Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия и изделие из него
Владельцы патента RU 2394113:
Общество с ограниченной ответственностью "ИНТЕЛЛ-СЕРВИС" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически упрочняемым высокопрочным алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для изготовления всех видов деформируемых полуфабрикатов, в том числе и тонких листов, используемых в авиастроении, машиностроении и других областях промышленности. Деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него, имеют следующее соотношение элементов, мас.%: цинк 2,5-4,0, магний 4,1-6,5, медь 0,2-1,0, железо до 0,25, кремний до 0,15, скандий 0,005-0,3, цирконий 0,005-0,25, никель и/или кобальт до 0,1, титан до 0,15, бор и/или углерод до 0,05, по крайней мере один элемент из группы: гафний до 0,15, молибден до 0,15, церий до 0,15, марганец до 0,5, хром до 0,28, иттрий до 0,15, ванадий до 0,15, ниобий до 0,15, алюминий и неизбежные примеси - остальное, причем отношение содержания Mg к содержанию Zn больше или равно 1,1. Получаются сплав и изделие из него, обладающие повышенными прочностными свойствами при одновременном повышении сопротивления усталости, снижении скорости роста трещин, повышении прочности сварных соединений и снижении плотности, что приводит к повышению ресурса и надежности работы изделий, а также снижению веса конструкций. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически упрочняемым выскопрочным алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для изготовления всех видов деформируемых полуфабрикатов (в том числе и тонких листов), используемых в авиастроении, машиностроении и других областях промышленности, в том числе и для сварных конструкций.
Известен высокопрочный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (Патент РФ 2165996, опубликован 27.04.2001, С22С 21/10) следующего химического состава (массовая доля, %):
| Магний | 1,8-2,8 |
| Цинк | 5,0-7,0 |
| Медь | 1,4-2,0 |
| Марганец | 0,2-0,6 |
| Хром | 0,1-0,25 |
| Железо | 0,05-0,25 |
| Кремний | 0,02-0,1 |
| Титан | 0,005-0,07 |
| Алюминий | остальное |
При этом отношение Mn к Cr более или равно 1,5.
Недостатком этого сплава является высокая плотность (d=2,85 г/см3), недостаточно высокие прочностные и ресурсные характеристики, что снижает надежность и ресурс работы изделий, а также их весовую эффективность. Кроме того, этот сплав не сваривается.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является свариваемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, имеющий следующий химический состав (массовая доля, %):
| Цинк | 4,4-9,0 |
| Магний | 0,5-3,5 |
| Медь | 0,01-1,2 |
| Железо | до 0,35 |
| Кремний | до 0,25 |
| Никель и/или кобальт | до 0,1 |
| Хром | до 0,35 |
| Ванадий | до 0,15 |
| Титан | до 0,15 |
| Бор | до 0,03 |
| Кальций | до 0,05 |
По крайней мере один элемент из группы:
| Марганец | до 0,8 |
| Цирконий | до 0,25 |
| Скандий | до 0,25 |
| Гафний | до 0,25 |
| Алюминий | остальное |
При соотношении Mg/Cu≥1,8 (заявка RU №2006132906/02, кл. С22С /21/10).
Недостатком известного сплава является высокая плотность (d=2,85 г/см3), недостаточно высокие прочностные свойства и ресурсные характеристики, такие как вязкость разрушения, скрость роста трещины, усталостная долговечность.
Задачей изобретения является создание конструкционного сплава на основе алюминия, обладающего пониженной плотностью, высокой прочностью, высокими ресурсными характеристиками при высокой прочности сварных соединений.
