Материал на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих при температурах до 150-200°С. Предложенный материал на основе алюминия содержит цинк, магний и никель и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, при этом материал содержит матрицу и алюминиды при следующем соотношении, об.%: алюминиды никеля - 5,3-7,0, матрица - остальное. Матрица в качестве дисперсных частиц вторичных выделений содержит 6-10 об.% частиц фазы Т', являющейся метастабильной модификацией фазы T(Al₂Mg₃Zn₃) со средним размером, не превышающим 50 нм, а температура равновесного солидуса материала составляет не менее 540°С. В частных случаях выполнения материала он содержит алюминиды никеля глобулярной формы со средним размером, не превышающим 5 мкм; материал характеризуется твердостью по Бринелю не менее 160 НВ; материал выполнен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в - не менее 510 МПа, предел текучести σ_0,2 - не менее 420 МПа, относительное удлинение δ - не менее 4%; материал выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в - не менее 570 МПа, предел текучести σ_0,2 - не менее 480 МПа, относительное удлинение δ - не менее 5%. Техническим результатом изобретения является создание нового материала, способного к термическому упрочнению, предназначенного как для получения фасонных отливок, так и для получения деформированных полуфабрикатов, обладающих высокими механическими свойствами. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С, таких как детали автомобилей и других транспортных средств (велосипеды, самокаты, тележки), детали спортинвентаря и др.

Деформируемые термически упрочняемые алюминиевые сплавы на базе системы Al-Zn-Mg типа 1915 (ГОСТ 4784-75) имеют удачное сочетание технологичности (при обработке давлением, свариваемости), коррозионной стойкости и механических свойств (Промышленные алюминиевые сплавы / Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М.: Металлургия, 1984. 528 с.).

Они обладают средней прочностью (σ_в=300-400 МПа), поскольку суммарное содержание магния и цинка в них не превышает 6-7%. При увеличении этого значения прочность растет, однако сплавы становятся чувствительными к межзеренному разрушению, что негативно влияет на пластичность, усталостные свойства, вязкость разрушения, а также сопротивление коррозии под напряжением.

Недостатком сплавов на базе системы Al-Zn-Mg является высокая склонность к образованию горячих трещин при затвердевании, что затрудняет их использование для получения фасонных отливок относительно сложной формы.

Более высокой прочностью (σ_в=500-600 МПа) обладают сплавы типа В95 на базе системы Al-Zn-Mg-Cu (Промышленные алюминиевые сплавы / Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М.: Металлургия, 1984. 528 с.), однако их литейные свойства еще хуже, чем у сплавов без меди, поэтому сплавы на базе этой системы практически не используются в качестве литейных.

Наиболее близким материалом к предложенному является материал, раскрытый в патенте RU 2158780, 10.11.2000.

Данный материал содержит матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с равномерно распределенными дисперсными частицами фаз, образованных алюминием, цинком, магнием и медью, равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения и равномерно распределенные в матрице частицы, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала.

Из этого материала можно получать отливки с улучшенными литейными и механическими свойствами за счет добавки никеля, который образует алюминиды эвтектического происхождения, а также хрома и циркония.

Однако для достижения высоких прочностных свойств необходимо обеспечить этим алюминидам глобулярную форму, что требует проведения операции сфероидизирующего отжига. Поскольку медь, входящая в известный материал, сильно снижает равновесный солидус (для среднего состава он ниже 520°С), то требуется относительно высокая дисперсность исходной структуры, что ограничивает использование предложенного сплава сравнительно небольшими отливками простой формы. Поскольку слитки, предназначенные для получения деформируемых полуфабрикатов, имеют относительно крупные размеры, скорость охлаждения в них обычно ниже, чем 2 К/с. Поэтому использование материала, указанного в патенте RU 2158780, в качестве деформируемого затруднено. Кроме того, наличие меди в последнем снижает пластичность при обработке давлением. Следует также отметить, что наличие циркония и хрома усложняет получение отливок и слитков, т.к. в процессе кристаллизации могут образовываться первичные кристаллы алюминидов (Al₃Zr и Аl₃Cr), что отрицательно сказывается на конечных механических свойствах. Наличие добавок Zr и Сr требует сравнительно высокой температуры литья (более 730°С), что может привести к угару магния и цинка.

Задачей изобретения является создание нового материала, способного к термическому упрочнению, предназначенного как для получения фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов (из слитка), обладающих высокими механическими свойствами (не ниже, чем у сплавов типа В95).

Поставленная задача решена тем, что материал на основе алюминия, содержащий цинк, магний и никель, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными вторичными выделения фазы-упрочнителя, и равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, содержит матрицу и алюминиды при следующем соотношении, об.%:

Алюминиды никеля 5,3-7

Матрица остальное,

при этом матрица в качестве дисперсных частиц содержит 5-10 об.% частиц фазы Т', являющихся метастабильными модификациями фазы Т (Al₂Mg₃Zn₃) со средним размером, не превышающим 50 нм, а температура равновесного солидуса материала составляет не менее 540°С.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что материал содержит алюминиды никеля глобулярной формы с размером, не превышающим 5 мкм.

Кроме того, материал характеризуется твердостью по Бринелю не менее 160 НВ.

Материал может быть выполнен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 480 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 420 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.

Кроме того, материал может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ_в) не менее 510 МПа, предел текучести (σ_0,2) не менее 480 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 5%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Наличие алюминидов никеля в заявляемых пределах (количестве, размере и морфологии) позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических и технологических свойств. Наличие фазы Т' в заявляемых пределах позволяет обеспечить необходимый уровень прочности. Более низкое содержание этой фазы не позволяет добиться существенного упрочнения после старения (по режиму Т6). При более высоком содержании Т' снижается пластичность. При этом исключается образование непрерывных зернограничных цепочек (любых фаз), так как они приводят к охручиванию. Заявленное ограничение по температуре равновесного солидуса позволяет проводить сфероидизирующий отжиг при достаточно высоких температурах, обеспечивая формирования относительно глобулярных частиц алюминида никеля.

