СВЕРХПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО
HIGH-STRENGTH HEAT-TREATABLE ALUMINIUM ALLOY AND ARTICLE MADE THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде штамповок, труб или другом виде для использования в газовых центрифугах, компрессорах низкого давления, вакуумных молекулярных насосах и в других сильно нагруженных изделиях, работающих при умеренно повышенных температурах.
Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu марки В93КЦ (1993), используемый в виде деформированных полуфабрикатов в тяжело нагруженных изделиях и имеющий следующий химический состав, масс.%:
Цинк 6,5-7,6
Магний 1,6-2,2
Медь 0,8-1,2
Цирконий 0,1-0,25
Кобальт 0,05-0,15
Алюминий остальное. Аналог.
ОСТ 1-92014-76.
Сплав В93КЦ (1993) обладает хорошим сочетанием служебных и технологических характеристик, но прочностные свойства этого сплава недостаточно высоки как при комнатной, так и при умеренно повышенных температурах.
Известен алюминиевый сплав Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, масс.%:
Цинк 6,6-7,4
Магний 3,2-4,0
Медь 0,8-1,4
Скандий 0,12-0,30
Цирконий 0,06-0,20
Титан 0,01-0,07
Молибден 0,01-0,07
Никель 0,35-0,65
Железо 0,35-0,65
Кремний 0,10-0,30
Алюминий - остальное. Прототип.
(Патент РФ №2442037 от 27 апреля 2012 г.)
Известный сплав обладает пониженной плотностью, высокой прочностью при комнатной и умеренно повышенных температурах, однако пластические и технологические свойства сплава невысоки.
Целью изобретения является создание высокопрочного конструкционного сплава на основе алюминия, обладающего высокой прочностью при комнатной и умеренно повышенных температурах (не ниже, чем у известного сплава), и одновременно имеющего удовлетворительную пластичность и технологичность в металлургическом производстве.
Предлагается сплав на основе алюминия следующего химического состава, масс.%:
Цинк 6,6-7,4
Магний 3,2-4,0
Медь 0,8-1,4
Скандий 0,12-0,30
Цирконий 0,06-0,20
Бериллий 0,0001-0,005
Кобальт 0,05-0,15
Никель 0,35-0,65
Железо 0,25-0,65
Алюминий - остальное.
Предлагаемый сплав отличается от сплава прототипа тем, что он дополнительно содержит бериллий и кобальт при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Цинк 6,6-7,4
Магний 3,2-4,0
Медь 0,8-1,4
Скандий 0,12-0,30
Цирконий 0,06-0,20
Бериллий 0,0001-0,005
Кобальт 0,05-0,15
Никель 0,35-0,65
Железо 0,25-0,65
Алюминий - остальное.
Технический результат - повышение пластических свойств готовых полуфабрикатов и улучшение технологичности в металлургическом производстве: улучшение литейных свойств и технологической пластичности, повышение прокаливаемости. При этом полностью сохраняются все достоинства известного сплава: пониженная плотность, повышенные прочностные характеристики при комнатной и умеренно повышенных температурах.
3
9
9
Предлагаемый сплав, благодаря повышенной технологической пластичности, позволяет без проблем получать любые виды деформированных полуфабрикатов (кованных, катаных, прессованных) со стабильной некристаллизованной структурой вследствие присутствия дисперсных вторичных частиц фазы Al(Sc, Zr), тормозящих рекристаллизацию. Присутствие также в структуре сплава частиц фазы AlFe, Ni эвтектического происхождения, модифицированных добавками циркония и кобальта, способствуют достижению более высоких прочностных свойств у всех видов полуфабрикатов при комнатной и умеренно повышенных температурах. И самое главное, компактная форма модифицированных частиц AlFe, Ni обеспечивает заметный рост пластических характеристик готовых полуфабрикатов по сравнению с пластическими свойствами известного сплава.
Пример. Методом непрерывного литья были получены слитки диаметром 92 мм двух сплавов: известного сплава среднего химического состава и предлагаемого сплава среднего состава. Фактический химический состав сплавов представлен в таблице 1 (вес.%).
Таблица 1.
Сплав
Zn
Mg
Cu
Sc
Zr
Ti
Mo
Ni
Fe
Si
Известный
7,1
3,5
1,05
0,21
0,12
0,03
0,02
0.55
0.53
0.21
Предлагаемый
7,0
3,6
1,1
0,22
0,11
Be 0,001
Со 0.11
0.57
0.47
0.09
Слитки гомогенизировали по сокращенному ступенчатому режиму и затем механической обработкой получали заготовки ⌀80×80 мм, которые ковали по второй схеме на галеты ⌀120×35 мм. Галеты закаливали в воде и искусственно старили.
Во время литья слитков из известного и предлагаемого сплавов было зафиксировано, что предлагаемый сплав допускает более высокие скорости литья, а поверхность слитков более ровная, с меньшими ликвационными наплывами вследствие повышенной жидкотекучести расплава. После гомогенизационного отжига поверхность слитка из известного сплава заметно потемнела из-за окисления в отличие от слитка из предлагаемого сплава, поверхность которого потемнела заметно меньше.
При ковке заготовок оба сплава (известный и предлагаемый) продемонстрировали достаточно хорошую технологическую пластичность, но трещины на поверхности окружности галет из предлагаемого сплава были менее глубокие, чем трещины на поверхности кромки галет из известного сплава, что свидетельствует о более высокой технологической пластичности при ковке предлагаемого сплава.
в
02
Были проведены испытания на растяжение закаленных и искусственно состаренных галет: с определением σ, σ, δ при комнатной и повышенных температурах. Для понимания полученных результатов проводили структурные исследования.
В таблице 2 представлены результаты испытаний на растяжение термически упрочненных галет при комнатной температуре и значения рассчитанной теоретически плотности.
Таблица 2
Свойство, единица измерения
Направление вырезки
Известный сплав
Предлагаемый сплав
Квота преимуществ, %
Плотность, г/см<sup>3</sup>
-
2,82
2,82
-
Временное сопротивление, МПа
Хордовое
661
684
3,4
Радиальное
657
686
4,4
Предел текучести, МПа
Хордовое
632
643
1,7
Радиальное
628
648
3,2
Относительное удлинение, %
Хордовое
2,7
4,6
70
Радиальное
2,5
4,4
76
Ударная вязкость, кгм/см<sup>2</sup>
Хордовое
0,8
1,2
50
Радиальное
0,7
1,1
57
Предлагаемый сплав обладает такой же низкой плотностью, как и известный сплав, не уступает по прочности известному и, самое главное, имеет значительно более высокие характеристики пластичности: более высокие значения относительного удлинения и ударной вязкости.
При повышении температуры испытания прочностные преимущества предлагаемого сплава сохраняются (табл.3).
Таблица 3
Механические свойства галет в хордовом направлении при температуре испытания 150°С
Сплав
Известный сплав
Предлагаемый сплав
Квота преимуществ, %
σ<sub>в</sub>, МПа
511
530
4
σ<sub>02</sub>, МПа
501
521
4
δ, %
4,1
6,9
68