Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие из него
HIGH-STRENGTH ALUMINIUM-BASED WROUGHT ALLOY OF Al-Zn-Mg-Cu-SYSTEM AND ARTICLE MADE THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно прессованных, в качестве конструкционного материала.
Известен в металлургии высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас.%:
Цинк
8,0-9,0
Магний
2,3-3,0
Медь
2,0-2,6
Цирконий
0,1-0,2
Железо, не более
0,4
Кремний, не более
0,3
Алюминий
Остальное
(см. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия. 1984. С. 124).
Недостатком этого сплава является низкая пластичность и недостаточно высокие характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии.
Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий, мас.%:
Цинк
6,0-8,0
Магний
3,4-4,2
Медь
0,8-1,3
Скандий
0,07-0,15
Цирконий
0,08-0,12
Бериллий
0,0005-0,004
Церий
0,01-0,15
Титан
0,02-0,08
Кремний
0,01-0,15
Железо
0,01-0,15
Водород
0,05-0,35 см<sup>3</sup>/100 г металла
Неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li,
Ag, К, Na, О в суммарном количестве, не более
0,10
Алюминий
Остальное,
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57 (см. патент RU №2514748 C1, С22С 21/06 - прототип).
Недостатком сплава-прототипа являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии при достаточно высокой пластичности в продольном направлении.
Предлагается высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, церий, титан, водород и неизбежные примеси, основными из которых являются железо, кремний, марганец и хром, который дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цинк
7,8-8,2
Магний
2,0-2,4
Медь
1,8-2,1
Скандий
0,1-0,17
Цирконий
0,1-0,14
Церий
0,0005-0,001
Титан
0,01-0,03
Бор
0,0005-0,001
Водород
0,05-0,3 см<sup>3</sup>/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси
Остальное,
в том числе:
железо в количестве
не более 0,12 мас. %
кремний в количестве
не более 0,11 мас. %
марганец в количестве
не более 0,02 мас. %
хром в количестве
не более 0,02 мас. %,
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.
Предлагается также изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас. %:
Цинк
7,8-8,2
Магний
2,0-2,4
Медь
1,8-2,1
Скандий
0,1-0,17
Цирконий
0,1-0,14
Церий
0,0005-0,001
Титан
0,01-0,03
Бор
0,0005-0,001
Водород
0,05-0,3 см<sup>3</sup>/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси
Остальное,
в том числе:
железо в количестве
не более 0,12 мас. %
кремний в количестве
не более 0,11 мас. %
марганец в количестве
не более 0,02 мас. %
хром в количестве
не более 0,02 мас. %,
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.
Предлагаемый сплав и изделие из него отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит бор и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Цинк
7,8-8,2
Магний
2,0-2,4
Медь
1,8-2,1
Скандий
0,1-0,17
Цирконий
0,1-0,14
Церий
0,0005-0,001
Титан
0,01-0,03
Бор
0,0005-0,001
Водород
0,05-0,3 см<sup>3</sup>/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси
Остальное,
в том числе:
железо в количестве
не более 0,12 мас. %
кремний в количестве
не более 0,11 мас. %
марганец в количестве
не более 0,02 мас. %
хром в количестве
не более 0,02 мас. %,
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.
Отличием предлагаемого сплава является также более низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,275, а также то, что железо и кремний рассматриваются как неизбежные примеси.
Технический результат - повышение прочностных характеристик и характеристик удельной прочности сплава и изделий из него в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии и, как следствие, повышение весовой отдачи готовых конструкций.
2
2
3
При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве основной упрочняющий эффект достигается за счет образования в результате термической обработки (закалки и последующего искусственного старения) дисперсных выделений упрочняющих фаз М [Mg(CuZn)] и Т (MgZnAlCu) с высокой плотностью их распределения в структуре полуфабриката, при этом за счет ограничения содержания неизбежных примесей железа, кремния, марганца и хрома снижается количество неизбежно образующихся при кристаллизации сплава включений нерастворимых фаз типа Al (Cu, Fe, Mn, Cr), Al (Zn, Mg, Cu, Fe) и MgSi, соответственно увеличивается доля основных легирующих компонентов - цинка, магния и меди, участвующих в упрочнении сплава при термической обработке, что повышает прочность сплава и выполненного из него изделия. Дополнительное упрочнение вносит дисперсная фаза Al (Sc, Zr), выделяющаяся при неизбежных технологических нагревах слитка. Добавка церия снижает окисляемость сплава, что позволяет снизить загрязненность сплава окисными включениями, повысив тем самым механические свойства сплава и выполненного из него изделия. Добавка бора совместно с титаном измельчает зерно в слитке, повышая тем самым прочностные и пластические характеристики сплава и выполненного из него изделия. Предлагаемое соотношение между содержанием магния и цинка обеспечивает благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии. Низкое и регламентированное с обеих сторон содержание водорода обеспечивает высокую деформируемость сплава при горячей обработке давлением, одновременно с этим снижается вероятность возникновения водородной пористости, что также положительно сказывается на механических свойствах сплава и выполненного из него изделия.
Из предлагаемого сплава могут быть изготовлены детали конструкций, для которых важным является снижение массы конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки. В предлагаемом изделии технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас. %:
Цинк
7,8-8,2
Магний
2,0-2,4
Медь
1,8-2,1
Скандий
0,1-0,17
Цирконий
0,1-0,14
Церий
0,0005-0,001
Титан
0,01-0,03
Бор
0,0005-0,001
Водород
0,05-0,3 см<sup>3</sup>/100 г металла
Алюминий и неизбежные примеси
Остальное,
в том числе:
железо в количестве
не более 0,12 мас. %
кремний в количестве
не более 0,11 мас. %
марганец в количестве
не более 0,02 мас. %
хром в количестве
не более 0,02 мас. %,
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.
Пример
Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия марки А85, цинка марки ЦО, магния марки Мг95, меди марки Ml, церия марки ЦеЭ-0, двойных лигатур алюминий-скандий, алюминий-цирконий, алюминий-титан и тройной лигатуры алюминий-титан-бор. Сплав готовили в электрической печи сопротивления и методом полунепрерывного литья отливали слитки диаметром 178 мм.
Химический состав сплава приведен в таблице 1.
В
0,2
Вуд
0,2уд.
В
0,2
Слитки гомогенизировали, резали на заготовки, которые затем обтачивали до диаметра 160 мм. Обточенные заготовки прессовали при 400°C на пруток диаметром 51 мм. Полученные прутки подвергали термической обработке (закалке и искусственному старению) по режиму: нагрев под закалку при 473°C, выдержка при этой температуре 2 ч, охлаждение в воде, старение при 125°C, 24 ч. Полученные прутки в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии подвергли испытаниям с определением плотности и механических свойств. Механические свойства (предел прочности σ, предел текучести σ, относительное удлинение δ) определяли при испытании на растяжение при комнатной температуре на стандартных разрывных образцах, вырезанных в продольном направлении. Характеристики удельной прочности (σ. и σ) определяли как отношение σ и σ к плотности. Также определяли плотность и механические свойства изготовленных тем же способом прутков из сплава-прототипа, химический состав которого приведен в таблице 1.
Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав обладает по сравнению с прототипом более высокими прочностными характеристиками и характеристиками удельной прочности. Применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала позволит на 5-7% снизить массу конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки и повышением характеристик весовой отдачи, что принципиально важно для высоконагруженных конструкций разового применения.