Результат интеллектуальной деятельности: Заэвтектический деформируемый алюминиевый сплав

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в условиях износа и повышенных температур до 300-350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпуса водяных насосов, впускные трубы и др.), детали судостроения, водозаборной арматуры, радиаторов отопления и др.

В промышленности широко используются заэвтекические силумины типа АК18 [Haizhi Ye. An overview of the development of Al-Si-Alloy Based Material for Engine Applications Haizhi. Journal of Materials Engineering and Performance. 2003;12(3):288-297. DOI: 10.1361/105994903770343132.]) для производства деталей двигателей внутреннего сгорания, в основном, поршней. Это недорогой материал с низкой плотностью, высокой износостойкостью и невысоким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).

Недостатком марочных заэвтектических алюминиевых сплавов типа АК18 является их низкая пластичность, связанная с повышенной долей крупных хрупких кристаллов первичного и эвтектического кремния [Золоторевский B.C., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов - М.: МИСиС, 2005, 376 с.]., что вызывает необходимость модифицирования сплавов этого типа при выплавке [Zhang, H-h.; Duan, Η.; Shao, G.; Xu, L. Microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloy modified with Cu-P. Rare Met. 2008, Volume 27, 1, 59-63.]. Еще одним недостатком заэвтектических силуминов является необходимость проведения полного цикла термической обработки, включая закалку, для их упрочнения. Это удорожает стоимость изделий и нередко приводит к появлению нежелательного брака, в частности, к нестабильности размеров.

Известен быстрозакристаллизованный сплав на основе алюминия (RU 2468105 С1, опублик. 27.11.2012 г.), предназначенный для изготовления поршней, содержащий 16.0-19,5% Si, 3,0-5,0% Cu, 0,7-1,2% Mg, 0,3-0,7% Mn, 0,9-1,5% Fe, 0,2-0,5% Ti, 0,15-0,4% Zr, до 1,3% Ni, 0,01-0,3% Al₂O₃ и 0,001-0,005% Ce. Сплав за счет диспергированной структуры и высокого содержания марганца, титана, циркония имеет более высокие прочность и износостойкость, по сравнению с АК18.

Недостатком этого сплава является сложность изготовления и потребность в нестандартном оборудовании (высокая себестоимость продукции).

Для устранения недостатков, присущих силуминам и быстрозакристаллизованным сплавам, в работе [Наумова Е.А, Базлова Т.А., Алексеева Е.В. «Эвтектические сплавы на основе системы Al-Са с добавкой скандия как возможная альтернатива термически упрочняемых силуминам», Цветные металлы, 2015, №10, С. 29-33] было предложено создавать литейные и деформируемые сплавы на базе эвтектики [(Al)+Al₄Ca], легированные кальцием, а также традиционными легирующими элементами (Mn, Mg, Fe, Si, Zr, Sc и др.). Сконструированные таким образом сплавы ориентированы на традиционные литейные и деформационные технологии и имеющееся оборудование, технологический цикл получения из них готовых деталей намного короче по сравнению с марочными сплавами на базе системы Al-Si (в частности, отсутствует операция закалки). Этот подход нашел отражение в ряде патентов.

Наиболее близким к предлагаемому является деформируемый алюминиево-кальциевый сплав (RU 2699422 С1, опублик. 05.09.2019 г.), который содержит, мас. %: 2,0-2,6 Са; 1,5-2,5 Mg; 0,4-0,6 Fe, 0,3-0,5 Si, 0,8-1,2 Μn, 0,10-0,15 Zr, 0,08-0,12 Sc, остальное - алюминий (далее сплав-прототип). Данный сплав имеет превосходные литейные свойства и хорошую технологичность при обработке давлением, за счет тонкой структуры «эвтектического композита» уровня дисперсности быстрозакристаллизованных сплавов.

Недостатком этого сплава является наличие дорогостоящих циркония и скандия и недостаточно высокое количество интерметаллидной фазы для обеспечения низкого ТКЛР (термического коэффициента линейного расширения) и износостойкости, что необходимо при создании сплавов для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания.

