Сплав системы алюминий-магний-марганец и изделие из этого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам термически неупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов системы алюминий-магний-марганец с содержанием магния больше 3% по массе. Сплав может быть использован в производстве, в основном, тонких листов, используемых для последующей штамповки и гибки для производства изделий, таких как элементы емкостей, крышки банок, ключи для банок, а также для сварных и несварных элементов конструкций в судостроении, строительстве, автомобилестроении. Предложен сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него, содержащие следующие компоненты, мас. %: магний 3,0-5,8, марганец 0,1-1,0, титан 0,005-0,15, железо - до 0,5, кремний -до 0,4, хром - до 0,3, цинк - до 0,4, медь - до 0,25, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей никель и кобальт, 0,0005-0,25, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод, 0,00001-0,05, алюминий и допустимые примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца, хрома, титана и никеля и/или кобальта не превышает 1,1. Техническим результатом изобретения является то, что заявленный сплав и изделие, выполненное из него, обладают улучшенными механическими свойствами, а также штампуемостью и коррозионной стойкостью, что позволяет повысить срок службы изделий, расширить номенклатуру изготавливаемых изделий, снизить трудозатраты на их изготовление. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам термически неупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов системы алюминий-магний-марганец с содержанием магния больше 3% по массе. Сплав может быть использован в производстве, в основном, тонких листов, используемых для последующей штамповки и гибки в изделия, такие как элементы емкостей, крышки банок, ключи для банок, а также для сварных и несварных элементов конструкций в судостроении, строительстве, автомобилестроении.

Сплавы системы алюминий-магний-марганец имеют относительно невысокие значения прочности, но высокую пластичность и коррозионную стойкость в отожженном состоянии, они хорошо свариваются, из них изготавливают все виды полуфабрикатов (листы, плиты, профили, штамповки) и благодаря этому сочетанию свойств они широко применяются в различных отраслях техники. Единственным способом упрочнения этих сплавов является холодная деформация (нагартовка), которая повышает прочность, но снижает пластичность, штампуемость и коррозионную стойкость. Холодная деформация также приводит к тому, что при длительном вылеживании изделий или их низкотемпературных нагревах (например, солнечный нагрев) происходит снижение прочностных свойств этих изделий.

Несмотря на это, как в российской, так и в зарубежной практике существуют состояния поставки материала с различной степенью нагартовки. В России - это: Н - нагартованный, H1 - четверть нагартованный, Н2 - полунагартованный, Н3 - три четверти нагартованный. За рубежом - это: H1 - упрочненный деформацией, Н2 - упрочненный деформацией и частично отожженный, Н4 - деформационно упрочненный и подверженный термическому воздействию во время покрытия лаком, краской или сушки.

Тонкие листы из сплава системы алюминий-магний-марганец в нагартованном (H1) и нагартованном и частично отожженном состоянии (Н2 и Н4) широко используются для изготовления различных изделий и конструкций.

К таким сплавам, в первую очередь, относятся отечественные сплавы АМг3, АМг4, АМг4,5, АМг5.

В ГОСТе 4784-97 раскрыт сплав системы алюминий-магний-марганец (АМг4), содержащий следующие компоненты, мас.%:

Магний 3,5-4,5

Марганец 0,2-0,7

Хром 0,05-0,25

Железо До 0,5

Кремний До 0,4

Медь До 0,1

Цинк До 0,25

Титан До 0,15

Алюминий Остальное

Тонкие холоднокатаные листы в состоянии H1, Н2, Н4 из этого сплава имеют, с одной стороны, недостаточно высокие значения прочности, а, с другой, низкую штампуемость, что не позволяет проводить штамповку из него в этом состоянии изделий сложной формы.

В патенте RU 2156319 (С 22 С 21/08) раскрыт сплав системы алюминий-магний-марганец для производства катаных или тянутых материалов, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Магний 3,0-5,0

Марганец 0,5-1,0

Железо До 0,25

Кремний До 0,25

Цинк До 0,4

Один или несколько элементов из группы:

Хром До 0,25

Медь До 0,2

Титан До 0,2

Цирконий До 0,2

Алюминий Остальное

при этом Mn+2Zn>0,75, а объемная доля дисперсоидов материала более 1,2%.

