Высокопрочный сплав на основе алюминия

Авторы патента:

Алабин Александр Николаевич (RU)

Гусев Александр Олегович (RU)

Крохин Александр Юрьевич (RU)

Фролов Антон Валерьевич (RU)

Белов Николай Александрович (RU)

Манн Виктор Христьянович (RU)

C22C21/10 - с цинком в качестве следующего основного компонента

Владельцы патента RU 2610578:

Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству высокопрочных материалов на основе алюминия, и может быть использовано для получения ответственных изделий, работающих под действием высоких нагрузок, в частности для изготовления деталей, используемых для автомобилестроения, летательных аппаратов, спортивного инвентаря, корпусов электронных устройств и др. Высокопрочный сплав на основе алюминия содержит, мас. %: цинк 5,2-6,0, магний 1,5-2,0, никель 0,5-2,0, железо 0,4-1,0, медь 0,01-0,25, цирконий 0,05-0,20, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей скандий 0,05-0,10 и титан 0,02-0,05, алюминий – остальное, при выполнении соотношения 1≤Ni/Fe≤2 и суммарном содержании циркония и, по меньшей мере, одного элемента из группы, включающей титан и скандий, составляющем не более 0,25 мас. %. Техническим результатом изобретения является увеличение прочностных свойств сплава и изделий, выполненных из него, за счет образования вторичных выделений упрочняющей фазы путем дисперсионного твердения. 7 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 2 ил.

Область техники

Изобретение относится к области металлургии высокопрочных литейных и деформированных сплавов на основе алюминия и может быть использовано для получения изделий, работающих в том числе в нагруженных конструкциях ответственного назначения, в следующих областях: транспорт (для получения автокомпонентов, включая литые колесные диски, детали для железнодорожного транспорта, детали летательных аппаратов, (в том числе самолетов, вертолетов и компонентов ракетной техники), спортивная индустрия и спортинвентарь (велосипеды, самокаты, тренажеры и др.), корпуса электронных устройств, другие отрасли машиностроения и промышленного хозяйства.

Предшествующий уровень техники

Наибольшее распространение среди литейных алюминиевых сплавов получили силумины (на основе системы Al-Si). Для упрочнения сплавов этой системы в качестве основных легирующих элементов используют медь и магний (типичные представители сплавы типа А354 и А356). По уровню прочностных свойств эти сплавы обычно не превышают около 300 и 380 МПа (для сплавов типа А356 и А354 соответственно), что является абсолютным максимум для этих материалов при использовании традиционных методов получения фасонных отливок.

Наиболее прочные марочные литейные алюминиевые сплавы типа АМ5 (σ_в=400-450 МПа) относятся к системе Al-Cu-Mn (Промышленные алюминиевые сплавы / Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М., Металлургия, 1984. 528 с.). Среди основного недостатка сплавов этого типа следует отметить относительно низкую технологичность при литье ввиду низкого уровня литейных характеристик, что создает множество проблем при получении фасонных отливок и прежде всего при литье в кокиль.

Среди высокопрочных деформированных сплавов следует выделить сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, которые характеризуются высоким уровнем механических свойств. В частности, на деформированных полуфабрикатах возможно достичь до σ_в=600 МПа (Промышленные алюминиевые сплавы / Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. М., Металлургия, 1984. 528 с.). Однако недостатком сплавов этой системы является высокая склонность к образованию горячих трещин при литье слитков и высокие требования к чистоте первичного алюминия.

