Высокопрочный сплав на основе алюминия с добавкой кальция



Высокопрочный сплав на основе алюминия с добавкой кальция
Высокопрочный сплав на основе алюминия с добавкой кальция

 


Владельцы патента RU 2478132:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (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 100-150°С, таких как детали летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, детали спортинвентаря и др. Сплав на основе алюминия содержит 7-12% Zn, 2-5% Ca, 2,2-3,8% Mg, 0,02-0,25% Zr, при этом его твердость составляет не менее 150 HV, σв>450 МПа, σ0,2>400 МПа. Техническим результатом является создание нового высокопрочного сплава, способного к термическому упрочнению, предназначенного для получения как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов. 4 табл., 2 ил., 3 пр.

 

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 (корпусы 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.

Известен сплав на основе алюминия, раскрытый в патенте RU 2245388 (опубл. 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 этот сплав содержит дорогостоящую добавку никеля в количестве 3,2-5 мас.%, что затрудняет его широкое промышленное использование. Кроме того, никель повышает плотность сплава, что снижает его удельную прочность.

Наиболее близким к предложенному является сплав на основе алюминия, раскрытый в патенте US 4126448 (1978). Этот сплав содержит 2-8% Са, 1,5-15% Zn, и до 2% Mg, Si, Mn, и до 2% других элементов. Структура этого сплава содержит дисперсную эвтектику Al-Ca-Zn, а сам сплав обладает сверхпластичностью и предназначен для получения деформированных полуфабрикатов. Недостатком этого сплава является низкая прочность: σв=182 МПа; σ0,2=162 МПа. Второй недостаток данного сплава состоит в том, что он не предназначен для получения фасонных отливок.

Задачей изобретения является создание нового высокопрочного алюминиевого сплава, предназначенного для получения как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов и не содержащего добавку никеля.

Поставленная задача решена тем, что сплав на основе алюминия, содержащий цинк и кальций, дополнительно содержит магний и цирконий в следующих концентрациях компонентов, мас.%:

Цинк 7-12
Кальций 2-5
Магний 2,2-3,8
Цирконий 0,02-0,25
Алюминий остальное

при этом его твердость составляет не менее 150 HV.

В частном исполнении сплав может быть выполнен в виде отливок, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 400 МПа.

Сплав также может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 500 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 450 МПа.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Предлагаемый сплав сконструирован таким образом, чтобы получить в литом состоянии дисперсную эвтектику (Al)+Al4Ca, в которой Ca-содержащая фаза способна к значительной сфероидизации в процессе нагрева при температурах свыше 500°С. Концентрации цинка и магния оптимизированы таким образом, чтобы сформировать при старении фазы-упрочнители T(Al2Mg3Zn3) и/или M(MgZn2). Цирконий выполняет функцию антирекристаллизатора.

Наличие легирующих элементов в заявленных пределах:

Цинк 7-12
Кальций 2-5
Магний 2,2-3,8
Цирконий 0,02-0,25
Алюминий остальное

с учетом требований к твердости (его твердость составляет не менее 150 HV) позволяет обеспечить высокий уровень технологических и прочностных свойств, в частности при испытаниях на растяжение: временного сопротивления (σв) и предела текучести (σ0,2).

Из материала могут быть получены отливки со следующими прочностными свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 400 МПа и деформированные полуфабрикаты, обладающие следующими прочностными свойствами на растяжение: временное сопротивление (σв) не менее 500 МПа, предел текучести (σ0,2) не менее 450 МПа.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов в виде отдельно отлитых образцов (Фиг.1б, в) (согласно ГОСТ 1583-93), полученных литьем в стальную изложницу (Фиг.1а). Составы сплавов указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (99,99%), цинка марки Ц0 (99,9%), магния марки Мг90 (99,9%), металлического кальция (99,9%) и лигатуры и Al-10% Zr.