Листы из этого сплава обладают высокой прочностью сварного соединения и хорошей свариваемостью. К недостаткам этого сплава можно отнести то, что тонкие холоднокатаные листы из этого сплава в состоянии Н2 и Н4 имеют недостаточно высокую прочность, низкую штампуемость и коррозионную стойкость, а листы из этого сплава в состояниях H1, Н2, Н4, т.е. после нагартовки или после нагартовки и частичного отжига, теряют прочностные свойства при вылеживании или низкотемпературных нагревах, что приводит при штамповке листов к появлению в изделиях надрывов, а также досрочному разрушению при хранении изделий из этого сплава из-за коррозионных повреждений и снижения прочности, что, в свою очередь, снижает ресурс работы изделий, ограничивает сортамент изготавливаемых изделий, повышает трудоемкость их изготовления.

Задачей изобретения является повышение прочности, штампуемости и коррозионной стойкости тонких листов и изделий из них, а также уменьшение эффекта потери прочности при длительном вылеживании (хранении) изделий.

Поставленная задача решается тем, что предложен сплав на основе алюминия, содержащий магний, марганец, титан, железо, кремний, хром, цинк, медь, алюминий и допустимые примеси, дополнительно содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей никель и кобальт, и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 3,0-5,8

Марганец 0,1-1,0

Титан 0,005-0,15

Железо До 0,5

Кремний До 0,4

Хром До 0,3

Цинк До 0,4

Медь До 0,25

По меньшей мере один элемент,

выбранный из группы, включающей

Никель и кобальт 0,0005-0,25

По меньшей мере один элемент,

выбранный из группы, включающей

Бор и углерод 0,00001-0,05

Алюминий и допустимые примеси Остальное

при этом суммарное содержание марганца, хрома, титана и никеля и/или кобальта не превышает 1,1.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается также тем, что сплав дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей церий, цирконий, ванадий, бериллий, гафний, скандий и молибден до 0,15 мас.% каждого и не более 0,5 мас.% в сумме.

Наиболее благоприятными соотношениями для некоторых элементов в сплаве являются следующие, мас.%:

Магний 4,2-5,4

Марганец 0,2-0,6

Железо 0,1-0,3

Кремний 0,05-0,18

Содержание допустимых примесей в сплаве не превышает, мас.%: свинец, кадмий, висмут, олово, индий, галлий, натрий, калий, кальций, барий, фтор, азот, кислород, литий - 0,05%, водород - 2,5×10^-5, сера - 0,005, ниобий, вольфрам, тантал - 0,03, серебро, иттрий - 0,15.

Поставленная задача также решается изделием из тонкого листа термически неупрочняемого сплава на основе алюминия, выполненным из вышеприведенного сплава.

Изделие может быть элементом емкости, в частности банки, например крышкой, ключом, корпусом.

Изделие может быть выполнено сварным, например частью сварной конструкции в судостроении, элементом строительной конструкции в виде облицовки и др.

На изделие может быть нанесено с одной или двух сторон защитное покрытие, например лаковое, или изделие может быть ламинировано пластиком или окрашено.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В известных сплавах сильная холодная деформация (нагартовка) приводит при последующих низкотемпературных нагревах (состояния Н2 и Н4) к интенсивному выделению частиц β-фазы (Аl₃ Mg₂) по границам зерен в виде непрерывной сплошной сетки, это и приводит к снижению прочностных свойств, штампуемости, технологической пластичности, коррозионной стойкости, кроме того, нестабильность твердого раствора приводит к процессу его дальнейшего распада при длительном вылеживании в условиях хранения или при технологических нагревах готовых изделий и как следствие - к снижению их свойств, разрушениям и сокращению срока службы.

Состав предложенного сплава подобран таким образом, что Со и/или Ni повышают растворимость Mg в Аl. В этом случае устойчивость твердого раствора Mg в Аl возрастает, напряжения в кристаллической решетке уменьшаются. Поэтому объемная доля β-фазы (Аl₃ Mg₂), выделяющейся при отжиге, технологических нагревах или вылеживании (длительном хранении) уменьшается, что приводит к повышению прочности, коррозионной стойкости и повышает стабильность свойств при длительном вылеживании. Кроме того, Со и/или Ni связывают железо в более компактные выделения и более дисперсные, чем Аl₃ Fe частицы фазы AlFeCo и AlFeNi, что приводит к повышению технологичности (штампуемости) при холодной деформации листов. Добавки В и/или С образуют карбиды и/или бориды с такими элементами, как Ti, Ni, Со, Fe. Эти частицы служат местами зарождения фазы β (Аl₃ Mg₂ ), выделяющейся при нагревах нагартованного листа. Выделения β-фазы на этих частицах или границе раздела частица/матрица уменьшает их количество, выделяемое на границах зерен, что приводит к повышению технологической пластичности, штампуемости листов, их коррозионной стойкости.

