Быстрозатвердевший сплав на основе алюминия, преимущественно для изготовления термостойких изделий

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОСТОЙКИХ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Сивцова Полина Александровна Шепелевич Василий Григорьевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(56) НЕУМЕРЖИЦКАЯ Е.Ю. и др. Перспективные материалы. - 2005. -4. С. 69-73. СИВЦОВА П. А. и др. Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007. -6. - С. 8-11.06010086 , 1994.5332455 , 1994. СИВЦОВА П.А. и др. Машиностроение. Республиканский межведомственный сборник научных трудов. 2003. Вып. 19. - С. 717-720.92/22398 1.2301375 , 1996.2341581 2, 2008.281822, 1970.(57) Быстрозатвердевший сплав на основе алюминия, преимущественно для изготовления термостойких изделий, содержащий хром, отличающийся тем, что дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.алюминий 97,66-99,41 хром 0,38-1,52 железо 0,21-0,82,при этом соотношение атомных концентраций железа и хрома составляет 12. Изобретение относится к области металлургии сплавов, а более конкретно к термически упрочняемым алюминиевым сплавам и способам получения термостойких изделий из них, и может быть использовано в машиностроении при получении деталей машин и механизмов посредством порошковой металлургии. Известны сплавы(8799, 17, 06 мас. , где- один или более элементов из группы , , ,и ) 1, которые предлагается получать методами сверхбыстрой закалки из расплава. Недостатком этих сплавов является низкая эффективность упрочнения выделениями интерметаллических фаз при таком содержании легирующих компонентов, что является следствием относительно крупных размеров формирующихся выделений. Также недостатком является необходимость использования большого количества легирующих элементов, что влечет за собой высокую стоимость получающейся продукции. 14364 1 2011.04.30 Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является быстрозатвердевший сплав(97,099,6, 0,43,0 мас. ) 2. Однако микротвердость, полученная при сверхбыстрой закалке из расплава данных сплавов, не сохраняется при термической обработке, что препятствует получению из них деталей механизмов и машин путем компактификации при повышенных температурах. Задачей изобретения является получение термически упрочняемого и термостойкого алюминиевого сплава, а также снижение себестоимости производства деталей механизмов и машин. Решение поставленной задачи достигается тем, что быстрозатвердевший сплав на основе алюминия, преимущественно для изготовления термостойких изделий, содержащий хром, дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов,мас.алюминий - 97,66 - 99,41, железо - 0,21 - 0,82, хром - 0,38 - 1,52, при этом соотношение атомных концентраций железа и хрома составляет 12. Положительное влияние введения добавок железа в быстрозатвердевшие алюминиевые сплавы, содержащие хром, выражается в появлении при термической обработке области повышенной микротвердости, что связано со взаимным влиянием легирующих элементов на кристаллическую структуру исходной матрицы сплава. В фольге сплава алюминия с хромом и железом, получаемой сверхбыстрой закалкой из расплава, благодаря невысокому содержанию легирующих элементов формируется пересыщенный твердый раствор и подавляется выделение вторичных интерметаллидных фаз. При содержании хрома в сплаве менее 0,38 при термической обработке не будет выделяться достаточного количества выделений, необходимого для эффективного упрочнения. При содержании хрома в сплаве более 1,52 формирующиеся в процессе термической обработки выделения являются более грубыми и коалесцируют интенсивнее, что снижает их эффективность в упрочнении сплава. При содержании железа в сплаве менее 0,21 при термической обработке не будет выделяться достаточного количества выделений, необходимого для эффективного упрочнения. При содержании железа в сплаве более 0,82 формирующиеся в процессе термической обработки выделения являются более грубыми и коалесцируют интенсивнее, что снижает их эффективность в упрочнении сплава. Концентрации максимального 99,41 и минимального 97,66 содержания алюминия определяются требованием, чтобы суммарное содержание легирующих элементов и алюминия было равно 100 . Соотношение атомных концентраций железа и хрома 12 определяется требованиями термостойкости сплава. При больших соотношениях, например 11, пластичность сплавов существенно падает после выдержки при высоких температурах. При меньших соотношениях микротвердость, полученная при сверхбыстрой закалке из расплава данных сплавов,не сохраняется при термической обработке. