АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ, СОДЕРЖАЩИЙ МЕДЬ И УГЛЕРОД, И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
ALUMINIUM ALLOY, CONTAINING COPPER AND CARBON, AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к алюминиевому (Al) сплаву, содержащему медь (Cu) и углерод (C), а также к способу его производства.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
[0002] Типичные высокопрочные алюминиевые сплавы включают алюминиевые сплавы на основе Al-Cu серии 2000, называемые дюралюминием, супердюралюминием и т.д. Главным компонентом алюминиевых сплавов серии 2000 является медь (Cu), и эти сплавы упрочняются главным образом за счет выделения CuAl (θ-фазы) или подобной ей фазы.
[0003] Хотя прочность может быть дополнительно улучшена за счет добавления к сплаву Al-Cu таких элементов, как Mg, достигаемое при добавлении таких металлических элементов улучшение прочности ограничено. В дополнение к этому, поскольку сплавы Al-Cu по своей природе не обладают превосходной коррозионной стойкостью, при разработка сплав введением дополнительного легирующего элемента необходимо избегать понижения коррозионной стойкости. Для двойных сплавов Al-Cu получение однородной структуры является маловероятным, и свобода в задании содержания Cu относительно мала.
[0004] Патентный документ 1 (состав авторов этого патента и авторов данной заявки перекрывается) описывает, что добавление углерода (C) в форме графита к меди приводит к более высокой прочности при растяжении получаемого сплава Cu-C. В дополнение, в этом документе также описывается способ приготовления такого сплава Cu-C. Авторы настоящего изобретения оценили, что если C может быть добавлен к сплаву Al-Cu, как в случае с Cu, сплаву Al-Cu можно будет придать высокую прочность.
ДОКУМЕНТ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
ПАТЕНТНЫЙ ДОКУМЕНТ
[0005] Патентный документ 1: Японский патент JP5397966B2
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить такой метод добавления C к Al-му сплаву, содержащему Cu, который мог бы повысить прочность Al-го сплава.
[0007] В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения предлагается способ приготовления Al-го сплава, содержащего Cu и C. Этот способ включает в себя добавление порошка графита и ускорителя науглероживания к расплавленному Al, содержащему Cu.
[0008] Ускоритель науглероживания может быть включающим бор (B) или соединение бора, такое как бура.
[0009] Предпочтительно, температура расплавленного металла в то время, когда добавляют порошок графита и ускоритель науглероживания, составляет от 800°C до 1000°C. При температуре ниже 800°C требуется много времени для растворения порошка графита в расплавленном металле, или же порошок графита не растворяется в достаточной степени. Если температура более 1000°C, становится сильным окисление алюминия, а затраты на электричество для плавильной печи резко увеличиваются, что делает процесс неэкономичным.
[0010] Когда добавляются порошок графита и ускоритель науглероживания, концентрация кислорода вокруг расплавленного металла предпочтительно поддерживается низкой. Атмосфера с низкой концентрацией кислорода может быть достигнута путем использования, например, закрытой отражательной печи (см. описываемые ниже варианты осуществления). Если концентрация кислорода поддерживается низкой, потери, вызываемые окислением и сгоранием порошка графита, могут быть подавлены. Альтернативно, плавильная печь может быть расположена в вакуумной камере, или поверхность расплавленного металла может быть укрыта защитным газом, содержащим инертный газ, такой как газообразный аргон.
[0011] Предпочтительно, состав расплавленного металла во время добавления порошка графита и ускорителя науглероживания является эвтектическим составом сплава Al-Cu (то есть Al - 33 мас.% Cu), или составом, подобным эвтектическому составу (содержание Cu слегка сдвигается в доэвтектическую сторону или в заэвтектическую сторону). Например, состав расплавленного металла может быть задан в пределах диапазона Al - 27-36 мас.% Cu. Известно, что, если третий элемент (элемент-металл) добавляется к двойному сплаву, этот третий элемент может быть эффективно введен путем добавления третьего элемента к двойному сплаву с эвтектическим или близким к эвтектическому составом. Исследованиями авторов настоящего изобретения было подтверждено, что вышесказанное также справедливо и в том случае, когда графит добавляется к двойному сплаву Al-Cu.
[0012] По меньшей мере чистый Al (например, слиток чистого Al) может быть растворен в расплавленном металле, в который были добавлены порошок графита и ускоритель науглероживания, для того, чтобы разбавить расплавленный металл с целью довести концентрацию Cu и концентрацию C до желаемых значений. Al и компоненты сплава, которые содержатся в сплавах Al-Cu, называемых дюралюминием или супердюралюминием, такие как магний (Mg) и марганец (Mn), могут быть добавлены к расплавленному металлу после добавления порошка графита и ускорителя науглероживания для того, чтобы приготовить сплав с составом, соответствующим дюралюминию или супердюралюминию и содержащим C.
