Сплав на основе алюминия, изделие из него и способ производства изделия

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым алюминиевым сплавам системы алюминий - цинк - медь - магний, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала в аэрокосмической промышленности и машиностроении. Сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: цинк 5,0-9,0, магний 0,3-3,0, медь 0,3-1,3, цирконий 0,05-0,3, железо 0,05-0,3, кремний 0,01-0,2, по крайней мере, один элемент из группы: никель 0,01-0,2, кобальт 0,01-0,2, алюминий - остальное, при этом отношение, по крайней мере, одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элементов группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4. Техническим результатом изобретения является повышение вязкости разрушения K_1С, снижение остаточных напряжений и коробления, что снижает трудоемкость изготовления изделий, повышает ресурс работы и расширяет сортамент. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в аэрокосмической промышленности и машиностроении.

Известен сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%: Цинк - 6,35-8,0 Магний - 0,5-2,5 Медь - 0,8-1,3 Железо - 0,06-0,25 Кремний - 0,01-0,2 Цирконий - 0,07-0,2 Марганец - 0,001-0,1 Хром - 0,001-0,05 Титан - 0,03-0,1
Бериллий - 0,0001-0,05
По крайней мере один элемент из группы:
Калий - 0,001-0,01
Натрий - 0.0001-0,01
Кальций - 0,0001-0,01
Алюминий - Остальное
при этом Zr+2Ti≤0,3; Si/Be≥0,2 (патент РФ 2165995, С 22 С, 21/10, 1999).

Недостатком этого сплава является повышенные остаточные напряжения и коробление изделий. Из-за низкой прокаливаемости в массивных сечениях изделий вязкость разрушеник K_1C снижена и, как следствие, низкий ресурс работы изделий.

Известен сплав на основе алюминия состава, мас.%:
Цинк - 5,7-8,7
Магний - 1,7-2,5
Медь - 1,2-2,2
Марганец - < 0,02
Хром - < 0,02
Цирконий - 0,05-0,15
Железо - 0,07-0,14
Кремний - <0,11
при этом Сu+Mg<4,1; Mg>Сu (патент США 6027582, С 22 С 21/10 2000) прототип.

Недостатком являются низкий ресурс работы изделия из-за низкого значения вязкости разрушения K_1C в массивных сечениях изделия, высоких остаточных напряжений и коробления изделий.

Известен способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, деформацию, закалку, включающую нагрев, охлаждение в закалочной среде, искусственное старение (патент Франции 2524908, C 22 F 1/04, 1983).

Недостатком этого способа являются низкие показатели вязкости разрушения K_1C изделий, что ведет к снижению их надежности и ресурса работы.

Известен также способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, горячую деформацию в полуфабрикат, нагрев, подачу полуфабриката в закалочную среду, принудительную циркуляцию закалочной среды (барботаж) и перемещение изделий в закалочной среде (Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы. - М.: Металлургиздат, 1971, с.450) - прототип.

Недостатком этого способа является низкий ресурс работы получаемых изделий из-за низкого уровня вязкости разрушения _1C и высоких остаточных напряжений и коробления, что повышает трудоемкость при изготовлении изделий и ограничивает сортамент изготавливаемых изделий.

Технической задачей изобретения является повышение вязкости разрушения K_1C, снижение остаточных напряжений и коробления изделий, что снижает трудоемкость изготовления изделий, повышает ресурс работы и расширяет сортамент изготавливаемых изделий.

Предлагается сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Сплав может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагается изделие из сплава на основе алюминия следующего состава, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Изделие изготавливается из сплава, который может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагаемый способ производства изделий из сплава на основе алюминия включает отливку слитков, горячую деформацию в полуфабрикат, закалку, включающую нагрев и охлаждение в закалочной среде со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава (^oС/с), правку и искусственное старение.

Перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия.

Искусственное старение ведут в две стадии: сначала при температуре 80-150^oС в течение 2-48 ч, затем - при температуре 155-200^oС в течение 2-48 ч.

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5,, до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы: никель, кобальт при соотношении компонентов, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05 - 0,3
Железо - 0,05 - 0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы, никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Способ производства изделий из сплава на основе алюминия отличается от прототипа тем, что охлаждение при закалке ведут со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава, ^oС/с.

Перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия.

Искусственное старение ведут в две стадии: сначала при температуре 80-150^oС в течение 2-48 ч, затем - при температуре 155-200^oС в течение 2-48 ч.

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5 до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.

В предлагаемом изобретении в матрице твердого раствора сплава, состоящего из цинка, магния и меди в алюминии, равномерно распределяются дисперсные частицы первичных фаз кристаллизационного происхождения, содержащие тугоплавкие элементы, такие как железо, кобальт, никель, а также равномерно распределенные между ними мелкодисперсные частицы вторичных фаз, выделившихся из твердого раствора при охлаждении, в котором объемная доля зернограничного разрушения (ЗГР) не превышает 20%, при этом повышает вязкость разрушения K_1C, прокаливаемость, снижаются остаточные напряжения и коробление изделия. Все это повышает ресурс работы изделия и расширяет сортамент получаемых изделий.

Примеры. Для сравнительного анализа были отлиты слитки из предлагаемого химического состава сплава и химического состава сплава, выбранного за прототип. Химический состав сплавов представлен в табл.1.

Слитки гомогенизировали по режиму 460^oС, 48 ч, подвергали свободной ковке до получения поковок толщиной 150 мм. На поверхности поковок выполняли параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 2, при этом соотношение удвоенного объема, оставшегося в изделии металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, составляло 0,21. Затем изделия подвергали предварительной правке на прессе, вводя их в допуск по короблению. Изделия нагревали под закалку до температуры 465^oС, выдержка составляла 2,5 часа, подавали в закалочную среду в направлении оси канавок, охлаждали в закалочной воде со скоростью 2,03^oС/с, что равно 2,9 V_кр.

Закаленные изделия правили на прессе изгибом и кручением в продольном направлении со степенью 8 мм/м. Изделия старили в две стадии: I ст. - 110^oС, 8 ч + II ст. - 180^oС, 8 ч.

Аналогичные поковки изготавливали из известного сплава по способу, выбранному за прототип.

Исследовали механические свойства в продольном направлении, вязкость разрушения K_1С в направлениях ДП и ВД, остаточные напряжения в высотном направлении изделий, коробление. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Таким образом, изобретение позволяет повысить в 5-7 раз прокаливаемость сплава, вязкость разрушения (K_1C) повысить на 10-25%, снизить уровень остаточных напряжений в 40-50 раз и коробление в 25-30 раз и, как следствие, увеличить ресурс работы и расширить сортамент изготавливаемых изделий.

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент из группы: никель, кобальт при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере, один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
при этом отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элементов группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

2. Сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что он может содержать, по крайней мере, один элемент из группы, мас. %:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
3. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава химического состава, мас. %:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере, один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
при этом отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элемента группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

4. Изделие из сплава на основе алюминия по п. 3, отличающееся тем, что сплав для его изготовления может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас. %:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
5. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий отливку слитков, горячую деформацию в полуфабрикат, закалку, включающую нагрев и охлаждение в закалочной среде, правку, искусственное старение, отличающийся тем, что охлаждение при закалке ведут со скоростью 0,8-3 V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава, ^oC/с.

6. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по п. 5, отличающийся тем, что перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия.

7. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по п. 5 или 6, отличающийся тем, что искусственное старение ведут в две стадии: сначала при 80-150^oC в течение 2-48 ч, затем - при 155-200^oC в течение 2-48 ч.

8. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5 до получения соотношения удвоенного объема, оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2