Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150°С: детали летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, ракет), автомобилей и других транспортных средств (в том числе: велосипедов, самокатов, тележек), детали спортинвентаря и др.

Наиболее прочные деформируемые алюминиевые сплавы типа В95 (σ_в=500-600 МПа) относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu (Промышленные алюминиевые сплавы /Справ. изд./ Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М.: Металлургия, 1984, 528 с.). Они имеют низкие литейные свойства, поэтому эти сплавы практически не используются для получения фасонных отливок.

Известен сплав на основе алюминиево-никелевой эвтектики и способ получения из него отливок (патент RU 2158780 от 10.11.2000 г.). Данный сплав содержит матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с равномерно распределенными в матрице частицами алюминидов никеля кристаллизационного происхождения и равномерно распределенными в матрице частицами, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об. % материала. Из этого сплава можно получать отливки с улучшенными литейными свойствами за счет добавки никеля, который образует алюминиды эвтектического происхождения. Недостатком данного сплава является то, что для его приготовления необходим алюминий высокой чистоты, что существенно повышает его стоимость, а также увеличивает процент брака (из-за возможного попадания железа в расплав в процессе его приготовления).

Наиболее близким к предложенному является способ получения сплава на основе алюминия, раскрытый в патенте RU 2484168 (опубл. 10.06.2013, бюл. №16). Данный сплав на основе алюминия, содержащий, цинк, магний, никель, железо, цирконий и медь, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем количестве, мас. %:

Известный сплав может быть выполнен в виде отливок, в которых достигаются следующие свойства на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%. Способ получения отливок из данного сплава включает его выплавку в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А5Е (99,5%), цинка марки Ц0 (99,9%), магния марки Мг90 (99,9%), меди марки M1 (99,9%) и лигатур Al-Ni, Al-Fe и Al-Zr.

Высокие механические свойства сплава достигаются за счет реализации структуры, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными частицами вторичных выделений и равномерно распределенными в матрице относительно глобулярными частицами фазы Al₉FeNi эвтектического происхождения. Техническим результатом является создание нового экономнолегированного высокопрочного сплава, предназначенного для получения фасонных отливок.

Недостатком известного способа является необходимость введения железа из лигатуры Al-Fe, что увеличивает время приготовления расплава. Второй недостаток состоит в том, что расплав готовят на основе марочного первичного алюминия (в частности, марки А5Е), что обусловливает относительно высокую стоимость отливок. Кроме того, известный способ не позволяет обеспечить следующие механические свойства на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 500 МПа, предел текучести (σ_0,2) – не менее 450 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.

Техническим результатом является создание нового способа получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия, содержащего цинк, магний, никель, железо, медь и цирконий, который не требует введения в расплав лигатуры Al-Fe и обеспечивает в отливках следующие механические свойства на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 500 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 450 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия включает приготовление расплава, содержащего цинк, магний, медь, никель и железо, термообработку отливок, приводящую к формированию структуры, состоящей из дисперсионно упрочненной алюминиевой матрицы и компактных частиц фазы Al₉FeNi. Расплав готовят на основе алюминия, содержащего железо, производимого по технологии электролиза с инертным анодом, при этом концентрацию легирующих элементов, режимы литья отливок и термообработки выбирают так, чтобы получить в отливке структуру с размером дендритной ячейки алюминиевой матрицы не более 30 мкм и ее микротвердостью не менее 170 HV.

Отливки получают литьем в кокиль, затем их гомогенизируют, подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) и упрочняющей термообработке, включающей закалку и старение, со следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 500 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 450 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.

Отливки получают методом литья с кристаллизацией под давлением.

Концентрация легирующих элементов сплава на основе алюминия, произведенного по технологии электролиза с инертным анодом, принадлежит следующим диапазонам, мас. %:

Цинк - 6,3-7,5,

Магний - 2,1-2,8,

Медь - 0,2-0,35,

Никель - 0,6-0,7,

Железо - 0,45-0,55.

Отливки могут быть также получены литьем с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана отливка из алюминиевого сплава, полученная литьем в кокиль (пример 1), на фиг. 2 показана микроструктура отливки, полученной литьем в кокиль и термообработкой по режиму 2 (пример 1), на фиг. 3 показаны отливки из алюминиевого сплава, полученные литьем с кристаллизацией под давлением (пример 3).

Сущность изобретения состоит в следующем.

Приготовление расплава на основе алюминия, производимого по технологии электролиза с инертным анодом (ЭИА), позволяет исключить операцию введения в расплав лигатуры Al-Fe, поскольку железо в требуемом количестве уже содержится в алюминии ЭИА. Кроме того, использование алюминия ЭИА вместо марочного первичного алюминия позволяет снизить стоимость отливок. Введение оптимального количества никеля позволяет получить в структуре отливок компактные частицы фазы Al₉FeNi, что благоприятно сказывается на пластичности.

