Металлические заготовки, подходящие для механической обработки
Изобретение может быть использовано для изготовления конструктивных элементов летательных аппаратов или пресс-форм для литья под давлением пластмасс или резины. Металлическая заготовка включает по меньшей мере две соединенные друг с другом металлические плиты из алюминиевых сплавов, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм. Предел текучести заготовки в заданном направлении в любой точке составляет по меньшей мере 75% от предела текучести исходной металлической плиты, определенного на четверти толщины в том же направлении. Заготовка из двух и более металлических плит большой толщины может быть получена при помощи их соединения сваркой взрывом, или электронным лучом, или адгезионным способом, или прокаткой, или ковкой. Металлическая заготовка большой толщины имеет хорошие механические характеристики по всей ее толщине и низкий уровень остаточных напряжений и позволяет получить деталь большого размера. 7 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл.
Предпосылки изобретения
Область техники
Настоящее изобретение относится к металлическим заготовкам, подходящим для механической обработки, например для изготовления инструментов или литейных форм больших размеров либо конструктивных элементов летательных аппаратов большой мощности.
Описание предшествующего уровня техники
Металлические заготовки, применяемые для изготовления механической обработкой деталей больших размеров, как правило, представляют собой прокатанные металлические плиты или кованые заготовки. При изготовлении таких толстых металлических плит, особенно толстых плит из алюминиевых сплавов, статические механические свойства в середине таких плит обычно ниже, чем такие же свойства в середине более тонких металлических плит или листов. Более конкретно, предел прочности на растяжение (Rm), предел текучести (Rp0,2) и относительное удлинение при разрыве (А) проявляют тенденцию к снижению (зачастую до неудовлетворительного уровня) при увеличении толщины металлического листа или плиты для какого-либо данного производственного процесса. В качестве примера Европейский стандарт EN 485-2 от ноября 1994 г. указывает следующие минимальные значения для прокатанных плит из алюминиевого сплава EN AW-6061 в металлургическом состоянии Т651: Rmmin=290 МПа для плит толщиной от 12,5 до 100 мм, и Rmmin=265 МПа для плит толщиной от 150 до 175 мм. Что касается относительного удлинения при разрыве, то снижение еще более значимо: гарантируемая минимальная величина составляет 8% для плит толщиной от 12,5 до 40 мм и 4% для плит толщиной от 150 до 175 мм. В соответствии со стандартом EN 485-1 у плит толщиной более 40 мм продольная ось образца должна находиться на расстоянии от одной из прокатываемых поверхностей, равном четверти толщины, а у плит толщиной менее 40 мм - половине толщины.
Подобное снижение статических механических свойств более существенно или заметно при анализе механических свойств на различных уровнях, находящихся ниже прокатанной поверхности. Например, образцы металлической плиты толщиной 200 мм, взятые на глубине 25, 50 и 100 мм от поверхности, показывают соответствующее снижение свойств. Такое явление, вызывающее множественные последствия, хорошо известно специалисту в данной области техники. Деформационное упрочнение металлической плиты во время прокатки может повысить ее значения Rm и Rp0,2, однако оно ограничено конструкцией стана горячей прокатки. Для того чтобы получить металлическую плиту, имеющую конечную толщину 100 мм, с помощью процесса прокатки, предполагающего снижение толщины наполовину, обычно необходимо использовать слиток для прокатки толщиной по меньшей мере 200 мм. Для того чтобы получить таким же способом металлическую плиту, имеющую конечную толщину 400 мм, необходимо использовать слиток для прокатки толщиной по меньшей мере 800 мм. Однако в настоящее время не существует прокатного стана для прокатки слитков или плит такой толщины. Плиты или слитки большой толщины могут быть подвергнуты деформационному упрочнению ковкой, однако для этого необходимы очень мощные ковочные прессы, которые достаточно редки, поэтому такой способ требует больших финансовых затрат.
В случае с толстыми металлическими плитами из упрочняемых при закалке сплавов скорость закалки влияет на статические механические свойства. Локальная скорость закалки для данного объема металлической плиты определяется удельной теплопроводностью материала и поэтому зависит от толщины металлической плиты или, точнее, от расстояния конкретного объемного элемента от поверхности, подвергающейся контакту с закаливающей средой.
При получении закаленных металлических плит процесс закаливания вызывает остаточные напряжения, которые могут привести к деформации металлической плиты, особенно при ее механической обработке. Поэтому подобные напряжения нежелательны и должны быть сведены к минимуму, к примеру, путем растяжения закаленных металлических плит. Растяжные машины, имеющиеся на большей части заводов, зачастую не предназначены для металлических плит толщиной более 100-200 миллиметров; их мощность также зачастую ограничена. Снижение внутренних напряжений в металлических плитах также может быть достигнуто путем сжатия таких металлических плит в ковочном прессе. В данном случае толщина металлической плиты может быть больше, однако тогда максимальное напряжение сжатия, обеспечиваемое ковочным прессом, становится ограничивающим фактором.
