Высокопрочный сплав на основе алюминия
Владельцы патента RU 2419663:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный технологический университет" "Московский институт стали и сплавов" (RU)
Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С, таких как детали летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, детали спортинвентаря. Предложенный сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: цинк 5-8, магний 2-3,1, никель 1-4,2, железо 0,02-1, цирконий 0,02-0,25%, медь 0,05-0,3%, при этом температура равновесного солидуса материала составляет не менее 550°С, а твердость - не менее 180 HV. Сплав характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов, содержащих никель и железо, эвтектического происхождения, при этом сплав содержит матрицу и алюминиды при следующем соотношении, об.%: алюминиды, содержащие никель и железо 5,0-6,3, матрица - остальное. Получается новый высокопрочный сплав, способный к термическому упрочнению, предназначенный как для получения фасонных отливок, так и для получения деформированных полуфабрикатов. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.
Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С: детали летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, ракет), автомобилей и других транспортных средств (велосипедов, самокатов, тележек), детали спортинвентаря (корпуса клюшек для игры в гольф, теннисные ракетки) и др.
Наиболее прочные деформируемые алюминиевые сплавы типа В95 (σв=500-600 МПа) относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu (Промышленные алюминиевые сплавы /Справ. изд./ Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М., Металлургия, 1984, 528 с.). Они имеют низкие литейные свойства, поэтому эти сплавы практически не используются для получения фасонных отливок.
Известен сплав на основе алюминиево-никелевой эвтектики, раскрытый в патенте RU 2158780 от 10.11.2000 г.
Данный сплав содержит матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с равномерно распределенными дисперсными частицами фаз, образованных алюминием, цинком, магнием и медью, равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения и равномерно распределенные в матрице частицы, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала.
Из этого сплава можно получать отливки с улучшенными литейными свойствами за счет добавки никеля, который образует алюминиды эвтектического происхождения.
Однако для достижения высоких прочностных свойств необходимо обеспечить этим алюминидам глобулярную форму, что требует проведения операции сфероидизирующего отжига. Поскольку медь, входящая в известный материал, сильно снижает равновесный солидус (для среднего состава он ниже 530°С), то требуется относительно высокая дисперсность исходной структуры, что ограничивает использование предложенного сплава сравнительно небольшими отливками простой формы. Кроме того, наличие меди в последнем усложняет фазовый состав, что может приводить к нестабильности механических и технологических свойств.
Наиболее близким к предложенному является сплав на основе алюминия, раскрытый в патенте RU 2245388 (публ. 27.01.2005, бюл. №3). Этот сплав содержит цинк, магний и никель и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными вторичными выделениями фазы-упрочнителя, и равномерно распределенные в матрице частицами алюминидов никеля кристаллизационного происхождения. При этом количество алюминидов никеля составляет 5,3-7 об.%, матрица в качестве дисперсных частиц содержит 5-10 об.% частиц фазы Т', являющихся метастабильными модификациями фазы Т (Al2Mg3Zn3), а температура равновесного солидуса материала составляет не менее 540°С.
Из этого сплава можно получать отливки с улучшенным сочетанием механических свойств и технологичности (при фасонном литье и обработке давлением). Однако для приготовления этого сплава требуется алюминий высокой чистоты, что затрудняет его промышленное использование. Второй недостаток состоит в сильной склонности деформированных полуфабрикатов к рекристаллизации при нагреве под закалку, что ограничивает уровень их прочности.
Задачей изобретения является создание нового высокопрочного алюминиевого сплава, выплавляемого на основе технического алюминия и предназначенного для получения как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов.
Поставленная задача решена тем, что сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний и никель, дополнительно содержит железо, цирконий и медь при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
| Цинк | 5-8 |
| Магний | 2,0-3,1 |
| Никель | 1-4,2 |
| Железо | 0,02-1 |
| Цирконий | 0,02-0,25 |
| Медь | 0,05-0,3 |
| Алюминий | Остальное |
и при этом температура равновесного солидуса составляет не менее 550°С, а твердость - не менее 180 HV.
