Деформируемый свариваемый алюминиево-кальциевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, пригодных для аргонодуговой сварки и допускающих нагревы до 350°С. Предложенный деформируемый сплав на основе алюминия содержит в мас.%: 2,2-3,0 Са, 3,5-4,5 Zn, 2,0-2,5 Mg, 0,1-0,4 Fe, 0,05-0,15 Si, 0,12-0,28 Zr, 0,06-0,12 Sc, остальное - алюминий. Он имеет структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, содержащей не менее 2,5% цинка, не менее 2,0% магния, не менее 0,1% циркония и не менее 0,06% скандия, и кальцийсодержащих частиц со средним размером не более 5 мкм и с объемной долей не менее 6,5%. Обеспечивается создание термостойкого сплава, предназначенного для получения деформированных полуфабрикатов и сварных соединений с высоким уровнем механических свойств при сохранении пластичности. 1 пр., 4 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов (в частности листовых), предназначенных для получения деталей ответственного назначения, пригодных для аргонодуговой сварки и допускающих нагревы до 350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей, детали судостроения, водозаборной арматуры, радиаторов отопления и др.

Деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы типа АМг2, содержащие 2-3%Mg (здесь и далее масс. %, если иное не оговорено), обладают высокой технологичностью и коррозионной стойкостью, вследствие чего они нашли широкое применение в различных областях [Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. Н.А. Белов. М: Изд. дом МИСиС, 2010- 511 с. ISBN 978-5-87623-375-2]. Эти сплавы предназначены преимущественно для получения листового проката. Основным недостатком сплавом типа АМг2 является невысокая прочность, особенно в отожженном состоянии (согласно ГОСТ 21631-76 требование к временному сопротивлению составляет менее 200 МПа). Это препятствует их использованию в нагруженных изделиях. Увеличение содержания магния до 5-6% (сплавы АМг5, АМг6) позволяет заметно повысить прочность, однако при этом снижается технологичность (в частности, сопротивление деформированию) и коррозионная стойкость (из-за образования по границам зерен вторичных выделений фазы Al3Mg2) [Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. Н.А. Белов. М: Изд. дом МИСиС, 2010- 511 с. ISBN 978-5-87623-375-2]. Кроме того, слитки сплавов с высоким содержанием магния требуют гомогенизирующего отжига.

Для повышения прочностных свойств алюминиево-магниевых сплавов целесообразно дополнительно легировать их такими элементами, которые бы сохраняли высокий уровень технологичности и коррозионной стойкости. Среди них скандий и цирконий, которые нашли применение в сплавах типа 01570 [Резник, Павел Львович; Чикова, Ольга Анатольевна; Овсянников, Б.В. / Влияние режимов гомогенизации слитков на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства сплава 01570 при повышенных температурах. В: Металловедение и термическая обработка металлов. 2016; №4(730). стр. 18-22]. Последние в настоящее время рассматриваются как одни из наиболее перспективных материалов для авиастроения, поскольку они позволяет добиться существенно большей прочности по сравнению с классическими магналиями. Это упрочнение достигается за счет присутствия в структуре деформированных полуфабрикатов наночастиц фазы Al3(Sc,Zr)-Ll2, которые являются эффективными антирекристаллизаторами. Эти наночастицы образуются при отжиге (или технологическом нагреве) слитков в процессе распада пересыщенного алюминиевого твердого раствора (далее (Al)), который формируется при кристаллизации.

Известен сплав, раскрытый в патенте RU 2226565 (публ. 10.04.2004, бюл. №10). Данный сплав, предназначенный для изготовления деформированных полуфабрикатов, содержит 5-6 масс. % магния (Mg), 0,05-0,15 масс. % циркония (Zr), 0,05-0,12 масс. % марганца (Mn), 0,01-0,2 масс. % титана (Ti), 0,05-0,5 масс. % одного либо нескольких элементов группы, состоящей из скандия (Sc), тербия (Tb), церия (Се) и остальных лантаноидов, при этом в его составе содержится, по меньшей мере, скандий (Sc), кроме того, 0,1-0,2 масс. % меди (Cu) и/или 0,1-0,4 масс. % цинка (Zn), а также алюминий (Al) и неизбежные включения кремния в количестве до 0,1 масс. %. В частном исполнении сплав содержит, по меньшей мере, 0,15 масс. % скандия (Sc).