Снижение локальных статических механических свойств по толщине обычно нежелательно. То есть при изготовлении подвергаемых механической обработке деталей из металлических плит большой толщины именно локальные механические свойства поблизости от новой поверхности, получаемой в результате такой обработки, определяют свойства подвергнутой механической обработке детали. Например, при изготовлении пресс-формы для литья под давлением пластмассовых деталей путем механической обработки стальной заготовки или заготовки из алюминиевого сплава большой толщины проектировщик такой формы должен учитывать градиент статических механических свойств на основании толщины металлической заготовки в отличие от общих механических свойств заготовки. В частности, из-за того, что заготовке будет придана определенная форма и она будет подвергнута механической обработке, именно показатели статических свойств под наружной поверхностью приобретают важное значение, поэтому любое снижение свойств на определенной глубине под поверхностью должно быть учтено.
Другой недостаток известных из уровня техники продуктов относится к самому процессу механической обработки. К примеру, при механической обработке металлических плит большой толщины из алюминиевых сплавов на определенную глубину наблюдается снижение способности к механической обработке металла при проникновении внутрь плиты, поскольку металл в глубине мягче по сравнению с металлом поблизости от первоначальной наружной поверхности плиты. Кроме того, полирование подвергнутых механической обработке поверхностей и химическое или электролитическое зернение поверхностей, подвергнутых глубокой механической обработке, приводит к получению поверхностей более низкого качества, чем у поверхностей, получаемых из зон, расположенных поблизости от первоначальной наружной поверхности толстой плиты. Это происходит потому, что образование выделений (вторичных фаз) в середине алюминиевых плит большой толщины и образование выделений вблизи поверхности не обязательно одинаковы.
Для того чтобы преодолеть указанные недостатки, специалистами в данной области техники до настоящего времени применялся металлургический подход, включающий в себя изменение либо состава применяемого сплава, либо способа его изготовления. Это особенно наглядно в случае с алюминиевыми сплавами. Например, в соответствии с патентом США №6077363 (приведен здесь в качестве ссылки) остаточные напряжения металлического листа из сплава AlCuMg сводят к минимуму, подбирая оптимальный химический состав, особенно по отношению к марганцу, железу и кремнию, а также подбирая производственный процесс, включающий в себя несколько термомеханических стадий обработки.
Патент США №5277719 (Aluminum Company of America) (приведен здесь в качестве ссылки) описывает способ изготовления плит большой толщины с низкой пористостью из алюминиевого сплава из серии 7ххх, включающий в себя первую стадию предварительной ковки с коэффициентом уковки по меньшей мере 30%, предшествующую горячей прокатке. Заявка на патент ЕР 723033 А1 (Hoogovens Aluminum Walzprodukte) (приведена здесь в качестве ссылки) описывает способ изготовления металлической плиты большой толщины из алюминиевого сплава в результате осуществления одной или нескольких стадий ковки после первой стадии горячей прокатки. Целью данных способов является в основном улучшение усталостной прочности. Однако способ, описанный в ЕР 723033, также приводит к небольшому снижению предела прочности на растяжение металлических плит толщиной более 8 дюймов (около 205 мм).
Заявка на патент ЕР 989195 (Alusuisse Technology & Management AG) (приведена здесь в качестве ссылки) предусматривает способ снижения остаточных напряжений в листах из сплава AlCuMg, обеспечивающий гомогенное выделение субмикронных фаз Al3Zr по всей толщине металлического листа. Такие металлические листы могут быть получены путем горячей прокатки предназначенного для прокатки слитка, либо они могут быть непосредственно получены из отлитых плит без какой-либо прокатки.
Указанные различные средства, предлагаемые в уровне техники, ограничивают следующие возможности: (i) выбор сплавов, (ii) металлургические условия и (iii) способ изготовления металлической плиты и ее толщину. Кроме того, они не являются полностью удовлетворительными. К примеру, не существует приемлемого способа изготовления толстой алюминиевой металлической плиты, особенно толщиной более 200 мм, выполненной из термообрабатываемых сплавов, в которой локальные величины Rm и Rp0,2 не снижались бы существенно по направлению от поверхности до середины толщины. Наличие такого продукта сделает возможным изготовление более легких инструментов (приспособлений) во многих областях промышленности. Получение такого продукта большей толщины, чем известные металлические плиты, сделает возможным изготовление деталей большего размера, таких как литейные формы или инструменты, а также позволит улучшить полировку и зернение по всей их толщине.
