Сплав на основе алюминия и изделие из него
Владельцы патента RU 2688314:
Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" (RU)
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически неупрочняемым коррозионностойким алюминиевым сплавам, применяемым в качестве конструкционных материалов для элементов конструкций, в том числе сварных, работающих в контакте с агрессивными средами. Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из такого сплава, содержит, мас. %: марганец 0,6-1,4, магний 0,1-0,7, цирконий 0,03-0,15, никель 0,001-0,12, медь до 0,2, железо до 0,3, церий 0,001-0,1, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей титан, бор, углерод 0,001-0,15, алюминий и неизбежные примеси остальное. Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости изделий в агрессивных средах с сохранением уровня характеристик прочности и относительного удлинения в отожженном состоянии. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Область техники
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически неупрочняемым коррозионностойким алюминиевым сплавам на основе системы алюминий-марганец, используемых в качестве материалов для элементов конструкций, в том числе сварных, работающих в контакте с агрессивными средами.
Уровень техники
Среди термически неупрочняемых коррозионностойких алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-марганец широкое применение получил сплав АМц (ГОСТ 4784-97), имеющий следующий состав, мас. %:
| марганец | 1,0-1,5 |
| алюминий | остальное |
Примеси:
| железо | до 0,7 |
| кремний | до 0,6 |
| медь | до 0,1 |
| цинк до | 0,1 |
| магний до | 0,2 |
| титан до | 0,2. |
Данный сплав применяют в различных областях промышленности, в том числе в сварных конструкциях и малонагруженных изделиях, полученных методом глубокой вытяжки (сварные баки, бензо- и маслопроводы). Он отличается высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью, однако имеет невысокий уровень механических свойств в отожженном состоянии, что ограничивает его области применения.
Известен деформируемый термически неупрочняемый сплав, предназначенный для применения в изделиях сложной формы, полученных методом холодной формовки, таких как сосуды, емкости, банки и др., в том числе сварных конструкциях (патент RU 2218437, С22С 21/00, С22С 21/06, С22С 21/10, С22С 21/12, С22С 21/18, С22С 21/16, опубл. 10.12.2003 г.). Техническим результатом изобретения являлось уменьшение анизотропии механических свойств тонких холоднокатаных листов, а также повышение их прочностных свойств и пластичности, расширение сортамента изготавливаемых изделий, снижение трудоемкости их изготовления, увеличение ресурса работы изделий, повышение выхода годного при холодной штамповке или глубокой вытяжке. Предлагаемый сплав и изделие, выполненное из него, имеют следующий состав, мас. %:
| марганец | 0,3-1,5 |
| железо | 0,05-0,9 |
| никель и/или кобальт | 0,001-0,3 |
по меньшей мере один элемент из группы, включающей:
| титан, хром, цирконий, | |
| скандий, ванадий, молибден, | |
| гафний, бор или углерод | 0,02-1,0 |
в частных воплощениях может содержать по меньшей мере один
элемент из группы:
| магний, медь, цинк | 0,03-1,5 |
| алюминий | остальное |
Недостатком данного сплава является высокая легированность различными элементами, которые изменяют электродный потенциал твердого раствора или образуют фазы, имеющие отличный потенциал от потенциала матрицы, тем самым образуя электродные пары и снижая коррозионную стойкость материала, особенно в высокоагрессивных средах.
Известен алюминиевый сплав системы Al-Mn с высокой коррозионной стойкостью и прессуемостью (патент US 5286316, С22С 21/00, C22F 1/04, С22С 21/04, опубл. 15.02.1994 г.). Сплав предназначен для применения в автомобильной промышленности, в частности для элементов теплообменников и систем кондиционирования.