Недостатком этого сплава является высокое содержание магния, что требует проведения операции гомогенизации в узком температурном диапазоне. Также недостатком этого сплава является строгое ограничение по содержанию железа и кремния, что исключает возможность его приготовления на основе первичного алюминия низких марок, а также использования вторичного сырья. Еще одним недостатком этого сплава является высокое содержание в его составе дорогостоящего скандия.

Известен коррозионно-стойкий алюминиево-магниевый сплав, раскрытый в патенте РФ №2478131 (публ. RU 2226565, 10.08.1999, 10.04.2002). Этот сплав содержит 3-5 масс. % магния (Mg), 0,05-0,15 масс. % циркония (Zr), 0,05-0,12 масс. % марганца (Mn), 0,01-0,2 масс. % титана (Ti), 0,05-0,5 масс. % одного либо нескольких элементов из скандиевой группы и/или тербия (Tb), при этом в его составе содержится по меньшей мере скандий (Sc), а также алюминий (Al) и неизбежные включения кремния в количестве максимум 0,2 масс. %. В частном исполнении этот сплав содержит не менее 0,15 масс. % скандия (Sc). Сплав предназначен для изготовления методом сварки, прокатки, экструзии или ковки деталей для воздушного транспортного средства, прежде всего фюзеляжа самолета, для морского транспортного средства или для автотранспортного средства.

Недостатком данного сплава является строгое ограничение по содержанию железа и кремния, что исключает возможность его приготовления на основе первичного алюминия низких марок, а также использования вторичного сырья. Еще одним недостатком этого сплава является высокое содержание в его составе дорогостоящего скандия.

Наиболее близким к предложенному материалу является деформируемый алюминиевый сплав, раскрытый в патенте Патент РФ 2699422, (публ. 16.08.2019 Бюл. № 23). Данный сплав содержит, масс. %: 2,0-2,6 Са; 1,5-2,5 Mg; 0,4-0,6 Fe, 0,3-0,5 Si, 0,8-1,2 Mn, 0,10-0,15 Zr, 0,08-0,12 Sc, остальное - алюминий. Благодаря высокой термической стабильности структуры прочностные свойства сплава после нагрева при температурах до 350°С и выдержке до 10 часов не снижаются. Недостатком данного сплава является то, что обладает низкой технологичностью при аргонно-дуговой сварке, что не позволяет применять его для создания сварных конструкций.

Техническим результатом является создание нового кальций-содержащего свариваемого сплава на основе алюминия, предназначенного для получения листовых полуфабрикатов, допускающих нагрев до 350°С включительно.

Технический результат достигается тем, что деформируемый сплав на основе алюминия, обладающий гетерофазной структурой, содержащий кальций, магний, цирконий, скандий, железо и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:

Кальций 2,2-3,0
Цинк 3,5-4,5
Магний 2,0-2,5
Железо 0,1-0,4
Кремний 0,05-0,15
Цирконий 0,12-0,28
Скандий 0,06-0,12
Алюминий основа

Структура сплава состоит из алюминиевой матрицы, содержащей не менее 2,5% цинка, не менее 2,0% магния, не менее 0,1% циркония, не менее 0,06% скандия, и кальцийсодержащих частиц со средним размером не более 5 мкм и с объемной долей не менее 6,5%.

Сплав данного состава может быть выполнен в виде листов со следующими свойствами на растяжение после нагрева до температуры 350°С и выдержки в течение 3 часов: временное сопротивление (σв) не менее 300 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%. Листы из данного сплава могут быть сварены методом аргонодуговой сварки со следующими свойствами сварных соединений на растяжение после нагрева до температуры 350°С и выдержки в течение 3 часов: временное сопротивление (σв) не менее 260 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 3%.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан лист, изготовленный из заявляемого сплава состава №3, на фиг. 2 показаны микроструктуры в зоне сварного шва, полученного методом аргонодуговой сварки.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Кальций способствует формированию частиц эвтектического происхождения и обеспечивает необходимый уровень технологичности при аргонодуговой сварке. Кальций позволяет связать железо и кремний и тройные соединения, которые обладают благоприятной морфологией и не оказывает отрицательного влияния на механические свойства и коррозионную стойкость. Концентрации цинка и магния в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень прочностных свойств, позволяет сохранить достаточно высокую деформационную пластичность и технологичность при аргонодуговой сварке.

Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al3(Zr,Sc) с решеткой Ll2, обладающих высокой термической стабильностью.

