Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2581953:
Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)
Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности и изделиям из них, предназначенным для разового применения. Сплав с плотностью 2,80 г/ см3 содержит, мас.%: цинк 6,0-8,0, магний 3,4-4,2, медь 0,8-1,3, скандий 0,02-0,06, цирконий 0,07-0,12, бериллий 0,0005-0,004, церий 0,01-0,05, титан 0,02-0,05, кремний 0,01-0,10, железо 0,01-0,15, неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10, алюминий - остальное, при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла. Изобретение направлено на создание сплава системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном направлении и по толщине изделия. 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 прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном удлинении в поперечном и по толщине направлениях.
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 при эксплуатации изделий.
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, МКИ 7 C22C 21/16, 2011 г.).
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.
Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, что необходимо для изделий разового применения, содержащий, 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 | |
| Мn, 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
(патент РФ 2514748, МКИ 7 C22C 21/16, 2013 г. - прототип).
Прессованные профили из этого сплава плотностью 2,80 г/см3 с площадью поперечного сечения 46 см3 имеют нерекристаллизованную структуру и высокие механические свойства в долевом направлении. Однако при испытании разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля, происходит малопластичное разрушение с низким относительным удлинением.
Недостатком сплава является низкое относительное удлинение разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля с большой площадью поперечного сечения, что снижает эксплуатационную надежность готовых изделий.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном и по толщине направлениям.
Для решения этой задачи предлагается следующее.
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см3, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 6,0-8,0 |
| магний | 3,4-4,2 |
| медь | 0,8-1,3, |
| скандий | 0,02-0,06 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| бериллий | 0,0005-0,004 |
| церий | 0,01-0,05 |
| титан | 0,02-0,05 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| железо | 0,01-0,15 |
| неизбежные примеси из группы | |
| Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O | |
| в суммарном количестве | не более 0,10 |
| алюминий | остальное, |
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла.
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 6,0-8,0 |
| магний | 3,4-4,2 |
| медь | 0,8-1,3 |
| скандий | 0,02-0,06 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| бериллий | 0,0005-0,004 |
| церий | 0,01-0,05 |
| титан | 0,02-0,05 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| железо | 0,01-0,15 |
| неизбежные примеси из группы | |
| Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O | |
| в суммарном количестве | не более 0,10 |
| алюминий | остальное, |
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла.
Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав содержит пониженное количество скандия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 6,0-8,0 |
| магний | 3,4-4,2 |
| медь | 0,8-1,3 |
| скандий | 0,02-0,06 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| бериллий | 0,0005-0,004 |
| церий | 0,01-0,05 |
| титан | 0,02-0,05 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| железо | 0,01-0,15 |
| водород | 0,05-0,35 см3/100 г металла |
| неизбежные примеси из группы | |
| Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O | |
| в суммарном количестве | не более 0,10 |
| алюминий | остальное, |
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла.
Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют одинаковую с прототипом плотность, практически такие же высокие прочностные характеристики и повышенную пластичность, в особенности в поперечном и по толщине направлениях.
Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из сплава-прототипа и предлагаемого сплава определяются тем, что при имеющемся в них 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 алюминиевой матрице.
Как известно, в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu при введении в них Sc и Zr образуется дисперсоид из наночастиц фазы Al3(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 появление само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, частицы являются причиной возникновения структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры. Благодаря этому, при высоком содержании скандия в сплаве-прототипе прессованные изделия имеют в состоянии T1 чрезмерно высокую прочность в долевом направлении, но отличаются пониженной пластичностью при испытании поперечных и высотных разрывных образцов.
Ограничение содержания скандия в предлагаемом сплаве снижает количество частиц дисперсоида в структуре и способствует прохождению при нагреве полуфабрикатов под закалку частичной рекристаллизации (начальной стадии), что при небольшом снижении прочности в долевом направлении повышает прочность и пластичность разрывных образцов в поперечном и по толщине направлениях.
Технический результат - повышение пластичности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности готовых деталей конструкций.
Пример осуществления.
В электрической печи приготовили плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 310 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 280 мм прессовали на профиль с поперечным сечением 46 см3 и диаметром описанной окружности 100 мм. Полученные профили закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч, правили растяжением с остаточной деформацией 0,5% и искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.
Профили подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σВ, предела текучести σ0,2, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные и пластические характеристики в поперечном и по толщине направлениях при сохранении высоких прочностных характеристик в долевом направлении.
Примечания:
Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,25 см3/100 г металла. Плотность сплавов 2,80 г/см3.
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см3, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 6,0-8,0 |
| магний | 3,4-4,2 |
| медь | 0,8-1,3 |
| скандий | 0,02-0,06 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| бериллий | 0,0005-0,004 |
| церий | 0,01-0,05 |
| титан | 0,02-0,05 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| железо | 0,01-0,15 |
| неизбежные примеси из группы | |
| Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O | |
| в суммарном количестве | не более 0,10 |
| алюминий | остальное, |
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла.
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см3, содержащего цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 6,0-8,0 |
| магний | 3,4-4,2 |
| медь | 0,8-1,3 |
| скандий | 0,02-0,06 |
| цирконий | 0,07-0,12 |
| бериллий | 0,0005-0,004 |
| церий | 0,01-0,05 |
| титан | 0,02-0,05 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| железо | 0,01-0,15 |
| неизбежные примеси из группы | |
| Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O | |
| в суммарном количестве | не более 0,10, |
| алюминий | остальное, |
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла.