Раскрытие изобретения
Поэтому целью настоящего изобретения является разработка металлического продукта большой толщины (т.е. заготовки толщиной более 25 мм, например толщиной более 200 мм, более 400 мм и даже более 600 мм), имеющего приемлемые механические характеристики по всей его толщине, а также относительно низкий уровень остаточных напряжений.
В соответствии с указанной и другими целями предусматривается металлическая заготовка (блок), подходящая для механической обработки. Такая металлическая заготовка включает в себя по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты (пластины), каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм и первоначальный предел текучести в заданном направлении, определенный на четверти толщины. Плиты могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга и обычно выбраны из сплавов, принадлежащих к одной и той же группе сплавов (т.е. алюминиевые сплавы серии 5ххх и т.д.). Предел текучести металлической заготовки, определяемый на ее образце, взятом из участка заготовки, не включающего зону соединения между металлическими плитами, составляет по меньшей мере 75% от предела текучести отдельной металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в том же заданном направлении.
В дальнейшем соответствии с настоящим изобретением предусматривается металлическая заготовка, подходящая для механической обработки. Такая металлическая заготовка включает в себя по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм и первоначальный предел текучести в заданном направлении, определенный на четверти толщины. Плиты могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга и состоят из сплавов, принадлежащих к одной и той же группе сплавов, при этом предел текучести в заданном направлении в любой точке заготовки составляет по меньшей мере 75% от предела текучести металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в заданном направлении.
В следующем соответствии с настоящим изобретением предусматривается металлическая заготовка, подходящая для механической обработки, при этом указанная металлическая заготовка включает в себя по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм и которые могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга, при этом указанные металлические плиты выбраны из группы, включающей в себя сплавы одной и той же группы сплавов, при этом предел текучести в любой данной точке в заданном направлении не отклоняется более чем на плюс или минус 15% от средней величины.
В очередном соответствии с настоящим изобретением предусматривается способ изготовления металлических заготовок, включающий в себя наложение одна на другую по меньшей мере двух металлических плит, имеющих по существу одинаковую длину и ширину, с постоянным зазором между ними для формирования сборки, обеспечение ограничителя вокруг боковых сторон сборки, размещение по всей верхней лицевой поверхности верхнего металлического листа взрывчатого вещества и детонацию взрывчатого вещества для осуществления соединения между плитами.
Дополнительные цели, признаки и преимущества данного изобретения указаны в нижеследующем описании и частично очевидны из описания или в результате осуществления данного изобретения. Цели, признаки и преимущества данного изобретения могут быть осуществлены и достигнуты с помощью средств и сочетания, конкретно указанных в прилагаемой формуле изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Металлические заготовки в соответствии с данным изобретением могут быть получены из плит различных металлов и сплавов, используемых при механической обработке с целью изготовления деталей большого размера, особенно из различных видов стали, медных и алюминиевых сплавов. Предпочтительно использование упрочняемых при закалке сплавов, что обеспечивает высокую механическую прочность в закаленном состоянии. Таким образом, структурно упрочненные алюминиевые сплавы из групп 2ххх, 6ххх и 7ххх предпочтительно используют в состоянии Т3 (закаленные, состаренные) или Т6 (закаленные, отпущенные). Группы алюминиевых сплавов и составы деформируемых алюминиевых сплавов описаны в Registration Records of The Aluminum Association, а также в стандартах EN 573, а обозначения состояний указаны в стандарте EN 515; указанные документы известны специалисту в данной области техники и приведены здесь во всей своей полноте в качестве ссылки.
Независимо от способа, применяемого для их сборки, металлические плиты должны быть как можно более ровными или плоскими, а также иметь относительно небольшой уровень остаточных напряжений; подобные первоначальные условия могут быть получены любым известным способом, таким как растягивание плит между зажимными губками растяжной машины или сжатие плит на ковочном прессе. При желании, согласно нижеприведенному описанию, состояние поверхности указанных плит может быть приведено в соответствие со способом, применяемым для их сборки. В большинстве случаев толщина каждой из накладываемых одна на другую металлических плит должна составлять по меньшей мере 12,5 мм. Толщина каждой плиты может быть одинаковой или различной. Общая толщина накладываемых одна на другую металлических плит предпочтительно составляет по меньшей мере 25 мм, наиболее предпочтительно по меньшей мере 40 мм.
