Способ производства труб из сверхпрочных алюминиевых сплавов на основе системы al-zn-mg-cu
Владельцы патента RU 2480300:
Закрытое акционерное общество "Военно-промышленная инвестиционная группа "ВИЛС" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам производства труб диаметром 90-150 мм из высокопрочных алюминиевых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, используемых в авиакосмической, газонефтяной и атомной промышленности. Способ получения труб диаметром 90-150 мм из сверхпрочных алюминиевых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu включает отливку слитков полунепрерывным методом с модифицированием структуры до размера зерна, равного дендритному параметру и гомогенизацию слитков, которую проводят по ступенчатому режиму, при этом охлаждение с температуры второй ступени ведут до температуры минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии с выдержкой при этой температуре 1-3 часа с последующим охлаждением до комнатной температуры. Далее осуществляют механическую обработку на заготовки под прессование, прессование труб, которые затем отжигают в температурном интервале минимальной устойчивости твердого раствора с выдержкой при этой температуре 1-2 часа с последующим охлаждением до 150°C. Трубы подвергают холодной прокатке, закалке, правке и искусственному старению. Технический результат - повышение механических свойств труб и ресурса их работы. 6 табл., 1 пр.
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к способам производства труб диаметром 90-150 мм из высокопрочных алюминиевых сплавов, используемых в авиакосмической, газонефтяной и атомной промышленности.
Известен способ производства труб из алюминиевых сплавов, заключающийся в отливке полунепрерывным методом круглых полых или сплошных слитков, их гомогенизации, механической обработке на заготовки под прессование, прессовании труб с толщиной стенки 3-6 мм, отжиге горячепрессованных труб, их прокатке на толщину 1-4 мм, закалке, правке и искусственном старении (Справочное руководство. Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов. М., Металлургия, 1983, с.145-158. Справочное руководство. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. М., Металлургия, 1971 г., с.230-244, с.298-317).
Недостатком известного способа является низкая технологическая пластичность слитков из сверхпрочных алюминиевых сплавов, затрудняющая осуществление технологических процессов заготовительного литья полунепрерывным методом и последующее их прессование и прокатку, а также низкая пластичность готовых термически упрочненных труб.
Известен способ производства труб из высокопрочных алюминиевых сплавов, осуществляемый по вышеописанной схеме, но с целью повышения пластичности слитков последние при литье модифицируют путем введения в расплав лигатурного прутка и затем подвергают высокотемпературной гомогенизации. Как результат, технологическая пластичность при литье слитков и при обработке их давлением заметно возрастает для алюминиевых сплавов средней и высокой прочности (Напалков В.И., Черепок Г.В., Махов С.В., Черновол Ю.М. Непрерывное литье алюминиевых сплавов. Справочник. Москва. «Интермет Инжиниринг». 2005 г., с.164-178, 340-363). Прототип.
Однако технологическая пластичность слитков из сверхпрочных алюминиевых сплавов как при литье, так и при последующей обработке давлением (прессовании, прокатке) остается низкой. Пластические свойства закаленных и искусственно состаренных труб также пониженные.
Предлагаемый способ производства труб диаметром 90-150 мм из сверхпрочных алюминиевых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu включает отливку круглых полых или сплошных слитков методом полунепрерывного литья, сопровождаемую интенсивным модифицированием зеренной структуры слитка до ее предельно возможного измельчения (размер литого зерна становится равным дендритному параметру) и формирования в слитке недендритной структуры, гомогенизации слитков по двухступенчатому режиму с охлаждением до температуры минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии с выдержкой при этой температуре 1-3 часа с последующим нерегламентированным охлаждением до комнатной температуры, прессовании трубы с нагревом до области температур минимальной устойчивости твердого раствора, отжиг горячепрессованных труб в течение 1-2 часов при температуре минимальной устойчивости твердого раствора с последующим медленным охлаждением до 150°C, холодная прокатка на окончательный размер, закалка, правка и упрочнение путем искусственного старения.