Техническим результатом изобретения является создание нового заэвтектического сплава на основе алюминия, предназначенного для получения деформированных полуфабрикатов и обладающего сопоставимой пластичностью и пониженным ТКЛР, а также допускающего в своем составе до 5-8% первичных кристаллов Al₁₀CaMn₂.

Технический результат достигается следующим образом.

Деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий кальций и марганец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующих концентрациях компонентов, мас. %:

и характеризующийся структурой, содержащей алюминиево-кальциевую эвтектику в качестве основы и первичные кристаллы кальцийсодержащей фазы компактной формы со средним размером не более 30 мкм в количестве от 5 до 8 об. %.

Сплав данного состава может быть выполнен в виде листов, обладающих в исходном состоянии (т.е. без термической обработки) следующими механическими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 250 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 6%, ТКЛР (20-100°С) не выше 20,50 x 10⁶1/°С.

Сплав данного состава может быть выполнен в виде прутков, обладающих в исходном состоянии (т.е. без термической обработки) следующими механическими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 230 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%, ТКЛР (20-100°С) не выше 20,50 x 10⁶ 1/°С.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Кальций позволяет связать марганец и никель в тройные соединения, которые обладают благоприятной компактной морфологией и не оказывает отрицательного влияния на механические свойства (в частности, пластичность). Эти кристаллы компактной формы, размерами не более 20 мкм равномерно распределены в тонкодисперсной эвтектической матрице, включающей фазы: (Al), Al₄Ca. Al₁₀CaMn₂ и Al₉CaNi. Общая объемная доля интерметаллидов в сплаве превышает 40% и обеспечивает значения ТКЛР сопоставимые со сплавом АК18, прочность и пластичность в термически не обработанном состоянии выше, чем у АК18. Прочность ниже, чем у сплава-прототипа, упрочненного дорогостоящими добавками Sc и Zr, но есть преимущество в значении ТКЛР (у сплава-прототипа ТКЛР (20-100)°С не менее 22,5 x 10⁶ 1/°С). Пластичность сплава сопоставима с пластичностью сплава-прототипа (относительное удлинение 7,3%).

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показаны деформированные полуфабрикаты, изготовленные из заявляемого сплава состава №3: листовой прокат сплава Al8Ca2Mn1Ni и микрофотографии структуры листов из сплава Al8Ca2Mn1Ni; на фиг. 2 - прутки из сплава Al8Ca2Mn1Ni и фотографии микроструктуры прутков из Al8Ca2Mn1Ni.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитовых тиглях на основе первичного алюминия марки А99. Из этих сплавов готовили плоские слитки, из которых на прокатном стане получали листы толщиной 2 мм (Фиг. 1). Механические свойства (временное сопротивление - σ_в и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. ТКЛР оценивали с помощью закалочно-деформационного дилатометра DIL805A/D в интервале температур 20-550°С, скорость нагрева 5°С /мин.

Из табл. 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2 и 3) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления и относительного удлинения. В сплаве 1 прочность ниже требуемого уровня, а у сплава 4 ниже пластичность. Образцы из сплава 5 разрушились в процессе прокатки. Это связано с наличием в структуре высокой доли хрупкой фазы Al9CaNi, по границам которой происходит разрушение образцов. В сплаве АК18 разрушение при прокатке образцов произошло по границам первичных кристаллов кремния. В сплаве 3 заметно преобладают кристаллы соединения Al₁₀CaMn₂, прочность которого сопоставима с прочностью окружающей эвтектической матрицы, разрушение проходит по телу этих кристаллов и носит, в основном, вязкий характер. Сплавы 1-4 имеют значения ТКЛР сопоставимые со значением ТКЛР заэвтектического силумина АК18 (20,48 x 10^-6 1/°С), а у сплава 6 (сплава-прототипа) ТКЛР заметно выше. В то же время пластичность сплавов 1 и 3 сопоставима с пластичностью сплава-прототипа.

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава №3 были приготовлены цилиндрические слитки, из которых на стане радиально-сдвиговой прокатки получали прутки диаметром 13 мм (Фиг. 2). Прутки из сплава 3 (табл. 1) не содержали трещин и других видимых дефектов (Фиг. 2). Механические свойства прутков диаметром 13 мм из сплава 3 представлены в табл. 3.