предела прочности при температурах от комнатной до 300°С. Однако повышение концентрации меди свыше 2,5% снижает жидкотекучесть сплава, а образование фазы CuAI2 повышает склонность к "росту поршня", понижает его коррозионную стойкость. При содержании меди ниже 1,2% существенно снижается прочность, жаропрочность, повышается коэффициент теплового линейного расширения сплава. При концентрации меди в сплаве на уровне 1,2-2.5% наблюдается наиболее удачное сочетание прочности и пластичности. Магний - повышает прочностные свойства литейных алюминиевых сплавов в основном за счет выделения магнийсодержащих фаз Mg2Si и W(CuSi4MgAI) при старении, Оказывает нейтрализующее влияние на добавки железа, образуя фазу p(Fe Mg 3Si6 Al8) кристаллизационного происхождения, имеющую разветвленную морфологию. Для связывания железа в разветвленную фазу p содержание магний в спливе должно быть в пределах 0,8-1,5%. При этих концентрациях магния замена фазы b-FeSiAl5 на фазу p приводит к повышению предела прочности, твердости, линейного удлинения и кратковременной жаропрочности при 300°С, улучшению обрабатываемости резанием. При меньших концентрациях магния уменьшается временное сопротивление разрыву. При концентрации магния выше 1,5% существенно повышается коэффициент теплового линейного расширения, уменьшается относительное удлинение, жидкотекучесть. Титан - повышает коррозионную стойкость, уменьшает коэффициент теплового линейного расширения, измельчает макро-зерно и изменяет кинетику распада твердого раствора алюминия при старении. Увеличение энергии активации распада твердого раствора алюминия при введении в сплав титана связано с изменением несоответствия о расположении атомов в решетке матрицы и выделений. Атомы титана взаимодействуют с точечными дефектами, замедляя диффузию атомов, тем самым способствуя повышению жаропрочности. При содержании титана 0,05-0,2% достигаются максимально высокие прочность и пластичность. При концентрации титана менее 0,05% снижается прочность, повышается коэффициент теплового линейного расширения. При содержанки титана более 0,2% уменьшается жидкотекучесть, образуются интерметаллиды АІ2Ті пластинчатой иглоподобной формы, способствующие охрупчиванию сплава. Никель - способствует уменьшению коэффициента теплового линейного расширения, повышению жаропрочности, что обусловлено увеличением степени легированности твердого раствора алюминия и образованием в присутствии избытка кеди фазы Τ - AI6Cu3Ni разветвленной формы. Ее частицы располагаются по границам зерен твердого раствора, блокируют их, тем самым обеспечивая повышение жаропрочности. В то же время никель способствует значительному снижению коррозионной стойкости, отрицательно влияет на жидкотекучесть. Поэтому увеличение содержания никеля свыше 0,6% нецелесообразно. При уменьшении концентрации никеля до значений меньших, чем 0,01% его влияние на свойства сплава практически не сказывается. Цинк - повышает прочностные свойства исключительно за счет повышения степени легированноетвердого раствора так как каких-либо интерметаллидов с другими легирующими элементами он не образует, а следовательно, в процессах дисперсионного упрочнения при старении участия не при нимает. В некотором количестве растворяется в фазе b-(Fе,Мn,Cu)3Sі2 Аl5, при получении отливок кокильным литьем под давлением, а также при литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка), повышает жидкотекучесть, формозаполняемость. При содержании цынка менее 0,1% уменьшается коррозионная стойкость, прочность. При концентрации цинка более 0,5% понижается жаропрочность, увеличивается коэффициент теплового линейного расширения. Железо - уменьшает коэффициент теплового линейного расширения, повышает жаропрочность, предотвращает пригар отливок к стенкам пресс-форм, значительно повышает твердость алюминиевых сплавов. Влияние железа на структуру м свойства зависит не только от его содержания в сплаве, но и от качественного состава и количественного соотношения других компонентов. В зависимости от этого железо образует фазы b-FeSiAl 5, a(Fе,Mg,Cu)3Sі2 Аl15, p-FeMn 3Si 2 Al8. Первая имеет иглоподобную форму, является концентратором напряжений, ухудшая механические и коррозионные свойства сплава. Повышение износостойкости и жаропрочности происходит в результате образования разветвленных железосодержащих фаз a-(Fe,Mn,Cu)3Si2 