Сборка толстых металлических плит вместе может быть осуществлена любым известным способом, обеспечивающим достаточную механическую прочность для предполагаемого применения собранной заготовки. В соответствии с данным изобретением заготовки могут быть получены путем наложения одна на другую по меньшей мере двух металлических плит, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм и первоначальный предел текучести в заданном направлении, определенный на четверти толщины, и которые могут быть одинаковыми или могут отличаться друг от друга. Металлические плиты предпочтительно выбраны из сплавов, принадлежащих к одной и той же «группе» сплавов (т.е. серия 2ххх, серия 7ххх и т.д. при использовании алюминиевых сплавов), а предел текучести в заданном направлении в любой точке заготовки, образованной наложенными одна на другую плитами, по меньшей мере равен 75%, предпочтительно по меньшей мере 85%, еще более предпочтительно по меньшей мере 90% от предела текучести металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в оцениваемом заданном направлении.
В соответствии с предпочтительным вариантом способ сборки заготовки выбирают таким образом, чтобы механическое сопротивление во всей заготовке было почти таким же, как и механическое сопротивление исходных металлических плит, даже в зоне соединения. В соответствии с данным описанием зона соединения обозначает те участки собранной заготовки, где соприкасаются и соединяются отдельные плиты, образующие заготовку.
Кроме того, связь между плитами должна иметь приемлемую механическую и термическую стабильность, а также другие характеристики, такие как удельная теплопроводность соединения между металлическими плитами или внешний вид поверхности, необходимые для предполагаемого конечного применения собранной заготовки. Такие механические и теплопроводные свойства, необходимые для различных видов предполагаемого конечного применения при изготовлении инструментов и литейных форм, хорошо известны специалистам в данной области.
В соответствии с данным изобретением могут быть получены металлические заготовки большой толщины (т.е. по меньшей мере 25 мм) с механическими свойствами, на которые до измеряемой степени не влияет общая толщина заготовки. Более конкретно, предел текучести, предел прочности и удлинение при разрыве, т.е. так называемые статические механические свойства, существенно меньше варьируются по всей толщине данной заготовки, чем у заготовок, получаемых в соответствии с известными способами.
В соответствии с предпочтительным вариантом металлическая заготовка большой толщины может быть получена путем сборки по меньшей мере двух наложенных одна на другую металлических плит из сплавов одной и той же группы, при этом каждая плита имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм. Предел текучести собранной металлической заготовки, определяемый в заданном направлении на ее образце, взятом в зоне соединения металлических плит, составляет по меньшей мере 75%, предпочтительно по меньшей мере 80% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90% от предела текучести металлической плиты (плит), имеющей(их) самый низкий первоначальный предел текучести в том же заданном направлении.
В соответствии с другим вариантом данного изобретения зона соединения наложенных одна на другую металлических плит имеет высокую механическую и термическую стабильность. Кроме того, другие характеристики, такие как удельная теплопроводность соединения двух металлических плит и/или внешний вид поверхности соединения или стыка, также являются удовлетворительными с точки зрения требований предполагаемого конечного применения собранной заготовки. Т.е. многие виды применения собранной заготовки требуют, чтобы стык ни в малейшей степени не был заметен визуально. Некоторые виды применения также требуют определенной теплостойкости с точки зрения максимальных значений температуры и периодов воздействия высоких температур. Таким образом, возможно получение заготовки, в которой локальный предел текучести Rp0,2, измеряемый в коротком поперечном направлении в зоне соединения, составляет по меньшей мере 75%, предпочтительно по меньшей мере 80% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90% от Rp0,2 металлической плиты (плит), имеющей(их) самый низкий первоначальный предел текучести в том же коротком поперечном направлении.
Таким образом, толстые металлические плиты могут быть собраны путем соединения любым известным способом, например, с применением клеевых пленок, пластмассовых листов или жидких клеящих веществ. К примеру, может быть использовано тонкое клеящее вещество или горячая полимеризуемая пленка, а полимеризация может быть осуществлена (к примеру, если сплав представляет собой структурно упрочненный сплав) во время отпуска металлических плит. Одно или двухкомпонентное жидкое клеящее вещество может также быть нанесено на поверхность одной или обеих собираемых металлических плит, а отверждение клеящего вещества может быть осуществлено либо путем выдерживания собранной заготовки в покое при комнатной температуре в течение достаточного периода времени, либо путем нагревания при достаточной температуре в течение определенного периода времени. Может быть также использован полимеризуемый пластмассовый лист, вставляемый между двумя толстыми металлическими листами и соответствующим образом нагретый для осуществления полимеризации и, следовательно, соединения. Во всех указанных случаях две и более металлических плит могут быть собраны вместе за один раз, а клеящее вещество может быть оставлено в покое с целью полимеризации или отверждения, причем сборку укладывают плоско-параллельно либо под собственной тяжестью металлической плиты, либо в результате приложения давления к соединяющим стыкам. Преимуществом клеевого соединения является его низкая стоимость, а недостатком является то, что соединение может оказаться довольно слабым. В любом случае соответствующая предварительная обработка (к примеру, сульфохромовое травление или пескоструйная очистка) поверхностей до нанесения клеящего вещества зачастую является желательной или необходимой.
