RU2478131C2 - Refractory castable aluminium alloy - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to casting critical parts to be operated at high loads at 300-350°C, e.g. ICE components, valves and accessories of hydraulic works, stages of borehole pumps, heating radiator parts, etc. Proposed composition contains the following substances, in wt %: 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 Ce, at content of zirconium and scandium satisfying the condition 0.44<2·C_Zr+C_Sc<0.64. Note here that said zirconium and scandium exist in alloy structure as Al(Zr,Sc) phase with Ll₂ crystal lattice and mean size of nanoparticles not exceeding 20 nm.

EFFECT: new sparingly alloyed refractory alloy.

1 tbl, 4 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 300-350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей (головки цилиндров, корпусы водяных насосов, впускные трубы и др.), детали авиационного назначения (корпусы, крышки, сопла, задвижки, фланцы и т.д.), детали водозаборной арматуры, ступени погружного насоса для нефтегазового комплекса, детали радиаторов отопления и др.The invention relates to the field of metallurgy of aluminum-based materials and can be used for the manufacture of castings designed to produce critical parts operating under high loads at temperatures up to 300-350 ° C. Among them: automotive engine parts (cylinder heads, water pump housings, intake pipes, etc.), aviation parts (housings, covers, nozzles, valves, flanges, etc.), water intake fittings, submersible pump stages for oil and gas complex, details of heating radiators, etc.

Одним из недостатков марочных алюминиевых сплавов, который препятствует их более широкому использованию, является ограничение по рабочим температурам. Даже у лучших по этой характеристике сплавов на базе системы Al-Cu типа АМ5 [ГОСТ 1583-93] рабочие температуры не превышают 250-300°С. При этом минусом последних является и 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.].One of the disadvantages of branded aluminum alloys, which prevents their wider use, is the limitation on operating temperatures. Even for the best alloys based on this characteristic, based on the Al-Cu system of the AM5 type [GOST 1583-93], operating temperatures do not exceed 250-300 ° С. At the same time, the minus of the latter is the fact that the technology for producing castings from them requires complete heat treatment, including the hardening operation. This increases their cost and often leads to the appearance of an unwanted marriage, in particular to size instability. It should also be noted that alloys of type AM5 have very low casting properties, which makes it difficult to obtain thin-walled castings of complex shape from them [Zolotorevsky B.C., Belov N.A. Metallurgy of foundry aluminum alloys. - M .: MISiS, 2005, 376 p.].

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)+Al₃Ni 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 стоимости отливок. 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.To eliminate the disadvantages inherent in AM5 alloys, see [Belov NA "Principles of Optimizing the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminum Alloys Using Transition Metals". Journal of Advanced Materials, 1994 1 (4), p.321-329], it was proposed to create heat-resistant alloys based on the eutectic (Al) + Al ₃ Ni due to alloying with nickel and other transition metals (Mn, Zr, Cr, Sc, V etc.). Alloys constructed in this way are oriented to traditional foundry technologies and the available equipment, the technological cycle for producing finished parts from them is much shorter than alloy alloys based on the Al-Cu system (in particular, there is no hardening operation). This approach is reflected in a number of patents. In particular, in the patent of the Russian Federation No. 2001145 (bull. 37-38 dated 10/15/1993, MISiS) an aluminum-based alloy is claimed containing 3-6.5% Ni, 0.5-2% Mn, 0.2-0, 8% Sc and 0.05-0.3% Zr. This alloy has excellent casting properties and higher heat resistance at 300-350 ° C in comparison with alloys of the AM5 type. On the basis of the (Al) + Al ₃ Ni eutectic, several experimental alloys were developed (they were called nikalin), which successfully underwent pilot testing under the conditions of IL and VASO [Belov N.A., Zolotorevsky BC “ Casting alloys based on aluminum-nickel eutectic (nikalin) as a possible alternative to silumin ”. Non-ferrous metals, 2003, No. 2, S.99-105]. The disadvantage of these alloys is the high nickel content, which negatively affects the cost of castings. The second disadvantage is the strict restriction on the maximum permissible iron content, i.e. their production requires high-purity aluminum, which also leads to a rise in the cost of castings.

