Деформируемый сплав системы алюминий-железо и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2258094:
Региональный общественный фонд Содействия защите интеллектуальной собственности (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам из алюминия системы алюминий-железо. Сплав может быть использован для изготовления фольги и тонких листов, применяемых для последующего изготовления упаковки в пищевой, фармакологической, косметической и других областях промышленности. Предложенные сплав и изделия, выполненные из него, содержат следующие компоненты, мас.%: железо 0,2-2,5, кремний 0,02-1,5, титан 0,001-0,08, никель и/или кобальт не более 0,15, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей бор, углерод, ванадий не более 0,05, алюминий и примеси - остальное, при этом содержание в примесях каждого из следующих элементов: свинец, кадмий, натрий, кальций не превышает 0,03, а их сумма - 0,08. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности тонких листов и фольги из сплава системы алюминий-железо в отожженном состоянии, что в свою очередь позволяет расширить сортамент изготавливаемых изделий из этого сплава и снизить трудоемкость при изготовлении упаковочной тары. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам из алюминия системы алюминий-железо. Сплав может быть использован для изготовления фольги и тонких листов, применяемых для последующего изготовления упаковки в пищевой, фармакологической, косметической и других областях промышленности.
Сплавы системы алюминий-железо имеют относительно невысокие значения прочности, но обладают высокой технологичностью при холодной прокатке и поэтому широко используются при производстве тонких листов и особенно фольги для упаковки в различных отраслях промышленности.
Единственным методом повышения прочности этих сплавов является холодная деформация прокаткой (нагартовка), которая проводится после отжига. Холодная прокатка повышает прочностные свойства фольги и тонких листов, но значительно снижает их пластичность, штампуемость, повышает анизотропию механических свойств.
Упаковочные изделия изготавливают из фольги и тонких листов из сплавов системы алюминий-железо в отожженном состоянии или после нагартовки.
К указанным сплавам в первую очередь относятся отечественные сплавы АЖ06, АЖ08, АЖ1. Сплав системы алюминий-железо (АЖ1), ГОСТ 745-79, содержит следующие компоненты, мас.%:
| Железо | 0,95-1,15 |
| Кремний | до 0,2 |
| Медь | до 0,01 |
| Цинк | до 0,06 |
| Титан | до 0,03 |
| Прочие примеси до 0,05 каждой и в сумме до 0,5 | |
| Алюминий | 98,35-98,55 |
Этот сплав имеет высокую технологичность при холодной прокатке, что позволяет изготавливать из него фольгу и тонкие листы.
Однако сплав обладает недостаточно высокой прочностью в отожженном состоянии и низкой пластичностью и имеет высокую анизотропию свойств после нагартовки, что ограничивает области его применения, повышает трудоемкость при изготовлении упаковки.
В качестве наиболее близкого аналога для сплава и изделия, выполненного из него, рассматривается патент US 4325755 (С 2221/02, опубл. 1982 г.), в котором раскрыт сплав системы алюминий-железо и изделие из этого сплава, содержащий следующие компоненты, мас.%:
| Железо | 0,6-1,0 |
| Кремний | 0,5-0,9 |
| Медь | 0,3-0,5 |
| Марганец | до 0,3 |
| Титан+бор | 0,006-0,06 |
| Примеси до 0,05 каждой и до 0,15 в сумме | |
| Алюминий | остальное |
Тонкие листы и фольга из этого сплава обладают достаточно высокими значениями прочностных свойств только после холодной прокатки (нагартовки) со степенью деформации от 30 до 60%. К недостаткам сплава следует отнести низкую пластичность после нагартовки 30-60%, что приводит к ограничению сортамента изготавливаемых изделий, повышает трудоемкость при изготовлении упаковки.
Задачей изобретения является создание сплава системы алюминий-железо, обладающего повышенной прочностью и пластичностью в отожженном состоянии.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и пластичности тонких листов и фольги из сплава системы алюминий-железо в отожженном состоянии, что в свою очередь позволяет расширить сортамент изготавливаемых изделий из этого сплава и снизить трудоемкость при изготовлении упаковочной тары.