Техническим результатом является повышение прочностных свойств сплава при одновременном повышении сопротивления усталости, снижение скорости роста трещины, повышение прочности сварных соединений и снижение плотности (удельного веса), что приводит к повышению ресурса и надежности работы изделий, снижает вес конструкций.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе алюминия имеет следующий химический состав (массовая доля, %):
| Цинк | 2,5-4,0 |
| Магний | 4,1-6,5 |
| Медь | 0,2-1,0 |
| Железо | до 0,25 |
| Кремний | до 0,15 |
| Скандий | 0,005-0,3 |
| Цирконий | 0,005-0,25 |
| Никель и/или кобальт | до 0,1 |
| Титан | до 0,15 |
| Бор и/или углерод | до 0,05 |
По крайней мере один элемент из группы:
| Гафний | до 0,15 |
| Молибден | до 0,15 |
| Церий | до 0,15 |
| Марганец | до 0,5 |
| Хром | до 0,28 |
| Иттрий | до 0,15 |
| Ванадий | до 0,15 |
| Ниобий | до 0,15 |
| Алюминий | остальное |
При этом отношение содержания Mg к содержанию Zn больше или равно 1,1.
Сплав может также содержать в виде примесей такие элементы, как кальций, висмут, натрий, калий, водород, бериллий, свинец, олово и литий в количествах не более 0,01% каждого и не более 0,1% в сумме.
Задача решается также изделием, выполняемым из вышеприведенного сплава.
Принципиальным отличием предлагаемого сплава от известного является то, что он вследствие выбранного диапазона содержания таких элементов, как магний, цинк, медь и соотношения между Mg и Zn≥1,1 находится в другой фазовой области, чем известный сплав. Если в известном сплаве фазой-упрочнителем являются частицы фазы η(MgZn2), то в предлагаемом сплаве - частицы тройной фазы T(Al2Mg3Zn3), которые обеспечивают более высокий комплекс ресурсных и прочностных свойств и их повышенную стабильность. Выбранный диапазон содержания основных элементов (магия, цинка, и меди) обеспечивает получение более низкой плотности (удельного веса) предлагаемого сплава по сравнению с известным.
Совместное наличие в сплаве таких элементов, как скандий, цирконий, никель и/или кобальт, приводит к образованию сложной фазы Аl3(Sc, Zr, Ni/Co), которая приводит к дополнительному упрочнению сплава, получению супермелкой нерекристаллизованной структуры в холоднокатаных листах, повышению свойств сварных соединений.
Кроме того, избыточное содержание магния (по сравнению с содержанием цинка), крупные атомы которого, входя в твердый алюминиевый раствор, увеличивают параметр кристаллической решетки алюминиевой матрицы, сводят практически к нулю различие в параметрах решеток алюминиевой матрицы и выделяющейся из твердого раствора фазы Al3(Sc, Zr, Ni/Co), увеличивая тем самым их дисперсность и термическую стабильность. В результате положительное действие фазы Al3(Sc, Zr, Ni/Co) в предлагаемом сплаве заметно выше, чем в известном.
Медь входит как в твердый раствор, так и в состав фазы T(Al2Mg3Zn3), что обеспечивает больший эффект упрочнения. Введение по крайней мере одного элемента из группы гафний, молибден, хром, иттрий, марганец, церий, ванадий, ниобий приводит к повышению термической стабильности фазы Al3(Sc, Zr, Ni/Co) за счет растворения этих элементов в этой фазе. Это приводит к сохранению стабильной нерекристаллизованной структуры изделий, повышая их механические свойства. Наличие сложных интерметаллических соединений, образованных этими элементами, позволяет также получать высокие свойства сварного соединения.
Примеры
Методом полунепрерывного литья получили плоские слитки сечением 165×550 мм, состав которых приведен в таблице 1.
Слитки были отгомогенизированы, механически обработаны и прокатаны вначале вгорячую до толщины 5,0 мм, а потом вхолодную на листы толщиной 2,5 мм, которые были закалены и искусственно состарены. Аналогичные листы были получены из сплава-прототипа. Результаты испытаний искусственно состаренных листов представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, листы из предлагаемого сплава превосходят известный сплав по характеристикам статической прочности: пределу прочности σв на 5-7% и пределу текучести (σ02) на 10-15%. Предлагаемый сплав имеет на 4-5% более низкую плотность, чем известный. При этом предлагаемый сплав имеет заметно более высокие ресурсные характеристики: меньшую почти в два раза скорость роста усталостных трещин (СРТУ), более высокую на 10-20% вязкость разрушения (КС У) и в два раза большее число циклов до разрушения при испытании на усталость. Кроме того, прочность сварного соединения (автоматическая аргонодуговая сварка) также выше у предлагаемого сплава на 8-14%.