Другим применимым способом сборки является горячая деформация двух и более наложенных одна на другую толстых металлических плит, к примеру, прокаткой или ковкой. Он представляет собой такой же вид металлургического связывания, как и связывание, получаемое в соответствии с известным способом нанесения покрытия на металлические плиты. Данный способ предпочтительно применяют для соединения толстых металлических листов или металлических плит из алюминиевых сплавов, таких как сплавы серии 5ххх, без какой-либо термической обработки. Он меньше подходит для структурно упрочненных сплавов, обычно требующих предварительного нагревания металлических плит, которое может изменить металлургическое состояние плит нежелательным образом. Применение данного способа может быть ограничено возможностью прокатных станов или ковочных прессов обрабатывать очень толстые металлические плиты либо максимальной мощностью, обеспечиваемой применяемым прокатным станом или ковочным прессом.
Металлические плиты также могут быть соединены сваркой, в особенности электронно-лучевой сваркой, т.е. способом, не приводящим к существенному ухудшению механических характеристик плит. Однако электронно-лучевая сварка может оказаться неподходящей для плит большого размера.
Другим способом сборки, предпочтительно применяемым в соответствии с настоящим изобретением, является взрывная сварка. Взрывная сварка известна много лет и в основном применяется для нанесения тонких металлических листов на толстые металлические листы из другого металла, особенно для получения слоя из благородного металла на толстом металлическом листе из обычной инструментальной стали. Данную методику иллюстрируют французские патенты FR 1381594, FR 1397963 и FR 1458506 от Asahi Kasei (приведены здесь во всей своей полноте в качестве ссылки). Большая часть из многочисленных примеров, описанных в указанных патентах, относится к нанесению тонкого металлического листа на стальной металлический лист, а некоторые из них описывают соединение двух тонких металлических листов толщиной порядка 1 мм, выполненных из одинакового металла (нержавеющая сталь или алюминий). Патент США №3024526 (Atlantic Richfield Corporation) ["патент'526"](содержание которого приведено здесь в качестве ссылки) также описывает взрывную сварку двух алюминиевых листов толщиной 0,062 дюйма (т.е. около 1,6 мм). Способ согласно патенту '526 не описывает применения взрывной сварки для получения заготовок большой толщины, состоящих из двух и более толстых металлических плит из одинакового металла, в частности из алюминиевых сплавов.
В соответствии с настоящим изобретением металлическая заготовка включает в себя по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, при этом каждая из них имеет толщину приблизительно 12,5 мм, предпочтительно по меньшей мере 25 мм и наиболее предпочтительно по меньшей мере 40 мм. Однако, если отдельные плиты имеют очень большую толщину, они могут иметь градиент статических механических свойств в зависимости от расстояния до поверхности прокатки.
В соответствии с предпочтительным вариантом собираемые плиты изготовлены из одинакового основного металла, и в том случае, если это применимо к данному базовому металлу, из сплавов одной группы. Термин «основной металл» означает, например, алюминий, сталь, медь, латунь и т.п. Термины «группа сплавов» и «сплав» относятся к алюминиевым сплавам в соответствии с вышеупомянутым стандартом EN 573 и Registration Record of the Aluminum Association, содержание которых приведено здесь в качестве ссылки. Согласно указанным документам алюминиевые сплавы подразделены на группы в соответствии с основными легирующими элементами: 1ххх (минимум 99,00 алюминия), 2ххх (Al-Cu), 3xxx (Al-Mn), 4xxx (Al-Si), 5xxx (Al-Mg), 6xxx (Al-Mg-Si), 7xxx (Al-Zn), 8xxx (другие легирующие элементы). Настоящее изобретение особенно применимо для тех основных металлов, групп сплавов и сплавов, из которых из-за технических ограничений или по экономическим причинам не могут быть получены заготовки очень большой толщины либо у которых при превращении в толстую плиту наблюдаются сильные различия статических механических свойств по всей толщине, особенно в том случае, когда термообрабатываемые алюминиевые сплавы принадлежат к группам 2ххх, 6ххх и 7ххх.
В соответствии с конкретным вариантом данного изобретения собираемые вместе толстые металлические плиты (толщиной по меньшей мере 12,5 мм) состоят из одинакового сплава и находятся в одинаковом металлургическом состоянии, т.е. изготовлены одинаковыми способами с целью получения гомогенных свойств.