Предлагаемый способ производства тонкостенных труб диаметром 90-150 мм из сверхпрочных алюминиевых сплавов отличается от известного тем, что при заготовительном литье слитков осуществляют интенсивное модифицирование зеренной структуры до предельно возможного измельчения зерна (получения недендритной структуры), при проведении двухступенчатой гомогенизации осуществляют охлаждение с температуры второй ступени до температуры минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии с выдержкой при этой температуре 1-3 часа с последующим нерегламентируемым охлаждением до комнатной температуры, прессование и последующий отжиг горячепрессованных труб проводят в температурном интервале минимальной устойчивости твердого раствора.
Предельное измельчение зеренной структуры слитков (формирование недендритной структуры), сопровождаемое измельчением включений избыточных фаз, залегающих по границам зерен, и повышающая пластичность металла по всей технологической цепочке (начиная с литья и заканчивая холодной прокаткой) синергетически складывается с эффектом, получаемым от использования предлагаемого режима гомогенизации и условий прессования. Технический эффект - повышение технологической пластичности слитка и, как следствие, повышение производительности и выхода годного при литье и прессовании, а также рост служебных характеристик готовых труб.
Пример.
В индукционной электрической печи емкостью 1 т и вакуумном электрическом миксере емкостью 1 т была приготовлена плавка из сплава 1960 следующего химического состава (табл.1).
| Таблица 1 | |||||||
| Фактический химический состав слитков сплава 1960, вес.% | |||||||
| Zn | Mg | Cu | Zr | Mn | Be | Fe | Si |
| 8,4 | 2,7 | 2,4 | 0,14 | 0,01 | 0,0007 | 0,08 | 0,04 |
Из первой половины плавки (500 кг) отлили круглый слиток диаметром 304 мм по известной, обычно используемой технологии. Слиток гомогенизировали при температуре 455°C в течение 24 ч с последующим охлаждением на воздухе. Из гомогенизированного слитка механическим путем были получены две полые заготовки под прессование диаметром 280 и длиной около 550 мм.
Из второй половины плавки (500 кг) также отлили круглый слиток диаметром 304 мм с использованием интенсивного модифицирования зеренной структуры с помощью специально приготовленного лигатурного прутка. Слиток гомогенизировали по двухступенчатому режиму 420°C, 8 часов, медленный нагрев до 450°C, выдержка 20 часов и охлаждение до температуры 340°C (температура минимальной устойчивости твердого раствора в сплаве 1960), выдержка 2 часа с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.
Сравнение внешнего вида отлитых слитков показывает, что слитки, отлитые с интенсивным модифицированием, имеют более ровную и гладкую поверхность без неслитин и с малыми ликвационными наплывами. Исследование структуры слитков показало, что слитки, отлитые по известному способу, имеют обычную зеренную структуру с величиной зерна около 900 мкм и величиной дендритной ячейки около 70 мкм. Слиток, отлитый с интенсивным модифицированием, имел недендритную структуру с размером зерна 70 мкм. Слиток характеризовался более высокой плотностью на 0,6% (из-за меньшей пористости), меньшей объемной долей избыточных фаз из-за более полного растворения их при гомогенизации. Средний размер эвтектических прослоек избыточных фаз по границам зерен в литом слитке уменьшился в 10 раз с 4 мкм до 0,3 мкм.
Вышеописанные структурные изменения обеспечили повышение пластичности слитка в интервале температур прессования (табл.2).
| Таблица 2 | ||||||
| Механические свойства слитка диаметром 304 мм сплава 1960 при разных температурах испытания | ||||||
| Слиток | 350°C | 400°C | 430°C | |||
| σB, МПа | δ, % | σB, МПа | δ, % | σB, МПа | δ, % | |
| Известный | 5,2 | 71 | 3,8 | 82 | 3,2 | 79 |
| Предлагаемый | 5,0 | 78 | 3,5 | 95 | 3,0 | 120 |
На трубном прессе усилием 3,5 тысячи т были отпрессованы трубы ⌀146×6 мм. Температура нагрева под прессование была 340-350°C. В процессе прессования температура повышалась до 430°C.
