Результат интеллектуальной деятельности: Коррозионностойкий литейный алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде при температурах до 300-350°С, в том числе деталей автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.), деталей судостроения, водозаборной арматуры, радиаторов отопления и др.

Одним из недостатков марочных алюминиевых сплавов является то, что технология получения из них отливок требует полной термообработки, включающей в себя операцию закалки. Это удорожает их стоимость и нередко приводит к появлению нежелательного брака, в частности, к нестабильности размеров. Следует также отметить, что сплавы типа АМ5 имеют очень низкие литейные свойства, что затрудняет получение из них тонкостенных отливок сложной формы [Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов - М.: МИСиС, 2005, 376 с]. Сплавы типа АМ5, как и другие медь-содержащие сплавы, характеризуются пониженной коррозионной стойкостью.

Для устранения недостатков, свойственных сплавам типа АМ5, в работе [Belov N.A. “Principles of Optimising the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminium Alloys Using Transition Metals” Journal of Advanced Materials, 1994 1 (4), p. 321-329] было предложено создавать термостойкие сплавы на базе эвтектики (Al)+Al₃Ni за счет легирования никелем и другими переходными металлами (Mn, Zr, Cr, Sc, V и т.д.). Сконструированные таким образом сплавы ориентированы на традиционные литейные технологии и имеющееся оборудование, технологический цикл получения из них готовых деталей намного короче по сравнению с марочными сплавами на базе системы Al-Cu (в частности, отсутствует операция закалки). Этот подход нашел отражение в ряде патентов. В частности, в патенте РФ №2001145 (бюл. 37-38 от 15.10.1993, МИСиС) заявлен сплав на основе алюминия, содержащий 3-6,5% Ni, 0,5-2% Mn, 0,2-0,8% Sc и 0,05-0,3% Zr. Данный сплав обладает превосходными литейными свойствами и более высокой жаропрочностью при 300-350°С по сравнению со сплавами типа АМ5. На базе эвтектики (Al)+Al₃M было разработано несколько экспериментальных сплавов (они получали название никалины), которые успешно прошли опытно-промышленное опробование в условиях ОАО «ИЛ» и ОАО «ВАСО» [Белов Н.А., Золоторевский B.C. «Литейные сплавы на основе алюминиево-никелевой эвтектики (никалины) как возможная альтернатива силуминам», Цветные металлы, 2003, №2, С. 99-105]. Недостатком этих сплавов является высокое содержание никеля, что отрицательно сказывается на их коррозионной стойкости. Вторым недостатком является строгое ограничение по предельно допустимому содержанию железа, т.е. для их производства требуется алюминий высокой чистоты, что также приводит к удорожанию отливок.

Известен сплав, раскрытый в патенте US 2004/0261916 F1 (публ. 30.12.2004, патентовладелец: Alcoa Inc.). Данный сплав, предназначенный для получения фасонных отливок различными методами литья, содержит (масс. %): 0,5-6% Ni, 1-3% Mn, до 1% Zr, до 0,6% Sc. В частных пунктах этого патента заявлены наиболее предпочтительные концентрации легирующих элементов: ~4% Ni, ~2% Mn, ~0,6% Zr, (или ~ 0,3% Sc). Основным недостатком этого сплава является неэкономный состав: высокое содержание никеля и отсутствие среди легирующих компонентов железа. Это препятствует использованию лома отходов для его производства. Следует также отметить, что повышенное содержание никеля отрицательно сказывается на их коррозионной стойкости.

Наиболее близким сплавом к предложенному является сплав, раскрытый в патенте РФ №2478131 (публ. 27.03.2013, бюл. №9). Сплав, предназначенный для получения отливок, содержит (мас. %): 1,5-2,5 Ni; 1-2 Mn; 0,3-0,7 Fe, 0,2-0,6 Zr, 0,02-0,12 Sc, 0,002-0,1 Се при содержании циркония и скандия, удовлетворяющем условию 0,44<2⋅C_Zr+C_sc<0,64, причем цирконий и скандий присутствуют в структуре сплава в виде фазы Al₃(Zr,Sc) с кристаллической решеткой L1₂ и средним размером наночастиц не более 20 нм. Техническим результатом является создание нового литейного экономнолегированного термостойкого сплава. Сплав обладает высокими литейными свойствами, что обусловлено наличием в его составе никеля в качестве основного эвтектико-образующего элемента. Снижение концентрации никеля по сравнению со сплавом, приведенным в патенте US 2004/0261916, улучшает коррозионную стойкость. Однако она, тем не менее, остается недостаточно высокой. Еще одним недостатком сплава-прототипа является то, что он имеет строгое ограничение по примеси кремния и для нейтрализации вредного влияния этого элемента на горячеломкость он дополнительно содержит церий.

Техническим результатом изобретения является создание нового термостойкого сплава на основе алюминия, предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы и обладающего повышенной коррозионной стойкостью по сравнению со сплавом-прототипом, а также допускающего в своем составе до 0,5% кремния

Технический результат достигается тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий железо, марганец, цирконий и скандий, отличается тем, что он дополнительно содержит кальций и кремний при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана морфология алюминиево-кальциевой эвтектики в заявляемом сплаве состава №3 в литом состоянии (табл. 1), СЭМ, на фиг. 2 показаны вторичные выделения фазы Al₆Mn в заявляемом сплаве состава №3 после отжига (табл. 1), ПЭМ, на фиг. 3 изображены наночастицы фазы Al₃(Zr,Sc) (кристаллическая решетка L1₂) в заявляемом сплаве состава №3 после отжига (табл. 1), ПЭМ, темнопольное изображение в рефлексах фазы L1₂, на фиг. 4 изображены отливки «Арфа», полученная из заявляемого сплава состава №3 (а) и прототипа состава №7 (б), см. табл. 1

Сущность изобретения состоит в следующем.

Кальций выполняет функцию основного эвтектико-образующего элемента, что позволяет сохранить высокие литейные свойства на уровне сплава-прототипа и при этом повысить коррозионную стойкость.

Железо и кремний в заявленных пределах позволяют повысить дисперсность алюминиево-кальциевой эвтектики (Фиг. 1). Другими словами, эти элементы выполняют функцию модификаторов эвтектики, что благоприятно для механических свойств.

Концентрация марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств. После термообработки марганец присутствует в структуре в виде вторичных выделений фазы Al₆Mn, типичный размер которых составляет 100-500 мкм (Фиг. 2).

Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al₃(Zr,Sc) с решеткой L1₂ (Фиг. 3)

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1 (№№1-6). Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе первичного алюминия марки А85. Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ 1583-93. Эти образцы подвергали отжигу в муфельной электропечи сплавы 1-5 по следующему режиму: 300°С, 3 часа + 400°С, 3. часа. После отжига образцы выдерживали в водном растворе 3% NaCl+0,3% H₂O₂, в течение 3 суток.

Механические свойства (временное сопротивление-σ_в, условный предел текучести-σ_0,2 и относительное удлинение-δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84.

Из табл. 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фаз Al₆Mn и Al₃(Zr,Sc). Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с наличием первичных кристаллов интерметаллидов. Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по механическим свойствам, что обусловлено наличием никеля, который ухудшает коррозионную стойкость.

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава №4 и сплава-прототипа №7, содержащим аналогичное количество кремния (см. табл. 1) были залиты по 5 отливок «Арфа». Отливки, полученная из заявленного сплава, не содержали трещин и других видимых литейных дефектов (Фиг. 4а), в то время как отливки из сплава состава №7 были с явными признаками горячеломкости (Фиг. 4,).