Известен высокопрочный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu-Sc для отливок аэрокосмического и автомобильного применения, раскрытый в патенте Alcoa Int. ЕР 1885898 B1 (опубл. 02.13.2008, бюл. 2008/07). Из предложенного сплава, содержащего 4-9% Zn; 1-4% Mg; l-2,5% Cu; <0,1% Si; 0,12% Fe; <0,5% Mn; 0,01-0,05% B; <0.15% Ti; 0,05-0,2% Zr; 0,1-0,5% Sc, могут быть получены отливки с высоким уровнем прочностных характеристик (на 100% больше чем сплав типа A3 56) следующими методами литья: методом литья под низким давлением, методом гравитационного литья в кокиль, методом литья с кристаллизацией под давлением и другими. Среди недостатков этого изобретения следует выделить отсутствие в химическом составе эвтектикообразующих элементов (структура сплава представляет собой преимущественно алюминиевый раствор), что не позволит получать фасонные отливки относительно сложной формы. Кроме того, в химическом составе сплава ограничено железо, что требует использования относительно чистых марок первичного алюминия, а также присутствует комбинация малых добавок переходных металлов, в том числе и скандия, что в некоторых случаях не в полной мере оправдано (например, при литье в землю, из-за низкой скорости охлаждения).

Наиболее близким к предложенному изобретению является высокопрочный сплав на основе алюминия, раскрытый в патенте НИТУ «МИСиС» RU 2484168 С1, (опубл. 10.06.2013, бюл. №16). Данный сплав содержит следующий диапазон концентрации легирующих компонентов (мас. %): 5,5-6,5% Zn, l,7-2,3% Mg, 0,4-0,7% Ni, 0,3-0,7% Fe, 0,02-0,25% Zr, 0,05-0,3% Cu и Al - основа. Из сплава могут быть получены фасонные отливки с уровнем временного сопротивления не менее 450 МПа. К недостаткам данного изобретения следует отнести отсутствие модифицирования алюминиевого раствора, что в некоторых случаях является необходимым для снижения риска образования горячих трещин при литье, кроме того, максимальное содержание железа в сплаве не превышает 0,7%, что не позволяет использовать сырье с более высоким содержанием железа.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание нового высокопрочного алюминиевого сплава с содержанием до 1% Fe, характеризующегося совокупностью высокого уровня механических свойств и высокой технологичности при литье фасонных отливок и слитков (в частности, высоким уровнем литейных свойств).

Техническим результатом является увеличение прочностных свойств сплава и изделий из него за счет образования вторичных выделений упрочняющей фазы путем дисперсионного твердения.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, железо, никель, медь и цирконий, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит по меньшей мере, один элемент из группы, включающей титан и скандий при следующем соотношении компонентов:

Цинк	5,2-6,0
Магний	1,5-2,0
Никель	0,5-2,0
Железо	0,4-1,0
Медь	0,01-0,25
Цирконий	0,05-0,20
Скандий	0,05-0,10
Титан	0,02-0,05
Алюминий	Остальное

при этом соотношение 1≤Ni/Fe≤2, а сумма циркония, титана и/или скандия не более 0,25 мас. %.

Кроме того, высокопрочный сплав может содержать алюминий, полученный по технологии электролиза с инертным анодом, а цирконий, титан и/или скандий могут быть представлены преимущественно в виде вторичных выделений с размером до 20 нм и типом решетки L1₂.

В частных исполнениях сплав может быть выполнен в виде листового проката, прессованного профиля и отливок методом литья под низким давлением, методом гравитационного литья и методом литья с кристаллизацией под давлением.

Сущность изобретения

Заявленный диапазон легирующих элементов и способ получения отливок и деформированных полуфабрикатов обеспечивают достижение высокого уровня механических свойств и технологичности при литье. Для обеспечения этих условий структура высокопрочного алюминиевого сплава должна представлять собой: алюминиевый раствор, упрочненный вторичными выделениями фаз упрочнителей и эвтектической составляющей. Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов, обеспечивающее достижение заданной структуры, в данном сплаве приведено ниже.

Цинк, магний и медь в заявляемых количествах необходимы для образования вторичных выделений упрочняющей фазы за счет дисперсионного твердения. При меньших концентрациях количество будет недостаточным для достижения требуемого уровня прочностных свойств, а при больших количествах возможно снижение относительного удлинения ниже требуемого уровня.

