Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия



Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия
Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия
Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия
Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия
Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия

 


Владельцы патента RU 2618300:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим материалам на основе алюминия, получаемым в виде слитков и предназначено для получения листового проката, в том числе толщиной менее 0,3 мм, к которому предъявляются требования низкого удельного веса и повышенной прочности в сочетании с радиационнозащитными свойствами. Способ получения слита из сплава на основе алюминия, содержащего бор для изготовления листового проката, включает приготовление расплава алюминия, формирование в нем борсодержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава и его гомогенизацию, причем готовят алюминиевый расплав, содержащий от 3 до 4,6 мас.% меди, от 2,3 до 2,7 мас.% магния и от 0,3 до 0,7 мас.% марганца, бор вводят в расплав в виде лигатуры в количестве, обеспечивающем в структуре слитка образование не мене 5 об.% борсодержащих частиц, формирование которых осуществляют при температуре расплава в пределах от 940 до 1000°С в течение 30-5 мин с получением в структуре слитка равномернораспределенных борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм. Высокая технологичность слитков позволяет получать из них деформированные полуфабрикаты, в том числе тонколистовой прокат, имеющие после операций дисперсионного упрочнения высокие эксплуатационные свойства. 2 пр., 3 табл., 4 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.

Предшествующий уровень техники

Материалы на основе алюминия (сплавы и композиты), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то что борсодержащие композиты достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием борсодержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.

Известны многочисленные способы получения борсодержащих материалов на основе алюминия с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения материала, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3ххх, 6ххх и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (В4С) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат. US 6602314 В1, опубл. 05.08.03). Данный способ производства материалов включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в конечном изделии.

Известен способ получения борсодержащего материала, описанный в патенте US 2008/0050270 A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученный расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°C, частицы диборида титана (TiB2), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария. Данный способ позволяет получить в материале микроструктуру с дисперсными частицами фазы TiB2, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако полное протекания этих фазовых превращений требует длительного времени, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс.

Известен многокомпонентный сплав на основе алюминия, содержащий диборид титана в количестве 0,5-20 мас.%, предназначенный для получения отливок и раскрытый в патенте RU 2556247 (опубл. 10.07.2015. Бюл. №19). Недостатком данного сплава является то, что он не предназначен для получения деформированных полуфабрикатов, в частности листов.

Известен также способ получения борсодержащего материала, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения В4С в жидкий расплав (Патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Существенным недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σв<100 МПа).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения борсодержащего материала на основе алюминия, который раскрыт в патенте РФ 2538789 (опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Этот способ включает приготовление алюминиевого расплава, содержащего от 0,5 до 0,9% кремния, от 1,3 до 1,9% магния и от 0,2 до 0,4% меди, формирование в нем борсодержащих частиц с массовой долей от 4 до 8% при температуре от 850 до 930°C в течение 30-45 мин, литье слитков и их гомогенизацию.

Слитки, полученные по данному способу, предназначены для изготовления листов (толщина 2 мм), обладающих следующими механическими свойствами: σв>320 МПа, σ0,2>300 МПа и δ>4%. Недостатком данного способа является то, что система легирования алюминиевой матрицы (типа АД33, ГОСТ 4784-97), не позволяет получить в деформированных полуфабрикатах прочность выше 350 МПа. Кроме того, слитки, полученные по данному способу, не предназначены для изготовления тонколистового проката (менее 0,3 мм).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является создание способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, который позволяет изготавливать из него листы, в том числе толщиной менее 0,3 мм, которые обладают высокими механическими свойствами: σв>380 МПа и δ>8%.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ получения слитка из сплава на основе алюминия, содержащего бор, для изготовления листового проката, включает приготовление алюминиевого расплава, формирование в нем борсодержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава и его гомогенизацию. Готовят алюминиевый расплав, содержащий от 3,8 до 4,6 мас.% меди, от 2,3 до 2,7 мас.% магния и от 0,3 до 0,7 мас.% марганца, вводят в расплав бор в виде лигатуры в количестве, обеспечивающем в структуре слитка образование не менее 5 об.% борсодержащих частиц, формирование которых осуществляют при температуре расплава в пределах от 940 до 1000°С в течение 30-50 мин с получением в структуре слитка равномерно распределенных борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм, преимущественно в виде соединения AlB12.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показаны слитки прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, на фиг. 2 показан тонколистовой прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, фиг. 3 и на фиг. 4 структура слитка борсодержащего материала на основе алюминия при различных увеличениях.

Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в слитках структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, способной в результате деформационно-термической обработки к дисперсионному упрочнению за счет формирования вторичных выделений фазы S'(метастабильная модификация фазы S-Al2CuMg), и равномерно распределенных в ней борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм и объемной долей не менее 5 об.%. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание технологичности при обработке слитка давлением (в частности, прокатке) и эксплуатационных свойств деформированных полуфабрикатов (в частности, листов). Наличие боридных частиц (преимущественно в виде соединения AlB12) в количестве не менее 5 об.% позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет не менее 2 мас.%). Для реализации такой структуры необходимо учитывать взаимодействие бора с элементами, входящими в расплав. В частности, часть магния переходит из расплава в твердые борсодержащие частицы. В результате, его количество расплаве снижается, что не позволяет получить в листах требуемую прочность, поскольку количество упрочняющих выделений фазы S' окажется недостаточным. Поэтому исходная концентрация магния в расплаве должна превышать его типичную концентрацию для сплавов типа Д16 серии (1-2 мас.%). Назначение марганца - сформировать в процессе гомогенизации слитков вторичные выделения фазы Al20Cu2Mn3, которые являются эффективными антирекристаллизаторами, что способствует повышению прочности.

Нижние пределы по концентрации магния, меди и марганца выбраны с целью достижения необходимого уровня прочностных свойств, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке.

Верхний предел по среднему размеру борсодержащих частиц выбран с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности при получении тонколистового проката.

Примеры выполнения

ПРИМЕР 1

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, которые приведены в табл. 1.

Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной лигатуры, в количестве, позволяющем получить в конечной структуре слитка объемную долю боридных частиц не менее 5 об.%.

Температуру расплава поддерживали около 970°С в течение 40 минут. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×80×200 мм. Далее слитки гомогенизировали при 500°С, а затем изучали их структуру.

Объемную долю борсодержащих включений (Qv) и их средний размер (d) определяли методами металлографического анализа по изображениям микроструктуры, полученным на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3. Идентификацию боридных частиц проводили методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-4.0-07.

Гомогенизированные слитки подвергали прокатке (сначала горячей, а затем холодной), получая листы толщиной 0,28 мм (Фигура 1, Фигура 2). Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 500°С в течение 1 часа, закалка в воде, старение при 180°С в течение 10 часов. Механические свойства листов, представленные в табл. 2, (предел прочности - σв и относительное удлинение - δ) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.

Как видно из табл. 2, только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает заданный уровень механических свойств листов. В способе №1 содержание меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве ниже заявленных пределов. Прочностные свойства листов, полученных по данному способу заведомо ниже 300 МПа. В способе №5 концентрации меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве выше заявленных пределов. Это привело к снижению технологической пластичности, в результате полученные листы имели многочисленные трещины, поэтому их механические свойства не определяли.

ПРИМЕР 2

Для экспериментального обоснования температуры и времени приготовления расплава было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего материала (табл. 3). Количество меди, магния, марганца и борсодержащей лигатуры, вводимых в расплав во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1). Температура расплава варьировалась в пределах от 850 до 1050°С, а время от 10 до 60 минут. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.

В способе №1 температура расплава ниже заявленного предела, что не позволяет полностью сформировать борсодержащие частицы. В результате значительная часть бора оказалась в шлаке и, как видно из табл. 3, в слитке его количество оказалось заниженным. Из-за недостаточной объемной доли борсодержащих частиц расчетное содержание бора в слитке, полученном по способу №1, заведомо ниже 2 мас.%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения. В способе №5 в течение длительного времени выдержки произошло формирование грубых борсодержащих частиц со средним размером более 50 мкм, что привело к снижению механических свойств при испытании на разрыв. Только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает высокие механические свойства (σв>380 МПа и δ>8%) и требуемое количество борсодержащих частиц с в структуре материала со средним размером менее 25 мкм (Фигура 3, 4).

Способ получения слитка из сплава на основе алюминия, содержащего бор, для изготовления листового проката, включающий приготовление алюминиевого расплава, формирование в нем борсодержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава и его гомогенизацию, отличающийся тем, что готовят алюминиевый расплав, содержащий от 3,8 до 4,6 мас.% меди, от 2,3 до 2,7 мас.% магния и от 0,3 до 0,7 мас.% марганца, вводят в расплав бор в виде лигатуры в количестве, обеспечивающем в структуре слитка образование не менее 5 об.% борсодержащих частиц, формирование которых осуществляют при температуре расплава в пределах от 940 до 1000°С в течение 30-50 мин с получением в структуре слитка равномерно распределенных борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению порошка квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe. Порошки металлов шихтуют в соотношении, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe.

