Сплав на основе алюминия

 

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия, используемых для изготовления катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в изделиях ответственного назначения, в том числе и сварных конструкциях. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: магний 4,0 - 6,0; литий 1,3 - 2,2; медь 0,005 - 0,2; бериллий 0,0001 - 0,3; по крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей цирконий 0,04 - 0,12 и скандий 0,03 - 0,25; по крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей кальций и барий 0,002 - 0,05; алюминий остальное. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в изделиях ответственного назначения, в том числе и сварных конструкциях.

В настоящее время в промышленности широко применяется сплав 1420 следующего состава, мас.

Магний 4,5-6,0 Литий 1,8-2,3 Цирконий 0,08-0,15 Алюминий и примеси Остальное (ОСТ 1.90048-77. Сплавы алюминиевые деформируемые. Марки).

Недостатками сплава являются низкая пластичность, особенно при ударных нагрузках и пониженный предел текучести. Так гарантируемый уровень свойств сплава в продольном направлении в состоянии ТГ1 (нагрев под закалку 450^оС, закалка на воздухе, старение 120^оС, 12 ч) составляет: предел прочности 40 кгс/мм²; предел текучести 26 кгс/мм²; относительное удлинение 7% На базе системы алюминий-литий-магний был разработан ряд сплавов с более высоким пределом текучести. Наиболее близким к предлагаемому является сплав [1] на основе алюминия, содержащий, мас.

Магний 4,6-6,0 Литий 1,3-2,0 Цирконий 0,04-0,12 Скандий 0,03-0,20 По крайней мере один
металл, выбранный из
группы,включающей
кальций и барий 0,003-0,04
Алюминий Остальное
Сплав имеет высокий уровень механических свойств (σ_в,σ_0,2,δ) обладает хорошей свариваемостью и повышенной малоцикловой усталостью. Однако сплав имеет низкую длительную прочность при 20-70^оС.

Целью изобретения является повышение длительной прочности при 20-70^оС при сохранении хорошей свариваемости и высоком уровне механических свойств.

Для достижения поставленной цели в сплав на основе алюминия дополнительно введены бериллий, медь и по крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей цирконий и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.

Магний 4,0-6,0
Литий 1,3-2,2
Медь 0,005-0,2
Бериллий 0,0001-0,3
По крайней мере один
металл, выбранный из
группы, включающей
цирконий 0,04-0,12
Скандий 0,03-0,25
По крайней мере один
металл, выбранный из
группы, включающей
кальций и барий 0,002-0,05
Алюминий Остальное В сплаве допускается наличие примесей, не более, мас.

Железо 0,3
Кремний 0,2
Натрий 0,003
Содержание магния в сплаве в пределах 4,0-6,0 мас. обеспечивает необходимый уровень прочностных свойств и свариваемость. При уменьшении содержания магния менее 4,0 мас. уровень свойств, особенно прочностных, снижается и повышается склонность сплава к горячим трещинам, как при литье сплава, так и при сварке, при увеличении магния более 6 мас. технологичность и пластичность падают.

Содержание лития выбрано в пределах 1,3-2,2 мас. для обеспечения свариваемости, технологичности при деформации при обеспечении требуемого уровня свойств. При снижении лития (< 1,3 мас.) уменьшается модуль упругости, предел текучести, повышается удельный вес, а при содержании более 2,2 мас. ухудшается технологичность, свариваемость сплава.

Медь в количестве 0,005-0,2 мас. упрочняет твердый раствор алюминия, а также, входя в эвтектические соединения, образованные кальцием, барием: α + Al₄Ca(Ba, Cu), упрочняет границы зерен, что приводит к повышению длительной прочности при 20-70^оС, при содержании более 0,2 мас. ухудшается свариваемость, а при содержании менее 0,005 мас. длительная прочность снижается.

Кальций и (или) барий в указанных количествах нейтрализуют вредное влияние натрия и оказывают модифицирующее воздействие при кристаллизации на зеренную структуру, вследствие чего улучшается свариваемость и повышается предел текучести. При снижении содержания кальция и (или) бария ниже 0,002 мас. не достигается поставленная цель, а с повышением содержания кальция и бария выше 0,05 мас. образуются в значительном количестве нерастворимые частицы избыточных фаз, снижающие пластичность, особенно в высотном направлении. Кроме того, указанные содержания кальция, бария и меди позволяют использовать более дешевую технологию изготовления сплава и применять вторичную шихту с привлечением отходов более широкого ассортимента сплавов, в том числе сплавов системы алюминий-литий-медь.

Бериллий в количестве 0,0001-0,3 мас. изменяет морфологию эвтектических выделений железа, что способствует повышению длительной прочности сплава при 20-70^оС. Кроме того, предохраняет сплав от окисления в процессах плавки, литья, сварки, а также при технологических нагревах под деформацию и при термообработке. Бериллий в количестве менее 0,0001 мас. не оказывает заметного влияния на свойства сплава, а введение бериллия более 0,3 мас. не рекомендуется с точки зрения гигиены труда.

Цирконий и (или) скандий в сплав вводят обычно в качестве модифицирующих добавок. Кроме этого, эти металлы (порознь и совместно) обеспечивают, как правило, получение полигонизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах. При содержании циркония и скандия соответственно ниже 0,04 и 0,03 мас. положительного воздействия не проявляется, а при содержаниях выше 0,12 и 0,24 мас. выделяются первичные частицы нерастворимых избыточных фаз Al₃(ScZr), Al₃Zr и Al₃Sc, что приводит к снижению пластичности.

Таким образом, в случае отклонения от указанных пределов как в сторону меньших значений, так и больших значений содержания компонента, или исключения какого-либо компонента из состава поставленная цель не достигается.

Введение бериллия, меди и по крайней мере одного металла, выбранного из группы, включающей цирконий и скандий, в сплав на основе алюминия с целью повышения длительной прочности при 20-70^оС предложено впервые.

В табл.1 приведен химический состав опробованных композиций предлагаемого, опытных и известного сплавов. При приготовлении композиций алюминий, литий, магний, кальций, барий, медь вводили в чистом виде, а цирконий, скандий и бериллий в виде лигатуры. Плавка осуществлялась в электрической печи, отлитые слитки D 70 мм прессовались на полосу 15 х 60 мм. Механические свойства и длительная прочность определялись на круглых образцах с рабочей частью D 5,0 мм. Оценка свариваемости производилась с помощью точечной пробы. Точки заваривались ручной аргоно-дуговой сваркой с использованием присадочной проволоки свАМг63. Режим сварки I_св 220 А, время заварки одной точки 30-50 с. Все сварные точечные пробы подвергались ультразвуковому контролю. Дефектность (качество сварки) оценивалась по соотношению точек, забракованных УЗК к общему количеству контролируемых точек. Результаты испытаний образцов в продольном направлении в состоянии ТВl (закалка с регламентируемой скоростью охлаждения и искусственное старение) приведены в табл.2.

Как видно из данных табл.2, предлагаемый сплав превосходит известный по длительной прочности при 20-70^оС при аналогичной свариваемости и таком же уровне механических свойств.

Применение предлагаемого сплава позволит повысить надежность и ресурс работы ответственных изделий новой техники.

Формула изобретения

СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, содержащий магний, литий, по крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей кальций и барий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий, медь и по крайней мере один металл, выбранный из группы, включающий цирконий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.

Магний 4 6
Литий 1,3 2,2
Медь 0,005 0,2
Бериллий 0,0001 0,3
По крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей цирконий 0,04 0,12
Скандий 0,03 0,25
По крайней мере один металл, выбранный из группы, включающей кальций и барий 0,002 0,05
Алюминий Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2