Железо и никель в заявляемых количествах необходимы для формирования в структуре эвтектической составляющей, обеспечивающей высокую технологичность при литье. При больших концентрациях железа и никеля высока вероятность формирования в структуре первично кристаллизующихся фаз, существенно снижающих уровень механических свойств. При меньшем содержании эвтектикообразующих элементов (железа и никеля) высока вероятность образования горячих трещин при литье. При этом соотношение 1≤Ni/Fe≤2 обеспечивает минимальный интервал кристаллизации, что уменьшает склонность сплава к формированию горячих трещин при литье.

Цирконий и скандий в заявляемых количествах необходимы для образования вторичных фаз Al₃Zr и/или Al₃(Zr, Sc) с решеткой L1₂, имеющих средний размер не более 10-20 нм. При меньших концентрациях количество частиц уже будет недостаточным для увеличения прочностных свойств отливки и деформированных полуфабрикатов, а при больших количествах имеется опасность появления первичных кристаллов (кристаллическая решетка D0₂₃), что негативно сказывается на механических свойствах отливок.

Содержание титана в указанных количествах необходимо для модифицирования алюминиевого твердого раствора. При меньшем содержании выше риск образования горячих трещин. При большем содержании высока вероятность формирования в структуре первичных кристаллов Ti-содержащей фазы. Заявленное ограничение по сумме циркония, титана и скандия не более 0,25 мас. % обусловлено вероятностью формирования первичных кристаллов, содержащих указанные элементы, способных привести к снижению механических характеристик.

Примеры конкретного выполнения

ПРИМЕР 1

Были приготовлены 5 сплавов в виде отливок, составы которых указаны в таблице 1. Сплавы готовили в индукционной печи в графитовых тиглях из алюминия, полученного по технологии инертного анода, цинка (99,9%), магния (99,9%), меди (99,9%) и лигатур Al-20Ni, Al-2Sc, Al-5Ti и Al-10Zr. Литье сплавов осуществляли в кокиль со скоростью охлаждения около 7 К/с. Оценку уровня упрочнения по изменению твердости после термической обработки на максимальную прочность по режиму Т6 (закалка в холодную воду и старение) давали по значениям твердости по шкале Бринелля. Результаты химического состава и определения твердости (НВ) приведены в таблице 1.

После термической обработки по режиму Т6, обеспечивающему твердость, указанную в таблице 1, на составах 2-5 были определены механические свойства (σ_в - временное сопротивление разрыву, МПа, σ_0.2 ^_ предел текучести, МПа, δ - относительное удлинение, %) на точеных 5-кратных цилиндрических образцах, вырезанных из отливки «пруток» по ГОСТ 1497-84 (таблица 2).

Из таблиц 1 и 2 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения НВ и механических свойств на разрыв, кроме сплава состава №1 и №5. В сплаве 1 твердость ниже требуемого уровня. В сплаве 5 значение относительного удлинения ниже требуемого уровня. Требуемый уровень прочностных свойств обеспечивается достижением заданной структуры отливки, представленной на фигуре 1. Структура, представленная на фиг. 1а, является типичной для литья в металлическую форму методом литья под низким давлением, методом гравитационного литья и методом литья с кристаллизацией под давлением. При литье в разовую форму в структуре будет присутствовать грубая эвтектическая составляющая (фиг. 1б), что отрицательно отразится на уровне механических свойств. Так, сплав состава 3 при литье в разовую форму демонстрирует низкие значения механических свойств (таблица 2).

ПРИМЕР 2

Оценку технологичности при заполнении литейной формы проводили по «спиральной» пробе на жидкотекучесть. Отливки спиральных проб, представленные на фигуре 2, из заявленного сплава состава 3 (таблица 1) и A356.2 демонстрируют, что первый имеет высокий уровень жидкотекучести, сопоставимый со сплавом А356.2 (таблица 3).

ПРИМЕР 3

В лабораторных условиях из алюминия, полученного по технологии электролиза с инертным анодом - сплав состава 3, изготовлены цилиндрические и плоские слитки. Типичная структура слитков соответствует приведенной на фиг. 1а. Оценку уровня упрочнения после термической обработки на максимальную прочность по режиму Т6 (закалка в холодную воду и старение) оценивали по значениям механических свойств. Результаты определения механических свойств приведены в таблице 4.

1. Высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, железо, никель, медь и цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей титан и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цинк	5,2-6,0
магний	1,5-2,0
никель	0,5-2,0
железо	0,4-1,0
медь	0,01-0,25
цирконий	0,05-0,20
по меньшей мере, один элемент
из группы, включающей скандий	0,05-0,10
титан	0,02-0,05
алюминий	остальное

при выполнении соотношения 1≤Ni/Fe≤2 и суммарном содержании циркония и, по меньшей мере, одного элемента из группы, включающей титан и скандий, составляющем не более 0,25 мас. %.

2. Высокопрочный сплав по п. 1, отличающийся тем, что содержит алюминий, полученный по технологии электролиза с инертным анодом.

3. Высокопрочный сплав по п. 1, отличающийся тем, что цирконий и, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей титан и скандий, присутствуют в сплаве преимущественно в виде вторичных выделений с типом решетки L1₂ и размером до 20 нм.

4. Высокопрочный сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен в виде листового проката.

5. Высокопрочный сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен в виде прессованного профиля.

6. Высокопрочный сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки методом литья под низким давлением.

7. Высокопрочный сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки методом гравитационного литья.

8. Высокопрочный сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что он выполнен в виде отливки методом литья с кристаллизацией под давлением.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к высокопрочным сплавам на основе алюминия. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: медь 0,5-3,5; магний 1,5-4,5; цинк 7,0-10,0; марганец 0,005-0,9; цирконий 0,005-0,5; кобальт 0,005-0,5; церий 0,005-0,5; бериллий 0,0001-0,01; по крайней мере один элемент из группы, содержащей железо, никель 0,005-0,35 каждого, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей скандий, титан 0,001-0,35 каждого, бор, углерод 0,0001-0,02 каждого, алюминий остальное.

Припой для пайки алюминия и его сплавов // 2596535

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 5-13, медь 1-13,5, цинк 2-10, никель 0,5-4,5, олово 0,1-0,3, по меньшей мере один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, натрий 0,001-0,2, титан 0,001-0,1, ванадий 0,001-0,2, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, бериллий 0,001-0,1, алюминий остальное.

Припой для пайки алюминия и его сплавов // 2585598

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Усовершенствованные алюминиевые сплавы 7ххх и способы их получения // 2581544

Изобретение относится к получению изделий из алюминиевых сплавов 7ххх. Способ получения продуктов из деформируемого алюминиевого сплава 7ххх, содержащего 2,0-22 мас.% цинка и по меньшей мере 1,0 мас.% меди, включает приготовление изделия из алюминиевого сплава для послезакалочной холодной обработки давлением, холодную обработку давлением изделия на более чем 50% и термическую обработку с приданием формы во время этапа термической обработки, при этом упомянутое приготовление содержит этап закалки, а холодную обработку давлением и термическую обработку осуществляют для получения нерекристаллизованной микроструктуры, имеющей менее чем 50%-ю объемную долю зерен, имеющих разброс ориентации зерен не более 3°.

Способ термической обработки изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов // 2576283

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической обработки изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов для использования в судостроении и конструкциях, эксплуатирующихся в морских условиях, авиакосмической технике, транспортном машиностроении.

Способ получения трехкомпонентного сплава алюминий-цинк-кремний из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия, цинка и кремния и устройство для его осуществления // 2574155

Изобретение относится к области цветной металлургии, в которой получают многокомпонентные металлические сплавы, содержащие алюминий, цинк и кремний. Способ включает размещение предварительно сформированной и содержащей соединения всех перечисленных выше элементов исходной сырьевой смеси во внутреннем объеме применяемого для ее переработки устройства.

Способ изготовления крупногабаритных слитков прямоугольного сечения из высокопрочных алюминиевых сплавов системы al-zn-mg-cu-zr // 2561581

Изобретение относится к металлургии. Лигатуру алюминий-цирконий, технический алюминий и отходы загружают в центральную часть печного пространства с температурой 740-750°C.

Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него // 2556849

Изобретение относится к высоколегированным сверхпрочным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала в авиационной и ракетной технике, в транспортных наземных средствах и в изделиях приборного машиностроения.

Сверхпрочный сплав на основе алюминия и изделие из него // 2553781

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, предназначенным 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.

Протекторный сплав на основе алюминия // 2542213

Изобретение относится к металлургии протекторных сплавов на основе алюминия и может быть использовано при производстве протекторов для защиты от коррозии различных металлических сооружений и конструкций.

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu и изделие из него // 2613270

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие из него содержат, мас.%: цинк 7,8-8,2, магний 2,0-2,4, медь 1,8-2,1, скандий 0,1-0,17, цирконий 0,1-0,14, церий 0,0005-0,001, титан 0,01-0,03, бор 0,0005-0,001, алюминий и неизбежные примеси, в том числе железо не более 0,12, кремний не более 0,11, марганец не более 0,02, хром не более 0,02, - остальное, при этом водород присутствует в сплаве в количестве 0,05-0,3 см3/100 г металла, а отношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик, в том числе удельной прочности материала. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Свариваемый сплав на основе алюминия для противометеоритной защиты // 2614321

Изобретение относится к деформируемым свариваемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в качестве противометеоритной защиты критических элементов космических аппаратов. Сплав содержит, мас.%: цинк 2-8,5, магний 1,5-3,5, марганец 0,1-0,5, хром 0,05-0,3, цирконий 0,05-0,3, гафний 0,05-1,5, бериллий 0,0001-0,01, по меньшей мере один элемент из группы: медь, титан, никель, кобальт до 0,30 каждого, алюминий и неизбежные примеси в сумме не более 0,7 - остальное. За счет однородной мелкозернистой структуры обеспечивается высокая сопротивляемость ударному воздействию при повышении прочности, удовлетворительной пластичности и свариваемости. 2 з.п. ф-лы, 5 пр., 2 табл., 6 ил.

Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия // 2621499

Изобретение относится к области металлургии высокопрочных материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150°С, таких как детали летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, ракет), автомобилей и других транспортных средств (велосипедов, самокатов, тележек), детали спортинвентаря и др. Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия включает приготовление расплава алюминия, содержащего цинк, магний, медь, никель и железо, получение отливки методом литья приготовленного расплава и термообработку отливки для формирования структуры, состоящей из дисперсионно упрочненной алюминиевой матрицы и частиц фазы Al9FeNi, при этом приготовление расплава алюминия осуществляют с использованием алюминия, получаемого по технологии электролиза с инертным анодом, при этом расплав готовят при следующей концентрации легирующих элементов, мас.%: цинк 6,3-7,5, магний 2,1-2,8, медь 0,2-0,35, никель 0,6-0,8, железо 0,50-0,70, алюминий - остальное, а после термообработки получают структуру с размером дендритной ячейки алюминиевой матрицы не более 30 мкм и микротвердостью не менее 170 HV. Техническим результатом изобретения является получение отливок с временным сопротивлением (σв) - не менее 500 МПа, пределом текучести (σ0,2) - не менее 450 МПа, относительным удлинением (δ) - не менее 5%. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 3 ил.

Антифрикционный сплав на основе алюминия // 2643284

Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов, в частности антифрикционных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Антифрикционный сплав на основе алюминия содержит, мас %: кремний <1,2; медь 0,7-1,1; магний 3,5-5,5; цинк 4,0-5,5; олово 3,5-4,5; марганец <1,0; титан 0,05-0,25; кремний <1,2; железо <1,2; алюминий остальное. По второму варианту сплав на основе алюминия содержит, мас. %: кремний <1,2; медь 0,7-1,1; магний 3,5-5,5; цинк 4,0-5,5; олово 3,5-4,5; марганец <1,0; цирконий 0,05-0,25; кремний <1,2; железо <1,2; алюминий остальное. При этом в обоих вариантах прочих примесей каждой в отдельности содержится не более 0,2%, а сумма всех примесей не должна превышать 1,2%. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости, повышение надежности и стабильности работы деталей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.