Сплав на основе алюминия и способ получения из него деформированных полуфабрикатов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: марганец 0,5-2,0, железо 0,2-0,6, магний 0,5-1,5, цирконий 0,2-0,6, кремний 0,15-0,6, медь 0,1-0,3, цинк 0,05-0,5, алюминий остальное, при соотношении Zr/Si=1-2, при этом цирконий в структуре сплава присутствует в виде вторичных выделений кубической фазы Al₃Zr с решеткой L1₂ и со средним размером не более 20 нм. Способ получения деформированного полуфабриката из сплава на основе алюминия включает получение расплава, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение деформированного полуфабриката путем деформирования литого слитка и термической обработки деформированного полуфабриката, при этом кристаллизацию расплава проводят при температуре, превышающей температуру ликвидуса сплава не менее чем на 50°C, а скорость охлаждения в интервале кристаллизации составляет не менее 20 K/с, деформирование литой заготовки проводят при температуре, не превышающей 450°C, а термическую обработку готового деформированного полуфабриката проводят при температуре 300-400°C. Техническим результатом изобретения является повышение уровня механических свойств, в том числе после нагревов при температурах до 300°C включительно, достигаемых без использования гомогенизации слитков и закалки деформированных полуфабрикатов. В частности, временное сопротивление превышает 250 МПа, относительное удлинение превышает 8%, а предел текучести выше 200 МПа. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 3 табл., 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, например для строительных конструкций, отделки интерьеров, для изготовления, хранения и транспортировки различных химических веществ, радиаторов и т.д. Полученные из материала изделия способны работать в различных средах, в том числе и коррозионной, в широком интервале температур (до 300°C).

Предшествующий уровень техники

Материалы на основе системы Аl-Мn (сплавы типа АМц (ГОСТ 4784-75) или АА3003) имеют удачное сочетание технологичности при обработке давлением, свариваемости, коррозионной стойкости, теплопроводности, при этом имеют относительно простую технологическую цепочку получения деформируемых полуфабрикатов, благодаря отсутствию операций гомогенизации и закалки (Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. «Промышленные алюминиевые сплавы», М., Металлургия, 1984, 528 с.). Однако их прочностные свойства невысоки, особенно в отожженном состоянии (временное сопротивление не превышает 150 МПа), что ограничивает их применение.

Более высокую прочность могут обеспечить сплавы (система Al-Mg-Si, сплавы типа АА6061 и АА6063), которые частично сохраняют достоинства сплавов 3ххх серии. Однако для достижения высокого уровня технологичности и физико-механических характеристик для сплавов 6ххх серии требуется обязательное использование операций гомогенизации для слитков, закалки и старения для деформированных полуфабрикатов, что в некоторых случаях усложняет и удорожает технологический цикл. Кроме того, изделия из сплавов 6ххх серии не должны подвергаться длительным нагревам выше 200°C, поскольку в противном случае пропадает упрочняющий эффект, связанный с вторичными выделениями метастабильных модификаций фазы Mg₂Si.

В патенте РФ на изобретение №2218437 предлагается материал, содержащий 0,3-1,5% Мn, 0,05-0,9% Fe, 0,001-0,3 Ni и/или Со и в качестве модифицирующей добавки по меньшей мере один из элементов Ti, Cr, Zr, Sc, V, Mo, Hf, В или С, остальное Аl. Материал представляет собой твердый раствор на основе алюминия и равномерно распределенные в нем дисперсные частицы (Al, Mn, Ni и/или Со). Основное назначение модифицирующих добавок Ti, Cr, Zr, Sc, V, Mo, Hf, В или С измельчение рекристаллизованного зерна. Недостатком данного материала является относительно невысокое содержание вторичных выделений соответствующих дисперсоидов, которое недостаточно для сохранения высокого уровня механических свойств после высокотемпературных нагревов. Кроме того, присутствие таких дорогостоящих элементов, как Sc и Hf, существенно увеличивает конечную стоимость деформированных полуфабрикатов.

Раскрытие изобретения

Техническая задача изобретения заключается в разработке сплава и способа получения деформированных полуфабрикатов, исключающего операции гомогенизации и закалки, а также обеспечивающих достижение высокого уровня механических свойств, в том числе и после высокотемпературных нагревов при сохранении совокупного набора основных характеристик сплавов 3ххх и 6ххх серии.

Поставленная задача решается тем, что для получения деформированных полуфабрикатов предложен материал на основе алюминия, содержащий марганец и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, цирконий, кремний и, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей медь и цинк при следующем соотношении компонентов:

Марганец	0,5-2,0
Железо	0,2-0,6
Магний	0,5-1,5
Цирконий	0,2-0,6
Кремний	0,15-0,6
Медь	0,1-0,3
Цинк	0,05-0,5
Алюминий	Остальное,

при этом цирконий в структуре присутствует в виде вторичных выделений кубической фазы Al₃Zr с решеткой L1₂ и со средним размером не более 20 нм при соотношении Zr/Si=1-2. Сплав может быть выполнен в виде прессованного профиля, прутка, катаной плиты или листа.

