Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава
Владельцы патента RU 2431692:
Закрытое акционерное общество "Алкоа Металлург Рус" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (RU)
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт стали" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний, используемым для сварных конструкций в судостроении, авиакосмической технике и транспортном машиностроении. Сплав на основе алюминия, используемый для сварных конструкций, и изделие из него содержат следующие компоненты, мас.%: магний 5,1-6,5, марганец 0,4-1,2, цинк 0,45-1,5, цирконий до 0,2, хром до 0,3, титан до 0,2, железо до 0,5, кремний до 0,4, медь 0,002-0,25, кальций до 0,01, бериллий до 0,01, по крайней мере, один элемент из группы: бор, углерод, каждого до 0,06, по крайней мере, один элемент из группы: висмут, свинец, олово, каждого до 0,1, скандий, серебро, литий, каждого до 0,5, ванадий, церий, иттрий каждого до 0,25, по крайней мере, один элемент из группы: никель и кобальт, каждого до 0,25, алюминий и неизбежные примеси - остальное, при суммарном содержании магния и цинка 5,7-7,3 мас.% и суммарном содержании железа, кобальта и/или никеля - не более чем 0,7 мас.%. Получается сплав и изделия из него, обладающие противопульной стойкостью, повышенными механическими свойствами в отожженном состоянии, в том числе и при криогенных температурах. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам системы алюминий-магний с содержанием магния более 5% по массе.
Сплав может быть использован для производства плит и листов, а также для прессованных и кованых полуфабрикатов, предназначенных в качестве материала для элементов сварной брони, а также как конструкционный материал в судостроении, авиакосмической технике, транспортном машиностроении для сварных конструкций, работающих, в том числе, при криогенных температурах.
Сплавы системы алюминий-магний с содержанием магния до 5% имеют хорошую пластичность, свариваемость, коррозионную стойкость, но низкие значения прочности, что не позволяет широко их использовать для изготовления высоконагруженных конструкций, в том числе сварной брони.
Увеличение содержания магния до свыше 5% незначительно повышает прочностные свойства сплава, но значительно снижает коррозионную стойкость, свариваемость и пластичность материалов. Эти сплавы также не отвечают современным требованиям к конструкционным материалам и броне.
Известным способом существенного повышения прочности этих сплавов является холодная деформация (нагартовка) в сочетании с низкотемпературным отжигом, которая повышает прочностные характеристики, но значительно снижает пластичность материала, его сопротивление ударным нагрузкам и коррозионную стойкость, приводит к снижению характеристик удельной вязкости при пониженных температурах.
Известен сплав системы алюминий-магний, предназначенный для производства различных видов полуфабрикатов, содержащий магний, марганец, хром, цирконий, титан и бериллий при суммарном содержании марганца, хрома и циркония не более 1,5% и следующих соотношениях компонентов, мас.%: магний 5,3-6,5; марганец 0,6-1,2; хром 0,01-0,25; цирконий 0,02-0,17; титан 0,01-0,15; бериллий 0,001-0,005; алюминий - остальное (RU 2212463, С22С 21/06, опубл. 20.09.2003).
Данный сплав имеет хорошую технологичность при горячей деформации и средний уровень прочности. Однако сочетание характеристик прочности и вязкости у плит из этого сплава недостаточно, чтобы использовать его в качестве броневого материала и для работы при криогенных температурах.
Известен сплав системы алюминий-магний для производства катаных, прессованных и тянутых материалов, содержащий следующие компоненты, мас.%: магний 3,5-6,0; марганец 0,4-1,2; цинк 0,4-1,5; цирконий до 0,25; хром до 0,3; титан до 0,2; железо до 0,5; кремний до 0,5; медь до 0,4, а также один или несколько элементов, выбранных из группы: висмут 0,005-0,1; свинец 0,005-0,1; олово 0,01-0,1; серебро 0,01-0,5; скандий 0,001-0,5; литий 0,01-0,5; ванадий 0,01-0,3; церий 0,01-0,3; иттрий 0,01-0,3; никель 0,01-0,3; алюминий - остальное (US 6695935, С22С 21/06, опубл. 24.02.2004).
