Сплав на основе алюминия и изделия из него

Авторы патента:

Овсянников Борис Владимирович (RU)

C22C21/08 - с кремнием

C22C21/04 - модифицированные алюминиево-кремниевые сплавы

Владельцы патента RU 2327756:

Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский металлургический завод" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия системы алюминий-магний-кремний, применяемых для изготовления изделий на линиях скоростного резания, а также изделий, предназначенных для последующей механической обработки. Сплав и изделие из него содержат следующие компоненты, мас.%: магний 0,6-1,2, кремний 0,6-1,2, марганец 0,3-1,0, железо 0,1-0,5, медь 0,05-1,0, титан 0,005-0,05, по крайней мере один элемент из группы: олово 0,6-1,0, висмут 0,2-0,8, по крайней мере один элемент из группы: галлий 0,001-0,05, кальций 0,001-0,05, по крайней мере один элемент из группы: бор 0,0005-0,005, углерод 0,0001-0,005, алюминий остальное. Получают сплав и изделие из него, не содержащие в своем составе свинец, обладающие улучшенной способностью к механической обработке, высокой стойкостью к коррозии и повышенной прочностью. 2 н.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Известен сплав на основе алюминия, следующего состава, мас.%:

Меди	около 0,15-1,0
Олова	около 0,4-1,5
Магния	около 0,65-1,35
Кремния	около 0,4-1,1
Марганца	около 0,002-0,35
Железа	до 0,5
Хрома	до 0,15
Титана	до 0,15
Алюминий	остальное

(патент №2126848 RU, C22C 21/00, C22F 1/04, 1999).

Недостатками указанного сплава являются недостаточная прочность на разрыв, недостаточная обрабатываемость резанием и качество поверхности после обработки по сравнению со сплавами, легированными свинцом.

Эти недостатки обуславливаются низким содержанием марганца, отсутствием в сплаве модифицирующих элементов, что приводит к укрупнению зерна на стадии литья и последующей обработке давлением.

Наиболее близким по химическому составу и назначению к заявляемому сплаву на основе алюминия является легкообрабатываемый алюминиевый сплав серии АА6000, в частности АА6061, АА6070, АА6082, включающий один висмут или висмут и олово вместе, где висмут используется в пределах 0,1-3,0 вес.% и олово в пределах 0,1-1,5 вес.% (патент ЕР 1214456, С22С 21/00, 21/04, 21/08, 21/12, 28.12.2005).

Недостатками указанного сплава, принятого за прототип, является недостаточная обрабатываемость резанием и невысокое качество поверхности после обработки по сравнению со сплавами, легированными свинцом.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных недостатков, относится отсутствие в сплавах серии АА6000 модифицирующих элементов, что приводит к росту зерна на стадиях литья и последующей обработки давлением, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на обрабатываемости сплава резанием.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение сплава на основе алюминия, не содержащего в своем составе свинец, с превосходной способностью к механической обработке, высокой стойкостью к коррозии и повышенной прочностью.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения:

- повышение характеристик сплава при обработке резанием;

- снижение производственных затрат за счет ускорения резанием;

- снижение загрязнения окружающей среды.

Все вышеперечисленное позволит использовать предлагаемый сплав для изготовления полуфабрикатов и изделий из них, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, при изготовлении различных сборных систем, пресс-форм и т.п.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагается сплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний, марганец, железо, медь, титан и, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей олово и висмут, который дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент из группы галлий и кальций и по крайней мере один элемент из группы бор и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний	0,6-1,2
кремний	0,6-1,2
марганец	0,3 -1,0
железо	0,1-0,5
медь	0,05-1,0
титан	0,005-0,05

по крайней мере, один элемент из группы:

олово	0,6-1,0
висмут	0,2-0,8

по крайней мере, один элемент из группы:

галлий	0,001-0,05
кальций	0,001-0,05

по крайней мере, один элемент из группы:

бор	0,0005-0,005
углерод	0,0001-0,005
алюминий	остальное.

Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от известного сплава, принятого за прототип, тем, что он не содержит хром, дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент из группы галлий и кальций и, по крайней мере, один элемент из группы бор и углерод.

Более высокое содержание марганца в предлагаемом сплаве позволяет повысить прочностные свойства изделий из указанного сплава.

Введение в сплав галлия и/или кальция, являющихся модификаторами зерна I рода, и бора и/или углерода, которые в сочетании с титаном являются модификаторами зерна II рода, позволяет уменьшить размер зерна, что ведет к повышению качества обрабатываемой поверхности, повышению скоростей резания без ухудшения качества поверхности.

