Способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов со скандием


 


Владельцы патента RU 2461642:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)

Изобретение относится к металлургии. Слитки получают методом полунепрерывного литья. Для снятия остаточных напряжений слитки отжигают в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при 270-300°C 10 ч. После разрезки слитков на заготовки их механически обрабатывают. Перед прокаткой заготовки нагревают в электропечи по двухступенчатому режиму: на первой ступени при 270-300°C до 14 ч и на второй при 360-400°C до 6 ч. Продолжительность нагрева литых заготовок под прокатку не должна превышать 16 ч. Горячую прокатку ведут с суммарной относительной деформацией не менее 50%. Обеспечиваются отсутствие «обратной» анизотропии и регламентированно высокие механические свойства листов и плит в продольном и поперечном направлениях при статическом и циклическом приложении нагрузки. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов со скандием, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала в виде деформируемых полуфабрикатов в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности, транспортном машиностроении и т.д.

Существует ряд деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, легированных магнием, марганцем, цирконием и другими переходными металлами, из которых наиболее прочными являются сплавы системы Al-Mg-Sc.

Основными механизмами упрочнения сплавов со скандием этой системы являются твердорастворный, дисперсионного твердения за счет скандиевой фазы и структурного упрочнения, которые определяются технологическим процессом производства полуфабрикатов, в который входит режим гомогенизации слитка, нагрев литой заготовки перед прокаткой и режимы пластической обработки.

Скандий наряду с другими легирующими элементами (Mg, Mn, Zr, Ti, Be и др.) в процессе плавления образует гомогенный расплав и после затвердевания слитка находится в пересыщенном твердом растворе, небольшая часть скандия, а также циркония и титана, при этом расходуется на модифицирование слитка. Прочность металла на этом этапе определяется твердорастворным механизмом упрочнения.

В процессе последующих нагревов слитка при гомогенизации и под прокатку происходит процесс высокотемпературного распада пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии с образованием дисперсных выделений скандиевой фазы, прочность металла значительно увеличивается в результате дисперсного упрочнения. Наибольший упрочняющий эффект достигается при размере дисперсных выделений скандиевой фазы примерно в пределах от 8 до 60 мкм.

Однако длительный нагрев литой заготовки в интервале температур 350-420°C приводит к существенному разупрочнению сплава в литом состоянии и соответственно снижению прочностных свойств в деформированных полуфабрикатах вследствие необратимого процесса укрупнения дисперсных выделений скандиевой фазы-коагуляции дисперсных частиц.

Увеличение размера дисперсных частиц (коагуляции), с одной стороны, приводит к снижению прочностных свойств металла, а с другой - к возникновению эффекта «обратной» анизотропии механических свойств в катаных полуфабрикатах вследствие образования «полос сброса», если размер частиц превысил критический (1). Обратная анизотропия приводит к снижению механических свойств материала в продольном направлении и ударной вязкости при статических испытаниях и предела выносливости при усталостных испытаниях. При усталостных испытаниях прочность сплава в продольном направлении по сравнению с поперечным направлением снижается практически вдвое, теряя в этих условиях все свои преимущества.

Структурное упрочнение происходит в результате пластической деформации и получения нерекристаллизованной фрагментированной структуры листов и плит из алюминиевых сплавов со скандием.

Известен способ получения катаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc, принятый нами за прототип (автореферат диссертации Филатова Ю.А. на соискание ученой степени доктора технических наук «Исследование и разработка новых высокопрочных свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и технологических параметров производства из них деформированных полуфабрикатов». ОАО «Всероссийский институт легких сплавов». Москва. 2000 г.), который заключается в гомогенизирующем отжиге слитков, полученных методом полунепрерывного литья, при температуре 350-380°C в течение до 24 часов, механической обработке слитков, нагреве литых заготовок под прокатку при температуре 380-410°C в течение до 16 часов и последующей горячей прокатке литых заготовок.

Недостатком этого способа является

- возникновение явления «обратной» анизотропии, сопровождающейся снижением работоспособности изделий при циклическом приложении нагрузки;

- недостаточно высокий уровень механических свойств алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc в катаных полуфабрикатах вследствие продолжительного нагрева при температурах выше 350°C.

Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа изготовления горячекатаных полуфабрикатов, листов и плит, из алюминиевых сплавов со скандием, обеспечивающего отсутствие «обратной» анизотропии и регламентированно высокие механические свойства листов и плит в продольном и поперечном направлениях при статическом и циклическом приложении нагрузки, который достигается снижением температуры и продолжительности нагрева слитков при повышенной температуре в процессе изготовления горячекатаных полуфабрикатов.

Технический результат достигается тем, что изготовление горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов со скандием, включающее получение слитков методом полунепрерывного литья, отжиг слитков, механическую обработку слитков, нагрев литых заготовок под прокатку и горячую прокатку литых заготовок, согласно изобретению включает отжиг слитков при температуре 270-300°С продолжительностью до 14 часов, нагрев литых заготовок под прокатку проводят по двухступенчатому режиму - на первой ступени при температуре 270-300°C продолжительностью до 14 часов и на второй при 360-400°C продолжительностью до 6 часов, при этом продолжительность нагрева литых заготовок под прокатку не должна превышать 16 часов, а затем горячую прокатку ведут с суммарной относительной деформацией не менее 50%.