Этот сплав в виде катаных полуфабрикатов имеет хорошие коррозионные свойства после нагартовки и низкотемпературного отжига (состояние Н321) и хорошую пластичность в отожженном состоянии. К недостаткам этого сплава относятся низкие значения прочностных характеристик основного материала и сварных соединений при криогенных температурах, что проявляется на листах после отжига. Кроме того, плиты из этого сплава в нагартованном состоянии и после низкотемпературного отжига (Н321) имеют недостаточный уровень прочности и вязкости разрушения, что делает невозможным их применение в качестве противопульной сварной брони.
Задачей изобретения и ее техническим результатом является повышение противопульной стойкости плит и толстых листов, а также изделий из них и повышение механических свойств сплава и сварных соединений из него в отожженном состоянии, в том числе и при криогенных температурах.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе алюминия, используемый для сварных конструкций, содержит магний, марганец, цинк, цирконий, хром, титан, железо, кремний, медь и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы: висмут, свинец, олово, скандий, серебро, литий, ванадий, церий, иттрий и никель, а также алюминий и неизбежные примеси, причем он дополнительно содержит кальций, бериллий и, по крайней мере, один элемент из группы: бор, углерод, а также, по крайней мере, один элемент из группы: висмут, свинец, олово, скандий, серебро, литий, ванадий, церий, иттрий и, по крайней мере, один элемент из группы: никель и кобальт, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| магний | 5,1-6,5 |
| марганец | 0,4-1,2 |
| цинк | 0,45-1,5 |
| цирконий | до 0,2 |
| хром | до 0,3 |
| титан | до 0,2 |
| железо | до 0,5 |
| кремний | до 0,4 |
| медь | 0,002-0,25 |
| кальций | до 0,01 |
| бериллий | до 0,01 |
по крайней мере, один элемент из группы:
| бор, углерод, каждого | до 0,06, |
по крайней мере, один элемент из группы:
| висмут, свинец, олово, каждого | до 0,1 |
| скандий, серебро, литий, каждого | до 0,5 |
| ванадий, церий, иттрий, каждого | до 0,25, |
по крайней мере, один элемент из группы:
| никель и кобальт, каждого | до 0,25, |
| алюминий и неизбежные примеси | - остальное, |
при суммарном содержании магния и цинка 5,7-7,3 мас.% и суммарном содержании железа, кобальта и/или никеля - не более чем 0,7 мас.%.
Технический результат также достигается тем, что изделие из сплава на основе алюминия выполнено из сплава по п.1.
Кроме того, изделие является частью сварной конструкции, частью корпуса судна, или кузова автомобиля, или вагона, элементом брони, а также частью емкости.
Наиболее оптимальным являются следующие соотношения компонентов, мас.%:
| Магний | 5,4-6,2 |
| Марганец | 0,6-0,9 |
| Цинк | 0,5-0,9 |
| Железо | 0,1-0,3 |
| Хром | 0,05-0,14 |
| Цирконий | 0,05-0,12 |
Допустимыми примесями являются натрий, барий, калий, сера, фтор и водород, содержание которых в сплаве по изобретению не должно превышать, мас.%:
| натрий, барий, калий, сера, фтор | 0,03 |
| водород | 4,0×10-5 |
Изделие из сплава по изобретению может быть частью сварной конструкции, элементом брони, частью корпуса судна, кузова вагона, автомобиля, емкости для хранения жидкостей, в том числе имеющих низкую температуру (например, жидкий природный газ). Например, являться частью сварной конструкции в судостроении, вагоностроении, автомобилестроении и др. На изделие может быть нанесено с одной или двух сторон покрытие; оно может быть окрашено или ламинировано.
Качественный и количественный состав сплава по изобретению определяется следующим. В известных сплавах соотношение основных легирующих элементов не обеспечивает стабильного получения высоких прочностных свойств как в отожженном состоянии, так и после нагартовки или после нагартовки и низкотемпературного отжига. Кроме того, в известных сплавах выделение фаз, образованных магнием (β-фаза) и цинком, происходит в виде крупных частиц по границам зерен, что приводит к низким значениям ударной вязкости и пластичности. Как следствие, известные сплавы имеют недостаточно высокие свойства при криогенных температурах и не обеспечивают хорошую бронестойкость в плитах.
Состав сплава по изобретению подобран таким образом, что кальций и бериллий, образуя сегрегации по границам зерен, уменьшают объем фаз, выделяющихся по границам, и измельчают их размеры, что существенно повышает пластичность и ударную вязкость полуфабрикатов.