[0013] Альтернативно, частицы графита и частицы ускорителя науглероживания могут быть добавлены к алюминиевому сплаву, имеющему желаемый состав и содержащему Cu в качестве главного добавочного элемента, например, к расплавленному металлу с составом, соответствующим вышеуказанному дюралюминию или супердюралюминию, чтобы тем самым приготовить алюминиевый сплав с добавкой углерода. Эта процедура также позволяет равномерно добавлять углерод к сплаву.
[0014] Приготовленный таким образом Al-ый сплав, содержащий Cu и C, может быть тройным сплавом Al-Cu-C, содержащим Cu и C, с остатком из Al и неизбежных примесей, или сплавом, содержащим по меньшей мере один легирующий элемент, отличающийся от Cu и C. Этот сплав кроме Al, Cu и C может содержать кремний (Si). Более конкретно, этот сплав может представлять собой, например, сплав AC2A (сплав Al-Si-Cu), определенный как «алюминиевый сплав литейный по JIS H5205», к которому добавлен C.
[0015] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагается Al-ый сплав, содержащий Cu и C, в котором C распределен в структуре металла. Этот Al-ый сплав может быть приготовлен в соответствии с вышеописанным способом. Сплав Al может дополнительно включать в себя легирующий элемент, отличающийся от C.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0016] Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее используемую для выплавки сплава печь, где (a) – схематический вид в продольном разрезе, (b) – схематический вид сверху, а (c) – схематический вид спереди.
Фиг. 2 представляет собой фотографию в электронном микроскопе (изображение во вторичных электронах), показывающую изменение структуры при добавлении C к алюминиевому сплаву с составом, соответствующим сплаву номер 2017, определяемому по JIS H4000, на которой (a) соответствует отсутствию добавки C, (b) соответствует добавке 0,1 мас.% C, а (c) – добавке 0,3 мас.% C.
Фиг. 3 представляет собой фотографию в электронном микроскопе (изображение во вторичных электронах), показывающую изменение структуры при добавлении C к алюминиевому сплаву, содержащему 5 мас.% Cu с остатком из Al и неизбежных примесей, на которой (a) соответствует отсутствию добавки C, а (b) – добавке 0,3 мас.% C.
Фиг. 4 представляет собой рентгеновское изображение, полученное с помощью электронно-зондового микроанализатора (EPMA), на котором (a) соответствует Al, (b) соответствует Cu, а (c) соответствует C.
Фиг. 5 представляет собой изображение, показывающее места, в которых C в изобилии обнаруживается на рентгеновском изображении по Фиг. 4(a).
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0017] Далее будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения.
[0018] <Приготовление расплава Al-Cu>
Обеспечивают (берут) расплавленный металл с эвтектическим составом (Al - 33 мас.% Cu) или близким к нему составом, например Al - 28 мас.% Cu, являющийся доэвтектическим составом. Расплавленный металл c таким составом может быть легко приготовлен путем растворения имеющейся в продаже лигатуры Al-Cu. Само собой разумеется, сплав с таким составом может быть приготовлен сам по себе. Температура расплавленного металла устанавливается равной от 800°C до 1000°C.
[0019] При этом может использоваться отражательная печь 10, которая схематично показана, например, на Фиг. 1. Эта отражательная печь 10 имеет куполообразный свод 12. В одной боковой стенке 14 отражательной печи 10 предусмотрен проем 18 для горелки, в котором располагается мазутная горелка 16. Со стороны боковой стенки 14 свода 12 отражательной печи 10 предусмотрено выпускное отверстие 20. Пламя горелки (то есть образующийся при сгорании газ), выбрасываемое из проема 16 для горелки к боковой стенке 22 на другой стороне отражательной печи 10, заворачивается боковой стенкой 22, позволяя ему протекать к боковой стенке 12 и выходить из выпускного отверстия 20 (см. Фиг. 1(b)). Воздух в печи выдувается потоком циркулирующих газообразных продуктов сгорания, и кислород, содержащийся в присутствующем в печи воздухе, расходуется на сгорание несгоревшего компонента, содержащегося в продуктах сгорания. За счет этого концентрация кислорода в отражательной печи может быть снижена.