ПРИМЕР

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе первичного алюминия марки А5Е. Из этих сплавов готовили плоские слитки, из которых на прокатном стане получали листы толщиной 2 мм (Фиг. 1). Образцы листов подвергали стабилизирующему отжигу при 350°С в течение 3-х часов в муфельной электропечи.

Параметры структуры, приведенных сплавов (в виде листового проката) приведены в табл. 2. Их измерение проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа TESCAN VEGA 3 (СЭМ), укомплектованного энергодисперсионной приставкой-микроанализатором производства Oxford Instruments и программным обеспечением AZtec.

Механические свойства (временное сопротивление - σв, условный предел текучести - σ0,2 и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84.

Сварку проводили ручным аргонодуговым способом с нерасходуемым вольфрамовым электродом (TIG-сварка) с использованием сварочного аппарата EWM Tetrix 270 AC/DC при токе дуги 100-110 А, примерной скорости сварки 18 см/мин и расходе аргона 6л/мин. Соединяли две карточки с габаритами 150×150 мм, вырезанные из горячекатаных листов. В качестве присадочного материала использовали проволоку квадратного сечения 2×2 мм, концентрации элементов в которой для каждого сплава соответствовали его составу. Проволоку изготавливали способом поперечно-винтовой прокатки цилиндрических слитков и последующей сортовой прокатки.

Из табл. 2 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемое сочетание параметров структуры. В сплаве 1 недостаточное содержание цинка, магния, циркония и скандия в алюминиевой матрице и низкая доля кальций-содержащих частиц, что не позволяет достичь требуемых механических свойств и технологичности при сварке. В сплаве 5 размер кальций-содержащих частиц больше требуемого, что приводят к огрублению структуры и снижению механических свойств. Кроме того, структура сплава 5 содержит первичные кристаллы цирконий- и скандий-содержащей фазы, поэтому содержание циркония и скандия в алюминиевой матрице меньше, чем в составе сплава. В сплаве 6 (прототип) алюминиевая матрица не содержит цинка, что не позволяет достичь требуемых механических свойств.

Из табл. 3 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание механических свойств (σв, σ0,2, δ). В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным содержанием цинка, магния, циркония и скандия в алюминиевой матрице. Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с грубой микроструктурой.

Из табл. 4 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание механических свойств (временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения). Сварные соединения сплавов 1,5 и 6 содержали трещины, вследствие чего они были не пригодны для механических испытаний.

Деформируемый сплав на основе алюминия, обладающий гетерофазной структурой и содержащий кальций, магний, цирконий, скандий, железо и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк при следующих концентрациях компонентов, мас.%:

Кальций 2,2-3,0
Цинк 3,5-4,5
Магний 2,0-2,5
Железо 0,1-0,4
Кремний 0,05-0,15
Цирконий 0,12-0,28
Скандий 0,06-0,12
Алюминий остальное,

при этом он имеет структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, содержащей не менее 2,5% цинка, не менее 2,0% магния, не менее 0,1% циркония и не менее 0,06% скандия, и кальцийсодержащих частиц со средним размером не более 5 мкм и с объемной долей не менее 6,5%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С, в частности деталей летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, деталей спортинвентаря и др.

Изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала в изделиях разового применения.

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С, в частности деталей летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств.

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150-200°С, в частности деталей летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств.

Изобретение относится к новым высокопрочным алюминиевым сплавам 6xxx и способам получения из них тонких алюминиевых листов. Алюминиевый сплав 6xxx содержит, мас.%: 0,001-0,25 Cr, 0,4-2,0 Cu, 0,10-0,30 Fe, 0,5-2,0 Mg, 0,005-0,40 Mn, 0,5-1,5 Si, до 0,15 Ti, до 4,0 Zn, до 0,2 Zr, до 0,2 Sc, до 0,25 Sn, до 0,1 Ni, до 0,15 примесей, остальное - алюминий.

Изобретение относится к изготовлению стального листа с черным покрытием. В закрытом резервуаре стальной лист с покрытием, полученным погружением в расплав Zn, содержащего Al и Mg, нагревают в присутствии первого газа, имеющего точку росы, которая ниже температуры стального листа с покрытием, и после нагрева уменьшают давление газа в закрытом резервуаре до 70 кПа или менее путем откачивания нагретого в закрытом резервуаре первого атмосферного газа, а после уменьшения давления газа осуществляют чернение слоя покрытия путем введения водяного пара в закрытый резервуар.

