Сплав на основе алюминия
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях изделий ответственного назначения. Предложен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: магний 4,0-5,6, литий 1,3-1,8, цирконий 0,08-0,15, титан 0,05-0,1, бор 0,0001-0,0005, бериллий 0,001-0,01, висмут 0,01-0,1, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является создание сплава с повышенными характеристиками пластичности основного металла и сварных соединений, а также удовлетворительной свариваемостью и прочностью сварных соединений. 3 табл.
Предлагаемое изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях изделий ответственного назначения.
Известен сплав марки 1420 (ОСТ 1.90048-77) следующего состава, мас. %:
Магний 4,5-6,0
Литий 1,8-2,3
Цирконий 0,08-0,15
Железо не более 0,2
Кремний не более 0,15
Медь не более 0,05
Титан не более 0,1
Натрий не более 0,0006
Алюминий остальное
В настоящее время детали из сплава марки 1420 применяются в авиационной и аэрокосмической технике, где необходимы малая плотность в сочетании с высокой жесткостью и прочностью. Недостатком данного сплава является низкая пластичность полуфабрикатов (катаных - в продольном, кованых - в поперечном по толщине направлении) и пониженный предел текучести (не более 28 кгс/мм2).
Известны алюминиевые сплавы с литием, которые характеризуются пониженной плотностью и высоким значением предела текучести, но обладают пониженной вязкостью разрушения и невысокой пластичностью.
Одним из таких сплавов, наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, взятым за прототип, является сплав по патенту США №4584173 от 22.04.86, кл. 420-533, который имеет следующий химический состав, мас.%:
Магний 3,0-5,5
Литий 2,1-2,9
Медь 0,2-0,7,
и один или более элементов из группы, содержащей цирконий, гафний, ниобий и бор:
Цирконий 0,05-0,25
Гафний 0,10-0,50
Ниобий 0,05-0,30
Бор 0,0001-0,0005
и один или более элементов из группы
Цинк 0-2,0
Титан 0-0,5
Марганец 0-0,5
Никель 0-0,5
Хром 0-0,5
Германий 0-0,2
Алюминий остальное.
Данный сплав не обладает достаточной пластичностью основного металла и сварных соединений для получения сложных сварных конструкций типа ферм и рам.
Решаемой задачей настоящего изобретения является создание сплава с повышенными характеристиками пластичности основного металла и сварных соединений, а также свариваемостью и прочностью сварных соединений на достаточно высоком уровне, что позволит получать тонкостенные прессованные и кованые полуфабрикаты различной формы и сложные сварные конструкции.
Для решения поставленной задачи в известный сплав на основе алюминия дополнительно введены бериллий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Магний 4,0-5,6
Литий 1,3-1,8
Цирконий 0,08-0,15
Титан 0,05-0,1
Бор 0,0001-0,0005
Бериллий 0,001-0,01
Висмут 0,01-0,1
Алюминий остальное
Содержание магния в пределах 4,0-5,6 мас.% обеспечивает необходимый уровень прочностных характеристик и свариваемость сплава. При уменьшении содержания магния менее 4,0% значения временного сопротивления и предела текучести снижаются, повышается склонность сплава к горячим трещинам как при литье сплава, так и при сварке. При увеличении содержания магния более 5,6 мас.% технологичность и пластичность полуфабрикатов сплава снижаются.
Содержание лития выбрано в пределах 1,3-1,8 мас.% для обеспечении технологичности при деформации и получения требуемого комплекса механических свойств. При снижении содержания лития в сплаве (ниже 1,3 мас.%) уменьшается модуль упругости и повышается плотность сплава. Увеличение содержания лития выше 1,8 мас.% ухудшает технологичность и свариваемость сплава.
Цирконий вводится в алюминиевые сплавы в качестве модифицирующей добавки. Являясь переходным элементом, он обеспечивает получение полигонизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах. При содержании циркония ниже 0,08 мас.% положительных воздействий не проявляется, при его содержании выше 0,15 мас.% выделяются грубые первичные частицы нерастворимой в алюминиевом твердом растворе фазы Аl3 Zr, что приводит к резкому снижению пластичности полуфабрикатов.
Титан и бор совместно улучшают структуру сплава и увеличивают его прочность. Введение титана более 0,1% и бора более 0,0005%, т.е. в количествах, превышающих допустимые пределы, приводит к снижению пластичности сплава.
Бериллий в количестве 0,001-0,01 мас.% предохраняет сплав от окисления в процессах плавки, литья, сварки, а также при технологических нагревах под деформацию и термическую обработку. Бериллий в количестве менее 0,001 мас.% не оказывает заметного влияния на свойства сплава, а введение бериллия более 0,01 мас.% не рекомендуется с точки зрения гигиены труда.
Висмут улучшает пластичность алюминиевых сплавов как основного металла, так и сварных соединений, связывая натрий, являющийся вредной примесью в алюминии, в соединения Na3Bi. При содержании этого элемента ниже указанного (0,01 мас.%) положительного воздействия не выявлено. При введении висмута в больших, чем предложено, количествах (0,1 мас.%) он образует сложную легкоплавкую фазу, выделяющиеся в виде глобулей по границам зерен, что снижает значения относительного удлинения материала.