Введение никеля и/или кобальта, а также бора и/или углерода приводит к образованию интерметаллидов с алюминием, железом, марганцем, а также карбидов и/или боридов, что дополнительно упрочняет сплав и его сварные соединения. Кроме того, происходит выделение основных упрочняющих фаз, связанных с магнием (β-фаза Al3Mg2), и фазы, образуемой цинком в мелкодисперсной форме, и равномерно распределенных в матрице.
Все это приводит к получению плит и листов в отожженном, нагартованном или нагартованном и отожженном состояниях, имеющих при комнатной и криогенных температурах более высокие характеристики прочности, пластичности, ударной вязкости и бронестойкости, что повышает срок службы изделий, расширяет номенклатуру изготовляемых изделий, снижает их вес, снижает трудозатраты на их изготовление.
Изобретение может быть проиллюстрировано примером.
Методом полунепрерывного литья получили плоские слитки сечением 275×1400 мм, химический состав которых приведен в таблице 1.
Слитки гомогенизировали при температуре 460-500°С в течение 10 часов. Горячую прокатку слитков проводили на реверсивном стане «Кварто» при температуре 420-450°С на толщины 6 мм и 35 мм. Горячекатаный лист толщиной 6 мм отжигали при температуре 310-330°С в течение одного часа и охлаждали на воздухе; правку осуществляли растяжением с деформацией 0,5-1,0%, после чего определяли механические свойства.
Плиты толщиной 35 мм после отжига подвергали холодной деформации прокаткой (нагартовывали) с остаточной степенью деформации 30-40%, после чего производили низкотемпературный отжиг плит при 90-150°С в течение 4-10 часов. Для сварки использовали автоматическую аргонодуговую сварку (ААр ДЭС) с использованием присадочной проволоки свАМг6 диаметром 2 мм, скорость сварки 15 м/ч. Для подготовки образцов под сварку применяли химическое травление в растворе щелочи (NaOH) с последующим осветлением в растворе азотной кислоты. Непосредственно перед сваркой стыкуемые кромки подвергали шабрению по торцевой поверхности.
Механические свойства при растяжении основного материала и сварных соединений определяли по ГОСТ 1497-84, ударную вязкость (KCU) определяли по ГОСТ 9454-78, противопульную стойкость определяли по ГОСТ В 23958-91. Результаты испытаний листов и плит приведены в таблицах 2 и 3. Как видно из данных, приведенных в таблице 2, сплав по изобретению в отожженном состоянии по сравнению с известным имеет прочностные свойства основного материала и сварного соединения при температуре испытания 20°С и особенно -196°С выше на 20-90 МПа, а также более высокие (на 40-50%) значения пластичности и ударной вязкости.
Плиты сплава по изобретению (таблица 3) обладают также более высокими (на 20%) значениями как прочностных свойств, так и ударной вязкости, а также обладают противопульной стойкостью выше на 10-15%, чем известный сплав.
Таким образом применение сплава по изобретению позволяет обеспечить поставленный технический результат, а также повысить срок службы изделия на 10-15%, расширить номенклатуру изготавливаемых изделий, снизить вес конструкций на 10-12%, снизить затраты на их изготовление и уменьшить расход топлива и других видов энергии до 15%.