Металлические плиты могут иметь одинаковую или различную толщину, при этом две и более металлические плиты могут быть собраны вместе за один или несколько этапов. Способ сборки взрывной сваркой может быть осуществлен любыми желаемыми путями, например, описанными в вышеупомянутых французских патентах и в патенте '526. Приемлемый и предпочтительный способ взрывной сварки в соответствии с настоящим изобретением включает в себя: (i) подготовку поверхности металлических плит зачисткой металлическими щетками или шлифовку и аккуратную очистку до нужной степени, (ii) накладывание один на другой металлических листов по существу одинакового формата (т.е. длина и ширина) с зазором между листами при помощи прокладки, вставляемой между ними (вставляемые детали), (iii) закрывание щели(ей) между металлическими плитами, к примеру, с применением клеевой ленты, (iv) размещение взрывчатого вещества, к примеру, порошка по всей поверхности самой верхней металлической плиты, и наконец (v) детонацию данного взрывчатого вещества для получения сварного соединения металлических плит по всем их поверхностям.
В соответствии с предпочтительным вариантом, основанным на применении взрывной сварки, используют плиты с удлинением А при разрыве в продольном направлении, составляющим более 13%, предпочтительно более 15%, и с энергией удара Шарпи по меньшей мере 30 джоулей.
Способ в соответствии с данным изобретением позволяет получать заготовки, толщина которых не ограничена мощностью оборудования для изготовления металлических плит (прокатные станы или ковочные прессы). Толщина заготовок предпочтительно составляет по меньшей мере 200 мм, более предпочтительно по меньшей мере 400 мм, наиболее предпочтительно по меньшей мере 600 мм. Из таких заготовок могут быть легко получены с помощью механической обработки детали очень больших размеров, например детали, которые могут быть использованы в качестве конструктивных элементов летательных аппаратов большой мощности из структурно упрочненных алюминиевых сплавов, инструментов или пресс-форм для литья под давлением различных видов пластмасс из стали и/или для медных и алюминиевых сплавов.
Изготовление указанных подвергнутых машинной обработке деталей может включать один или несколько способов, таких как обточка, фрезерование, сверление, расточка, пробивание, электроискровая обработка, зачистка, полировка и т.п., обычно применяемых в данной области. В некоторых случаях на по меньшей мере часть полученной таким образом поверхности также может быть нанесен слой твердого метала любым известным способом, например, описанным в заявке на патент ЕР 997253 А1 (Werkzuegbau Leiss Gmb) (приведена здесь в качестве ссылки), либо может быть нанесено керамическое покрытие известным способом, таким как физическое осаждение покрытия из газовой фазы (Physical Vapor Deposition). Заявитель обнаружил, что подобное металлическое покрытие особенно целесообразно в случае заготовок, собранных в результате клеевого соединения, когда глубокая машинная обработка пересекает соединенные стыки. Таким образом, при желании, имеющемся по каким-либо причинам, может быть осажден слой алюминия или другого металла.
Заявитель обнаружил способ изготовления заготовок из структурно упрочненного алюминиевого сплава, обеспечивающий особенно хорошие результаты. В частности, используют соединенные взрывом металлические плиты большой толщины, находящиеся в состоянии снятых напряжений, к примеру, в состоянии Т351 (обозначение в соответствии со стандартом EN 515). Затем заготовку большой толщины подвергают отпуску. В результате использования металлических плит со снятыми напряжениями большой толщины (т.е. по меньшей мере 12,5 мм) могут быть получены заготовки с очень низким уровнем остаточных напряжений, особенно хорошо подходящие для механической обработки. Более того, установлено, что металлические листы в состоянии Т351 обладают лучшей пластичностью, чем другие сравнимые листы или плиты, и такая улучшенная пластичность сводит к минимуму или даже предотвращает случайные трещины во время их сборки или манипуляций с ними.
Заготовки большой толщины из структурно упрочненных алюминиевых сплавов в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для изготовления (путем механической обработки) пресс-форм для литья под давлением пластмассовых или резиновых деталей. Они также могут быть использованы для получения (особенно путем механической обработки) конструктивных элементов летательных аппаратов, особенно летательных аппаратов большой мощности. Для последнего назначения особенно подходят такие сплавы, как АА7040 или АА7075.
Примеры
Пример 1 (предшествующий уровень техники)
Металлические листы большой толщины из алюминиевого сплава 7449 были изготовлены в состоянии Т651 в соответствии с методикой, известной специалисту в данной области. Толщина полученных металлических листов составляла от 50 до 150 мм. Предел текучести Rp0,2 измеряли в направлении TL на четверти толщины. Результаты суммированы в табл.1. При увеличении толщины е металлических листов наблюдается очень сильное снижение Rp0,2.
| Таблица 1 | ||||
| е (мм) | 50 | 75 | 100 | 150 |
| Rp0,2 (МПа) | 584 | 575 | 564 | 508 |
Пример 2 (изобретение)
Получили две металлические плиты из алюминиевого сплава 7075 одинакового формата (т.е. длина и ширина) толщиной 25 и 70 мм соответственно. Сплав имел следующий состав (мас.%): Si=0,08; Fe=0,15; Cu=1,56; Mn=0,03; Mg=2,30; Cr=0,19; Zn=5,92; Ti=0,03.