AI15, p-Fe Mg 3SigAl 8 , которые способствуют армированию твердого раствора алюминия, блокированию границ его зерен. При содержании железа в сплаве 0,7-1,6% понижается коэффициент теплового линейного расширения. А содержание элементов компенсаторов (Уд, Mn, Cr) подобрано таким образом, чтобы максимально связать железо в интерметаплидные фазы а и ж. При увеличении содержании железа выше 1,3% при литье в кокиль и 1,6% -при жидкой штамповке понижается коррозионная стойкость, прочность, относительное удлинение. При концентрации железа менее 0,7% уменьшаются твердость, жаропрочность, износостойкость, жидкотекучесть увеличивается коэффициент теплового линейного расширения. Марганец - повышает износостойкость, жаропрочность. Наряду с облагораживанием формы выделений железистой составляющей, что благоприятно сказывается на прочностных характеристиках и пластичности сплава при комнатной и повышенных температурах, марганец является одним из наиболее эффективных элементов - компенсаторов железа. Он, как и магний, но в большей степени, изменяет морфологию железосодержащих фаз. Способствуе т формированию разветвленной фазы, которая в присутствии меди имеет состав a-(Fe,Mn,Cu)3Si2Al 15. Наиболее эффективное связывание железа в α-фаз у при содержании железа в сплаве 0,7-1,6% происходит при концентрации марганца 0,5-1,3%. При этом уменьшается объемная доля фазы b-FeSiAl 5, которая снижает коррозионную стойкость, пластичность, прочность. Часть марганца при литье в кокиль, жидкой штамповке, литье под давлением, как и меди, остается в твердом растворе алюминия сверх равновесной концентрации, повышая степень искаженности кристаллической решетки, а следовательно, и механических свойств сплава. Имея сравнительно малую скорость диффузии в алюминии (1 · 10 см/с при 500°С), марганец сохраняет свое положительное влияние на прочность сплавов даже при высоких температурах. Высокая жаропрочность сплавов, содержащих марганец, связана с тем, что распад пересыщенного твердого раствора марганца в алюминии идет очень медленно, т.к. коэффициент его диффузии во много раз меньше коэффициента диффузии других металлов (Zn, Mg, Cu). Кроме того, он замедляет скорость диффузии меди в алюминии, что также положительно сказывается на жаропрочности. При концентрации марганца меньшей, чем 0,5%, понижаются жаропрочность, коррозионные свойства, износостойкость, а при содержании марганца выше 1,3% увеличивается коэффициент теплового линейного расширения, уменьшается прочность, жидкотекучесть. Хром - уменьшает коэффициент теплового линейного расширения, аналогично марганцу влияет на жаропрочность силуминов. При использовании в качестве компенсатора марганца хром в количестве 0,010,2% облагораживает форму выделений железомарганцевой составляющей, " способствующей повышению жаропрочности, износостойкости. С другой стороны, хром входит в твердый раствор и, имея низкую скорость диффузии, остается в составе этого раствора при достаточно высокой температуре, изменяя не только жаропрочность, но и уменьшая коэффициент теплового линейного расширения. При содержании хрома ниже 0,01% он практически не влияет на формы роста железосодержащих фаз и свойств. При концентрации хрома выше 0,2% происходит огрубление выделений железосодержащей фазы а и, как следствие, понижение предела прочности и относительного удлинения, уменьшение жидкотекучести, формозаполняемости. Следовательно, большое влияние на комплекс физико-механических свойств сплава оказывают формы существования железосодержащих фаз, их состав и морфология, зависящие от концентрации железа и элементов-компенсаторов. Достаточно высокий уровень механических свойств, жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости, технологических свойств достигается при определенном соотношении суммарного содержания марганца и хрома к содержанию железа, которое должно составлять (0,7-1):1. При соблюдении этого соотношения в сплаве преобладают железосодержащие фазы разветвленной морфологии, способствующие повышению свойств сплава. При значении этого соотношения меньше 0,7:1 в стр уктуре сплава большой объем занимает фаза b-концентратор напряжений, которая резко снижает механические свойства. При увеличении соотношения более, чем 1:1, в сплаве увеличивается объемная доля крупных первичных кристаллов α-фазы, которые также снижают механические, коррозионные