Наиболее близким сплавом к предложенному является 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, мас.%: 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 общей коррозии. В условиях воздействия средне-агрессивной среды (например, морской воды) это приводит к сильному потемнению поверхности отливок.The closest alloy to the proposed one is the alloy disclosed in US 2004/0261916 F1 (publ. December 30, 2004, patent holder: Alcoa Inc.). This alloy, designed to produce shaped castings by various casting methods, contains, wt.%: 0.5-6% Ni, 1-3% Mn, up to 1% Zr, up to 0.6% Sc. In the private claims of this patent, the most preferred concentrations of alloying elements are claimed: ~ 4% Ni, ~ 2% Mn, ~ 0.6% Zr (or ~ 0.3% Sc). The main disadvantage of this alloy is its uneconomical composition: high nickel content and the absence of iron among the alloying components. This prevents the use of scrap waste for its production. It should also be noted that the increased nickel content negatively affects the overall corrosion. Under the influence of a medium-aggressive environment (for example, sea water), this leads to a strong darkening of the surface of the castings.

Задачей изобретения является создание нового термостойкого сплава на основе алюминия (экономнолегированного никалина), предназначенного для получения фасонных отливок сложной формы, содержащего не более 2,5% Ni и допускающего не менее 0,3% Fe.The objective of the invention is the creation of a new heat-resistant alloy based on aluminum (economically alloyed nikalin), designed to produce shaped castings of complex shape containing not more than 2.5% Ni and allowing at least 0.3% Fe.

Поставленная задача решена тем, что литейный сплав на основе алюминия, содержащий никель, марганец, цирконий и скандий, отличается тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующих концентрациях легирующих компонентов, мас.%:The problem is solved in that the casting alloy based on aluminum, containing Nickel, manganese, zirconium and scandium, is characterized in that it additionally contains iron and cerium at the following concentrations of alloying components, wt.%:

КомпонентComponent Содержание в сплаве, мас.%The content in the alloy, wt.% НикельNickel 1,5-2,51.5-2.5 ЖелезоIron 0,3-0,70.3-0.7 МарганецManganese 1,0-2,01.0-2.0 Цирконий¹ Zirconium ¹ 0,2-0,60.2-0.6 Скандий¹ Scandium ¹ 0,02-0,120.02-0.12 ЦерийCerium 0,002-0,10.002-0.1 ¹для достижения наилучшего сочетания механических свойств должно выполниться условие: ^{1 in} order to achieve the best combination of mechanical properties, the condition must be fulfilled: 0,44<2·C_Zr+C_Sc<0,64 (где C_Zr и C_Sc - концентрации циркония и скандия в сплаве, мас.%).0.44 <2 · C _Zr + C _Sc <0.64 (where C _Zr and C _Sc are the concentrations of zirconium and scandium in the alloy, wt.%).

Цирконий и скандий присутствуют в его структуре в виде наночастиц фазы Al₃(Zr, Sc) (кристаллическая решетка L1₂), имеющих средний размер не более 20 нм. Это позволяет достичь в отливках следующего уровня механических свойств: временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, относительное удлинение (6) - не менее 4%, 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С составляет не менее 40 МПа, при этом прочностные свойства не снижаются после нагрева при температурах до 400°С включительно при выдержке до 10 часов.Zirconium and scandium are present in its structure in the form of nanoparticles of the Al ₃ (Zr, Sc) phase (crystal lattice L1 ₂ ) having an average size of not more than 20 nm. This allows castings to achieve the following level of mechanical properties: temporary resistance (σ _in ) of at least 250 MPa, elongation (6) of at least 4%, 100-hour strength (σ ₁₀₀ ) at 350 ° C of at least 40 MPa, however, the strength properties do not decrease after heating at temperatures up to 400 ° C inclusive when holding for up to 10 hours.