Так как сплав не содержит в своем составе хром и свинец, это позволяет уменьшить вредное воздействие на промышленный персонал во время изготовления изделий и значительно снизить вредное влияние сплава на окружающую среду в процессе утилизации изделий из данного сплава.

Из предлагаемого сплава на основе алюминия могут быть получены прессованные изделия, такие как прутки, профили, трубы.

В предлагаемом изделии, выполненном из сплава на основе алюминия, используемого для изготовления полуфабрикатов, технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%: магний 0,6-1,2; кремний 0,6-1,2; марганец 0,3-1,0; железо 0,1-0,5; медь 0,05-1,0; титан 0,005-0,05; по крайней мере, один элемент из группы: олово 0,6-1,0, висмут 0,2-0,8; по крайней мере, один элемент из группы: галлий 0,001-0,05, кальций 0,001-0,05; по крайней мере, один элемент из группы: бор 0,0005-0,005, углерод 0,0001-0,005; алюминий остальное.

Пример выполнения.

Из слитков сплавов, химический состав которых приведен в таблице 1, были изготовлены следующие полуфабрикаты:

- квадрат 50×50 мм, длиной 6000 мм;

- прутки ⊘55 мм, ⊘41,5 мм, ⊘40 мм, длиной 6000 мм;

- профиль НП 74-574, длиной 5000 мм;

- профиль ПК 801-72 длиной 6000 мм.

Химический состав сплавов приведен в таблице 1. Полуфабрикаты подвергли термической обработке по подобранным опытным путем режимам. Механические свойства сплавов, полученные в результате испытаний, приведены в таблице 2.

Таблица 1 Химический состав сплавов
Сплав	Содержание элементов, %
Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	Bi	Sn	Ga	Ca	В
Аналог (по патенту 2126848 RU)	0,6-0,7	0,1-0,2	0,8-0,9	0,01	0,8-0,9	0,01	<0,01	1,3	-	-	-
Прототип (по патенту ЕР 1214456)	0,8-0,9	0,1	0,26-0,32	0,4	0,8	0,01-0,02	0,4	0,8-1,04	-	-	-
Предлагаемый	0,8	0,1	0,05	0,4-0,5	0,8-0,9	0,01	0,4	0,7-0,9	0,007	0,002	0,001

Таблица 2 Механические свойства сплавов
Сплав, состояние	Вид полуфабриката	Механические свойства
σ_в, МПа	σ_0,2, МПа	δ, %
Прототип	50×50	325-329	257-259	16,5-17,0
	⊘55	319-320	251	18,0-19,0
	⊘41,5	364-371	333-342	12,0
	⊘40,0^*	294	250	13,5
	НП74-574	291-301	229-241	16,5-18,0
ПК801-72	299-307	249-257	16,5-17,0
Аналог	50×50	250-338	233-313	12,5-17,0
	⊘55	321-326	293-295	12,0-13,0
	⊘41,5	305-308	238-241	16,0
	⊘40,0^*	355	323	10,5
	НП74-574	348-351	315-318	14,0-14,5
ПК801-72	342-343	316-321	12,0-13,0
Предлагаемый	50×50	322-372	295-341	11,0-13,0
	⊘55	362-372	331-341	11,5-13,0
	⊘41,5	384-386	344-346	11,0-13,0
	⊘40,0^*	380	353	11,0
	НП74-574	364-368	322-328	14,0
ПК801-72	377-382	347-355	12,0-13,0

Таким образом, механические свойства сплавов укладываются в следующие пределы:

Прототип -	σ_в≥291-371 МПа; σ_0,2≥229-333 МПа; δ≥12-19,0%;
Аналог -	σ_в≥250-351 МПа; σ_0,2≥233-321 МПа; δ≥10-17,0%;
Предлагаемый -	σ_в≥322-386 МПа; σ_0,2≥295-355 МПа; δ≥11-14,0%.

Результаты испытания сплавов на обрабатываемость резанием представлены в виде диаграмм (фиг.1-4).

Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение технической задачи - улучшение характеристик сплава при обработке резанием, что позволяет снизить производственные затраты за счет увеличения скорости резания; кроме того, снижение содержания свинца в сплаве и некоторых других вредных примесей позволяет улучшить экологичность производственных процессов приготовления сплавов и в целом окружающей среды.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний, марганец, железо, медь, титан и по крайней мере один элемент из группы олово и висмут, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы: галлий и кальций и по крайней мере один элемент из группы: бор и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний	0,6-1,2
кремний	0,6-1,2
марганец	0,3-1,0
железо	0,1-0,5
медь	0,05-1,0
титан	0,005-0,05