СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ШТАМПОВОК ТИПА КРЫШКА ДИАМЕТРОМ ДО 200 ММ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ AL - ZN - MG - CU, ЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ И ЦИРКОНИЕМ
METHOD TO PRODUCE AXISYMMETRIC FORGINGS OF COVER TYPE WITH DIAMETER UP TO 200 MM FROM HIGH-STRENGTH ALUMINIUM ALLOYS AL - ZN - MG - CU, ALLOYED BY SCANDIUM AND ZIRCONIUM

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к способам производства штамповок из высокопрочных алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием.
Известен классический способ производства небольших штамповок из алюминиевых сплавов, заключающийся в литье непрерывным методом круглых слитков, их гомогенизации, прессовании на прутки с последующей штамповкой из них деталей, закалки и искусственном старении. Иногда с целью упрощения технологической схемы производства небольших штамповок (диаметром до 200 мм) в качестве заготовки под штамповку используют слитки малого диаметра (Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справочное руководство. - М.: Металлургия, 1983. - С.145-158.; Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справочное руководство - М.: Металлургия, 1971 - С.403-404). Аналог.
Недостатком этого способа производства штамповок из высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием, является резкое снижение прочностных характеристик готовых термически упрочненных штамповок (на 20-25%).
Известна технологическая схема и приведены конкретные значения технологических (температурных и временных) параметров, используемых при производстве катаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, легированных скандием и цирконием (Березин Л.Г., Петруньков П.П. Разработка технологии изготовления листов из сплава 01570 шириной 2000-2500 мм. // Технология легких сплавов. - 1991. - №1. - С.32-37), использование которых при производстве штамповок из сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием, дает возможность получать штамповки с более высокими прочностными характеристиками. Прототип.
Полученные штамповки по известной технологии имеют более высокий уровень прочностных характеристик, чем при использовании технологии аналога. Однако весь прочностной потенциал, заложенный природой в сплавах Al-Zn-Mg-Cu с добавками Sc и Zr, не реализуется. Уровень прочностных характеристик термически упрочненных штамповок занижен на 8-10% по сравнению с реально возможным.
Предлагается способ производства осесимметричных штамповок типа крышка диаметром до 200 мм из высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием, включающий приготовление алюминиевого расплава, содержащего скандий и цирконий, его перегрев до 765-780°C, отливку круглых слитков малого диаметра при 710-740°C, их гомогенизацию при 400-440°C в течение 4-10 часов, штамповку при 380-440°C, закалку с температуры 465-480°C с равномерным охлаждением всей поверхности штамповок со скоростью, обеспечивающей сохранение после закалки полностью нерекристаллизованной структуры штамповки, и искусственное старение.
Предлагаемый способ производства осесимметричных штамповок типа крышка диаметром до 200 мм из высокопрочных алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием, отличается от известного тем, что перегрев алюминиевого расплава, содержащего скандий и цирконий, осуществляют при 765-780°C, гомогенизацию отлитых слитков проводят при 400-440°C в течение 4-10 часов, закалку осуществляют с температуры 465-480°C с равномерным охлаждением всей поверхности штамповок со скоростью, обеспечивающей сохранение после закалки полностью нерекристаллизованной структуры штамповки, и искусственное старение.
Использование предлагаемого способа позволяет получать осесимметричные штамповки диаметром до 200 мм из высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu, легированных скандием и цирконием, в закаленном и искусственно состаренном состоянии с высокими прочностными свойствами.
Упомянутые штамповки используются в основном в атомной промышленности в изделиях ответственного назначения, и к ним предъявляют высокие требования по уровню прочностных свойств.
Пример
Методом непрерывного литья с использованием электрической печи емкостью 180 кг были отлиты два слитка диаметром 92 мм весом по 90 кг следующего химического состава (таблица 1).
Таблица 1
Фактический химический состав отлитых слитков из сплава Al-Zn-Mg-Cu, легированного скандием и цирконием, вес.%
Al
Zn
Mg
Cu
Sc
Zr
Be
Fe
Ni
Co
Si
Основа
7,1
3,6
1,1
0,21
0,11
0,002
0,45
0,52
0,11
0,17
Слитки гомогенизировали и из них вытачивали заготовки под штамповки диаметром 80×60 мм, из которых методом обратного выдавливания получали крышки-штамповки диаметром 146 мм с толщиной стенки 20 мм по известному и по предлагаемому способам.
Известный способ (прототип).
При проведении плавки по известному способу алюминиевый расплав, содержащий скандий, цирконий и кобальт перегревали до 750°C, выдерживали при этой температуре 1 час, дошихтовывали остальные легирующие компоненты (цинк, магний, медь и др.) и при температуре 715°C осуществляли отливку слитка. Слиток гомогенизировали по режиму 380°C, 8 ч, обрабатывали на заготовки и штамповали на крышки, которые закаливали в воде с температуры 470°C, искусственно старили 140°C, 16 ч, и испытывали на растяжение в хордовом и радиальном направлениях.
Предлагаемый способ.
Алюминиевый расплав, содержащий скандий, цирконий, кобальт, перегревали до 775°C, выдерживали 1 час, дошихтовывали легирующие элементы (цинк, магний, медь и др.) и при температуре 730°C осуществляли отливку слитка. Слиток гомогенизировали по режиму 430°C, 8 ч, обрабатывали на заготовки и штамповали на крышки, которые затем закаливали в воде с 470°C. Условия закалки были подобраны экспериментальным путем. Крышки-штамповки устанавливали вертикально в шахматном порядке в специально спроектированной закалочной корзине с расстоянием между штамповками около 40 мм. Воду нагревали до 60°C и в процессе закалки осуществляли интенсивный барботаж воды с помощью регламентированной подачи сжатого воздуха со дна закалочного бака. После закалки штамповки старили по режиму 140°C, 16 ч.
В таблице 2 представлены результаты исследования опытных партий штамповок, изготовленных по известному способу и по предлагаемому способу.
Таблица 2
Результаты исследования штамповок, полученных по известному и по предлагаемому способам
Способ получения штамповки
Направление вырезки образцов
Механические свойства
σв, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
Известный
Хордовое
617
583
6,7
Радиальное
615
581
6,5
Предлагаемый
Хордовое
674
637
5,1
Радиальное
675
639
4,8
3
Рассмотрение таблицы 2 показывает, что предлагаемый способ получения штамповок из сплава Al-Zn-Mg-Cu с добавками Sc и Zr позволяет получать штамповки с более высокими прочностными характеристиками. Причина, объясняющая достижение более высоких прочностных сплавов при использовании предлагаемого способа, заключается в том, что штамповки в этом случае сохраняют после закалки полностью нерекристаллизованную структуру, в то время как структура штамповок, полученных по известному способу, частично рекристаллизована. Кроме того, в структуре штамповок, полученных по известному способу, имеются крупные интерметаллиды Al(Sc, Zr) (до 10 мкм), отрицательно влияющие на механические свойства.