Сущность изобретения состоит в следующем. Концентрации никеля и железа в заявленных пределах обеспечивают высокие технологические свойства при получении тонкостенных отливок (в частности, формозаполняемость и стойкость к образованию горячих трещин). Эти элементы полностью входят в состав фаз Al₃Ni и Al₉FeNi эвтектического происхождения. Для достижения наилучших механических свойств, в частности пластичности, эвтектика должна обладать достаточно дисперсной структурой подобно той, которая показана на фигуре 1. Концентрация марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень жаропрочности. После термообработки марганец присутствует в структуре в виде вторичных выделений фазы Al₆Mn, типичный размер которых составляет 100-500 мкм (фигура 2). Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al₃Zr и/или Al₃(Zr, Sc) с решеткой L1₂. Средний размер этих наночастиц не должен превышать 20 нм (фигура 3). Церий в заявленных пределах выполняет вспомогательную функцию, нейтрализуя отрицательное влияние примеси кремния на показатель горячеломкости.The invention consists in the following. Nickel and iron concentrations within the stated limits provide high technological properties when producing thin-walled castings (in particular, mold filling and resistance to the formation of hot cracks). These elements are completely included in the phases Al ₃ Ni and Al ₉ FeNi of eutectic origin. To achieve the best mechanical properties, in particular ductility, the eutectic should have a sufficiently dispersed structure similar to that shown in figure 1. The concentration of manganese in the stated limits provides the necessary level of heat resistance. After heat treatment, manganese is present in the structure in the form of secondary precipitates of the Al ₆ Mn phase, the typical size of which is 100-500 μm (figure 2). The zirconium and scandium concentrations within the stated limits provide the necessary effect of dispersion hardening due to the formation of an Al ₃ Zr and / or Al ₃ (Zr, Sc) phase with an L1 ₂ lattice during annealing. The average size of these nanoparticles should not exceed 20 nm (figure 3). Cerium, within the declared limits, performs an auxiliary function, neutralizing the negative effect of silicon impurities on the heat resistance index.

ПРИМЕР 1EXAMPLE 1

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе переплава отходов катанки марки А5Е (0,4% примесей, остальное алюминий). Из экспериментальных сплавов были получены отдельно отлитые образцы согласно ГОСТ 1583-93. Эти образцы подвергали отжигу в муфельной электропечи по следующему режиму: 350°С, 3 часа +450°С, 3 часа. Механические свойства (временное сопротивление - σ_в, условный предел текучести - σ_0,2 и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытания на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84. Испытания на 100-часовую прочность при 350°С проводили по ГОСТ 10145-81.Six alloys were prepared, the compositions of which are listed in Table 1. All alloys were prepared in an electric resistance furnace in graphite chamotte crucibles based on remelting waste of wire rod grade A5E (0.4% impurities, the rest is aluminum). Separately cast samples were obtained from experimental alloys according to GOST 1583-93. These samples were annealed in a muffle electric furnace according to the following regime: 350 ° C, 3 hours + 450 ° C, 3 hours. Mechanical properties (tensile strength - σ _in , conditional yield strength - σ _0.2 and elongation - δ) were determined by the results of uniaxial tensile tests on a Zwick Z250 machine. Tests at room temperature were carried out according to GOST 1497-84. Tests for 100-hour strength at 350 ° C were carried out according to GOST 10145-81.

Таблица 1Table 1 Составы экспериментальных сплавов и их свойства после термообработкиThe compositions of experimental alloys and their properties after heat treatment №No. Легирующие компоненты¹, мас.%Alloying components ¹ , wt.% Мех. свойства на растяжениеFur. tensile properties NiNi MnMn FeFe ZrZr ScSc СеXie TiTi σ_в, МПаσ _in , MPa σ_0,2, МПаσ _0.2 , MPa δ, %δ,% 1one 1one 0,50.5 0,10.1 0,10.1 0,010.01 0,0010.001   135135 7575 14,514.5 22 1,51,5 22 0,70.7 0,20.2 0,120.12 0,10.1   250250 160160 6,56.5 33 22 1,41.4 0,50.5 0,40.4 0,050.05 0,010.01   260260 170170 7,57.5 4four 2,52,5 1one 0,30.3 0,60.6 0,020.02 0,0020.002   255255 165165 6,06.0 55 33 2,52,5 1one 0,80.8 0,20.2 0,20.2   190190 185185 0,50.5 66 4four 22   0,30.3 0,150.15   0,10.1 205205 155155 3,53,5 ¹основа алюминий (вместе с примесями) ¹ aluminum base (with impurities)

Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления (σ_в), предела текучести (σ_0,2) и относительного удлинения (δ): временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, предел текучести (σ_0,2) не менее 160 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.From table 1 it is seen that only the inventive alloy (compositions 2-4) provides the best combination of temporary resistance (σ _in ), yield strength (σ _0.2 ) and elongation (δ): temporary resistance (σ _in ) not less than 250 MPa, yield strength (σ _0.2 ) of at least 160 MPa, elongation (δ) of at least 4%.

В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фазы Al₃(Zr, Sc).In alloy 1, the strength is less than the required level, which is associated with an insufficient amount of precipitation of the Al ₃ phase (Zr, Sc).

