Результат интеллектуальной деятельности: Литейный алюминиево-кальциевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении фасонных отливок различными методами литья в металлические формы, в частности в кокиль и под давлением.

Для получения отливок сложной формой требуются высокие литейные свойства, поэтому их, как правило, изготавливают из силуминов (сплавов на основе алюминиево-кремниевой эвтектики). В частности, широко используются сплавы типа АК12 (и зарубежные аналоги типа АА 413), содержащие около 12% Si (Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов - М.: МИСиС, 2005, 376 с). Недостатком этих сплавов является то, что их механические свойства сильно зависят от морфологии железистой фазы, которая в отсутствие модифицирующих добавок (в частности, марганца) имеет неблагоприятную иглообразную форму. Общим недостатком эвтектических силуминов являет то, что количество кремниевой фазы эвтектического происхождения не превышает 12 об. %. Поэтому для улучшения тех характеристик, которые зависят от количества второй фазы (в данной случае кремния), используют заэвтектические силумины (например, АК18). Последние менее технологичны при литье и имеют меньшую пластичность по сравнению с эвтектическими силуминами.

Известен метод получения эвтектического силумина АК12, раскрытый в патенте RU 2385783 (опубл. 10.04.2010 г., бюл.10). По данному способу в отливках, полученных методом литья под низким давлением реализована «структура, содержащая твердый раствор легирующих элементов в алюминии, модифицированную и немодифицированную эвтектики и железосодержащие фазы: Fe2SiAl8 - α-фаза, FeSiAl5 - β-фаза, концентрации которых составляют, в объемных %: твердый раствор легирующих элементов в алюминии 22±3, модифицированная эвтектика 70±5, немодифицированная эвтектика 8±2, а сумма железосодержащих фаз α и β - 0,7±0,2».

Данным способом получают фасонные отливки, обладающие следующими механическими свойствами на растяжение: σ_в=145-184 МПа, σ_0,2=78-97 МПа, δ=4-13,5%. Недостатком отливок, полученного по данному способу, является невысокие прочностные свойства. Кроме того, данный способ не устанет общий недостаток силуминов - малую объемную долю эвтектического кремния.

Наиболее близким к предлагаемому является эвтектический силумин, раскрытый в патенте RU 2576707 (публ. 10.01.2016, бюл. 7). Данный сплав «содержит, мас. %: кремний 10,0-13,0, магний не более 0,15, железо не более 0,5, марганец не более 0,5, элементы-модификаторы для измельчения эвтектики из ряда Sb, Sr, Na, K, Са в сумме не более 0,05, элементы-модификаторы для измельчения - твердого раствора из ряда Ti, В, Zr, Sc в сумме не более 0,12, алюминий - остальное, при соотношении железа к марганцу 1:1».

Технический результат данного изобретения заключается в повышении условного предела текучести, временного сопротивления разрыву и твердости.

Главным недостатком данного сплава является ограничение по содержанию железа. Кроме того, данный сплав сохраняет общий недостаток силуминов - малую объемную долю эвтектического кремния.

Технический результатом изобретения является создание нового алюминиевого сплава эвтектического типа, предназначенного для получения фасонных отливок различными методами литья в металлические формы, допускающего в своем составе не менее 0,8% Fe, и обладающим временным сопротивлением на разрыв (в литом состоянии) не менее 180 МПа и в котором суммарная объемная доля эвтектических фаз составляет не менее 20 об. %

Технический результат достигается тем, что литейный алюминиевый сплав на основе эвтектики, содержащей алюминий, кремний и железо, отличается тем, что он содержит в качестве основного эвтектико-образующего элемента кальций при следующем соотношении компонентов, масс. %:

В частных исполнениях сплав выполнен в виде отливок, полученных методами литья в кокиль и под давлением.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана микроструктура заявляемого сплава (состав 3 в табл. 1), СЭМ, на фиг. 2 показан общий вид и строение алюминиево-кальциевой эвтектики, карта распределения кальция, на фиг. 3 показана карта распределения железа.

Сущность изобретения состоит в следующем. Выбор кальция в качестве основного эвтектико-образуещего компонента обусловлен тем, что по объемной доле второй фазы алюминиево-кальциевая эвтектика почти в 3 раза превосходит алюминиево-кремниевую эвтектику. Из этого можно заключить, именно на основе системы Al-Ca можно создавать сплавы со структурой композиционных материалов, в которых доля второй фазы составляет 20-30 об. %.

Выбор концентраций кальция, кремния и железа обусловлен тем, чтобы все фазы, содержащие эти элементы (включая железо), вошли в состав эвтектики, имеющей тонко-дифференцированное строение. Иными словами, эвтектика должна иметь микроструктуру подобную микроструктуре модифицированных силуминов, но без использования специальных модификаторов (типа натрия, стронция и др.). Такое строение эвтектики предполагает возможность достижения достаточно высоких механических свойств в литом состоянии.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А5Е (ГОСТ 11069-2001), кремния марки Кр00 (ГОСТ 2169-69), металлического кальция (99,9%) и лигатуры Al-10% Fe. Заливку сплава осуществляли в стальную изложницу.

Из табл. 1 видно, что только в составах 2-4 обеспечивается наилучшие сочетание высокого содержания железа в сплаве, объемной доли фаз эвтектического происхождения и механических свойств на растяжение. Как видно из Фиг. 1а эвтектика имеет дисперсное строение. Кальций (Фиг 1б), железо (Фиг. 1в) и кремний полностью входят в состав этой эвтектики. Грубые включения вторых фаз отсутствуют. В сплаве 1 содержание железа и объемной доли эвтектических фаз ниже заданного уровня, а сплав 5 имеет пониженные механические свойства, что связано с наличием крупных первичных кристаллов Fe-содержащей фазы. В сплаве 6 (прототипе) содержание железа и объемной доли эвтектических фаз ниже заданного уровня.

ПРИМЕР 2.

Из сплава состава 3 (табл.1) были получены образцы методом литья под давлением. Сплав показал хорошую технологичность при литье данным методом. Результаты, приведенные в табл. 2, показывают, что заявляемый сплав в промышленной отливке обеспечивает заданное сочетание механических свойств.