Технический результат достигается тем, что деформируемый алюминиевый сплав, содержащий железо, кремний, титан, алюминий и примеси, дополнительно содержит никель и/или кобальт, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей бор, углерод, ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Железо | 0,2-2,5 |
| Кремний | 0,02-1,5 |
| Титан | 0,001-0,08 |
| Никель и/или кобальт | не более 0,15 |
| По меньшей мере, один элемент, выбранный из группы включающей бор, углерод, ванадий | не более 0,05 |
| Алюминий и примеси | остальное, |
при этом содержание в примесях каждого из следующих элементов: свинец, кадмий, натрий, кальций не превышает 0,03, а их сумма - 0,08.
Сплав дополнительно может содержать, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей: хром, цирконий, церий, молибден, иттрий, гафний, скандий, ниобий, тантал, вольфрам, в количестве, не превышающем 0,8 мас.%, с содержанием каждого элемента - до 0,4 мас.%.
Сплав также дополнительно может содержать, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы включающей марганец, медь, серебро, цинк, в количестве, не превышающим 1,5 мас.%, с содержанием каждого элемента - до 1 мас.%.
В качестве примесей сплав также может содержать такие элементы, как висмут, олово, галлий, калий, барий, бериллий, ртуть, серу, фосфор, мышьяк, сурьму, стронций, кислород в количестве не более 0,05 мас.% каждого, водород в количестве не более 2,5×10-5 мас.%, и магний в количестве не более 0,3 мас.%.
Технический результат достигается также тем, что изделие, выполнено из сплава вышеприведенного состава. Изделие может быть фольгой или тонким листом. Изделие может быть частью многослойного упаковочного материала. На изделие может быть нанесен с одной или двух сторон лак, оно может быть покрыто пленкой, пластиком, бумагой, окрашено. Изделие может являться частью тары или упаковки для хранения сыпучих, твердых, жидких пищевых и не пищевых продуктов, лекарств, косметических средств.
Сущность изобретения заключается в следующем. В известных сплавах образуются интерметаллидные фазы AlFe и AlFeSi, которые, так же как чистый кремний, присутствуют в виде грубых пластин, приводящих к снижению пластичности. Эти выделения практически не упрочняют сплав.
Состав предложенного сплава подобран таким образом, что Со и/или Ni, с одной стороны, образуют с алюминием и титаном мельчайшие интерметаллиды дополнительно упрочняющие сплав, а с другой - входят в состав железосодержащих фаз, меняют их морфологию с пластинчатой на сферическую, что приводит к повышению пластичности сплава. Добавки бора, углерода и ванадия также способствуют упрочнению сплава за счет образования интерметаллидных соединений с алюминием и между собой.
Ограничение содержания примесей свинца, кадмия, натрия и кальция также способствует повышению пластичности сплава и, кроме того, обеспечивает возможность применения сплава для упаковки пищевых продуктов.
Наличие в сплаве одного или нескольких элементов из группы: хром, цирконий, церий, молибден, иттрий, гафний, скандий, ниобий, тантал, вольфрам, приводит к измельчению зерна за счет антирекристаллизационного и модифицирующего действия, в результате чего дополнительно повышается пластичность и прочность сплава.
Наличие одного или нескольких элементов из группы марганец, медь, серебро, цинк также обеспечивает дополнительное повышение прочности сплава за счет твердорастворного упрочнения.
Все это приводит к получению фольги и тонких листов, обладающих в отожженном состоянии более высокой прочностью и пластичностью, что позволяет расширить сортамент изготавливаемых изделий, повысить срок службы и снизить трудоемкость их изготовления.
Примеры.
Отливали плоские слитки толщиной 55 мм из известного сплава и предлагаемого (состав 1 и 2) и слиток толщиной 8 мм из предлагаемого сплава (состав 3). Химический состав сплавов приведен в таблице 1.
Слитки толщиной 55 мм гомогенизировали при температуре 580-600°С в течение 5-6 часов. Горячую прокатку слитков проводили при температуре 420-470°С до толщины 3,5 мм. Затем проводили отжиг при температуре 380°С в течение 1 часа и прокатывали вхолодную до толщины 0,4 мм, снова отжигали при той же температуре и прокатывали вхолодную до толщины 10 мкм. Полученную фольгу отжигали при температуре 310-330°С.