Использование предлагаемого сплава позволит снизить вес изготовленных из них изделий за счет меньшей плотности сплава и более высокой прочности как основного материала, так и сварных соединений, а также повысить надежность работы изделий благодаря большим значениям характеристик вязкости разрушения и меньшей скорости усталостной трещины и более высокому сопротивлению усталости.
| Таблица 1. | |||
| Химический состав (массовая доля, %) | |||
| Химический элемент |
Состав сплава, массовая доля, % | ||
| Известный | Предложенный | ||
| 1 | 2 | ||
| Zn | 6,3 | 2,8 | 3,5 |
| Mg | 2,6 | 6,2 | 5,0 |
| Cu | 0,35 | 0,65 | 0,45 |
| Fe | 0,26 | 0,16 | 0,14 |
| Si | 0,12 | 0,1 | 0,08 |
| Ni | 0,01 | 0,001 | - |
| Co | - | - | 0,01 |
| Cr | 0,21 | - | 0,01 |
| V | 0,08 | 0,005 | - |
| Ti | 0,06 | 0,04 | 0,03 |
| B | 0,001 | 0,0008 | 0,0005 |
| C | - | 0,0003 | |
| Ca | 0,0008 | - | - |
| Mn | 0,25 | - | 0,01 |
| Mo | - | 0,01 | - |
| Sc | - | 0,24 | 0,15 |
| Zr | 0,06 | 0,06 | 0,12 |
| Ce | - | - | 0,03 |
| Y | - | 0,005 | - |
| Hf | - | - | 0,005 |
| Nb | - | - | 0,001 |
| Al | остальное | остальное | остальное |
| Таблица 2 | ||||||||
| Сравнение типичных свойств листов толщиной 2,5 мм из предлагаемого cплава и из известного сплава. | ||||||||
| Сплав | Плотность, г/см3 | σв, МПа | σ02, МПа | δ, % | СРТУ, мм/кцикл для ΔК=30МПа√м | КС У, МПа√м для образцов шириной 160 мм | Сопротивление усталости, цикл, при σmax=160 МПа, f=30 Гц | σв св, МПа |
| Предлагаемый 1 | 2,70 | 560 | 500 | 14,5 | 2,0 | 80 | 400 | 350 |
| Предлагаемый 2 | 2,71 | 580 | 520 | 12,5 | 2,6 | 85 | 480 | 370 |
| Известный | 2,85 | 530 | 440 | 10,5 | 5,6 | 65 | 250 | 320 |
1. Деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, железо, кремний, скандий, цирконий, никель и/или кобальт, титан, алюминий и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор и/или углерод и по крайней мере один элемент из группы: гафний, молибден, церий, марганец, хром, иттрий, ванадий, ниобий при следующем соотношении элементов, мас.%:
| Цинк | 2,5-4,0 |
| Магний | 4,1-6,5 |
| Медь | 0,2-1,0 |
| Железо | до 0,25 |
| Кремний | до 0,15 |
| Скандий | 0,005-0,3 |
| Цирконий | 0,005-0,25 |
| Никель и/или кобальт | до 0,1 |
| Титан | до 0,15 |
| Бор и/или углерод | до 0,05 |
| по крайней мере один элемент из группы: | |
| Гафний | до 0,15 |
| Молибден | до 0,15 |
| Церий | до 0,15 |
| Марганец | до 0,5 |
| Хром | до 0,28 |
| Иттрий | до 0,15 |
| Ванадий | до 0,15 |
| Ниобий | до 0,15 |
| Алюминий и неизбежные примеси | остальное |
причем отношение содержания Mg к содержанию Zn больше или равно 1,1.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей он содержит кальции, висмут, натрии, калии, водород, бериллий, свинец, олово и литий в количестве не более 0,01 мас.% каждого и не более 0,1 мас.% в сумме.
3. Изделие из деформируемого сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