Полученные металлические плиты подвергали термообработке на твердый раствор при температуре 465°C, закалке в холодной воде, естественному старению и растяжению до постоянной остаточной деформации 1,5%, соответствующей состоянию Т351. Металлические плиты затем собирали взрывной сваркой на предприятии NobelClad Europe в Rivesaltes (France). Соединенную взрывной сваркой заготовку затем подвергали отпуску в течение 48 часов при температуре 120°C для того, чтобы привести ее в состояние Т651. При осмотре зоны соединения какой-либо видимой границы после грубой полировки не наблюдается. После хромового травления граница между первоначальными металлическими плитами становится видимой в области 0,3 мм от обеих сторон сварочного шва, включая наклонные полосы скольжения, ориентированные в направлении распространения ударной волны, что означает существенное деформационное упрочнение.
Из 70-мм металлической плиты и из зоны границы раздела между двумя металлическими плитами на глубине в четверть толщины брали цилиндрические образцы для испытания на растяжение и измеряли их статические механические характеристики: предел прочности Rm(МПа), предел текучести Rp0,2(МПа) и удлинение при разрыве А(%) в направлениях L, TL и TC. Результаты представлены в табл.2.
| Таблица 2 | ||||
| Образец | Направление | Rp0,2(МПа) | Rm(МПа) | A(%) |
| Металлическая плита | L | 464 | 528 | 13,3 |
| Граница раздела | L | 501 | 553 | 11,6 |
| Металлическая плита | TL | 450 | 548 | 10,3 |
| Граница раздела | TL | 495 | 555 | 8,7 |
| Металлическая плита | TC | 456 | 532 | 5,5 |
| Граница раздела | TC | 488 | 540 | 4,5 |
Очевидно, что вне зависимости от направления измерения предел прочности и предел текучести в зоне соединения повышаются по сравнению с пределом прочности и пределом текучести первоначальных металлических листов, а удлинение немного снижается.
Также измеряли усталостную долговечность при циклическом нагружении с напряжением 200 МПа, частотой 50 Гц и R=0,1 на гладких круглых образцах в направлении ТС при коэффициенте концентрации напряжения Kt=1 в соответствии со стандартом ASTM E466, при этом один из образцов взят из 70-мм металлической плиты, а другой - из зоны соединения между двумя металлическими плитами. Количество циклов до разрыва составляло 206375 и 321271 соответственно, что показывает улучшение усталостной прочности в зоне соединения.
Пример 3
Заготовки были изготовлены путем соединения двух плит из алюминиевого сплава АА7449, соединяемые поверхности которых предварительно подвергают пескоструйной очистке или сульфохромовому травлению. Применяли жидкий эпоксидный клей (ссылка AV 119) или эпоксидную пленку (ссылка AF 163-2L.03). Испытание на растяжение в зоне соединения осуществляли на образцах размером 200×29×17 мм (площадь соединения составляет 493 мм2). Результаты представлены в табл.3. Очевидно, что сульфохромовое травление обеспечивает более высокую прочность соединения.
| Таблица 3 | ||
| Клеящее вещество | Прочность соединения (предварительная обработка: сульфохромовое травление) | Прочность соединения (предварительная обработка: пескоструйная очистка) |
| AV 119 | 75,8±5,7 МПа (AR)* | 43,9±10,5 МПа(AR)* |
| AF 163-2L.03 | 46,0±0,5 МПа (CR)** | 41,2±2,3 МПа(CR)** |
| *AR: адгезионный разрыв **CR: когезионный разрыв |
Дополнительные преимущества, признаки и модификации быстро станут очевидными специалистам в данной области. Поэтому более широкие аспекты данного изобретения не ограничены конкретными деталями, а также показанными и описанными здесь репрезентативными устройствами. Соответственно, различные модификации допустимы, если они не нарушают сущность или объем общего изобретательского замысла, представленного в прилагаемой формуле изобретения и ее эквивалентах.
Приоритетный документ, т.е. заявка на французский патент №0105500, поданная 24 апреля 2001 г., и соответствующая ей заявка на патент США, поданная 24 апреля 2002 г., приведены здесь во всей своей полноте в качестве ссылки.
В данном описании и прилагаемой формуле изобретения артикли, такие как "the", "a" и "an", относятся к единственному и множественному числу.