Указанный сплав имеет следующий химический состав:
| марганец | 0,1-0,5 |
| железо | 0,15-0,25 |
| кремний | 0,05-0,12 |
| титан | 0,1-0,2 |
Другие возможные элементы (примеси):
| магний | не более 0,03 |
| цинк | не более 0,05 |
| бор | не более 0,003 |
| медь | не более 0,03 |
| алюминий | остальное. |
Основным недостатком рассматриваемого сплава является недостаточный уровень прочности. Малое количество марганца и легкорастворимых в алюминии элементов не обеспечивает достаточную степень легированности твердого раствора, тем самым не обеспечивая высокую прочность материала. Кроме того, помимо титана не вводились добавки других переходных металлов, которые могли бы образовывать дисперсоиды при нагревах и тем самым дополнительно упрочнять материал. Наиболее близким аналогом предложенного сплава является термически неупрочняемый алюминиевый сплав марки 3104 (International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys, The Aluminum Association, http://www.aluminum.org/sites/default/files/TEAL_1_OL_2015.pdf), который имеет следующий состав, мас. %:
| марганец | 0,3-0,8 |
| железо | до 0,7 |
| кремний | до 0,6 |
| медь | 0,05-0,25 |
| титан | до 0,1 |
| цинк | до 0,25 |
| магний | 0,8-1,3 |
| ванадий | до 0,05 |
| галлий | до 0,05 |
| алюминий | остальное. |
Сплав применяется в деталях грузовых автомобилей и прицепов и элементах теплообменников, а также для изготовления контейнеров для хранения продуктов. Основным недостатком указанного сплава является наличие меди и высокое содержание железа, которые приводят к повышенному питтингообразованию, что может негативно сказаться на сроке службы контейнеров при обращении с высокоактивными химикатами.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является разработка термически неупрочняемого свариваемого сплава на основе алюминия для применения в конструкциях, работающих длительно в контакте с высокоагрессивными средами, в том числе концентрированной азотной кислотой.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение коррозионной стойкости в агрессивных средах с сохранением уровня характеристик прочности и относительного удлинения в отожженном состоянии.
Технический результат достигается за счет того, что предложен сплав на основе алюминия, содержащий марганец, магний, железо, медь, при этом он дополнительно содержит цирконий, никель, церий и, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| марганец | 0,6-1,4 |
| магний | 0,1-0,7 |
| цирконий | 0,03-0,15 |
| никель | 0,001-0,12 |
| медь | до 0,2 |
| железо | до 0,3 |
| церий | 0,001-0,1 |
По крайней мере один элемент из группы, содержащей:
| титан, бор, углерод | 0,001-0,15 |
| алюминий и неизбежные примеси | остальное |
Совместное легирование магнием и марганцем обеспечивает как твердорастворное упрочнение, так и упрочнение за счет эффекта наклепа в процессе пластической деформации. Ограниченное суммарное содержание магния и марганца приводит к сохранению пластичности материала и сохранению высокой коррозионной стойкости за счет управления структурой.
Добавка циркония обеспечивает повышение прочностных свойств за счет образования дисперсоидов Al3Zr, которые выступают в качестве антирекристаллизаторов, обеспечивая формирование мелкозернистой структуры в процессе термической обработки, кроме того данные дисперсоиды обеспечивают дополнительное упрочнение материала гораздо эффективнее, чем добавка хрома. За счет модифицирующего эффекта добавка циркония также оказывает благоприятное действие на свариваемость полуфабрикатов.
