Сплав на основе алюминия для получения фольги
Владельцы патента RU 2415191:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В.Плеханова (технический университет)" (RU)
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Fe-Si, предназначенных для изготовления фольги, используемой в качестве упаковки в пищевой промышленности, медицине, химической промышленности. Сплав включает следующие компоненты, мас.%: железо 0,95-1,25, марганец 0,15-0,25, хром 0,025-0,035, ванадий 0,10-0,15, алюминий - остальное, при этом содержание кремния определено из соотношения содержания железа к кремнию, равного 3,0-3,5. Получается сплав, обладающий повышенными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью, а также пониженной анизотропией. 2 табл., 1 ил.
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия системы А1-Fe-Si, предназначенных для изготовления фольги, используемой в качестве упаковки в пищевой промышленности, медицине, химической промышленности.
Известен сплав на основе алюминия марки 8006 (США, стандарт ASTM), имеющий следующий зарегистрированный в Aluminum Association химический состав (в мас.%):
| Fe | 1,20-2,00 |
| Si | 0,15-0,40 |
| Mn | 0,3-1,0 |
| Сu | 0,05-0,3 |
| Mg | <0,10 |
| Zn | <0,10 |
| Аl | остальное. |
Фольга из алюминиевого сплава 8006 предназначена под глубокую вытяжку и штамповку для производства пищевых контейнеров.
Недостатком известного сплава является то, что сплав имеет недостаточно высокие характеристики прочности, пластичности, которые необходимы для фольги под глубокую вытяжку. Повышенное содержание железа приводит к неравномерному распределению интерметаллидных соединений игольчатой формы, укрупнению интерметаллидных соединений, выпадению кристаллического кремния.
Неравномерное распределение крупных интерметаллидных соединений игольчатой формы не позволяет достичь необходимого уровня механических характеристик и низкую анизотропию свойств в получаемой заготовке и высокую коррозионную стойкость.
Фольга в отожженном состоянии из этого сплава имеет следующие характеристики: предел прочности при растяжении - до 135 МПа, предел текучести - до 75 МПа, относительное удлинение 9-11%.
Существующие технологии производства фольги не могут обеспечить выпуск продукции с необходимыми техническими требованиями для фольги под глубокую
вытяжку, а именно: со следующими характеристики прочности и пластичности (σB>140 МПа, σ0,2>85 МПа, δ>12%) при минимальной анизотропии свойств.
Наиболее близким по технической сущности является сплав на основе алюминия (РСТ, заявка №WO 01/04369, С22С 21/00, опубл. 18.01.2001) следующего химического состава, мас.%:
| Fe | 0,5-3,0 |
| Si | 0,0005-0,2 |
| Mn | 0,5-4,0 |
| Сu | 0,005-0,2 |
| Cr | 0,01-0,5 |
| Ti | 0,01-0,5 |
| Zr | 0,01-0,5 |
| Al | остальное. |
Недостатком известного сплава является невысокий уровень прочностных и пластических характеристик готового продукта, наличие анизотропии свойств, недостаточная коррозионная стойкость.
Причиной, обуславливающей возникновение указанного выше недостатка, является неравномерное распределение интерметаллидных соединений в алюминиевой матрице, размер и форма интерметаллидных соединений. Неравномерное распределение интерметаллидных соединений в алюминиевой матрице приводит к образованию фестонов - зон разупрочнения, где отсутствуют интерметаллидные соединения. Наличие крупных интерметаллидных соединений иглообразной формы приводит к возникновению дырчатости и обрывности при прокатке фольги.
Задачей изобретения является создание сплава на основе алюминия для получения фольги, характеризующегося равномерным распределением интерметаллидных соединений в алюминиевой матрице, уменьшением размеров и степени игольчатости интерметаллидных соединений до оптимальных показателей.
Техническим результатом изобретения является повышение механических свойств, снижение анизотропии свойств и повышение коррозионной стойкости сплава на основе алюминия для получения фольги.
Технический результат достигается за счет того, что в сплав, включающий алюминий, железо, кремний, марганец, хром, дополнительно вводится ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Железо | 0,95-1,25 |
| Марганец | 0,15-0,25 |
| Хром | 0,025-0,035 |
| Ванадий | 0,10-0,15 |
| Алюминий | остальное, |
при этом содержание кремния определено из соотношения содержания железа к кремнию, равного 3,0-3,5.
Сплав указанного состава обладает высоким уровнем механических свойств, низкой анизотропией свойств и повышенной коррозионной стойкостью за счет получения мелкозернистой недендритной структуры, включающей равномерно распределенные в алюминиевой матрице эвтектику Al-Si и интерметаллидные соединения, содержащие алюминий, железо, хром, ванадий округлой формы и размером 0,7-1,2 мкм.
Уменьшение содержания железа до указанных пределов обеспечивает повышение характеристик прочности за счет образования интерметаллидных соединений и повышение характеристик пластичности и коррозионной стойкости за счет получения их равномерного распределения, округлости формы и размера 0,7-1,2 мкм. При повышении содержания железа более 1,25% увеличиваются прочностные характеристики, но резко уменьшается пластичность, что связано с повышением объемной доли интерметаллидных соединений, различной их формой и размерами. Содержания железа менее 0,95% вызывает снижение характеристик прочности.