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплава на основе алюминия включает следующие основные этапы: получение расплава, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение деформированного полуфабриката путем деформирования литого слитка и термической обработки деформированного полуфабриката, отличающийся тем, что кристаллизацию расплава проводят при температуре, превышающей температуру ликвидуса сплава не менее чем на 50°C, а скорость охлаждения в интервале кристаллизации составляет не менее 20 K/с, деформирование литой заготовки проводят при температуре, не превышающей 450°C, термическую обработку готового деформированного полуфабриката проводят при температуре 300-400°C.

Техническим результатом является создание нового сплава и способа получения деформированных полуфабрикатов в виде прессованного профиля, прутка, штамповок, катаной плиты или листа с высоким уровнем механических свойств, в том числе после нагревов при температурах до 300°C включительно, достигаемые без использования гомогенизации для слитков и закалки для деформированных полуфабрикатов. В частности, временное сопротивление превышает 250 МПа, относительное удлинение превышает 8%, а предел текучести выше 200 МПа.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлена технологическая схема получения деформированных полуфабрикатов из заявленного сплава и промышленного типа АА6063, на фиг. 2 представлена типичная литая структура (структура слитка) заявляемого сплава, на фиг. 3 представлена типичная структура деформированного полуфабриката заявляемого сплава, на фиг. 4 представлена типичная тонкая структура деформированного полуфабриката (вторичные частицы (дисперсоиды) фазы Аl₆Мn), на фиг. 5 представлена типичная тонкая структура деформированного полуфабриката (вторичные частицы (дисперсоиды) фазы Al₃Zr).

Сущность изобретения

При создании изобретения была поставлена задача разработать сплав со структурой литой заготовки (слитка), представляющей собой пересыщенный переходными элементами алюминиевый твердый раствор с минимальным содержанием избыточных фаз кристаллизационного происхождения. Конечная структура деформированных полуфабрикатов в этом случае должна представлять алюминиевую матрицу с распределенными в ней дисперсоидами (вторичными алюминидами переходных металлов). Реализация такой структуры обеспечит высокую технологичность при обработке давлением без использования операции гомогенизации для слитков и высокий уровень механических свойств для деформированных полуфабрикатов. При этом сплав должен быть пригоден для его получения на серийном промышленном оборудовании, используемом для производства алюминиевых слитков и деформируемых алюминиевых полуфабрикатов. Технологическая схема получения деформированных полуфабрикатов из заявленного сплава (приведена на фигуре 1) существенно проще и короче по сравнению с промышленными сплавами на базе системы Al-Si-Mg (типа АА6063) за счет исключения операций гомогенизации для слитков и закалки для деформированных полуфабрикатов.

Для решения поставленной задачи был предложен способ получения деформированных полуфабрикатов, ориентированный на серийное промышленное оборудование. Конечная структура деформированных полуфабрикатов из нового материала представляет собой алюминиевый твердый раствор с распределенными в ней Мn- и Zr-содержащими дисперсоидами.

Обоснование заявляемых количеств легирующих элементов приводится ниже.

Марганец в заявляемых количествах необходим для образования дисперсоидов фазы Аl₆Mn. При меньших концентрациях количество частиц будет недостаточным для достижения требуемой прочности, а при больших количествах будут ухудшена технологичность при обработке давлением.

Цирконий в заявляемых количествах необходим для образования наночастиц фазы Al₃(Zr) (кристаллическая решетка L1₂), имеющих средний размер не более 20 нм. При меньших концентрациях количество последних будет недостаточным для достижения требуемой прочности и термостойкости, а при больших количествах имеется опасность появления первичных кристаллов (кристаллическая решетка D023), что негативно сказывается на механических свойствах и технологичности.

Железо и кремний в заявляемых количествах необходимы для образования эвтектических включений (в частности, фазы Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂), способствующих более равномерной деформации в микрообъемах в процессе обработки давлением.

Магний, медь и цинк в заявляемых количествах обеспечивают необходимый уровень прочностных характеристик за счет твердорастворного упрочнения. При меньшем их содержании не будет достигнут требуемый уровень механических характеристик, при большем снижена технологичность при обработке давлением.

Обоснование заявляемых технологических параметров способа получения деформированных из данного сплава приведено ниже.

Снижение температуры расплава ниже, чем на T_L+50°C (T_L - температура ликвидуса сплава), так и уменьшение скорости кристаллизации ниже 20 К/с может привести к формированию грубых первичных кристаллов фазы Al₃Zr (D0₂₃) и снижению концентрации циркония в алюминиевом твердом растворе. Следствием этого будет уменьшение количества наночастиц в окончательной структуре и приведет к снижению прочностных свойств.

Если температура деформирования исходной заготовки будет превышать 450°C, то размеры вторичных выделений, содержащих Zr, могут превысить 20 нм, что негативно скажется на прочностных свойствах.