Достижение высоких механических свойств достигается реализацией структуры, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов, содержащих никель и железо, эвтектического происхождения. При этом количество этих алюминидов составляет 5,0-6,3 об.%.
Определение температуры равновесного солидуса, а также объемной доли алюминидов, содержащих железо и никель, выполняется с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5 или более поздняя версия).
Материал может быть выполнен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 610 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 550 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
Кроме того, материал может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов (в частности, листов и прутков), обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 640 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 550 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 5%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Наличие легирующих элементов в заявленных пределах с учетом требований к твердости позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств. Заявленное ограничение по температуре равновесного солидуса позволяет проводить сфероидизирующий отжиг при достаточно высоких температурах, обеспечивая формирование относительно глобулярных частиц алюминидов, в частности фаз Al3Ni и Al9FeNi. Количество последних в заявленных пределах позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических и технологических свойств и при этом допустить возможность использования технического алюминия для приготовления сплава.
ПРИМЕР 1.
Были приготовлены слитки 5 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марок А99 (99.99%) и А7 (99,7%), цинка марки Ц0 (99,9%), магния марки Мг90 (99,9%), меди марки M1 (99,9%) и лигатур Al-Ni, Al-Fe и Al-Zr.
Определение температуры равновесного солидуса, а также объемной доли алюминидов, содержащих железо и никель, проводили с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5). Рассчитанные значения приведены в табл.2.
Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (двухступенчатый нагрев под закалку, закалка в холодной воде и старение). Твердость по Виккерсу определяли по ГОСТ 2999-75. Экспериментальные значения приведены в табл.2.
| Таблица 1 | |||||||
| Составы экспериментальных сплавов | |||||||
| № | Zn, % | Mg, % | Ni, % | Fe, % | Zr, % | Cu, % | Al |
| 1 | 4 | 1,5 | 0,5 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | ост. |
| 2 | 5 | 3,1 | 4,2 | 0,02 | 0,02 | 0,3 | ост. |
| 3 | 6,7 | 2,8 | 2 | 0,4 | 0,15 | 0,2 | ост. |
| 4 | 8 | 2,0 | 1 | 1 | 0,25 | 0,05 | ост. |
| 5 | 8,5 | 3,5 | 4,5 | 1,2 | 0,3 | 0,5 | ост. |
| Таблица 2 | |||||
| Характеристики экспериментальных сплавов в слитках | |||||
| № | Q1, об.% | Ts, °C | HV | ||
| Al3Ni | Al9FeNi | Сумма | |||
| 1 | 0,72 | 0,14 | 0,86 | 607 | 90 |
| 2 | 6,09 | 0,20 | 6,29 | 553 | 185 |
| 3 | 0,24 | 5,60 | 5,84 | 554 | 192 |
| 4 | 0 | 5,01 | 5,01 | 569 | 187 |
| 5 | 0 | 15,27 | 15,27 | 485 | 210 |
| 63 | 5,3-7 | - | 5,3-7 | ≥540 | ≥160 HB |
| 1 объемная доля включений алюминидов (Al3Ni и/или Al9FeNi); | |||||
| 2 температура равновесного солидуса; | |||||
| 3 прототип (по патенту RU 2245388) |
Из табл.2 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения Q, Ts и HV. В сплаве 1 количество фаз и твердость ниже требуемого уровня. В сплаве 5 значение Ts ниже требуемого уровня, а значение Q, наоборот, выше.
В сплаве-прототипе гарантируемое значение Ts находится на недопустимо низком уровне (540°С), что затрудняет получение глобулярных включений в процессе сфероидизирующего отжига. При этом полное связывание никеля в фазу Al3Ni требует очень строго ограничения по концентрации железа в сплаве: менее 0,01%. Из этого вытекает необходимость применения алюминия высокой чистоты для выплавки сплава (в примерах, приведенных в патенте RU 2245388, использовался алюминий чистотой 99,99%). В предлагаемом сплаве концентрация железа может достигать 1% (состав №4).