Наличие в сплаве одного или нескольких элементов из группы: церий, цирконий, ванадий, бериллий, гафний, молибден, скандий в указанных количествах приводит к улучшению свариваемости сплава за счет дополнительного модифицирования структуры и уменьшения степени окисляемости жидкого металла при сварке плавлением.

Все это приводит к получению тонких нагартованных и частично нагартованных листов, обладающих более высокими значениями прочности, штампуемости (технологической пластичности), коррозионной стойкости и уменьшает эффект потери прочности при длительном вылеживании (хранении), что приводит к повышению срока службы изделий, расширяет номенклатуру изготавливаемых изделий, снижает трудозатраты на их изготовление.

Примеры.

Отливали плоские слитки сечением 100×500 мм, химический состав которых приведен в табл.1.

Слитки гомогенизировали при температуре 480-500°С в течение 6 часов.

Горячую прокатку слитков проводили при температуре 430-450°С на толщину 6 мм, далее горячекатаный лист отжигали при температуре 310-350°С в течение 3-5 часов и прокатывали в холодную на толщину 1,8 мм, часть листов после дополнительного отжига прокатывали на толщину 0,3 мм, обеспечивая получение нагартованного состояния.

Частичный отжиг всех листов толщиной 1,8 и 0,3 мм проводили при температуре 100-150°С в течение 5-10 часов.

Для имитации длительного хранения изделий и коротких технологических нагревов использовали дополнительный отжиг листов 0,3 мм при 70°С в течение 100 часов и вылеживание при комнатной температуре в течение 3000 часов.

Кроме обычных механических свойств на растяжение, проводили оценку технологической пластичности листов путем испытаний на изгиб (ГОСТ 14019-80) и выдавливание (штампуемость) по методу Эриксена (ГОСТ 10510-80) и сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением при изгибе по ГОСТ 9019-74.

Механические и коррозионные свойства листов приведены в табл.2 и 3.

Как видно из приведенных в табл.2 данных, предлагаемый сплав по сравнению с известным имеет прочностные свойства выше на 20-60 МПа, при этом его технологическая пластичность и штампуемость в 1,5-2 раза выше, чем у известного. Сопротивление коррозионному растрескиванию также в 2-3 раза выше у предлагаемого сплава.

Из табл.3 видно, что после длительного вылеживания при комнатной температуре в течении 3000 часов или имитирующего нагрева 70°С 100 часов падение прочностных свойств у известного сплава равно 50-80 МПа, а у предлагаемого сплава 10-25 МПа, что в 2-3 раза меньше.

Таким образом, применение предлагаемого сплава позволяет повысить срок службы изделий, расширить номенклатуру изготавливаемых изделий, снижает трудозатраты на их изготовление.

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий магний, марганец, титан, железо, кремний, хром, цинк, медь, алюминий и допустимые примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей никель и кобальт и по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей бор и углерод при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 3,0-5,8

Марганец 0,1-1,0

Титан 0,005-0,15

Железо До 0,5

Кремний До 0,4

Хром До 0,3

Цинк До 0,4

Медь До 0,25

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей

Никель и кобальт 0,0005-0,25

по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей

Бор и углерод 0,00001-0,05

Алюминий и допустимые примеси Остальное

при этом суммарное содержание марганца, хрома, титана и никеля и/или кобальта не превышает 1,1.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей церий, цирконий, ванадий, бериллий, гафний, скандий и молибден до 0,15 мас.% каждого и не более 0,5 мас.% в сумме.

3. Сплав по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит магний, марганец, железо и кремний при следующем соотношении, мас.%:

Магний 4,2-5,4

Марганец 0,2-0,6

Железо 0,1-0,3

Кремний 0,05-0,18

4. Сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержание допустимых примесей не превышает, мас.%: свинец, кадмий, висмут, олово, индий, галлий, натрий, калий, кальций, барий, фтор, азот, кислород, литий 0,05%, водород 2,5·10^-5, сера 0,005, ниобий, вольфрам, тантал 0,03, серебро, иттрий 0,15.

5. Изделие из тонкого листа термически неупрочняемого сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп.1-4.

6. Изделие по п.5, отличающееся тем, что оно является элементом емкости.

7. Изделие по п.6, отличающееся тем, что емкостью является банка.

8. Изделие по п.5, отличающееся тем, что оно выполнено сварным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3