ЛИГАТУРА ДЛЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
MASTER ALLOY FOR ALUMINUM ALLOYS

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении лигатур для легирования и модифицирования алюминиевых сплавов, содержащих цирконий и титан.
Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов нашли применение в современном авиастроении и аэрокосмической технике благодаря хорошему сочетанию механических, коррозионных и конструкционных свойств. В настоящее время для строительства летательных аппаратов широко используются деформируемые высокопрочные сплавы систем Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu-Mg, таких марок как 1933, 1973, В96Ц3пч, 1161. Эти сплавы обладают рядом преимуществ по конструкционным и эксплуатационным характеристикам в сравнении с традиционными сплавами, например В95пч и Д16ч. В химическом составе сплавов с повышенными характеристиками в качестве легирующих элементов совместно присутствуют переходные металлы: цирконий и титан, обладающие выраженным модифицирующим действием. При комплексном легировании алюминиевых сплавов цирконием и титаном, как правило, повышается температура рекристаллизации сплавов, увеличивается термическая стабильность полуфабрикатов с нерекристаллизованной структурой, уменьшается вероятность крупнозернистых структур. При литье алюминиевых сплавов цирконий и титан традиционно вводятся в расплав с помощью лигатур систем Al-Zr и Al-Ti (Al-Ti-B). Однако, как показывает производственный опыт, их использование связано с определенными проблемами в части получения мелкозернистой и однородной структуры по всему объему слитка. Причины кроются как в качестве самих лигатур, так и в технологии введения их в расплав. В процессе литья слитков из алюминиевых сплавов часть наследуемых от лигатуры интерметаллидов неполностью растворяется, что увеличивает вероятность образования крупных интерметаллидов в слитке и приводит к значительному ухудшению качества слитков и изготовленных из них полуфабрикатов в части появления объемных внутренних дефектов при последующей деформации. Кроме того, легирование цирконием и титаном посредством двух типов лигатур, используемых в качестве шихтовых материалов, требует значительных объемов их производства, что существенно увеличивает затраты на получение лигатур и, соответственно, слитков.
Известна лигатура на основе алюминия, содержащая (масс. %):
Медь
33-36
Марганец
1,5-2,5
Титан
0,7-1,7
Хром
0,7-1,3
Цирконий
0,3-0,6
Алюминий
остальное
(а.с. СССР №1138434, публ. 07.02.1985).
Недостатком известной лигатуры является наличие марганца и хрома, а также низкое соотношение циркония к титану, что значительно ограничивает область ее применения. Кроме того, лигатура имеет низкое содержание циркония и титана, что приводит к увеличению объемов ее потребления.
Известна лигатура для легирования и модифицирования алюминиевых сплавов с цирконием, содержащая (масс. %):
Цирконий
9-12
Алюминий
9-11
Медь
остальное
(Патент РФ №2026395, публ. 09.01.1995) - прототип.
Недостатком прототипа является высокое содержание меди, что требует наличия специализированного плавильного оборудования для получения сплава на медной основе. Кроме того, в составе прототипа отсутствует титан, что приводит к необходимости дополнительного его введения в расплав виде лигатуры Al-Ti. При этом легирование высокопрочных сплавов несколькими лигатурами приводит к повышенному содержанию кремния, тем самым изменяя регламентированное соотношение железа к кремнию, которое задано для повышения литейных свойств и возможности отливки крупногабаритных слитков в результате уменьшения их склонности к горячеломкости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка состава лигатуры, позволяющей повысить качество слитков из алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu-Mg с цирконием и титаном, а также уменьшить затраты на изготовление слитков.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются улучшение структуры слитков, снижение склонности к горячеломкости за счет уменьшенного содержания кремния, уменьшение объема шихтовых материалов и времени их приготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что лигатура для алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu-Mg, легированных цирконием и титаном, содержащая медь, цирконий, алюминий и неизбежные примеси, согласно изобретению лигатура дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Медь
27-33
Цирконий
3,5-4,5
Титан
0,5-2,0
Алюминий и неизбежные примеси
остальное.
2
В составе заявленной лигатуры содержатся цирконий и титан, являющиеся общими элементами для ряда сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu-Mg. Соотношение циркония и титана определено исходя из требований химического состава алюминиевых сплавов. Увеличение содержания циркония и титана в лигатуре сверх максимальных пределов значительно повышает температуру плавления лигатуры, что негативно отражается на качестве слитков в части количества и размеров интерметаллидов циркония и титана. Содержание циркония и титана ниже указанных минимальных значений приводит к увеличению расхода лигатуры. Для снижения температуры плавления лигатуры и улучшения растворимости элементов в алюминиевой матрице в состав лигатуры введена медь. Кроме того, содержание меди в указанном диапазоне минимизирует пористость и значительно увеличивает жидкотекучесть лигатуры за счет образования химического соединения алюминия и меди (CuAl). За счет высокой теплоемкости меди существенно уменьшается время приготовления лигатуры, по сравнению с известной, до 2 раз.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример конкретного выполнения.
Для приготовления лигатуры с целевым составом Al-30Cu-4Zr-1Ti использовали следующие шихтовые материалы: первичный алюминий 3N8, медь катодную М00к, отходы титанового сплава Вт1-0, цирконий йодидный. Шихту загружали в индукционную плавильную печь типа «АЯКС» и доводили расплав до температуры 1150°С. После чего осуществляли рафинирование расплава путем перемешивания и введения флюса, состоящего из криолита, хлорида натрия, хлорида калия. Далее производили снятие шлака и разливали в чушки массой 6 кг. Продолжительность плавки составила 40 минут.
Результаты определения химического состава полученной лигатуры приведены в табл.1.
Исследование лигатуры осуществляли металлографическим способом. Результаты анализа микроструктуры приведены в табл. 2.
Затем полученную лигатуру использовали при отливке плоских слитков из сплава 1973, предназначенных для изготовления прессованных профилей. Сплав приготавливали в электрической печи сопротивления. Для приготовления сплава потребовалось 1,4% полученной лигатуры от массы шихтовых материалов, в то время как по известной технологии требовалось 3,1-3,4% двойных лигатур Al-Ti и Al-Zr. Приготовленный сплав рафинировали в ковше плавленым криолитсодержащим флюсом. После рафинирования расплав переливали в миксер и вакуумировали в течение 45 минут. Из полученного сплава отливали плоские слитки с поперечным сечением 510×1200 мм. Отливку слитка производили на литейной машине с тросовым приводом. После отливки осуществляли гомогенизацию слитков по известным режимам. Химический состав сплава указан в табл. 3. Результаты исследования слитков приведены в табл. 4.
Из отлитых и фрезерованных слитков изготовлены крупногабаритные прессованные профили с площадью поперечного сечения 670 см. После прессования профили подвергались закалке, правке и искусственному старению. Качество профилей после ультразвукового контроля, испытаний механических свойств и металлографического анализа в полной мере соответствует нормативно-технической документации.
Полученные результаты исследования лигатуры, слитков и прессованных профилей показали, что использование предлагаемого изобретения позволяет улучшить качество слитков в части ограничения размера интерметаллидов, снизить склонность к горячеломкости, а также дает возможность уменьшить объем шихтовых материалов и сократить время их приготовления.