Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия

Изобретение относится к области деформируемых термически неупрочняемых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала в виде деформированных полуфабрикатов в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности и др. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: магний - 5,5-6,5, скандий - 0,10-0,20, марганец - 0,5-1,0, хром - 0,10-0,25, цирконий - 0,05-0,20, титан - 0,02-0,15, цинк - 0,1-1,0, бор - 0,003-0,015, бериллий - 0,0002-0,005, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является получение сплава, обладающего высокой технологической пластичностью и имеющего характеристики прочности на уровне сплава прототипа. 2 табл.

 

Предложенное изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала в виде деформированных полуфабрикатов в различных отраслях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности, транспортном машиностроении и др.

Существует ряд деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов средней прочности, легированных магнием, марганцем, цирконием и другими переходными металлами в количестве, обеспечивающем оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств. Самым распространенным из этой группы сплавов является сплав марки 1561, химический состав которого регламентирован ОСТ 1.92014-90.

В настоящее время разработаны более прочные термически неупрочняемые сплавы системы алюминий-магний-скандий.

Наиболее близким по технической сущности и принятым нами за прототип является термически неупрочняемый Al-Mg-Sc сплав, состав которого раскрыт в патенте РФ №2081934. Данный сплав содержит следующие компоненты в мас.%:

магний	5,3-6,5
марганец	0,2-0,7
цирконий	0,02-0,15
бериллий	0,0001-0,005
скандий	0,17-0,35
по крайней мере один металл из группы,
содержащей титан и хром	0,01-0,25
алюминий	остальное

Недостатком этого сплава является его невысокая технологическая пластичность, препятствующая применению сложных схем напряженно-деформированного состояния при пластической обработке (например, при ковке, штамповке и т.д.).

Техническим результатом предложенного изобретения является создание сплава, обладающего высокой технологической пластичностью с характеристиками прочности на уровне сплава прототипа, который достигается тем, что в сплав на основе алюминия, содержащий магний, скандий, марганец, хром, цирконий, титан, бериллий, дополнительно введены цинк и бор, понижено содержание скандия, ограничено минимальное суммарное содержание скандия, марганца и хрома до 0,85% и компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%:

магний	5,5-6,5
скандий	0,10-0,20
марганец	0,5-1,0
хром	0,10-0,25
цирконий	0,05-0,20
титан	0,02-0,15
цинк	0,1-1,0
бор	0,003-0,015
бериллий	0,0002-0,005
алюминий	остальное

Магний и марганец в сплаве являются наиболее эффективными упрочнителями. Марганец также снижает склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.

Скандий наиболее эффективный модификатор и легирующий элемент, способствует сохранению нерекристаллизованной структуры, повышает механические свойства алюминиевых сплавов. Однако при повышенном его содержании в многокомпонентных сплавах снижается их технологическая пластичность.

При содержании скандия менее 0,10% прочностные свойства предлагаемого сплава становятся ниже свойств сплава прототипа.

Легирование сплава хромом способствует более гомогенному выделению дисперсных интерметаллидов, повышает прочностные свойства сплава, повышает стойкость против коррозионного растрескивания.

Благодаря тому что марганец и хром кристаллизуются в алюминиевых сплавах по эвтектической и перитектической реакциям соответственно, марганец способствует упрочнению периферийных объемов зерна, а хром - внутренних.

Введение циркония в сплав усиливает влияние скандия, оказывает модифицирующее действие на структуру слитков, измельчает выделения β-фазы, обеспечивает получение нерекристаллизованной структуры деформированных полуфабрикатов, снижает склонность к образованию трещин при сварке, повышает механические свойства сварных соединений.

Бериллий предохраняет металл в процессе плавки от окисления.

Титан является одним из наиболее активных модификаторов алюминиевых сплавов, повышает их прочностные и пластические свойства.

Легирование сплава цинком повышает его технологическую пластичность и прочностные характеристики. Совместное введение цинка и хрома улучшает коррозионную стойкость сплава под напряжением.

При содержании цинка менее 0,1% его влияние малоэффективно.

При содержании цинка более 1,0% снижается технологическая пластичность сплава, вследствие образования интерметаллической Al-Zn-Mg фазы Т.

Бор модифицирует структуру сплава, повышает его технологичность. Введение бора в сплав увеличивает способность сплава к деформированию, что обеспечивает возможность изготовления поковок и штамповок. При совместном введении в сплав бора и титана эффект модифицирования значительно усиливается и повышаются механические свойства сплава.

При содержании бора меньше 0,003% прочность предлагаемого сплава не достигает прочности сплава прототипа.

При содержании бора более 0,015% он не оказывает существенного влияния на структуру и прочностные свойства сплава.

При суммарном содержании скандия, марганца и хрома менее 0-85% прочностные свойства сплава становятся ниже свойств сплава прототипа.

Обеспечение прочности предлагаемого сплава на уровне свойств сплава прототипа достигается при суммарном содержании скандия, марганца и хрома не менее 0,85%.