В процессе литья формируется структура, состоящая из первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора со средним размером дендритной ячейки (d) не более 30 мкм и эвтектических частиц фаз Al₉FeNi и Т (Al₂Mg₃Zn₃). Эти частицы располагаются по границам дендритных ячеек, поэтому их размер зависит от величины d. В процессе термической обработки происходит растворение эвтектических частиц фазы Т в алюминиевом твердом растворе, формирование глобулярных частиц фаз Al₉FeNi и на последней стадии (старении) выделение из алюминиевого твердого раствора наноразмерных частиц метастабильных фаз, которые вносят основной вклад в упрочнение. Таким образом на месте алюминиевого твердого раствора формируется алюминиевая матрица с наноразмерными частицами. Величина d при этом практически не меняется.

Ограничение по максимальному среднему размеру дендритной ячейки алюминиевой матрицы (не более 30 мкм) позволяет обеспечить формирование достаточно дисперсных частиц фазы Al₉FeNi, что положительно сказывается на механических свойствах, прежде всего пластичности. Ограничение по минимальному значению микротвердости алюминиевой матрицы (не менее 170 HV) позволяет обеспечить требуемую прочность (не менее 500 МПа) в отливке.

Использование операции ГИП для кокильных отливок и получение отливок методом литьем с кристаллизацией под давлением позволяет резко снизить литейную пористость, что благоприятно сказывается на всем комплексе механических свойств.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены отливки сплава, расчетный состав которого приведен ниже, масс. %: 6,3% Zn, 2,8% Mg, 0,6% Ni, 0,55% Fe, 0,2% Cu, основа Al (Сплав 1).

Сплав (в количестве 4 кг на один способ) готовили из алюминия марки А85 (ГОСТ 11069-2001) и алюминия, произведенного по технологии электролиза с инертным анодом в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях. Легирующие элементы вводили в чистом виде (цинк, магний, медь) и в виде лигатур (Al-Ni, Al-Fe). Время приготовления (т.е. достижения расчетного химического состава) определяли отбором проб из расплава, которые делали каждые 5 мин, и последующим анализом химического состава на спектрометре ARL4460.

Литье отливок производилось в стальную форму, приведенную в ГОСТ 1583-93 (рис. 4. с. 33). Отливки (фиг. 1) термообрабатывали по двум режимам:

1 - Т6 (отжиг, закалка в воде и старение на максимальное упрочнение);

2 - Специальный режим (гомогенизирующий отжиг, ГИП, отжиг, закалка в воде, старение).

Были выполнены 5 способов получения отливок, которые приведены в табл. 1.

Механические свойства определяли на цилиндрических образцах, вырезанных из отливок, по ГОСТ 1497-84.

Как видно из табл. 1, при использовании одного марочного алюминия (способ 1) время приготовления расплава максимально. При использовании равных количеств алюминия А85 и ИЭА (способы 2 и 4) это время снижается, а при использовании только одного алюминия ИЭА (способы 3 и 5) оно минимально. Из табл. 2 видно, что при использовании режима термообработки 1 (способы 1-3) относительное удлинение меньше 5%. При использовании режима термообработки 2 (способы 4 и 5) достигается требуемый уровень механических свойств. Этот уровень обеспечивается структурой, которая состоит из дисперсионно упрочненной (наночастицами) алюминиевой матрицы и равномерно распределенных в ней компактных частиц фазы Al₉FeNi эвтектического происхождения (фиг. 2).

ПРИМЕР 2.

Из сплава состава, масс. %: 7,5% Zn, 2,1% Mg, 0,8% Ni, 0,7% Fe, 0,35% Cu, основа Al (Сплав 2), получали отливки литьем в стальную форму, подогретую до разных температур. Остальные параметры плавки соответствовали способу 5 в примере 1 (см. табл. 1). Отливки были термообработаны по режиму 2. Подогрев стальной формы до разных температур позволил получить структуру с разным размером d. Как видно из табл. 3, способы 2 и 3, приводящие к огрублению структуры (значение d выше 30 мкм), не позволяют получить в отливке требуемые механические свойства.

ПРИМЕР 3.

Из сплавов того же состава, что и в примерах 1 и 2, были приготовлены отливки методом литья с кристаллизацией под давлением (фиг. 3). Остальные параметры плавки соответствовали способу 3 в примере 1 (см. табл. 1). Отливки были термообработаны по режиму 1, далее из них были вырезаны образцы для испытания на разрыв. Как видно из табл. 4, в отливках, полученных по данному способу, достигается требуемый комплекс механических свойств.