Нестареющий алюминиевый сплав в качестве полуфабриката для изготовления конструкций

Изобретение относится к упрочняемым естественным старением сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде полуфабрикатов в качестве конструкционного материала. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: магний 5,0-5,6, титан 0,01-0,05, бериллий 0,0001-0,005, цирконий 0,05-0,15, скандий 0,18-0,30, церий 0,001-0,004, марганец 0,05-0,18, медь 0,05-0,15, цинк 0,05-0,15, элементы из группы, содержащей железо и кремний 0,04-0,24, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5, алюминий остальное. Техническим результатом изобретения является разработка сплава, обладающего улучшенными статическими и динамическими прочностными свойствами, способствующими повышению срока службы и эксплуатационной надежности, а также снижению веса конструкций, изготовленных из него. 2 табл.

 

Настоящее изобретение относится к составу сплавов, прежде всего природно-твердых сплавов-полуфабрикатов, которые в таком виде предназначены для применения в качестве материала для изготовления различных конструкций.

Природно-твердые алюминиевые сплавы, используемые в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. ГОСТ 4784-74), находят широкое применение в металлургии, прежде всего, однако, в виде сплава АМг6, в состав которого входят следующие компоненты (мас.%):

магний5,8-6,8
марганец0,5-0,8
титан0,02-0,1
бериллий0,0002-0,005
алюминийостальное

Однако сплав подобного состава не обладает достаточными прочностными свойствами, что проявляется прежде всего в малом условном пределе текучести σ0,2 у подвергнутых холодной или горячей обработке давлением полуфабрикатов.

К уровню техники относится также природно-твердый алюминиевый сплав, используемый в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. патент RU 2085607, МПК С 22 С 21/06) и имеющий в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого в изобретении сплава следующий химический состав (мас.%):

магний3,9-4,9
титан0,01-0,1
бериллий0,0001-0,005
цирконий0,05-0,15
скандий0,20-0,50
церий0,001-0,004
алюминийостальное

Такой известный сплав не обладает достаточной статической и динамической прочностью, но одновременно с этим характеризуется хорошей обрабатываемостью в производственном процессе, высокой коррозионной стойкостью, высокой свариваемостью и высокой пригодностью к работе в условиях низких температур.

В настоящем изобретении предлагается новый природнотвердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката, в состав которого в указанных ниже количествах (мас.%) помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк и элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний5,0-5,6
титан0,01-0,05
бериллий0,0001-0,005
цирконий0,05-0,15
скандий0,18-0,30
церий0,001-0,004
марганец0,05-0,18
медь0,05-0,15
цинк0,05-0,15
элементы из группы,
включающей железо и кремний0,04-0,24
алюминийостальное

Предлагаемый в изобретении сплав отличается от традиционных сплавов тем, что в его состав в указанных ниже количествах (мас.%) дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний5,0-5,6
титан0,01-0,05
бериллий0,0001-0,005
цирконий0,05-0,15
скандий0,18-0,30
церий0,001-0,004
марганец0,05-0,18
медь0,05-0,15
цинк0,05-0,15
элементы из группы,
включающей железо и кремний0,04-0,24
алюминийостальное

Достигаемый с помощью изобретения технический результат состоит в улучшении статических и динамических прочностных свойств сплава, благодаря чему повышаются срок службы и эксплуатационная надежность, а также снижается удельный вес подверженных статическим и динамическим нагрузкам изготовленных из него конструкций, прежде всего конструкций различных атмосферных и космических летательных аппаратов, включая таковые, работающие на криогенном топливе.

Основой сплава предлагаемого в изобретении химического состава с предлагаемым в изобретении соотношением между содержащимися в нем химическими компонентами является в первую очередь пластичная матрица, которая образована твердым раствором магния, марганца, меди и цинка в алюминии.

Особо высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе под воздействием динамической знакопеременной нагрузки обусловлена высокой пластичностью его матрицы. Вторичные выделения в виде высокодисперсных интерметаллических частиц, содержащих алюминий, скандий, цирконий, титан и другие присутствующие в сплаве переходные металлы, придают этому сплаву не только высокую статическую прочность, но и высокую трещиностойкость при знакопеременной нагрузке. Заданное соотношение между железом и кремнием позволяет оптимизировать морфологию образующихся при застывании первичных интерметаллических соединений, которые преимущественно состоят из алюминия, железа и кремния и которые повышают статическую прочность сплава при сохранении на неизменном уровне его динамической прочности и пластичности.

Пример

В электрической печи приготавливали расплав из алюминия марки А85, магния марки MG90, меди марки МО, цинка марки TsO и вводимых в качестве добавки двойных лигатур в виде двойных систем, таких, например, как алюминий-титан, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-церий, алюминий-марганец, алюминий-железо и силумин, после чего из предлагаемого в изобретении сплава с минимальным (состав 1), оптимальным (состав 2) и максимальным (состав 3) содержанием компонентов, включая сплавы с выходящим за существующие в настоящее время ограничения содержанием компонентов (составы 4 и 5), а также из традиционного сплава (состав 6) методом полунепрерывного литья отливали плоские болванки размером 165×550 мм (таблица 1).

