Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него

Авторы патента:

C22C21/10 - с цинком в качестве следующего основного компонента

C22C21/06 - с магнием в качестве следующего основного компонента

Владельцы патента RU 2514748:

Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым алюминиевым сплавам, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности разового применения. Сплав содержит, мас.%: цинк 6,0-8,0; магний 3,4-4,2; медь 0,8-1,3; скандий 0,07-0,15; цирконий 0,08-0,12; бериллий 0,0005-0,004; церий 0,01-0,15; титан 0,02-0,08; кремний 0,01-0,15; железо 0,01-0,15; водород 0,05-0,35 см³/100 г металла; неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10; алюминий - остальное, при соотношении между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью и разовых изделий, выполненных из них. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности в изделиях разового применения.

Цель изобретения - создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем удельной прочности за счет получения высоких прочностных характеристик и пониженной плотности.

Известен высокопрочный деформируемый термически обрабатываемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления деталей, использующихся в высоконагруженных конструкциях, например центрифугах, и содержащий, мас.%:

цинк	8,0-9,0
магний	2,3-3,0
медь	2,0-2,6
цирконий	0,1-0,2
титан	до 0,03
кремний	до 0,3
железо	до 0,4
алюминий	остальное

(ОСТ 190048-90).

Сплав рекомендовано использовать для высоконагруженных вращающихся деталей типа центрифуг или других изделий разового применения, требующих высокой прочности используемого материала.

Недостатком этого сплава является высокая плотность - 2,89 г/см³, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления силовых элементов планера самолета, отличающийся пониженной плотностью и хорошей технологичностью и содержащий, мас.%:

цинк	3,2-3,9
магний	4,2-5,0
медь	0,4-1,0
скандий	0,17-0,30
цирконий	0,07-0,14
титан	0,01-0,05
бериллий	0,0001-0,005
марганец	≤0,25
хром	≤0,10
железо	≤0,30
кремний	≤0,20
алюминий	остальное

при отношении содержания магния к содержанию цинка, равном 1,3, и содержании водорода в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла (патент РФ 2468107, МКИ7 С22С 21/16, 2011 г.), прототип.

Сплав имеет пониженное значение плотности 2,71 г/см³. Катаные листы из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают сравнительно высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной температуре, благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность прессованных полуфабрикатов, обусловленная химическим составом сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, необходимыми для изделий разового применения.

Для решения этой задачи предлагается:

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, а также дополнительно содержащий церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,07-0,15
цирконий	0,08-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,15
гитан	0,02-0,08
кремний	0,01-0,15
железо	0,01-0,15
водород	0,05-0,35 см³/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более	0,10
алюминий	остальное

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности следующего химического состава, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,07-0,15
цирконий	0,08-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,15
титан	0,02-0,08
кремний	0,01-0,15
железо	0,01-0,15
водород	0,05-0,35 см³/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более	0,10
алюминий	остальное

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,07-0,15
цирконий	0,08-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,15
титан	0,02-0,08
кремний	0,01-0,15
железо	0,01-0,15
водород	0,05-0,35 см³/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более	0,10
алюминий	остальное

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Отличием предложенного сплава является также низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,55.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют пониженную плотность и однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру с высокими прочностными характеристиками.

Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из этого сплава определяются двумя факторами. Во-первых, при предложенном содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих η- и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в структуре. Дополнительное упрочнение сплава обеспечивает дисперсоид из наночастиц фазы A₃(Sc,Zr). Эти частицы размером 5-20 нм выделяются из пересыщенного твердого раствора при гомогенизации слитка и сохраняют свою дисперсность в термически обработанном полуфабрикате. Их наличие само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, способствует появлению структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры.

Добавка церия позволяет снизить окисляемость расплава и снизить потери от угара, уменьшить загрязненность сплава окисными включениями и, как следствие, повысить механические свойства полуфабрикатов.