Отливки термообрабатывали по режиму Т6 (двухступенчатый нагрев под закалку, закалка в холодной воде и старение). Твердость по Виккерсу определяли по ГОСТ 2999-75, а прочностные свойства на растяжение - по ГОСТ 1497-84. Экспериментальные значения приведены в табл.2. Микроструктура сплава №3 показывает наличие глобулярных частиц Ca-содержащей фазы, которые сформировались при нагреве под закалку (Фиг.2).

Из табл.2 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения твердости (HV) и прочности (σв и σ0,2). В сплаве 1 твердость и прочность намного ниже требуемого уровня. Сплав 5 отличается хрупкостью и низкими значениями σв и σ0,2. Сплав 6 (прототип) имеет существенно более низкие значения твердости и прочностных свойств, чем заявляемый сплав.

Составы экспериментальных сплавов
Таблица 1
Zn, мас.% Mg, мас.% Ca, мас.% Zr, мас.% Al
1 4 1,5 1 0,01 ост.
2 7 3,8 2 0,25 ост.
3 9,5 3,0 5 0,15 ост.
4 12 2,2 3,5 0,02 ост.
5 14 5 6 0,3 ост.
6 7 0 5 0 ост.
1 прототип
Характеристики экспериментальных сплавов в отливках
Таблица 2
1 HV σв, МПа σ0,2, МПа
1 70 250 185
2 185 460 435
3 170 475 420
4 165 465 415
5 210 150 150
63 65 185 150
1 см. табл.1, 3 прототип

ПРИМЕР 2.

Сплав №3 (табл.1) был получен в виде 2-мм листа по технологии, которая включала в себя следующие операции:

- получение плоского слитка толщиной 15 мм;

- гомогенизационный отжиг при максимальной температуре нагрева на 10°С ниже температуры равновесного солидуса сплава;

- горячая прокатка со степенью обжатия около 86%;

- нагрев под закалку;

- закалка в холодной воде;

- старение.

Механические свойства определяли 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.

Механические свойства экспериментальных сплавов в листах
Таблица 3
Сплав1 σв, МПа σ0,2, МПа HV
№3 525 470 170
№6 (прототип) 220 170 75
1 по табл.1

ПРИМЕР 3.

Сплав №3 (табл.1) был получен в виде 12-мм прутков по технологии, которая включала в себя следующие операции:

- получение круглого слитка диаметром 44 мм;

- гомогенизационный отжиг при максимальной температуре нагрева на 10°С ниже температуры равновесного содидуса;

- горячее прессование со степенью обжатия около 90%;

- нагрев под закалку;

- закалка в холодной воде;

- старение.

Механические свойства определяли по ГОСТ 1497-84 на цилиндрических образцах, выточенных из прутков. Из табл.4 видно, что сплав заявленного состава (№3) заметно превосходит сплав-прототип по прочностным свойствам.

Механические свойства экспериментальных сплавов в прутках
Таблица 4
Сплав1 σв, МПа σ0,2, МПа HV
№3 540 470 174
№6 (Прототип) 230 180 80
1 по табл.1

Сплав на основе алюминия, содержащий цинк и кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний и цирконий при следующих концентрациях компонентов, мас.%:

Цинк 7-12
Кальций 2-5
Магний 2,2-3,8
Цирконий 0,02-0,25
Алюминий Остальное,

при этом его твердость составляет не менее 150 HV, временное сопротивление (σв) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 400 МПа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к алюминиевоцинкомагниевым сплавам и к продуктам, выполненным из таких сплавов, которые могут быть использованы для изготовления литейных форм для производимых литьем под давлением пластмасс.
Изобретение относится к металлургии легких сплавов, в частности к сверхпрочным деформируемым термически упрочняемым алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, которые предназначены для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде прессованных и катаных труб, штампованных крышек, используемых в виде деталей газовых центрифуг.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, в частности к сплавам алюминия серии 7000, подходящим для изготовления элементов конструкции коммерческих самолетов. .
Изобретение относится к способу изготовления слоистой плиты на основе алюминия для противопульной сварной брони. .
Изобретение относится к получению высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для изготовления прессованных, кованых и катаных полуфабрикатов.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия, применяемым в авиационной технике и других отраслях машиностроения для нагруженных деталей внутреннего набора фюзеляжа, деталей управления, силовых кронштейнов и др.
Изобретение относится к сплаву серии АА7000 и к способу изготовления продуктов из этого алюминиевого сплава, а именно к алюминиевым деформированным продуктам относительно большой толщины, в частности от 30 до 300 мм.

