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

Авторы патента:

Захаров Валерий Владимирович (RU)

Филатов Юрий Аркадьевич (RU)

Махов Сергей Владимирович (RU)

Панасюгина Людмила Ивановна (RU)

Шадаев Денис Александрович (RU)

Чугункова Галина Михайловна (RU)

Тарануха Галина Владимировна (RU)

Нилов Евгений Евгеньевич (RU)

Байдин Николай Григорьевич (RU)

Напалков Виктор Иванович (RU)

C22C21/10 - с цинком в качестве следующего основного компонента

Владельцы патента RU 2613270:

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

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.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно прессованных, в качестве конструкционного материала.

Известен в металлургии высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас.%:

Цинк	8,0-9,0
Магний	2,3-3,0
Медь	2,0-2,6
Цирконий	0,1-0,2
Железо, не более	0,4
Кремний, не более	0,3
Алюминий	Остальное

(см. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия. 1984. С. 124).

Недостатком этого сплава является низкая пластичность и недостаточно высокие характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, 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 Mn, Cr, V, Mo, Li,
Ag, К, Na, О в суммарном количестве, не более	0,10
Алюминий	Остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57 (см. патент RU №2514748 C1, С22С 21/06 - прототип).

Недостатком сплава-прототипа являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии при достаточно высокой пластичности в продольном направлении.

Предлагается высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, церий, титан, водород и неизбежные примеси, основными из которых являются железо, кремний, марганец и хром, который дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, 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
Водород	0,05-0,3 см³/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси	Остальное,

в том числе:

железо в количестве	не более 0,12 мас. %
кремний в количестве	не более 0,11 мас. %
марганец в количестве	не более 0,02 мас. %
хром в количестве	не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Предлагается также изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, 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
Водород	0,05-0,3 см³/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси	Остальное,

в том числе:

железо в количестве	не более 0,12 мас. %
кремний в количестве	не более 0,11 мас. %
марганец в количестве	не более 0,02 мас. %
хром в количестве	не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Предлагаемый сплав и изделие из него отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит бор и компоненты взяты в следующем соотношении, 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
Водород	0,05-0,3 см³/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси	Остальное,

в том числе:

железо в количестве	не более 0,12 мас. %
кремний в количестве	не более 0,11 мас. %
марганец в количестве	не более 0,02 мас. %
хром в количестве	не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Отличием предлагаемого сплава является также более низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,275, а также то, что железо и кремний рассматриваются как неизбежные примеси.

Технический результат - повышение прочностных характеристик и характеристик удельной прочности сплава и изделий из него в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии и, как следствие, повышение весовой отдачи готовых конструкций.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве основной упрочняющий эффект достигается за счет образования в результате термической обработки (закалки и последующего искусственного старения) дисперсных выделений упрочняющих фаз М [Mg(CuZn)₂] и Т (MgZnAlCu) с высокой плотностью их распределения в структуре полуфабриката, при этом за счет ограничения содержания неизбежных примесей железа, кремния, марганца и хрома снижается количество неизбежно образующихся при кристаллизации сплава включений нерастворимых фаз типа Al (Cu, Fe, Mn, Cr), Al (Zn, Mg, Cu, Fe) и Mg₂Si, соответственно увеличивается доля основных легирующих компонентов - цинка, магния и меди, участвующих в упрочнении сплава при термической обработке, что повышает прочность сплава и выполненного из него изделия. Дополнительное упрочнение вносит дисперсная фаза Al₃ (Sc, Zr), выделяющаяся при неизбежных технологических нагревах слитка. Добавка церия снижает окисляемость сплава, что позволяет снизить загрязненность сплава окисными включениями, повысив тем самым механические свойства сплава и выполненного из него изделия. Добавка бора совместно с титаном измельчает зерно в слитке, повышая тем самым прочностные и пластические характеристики сплава и выполненного из него изделия. Предлагаемое соотношение между содержанием магния и цинка обеспечивает благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии. Низкое и регламентированное с обеих сторон содержание водорода обеспечивает высокую деформируемость сплава при горячей обработке давлением, одновременно с этим снижается вероятность возникновения водородной пористости, что также положительно сказывается на механических свойствах сплава и выполненного из него изделия.

Из предлагаемого сплава могут быть изготовлены детали конструкций, для которых важным является снижение массы конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки. В предлагаемом изделии технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, 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
Водород	0,05-0,3 см³/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси	Остальное,

в том числе:

железо в количестве	не более 0,12 мас. %
кремний в количестве	не более 0,11 мас. %
марганец в количестве	не более 0,02 мас. %
хром в количестве	не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Пример

Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия марки А85, цинка марки ЦО, магния марки Мг95, меди марки Ml, церия марки ЦеЭ-0, двойных лигатур алюминий-скандий, алюминий-цирконий, алюминий-титан и тройной лигатуры алюминий-титан-бор. Сплав готовили в электрической печи сопротивления и методом полунепрерывного литья отливали слитки диаметром 178 мм.

Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Слитки гомогенизировали, резали на заготовки, которые затем обтачивали до диаметра 160 мм. Обточенные заготовки прессовали при 400°C на пруток диаметром 51 мм. Полученные прутки подвергали термической обработке (закалке и искусственному старению) по режиму: нагрев под закалку при 473°C, выдержка при этой температуре 2 ч, охлаждение в воде, старение при 125°C, 24 ч. Полученные прутки в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии подвергли испытаниям с определением плотности и механических свойств. Механические свойства (предел прочности σ_В, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ) определяли при испытании на растяжение при комнатной температуре на стандартных разрывных образцах, вырезанных в продольном направлении. Характеристики удельной прочности (σ_Вуд. и σ_0,2уд.) определяли как отношение σ_В и σ_0,2 к плотности. Также определяли плотность и механические свойства изготовленных тем же способом прутков из сплава-прототипа, химический состав которого приведен в таблице 1.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав обладает по сравнению с прототипом более высокими прочностными характеристиками и характеристиками удельной прочности. Применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала позволит на 5-7% снизить массу конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки и повышением характеристик весовой отдачи, что принципиально важно для высоконагруженных конструкций разового применения.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, церий, титан, водород, алюминий и неизбежные примеси, основными из которых являются железо, кремний, марганец и хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, 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	остальное,

в том числе:

железо	не более 0,12
кремний	не более 0,11
марганец	не более 0,02
хром	не более 0,02,

при этом водород в сплаве содержится в количестве 0,05-0,3 см³/100 г металла, а соотношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3.

2. Изделие из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава, содержащего, 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	остальное,

в том числе:

железо	не более 0,12
кремний	не более 0,11
марганец	не более 0,02
хром	не более 0,02,

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 и изделие, выполненное из него // 2610190

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.

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.