[0020] <Науглероживающая обработка>
После того, как температура лигатуры Al-Cu, расплавленной в отражательной печи 10, станет в пределах диапазона от 800°C до 1000°C, а концентрация кислорода в отражательной печи 10 стабилизируется на низком уровне, в отражательную печь 10 через непоказанное загрузочное отверстие загружают частицы графита (которые могут представлять собой порошок или гранулы) и частицы ускорителя науглероживания, содержащие бор или соединение бора. Частицы графита прикрепляются к частицам ускорителя науглероживания и диспергируются в расплавленном металле в соответствии с естественной конвекцией расплавленного металла. Естественная конвекция расплавленного металла позволяет обеспечить хорошую гомогенность расплавленного металла. Расплавленный металл может перемешиваться посредством известных средств перемешивания, таких как устройство для бесконтактного электромагнитного перемешивания (МГД-перемешиватель), чтобы способствовать более равномерному диспергированию частиц графита и частиц ускорителя науглероживания в расплавленном металле.
[0021] После растворения графита (углерода) в алюминиевом расплаве ускоритель науглероживания, выполнивший свою роль, переходит в шлак и всплывает на поверхности расплавленного металла. Этот шлак может быть удален, например, с помощью огнеупорного ковша или т.п.
[0022] Следует отметить, что, если добавляют только частицы графита без добавления ускорителя науглероживания, частицы графита продолжают плавать на поверхности расплавленного металла и не диспергируются в расплавленном металле.
[0023] <Литье>
После этого расплавленный металл разливается в соответствующую литейную форму из непоказанной лётки, предусмотренной в нижней части отражательной печи 10, и затвердевает. Таким образом совершается литье тройного сплава Al-Cu-C. После этого полученный слиток тройного сплава Al-Cu-C подвергается прокатке, термообработке и т.п. по мере необходимости.
[0024] Используя лигатуру тройного сплава Al-Cu-C (в которой содержание Cu составляет, например, приблизительно 33 мас.%), полученную в соответствии с вышеупомянутым способом производства, может быть приготовлен сплав, который имеет состав, соответствующий дюралюминию (например, A2014 или A2017 по JIS H4140) или супердюралюминию (например, A2024 по JIS H4140) и содержащий C. В этом случае приготовление осуществляется путем плавления этой лигатуры Al-Cu-C, лигатуры, содержащей необходимый компонент сплава, такой как лигатура Al-Mg, лигатура Al-Mn и чистый алюминий, в соответствующих соотношениях и разливки полученного расплавленного металла в литейную форму.
[0025] Альтернативно, перед литьем, но после науглероживающей обработки к расплавленному металлу может быть добавлен чистый алюминий для того, чтобы отрегулировать концентрации Cu и C в расплавленном металле, с последующим литьем в литейную форму.
[0026] В качестве еще одной альтернативы, перед литьем, но после науглероживающей обработки чистый алюминий может быть добавлен к расплавленному металлу, в который дополнительно добавлена лигатура, содержащая необходимый компонент сплава, такая как лигатура Al-Mg и лигатура Al-Mn, с последующим литьем в литейную форму. Таким образом может быть приготовлен сплав, имеющий состав, соответствующий дюралюминию или супердюралюминию, и содержащий С.
[0027] Хотя в вышеописанном варианте осуществления частицы графита и частицы ускорителя науглероживания добавляют в расплав двойного сплава Al-Cu, в частности в расплав с эвтектическим составом или близким к эвтектическому составом, это не является ограничением. Например, алюминиевый сплав с добавкой углерода может быть приготовлен путем добавления частиц графита и частиц ускорителя науглероживания к алюминиевому сплаву, имеющему желаемый состав и содержащему Cu в качестве главного добавочного элемента, например в расплав с составом, соответствующим такому дюралюминию или супердюралюминию, как упомянутые выше. Это обеспечивает равномерное добавление углерода в сплав.
ПРИМЕРЫ
[0028] Далее описываются конкретные примеры.
[0029] Приготовили образцы с указанными в приведенной ниже Таблице 1 составами. В Таблице 1 указаны содержания Cu и C. Для приготовления образцов сплавов в примерах (Примеры 1-5) частицы графита и частицы ускорителя науглероживания добавляли к расплавленному металлу с составом Al - 28 мас.% Cu, чтобы обеспечить состав Al - 28 мас.% Cu - X мас.% C (где X было значением, достаточным для обеспечения составов сплавов в соответствующих примерах после разбавления), с последующим разбавлением расплавленного металла алюминием для того, чтобы обеспечить указанные в Таблице 1 составы, и разливкой в литейную форму с получением слитков. (Для приготовления сплавов в сравнительных примерах (Сравнительные примеры 1, 2) расплавленный металл с составом Al - 28 мас.% Cu разбавляли алюминием для обеспечения указанных выше составов, с последующей разливкой в литейную форму для получения слитков.)