Изобретение относится к листовой стали, снабженной покрытием, обеспечивающим катодную защиту с расходуемым анодом. Предложена листовая сталь, снабженная покрытием, содержащим 1-40 мас.% цинка, 0,01-0.4 мас.% лантана, необязательно до 10 мас.% магния, необязательно до 15 мас.% кремния и необязательно до 0,3 мас.% суммарного количества возможных дополнительных компонентов с остальным, состоящим из алюминия и неизбежных примесей или остаточных элементов.

Изобретение относится к технологии изготовления изделий сложной формы из высокопрочных алюминиевых сплавов. Способ послойного изготовления детали из порошка алюминиевого сплава 7075 или В95 включает формирование порошка для селективного лазерного плавления и формообразование детали послойным селективным лазерным плавлением порошка на заданных режимах.

Изобретение относится к области металловедения, в частности к алюминиевым сплавам и их получению, и может быть использовано, например, в качестве заготовки для пластин теплообменника.

Изобретение относится к области металлургии, в частности производству литейных материалов на основе алюминия, и может быть использовано для получения ответственных изделий, работающих под действием высоких нагрузок, используемых для автомобилестроения, спортивного инвентаря и других.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении тонкостенных отливок сложной формы, преимущественно литьем под давлением, и может быть использовано для литья деталей для автомобилестроения, корпусов электронных устройств и др.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала с алюминиевой матрицей, армированной пластинчатыми включениями оксида алюминия. Способ включает насыщение расплава водородом с последующей продувкой в интервале 1-3 часа расплава газообразным кислородом при объемном расходе 0,06-1 м3/ч под сформированным на зеркале расплава слоем шлака, который по окончании продувки удаляют и заливают полученный расплав в литейную форму.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения фасонных отливок гравитационным литьем в кокиль, литьем под давлением, кристаллизацией под давлением, используемых в автомобилестроении, для корпусов электронных устройств, а также в качестве деталей ответственного назначения, способных работать при повышенных температурах.
Изделие из алюминиевого сплава включает пару внешних областей и внутреннюю область, расположенную между этими внешними областями. Первая концентрация эвтектикообразующих легирующих элементов во внутренней области меньше, чем вторая концентрация эвтектикообразующих легирующих элементов в каждой из внешних областей, при этом изделие из алюминиевого сплава имеет значение степени плоскостной анизотропии дельта r от 0 до 0,10.

Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и может быть использовано для получения лигатуры алюминия со скандием.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования трещин.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования трещин.

Изобретение относится к деталям, выполненным из низкокремнистого алюминиевого сплава, которые могут быть использованы в автомобильной и авиационной промышленности.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам и может быть использовано в транспортной отрасли и смежных областях. Алюминиевый сплав марки 6xxx содержит, мас.%: Si 0,20-1,0, Fe 0,11-0,40, Cu 0,0-0,23, Mn 0,01-0,22, Mg 0,50-0,83, Cr 0,0-0,25, Ni 0,0-0,006, Zn 0,0-0,15, Ti 0,0-0,17, примесей до 0,15, остальное алюминий, причем указанный алюминиевый сплав характеризуется пределом текучести по меньшей мере 100 МПа при нахождении сплава в состоянии Т4.

Изобретение относится к материалам для защиты от радиационного излучения, обладающим повышенной теплопроводностью, термостойкостью до 400°С и низким значением коэффициента термического расширения, и может быть использовано в атомной, радиохимической промышленности, а также в военно-морской и авиакосмической промышленности в целях защиты обслуживающего персонала и окружающей среды.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, пригодных для аргонодуговой сварки и допускающих нагревы до 350°С. Предложенный деформируемый сплав на основе алюминия содержит в мас.: 2,2-3,0 Са, 3,5-4,5 Zn, 2,0-2,5 Mg, 0,1-0,4 Fe, 0,05-0,15 Si, 0,12-0,28 Zr, 0,06-0,12 Sc, остальное - алюминий. Он имеет структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, содержащей не менее 2,5 цинка, не менее 2,0 магния, не менее 0,1 циркония и не менее 0,06 скандия, и кальцийсодержащих частиц со средним размером не более 5 мкм и с объемной долей не менее 6,5. Обеспечивается создание термостойкого сплава, предназначенного для получения деформированных полуфабрикатов и сварных соединений с высоким уровнем механических свойств при сохранении пластичности. 1 пр., 4 табл., 2 ил.

Наверх