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 сплавам на основе алюминия, а именно к Аl-Zn-Cu-Mg сплавам на основе алюминия, а также способу изготовления катаного или кованого деформированного продукта из него и к самому катаному или кованому деформированному продукту.

Изобретение относится к металлургии, в частности к протекторным сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при производстве протекторов для защиты от коррозии морских сооружений и судов из алюминиевых сплавов

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°С, деталей летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, деталей спортинвентаря и др
Изобретение относится к алюминиевым сплавам, в частности к тем, из которых получают высокопрочный алюминиевый полуфабрикат, а также к способу получения таких алюминиевых полуфабрикатов

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении крупногабаритных отливок сложной формы, предназначенных для изготовления деталей ответственного назначения, в частности корпусов редукторов, применяемых в авиастроении
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых сплавов и технологий получения из них листовых полуфабрикатов методами термической обработки и обработки давлением

Изобретение относится к способу производства длинномерных, тонкостенных панелей и профилей, предназначенных для использования на железнодорожном транспорте
Сплав на основе алюминия предназначен для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде штамповок и труб для использования в газовых центрифугах, в компрессорах низкого давления, вакуумных молекулярных насосах и в других сильно нагруженных изделиях, работающих при умеренно повышенных температурах. Сплав содержит, в мас.%: цинк 6,6-7,4, магний 3,2-4,0, медь 0,8-1,4, скандий 0,12-0,30, цирконий 0,06-0,20, бериллий 0,0001-0,005, кобальт 0,05-0,15, никель 0,35-0,65, железо 0,25-0,65, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение прочности при сохранении пластичности и пониженной плотности сплава. 3 табл., 1 пр.
Группа изобретений относится к изделиям из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава. Изделие выполнено толщиной от 2 дюймов (50 мм) до 12 дюймов (305 мм) из сплава следующего химического состава, вес.%: Zn - от 3 до 11, Mg - от 1 до 3, Cu - от 0,9 до 3, Ge - от 0,03 до 0,4, Si - максимум 0,5, Fe -максимум 0,5, Ti - максимум 0,3, остальное - алюминий и обычные и/или неизбежные элементы и примеси. Способ изготовления изделия включает отливку заготовки, подогрев и/или гомогенизацию отлитой заготовки, горячую обработку заготовки, необязательную холодную обработку, термообработку на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке и необязательно холодной обработке заготовки, охлаждение ТТР заготовки, необязательное растяжение или сжатие охлажденной ТТР заготовки либо иную холодную обработку охлажденной ТТР заготовки для снятия напряжений, старение охлажденной и необязательно подвергнутой растяжению или сжатию либо иной холодной обработке ТТР заготовки для достижения нужного состояния. Обеспечивается получение изделия с высокой прочностью при высокой вязкости и пониженной чувствительности к закалке. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46. Также изобретение относится к электрическому устройству и отрицательному электроду для него. Технический результат заключается в том, чтобы предоставить активный материал отрицательного электрода для электрического устройства, такого как литий-ионная аккумуляторная батарея, проявляющего хорошо сбалансированные свойства сохранения высокой циклируемости и достижения высокой начальной емкости. 3 н. и 1 з. п. ф-лы, 2 табл., 10 ил., 2 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым алюминиевым сплавам, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности разового применения. Сплав содержит, мас.%: цинк 6,0-8,0; магний 3,4-4,2; медь 0,8-1,3; скандий 0,07-0,15; цирконий 0,08-0,12; бериллий 0,0005-0,004; церий 0,01-0,15; титан 0,02-0,08; кремний 0,01-0,15; железо 0,01-0,15; водород 0,05-0,35 см3/100 г металла; неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10; алюминий - остальное, при соотношении между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью и разовых изделий, выполненных из них. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Наверх