Выбранное соотношение содержания железа к содержанию кремния 3,0-3,5 обеспечивает высокие характеристики прочности, пластичности, минимальную анизотропию свойств и коррозионную стойкость за счет получения мелкозернистой равномерной недендритной структуры с оптимальными размерами интерметаллидных соединений железа и эвтектики Al-Si и оптимальным распределением этих структурных составляющих. Соотношение содержания железа к содержанию кремния менее 3,0 приводит к снижению прочностных характеристик материала и образованию повышенной пористости (дырчатости) фольги тонких размеров из-за наличия избыточного количества эвтектики Al-Si грубых размеров. Соотношение содержания железа к содержанию кремнию более 3,5 приводит к излишнему упрочнению и снижению пластических характеристик и повышению обрывности фольги, т.к. избыточное содержание железа способствует образованию игольчатых интерметаллидных соединений.
Уменьшение содержания марганца до указанных пределов обеспечивает повышение характеристик прочности и пластичности, коррозионной стойкости за счет положительного воздействия на форму железосодержащих фаз в алюминиевом сплаве. Марганец вызывает сфероидизацию частиц и позволяет уменьшать размер интерметаллидных соединений, что будет способствовать улучшению качества фольги за счет исключения дырчатости и обрывности при прокатке. Увеличение содержания марганца выше 0,25% вызывает снижение характеристик пластичности фольги.
Уменьшение содержания хрома в указанных пределах обеспечивает сохранение прочностных свойств и коррозионную стойкость фольговой заготовки при повышенных температурах. При содержании выше 0,035% характеристика пластичности фольги снижается. Содержание хрома в сплаве ниже 0,025% не оказывает воздействия на структуру и свойства фольговой заготовки.
Добавка ванадия приводит к образованию мелких интерметаллидных соединений, которые, являясь центрами кристаллизации, оказывают модифицирующее действие и измельчают структуру зерен, что обеспечивает повышение характеристик прочности, пластичности, минимальную анизотропию свойств и коррозионную стойкость. При увеличении содержания ванадия более 0,15% во время высокотемпературного отжига заготовки 500-540°С наблюдается рост аномально крупного зерна. При уменьшении содержания ванадия менее 0,1% в предлагаемом сплаве снижается воздействие ванадия на образование интерметаллидных соединений.
Настоящий состав был опробован при изготовлении фольги толщиной 36 мкм из сплава на основе алюминия следующего состава, мас.%:
| железо | 1,05-1,23 |
| кремний | 0,30-0,35 |
| марганец | 0,19-0,24 |
| ванадий | 0,12-0,15 |
| хром | 0,030-0,034 |
| алюминий | остальное. |
Результаты испытаний приведены в таблицах 1 и 2. Химический состав сплавов приведен в таблице 1.
Химический состав сплавов
| Таблица 1 | ||||||
| № хим. состава | железо | кремний | марганец | ванадий | хром | алюминий |
| 1 | 1,23 | 0,33 | 0,21 | 0,15 | 0,033 | Остальное |
| 2 | 1,21 | 0,31 | 0,19 | 0,13 | 0,030 | |
| 3 | 1,15 | 0,31 | 0,22 | 0,12 | 0,031 | |
| 4 | 1,09 | 0,32 | 0,24 | 0,12 | 0,031 | |
| 5 | 1,05 | 0,33 | 0,20 | 0,12 | 0,032 | |
| Прототип | 2,5 | 0,35 | 2,0 | - | 0,2 |
Механические свойства фольги толщиной 36 мкм приведены в таблице 2.
Механические свойства фольги толщиной 36 мкм
| Таблица 2 | ||||||
| № хим. состава | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Относительное удлинение, % | |||
| 20°С | 300°С | 20°С | 300°С | 20°С | 300°С | |
| 1 | 165 | 115 | 115 | 90 | 18,5 | 22,0 |
| 2 | 155 | 108 | 110 | 85 | 16,5 | 19,0 |
| 3 | 160 | 110 | 107 | 90 | 16,5 | 23,0 |
| 4 | 145 | 105 | 110 | 87 | 17,5 | 24,0 |
| 5 | 140 | 100 | 100 | 85 | 15,5 | 22,0 |
| Прототип | 144 | 108 | 105 | 86 | 10,0 | 16,5 |
Распределение показателей анизотропии приведены на чертеже.
Таким образом, предложен сплав на основе алюминия для получения фольги с высокими механическими свойствами, минимальной анизотропией и хорошей коррозионной стойкостью. Это позволяет эффективно использовать фольгу, полученную из предлагаемого сплава, для производства пищевых контейнеров и в качестве упаковки в медицине и химической промышленности. Применение предложенного сплава для производства изделий из фольги повышает выход годной продукции на операциях штамповки и глубокой вытяжки на 15-20%.
Сплав на основе алюминия для получения фольги, включающий железо, кремний, марганец, хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Железо | 0,95-1,25 |
| Марганец | 0,15-0,25 |
| Хром | 0,025-0,035 |
| Ванадий | 0,10-0,15 |
| Алюминий | Остальное, |
при этом содержание кремния определено из соотношения содержания железа к кремнию, равного 3,0-3,5.