Легирование железом приводит к снижению растворимости марганца в твердом растворе и тем самым уменьшает внутредендритную ликвацию по марганцу, являющейся основной причиной образования крупного зерна в сплавах Al-Mn повышенной чистоты. Кроме того, железо одновременно с медью приводят к смещению электрохимических потенциалов сплава, обеспечивая повышение склонности к питтинговой коррозии и как следствием снижение коррозионной стойкости в целом, в связи с чем их содержание необходимо ограничить. Добавка никеля приводит к формированию совместно с железом тройной фазы, которая имеет благоприятную морфологию и приводит к сохранению пластических характеристик без существенного ухудшения коррозионной стойкости. Кроме того, добавка никеля несколько повышает характеристики работоспособности при повышенных температурах. Введение церия изменяет форму частиц фазы Al3Fe с игольчатой на более благоприятную, тем самым повышая пластические характеристики и улучшая показатели усталости. Кроме того, добавка церия не приводит к ухудшению коррозионной стойкости в концентрированной азотной кислоте Легирование элементами из группы титан, бор, углерод обеспечивает формирование мелкозернистой структуры в слитке за счет модифицирующего действия боридов или карбидов, что обеспечивает повышенные технологические характеристики при прокатке, а также дополнительный эффект упрочнения от алюминидов титана.
Примеры осуществления изобретения
Методом полунепрерывного литья были отлиты круглые слитки диаметром 150 мм и длинной 1000 мм, химический состав которых представлен в таблице 1.
После обрезки литниковой и донной частей и гомогенизации проводили осадку слитков на плоскую заготовку толщиной 65 мм. Нагрев слитков перед осадкой проводился по режиму - 400-440°С/ 3 часа. После чего проводилась механическая обработка и вырезка заготовок под прокатку размером 200×170 мм.
Горячая прокатка плоских заготовок проводилась при температурах 450-490°С до толщины 7 мм. После прокатки листы подвергались отжигу при температуре 280-320°С.
Из листов были вырезаны образцы для исследований механических свойств при растяжении при комнатной температуре и коррозионной стойкости.
Испытания на растяжение проводились на плоских образцах по ГОСТ 1497-84. Испытания на расслаивающую коррозию проводились на образцах размером 40*60 мм в соответствии с ГОСТ 9.904-82 в растворе 4 в течение 7 суток. Испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) проводили в соответствии с ГОСТ 9.021-74 на образцах размером 10×20 мм в растворе I в течение 24 часов. Оценку коррозионной стойкости в концентрированной азотной кислоте (98%) проводили по ГОСТ 9.017-74 в течение 30 суток на образцах размером 30×30 мм. Результаты механических и коррозионных испытаний приведены в таблице 2.
Как видно из сравнения механических характеристик листов, представленных в таблице 2, предлагаемый сплав в сравнении с прототипом обеспечивает сохранение уровня прочности и относительного удлинения при растяжении. В сравнении со сплавом АМц предлагаемый сплав обладает повышенным более чем на 25% пределом прочности σв. Кроме того, предлагаемый состав обеспечивает высокий уровень коррозионной стойкости (не склонен к межкристаллитной коррозии, склонность к расслаивающей коррозии составила 1 балл). В сравнении с прототипом и сплавом АМц предлагаемый состав обладает пониженной более, чем на 15% скоростью коррозии в концентрированной азотной кислоте (не более 0,25 г/ м2*сут).
Наиболее значимым преимуществом сплава является пониженная скорость коррозии в концентрированной азотной кислоте при сохранении уровня прочности, относительного удлинения при растяжении и стойкости к межкристаллитной и расслаивающей коррозии, что позволит уменьшить толщину стенки выполненных из него изделий, работающих в контакте с агрессивными средами.
1. Сплав на основе алюминия, содержащий марганец, магний, железо и медь, отличающий тем, что он дополнительно содержит цирконий, никель, церий и по крайней мере, один элемент из группы, содержащей титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| марганец | 0,6-1,4 |
| магний | 0,1-0,7 |
| цирконий | 0,03-0,15 |
| никель | 0,001-0,12 |
| медь | до 0,2 |
| железо | до 0,3 |
| церий | 0,001-0,1 |
| по крайней мере один элемент из группы, содержащей: | |
| титан, бор, углерод | 0,001-0,15 |
| алюминий и неизбежные примеси | остальное, |
причем суммарное содержание меди и железа не превышает 0,40, а суммарное содержание магния и марганца не превышает 1,7.
2. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1.