| Таблица 1 | ||||
| Химический состав сплавов в мас.% | ||||
| Элемент | Известный | По изобретению | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Магний | 5,05 | 5,3 | 5,8 | 6,3 |
| Марганец | 0,6 | 0,6 | 0,78 | 0,85 |
| Цинк | 0,48 | 0,52 | 1,2 | 0,9 |
| Цирконий | 0,09 | 0,15 | - | - |
| Хром | 0,08 | 0,16 | 0,05 | 0,06 |
| Титан | 0,02 | 0,03 | 0,09 | 0,05 |
| Железо | 0,35 | 0,28 | 0,18 | 0,16 |
| Кремний | 0,25 | 0,18 | 0,1 | 0,09 |
| Медь | 0,20 | 0,18 | 0,09 | 0,08 |
| Висмут | 0,05 | - | 0,005 | - |
| Ванадий | 0,09 | 0,01 | - | 0,006 |
| Свинец | 0,008 | 0,005 | 0,001 | 0,006 |
| Кальций | - | 0,01 | 0,005 | 0,0003 |
| Бериллий | - | 0,01 | 0,0002 | 0,006 |
| Никель | - | 0,15 | - | 0,001 |
| Кобальт | - | 0,011 | 0,008 | - |
| Бор | - | - | 0,001 | 0,006 |
| Углерод | - | 0,01 | 0,002 | - |
| Олово | 0,002 | 0,002 | - | - |
| Скандий | - | 0,01 | - | 0,009 |
| Серебро | - | 0,005 | - | - |
| Литий | - | 0,002 | - | - |
| Церий | - | - | 0,005 | - |
| Иттрий | - | - | - | 0,005 |
| Таблица 2 | |||||||||||
| Механические свойства основного материала и сварных соединений листов толщиной 6 мм в отожженном состоянии | |||||||||||
| Сплав | Температура испытания 20°С | Температура испытания -196°С | |||||||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | KCU, кгс·м/см2 | Сварное соединение σв, МПа | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | KCU, кгс·м/см2 | Сварное соединение σв, МПа | ||
| Известный □ | 335 | 165 | 20,0 | 3,5 | 300 | 430 | 220 | 21,0 | 3,8 | 360 | |
| По изобретению □ | 1 | 360 | 185 | 28,0 | 6,0 | 340 | 490 | 320 | 36,0 | 7,5 | 440 |
| 2 | 390 | 220 | 25,0 | 5,5 | 370 | 500 | 360 | 35,0 | 6,5 | 470 | |
| 3 | 430 | 270 | 24,0 | 5,0 | 400 | 510 | 400 | 34,0 | 5,9 | 490 |
| Таблица 3 | |||||||
| Механические свойства и характеристики противопульной стойкости (бронестойкости) плит толщиной 23 мм | |||||||
| Сплав | Механические свойства | Характеристики противопульной стойкости | |||||
| σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | KCU, кгс·м/см2 | Угол предельного кондиционного поражения, град (αпкп) | Скорость предела кондиционного поражения, м/сек (Vпкп) | ||
| Известный □ | 400 | 280 | 11,5 | 2,0 | 60 | 600 | |
| Предлагаемый □ | 1 | 450 | 325 | 15,0 | 3,6 | 55 | 700 |
| 2 | 470 | 340 | 14,0 | 3,5 | 50 | 730 | |
| 3 | 510 | 395 | 12,5 | 2,9 | 48 | 800 |
1. Сплав на основе алюминия, используемый для сварных конструкций, содержащий магний, марганец, цинк, цирконий, хром, титан, железо, кремний, медь и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы: висмут, свинец, олово, скандий, серебро, литий, ванадий, церий, иттрий и никель, а также алюминий и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций, бериллий, и, по крайней мере, один элемент из группы: бор, углерод, а также, по крайней мере, один элемент из группы: висмут, свинец, олово, скандий, серебро, литий, ванадий, церий, иттрий, и, по крайней мере, один элемент из группы: никель и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| магний | 5,1-6,5 |
| марганец | 0,4-1,2 |
| цинк | 0,45-1,5 |
| цирконий | до 0,2 |
| хром | до 0,3 |
| титан | до 0,2 |
| железо | до 0,5 |
| кремний | до 0,4 |
| медь | 0,002-0,25 |
| кальций | до 0,01 |
| бериллий | до 0,01 |
по крайне мере, один элемент из группы:
| бор, углерод каждого | до 0,06, |
по крайней мере, один элемент из группы:
| висмут, свинец, олово каждого | до 0,1 |
| скандий, серебро, литий каждого | до 0,5 |
| ванадий, церий, иттрий каждого | до 0,25 |
по крайней мере, один элемент из группы:
| никель и кобальт каждого | до 0,25 |
| алюминий и неизбежные примеси | остальное, |
при суммарном содержании магния и цинка 5,7-7,3 мас.% и суммарном содержании железа, кобальта и/или никеля - не более, чем 0,7 мас.%.
2. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
3. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно является частью сварной конструкции.
4. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно является частью корпуса судна или кузова автомобиля, или вагона.
5. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно является элементом брони.
6. Изделие по п.2, отличающееся тем, что оно является частью емкости.
