Сплав на основе алюминия и изделие из него
Владельцы патента RU 2327757:
Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский металлургический завод" (RU)
Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплавам системы алюминий-цинк-магний-медь, используемых в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей газовых центрифуг, используемых в атомной энергетике, а также в качестве конструкционных материалов в электротехнике, авиа- и ракетостроении. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: цинк - 8,0-9,0, магний - 2,3-3,0, медь - 2,0-2,6, цирконий - 0,05-0,2, железо - 0,05-0,3, кремний - 0,03-0,15, марганец - 0,001-0,05, титан - 0,005-0,05, бериллий - 0,0005-0,005, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей кальций - 0,001-0,05, галлий - 0,001-0,05, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор - 0,0005-0,005, углерод - 0,0001-0,005, алюминий - остальное. Изделие выполнено из заготовки, в качестве материала которой использован сплав вышеприведенного состава. Получают сплавы, заготовки и изделия, выполненные из него, обладающие повышенной прочностью, повышенной эксплуатационной надежностью и повышенной технологичностью. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплавам системы алюминий-цинк-магний-медь, применяемых для изготовления полуфабрикатов и изделий из него, используемых в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей газовых центрифуг, используемых в атомной энергетике, а также в качестве конструкционных материалов в электротехнике, авиа- и ракетостроении.
Известно, что сплавы системы алюминий-цинк-магний-медь являются наиболее прочными алюминиевыми сплавами. Характерной особенностью сплавов этой системы является высокий предел текучести, близкий по значению к пределу прочности материала, а также пониженная пластичность.
Учитывая назначение сплавов данной системы и условия их эксплуатации (длительное время работы конструкций в условиях высоких нагрузок и напряжений) к изделиям из сплавов данной системы предъявляются высокие требования по эксплуатационной надежности.
Однако сплавы данной системы в состояниях, близких к максимальной прочности, отличаются пониженной технологичностью и высокой трудоемкостью изготовления полуфабрикатов и изделий из него, что выражается в низкой обрабатываемости, а также чувствительностью к надрезам и перекосам.
Это необходимо учитывать при обработке деталей и сборке конструкций из них и требует тщательной отработки конструктивных форм с целью минимизации концентраций напряжений, обеспечения плавности всех переходов при изменении сечений деталей, уменьшения эксцентриситета (С.Г.Алиева, М.Б.Альтман, С.М.Амбарцумян и др. Промышленные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1984, с.123).
Кроме того, сплавы данной системы характеризуются неоднородной крупнозернистой структурой и наличием участков с веерными кристаллами, которая наследуется полуфабрикатами и изделиями, что выражается в наличии зон с перерезанными границами макрозерна контуром изделия, полученного после обработки металла давлением, что в свою очередь отрицательно сказывается на технологичности сплава и эксплуатационной надежности изделия из него.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
| Цинк | 8,2-9,0 |
| Магний | 2,4-3,0 |
| Медь | 2,0-2,6 |
| Цирконий | 0,1-0,2 |
| Железо | до 0,4 |
| Кремний | до 0,3 |
| Бериллий | до 0,002 |
| Марганец | 0,2-0,8 |
| Титан | до 0,1 |
| Алюминий | Остальное |
(Авторское свидетельство СССР №155001, МКИ С22С 21/10, дата публикации 1963.01.01).
Недостатками указанного сплава являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики эксплуатационной надежности, низкая технологичность при литье и обработке давлением.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве повышенное содержание марганца, снижающего технологичность сплава, неоднородная крупнозернистая структура с участками веерных кристаллов.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
| Цинк | 8,0-9,0 |
| Магний | 2,3-3,0 |
| Медь | 2,0-2,6 |
| Цирконий | 0,1-0,2 |
| Железо | 0,05-0,3 |
| Кремний | 0,03-0,15 |
| Бериллий | 0,0001-0,002 |
| Алюминий | Остальное |
(Патент РФ №2164541, МПК 7 С22С 21/10, дата публикации 2001.03.27).
Недостатками указанного сплава являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики эксплуатационной надежности, низкая технологичность при литье и обработке давлением.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве неоднородная крупнозернистая структура с участками веерных кристаллов.
Наиболее близким сплавом по химическому составу и назначению к заявленному сплаву на основе алюминия является сплав - 7168 (обозначение сплава находится в соответствии с номерами сплавов и соответствует определениям, зарегистрированным Алюминиевой ассоциацией, Вашингтон, США), содержащий, мас.%:
| Цинк | 7,8-8,8 |
| Магний | 2,0-2,8 |
| Медь | 1,6-2,4 |
| Цирконий | 0,05-0,15 |
| Железо | до 0,12 |
| Кремний | до 0,1 |
| Марганец | до 0,05 |
| Титан | до 0,1 |
| Алюминий | Остальное |
(Международное обозначение сплавов и пределы химического состава деформируемых алюминия и алюминиевых сплавов. Алюминиевая ассоциация: 2004, с.13)
Недостатками указанного сплава, принято за прототип, являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики эксплуатационной надежности, низкая технологичность при литье и обработке давлением.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, принятого за прототип, относится то, что в известном сплаве неоднородная крупнозернистая структура с участками веерных кристаллов.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сплава на основе алюминия, предназначенного для изготовления из него полуфабрикатов и изделий для атомной энергетике, электротехники, авиа- и ракетостроения, свободных от недостатков перечисленных выше и присущих известным техническим решениям.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении сплава и полуфабрикатов и изделий из него, обладающих повышенной прочностью, повышенной эксплуатационной надежностью и повышенной технологичностью, вследствие достижения однородной мелкозернистой структуры, исключения образования участков с веерными кристаллами, снижения трудоемкости изготовления и повышения обрабатываемости полуфабрикатов и изделий из него.
Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата при осуществлении изобретения решается тем, что известный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, марганец, титан, дополнительно содержит бериллий, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей кальций и галлий, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цинк | 8,0-9,0 |
| Магний | 2,3-3,0 |
| Медь | 2,0-2,6 |
| Цирконий | 0,05-0,2 |
| Железо | 0,05-0,3 |
| Кремний | 0,03-0,15 |
| Марганец | 0,001-0,05 |
| Титан | 0,005-0,05 |
| Бериллий | 0,0005-0,005 |
| По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: | |
| Кальций | 0,001-0,05 |
| Галлий | 0,001-0,05 |
| По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: | |
| Бор | 0,0005-0,005 |
| Углерод | 0,0001-0,005 |
| Алюминий | Остальное |
Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит бериллий, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей кальций и галлий, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод.
В сплаве поддерживается определенное соотношение цинка, магния и меди, необходимое для достижения оптимальных прочностных и пластических свойств, а также требуемых показателей эксплуатационной надежности для сплава данного назначения.
При этом повышение положительного влияния этих элементов на прочностные, пластические и эксплуатационные характеристики полуфабрикатов и изделий из сплава достигается за счет введения в сплав дополнительных легирующих элементов.
Мы обнаружили, что при введении в состав сплава, по крайней мере одного элемента, выбранного из группы, включающей углерод и бор в указанных количествах, наблюдается достижение мелкозернистой и однородной макроструктуры металла с размером зерна 0,2-0,3 мм (у сплава-прототипа размер зерна составляет 0,4-0,6 мм) и исключается образование участков с веерными кристаллами, что в совокупности повышает конструкционную прочность и эксплуатационную надежность сплава.
Мы обнаружили, что при введении в состав сплава, по крайней мере одного элемента, выбранного из группы, включающей кальций и галлий в указанных количествах, наблюдается связывание примесных элементов сплава, приводящее к образованию более округлой формы выделяющихся интерметаллидов и их коагуляции, что приводит к повышению технологической пластичности и эксплуатационной надежности сплава.
Бериллий в количестве 0,0005-0,005 мас.% предотвращает окисление расплава и выгорание магния в процессе приготовления расплава и литья слитков.
Титан в количестве 0,005-0,05 мас.% является модифицирующей добавкой для измельчения зерна в процессе литья и что более важно усиливает влияние углерода и бора на свойства сплава.
Марганец и цирконий в количествах 0,001-0,05 мас.% и 0,05-0,2 мас.% соответственно являются добавками, повышающими температуру рекристаллизации и прочностные характеристики и обеспечивающими однородную структуру деформированных полуфабрикатов.
Из предложенного сплава на основе алюминия могут быть изготовлены различные полуфабрикаты: листы и плиты, штамповки, прессованные изделия. Из полуфабрикатов предложенного сплава могут быть получены различные изделия, например концевые детали газовых центрифуг и другие изделия для атомной энергетики, панели для обшивки фюзеляжных конструкций летательных аппаратов, элементы силового набора и другие элементы авиакосмической техники.
В предложенном изделии, выполненном из сплава на основе алюминия, используемого для изготовления полуфабрикатов и изделий, технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%: цинк - 8,0-9,0; магний - 2,3-3,0; медь - 2,0-2,6; цирконий - 0,05-0,2; железо - 0,05-0,3; кремний - 0,03-0,15; марганец - 0,001-0,05; титан - 0,005-0,05; бериллий - 0,0005-0,005; по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: кальций - 0,001-0,05; галлий - 0,001-0,05; по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: бор - 0,0005-0,005; углерод - 0,0001-0,005; алюминий - остальное.
Пример осуществления:
В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были отлиты цилиндрические слитки диаметрами 65 мм и 305 мм.
Сплав 4 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы 1, 2, 3 соответствуют предлагаемому.
Результаты определения размера зерна представлены в таблице 2.
Плавление шихты и приготовление сплавов производилось при температуре до 750°С, рафинирование и литье слитков производили при температуре 695-720°С.
Пример 1
Из круглых слитков диаметром 305 мм каждого сплава были изготовлены трубы с толщиной стенки 4,5 мм.
Трубы из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем прошивки литой заготовки при температуре 400°С, прессования при температуре слитка 410°С, с последующей термообработкой на твердый раствор при температуре 475°С, закалкой в воде с температурой 20-30°С и старением при температуре 135°С в течение 16 часов.