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 представлены зависимости микротвердости сплава-прототипа и заявляемого сплава от температуры отжига при термической обработке. Добавка железа вызывает появление двукратного упрочнения тройного сплава при термической обработке, что увеличивает микротвердость сплавов. Фиг. 2 отображает зависимость микротвердости заявляемых сплавов системы-от температуры изохронного отжига и демонстрирует существование положительного эффекта упрочнения во всем заявляемом диапазоне концентраций легирующих элементов. Все представленные сплавы - термически упрочняемые, что позволяет эффективно использовать их в порошковой металлургии. Фиг. 3 демонстрирует термическую стабильность представителя заявляемых сплавов сплава 97,66- 1,52- 0,82. Стабильность упрочнения при длительной выдержке сплава при 160 С и 300 С выгодно отличает его от сплава-прототипа, микротвердость которого при отжиге постоянно уменьшается. 2 14364 1 2011.04.30 Изобретение поясняется описанием его конкретного осуществления. Был получен ряд тройных сплавов системы-- . Сплав номинального состава 97,66- 1,52- 0,82 был получен путем сплавления чистого алюминия 99,99 с феррохромом в вакууме в индукционной печи ИСВ-0.004-ПИ-М при температуре 1400 С в течение 1 ч. Для получения сплавов 98,82- 0,77- 0,41 и 99,41- 0,38- 0,21 его дважды сплавляли с чистым алюминием в муфельной печи. Массы компонентов взвешивались на аналитических весах ВЛА-200-М. Затем сплавы плавились на воздухе и заливались в графитовую форму для получения стержней толщиной 6 мм, шириной 1,3 мм и длиной 120 мм. Из средней части стержней вырезались небольшие куски (0,10,2 г) для изготовления фольг. Образцы в виде фольги производились методом центробежной закалки расплава капля расплава массой порядка 0,2 г инжектировалась на полированную внутреннюю поверхность быстровращающегося медного цилиндра. Диаметр цилиндра - 20 см, частота вращения - 1500 об/мин. Скорость охлаждения расплава составляла 106 К/с. Толщина исследуемой фольги находилась в пределах 3080 мкм. Сторона, прилегающая к кристаллизатору, имела зеркальную, а противоположная сторона - бугристую структуру. Химический состав образцов и их поверхность исследовались с помощью электронного микроскопа 1455 . Изучалась термическая стабильность механических свойств сплавов. Рентгеноструктурный анализ проводился на дифрактометре ДРОН-3 М в геометрии Брегга-Брентано в монохроматизированном медном излучении. Микротвердость фольги измерялась с помощью ПМТ-3 с приложением нагрузки 20 г на 10 с. Изохронный отжиг быстрозатвердевшей фольги проводился от комнатной температуры до 590 С через 30 С с выдержкой по 20 мин при каждой температуре отжига. Изотермический отжиг проводился в течение нескольких суток при различных температурах. Рентгенографические данные показывают, что основной фазой всех сплавов является пересыщенный твердый раствор на основе алюминия -. Рентгенофазовый анализ всех сплавов показывает существование только твердого раствора -. Данные электронной микроскопии свидетельствуют об отсутствии включений в исходном состоянии полученных сплавов. При термической обработке сплавы-прототипы демонстрируют снижение микротвердости с увеличением температуры отжига в среднем на 100 МПа (фиг. 1). Заявляемые сплавы в указанном диапазоне составов являются термически упрочняемыми (фиг. 2). Величина упрочнения иллюстрируется данными, представленными в таблице. Микротвердость заявляемых сплавов и прототипа в исходном состоянии и после оптимальной термической обработки Микротвердость фольг, МПа Величина упрочнения в оптимально Сплав вк начальному знав исходном состаренном чению состоянии состоянии 99,41- 0,38- 0,21232 374 61 98,82- 0,77-0,41240 408 70 97,66- 1,52- 0,82426 457 7 97,66- 1,52- 0,82426 457 7 98,82- 0,77-0,41240 408 70 99,41- 0,38- 0,21232 374 61 97,66- 1,52- 0,82426 457 7 98,82- 0,77- 0,41240 408 70 99,41- 0,38- 0,21232 374 61 прототип 620 550 14364 1 2011.04.30 Как следует из данных, приведенных в таблице, прототип не сохраняет высокую микротвердость при термической обработке, в то время как заявляемые сплавы демонстрируют увеличение микротвердости от 7 до 70 . Упрочнение заявляемых сплавов термической обработкой стабильно при невысоких температурах выдержки (фиг. 3). Такая стабильность позволяет использовать заявляемые сплавы в деталях машин и механизмов, подвергающихся длительному воздействию температур 100-150 С и кратковременному воздействию температур до 300 С. Применение заявленных сплавов в сравнении с прототипом позволит получать термически стойкие детали машин и механизмов при снижении затрат материалов. Источники информации 1. Патент 88/03179, МПК 22 21/00, 1988. 2. Неумержицкая Е.Ю., Шепелевич В.Г. Структура, свойства и термическая стабильность быстрозатвердевших фольг сплавов алюминия с хромом, никелем и марганцем // Перспективные материалы. - 2005. -4. - С. 69-73. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4