Технический результат - повышение удельной прочности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии, и, как следствие, повышение технических и экономических характеристик готовых конструкций.

Пример осуществления

Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 178 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 160 мм при температуре 400°C отпрессовали на полосу сечением 20×60 мм. Полученные полосы закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч и правили растяжением с остаточной деформацией 0,5%. Полосы искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.

Полученный материал с нерекристаллизованной структурой подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σ_В, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные характеристики при комнатной температуре и на 10-20 МПа см³/г более высокие удельные прочностные характеристики.

Таблица 1
Химический состав сплавов (мас.%)
Сплав	Zn	Cu	Mg	Ti	Sc	Zr	Be	Ce	Si	Fe	Mn	Al
Предлагаемый	7,0	1,1	3,8	0,06	0,09	0,10	0,0004	0,05	0,10	0,12	0,03	ост.
Прототип	3,6	0,7	4,6	0,03	0,19	0,08	0,0005	-	0,05	0,06	0,11	ост.
Примечание. Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,30 см7100 г металла.

Таблица 2
Механические свойства изделий в продольном направлении в искусственно состаренном состоянии
Сплав	Свойства при 20°C	Удельная прочность
Плотность, г/см³	σ_В, МПа	σ_0,2, МПа	δ, %	σ_{В, удельная,} МПа см³/г	σ_{0,2, удельная,}МПа см³/г
Предлагаемый	2,75	650	550	10	236,4	200,0
Прототип	2,71	580	520	12	214,0	191,9

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2,
медь	0,8-1,3,
скандий	0,07-0,15,
цирконий	0,08-0,12,
бериллий	0,0005-0,004,
церий	0,01-0,15,
титан	0,02-0,08,
кремний	0,01-0,15,
железо	0,01-0,15,
водород	0,05-0,35 см³/100 г металла,
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более	0,10,
алюминий	остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2,
медь	0,8-1,3,
скандий	0,07-0,15,
цирконий	0,08-0,12,
бериллий	0,0005-0,004,
церий	0,01-0,15,
титан	0,02-0,08,
кремний	0,01-0,15,
железо	0,01-0,15,
водород	0,05-0,35 см³/100 г металла,
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более	0,10,
алюминий	остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.

Изделие из al-zn-mg сплава с пониженной чувствительностью к закалке // 2503735

Группа изобретений относится к изделиям из дисперсионно-твердеющего алюминиевого сплава. Изделие выполнено толщиной от 2 дюймов (50 мм) до 12 дюймов (305 мм) из сплава следующего химического состава, вес.%: Zn - от 3 до 11, Mg - от 1 до 3, Cu - от 0,9 до 3, Ge - от 0,03 до 0,4, Si - максимум 0,5, Fe -максимум 0,5, Ti - максимум 0,3, остальное - алюминий и обычные и/или неизбежные элементы и примеси.

Сверхпрочный сплав на основе алюминия и изделие из него // 2503734

Сплав на основе алюминия предназначен для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде штамповок и труб для использования в газовых центрифугах, в компрессорах низкого давления, вакуумных молекулярных насосах и в других сильно нагруженных изделиях, работающих при умеренно повышенных температурах.

Способ изготовления прессованных полуфабрикатов из высокопрочного алюминиевого сплава и изделия, получаемые из них // 2492274

Изобретение относится к способу производства длинномерных, тонкостенных панелей и профилей, предназначенных для использования на железнодорожном транспорте. .

Сверхпластичный сплав на основе алюминия // 2491365

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых сплавов и технологий получения из них листовых полуфабрикатов методами термической обработки и обработки давлением.

Литейный алюминиевый сплав // 2485199

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении крупногабаритных отливок сложной формы, предназначенных для изготовления деталей ответственного назначения, в частности корпусов редукторов, применяемых в авиастроении.

Алюминиевый сплав и способ его получения // 2484169

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, в частности к тем, из которых получают высокопрочный алюминиевый полуфабрикат, а также к способу получения таких алюминиевых полуфабрикатов.