Уменьшение содержания скандия в предлагаемом сплаве существенно - в 1,5-2,0 раза - снижает его стоимость по сравнению с прототипом.

Пример

Из сплава предлагаемого состава с легированием на нижнем (с учетом суммарного содержания скандия, марганца и хрома не менее 0,85%), среднем, верхнем уровнях и запредельными составами, а также из сплава прототипа (см. табл.1) изготавливали образцы для исследования.

Плавки производились в отражательной электропечи. В качестве шихты использовали алюминий марки А85, магний марки МГ, цинк марки Ц0, лигатуры алюминия со всеми легирующими элементами, входящими в состав сплава.

Методом полунепрерывного литья отливали слитки сечением 60×240 мм. Слитки гомогенизировали при температуре 400^±5°С в течение 24 часов. Из слитков механической обработкой изготавливали заготовки для прокатки размером 55×230×350 мм. Заготовки нагревали до температуры 400-420°С и прокатывали на листы толщиной 10 мм. Полученные листы подвергали исследованию.

Прочностные свойства листов определяли при комнатной температуре при испытании стандартных круглых образцов на растяжение.

В качестве характеристик прочности брали предел прочности (σ_в) и предел текучести (σ_0,2).

Деформируем ость металла при горячей обработке (технологическую пластичность) оценивали при температуре 420°С по результатам прокатки клиновых образцов и осадки цилиндрических образцов, вырезанных из слитка. Для оценки деформируемости при прокатке клиновых образцов использовали критерий К=l₁/l₀×100%, где l₀ - полная длина деформированного образца, l₁ - длина деформированной части образцов до первой трещины. Для оценки деформируемости при осадке образца брали относительную деформацию ε=(h₀-h₁)/h₀×100%, где h₀ - начальная высота образца, h₁ - высота образца в момент появления на боковой поверхности первой трещины.

Результаты механических испытаний и данные по деформируемости сплава при температуре горячей пластической обработки (технологическая пластичность) приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав обладает более высокой, чем прототип, технологической пластичностью - способностью к деформированию при горячей обработке давлением.

Результаты механических испытаний показывают, что предлагаемый сплав по прочностным характеристикам (σ_в=411-428 МПа; σ_0,2=288-304 МПа), не уступает сплаву-прототипу.

При запредельно пониженном содержании легирующих элементов снижаются прочностные свойства сплава, а при запредельно повышенном их содержании снижается технологическая пластичность сплава.

Технико-экономический эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в повышении выхода годного при горячем деформировании высокопрочных полуфабрикатов, возможности изготовления высокопрочных полуфабрикатов с использованием сложных схем напряженно-деформированного состояния (например, ковкой и штамповкой) и увеличении производительности процесса изготовления полуфабрикатов за счет повышения технологичности сплава при существенном снижении его стоимости.

Таблица 1 Содержание основных компонентов в предлагаемом сплаве и прототипе
Сплав	№ состава	Химический состав, мас.%
Магний Mg	Скандий Sc	Марганец Mn	Хром Cr	Цирконий Zr	Титан Ti	Цинк Zn	Бор В	Бериллий Be	Sc+Mn +Cr	Алюминий Al
Предлагаемый	1	5,5	0,10	0,65	0,10	0,05	0,02	0,1	0,003	0,0002	0,85	Остальное
	2	6,0	0,15	0,50	0,22	0,11	0,10	0,6	0,008	0,0026	0,87	Остальное
3	6,5	0,20	1,0	0,25	0,20	0,15	1,0	0,015	0,005	1,45	Остальное
С запредельным содержанием компонентов	4	5,4	0,09	0,40	0,13	0,04	0,01	0,09	0,002	0,0001	0,62	Остальное
5	6,6	0,21	1,10	0,26	0,21	0,16	1,1	0,017	0,0052	1,57	Остальное
Прототип	6	6,3	0,23	0,50	0,23	0,08	0,04	-	-	0,001		Остальное

Таблица 2 Механические свойства предлагаемого сплава и прототипа
Сплав		Механические свойства листов
	№ состава	Прочностные свойства*	Технологическая пластичность, %**
Предел прочности (σв), МПа	Предел текучести (σ0,2), МПа	При прокатке, К	При осадке, ε
Предлагаемый	1	411	288	92	76
	2	420	295	87	72
3	428	304	84	60
С запредельным содержанием компонентов	4	398	274	94	74
5	432	306	82	62
Прототип	6	416	292	81	62
Примечание: * средние результаты па основании испытаний 5 образцов; ** средние результаты на основании испытаний 3 образцов.

Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, скандий, марганец, хром, цирконий, титан, бериллий, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цинк и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний	5,5-6,5
Скандий	0,10-0,20
Марганец	0,5-1,0
Хром	0,10-0,25
Цирконий	0,05-0,20
Титан	0,02-0,15
Цинк	0,1-1,0
Бор	0,003-0,015
Бериллий	0,0002-0,005
Алюминий	Остальное

при суммарном содержании скандия, марганца и хрома не менее 0,85%.