Слиток толщиной 8 мм прокатывали вхолодную до толщины 0,4 мм, затем отжигали при температуре 360°С в течение 1 часа и прокатывали вхолодную на толщину 10 мкм. После этого фольгу отжигали при температуре 310-330°С. Механические свойства фольги приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав по сравнению с известным имеет прочностные свойства на 20-30% выше, а пластичность выше в 1,5-2,5 раза.
Таким образом, изобретение позволяет повысить прочность и пластичность фольги и тонких листов, что приводит к повышению срока службы изделий, расширяет их сортамент, снижает трудозатраты на их изготовление.
| Таблица №1 | |||||
| Состав сплава | Известный | Предлагаемый | |||
| 1 | 2 | 3 | |||
| Химический состав, масс % | Fe | 0,8 | 0,85 | 1,3 | 1,0 |
| Si | 0,7 | 0,81 | 0,9 | 0,2 | |
| Ti | 0,023 | 0,003 | 0,01 | 0,03 | |
| Ni | - | 0,006 | 0,0008 | - | |
| Со | - | - | 0,05 | 0,0085 | |
| В | 0,001 | 0,0005 | - | 0,0003 | |
| С | - | 0,00003 | 0,00002 | - | |
| V | - | - | 0,005 | - | |
| Pb | - | 0,0005 | 0,006 | 0,004 | |
| Cd | - | 0,006 | 0,0008 | 0,0002 | |
| Na | - | 0,0003 | 0,0001 | 0,003 | |
| Са | - | 0,0005 | 0,00009 | 0,002 | |
| Cr | - | 0,01 | - | ||
| Zr | - | - | 0,01 | ||
| Се | - | - | 0,0005 | ||
| Мо | - | 0,0003 | - | ||
| Y | - | 0,0003 | - | ||
| Hf | - | - | 0,0003 | ||
| Sc | - | - | 0,0002 | ||
| Nb | - | - | 0,0003 | ||
| Та | - | 0,0003 | - | ||
| W | - | 0,0002 | - | ||
| Mn | 0,15 | - | 0,4 | 0,05 | |
| Cu | 0,41 | - | 0,08 | 0,005 | |
| Ag | - | - | 0,0001 | ||
| Zn | - | 0,08 | - |
| Таблица №2 | |||||
| Сплав | Продольное направление | Поперечное направление | |||
| σв, Кг/мм2 | δ, % | σв, Кг/мм2 | δ, % | ||
| Известный | 12,0 | 4,0 | 10,0 | 2,8 | |
| Предлагаемый | 1 | 14,8 | 6,5 | 13,8 | 6,2 |
| 2 | 15,5 | 7,0 | 14,8 | 6,5 | |
| 3 | 16,0 | 7,3 | 15,0 | 7,0 |
1. Деформируемый алюминиевый сплав, содержащий железо, кремний, титан, алюминий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель и/или кобальт, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей бор, углерод, ванадий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Железо | 0,2-2,5 |
| Кремний | 0,02-1,5 |
| Титан | 0,001-0,08 |
| Никель и/или кобальт | Не более 0,15 |
| По меньшей мере, один элемент, | |
| выбранный из группы, включающей | |
| бор, углерод, ванадий | Не более 0,05 |
| Алюминий и примеси | Остальное |
при этом содержание в примесях каждого из следующих элементов: свинец, кадмий, натрий, кальций не превышает 0,03, а их сумма - 0,08.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей хром, цирконий, церий, молибден, иттрий, гафний, скандий, ниобий, тантал, вольфрам, в количестве, не превышающем 0,8 мас.%, с содержанием каждого элемента до 0,4 мас.%.
3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, включающей марганец, медь, серебро, цинк, в количестве, не превышающем 1,5 мас.%, с содержанием каждого элемента до 1 мас.%.
4. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп.1-3.
5. Изделие по п.4, отличающееся тем, что оно выполнено в виде фольги или тонкого листа.
6. Изделие по п.5, отличающееся тем, что оно является частью многослойного упаковочного материала.
7. Изделие по любому из пп.4-6, отличающееся тем, что оно является частью тары или упаковки для хранения сыпучих, твердых, жидких пищевых и непищевых продуктов, лекарств, косметических средств.