Высокопрочный экономнолегированный сплав на основе алюминия // 2484168

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150°С, деталей летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, деталей спортинвентаря и др.

Протекторный сплав на алюминиевой основе // 2483133

Изобретение относится к металлургии, в частности к протекторным сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при производстве протекторов для защиты от коррозии морских сооружений и судов из алюминиевых сплавов.

Высокопрочный сплав на основе алюминия с добавкой кальция // 2478132

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 100-150°С, таких как детали летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, детали спортинвентаря и др.

Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия // 2513492

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов и в качестве конструкционного материала.

Сверхпрочный сплав на основе алюминия и изделие из него // 2503734

Способ получения композиционного материала на основе сплава алюминий-магний с содержанием нанодисперсного оксида циркония // 2499849

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов, упрочненных нанодисперсными частицами. Упрочняющие нанодисперсные частицы оксида циркония вводят в расплав на основе сплава алюминий-магний.

Способ приготовления алюминиевого сплава // 2497965

Изобретение относится к производству алюминиевых сплавов, в частности алюминиевых сплавов, содержащих обладающий высокой реакционной способностью магний. При приготовлении алюминиевого сплава, содержащего Mg, к расплаву сплава добавляют Са, Sr и Ва в таком количестве, чтобы содержание кальция составляло 0,001-0,5 мас.%, а их соотношение находилось в пределах, заключенных между линиями, соединяющими пять точек на фиг.1: точку Е (Са: 28 ат.%, Sr: 0 ат.%, Ва: 72 ат.%), точку F (Са: 26 ат.%, Sr: 30 ат.%, Ва: 44 ат.%), точку G (Са: 54 ат.%, Sr: 46 ат.%, Ва: 0 ат.%), точку Н (Са: 94 ат.%, Sr: 6 ат.%, Ва: 0 ат.%), точку I (Са: 78 ат.%, Sr: 0 ат.%, Ва: 22 ат.%), при исключении соотношений на образованных между указанными точками линиях.

Сверхпластичный сплав на основе алюминия // 2491365

Термостойкий литейный алюминиевый сплав // 2478131

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления отливок, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 300-350°С, автомобильных двигателей, деталей водозаборной арматуры, ступеней погружного насоса для нефтегазового комплекса, деталей радиаторов отопления и др.

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия с пониженной плотностью и способ его обработки // 2468107

Сплав на основе алюминия // 2468106

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в авиационной промышленности.

Способ получения сплава на основе алюминия системы al-pb // 2454472

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть применено при получении сплавов системы алюминий-свинец. .

Литейный сплав на основе алюминия // 2447174

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия, применяемым в авиационной технике и других отраслях машиностроения для нагруженных деталей внутреннего набора фюзеляжа, деталей управления, силовых кронштейнов и др.

Алюминиевый сплав для прецизионного точения серии аа 6ххх // 2522413

Изобретение относится к области обработанных прецизионным точением деталей, полученных из выдавленных продуктов типа прутков, стержней, брусков, или даже труб из деформируемого алюминиевого сплава для прецизионного точения. Сплав имеет следующий состав, мас.%: 0,8<Si<1,5, предпочтительно 1,0≤Si<1,5; 1,0<Fe<1,8, предпочтительно 1,0<Fe≤1,5; Cu <0,1; Mn <1, предпочтительно <0,6; Mg 0,6-1,2, предпочтительно 0,6-0,9; Ni <3,0%, предпочтительно 1,0-2,0; Cr <0,25%; Ti <0,1%; другие элементы <0,05 каждый и 0,15 в сумме, остальное - алюминий. Объектом изобретения является также деталь, полученная прецизионным точением из такого выдавленного продукта, как определено выше. Изобретение направлено на улучшение обрабатываемости резанием сплавов на основе алюминия с содержанием кремния, не превышающим 1,5 %. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 пр., 3 табл., 3 ил.