Всему вышесказанному удовлетворяют материалы, полученные из сплавов на основе алюминия, содержащих цинк 5-8, магний 2-4 и никель 3-5.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (с чистотой 99.99%), цинка марки Ц0 (99,9%), магния марки Мг90 (99,9%), меди M1 (99,9%) и лигатур Al-20%Ni и Аl-10%Сr. Температура литья сплавов составляла 710-730°С, характеристики структуры (Q₁, Q₁, d₁, d₁ и T_s) и равновесный солидус (T_s) (табл.1) определяли на образцах, вырезанных из термообработанных отливок, полученных литьем в изложницы со скоростью охлаждения (V_c) около 1 К/с. Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (нагрев под закалку, закалка в холодной воде и старение). Максимальная температура нагрева под закалку поддерживали на 10°С ниже T_s, а старение проводили при 160°С. Равновесный солидус определяли методом дифференциального термического анализа, а характеристики структуры по данным микрорентгеноспектального и рентгеноструктурного анализов, а также электронной микроскопии (сканирующей - СЭМ и просвечивающей - ПЭМ). В качестве эталонов использовали сплавы близкого состава с известными значениями Q₁, Q₁, d₁, d₁ и T_s.

Таблица 1
Состав и параметры структуры экспериментальных сплавов
№	Zn, %	Mg, %	Ni, %	Другие	Al	Q11), об.%	Q22), об.%	D13), мкм	d2,4) нм	Ts5) °с
1	5	1,5	2	-	ост.	3.2	5,0	<5	<50	602
2	6	1,8	3,2	-		5,3	6,0	<5	<50	585
3	7	2,1	3,7	-		6,1	8,3	<5	<50	570
4	8	2,4	4,2	-		7,0	10,0	<5	<50	545
5	9	3,5	5	-		8,4	10,5	>5	>50	475
6	6	2	4	l% Cu, 0,15% Cr		6,1	7	>5	<50	525
1)объемная доля алюминидов никеля (Al3Ni);
2) объемная доля вторичных выделений (в сплавах 1-5 фазы Т', в сплаве 6-η');
3) средний размер алюминидов никеля;
4) средний размер вторичных выделений;
5) температура равновесного солидуса.

Из таблицы 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения Q₁, Q₁, d₁, d₁ и T_s. В сплаве 1 количество фаз меньше требуемого уровня, а в сплаве 5, наоборот больше. Кроме того, сплав 5 имеет низкое значение T_s.

В сплаве-прототипе 6 равновесный солидус находится на недопустимо низком уровне, поэтому сфероидизирующий отжиг не позволяет получить глобулярные включения алюминида никеля с размером менее 5 мкм.

Типичная структура заявляемого сплава в отливке, термообработанной по режиму Т6, приведена на чертеже, где а - СЭМ (отливка), б - ПЭМ (лист).

Механические свойства в отливках определяли на цилиндрических образцах по ГОСТ 1497-84.

Из табл.2 видно, что сплавы 2-4 заметно превосходят сплав 1 по прочностным свойствам, а сплавы 5 и 6 по пластичности.

Таблица 2
Механические свойства экспериментальных сплавов в отливках
№1)	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	НВ
1	325	220	18	120
2	510	420	11	162
3	560	485	6	175
4	580	510	4	186
5	310	310	0	210
6	510	480	1	175
1) по табл.1

ПРИМЕР 2.

Готовили 2 мм листы по технологии, которая включала в себя следующие операции:

- получение плоского слитка со скоростью охлаждения (V_c) около 1 К/с,

- гомогенизационный отжиг при максимальной температуре нагрева на 10°С ниже T_s,

- горячая прокатка со степенью обжатия около 90%,

- нагрев под закалку,

- закалка в холодной воде,

- старение при 160°С.

Таблица 3
Механические свойства экспериментальных сплавов в листах
№*	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	HВ
1	360	260	15	135
2	570	480	11	175
3	590	510	8	185
4	610	530	5,5	200
5	трещины при прокатке
6	трещины при прокатке
1) по табл.1

Механические свойства в листах определяли в продольном направлении на плоских образцах по ГОСТ 11701-84. Из табл.3 следует, что сплавы 2-4 существенно превосходят сплав 1 по прочностным свойствам, остальные по механическим свойствам. Следует отметить, что сплавы 5 и 6 не обеспечивают получение качественного листа, т.к. в процессе прокатке образуются трещины.

1. Материал на основе алюминия, содержащий цинк, магний и никель, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, отличающийся тем, что содержит матрицу и алюминиды при следующем соотношении, об.%:

Алюминиды никеля 5,3-7,0

Матрица Остальное

при этом матрица в качестве дисперсных частиц вторичных выделений содержит 6-10 об.% частиц фазы Т', являющейся метастабильной модификацией фазы T(Al₂Mg₃Zn₃) со средним размером, не превышающим 50 нм, а температура равновесного солидуса материала составляет не менее 540°С.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что содержит алюминиды никеля глобулярной формы со средним размером, не превышающим 5 мкм.

3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что характеризуется твердостью по Бринелю не менее 160 НВ.

4. Материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что выполнен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в - не менее 510 МПа, предел текучести σ_0,2 - не менее 420 МПа, относительное удлинение δ - не менее 4%.

5. Материал по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σ_в - не менее 570 МПа, предел текучести σ_0,2 - не менее 480 МПа, относительное удлинение δ - не менее 5%.