Если температура отжига деформированного полуфабриката будет превышать 400°C, то размеры вторичных выделений, содержащих Zr, могут превысить 20 нм, что негативно скажется на прочностных свойствах. Если температура отжига деформированного полуфабриката будет ниже 300°C, то распад пересыщенного твердого раствора будет затруднен, что негативно скажется на прочностных свойствах деформируемого полуфабриката.

Пример конкретного выполнения

Сплавы для заявляемого материала были приготовлены в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А99 (ГОСТ 11069-2001), магния Мг90 (ГОСТ 804-93) и двойных лигатур Al-Mn, Al-50Cu, Al-Zr, Al-Fe, Al-Si (ГОСТ 53777-2010). Состав сплава для заявляемого материала соответствовал составам 2-4 в табл. 1. Слитки сечением 120×40 мм получали литьем в графитовую изложницу со скоростью охлаждения (V_охл) в интервале кристаллизации не менее 20 K/с. В базовом варианте температура литья (Т_литья) превышала не менее чем на 50°C значения температуры ликвидуса (T_L) конкретного сплава. Значение T_L рассчитывали с использованием программы Thermo-Calc (база данных TTAL5).

Структуру сплавов изучали в световом Axio Observer МАТ, электронном сканирующем (JSM-35 CF) и электронном просвечивающем (JEM 2000 EX) микроскопах. Анализ литой структуры слитков (типичная литая структура слитка приведена на фиг. 2) составов №№1-4 табл. 1 не выявил наличия первичных кристаллов фазы Al₃Zr (D0₂₃), в отличие от структуры сплава №5, что является браком и не позволит в дальнейшем достичь заданного уровня механических характеристик.

Деформацию плоских слитков (прокаткой) проводили при температуре в диапазоне 300-450°C. Типичная структура листов приведена фиг. 3. Отжиг деформированных полуфабрикатов проводили при 300°C в течение 3 ч. Испытание на растяжение листов проводили по ГОСТ 1497-84 (при скорости испытания 10 мм/мин). Как следует из результатов табл. 2, предлагаемый сплав (составы №№2-4) обладает в отожженном состоянии заданным уровнем прочности за счет наличия вторичных выделений дисперсоидов фаз Аl₆Мn (фиг. 4) и Al₃Zr (фиг. 5). Сплав №1 характеризуется пониженной прочностью из-за невысокой доли этих частиц.

Из заявленного сплава состава 3 (табл. 1) были получены цилиндрические (диаметром 44 мм) и плоские слитки (сечением 40×120 мм) с различными скоростями охлаждения (V_охл) в интервале кристаллизации 1 и 20 K/с при разных температурах литья (Т_литья) табл. 3. Как следует из результатов табл.3, предлагаемый способ получения слитка при температуре литья на 50°C выше температуры ликвидуса сплава (T_L) и скорости охлаждения в интервале кристаллизации 20 K/с позволяет достичь заданной литой структуры слитка (фиг. 2).

Для оценки термостойкости (по потере свойств) деформированных полуфабрикатов (в виде прессованного прутка (диаметром 5 мм) и листа 1 мм) полученные слитки сплава 3 (таблица 1) по вариантам №3 и 4 (таблица 3) были подвергнуты деформации и стабилизирующему отжигу. Оценку потери свойств проводили после нагрева при 300°C в течение 100 часов. Анализ механических свойств прежде всего по пределу текучести выявил не менее чем 3-кратное преимущество деформированных полуфабрикатов, полученных предложенным способом, что обусловлено наличием вторичных выделений фаз Al₃Zr (L1₂) и Al₆Mn.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий марганец и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, цирконий, кремний и, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей медь и цинк при следующем соотношении компонентов:

марганец	0,5-2,0
железо	0,2-0,6
магний	0,5-1,5
цирконий	0,2-0,6
кремний	0,15-0,6
медь	0,1-0,3
цинк	0,05-0,5
алюминий	остальное,

при соотношении Zr/Si=1-2, при этом цирконий в структуре сплава присутствует в виде вторичных выделений кубической фазы Al₃Zr с решеткой L1₂ и со средним размером не более 20 нм.

2. Способ получения деформированного полуфабриката из сплава на основе алюминия по п. 1, характеризующийся тем, что он включает получение расплава, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение деформированного полуфабриката путем деформирования литого слитка и термической обработки деформированного полуфабриката, при этом кристаллизацию расплава проводят при температуре, превышающей температуру ликвидуса сплава не менее чем на 50°C, а скорость охлаждения в интервале кристаллизации составляет не менее 20 K/с, деформирование литой заготовки проводят при температуре, не превышающей 450°C, а термическую обработку готового деформированного полуфабриката проводят при температуре 300-400°C.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что деформированный полуфабрикат выполняют в виде прессованного профиля или прутка.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что деформированный полуфабрикат выполняют в виде плиты или листа.