Все упомянутые документы специально указаны здесь в качестве ссылки во всей своей полноте.
1. Металлическая заготовка, подходящая для механической обработки, содержащая по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм, каждая из которых имеет первоначальный предел текучести в заданном направлении, определенный на четверти толщины, и которые могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга, при этом указанные металлические плиты выбраны из группы, включающей в себя сплавы одной и той же группы алюминиевых сплавов, причем предел текучести в заданном направлении в любой точке заготовки составляет по меньшей мере 75% от предела текучести металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в том же заданном направлении.
2. Металлическая заготовка, подходящая для механической обработки, содержащая по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм, каждая из которых имеет первоначальный предел текучести в заданном направлении, определенный на четверти толщины, и которые могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга, при этом указанные металлические плиты выбраны из группы, включающей в себя сплавы одной и той же группы алюминиевых сплавов, причем предел текучести указанной металлической заготовки, определенный на ее образце, взятом из любой части указанной заготовки, не включающей зону соединения между указанными металлическими плитами, составляет по меньшей мере 75% от предела текучести металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в том же заданном направлении.
3. Металлическая заготовка, подходящая для механической обработки, содержащая по меньшей мере две наложенные одна на другую металлические плиты, каждая из которых имеет толщину по меньшей мере 12,5 мм и которые могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга, при этом указанные металлические плиты выбраны из группы, включающей в себя сплавы одной и той же группы алюминиевых сплавов, причем предел текучести в любой данной точке в заданном направлении не отклоняется более чем на ±15% от средней величины.
4. Металлическая заготовка по любому из пп.1-3, в которой общая толщина указанной заготовки составляет по меньшей мере 200 мм.
5. Металлическая заготовка по любому из пп.1-3, в которой общая толщина указанной заготовки составляет по меньшей мере 400 мм.
6. Металлическая заготовка по любому из пп.1-3, в которой общая толщина указанной заготовки составляет по меньшей мере 600 мм.
7. Металлическая заготовка по любому из пп.1-6, в которой толщина каждой из наложенных одна на другую металлических плит составляет по меньшей мере 25 мм, предпочтительно по меньшей мере 40 мм.
8. Металлическая заготовка по любому из пп.1-7, в которой указанные металлические плиты содержат одинаковый или различный алюминиевый сплав.
9. Металлическая заготовка по п.8, в которой указанные алюминиевые сплавы представляют собой структурно упрочненные алюминиевые сплавы.
10. Металлическая заготовка по п.9, в которой указанные металлические плиты находятся в закаленном состоянии.
11. Металлическая заготовка по п.10, в которой указанные металлические плиты находятся в закаленном и состаренном состоянии.
12. Металлическая заготовка по п.10 или 11, в которой с указанных металлических плит напряжения были сняты контролируемым растяжением или сжатием.
13. Металлическая заготовка по любому из пп.1-11, в которой предел текучести в заданном направлении в любой точке заготовки составляет по меньшей мере 85%, а предпочтительно по меньшей мере 90% от предела текучести металлической плиты, имеющей самый низкий первоначальный предел текучести в том же заданном направлении.
14. Металлическая заготовка по любому из пп.1-13, в которой указанные металлические плиты соединены одна с другой адгезионным способом.
15. Металлическая заготовка по любому из пп.1-13, в которой указанные металлические плиты соединены прокаткой или ковкой.
16. Металлическая заготовка по любому из пп.1-13, в которой указанные металлические плиты сварены вместе электронным лучом.
17. Металлическая заготовка по любому из пп.1-13, в которой указанные металлические плиты сварены вместе сваркой взрывом.
18. Способ изготовления заготовки по п.17, включающий в себя
наложение одна на другую указанных металлических плит, имеющих, по существу, одинаковые длину и ширину, с постоянным зазором между ними для формирования сборки, обеспечение ограничителя вокруг всех боковых сторон указанной сборки, размещение на верхней лицевой поверхности верхней металлической плиты взрывчатого вещества по всей указанной верхней поверхности и детонирование указанного взрывчатого вещества.
19. Способ изготовления конструктивных элементов летательного аппарата, включающий в себя обеспечение заготовки по любому из пп.1-17 и механическую обработку указанной заготовки для формирования конструктивного элемента летательного аппарата.
20. Способ изготовления пресс-форм для литья под давлением пластмасс или резины, включающий в себя обеспечение заготовки по любому из пп.1-17 и механическую обработку указанной заготовки для формирования пресс-формы для литья под давлением.
21. Способ изготовления механически обработанных деталей, включающий в себя обеспечение заготовки по любому из пп.1-17 и механическую обработку указанной заготовки для формирования механически обработанной детали.