Сплав 5 имеет низкое значение 5, что связано с наличием первичных кристаллов интерметаллидов.Alloy 5 has a low value of 5, which is associated with the presence of primary crystals of intermetallic compounds.

Сплав прототип (состав 6) уступает сплавам 2-4 по механическим свойствам. При этом он содержит больше никеля.The prototype alloy (composition 6) is inferior to alloys 2-4 in mechanical properties. However, it contains more nickel.

ПРИМЕР 2EXAMPLE 2

Образцы заявляемого сплава состава №3 были подвергнуты отжигу при 400°С в течение 10 часов. После испытания на растяжение были получены следующие значения: временное сопротивление (σ_в) - 265 МПа, предел текучести (σ_0,2) - 170 МПа. Таким образом, снижения прочностных свойств по сравнению с исходным уровнем (см. табл.1) не произошло, что обусловлено высокой термической стабильностью структуры сплава.Samples of the inventive alloy composition No. 3 were annealed at 400 ° C for 10 hours. After the tensile test, the following values were obtained: temporary resistance (σ _in ) - 265 MPa, yield strength (σ _0.2 ) - 170 MPa. Thus, a decrease in strength properties compared with the initial level (see table 1) did not occur, due to the high thermal stability of the alloy structure.

ПРИМЕР 3EXAMPLE 3

Образцы заявляемого сплава состава №3 были подвергнуты испытанию на 100-часовую прочность при 350°С. Полученное значение (σ₁₀₀) составило 43 МПа.Samples of the inventive alloy composition No. 3 were tested for 100 hours at 350 ° C. The obtained value (σ ₁₀₀ ) was 43 MPa.

ПРИМЕР 4EXAMPLE 4

Образцы заявляемого сплава состава №3 и сплава-прототипа №6 (см. табл.1) были подвергнуты испытанию на общую коррозию в водном растворе 5,7% NaCl+0,3% H₂O₂. После выдержки в течение 24 часов заявляемый сплав имел существенно меньшее потемнение поверхности по сравнению со сплавом-прототипом. Повышенная коррозионная стойкость заявленного сплава обусловлена меньшим содержанием никеля.Samples of the inventive alloy composition No. 3 and prototype alloy No. 6 (see table 1) were tested for general corrosion in an aqueous solution of 5.7% NaCl + 0.3% H ₂ O ₂ . After aging for 24 hours, the inventive alloy had significantly less surface darkening compared to the prototype alloy. The increased corrosion resistance of the claimed alloy is due to the lower nickel content.

Claims (3)

1. Литейный сплав на основе алюминия, содержащий никель, марганец, цирконий и скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо и церий при следующем соотношении, мас.%:
Никель 1,5-2,5 Железо 0,3-0,7 Марганец 1,0-2,0 Цирконий 0,2-0,6 Скандий 0,02-0,12 Церий 0,002-0,1
при содержании циркония и скандия, удовлетворяющего следующему условию: 0,44<2·C_Zr+C_Sc<0,64, причем цирконий и скандий присутствуют в структуре сплава в виде фазы Al(Zr, Sc) с кристаллической решеткой Ll₂ и средним размером наночастиц не более 20 нм.1. Cast aluminum alloy based on nickel, manganese, zirconium and scandium, characterized in that it additionally contains iron and cerium in the following ratio, wt.%:
Nickel 1.5-2.5 Iron 0.3-0.7 Manganese 1.0-2.0 Zirconium 0.2-0.6 Scandium 0.02-0.12 Cerium 0.002-0.1
when the content of zirconium and scandium satisfies the following condition: 0.44 <2 · C _Zr + C _Sc <0.64, and zirconium and scandium are present in the alloy structure in the form of an Al (Zr, Sc) phase with a crystal lattice Ll ₂ and medium the size of the nanoparticles is not more than 20 nm. 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки и имеет после отжига временное сопротивление (σ_в) не менее 250 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.2. The alloy according to claim 1, characterized in that it is made in the form of casting and after annealing has a temporary resistance (σ _in ) of at least 250 MPa, elongation (δ) of at least 4%. 3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что его 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С составляет не менее 40 МПа. 3. The alloy according to claim 2, characterized in that its 100-hour strength (σ ₁₀₀ ) at 350 ° C is at least 40 MPa.

Images