Изобретение может быть использовано при изготовлении присадочных материалов для сварки алюминиевых сплавов, в частности сварных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Li.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям из алюминиево-литиевых сплавов 2ххх, которые не чувствительны к наклепу. Изделие из алюминиевого сплава, полученное обработкой давлением, содержит, вес.%: от 2,75 до 5,0 Cu, от 0,2 до 0,8 Mg, причем значение отношения меди к магнию (Cu/Mg) составляет от 8,0 до 16, от 0,1 до 1,10 Li, от 0,30 до 2,0 Ag, от 0,40 до 1,5 Zn, ≤1,0 Mn и остальное - Al и примеси.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 5-13, медь 1-13,5, цинк 2-10, никель 0,5-4,5, олово 0,1-0,3, по меньшей мере один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, натрий 0,001-0,2, титан 0,001-0,1, ванадий 0,001-0,2, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, бериллий 0,001-0,1, алюминий остальное.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения порошка квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe включает перемешивание порошков алюминия, меди и железа при соотношении компонентов, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe, нагрев полученной смеси в камере в бескислородной атмосфере с последующим измельчением спека до получения порошка заданной дисперсности.

Изобретение относится к массивным изделиям из деформируемого алюминиевого сплава серии 2ххх. Изделие из алюминиевого сплава, полученное обработкой давлением и имеющее конечную толщину по меньшей мере 25,4 мм, выполнено из алюминиевого сплава, содержащего, в вес.%: от 3,00 до 3,80 Cu, от 0,05 до 0,35 Mg, от 0,975 до 1,385 Li, причем -0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85, от 0,05 до 0,20 Zr, от 0,20 до 0,50 Zn, от 0,10 до 0,50 Mn, вплоть до 0,12 Si, вплоть до 0,15 Fe, вплоть до 0,15 Ti, вплоть до 0,05 любой примеси, при сумме примесей, не превышающей 0,15, остальное - алюминий.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 8-13, медь 0,1-10, германий 1,5-8, железо 0,5-3, хром 0,1-2,1, марганец 0,5-3, кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, стронций 0,001-0,2, бериллий 0,001-0,1, титан 0,001-0,1, натрий 0,001-0,2 и ванадий 0,001-0,2, алюминий остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия, содержащим медь и марганец, и может быть использовано для получения изделий, работающих при повышенных температурах.
Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag, предназначенных для использования в качестве высокопрочных конструкционных материалов в авиационно-космической промышленности.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, преимущественно к получению пористых изделий на основе пеноалюминия, и предназначено для изготовления деталей автомобилей, шумопоглащающих экранов, теплостойких демпфирующих материалов.

Изобретение относится к области металлургии сплавов и может быть использовано при производстве магниевых сплавов, не содержащих цирконий. Защитная газовая смесь для обработки магниевого сплава, не содержащего цирконий, включает, мас.%, углекислый газ 75-90, шестифтористую серу 0,5-1,0, воздух 8-23,5, соединение бора, выбранное из группы, содержащей трехфтористый бор и оксид бора, 0,5-1,02.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к изготовлению металлических проводников и касается способа получения трехслойной электропроводящей проволоки. Осуществляют расплавление алюминиевого сплава заявленного состава и литье сердечника из алюминиевого сплава.
Изобретение относится к получению композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий. Способ включает механическую активацию смеси порошков титана и ниобия с добавлением противоагломерирующего компонента.

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при производстве магниевого сплава системы магний-алюминий-цинк-марганец, содержащего примесь циркония.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композитов на основе металлической матрицы из алюминия или его сплавов c наполнителем из частиц борсодержащего материала и вольфрама.

Изобретение относится к шихте для получения пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который может быть использован для изготовления каталитических фильтров нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтрующих элементов, пламегасителей и аэраторов.

Изобретение относится к шихте для получения пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который может быть использован для изготовления каталитических фильтров нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтрующих элементов, пламегасителей и аэраторов.

Изобретение относится к шихте для получения пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), который может быть использован для изготовления каталитических фильтров нейтрализаторов отработанных газов двигателей внутреннего сгорания, фильтрующих элементов, пламегасителей и аэраторов.
Изобретение относится к способу получения пористого металлического тела из алюминиевого сплава, включающему постепенную плавку части пластины из алюминиевого сплава под воздействием источника тепла с использованием водорода в качестве порообразующего газа и постепенное отверждение металла. Постепенную плавку части пластины из алюминиевого сплава ведут путем локального воздействия на ее поверхности источником тепла в виде подвижной электрической дуги переменного тока при скорости движения дуги над пластиной 0,1-10 мм/с, напряжении 20-40 В, токе 20-500 А. Порообразующий газ подают в зону локального воздействия дуги на поверхность пластины в смеси с защитным газом в виде аргона. Расход аргона составляет ≥5 л/мин, парциальное давление порообразующего газа в интервале 20 Па-2,0 МПа, а парциальное давление защитного газа 202 кПа-2,0 МПа. Обеспечивается получение металлического тела из алюминиевого сплава с изменяемой пористостью. 1 пр.
Наверх