[0030] Далее, в отношении образцов, описанных как «прокатка+термообработка» в колонке «Обработка» в Таблице 1, слиток резали на прямоугольный параллелепипед 160 мм длиной × 30 мм шириной × 6 мм толщиной, с последующей прокаткой до толщины 5 мм на прокатном стане. Затем прокатанный лист разрезали на плоские образцы для испытания на растяжение в соответствии с № 13B по JIS Z2201. Размер образца для испытания установлен равным 60 мм в длину у параллельной (уменьшенной) секции, 12,5 мм в ширину у параллельной (уменьшенной) секции, с радиусом 25 мм в секции заплечика, 3 мм в толщину и 20 мм в ширину в секции захвата. После этого образец для испытания выдерживали в вакууме при 410°C в течение 2 часов, охлаждали до 260°C со скоростью падения температуры 30°C в час, а затем давали охлаждаться естественным образом, после чего подвергали испытанию на растяжение.
[0031] Что касается образцов, не описанных как «прокатка+термообработка» в колонке «Обработка» в Таблице 1, слиток сразу нарезали (без прокатки) на такие образцы для испытания, как описанные выше. Дополнительно, описанную выше последовательность термообработок не выполняли.
2
[0032] Образцы для испытания, приготовленные изложенным выше образом, подвергали испытанию на растяжение с использованием универсальной испытательной машины AG50KNI производства компании Shimadzu Corporation. При испытании на растяжение были подтверждены максимальное напряжение и максимальное смещение. «Максимальное напряжение» является значением, получаемым путем деления максимальной нагрузки (в ньютонах, Н) на номинальную площадь сечения (12,5×3 мм). «Максимальное смещение» является смещением траверсы (мм) во время приложения максимальной нагрузки. Это испытание осуществляли в соответствующих примерах и сравнительных примерах с использованием 2-3 испытываемых образцов. Результаты показаны в Таблице 1.
[0033] [Таблица 1]
Cu(мас.%)
C(мас.%)
Обработка
Максимальное напряжение(Н/мм<sup>2</sup>)
Максимальное смещение (мм)
Пример 1
4
0,04
—
137141123
7,096,865,24
Пример 2
4
0,1
—
111119106
5,428,024,13
Пример 3
5
0,018
—
73,675,575,0
1,431,771,69
Пример 4
5
0,02
прокатка +термообработка
131137137
7,288,378,81
Пример 5
5
0,05
прокатка +термообработка
142139
10,38,85
Сравнительный пример 1
4
—
—
63,273,253,6
1,822,170,97
Сравнительный пример 2
5
—
прокатка +термообработка
43,174,9
1,562,78
Сравнительный пример 3
—
—
—
57,258,157,5
17,718,413,9
[0034] С учетом вышеприведенных результатов испытаний будет ясно, особенно при сравнении Примеров 4, 5 со Сравнительным примером 2 или при сравнении Примера 2 со Сравнительным примером 1, что путем добавления C в сплав Al-Cu может быть реализована заметно улучшенная прочность. Дополнительно, заметна тенденция к уменьшению вариации прочности при добавлении C. Предполагается, что, хотя двойной сплав Al-Cu подразумевает некоторую трудность при получении структуры с высокой однородностью, добавление C способно не только улучшить прочность, но и способствовать достижению улучшенной однородности структуры.
[0035] Далее иллюстрируется изменение структуры, вызываемое добавлением углерода. Фиг. 2 представляет собой фотографию в электронном микроскопе (изображение во вторичных электронах), показывающую изменение структуры при добавлении C к алюминиевому сплаву с составом, соответствующим сплаву номер 2017 по JIS H4000, причем (a) соответствует отсутствию добавки C, (b) соответствует добавке 0,1 мас.% C, а (c) соответствует добавке 0,3 мас.% C. Фиг. 3 представляет собой фотографию в электронном микроскопе (изображение во вторичных электронах), показывающую изменение структуры при добавлении C к алюминиевому сплаву, состоящему из 5 мас.% Cu с остатком из Al и неизбежных примесей, причем (a) соответствует отсутствию добавки C, а (b) соответствует добавке 0,3 мас.% C. Приготовление образцов осуществляли тем же самым образом, что и приготовление сплавов, показанных выше в Таблице 1. Структуры на Фиг. 2 и Фиг. 3 относятся к состоянию после отливки («литые»), и ни прокатки, ни термообработки не проводили. Длина белой шкалы под соответствующими изображениями означает 100 мкм в масштабе изображений.