Скорость истечения труб при использовании обычных слитков составила 1,2 м/мин, а из слитков, полученных по предлагаемому способу - 3,1 м/мин.
Для сравнения свойств прессованных труб последние были закалены, искусственно состарены и испытаны на растяжение (табл.3).
Прессованные трубы, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокими прочностными и заметно более высокими пластическими характеристиками.
| Таблица 3 | |||
| Механические свойства горячепрессованных и затем термически упрочненных труб | |||
| Способ получения | σB, МПа | σ02, МПа | δ, % |
| Известный | 660 | 640 | 4,2 |
| Предлагаемый | 690 | 665 | 7,1 |
Для повышения технологической пластичности прессованных труб перед холодной прокаткой трубы отжигали по двум режимам. По известному режиму 400°C, 1 час с медленным охлаждением (30°C/час) до 150°C и по предлагаемому режиму 340°C, 2 часа, медленное охлаждение до 150°C. Отожженные трубы были испытаны на растяжение (табл.4).
| Таблица 4 | |||
| Механические свойства отожженных труб | |||
| Способ получения | σB, МПа | σ02, МПа | δ, % |
| Известный | 245 | 157 | 20,7 |
| Предлагаемый | 243 | 151 | 24,7 |
Рассмотрение таблицы 4 показывает, что пластичность отожженных труб, получаемых по предлагаемому способу, выше.
Отожженные трубы были прокатаны вхолодную с ⌀146×6 мм на ⌀134×3 мм. Процесс прокатки подтвердил более высокую технологическую пластичность отожженных труб, получаемых по предлагаемому способу. Холоднокатаные трубы вместе с заготовками под поперечные образцы были закалены в воде с температуры 470°C и искусственно состарены по режиму 140°C, 16 часов. Механические свойства труб после закалки и искусственного старения представлены в таблице 5.
| Таблица 5 | ||||||
| Механические свойства труб после закалки и искусственного старения | ||||||
| Способ получения | Продольные | Поперечные | ||||
| σB, МПа | σ02, МПа | δ, % | σB, МПа | σ02, МПа | δ, % | |
| Известный | 645 | 610 | 5,0 | 640 | 610 | 5,5 |
| Предлагаемый | 660 | 635 | 8,2 | 655 | 630 | 8,3 |
Из труб были изготовлены образцы для испытаний на ударную вязкость и образцы для испытаний на малоцикловую усталость (f=3 Гц, Кт=2,6, σmax=160 МПа). Результаты испытаний представлены в таблице 6.
| Таблица 6 | ||
| Результаты испытаний труб холоднокатаных и термически упрочненных на малоцикловую усталость и ударную вязкость | ||
| Способ получения | KCU, кгм/см2 | Число циклов до разрушения, циклов |
| Известный | 0,5 | 200-230 |
| Предлагаемый | 0,9 | 270-320 |
Трубы, полученные по предлагаемому способу, имеют большие значения ударной вязкости и обладают большим сопротивлением повторным нагрузкам.
Таким образом, предлагаемый способ получения труб из высокопрочных алюминиевых сплавов обеспечивает большую производительность при прессовании, высокую технологичность при холодной прокатке труб и, самое главное, дает возможность повысить механические и ресурсные свойства готовых труб.
Способ получения труб из сверхпрочных алюминиевых сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, включающий отливку слитков, гомогенизацию слитков, механическую обработку на заготовки под прессование, прессование труб, холодную прокатку, закалку, правку и искусственное старение, отличающийся тем, что отливку слитков осуществляют полунепрерывным методом с модифицированием структуры до размера зерна, равного дендритному параметру, гомогенизацию проводят по ступенчатому режиму, при этом охлаждение с температуры второй ступени ведут до температуры минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии с выдержкой при этой температуре 1-3 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры, после прессования проводят отжиг труб в температурном интервале минимальной устойчивости твердого раствора с выдержкой при этой температуре 1-2 ч с последующим охлаждением до 150°С, а холодную прокатку проводят до получения труб диаметром 90-150 мм.