Таблица 1
СплавСоставХимический состав, мас.%
МагнийТитанБериллийЦирконийСкандийЦерийМарганецМедьЦинкЖелезоКремнийЖелезо/кремний*Алюминий
Сплав по изобретению15,00,010,00010,050,180,0010,050,050,050,020,021остальное
25,30,030,0030,10,240,0020,120,10,10,100,033,33остальное
35,60,050,0050,150,300,0040,180,150,150,20,045остальное
Сплав с увеличенным содержанием элементов44,50,0050,000050,010,120,00050,020,010,010,010,020,5остальное
56,00,10,010,20,360,0080,250,250,250,50,086,25остальное
Известный сплав64,40,050,0030,10,30,002------остальное
Примечание:

* Соотношение между содержанием железа и кремния.

При получении сплава в условиях металлургического производства в качестве добавки можно использовать лом и отходы сплавов алюминия и магния.

Литые болванки подвергали гомогенизации и механической обработке до толщины, равной 140 мм. После этого болванки подвергали горячей прокатке при температуре 400°С до толщины, равной 7 мм, а затем холодной прокатке до толщины, равной 4 мм. Полученные в результате холодной прокатки листы подвергали термической обработке в электрической печи. Полученные в результате термообработанные листы служили материалом для испытаний.

Вырезанные из листов стандартные поперечные образцы использовали для определения статического предела прочности при растяжении (σв, σ0,2, δ), атакже динамической прочности по следующим показателям:

- число циклов нагружения до разрушения (N) при определении малоцикловой усталости (МЦУ), для чего образцы испытывали при эффективном коэффициенте концентрации напряжений Kt=2,5 и максимальном напряжении σmax=160 МПа,

- скорость распространения трещины da/dN при коэффициенте интенсивности напряжений ΔК=31,2 МПа√м,

- критический коэффициент интенсивности напряжений КС в плоском напряженном состоянии при ширине образца (В) 160 мм.

Все испытания проводили при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2
СплавСоставСвойства термообработанных листов
σв [МПа]σ0,2 [МПа]δ [%]МЦУ [число циклов] (Kt=2,5; σmax=160 МПа)da/dN [мм/цикл] (ΔК=31,2МПа√м)КС [МПа√м] (В=160 мм)
Сплав по изобретению139027517150×1032,3×10-362
240028016140×1032,5×10-363
341029015140×1033,3×10-362
Сплав с увеличенным содержанием элементов437026018130×1033,8×10-362
542031513110×1034,0×10-360
Известный сплав638027515130×1033,8×10-362

Приведенные в таблице 2 данные подтверждают, что предлагаемый в изобретении сплав обладает более высокой статической и динамической прочностью по сравнению с традиционным сплавом. Подобные свойства позволяют на 10-15% уменьшить вес изготавливаемых из предлагаемого в изобретении сплава конструкций и тем самым сократить производственные расходы, что имеет важное значение прежде всего в авиационной промышленности. Высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе в условиях воздействия статических и динамических нагрузок, а также тот факт, что предлагаемый в изобретении сплав является природно-твердым сплавом, который обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью, позволяют использовать его в конструкции совершенно новых атмосферных и космических летательных аппаратов, морских судов либо наземных и иных транспортных средств, конструкционные элементы которых соединяются сваркой. Предлагаемый в изобретении сплав можно использовать в качестве основного материала в сварных конструкциях, а также в качестве присадочного материала при выполнении сварных соединений.

Природно-твердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката для изготовления конструкций, отличающийся тем, что в его состав в указанных ниже количествах, мас.%, помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

Магний5,0-5,6
Титан0,01-0,05
Бериллий0,0001-0,005
Цирконий0,05-0,15
Скандий0,18-0,30
Церий0,001-0,004
Марганец0,05-0,18
Медь0,05-0,15
Цинк0,05-0,15
Элементы из группы,
включающей железо и кремний0,04-0,24
АлюминийОстальное



 

Похожие патенты:
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.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварочным материалам, и может быть использовано для сварки алюминиевых сплавов системы Al-Mg, Al-Mg-Li, Al-Zn-Mg-Cu. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к алюминиевым сплавам. .
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.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для применения в сварных конструкциях. .

Изобретение относится к области металлургии сплавов цветных металлов, в частности к получению алюминиево-магниевых сплавов, дисперсионно упрочненных тугоплавкими соединениями.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано в машиностроении, судостроительной и авиационной промышленности, например, при создании деталей двигателей.

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия системы Al-Mn, для производства тонких холоднокатаных листов, используемых для последующей холодной формовки в изделиях сложной формы, таких как сосуды, емкости, банки и др., в том числе сварные конструкции.

Изобретение относится к металлургии деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, предназначенных для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала в судостроении, авиакосмической технике и транспортном машиностроении.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы AL-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для панелей, стрингеров и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях.
Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, используемых в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники и транспортного машиностроения в виде обшивки и внутреннего силового набора

Изобретение относится к литейному и прокатному производству

Изобретение относится к сплавам типа Al-Zn-Mg, а именно к сплавам, предназначенным для сварных конструкций, таких как конструкции, используемые в области морского строительства, при изготовлении кузовов автомобилей, промышленных транспортных средств и неподвижных или подвижных резервуаров
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству алюминиевого литейного сплава для сварных конструкций массового производства, работающих в условиях знакопеременных нагрузок в различных климатических зонах

Изобретение относится к литейному и прокатному производству
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для теплообменников системы терморегулирования космических летательных аппаратов
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для паяных конструкций теплообменников космических летательных аппаратов, получаемых методами высокотемпературной пайки
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сварочным материалам, предназначено для изготовления сварочной проволоки для сварки плавлением конструкций из деформируемого термически неупрочняемого сплава системы Al-Mg-Sc
Наверх