ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
HIGH-STRENGTH SPARINGLY-ALLOYED ALUMINIUM-BASED ALLOY

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°С: детали летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, ракет), автомобилей и других транспортных средств (в том числе велосипедов, самокатов, тележек), детали спортинвентаря и др.
в
Наиболее прочные деформируемые алюминиевые сплавы типа В95 (σ=500-600 МПа) относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu (Промышленные алюминиевые сплавы /Справ. изд./ Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. - М.: Металлургия, 1984. 528 с.). Они имеют низкие литейные свойства, поэтому эти сплавы практически не используются для получения фасонных отливок.
Известен сплав на основе алюминиево-никелевой эвтектики, раскрытый в патенте RU 2158780 от 10.11.2000 г. Данный сплав содержит матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с равномерно распределенными дисперсными частицами фаз, образованных алюминием, цинком, магнием и медью, равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения и равномерно распределенные в матрице частицы, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала.
Из этого сплава можно получать отливки с улучшенными литейными свойствами за счет добавки никеля, который образует алюминиды эвтектического происхождения. Однако для достижения высоких прочностных свойств необходимо обеспечить этим алюминидам глобулярную форму, что требует проведения операции сфероидизирующего отжига. Поскольку медь, входящая в известный материал, сильно снижает равновесный солидус (для среднего состава он ниже 530°С), то требуется относительно высокая дисперсность исходной структуры, что ограничивает использование предложенного сплава сравнительно небольшими отливками простой формы. Кроме того, наличие меди в последнем усложняет фазовый состав, что может приводить к нестабильности механических и технологических свойств.
Наиболее близким к предложенному является сплав на основе алюминия, раскрытый в патенте RU 2245388 (опубл. 27.01.2011, бюл.№3). Данный сплав содержит цинк, магний и никель, железо, цирконий и медь при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
Цинк
5-8
Магний
2-3,1
Никель
1-4,2
Железо
0,02-1
Цирконий
0,02-0,25
Медь
0,05-0,3
Алюминий
Остальное
и при этом температура равновесного солидуса составляет не менее 550°С, а твердость - не менее 180 HV.
Достижение высоких механических свойств достигается реализацией структуры, представляющей собой матрицу, образованную твердым раствором алюминия с равномерно распределенными дисперсными частицами вторичных выделений, и равномерно распределенными в матрице частицами алюминидов, содержащих никель и железо, эвтектического происхождения. При этом количество этих алюминидов составляет 5,0-6,3 об.%.
Техническим результатом является создание нового высокопрочного сплава, способного к термическому упрочнению, предназначенного для получения как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов.
Однако этот сплав недостаточно технологичен при получении тонколистового проката (толщиной менее 0,5 мм) методом холодной прокатки. Второй недостаток состоит в том, что сплав не предназначен для получения фасонных отливок в разовые формы. Третий недостаток заключается в том, что сплав содержит дорогостоящую добавку никеля в количестве более 1 мас.%.
Задачей изобретения является создание нового высокопрочного экономнолегированного алюминиевого сплава, содержащего не более 0,8% Ni и предназначенного для получения как фасонных отливок, так и деформированных полуфабрикатов и обладающего высокой технологичностью при обработке давлением (в частности, при получении тонколистового проката методом холодной прокатки) и литье (в частности, в разовые формы).
Поставленная задача решена тем, что сплав на основе алюминия содержит цинк, магний, никель, железо, цирконий и медь при следующих концентрациях компонентов, мас.%:
Цинк
5,5-6,5
Магний
1,7-2,3
Никель
0,4-0,7
Железо
0,3-0,7
Цирконий
0,02-0,25
Медь
0,05-0,3
Алюминий
Остальное
и при этом температура солидуса составляет не менее 570°С, температура сольвуса не более 410°С, а твердость - не менее 150 HV.
в
0,2
Материал может быть выполнен в виде отливок (в частности, литьем в разовые формы), обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ) не менее 450 МПа, предел текучести (σ) не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
в
0,2
Кроме того, материал может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов (в частности, тонколистового проката), обладающих следующими свойствами на растяжение: временное сопротивление (σ) не менее 500 МПа, предел текучести (σ) не менее 450 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 5%.
Сущность изобретения состоит в следующем.
9
Наличие легирующих элементов в заявленных пределах с учетом требований к твердости позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств и технологичности. Заявленное ограничение по температуре солидуса позволяет проводить сфероидизирующий отжиг при достаточно высоких температурах, обеспечивая формирование относительно глобулярных частиц фазы AlFeNi, что положительно сказывается на пластичности. Заявленное ограничение по температуре сольвуса позволяет растворять цинк, магний и медь в алюминиевом твердом растворе при относительно низких температурах, что облегчает окончательную (или повторную) термообработку. Это положительно сказывается на стоимости термообработки.
