Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия
METHOD OF OBTAINING INGOTS FROM BORON-CONTAINING MATERIAL ON ALUMINIUM BASIS

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.
Предшествующий уровень техники
Материалы на основе алюминия (сплавы и композиты), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то что борсодержащие композиты достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием борсодержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.
4
Известны многочисленные способы получения борсодержащих материалов на основе алюминия с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения материала, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3ххх, 6ххх и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (ВС) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат. US 6602314 В1, опубл. 05.08.03). Данный способ производства материалов включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в конечном изделии.
2
2
Известен способ получения борсодержащего материала, описанный в патенте US 2008/0050270 A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученный расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°C, частицы диборида титана (TiB), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария. Данный способ позволяет получить в материале микроструктуру с дисперсными частицами фазы TiB, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако полное протекания этих фазовых превращений требует длительного времени, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс.
Известен многокомпонентный сплав на основе алюминия, содержащий диборид титана в количестве 0,5-20 мас.%, предназначенный для получения отливок и раскрытый в патенте RU 2556247 (опубл. 10.07.2015. Бюл. №19). Недостатком данного сплава является то, что он не предназначен для получения деформированных полуфабрикатов, в частности листов.
4
в
Известен также способ получения борсодержащего материала, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения ВС в жидкий расплав (Патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Существенным недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σ<100 МПа).
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения борсодержащего материала на основе алюминия, который раскрыт в патенте РФ 2538789 (опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Этот способ включает приготовление алюминиевого расплава, содержащего от 0,5 до 0,9% кремния, от 1,3 до 1,9% магния и от 0,2 до 0,4% меди, формирование в нем борсодержащих частиц с массовой долей от 4 до 8% при температуре от 850 до 930°C в течение 30-45 мин, литье слитков и их гомогенизацию.
в
0,2
Слитки, полученные по данному способу, предназначены для изготовления листов (толщина 2 мм), обладающих следующими механическими свойствами: σ>320 МПа, σ>300 МПа и δ>4%. Недостатком данного способа является то, что система легирования алюминиевой матрицы (типа АД33, ГОСТ 4784-97), не позволяет получить в деформированных полуфабрикатах прочность выше 350 МПа. Кроме того, слитки, полученные по данному способу, не предназначены для изготовления тонколистового проката (менее 0,3 мм).
Раскрытие изобретения
в
Техническим результатом является создание способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, который позволяет изготавливать из него листы, в том числе толщиной менее 0,3 мм, которые обладают высокими механическими свойствами: σ>380 МПа и δ>8%.
Технический результат достигается следующим образом.
12
Способ получения слитка из сплава на основе алюминия, содержащего бор, для изготовления листового проката, включает приготовление алюминиевого расплава, формирование в нем борсодержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава и его гомогенизацию. Готовят алюминиевый расплав, содержащий от 3,8 до 4,6 мас.% меди, от 2,3 до 2,7 мас.% магния и от 0,3 до 0,7 мас.% марганца, вводят в расплав бор в виде лигатуры в количестве, обеспечивающем в структуре слитка образование не менее 5 об.% борсодержащих частиц, формирование которых осуществляют при температуре расплава в пределах от 940 до 1000°С в течение 30-50 мин с получением в структуре слитка равномерно распределенных борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм, преимущественно в виде соединения AlB.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показаны слитки прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, на фиг. 2 показан тонколистовой прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, фиг. 3 и на фиг. 4 структура слитка борсодержащего материала на основе алюминия при различных увеличениях.
2
12
20
2
3
Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в слитках структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, способной в результате деформационно-термической обработки к дисперсионному упрочнению за счет формирования вторичных выделений фазы S'(метастабильная модификация фазы S-AlCuMg), и равномерно распределенных в ней борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм и объемной долей не менее 5 об.%. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание технологичности при обработке слитка давлением (в частности, прокатке) и эксплуатационных свойств деформированных полуфабрикатов (в частности, листов). Наличие боридных частиц (преимущественно в виде соединения AlB) в количестве не менее 5 об.% позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет не менее 2 мас.%). Для реализации такой структуры необходимо учитывать взаимодействие бора с элементами, входящими в расплав. В частности, часть магния переходит из расплава в твердые борсодержащие частицы. В результате, его количество расплаве снижается, что не позволяет получить в листах требуемую прочность, поскольку количество упрочняющих выделений фазы S' окажется недостаточным. Поэтому исходная концентрация магния в расплаве должна превышать его типичную концентрацию для сплавов типа Д16 серии (1-2 мас.%). Назначение марганца - сформировать в процессе гомогенизации слитков вторичные выделения фазы AlCuMn, которые являются эффективными антирекристаллизаторами, что способствует повышению прочности.
Нижние пределы по концентрации магния, меди и марганца выбраны с целью достижения необходимого уровня прочностных свойств, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке.
Верхний предел по среднему размеру борсодержащих частиц выбран с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности при получении тонколистового проката.
Примеры выполнения
ПРИМЕР 1
Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, которые приведены в табл. 1.
Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной лигатуры, в количестве, позволяющем получить в конечной структуре слитка объемную долю боридных частиц не менее 5 об.%.
Температуру расплава поддерживали около 970°С в течение 40 минут. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×80×200 мм. Далее слитки гомогенизировали при 500°С, а затем изучали их структуру.
Объемную долю борсодержащих включений (Qv) и их средний размер (d) определяли методами металлографического анализа по изображениям микроструктуры, полученным на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3. Идентификацию боридных частиц проводили методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-4.0-07.
в
Гомогенизированные слитки подвергали прокатке (сначала горячей, а затем холодной), получая листы толщиной 0,28 мм (Фигура 1, Фигура 2). Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 500°С в течение 1 часа, закалка в воде, старение при 180°С в течение 10 часов. Механические свойства листов, представленные в табл. 2, (предел прочности - σ и относительное удлинение - δ) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.
Как видно из табл. 2, только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает заданный уровень механических свойств листов. В способе №1 содержание меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве ниже заявленных пределов. Прочностные свойства листов, полученных по данному способу заведомо ниже 300 МПа. В способе №5 концентрации меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве выше заявленных пределов. Это привело к снижению технологической пластичности, в результате полученные листы имели многочисленные трещины, поэтому их механические свойства не определяли.
ПРИМЕР 2
Для экспериментального обоснования температуры и времени приготовления расплава было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего материала (табл. 3). Количество меди, магния, марганца и борсодержащей лигатуры, вводимых в расплав во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1). Температура расплава варьировалась в пределах от 850 до 1050°С, а время от 10 до 60 минут. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.
в
В способе №1 температура расплава ниже заявленного предела, что не позволяет полностью сформировать борсодержащие частицы. В результате значительная часть бора оказалась в шлаке и, как видно из табл. 3, в слитке его количество оказалось заниженным. Из-за недостаточной объемной доли борсодержащих частиц расчетное содержание бора в слитке, полученном по способу №1, заведомо ниже 2 мас.%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения. В способе №5 в течение длительного времени выдержки произошло формирование грубых борсодержащих частиц со средним размером более 50 мкм, что привело к снижению механических свойств при испытании на разрыв. Только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает высокие механические свойства (σ>380 МПа и δ>8%) и требуемое количество борсодержащих частиц с в структуре материала со средним размером менее 25 мкм (Фигура 3, 4).