В дальнейшем образцы из труб 1, 2, 3, 4 испытали при статическом растяжении с определением предела прочности (σв), предела текучести (σ0,2), относительного удлинения (δ, %), а также определили конструкционную прочность путем оценки усилий на отрыв горловины, скорость ползучести.
Скорость ползучести определяли на плоских образцах при напряжении 440 МПа, температуре 50°С в течение 3000 часов.
Результаты механических испытаний представлены в таблице 3.
Из таблицы 3 видно, что предлагаемый сплав превосходит известный сплав (прототип) по характеристикам прочности и пластичности и характеризуется повышенными характеристиками конструкционной прочности и эксплуатационной надежности.
Пример 2
Из круглых слитков диаметром 65 мм каждого сплава были изготовлены штамповки.
Штамповки из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем заготовительной штамповки при температуре 410°С и окончательной штамповки при температуре 400°С с последующей закалкой при температуре 475°С в течение 2 часов и старением при температуре 130°С в течение 16 часов.
Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели - повышение характеристик конструкционной прочности и эксплуатационной надежности полуфабрикатов и изделий из него, повышение технологичности и как следствие увеличение выхода годного при снижении трудоемкости производства полуфабрикатов и изделий из него вследствие обеспечения однородной мелкозернистой структуры и исключения образования участков с веерными кристаллами.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| Сплав | Состав | Содержание компонентов в сплаве, мас.% | |||||||||||||
| Zn | Mg | Cu | Zr | Fe | Si | Mn | Ti | Be | Ca | Ga | B | С | Al | ||
| Предложенный | 1 | 8,7 | 2,5 | 2,1 | 0,12 | 0,11 | 0,1 | 0,01 | 0,01 | 0,002 | - | 0,03 | 0,001 | 0,0002 | Ост. |
| 2 | 8,8 | 2,5 | 2,3 | 0,12 | 0,15 | 0,08 | 0,02 | 0,02 | 0,005 | 0,02 | - | - | 0,004 | Ост. | |
| 3 | 8,6 | 2,4 | 2,2 | 0,12 | 0,12 | 0,1 | 0,02 | 0,02 | 0,001 | - | 0,003 | 0,0006 | - | Ост. | |
| Прототип | 4 | 8,8 | 2,6 | 2,2 | 0,12 | 0,12 | 0,07 | 0,01 | 0,01 | - | - | - | - | - | - |
| Таблица 2 | |||||
| Сплав | Состав | Средний условный размер макрозерна, мм | Наличие участков с веерными кристаллами | ||
| Периферия слитка | 1/2 радиуса слитка | Центр слитка | |||
| Предложенный | 1 | 0,222-0,227 | 0,238-0,294 | 0,270-0,333 | Отсутствуют |
| 2 | 0,212-0,223 | 0,243-0,289 | 0,256-0,295 | Отсутствуют | |
| 3 | 0,219-0,231 | 0,235-0,280 | 0,267-0,315 | Отсутствуют | |
| Прототип | 4 | 0,588-0,625 | 0,625-0,667 | 0,417-0,496 | Есть |
| Таблица 3 | ||||||
| Сплав | Состав | Механические свойства | Усилие отрыва горловины, кг | Скорость ползучести при 50°С, 440 МПа, ×10-7 мм/мм/час | ||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | ||||
| Предложенный | 1 | 680 | 661 | 9,6 | 1600 | 0,5 |
| 2 | 678 | 656 | 9,5 | 1500 | 0,5 | |
| 3 | 681 | 660 | 9,7 | 1500 | 0,6 | |
| Прототип | 4 | 659 | 641 | 9,5 | 1400 | 0,9 |
1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей кальций и галлий и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цинк | 8,0-9,0 |
| Магний | 2,3-3,0 |
| Медь | 2,0-2,6 |
| Цирконий | 0,05-0,2 |
| Железо | 0,05-0,3 |
| Кремний | 0,03-0,15 |
| Марганец | 0,001-0,05 |
| Титан | 0,005-0,05 |
| Бериллий | 0,0005-0,005 |
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей
| Кальций | 0,001-0,05 |
| Галлий | 0,001-0,05 |
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей
| Бор | 0,0005-0,005 |
| Углерод | 0,0001-0,005 |
| Алюминий | Остальное |
2. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из заготовки, в качестве материала которой использован сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 8,0-9,0, |
| магний | 2,3-3,0, |
| медь | 2,0-2,6, |
| цирконий | 0,05-0,2, |
| железо | 0,05-0,3, |
| кремний | 0,03-0,15, |
| марганец | 0,001-0,05, |
| титан | 0,005-0,05, |
| бериллий | 0,0005-0,005, |
по крайней мере один элемент, выбранный из группы
| включающей кальций | 0,001-0,05, |
| галлий | 0,001-0,05, |
по крайней мере один элемент, выбранный из группы,
| включающей бор | 0,0005-0,005, |
| углерод | 0,0001-0,005, |
| алюминий | остальное. |