свойства. Цирконий - уменьшает коэффициент теплового линейного расширения, повышает коррозионную стойкость, положительно влияет на прочность, пластичность, жаропрочность. Это достигается за счет измельчения зерна и соответственно увеличения протяженности межзеренных границ, препятствующи х выравнивающей диффузии, разупрочняющей сплавы, усиливая действия добавок титана. При содержании циркония меньше, чем 0,01%, он практически не влияет на свойства силуминов, при более 0,4% понижается жидкотекучесть, в сплаве появляется интерметаллид AI3Zr иглоподобной формы, вследствие чего понижаются прочностные свойства. Фосфор - способствует повышению жидкотекучести, формозаполняемости, прочностных и пластичных свойств как при комнатной, так и повышенных температурах, износостойкости, улучшает обрабатываемость резанием, Его влияние на комплекс свойств, В основном, обусловлено модифицирующим воздействием на первичные кристаллы кремния и алюминиево-кремниевую эвтектику. При содержании фосфора менее 0,03% снижается износостойкость, жидкотекучесть, формозаполняемость, прочность сплава. Увеличение концентрации фосфора выше предела 0,1% нецелесообразно вследствие отсутствия эффекта повышения свойств сплава, а при введении больших добавок фосфора наблюдается явление перемодифицирования, огрубление структуры, рост размеров первичных кристаллов кремния, снижение прочности, жаропрочности, пластичности. При имеющимся у авторов сведениям предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующи х сущность предлагаемого изобретения, неизвестна из уровня техники. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "новизна". Сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из известного уровня техники, хотя введенные в заявляемое решение вещества известны. Однако их применение в те х соотношениях, которые известны, не обеспечивает сплаву такие свойства, которые они проявляют в заявляемом решении, а именно сочетание хороших физико-механических, технологических свойств с высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью. Таким образом, данный состав компонентов придает сплаву новые свойства, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия". Совокупность признаков, характеризующи х известные сплавы, не обеспечивает достижения новых свойств и только наличие отличительных признаков позволяет получить новые свойства, новый и более высокий технический результат, Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". Химический состав заявляемого и известного сплавов приведены в табл. 1, и х свойства в табл. 2. Для приготовления сплавов использовали следующие материалы: алюминий марки А7(ГОСТ 11069), кремний марки Кр1 (ГОСТ 2169). медь марки Ml (ГОСТ 859), цинк марки ЦІ (ГОСТ 3640), магний марки Мг90 (ГОСТ 804), титан ТГ-150(ГОСТ 17746), железо карбонильное (99,95%), цирконий электролитический (92,0%), хром марки Х99Б (ГОСТ 5905), никель марки,Н-0 (ГОСТ 849), марганец марки Мр1 (ГОСТ 6008), Си Ρ марки МФ1 (ГОСТ 4515). Из металлов выплавляли лигатуры: ΑΙ -55,7% Si, ΑΙ - 16,3%Fe, ΑΙ - 24,3%Μn, ΑΙ -5.2%ΤΙ, ΑΙ - 45,8%Сu, ΑΙ 25,1 %Ni, ΑΙ -5,5% Zr, Al- 10,4%Cr. Цинк и магний вводили в чистом виде, фосфор в виде соединения Сu3Р. Сплавы выплавляли в печи СШОЛ-1,1,6,12-МЗ-У4,2, которую разогревали до температуры 900°С. Приготовленные лига туры, взятые в соответствующи х пропорциях, а также алюминий марки А7 загружали в графитовый тигель и расплавляли. Понижали температуру до 800°С и вводили цинк и магний. Плавки вели под покровно-рафинирующим флюсом (50% NaCI, 34% KCI, 12% NaF, 4% NaAIF). После выдержки в печи в течение 15-20 мин расплав тщательно перемешивали и производили разливку. Наряду с первичными металлами, для выплавки сплавов были использованы лом и отходы алюминиевых сплавов VI—IX гр упп (ГОСТ 1639), содержащие цинк, магний, железо и другие легирующие элементы, которые вводили в количествах, обеспечивающих получение сплавов заданного состава в пересчете на чистые металлы. Определение всех свойств было продублировано на сплавах, выплавленных на основе сложнолегированного силумина, полученного в электротермическом цехе ОАО "ЗАлК", который имел следующий химический состав, мас.%: Si-14,0; Cu-0,25; Fe-1,28; Mn-1,2; Mg-0,06; Ni-0,02; Zn-0,06; Ti-0,28: Cr0,05; Zr-0,01. Расшихтовку до требуемых содержаний компонентов осуществляли с использованием выше указанных металлов и лигатур. Приготовление сплава-прототипа производили в аналогичных условиях по тем же технологиям. 