ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к металлургии литейных сплавов на основе алюминия с повышенными технологическими и механическими свойствами, используемых в качестве конструкционных материалов в машиностроении и электротехнической промышленности.

Известен литейный сплав на основе алюминия (А.с. СССР №1803450, МПК C22C 21/04, 1993), содержащий, мас.%:

Известный сплав склонен к образованию газоусадочной пористости и обладает нестабильными пластическими и технологическими свойствами.

Известен также литейный сплав на основе алюминия (Патент РФ №2415193, МПК C22C 21/04, 2011), содержащий, мас.%:

Этот литейный сплав обладает низкой коррозийной стойкостью, имеет пониженную жидкотекучесть и недостаточную трещиностойкость. В стандартных технологических пробах на трещиностойкость при заливке в металлические формы образуются несколько трещин, имеющих общую длину до 14-20 см.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является литейный сплав на основе алюминия АЛ 30 (АК12ММгН) по ГОСТ 1583-93 следующего химического состава, мас.%:

При литье в кокиль отливки из известного сплава после закалки с температуры 520±5°C в воде и старения по режиму Т6 обладают следующими механическими и технологическими свойствами:

Недостатками известного литейного сплава на основе алюминия являются низкие характеристики коррозийной стойкости, трещиностойкости (11-15 см) и нестабильные технологические свойства.

Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости и технологических свойств.

Поставленная задача решается тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий кремний, медь, магний, никель, марганец, железо, хром, цинк, титан, свинец дополнительно содержит бор, церий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Дополнительное введение бора в литейный сплав в количестве 0,02-0,06 мас.% снижает газовыделение при кристаллизации, повышает дисперсность структуры, плотность, трещиностойкость и коррозионную стойкость отливок и предохраняет расплав от загорания. При содержании бора до 0,02 мас.% характеристики плотности, трещиностойкости и коррозионной стойкости недостаточны. При увеличении бора более 0,06 мас.% снижаются пластические и технологические свойства сплава.

Дополнительное введение церия в количестве 0,02-0,05 мас.% обусловлено высокой его модифицирующей и химической активностью, способностью кристаллизации структурных составляющих сплава в более компактной форме, что способствует повышению пластических, технологичнеких свойств и трещиностойкости. При содержании церия до 0,02 мас.% модифицирующий эффект недостаточен. При увеличении содержания церия более 0,06 мас.% повышается угар сплава и увеличивается газовыделение.

Дополнительное введение азота в количестве 0,02-0,05 мас.% обусловлено его рафинирующим влиянием, способностью очищать расплав от взвешенных оксидных (неметаллических) включений и образовывать дисперсные нитридные включения, что способствует повышению трещиностойкости и технологических свойств сплава в отливках. При концентрации азота до 0,02 мас.% количество нитридных включений и рафинирующий эффект не достаточны и технологические свойства отливок низкие. При увеличении содержания азота более 0,06 мас.% отмечается повышение угара магния и церия, что снижает пластические и технологические свойства сплава в отливках.

Для измельчения кристаллических зерен сплава в отливках, повышения плотности и коррозийной стойкости сплава содержание марганца в сплаве повышено до 0,3-1,2 мас.%. При увеличении содержания марганца более 1,2 мас.% снижаются характеристики трещиностойкости, пластических и технологических свойств. При концентрации марганца менее 0,3 мас.% плотность, коррозионная стойкость и прочностные свойства сплава недостаточны.

Повышение концентрации хрома до 0,3-0,5 мас.% обусловлено также существенным увеличением плотности и коррозионной стойкости сплава в отливках. При увеличении концентрации хрома более 0,5 мас.% снижаются литейные и пластические свойства. При снижении концентрации хрома менее 0,3 мас.% характеристики плотности, твердости и прочности недостаточны.

Содержание кремния (11-13 мас.%), меди (0,3-1,5 мас.%) и магния (0,8-1,3 мас.%) принято на основе практики производства термообрабатываемых отливок из литейных сплавов на основе системы Al-Si-Cu (алюминий-кремний-медь) с повышенной прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации.

Для измельчения зерна и повышения пластических и технологических свойств в сплав вводят 0,22-0,35 мас.% титана, 0,3-0,5 мас.% цинка, 0,02-0,21 мас.% свинца и 0,5-1,2 мас.% никеля. При увеличении их концентрации более верхних пределов снижаются характеристики трещиностойкости, плотности и твердости. При содержании их менее нижних пределов пластические свойства, коррозионная стойкость и технологические свойства недостаточны.

Введение железа (0,3-0,8 мас.%) способствует повышению коррозионной стойкости, твердости и прочности. В зависимости от содержания железа, марганца и церия в отливках образуются как игольчатые выделения типа Al-Fe-Si (алюминий-железо-кремний), снижающие трещиностойкость, пластические и технологические свойства, так и более дисперсные и компактные выделения типа (Al, Mn, Fe, Si, Ce), способствующие повышению пластических, технологических свойств и коррозионной стойкости. При концентрации железа менее 0,3 мас.% компактных выделений железистой составляющей не образуется и основными структурными составляющими сплава являются фазы S (Al₂CuMg) и Al₃(Ni,Cu)₂, которые снижают пластические свойства и трещиностойкость. При увеличении концентрации железа более 0,8 мас.% повышается содержание игольчатых выделений типа В (Al-Fe-Si), снижающих пластические свойства, трещиностойкость и обрабатываемость резанием на металлорежущих станках.

Опытные плавки литейных сплавов проводились в тигельных индукционных печах ИАТ-2,5. В качестве шихтовых материалов использовали чушки алюминиевого сплава АК12ММгН (50% от металлозавалки), возврат собственного производства из сплава АЛ30 (45% от металлозавалки) и легирующие и модифицирующие добавки (5% от металлозавалки). Медь и ферробор вводят в расплав при температуре 790-800°C, а церий и магниевую лигатуру - в конце плавки перед сливом расплава. Максимально допустимый перегрев расплава в печи - 860-880°C. Продувку расплавов азотом производят в миксерах (раздаточных печах) после рафинирования гексахлорэтаном и серой.

Разливку литейных сплавов производят в металлические формы после восстановления под шлаком в течение 10-15 минут для получения звездообразных технологических проб на трещиностойкость, стандартных технологических проб на жидкотекучесть, образцов и деталей.

В таблице 1 приведены химические составы сплавов опытных плавок.

В таблице 2 приведены механические и технологические свойства этих сплавов.

Как видно из таблицы 2 предложенный сплав обладает более высокими характеристиками механических свойств, трещиностойкости и технологических свойств.