[0036] На обоих Фиг. 2 и 3 обнаружено измельчение структуры, вызванное добавлением C. Со сплавом Al - 5 мас.% Cu - 0,3 мас.% C, показанным на Фиг. 3(b), может быть получена по существу такая же самая микроструктура, что и со сплавом, соответствующим безуглеродному сплаву 2017, показанному на Фиг. 2(a). Авторы настоящего изобретения полагают, что измельчение структуры является основным фактором улучшения прочности сплава.
[0037] Фиг. 4 представляет собой рентгеновское изображение, полученное с помощью электронно-зондового микроанализатора (EPMA), на котором (a) соответствует Al, (b) соответствует Cu, а (c) соответствует C. Показанное здесь рентгеновское изображение является одноцветной копией цветного оригинала, показывающего область максимальной плотности красным, а область минимальной плотности синим (при условии, что промежуточная плотность соответствует цветовой последовательности цветового круга). На рентгеновских изображениях (a) и (b) крупные участки большого размера означают первичные кристаллы Al. На рентгеновских изображениях (a) и (b) агрегированные небольшие комки означают эвтектику Al-Cu. C в изобилии содержится на участках, которые выглядят белыми на изображении (c).
[0038] Фиг. 5 показывает те места, в которых в изобилии обнаружен углерод, наложенные на рентгеновское изображение (a) с Фиг. 4. С учетом этой конфигурации авторы настоящего изобретения выяснили, что C распределяется главным образом на границе кристаллических зерен. Авторы настоящего изобретения предположили, что C, распределенный на границе кристаллических зерен, вызывает измельчение кристаллических зерен и способствует улучшению механических свойств. Могут иметь место некоторые случаи, в которых присутствие элементов на границе кристаллических зерен снижает пластичность сплава, хотя и в зависимости от типа сплава. У сплава Al-Cu-C такое явление снижения пластичности не выявлено, и за счет добавления C улучшены как прочность, так и пластичность.
[0039] Механизм того, как C участвует в упрочнении сплава, не был полностью выяснен на данной стадии. Однако очевидным фактом является то, что когда частицы графита и частицы ускорителя науглероживания, содержащие бор или соединение бора, добавляют к Cu-содержащему расплавленному металлу Al, надежно и воспроизводимым образом получается сплав Al-Cu-C, структура которого измельчена и который имеет улучшенную структуру. Соответственно, настоящее изобретение не должно рассматриваться как излишне, зауженно ограниченное на основании теории того, каким образом C принимает участие в упрочнении сплава.
[0040] Эффект улучшения прочности сплава был выявлен даже в том случае, если количество C довольно мало. На данной стадии улучшение прочности сплава было выявлено даже тогда, когда C добавлялся, например, на уровне примерно 80 миллионных долей (0,008 мас.%). В то же время, когда количество C увеличивается до примерно 0,4 мас.%, было выявлено улучшение прочности сплава без неблагоприятного влияния на другие характеристики. Более конкретно, предполагается, что допуск на количество C в сплаве является довольно широким, и количество C должно подходящим образом определяться с учетом желаемой прочности сплава и материальных затрат (чтобы не добавлять C в больших количестве, чем это необходимо). Таким образом, настоящее изобретение не должно рассматриваться как излишне, зауженно ограниченное по содержанию C.
[0041] Само собой разумеется, улучшения в структуре и прочности при добавлении C были подтверждены в отношении литейного сплава. Это было установлено с помощью эксперимента. Далее кратко описываются результаты этого эксперимента.
[0042] Расплавили слиток из сплава AC2A (JIS H5202), к расплаву которого добавляли частицы графита и частицы ускорителя науглероживания тем же самым образом, что и в предшествующих примерах, с последующей разливкой в литейную форму для получения слитка. После этого слиток металла напрямую (без прокатки и термообработки) разрезали на образец для испытания, имеющий ту же самую форму, что и образец для испытания, используемый в примерах. Слиток из используемого здесь сплава AC2A содержал 3,67 мас.% Cu и 5,3 мас.% Si, с остатком из неизбежных примесей. Углерод добавляли на уровне 0,04 мас.%.
[0043] Результаты испытания на растяжение показаны ниже, и было найдено, что добавление углерода приводит к улучшению предела прочности при растяжении и относительного удлинения.
[Таблица 2]
Предел прочности при растяжении(Н/мм<sup>2</sup>)
Относительное удлинение(%)
AC2A (№ 1)
150
2,5
AC2A (№ 2)
134
1,7
AC2A + 0,04 мас.% C (№ 1)
166
2,6
AC2A + 0,04 мас.% C (№ 2)
174
3,1