Таким образом, в случае отклонения от указанных пределов как в сторону меньших, так и больших значений содержания компонентов или исключения какого-либо компонента из состава поставленная задача не решается.
Изобретение иллюстрируется примером.
В таблице 1 приведены химические составы опробованных композиций предлагаемого и известного сплавов. Составы сплавов 1-3 соответствуют предлагаемому. Сплав 1 легирован по нижнему пределу, сплав 2 легирован по среднему пределу, сплав 3 - по верхнему.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Химический состав сплавов | ||||||||||
| Сплав | Магний | Литий | Медь | Цирконий | Титан | Бор | Бериллий | Висмут | Цинк | Алюминий |
| 1 | 4,0 | 1,3 | - | 0,08 | 0,05 | 0,0001 | 0,001 | 0,01 | - | Основа |
| 2 | 4,8 | 1,5 | - | 0,1 | 0,08 | 0,0003 | 0,005 | 0,05 | - | Основа |
| 3 | 5,6 | 1,8 | - | 0,15 | 0,1 | 0,0005 | 0,01 | 0,1 | - | Основа |
| 4 | 3,5 | 0,8 | - | 0,05 | 0,02 | 0,00001 | 0,0008 | 0,007 | - | Основа |
| 5 | 6,3 | 2,3 | - | 0,22 | 0,15 | 0,0006 | 0,03 | 0,15 | - | Основа |
| 6 | 4,2 | 2,4 | 0,3 | 0.12 | 0,2 | 0,5 | Основа |
Сплав 4 легирован ниже нижнего предела, сплав 5 - выше верхнего предела. Сплав 6 - известный сплав (прототип).
Плавку готовили в электрической печи, слитки диаметром 70 мм отливали полунепрерывным способом. Плавление шихты, рафинирование расплава и литье слитков проводили при температуре 700-730°С. Отлитые слитки гомогенизировали по режиму 380-400°С. Гомогенизированные слитки прессовали на полосу 15×60 мм. После термической обработки полос вырезали образцы для определения механических свойств. Определение механических свойств основного металла при температуре 20ΔС проводили по ГОСТ 1497-84. Сварные соединения выполняли аргонодуговой сваркой с использованием присадочной проволоки. Свариваемость оценивали по пробе “рыбий скелет”, механические свойства сварных соединений при температуре 20°С определяли на образцах по ГОСТ 1497-84. Определение ударной вязкости сварных соединений при пониженной и комнатной температуре проводили по ГОСТ 9454-78. Испытания на угол изгиба (α) выполняли по ГОСТ 6996-66.
Механические свойства основного металла и сварных соединений приведены в таблицах 2 и 3.
Сплавы предлагаемого состава (1-3) обладают прочностными характеристиками на уровне прототипа, но большими значениями относительного удлинения по сравнению с ним.
Предлагаемые сплавы обладают хорошей свариваемостью, что позволяет использовать их при изготовлении сварных конструкций. Прочность сварных соединений сплавов находится на уровне 32,0-33,5 кгс/мм2. Значения характеристик пластичности (угла изгиба и ударной вязкости) у предлагаемого сплава при комнатной температуре и при минус 196°С выше, чем у прототипа.
Снижение содержания легирующих компонентов (сплав 4) ниже предлагаемого состава приводит к снижению свойств, особенно пластичности, сварных соединений.
Увеличение содержания легирующих компонентов: магния выше 5,6 мас.% и лития выше 1,8 мас.% (сплав 5) приводит к снижению пластичности сплава, особенно при температуре минус 196°С. Введение в сплав большего количества циркония, висмута и бора приводит к образованию грубых включений, снижающих качество материала.
Таким образом, предлагаемый состав сплава является оптимальным. Сплавы, имеющие запредельные содержания компонентов, не обладают необходимым комплексом свойств.
| Таблица 2 | ||||
| Механические свойства прессованных полос | ||||
| Сплав | σВ, кгс/мм | δ0,2, кгс/мм | δ, % | |
| 1 | 44,0 | 33,0 | 11,5 | |
| 2 | 44,5 | 33,5 | 11,8 | |
| 3 | 45,0 | 34,5 | 11,3 | |
| 4 | 40,0 | 28,5 | 12,0 | |
| 5 | 43,5 | 32,0 | 6,0 | |
| 6 | 44,0 | 32,5 | 8,0 | |
| Таблица 3 | ||||
| Свойства сварных соединений. | ||||
| Сплав | σВ, кгс/мм2 | α, град | KCU, кгс м/см2 | |
| 20°С | -196°С | |||
| 1 | 32,0 | 80 | 0,90 | 0,89 |
| 2 | 33,0 | 78 | 0,92 | 0,90 |
| 3 | 32,5 | 80 | 0,88 | 0,79 |
| 4 | 29,0 | 80 | 0,88 | 0,87 |
| 5 | 33,0 | 55 | 0,65 | 0,50 |
| 6 | 32,0 | 56 | 0,74 | 0,50 |
Сплав на основе алюминия, содержащий магний, литий, цирконий, титан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий и висмут при следующем содержании элементов, мас.%:
Магний 4,0-5,6
Литий 1,3-1,8
Цирконий 0,08-0,15
Титан 0,05-0,1
Бор 0,0001-0,0005
Бериллий 0,001-0,01
Висмут 0,01-0,1
Алюминий Остальное