Отжиг слитков при температуре 270-300°C продолжительностью до 10 часов достаточен для снятия остаточных напряжений, возникающих в слитке при его охлаждении в процессе полунепрерывного литья. Это предотвращает появление трещин и позволяет проводить механическую обработку слитков перед прокаткой для удаления с поверхности дефектов литейного происхождения.

При отжиге при температуре 270-300°C практически не происходит коагуляции выделившихся из твердого раствора дисперсных частиц скандиевой фазы и соответственно снижения механических свойств.

Повышение температуры отжига слитков свыше 300°C, как отмечалось ранее, приводит к коагуляции дисперсных частиц скандиевой фазы и снижению механических свойств.

Снижение температуры отжига до температуры менее 270°C значительно увеличивает продолжительность отжига для снятия остаточных термических напряжений и процесс становится экономически невыгоден.

Двухступенчатый нагрев литых заготовок под прокатку при температуре 270-300°C на первом этапе и при температуре 360-400°C на втором позволяет основную часть нагрева слитков проводить при более низкой температуре, когда отсутствует коагуляция (укрупнение) частиц скандиевой фазы, и сократить время пребывания литых заготовок при более высокой температуре, когда происходят процессы коагуляции дисперсных частиц.

Продолжительность нагрева на каждой ступени зависит от сечения литых заготовок и сокращается с уменьшением сечения заготовок.

Увеличение общей продолжительности нагрева литых заготовок перед прокаткой свыше 16 часов приводит к коагуляции дисперсных частиц и снижению механических свойств катаных полуфабрикатов.

Таким образом, предложенный способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов предупреждает коагуляцию дисперсных частиц скандиевой фазы и сохраняет размеры частиц менее критического размера, что позволяет повысить механические свойства полуфабрикатов и избежать эффекта «обратной анизотропии» и вследствие этого резкого снижения свойств при циклическом приложении нагрузки.

Прокатка слитков с относительной деформацией менее 50% не обеспечивает структурного упрочнения металла, зерна слабо вытянуты, фрагментация структуры отсутствует, свойства полуфабрикатов недостаточно высокие.

Пример.

С использованием технического алюминия A85, магния МГ90, двойных лигатур алюминий-марганец, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-хром и алюминий-титан в электропечи готовили расплав и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 65×240 мм из алюминиевого сплава следующего состава, мас.%: 6,3 Mg-0,64 Mn-0,l5 Cr-0,15 Zr-0,16 Sc-0,026 Ti, остальное - алюминий.

В соответствии с предложенным способом слитки для снятия остаточных напряжений отжигались в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температурах 270 и 300°C в течение 10 часов, с охлаждением на воздухе, после разрезки слитков на заготовки шириной по 300 и 200 мм, заготовки механически обрабатывались. Боковые поверхности заготовок фрезеровались на глубину 5,0 мм, а на малых гранях заготовок фрезеровали замок Петрова.

Перед прокаткой заготовки нагревались в электрической печи по двухступенчатому режиму, на первой ступени при температуре 270 и 300°C в течение 10 и 13 часов соответственно и на второй при температуре 360 и 400°C в течение 6 и 3 часов, при этом продолжительность двухступенчатого нагрева составила 16 часов.

По запредельному варианту слитки отжигались при температурах 270 и 300°C в течение 12 часов, литые заготовки перед прокаткой нагревались при температурах - 270 и 300°C в течение 14 часов на первом этапе и при температуре 360 и 400°C в течение 8 часов па втором, суммарная продолжительность двухступенчатого нагрева составила 22 часа.

Прокатка заготовок производилась поперек оси слитка на реверсивном стане ДУО600 на толщину 6 мм с суммарной относительной деформацией 89% и на толщину 28 мм с суммарной относительной деформацией 49% (запредельный вариант).

Были изготовлены листы толщиной 6 мм, шириной 300 мм, длиной 1700 мм и толщиной 28 мм, шириной 200 мм и длиной 400 мм.

В соответствии с прототипом слитки, полученные методом полунепрерывного литья указанного выше химсостава, подвергались гомогенизирующему отжигу в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температуре 380°C в течение 24 часов с последующим охлаждением на воздухе. После разрезки слитков на заготовки и их механической обработки заготовки нагревались в электропечи при температуре 400C в течение 12 часов, прокатка заготовок производилась по режиму, аналогичному в предлагаемом способе на толщину 6 мм.

Из полученных листов вырезались пятикратные образцы вдоль и поперек направления прокатки для испытания на растяжение при статических и циклических нагрузках.

Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из листов, полученных по предлагаемому способу и по прототипу, приведены в таблице 1.

Как видно из приведенных данных у горячекатаных листов, изготовленных по предлагаемому способу, отсутствует обратная анизотропия, предел ограниченной выносливости (σN) практически не зависит от направления вырезки образцов, а прочностные свойства значительно выше, чем у прототипа.