ПРИМЕР 2.
Сплавы №1, №3 и №5 (табл.1) были получены в виде фасонных отливок методом жидкой штамповки. Отливки из сплава №3 не содержали литейных дефектов, а отливки из сплавов №1 и №5 имели трещины, поэтому механические свойства на них не определяли. После термической обработки, обеспечивающей твердость, указанную в табл.2, определяли механические свойства на цилиндрических образцах, вырезанных из отливок сплава №3, по ГОСТ 1497-84.
Из табл.3 видно, что сплав заявленного состава заметно превосходит сплав-прототип по прочностным свойствам.
| Таблица 3 | |||
| Механические свойства экспериментальных сплавов в отливках | |||
| Сплав | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
| №31 | 620 | 550 | 4,5 |
| Прототип2 | >510 | >420 | >4 |
| 1 по табл.1, 2 по патенту RU 2245388 |
ПРИМЕР 3.
Сплав №3 (табл.1) был получен в виде 2 мм листов по технологии, которая включала в себя следующие операции:
- получение плоского слитка;
- гомогенизационный отжиг при максимальной температуре нагрева на 10°С ниже Ts,
- горячая прокатка со степенью обжатия около 90%,
- нагрев под закалку,
- закалка в холодной воде,
- старение.
После термической обработки, обеспечивающей твердость, указанную в табл.2, определяли механические свойства на плоских образцах, вырезанных из листов, по ГОСТ 1497-84.
Из табл.4 видно, что сплав заявленного состава (№3) заметно превосходит сплав-прототип по прочностным свойствам.
| Таблица 4 | |||
| Механические свойства экспериментальных сплавов в листах | |||
| Сплав | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
| №31 | 650 | 560 | 5,5 |
| Прототип2 | >570 | >480 | >5 |
| 1 по табл.1, 2 по патенту RU 2245388 |
ПРИМЕР 4.
Сплав №3 (табл.1) был получен в виде 12 мм прутков по технологии, которая включала в себя следующие операции:
- получение круглого слитка,
- гомогенизационный отжиг при максимальной температуре нагрева на 10°С ниже Ts,
- горячее прессование со степенью обжатия около 90%,
- нагрев под закалку,
- закалка в холодной воде,
- старение.
После термической обработки, обеспечивающую твердость, указанную в табл.2, определяли механические свойства на цилиндрических образцах, выточенных из прутков, по ГОСТ 1497-84.
Из табл.5 видно, что сплав заявленного состава (№3) заметно превосходит сплав-прототип по прочностным свойствам.
| Таблица 5 | |||
| Механические свойства экспериментальных сплавов в прутках | |||
| Сплав | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % |
| 31 | 670 | 580 | 6 |
| Прототип2 | >570 | >480 | >5 |
| 1 по табл.1, 2 по патенту RU 2245388 |
1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний и никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, цирконий и медь при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
| цинк | 5-8 |
| магний | 2-3,1 |
| никель | 1-4,2 |
| железо | 0,02-1 |
| цирконий | 0,02-0,25 |
| медь | 0,05-0,3 |
| алюминий | остальное, |
при этом температура равновесного солидуса составляет не менее 550°С, а твердость - не менее 180 HV.
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он характеризуется структурой в виде матрицы, образованной твердым раствором алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенных в ней частиц алюминидов, содержащих никель и железо, эвтектического происхождения, при этом сплав содержит матрицу и алюминиды при следующем соотношении, об.%:
| Алюминиды, содержащие никель и железо | 5,0-6,3 |
| Матрица | остальное. |
3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он получен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σв - не менее 610 МПа, предел текучести σ0,2 - не менее 550 МПа, относительное удлинение δ - не менее 4%.
4. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он получен в виде деформированных полуфабрикатов, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление σв - не менее 640 МПа, предел текучести σ0,2 - не менее 550 МПа, относительное удлинение δ - не менее 5%.