20°C Ме ханические свойства: временное сопротивление разрыву при комнатной температуре s B (МПа) и относительное удлинение d20°С (%) определяли по ГОСТ 1497. Испытания проводили на разрывной .машине Р-5 на образцах диаметром 10 мм с литейной коркой, отлитых в металлический кокиль, подогретый до температуры 300°С. Скорость охлаждения сплавов составляла 2К/с. Временное сопротивление разрыву при 300°С - (МПа) и относительное удлинение при той же 300 °C температуре - s B (%) определяли по ГОСТ 9651 на машине 1231-УЮ на образцах, полученных по той же методике. Твердость сплавов (НВ) измеряли по ГОСТ 9012 на твердомере типа Бринелль модели ТШ-2М при комнатной температуре вдавливанием шарика диаметром 5 мм при нагрузке 250 кГс либо 10 мм при нагрузке 1000 кГс в течение 30 с (5/250/30, 10/1000/30). Испытания на износ проводили на машине СМЦ-2 без смазки (сухое трение) по схеме диск-колодка при трении скольжения в паре с чугуном СЧ21-42 (методика испытаний и расчетов описана в книге: И.В. Крагельский. Трение и износ. - М.: Машгиз, 1962, 332 с.) Величину износа (I) определяли по потере массы образца в процессе испытаний. Точность взвешивания составляла 0,0001 г. Жидкотекучесть оценивали по прутковой пробе Энглера (Engler S., Ellerbrock R. Uber das FormfuIlungsvermogen von Aiuminium-Silizium-Legierungen bei Kokillenguss. - Aluminium, 1975, 51, № 4, S, 281284) Погрешность измерений - 5%. Формозаполняемость сплавов определяли по пробе Энглера-Эллерброка по методике, описанной в выше приведенной статье. Погрешность определения - 3-5%. Линейную усадку определяли по комплексной пробе Нехендзи-Самарина (методика описана в книге Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. - М,: Наука, 1966, - 298 с.) Погрешность измерения линейной усадки не превышала 3%. Коэффициент линейного термического расширения (a) определяли калориметрическим методом. Эксперименты проводили на воздухе, в температурном интервале 20-400°С. Скорость нагрева составляла 6 К/мин, Погрешность измерения не превышала 2%. Испытания на атмосферную коррозию проводили по ГОСТ 17332, но общую коррозию по ГОСТ 9.017, Коррозионную стойкость оценивали по скорости коррозии К(г/м час), определяемой изменением массы образца во времени, а также по глубинному показателю коррозии Π (мм/год). Испытания показали, что предел прочности сплава - прототипа (сплав ФРГ марки Mahle 138) имеет более широкий диапазон изменения этого свойства в зависимости от 20°C вариаций его химического состава ( s B = 153-229 МПа), нежели приведенный в источнике информации о сплаве - прототипе [Хохлев В И. Производство литейных алюминиевых сплавов. М.: Ме таллургия, с. 14-15, табл. 7-8], а именно: 180-220 МПа Как следует изтабл. 2, заявляемый сплав при суммарном отношении (Mn+Cr):Fe=(0,7-1):1 обладает высокой прочностью, пластичностью, твердостью, жаропрочностью, износостойкостью, жидкотекучестью, формозаполняемостью, коррозионной стойкостью при близких значениях коэффициента теплового линейного расширения, линейной усадки. Достижение более высокого технического результата при использовании предложенного сплава по сравнению со сплавом-прототипом подтверждается повышением предела прочности при комнатной 20°C температуре ( s B ) в 1,3 р.; относительного удлинения при той же температуре (d20°С) в 2,3 р.; твердости 300°C (НВ) в 1,2 р.; кратковременной жаропрочности при 300°С ( s B )в 1,2 р.; относительного удлинения при 300°С (δ300°С) в 2,1 р.; износостойкости (J) в 1,3 р.; жидкотекучести в 1,14 р.; формозаполняемости в 1,17 р.; уменьшением скорости коррозии (К) в промышленной воздушной атмосфере в 2 р., при повышенной температуре и периодической конденсации влаги в 1,9 р.; уменьшением глубинного показателя коррозии (П) в промышленной воздушной атмосфере в 1,84 р., при повышенной температуре и конденсации влаги в 1,75 р. Предлагаемый сплав был разработан авторами в лаборатории рентгеноструктурно-го анализа кафедры металловедения Государственной металлургической академии Украины и апробирован в электротермическом цехе ОАО "ЗАлК". Предлагаемое изобретение может быть многократно воспроизведено и использовано для получения отливок поршней. Следовательно, изобретение соответствует критерию "промышленная применяемость".