Таблица 1
Механические свойства горячекатаных листов, изготовленных по предлагаемому способу и прототипу
Варианты Параметры способа έ, % Направление вырезки образцов Механические свойства
Отжиг Нагрев под прокатку
слитков 1 ступень 2 ступень σв МПа σ02в МПа δ, % σN1 МПаХ
Ђ, °C τ, ч Ђ, °C τ, ч Ђ, °C τ, ч
Предлагаемый способ 270 10 270 10 360 6 89 Вдоль 495 376 18.6 23,8
Поперек 490 372 18 22,4
300 10 300 13 400 3 89 Вдоль 478 351 19,3 24,6
Поперек 470 348 19 23,2
Запредельный способ 300 10 300 12 400 3 49 Вдоль 436 308 21,1 16,6
Поперек 432 306 20,2 15.8
300 12 300 14 400 6 89 Вдоль 446 308 16 14,4
Поперек 450 312 18 24,2
Прототип 380 24 - - 400 12 89 Вдоль 442 302 15,0 14,0
Поперек 440 305 19,2 23,0
Примечание
1) в таблице приведены средние значения результатов испытаний 3-х образцов на точку.
2х) база при усталостных испытаниях N=6×105 циклов, коэффициент асимметрии цикла 0,25, частота нагружения 10 Гц.

Технико-экономический эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в повышении надежности и работоспособности за счет получения гарантированно более высоких механических свойств листов и плит из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc при статическом и циклическом приложении нагрузки в продольном и поперечном направлениях относительно направления прокатки в результате контроля процессов выделения и коагуляции дисперсных частиц скандиевой фазы и устранения явления «обратной» анизотропии механических свойств, в расширении областей применения сплавов со скандием, в том числе в конструкциях ответственного назначения.

Источники информации

1. В.В.Захаров, Т.Д.Ростова «К вопросу об анизотропии листов из алюминиевых сплавов, легированных скандием». Технология легких сплавов. 1998, №4.

Способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов со скандием, включающий получение слитков методом полунепрерывного литья, отжиг слитков, механическую обработку слитков, нагрев литых заготовок под прокатку и их горячую прокатку, отличающийся тем, что отжиг слитков ведут при температуре 270-300°C продолжительностью до 10 ч, затем литые заготовки нагревают под прокатку по двухступенчатому режиму, на первой ступени нагрев заготовок проводят при температуре 270-300°C продолжительностью до 14 ч и на второй - при 360-400°C продолжительностью до 6 ч, горячую прокатку ведут с суммарной относительной деформацией не менее 50%, при этом общая продолжительность нагрева литых заготовок под прокатку составляет не более 16 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к листовому изделию из алюминиевого сплава и может быть использовано для изготовления броневого листа. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения деформированных заготовок из алюминиевых сплавов системы алюминий-магний-марганец-скандий-цирконий, применяемых в качестве конструкционного материала.
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к термической обработке и обработке давлением металлов, и предназначено для изготовления сверхпластичных листов из алюминиевого сплава.

Изобретение относится к области металлургии, в большей степени к термической обработке и обработке металлов давлением, и предназначено для изготовления сверхпластичных листов из алюминиевого сплава системы Al-Ni-Zn-Mg-Cu-Zr.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве полуфабрикатов в виде поковок, штамповок, прессованных прутков и профилей, катаных плит и листов из высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для применения в силовых конструкциях авиакосмической техники и транспортных средств, к которым предъявляются повышенные требования по прочности, трещиностойкости, усталостной долговечности, коррозионной стойкости.

Изобретение относится к сваренным кузнечным способом изделиям и конструкционным элементам из алюминиевого сплава, в частности для авиастроения. .
Изобретение относится к металлургии и может быть применено при термической обработке отливок из сплава АК8М при изготовлении высокоточных деталей. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при получении горячей объемной штамповкой изделий из алюминиевых сплавов, преимущественно, системы алюминий-магний.

Изобретение относится к области изготовления тонкостенных деталей из алюминиевых деформируемых сплавов, которые могут быть использованы в качестве элементов конструкции в авиационной промышленности, машиностроении и приборостроении.

Изобретение относится к способу термической обработки отливок из дисперсионно-твердеющих алюминиевых сплавов, полученных методом литья под высоким давлением. .

Изобретение относится к металлургии. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению исходного материала для спеченного магнита. .

Изобретение относится к металлургии. .
Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке и внепечной обработке высокоуглеродистой стали с последующей бесстопорной разливкой в заготовку малого сечения на сортовой МНЛЗ.

Изобретение относится к металлургии, в частности к непрерывному литью металлов в кристаллизатор с прямым охлаждением для получения слитка или изделия, содержащего, по меньшей мере, два слоя.

Изобретение относится к области ковшевой металлургии для производства стали и разливки металла из ковша с донными разливочными стаканами. .

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для непрерывной разливки титана и специальных сплавов. .
Изобретение относится к металлургической промышленности и литейному производству и может быть использовано для изготовления прутков, трубных заготовок различной конфигурации.

Изобретение относится к литейному производству и предназначено для непрерывного, непрерывно-циклического и циклического литья металлов и сплавов. .

Изобретение относится к металлургии
Наверх