ПРИМЕР 1.
S
SS
SS
Были приготовлены слитки 6 сплавов, составы которых указаны в табл.1. Сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия марки А5Е (99,5%), цинка марки Ц0 (99,9%), магния марки Мг90 (99,9%), меди марки M1 (99,9%) и лигатур Al-Ni, Al-Fe и Al-Zr. Определение температур солидуса (T) и сольвуса (T) проводили с использование программы Thermo-Calc (база данных TTAL5). Под значением T принималась температура полного растворения цинка, магния и меди в алюминиевом твердом растворе при нагреве. Слитки термообрабатывали по режиму Т6 (двухступенчатый нагрев под закалку, закалка в холодной воде и старение). Твердость по Виккерсу определяли по ГОСТ 2999-75 на универсальном твердомере Wilson Wolpert 930. Рассчитанные и экспериментальные значения приведены в табл.1.
S
SS
S
SS
Из табл.1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает требуемые значения T, T и HV. При этом заявляемый сплав отвечает требуемому ограничению по концентрации никеля (менее 0,8%). В сплаве 1 твердость намного ниже требуемого уровня. В сплавах 5 и 6 значения T ниже требуемого уровня, а значения T, наоборот, выше.
Таблица 1
Составы экспериментальных сплавов и их характеристики
Концентрация в сплаве, мас.%
T<sub>S</sub>, °С
T<sub>SS</sub>, °C
HV
Zn
Mg
Ni
Fe
Zr
Cu
Al
1
4,0
1,5
0,2
0,2
0,01
0,02
ост.
612
335
95
2
5,5
2,3
0,7
0,7
0,02
0,05
ост.
586
394
165
3
6,0
2,0
0,5
0,5
0,15
0,2
ост.
586
394
158
4
6,5
1,7
0,4
0,3
0,25
0,3
ост.
586
392
155
5
8,0
3,0
1,0
1,0
0,3
0,5
ост.
525
461
210
6<sup>1</sup>
6,7
2,8
2,0
0,4
0,15
0,2
ост.
554
436
190
<sup>1</sup> средний состав сплава-прототипа
ПРИМЕР 2.
9
Сплавы 3 и 5 (табл.1) были получены в виде фасонных отливок литьем в разовые формы, которые изготавливалась методом быстрого прототипирования на принтере Z-cast. Отдельные части формы собирали и скрепляли (фиг.1а). Отливки из сплава 3 (фиг.1б) не содержали дефектов, а их микроструктура характеризовалась наличием относительно компактных включений фазы AlFeNi. Отливки из сплава 5 имели трещины, поэтому механические свойства на них не определяли. После термической обработки обеспечивающую твердость, указанную в табл.1, определяли механические свойства сплава 3 на цилиндрических образцах, вырезанных из отливок, по ГОСТ 1497-84. Из табл.2 видно, что сплав заявленного состава в отливках, полученных литьем в разовые формы, имеет требуемые механические свойства.
Таблица 2
Механические свойства заявленного сплава<sup>1</sup> в отливках
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ,%
460
420
5,5
<sup>1</sup> состав 3 (см. табл.1)
ПРИМЕР 3.
Из сплавов 3, 5 и 6 (табл.1) получали холоднокатаные листы по технологии, которая включала в себя следующие основные операции:
- получение плоского слитка толщиной 20 мм;
- двухступенчатый гомогенизационный отжиг слитка;
- горячая прокатка гомогенизированного слитка до толщины 2 мм;
- промежуточный отжиг горячекатаного листа;
- холодная прокатка до толщин 0,45 и 0,17 мм (получение тонколистового проката);
- упрочняющая термообработка холоднокатаных листов (нагрев под закалку, закалка в холодной воде и старение).
В сплавах 5 и 6 в процессе холодной прокатки образовались трещины, поэтому их механические свойства не определяли. В тонколистовом прокате сплава 3 трещины и другие дефекты обнаружены не были (фиг.2).
После термической обработки холоднокатаных листов сплава 3 определяли механические свойства на плоских образцах, вырезанных из листов, по ГОСТ 1497-84.
Из табл.3 видно, что сплав заявленного состава в виде тонколистового проката имеет требуемые механические свойства.
Таблица 3
Механические свойства заявленного сплава<sup>1</sup> в листах
Толщина листа, мм
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ,%
0,45
520
460
7,0
0,17
560
480
5,5
<sup>1</sup> состав 3 (см. табл.1)