Способ получения термически неупрочняемого конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния
METHOD OF PRODUCING THERMALLY NON-REINFORCED STRUCTURAL MATERIAL FROM ALUMINUM-BASED ALLOY WITH MAGNESIUM CONTENT

Изобретение относится к литейному и прокатному производству.
3
Существующие способы получения конструкционных материалов для транспортной промышленности базируются в целом на использовании традиционного метода получения слитков из сплавов на основе алюминия. Основные требования к конструкционным материалам для новой техники, особенно в авиастроении, в космической технике, судостроении, транспортном машиностроении состоят в необходимости иметь предел прочности 400-450 МПа, относительное удлинение 30-40% и плотность не выше 2,65 г/см, хорошую свариваемость, коррозионную стойкость.
В настоящее время нет сплавов, одновременно удовлетворяющих этим требованиям. Существующие литиевые сплавы, подходящие по плотности, не пригодны по прочностным, пластическим свойствам и из-за невозможности свариваться, остальные сплавы не применимы по аналогичным мотивам. Прокат из магниевых сплавов достаточно прочен, однако удовлетворение требованиям по плотности возможно лишь при содержании магния более 9%.
Прокат из сплавов АМг5 и АМг6 находит широкое применение в авиационной, судостроительной промышленности и производится по традиционной технологии Получение слитков из этих сплавов производится полунепрерывным способом. Исходя из этого существует естественный предел растворимости магния в матрице слитка. Избыток магния образует вокруг зерна блокирующую его хрупкую эвтектику, которая и определяет конечные пластические свойства слитка, сплава. Кроме этого наличие параболических фронтов кристаллизации приводит при поликристаллическом строении к отсутствию единой кристаллографической ориентации, то есть к различной пластичности по сечениям слитка как на макро-, так и на микроуровне. В целом, уровень пластичности по этой причине снижается, как минимум, вдвое. Следствием этого является низкая технологичность при прокате, что связано еще и с нестабильностью твердого раствора, с наличием крупных интерметаллидных фаз. Пластичность сплава характеризуется относительным удлинением до 4-6%, что явно не удовлетворяет требованиям промышленности. Их основными преимуществами являются высокая прочность при малой плотности, высокая коррозионная стойкость, доступность практически всех видов механической обработки и удовлетворительная свариваемость. Однако совершенствование сплавов этой системы сдерживается ограничением растворимости магния в алюминии. Практически 6% (диаграмма состояния дает цифру 7%) явилась верхним пределом приведшим к созданию известного сплава АМг6. Попытки увеличения процентного содержания магния в сплаве выше 6% приводит к появлению ликвации магния в процессе кристаллизация, что приводит к потере пластичности со всеми технологическими последствиями.
В настоящее время известен сплав на основе алюминия с содержанием магния (RU 2299924). Сплав при этом имеет следующий химический состав (вес. %):
Магний 9,0-11,0
Цирконий 0,15-0,2
Кобальт 0,01-0,001
Бериллий 0,001-0,02
Бор 0,005-0,007
Алюминий Остальное
В основу известного изобретения положена задача создания способа производства конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния до 15,5%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, который обеспечил бы повышение прочности, пластичности проката и повысил бы технологичность получения листового материала. Однако, данный сплав может быть улучшен по своим прочностным качествам и пластичности в части повышения удельной прочности при оптимизации химического состава путем увеличения содержания магния до 15%, совершенствованием процесса проката.
Также известен из RU 2380453, C22F 1/047, С22С 21/06, опубл. 27.01.2010 (принят за прототип) способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия, включающий кристаллизацию расплава для получения слитка, его термообработку и прокатку, для получения конструкционного материала из сплава с содержанием ингредиентов при следующих весовых соотношениях, %:
Магний 10,50-15,50
Марганец 0,05-0,10
Цирконий 0,01-0,15
Титан 0,09-0,15
Кремний и железо не более 0,08
Алюминий Остальное
Кристаллизацию производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 180-250, времени жизни расплава, равном 12-15 с/кг, скорости охлаждения не выше 5°C/с.
Термообработку и прокат производят по следующему алгоритму:
а) слиток, в зависимости от его размеров, нагревают для горячей прокатки в течение 2-4 часов при температуре 340-380°C;
б) при начальной температуре слитка 340-380°C производят его горячую прокатку до толщины 4-8 мм со степенью деформации в каждом цикле до 30%. Окончательная температура подката должна находиться в пределах 310-330°C;
в) далее производят холодную прокатку подката со степенью деформации в каждом цикле до 50% с промежуточными отжигами в течение 0,5-2,0 часов при температуре 310-390°C до требуемых толщин 0,5-2,0 мм;
г) производят окончательный отжиг проката в течение 5-40 минут при температуре 400-450°C.
Проведенные авторским коллективом научные исследования и проведение ряда опытных плавок и получение проката различных толщин обнаружили многочисленные недостатки данного метода, значительно снижающие технологичность, неполное использование имеющихся возможностей, прямо влияющих на служебные свойства полученного проката и технологичность способа в целом. В частности: игнорируется факт значимого увеличения величины разделительной диффузии в процессе центрифугирования расплава в кристаллизаторе при значениях гравитационного коэффициента 200 и более, что приводит к значимой разнице химического состава сплава по радиусу отливки: более тяжелые ядра центробежной силой вытесняются на внешнюю часть отливки.
Провозглашенное увеличение % содержания магния в сплаве до 15%, хотя и улучшало плотность материла, но в силу снижения итоговых служебных характеристик сплава и технологичности прокатки листового материала различной толщины признано авторами нецелесообразным.
Структура получаемых отливок, результаты прокатов листов материала различной толщины сделали очевидным несоответствие химического состава Сплава применяемым технологиям кристаллизации отливок и режимам проката.
Технологии проката, предлагаемые в патенте, принятом за прототип в ряде позиций трудно реализуемы, а по ряду позиций вообще спорны. Новейшие наши исследования процессов проката показали, что в целом значимым является только первый проход при горячей прокатке, где действительно при уменьшение деформации на величину менее 25% приводило к растрескиванию, величина деформации в дальнейших проходах не влияло на качество проката. Требование получать 30% деформации в каждом проходе при горячем прокате и 50% при холодной прокатке сегодня представляется не обоснованным и экономически не приемлемым (происходит разрыв молекулярных связей). Требует уточнения требование к термодинамическим характеристикам центрифугального кристаллизатора, который должен обеспечить скорость охлаждения расплава залитого в него со скоростью не более 5°C/с.
Изобретение направлено на достигается технического результата, заключающегося в повышении служебных свойств конструкционного материала из сплава алюминия с высоким содержанием магния за счет повышения структурной однородности сплава и исключения разрушения молекулярных связей при прокате.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения термически неупрочняемого конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния, содержащего следующие ингредиенты в мас. %:
магний 9.50-10.50
титан 0,01-0,03
бериллий 0,0001-0,005
цирконий 0,05-0,12
скандий 0,18-0,3
марганец 0,3-0,6
никель 0,01-0,05
кобальт 0,01-0,05
алюминий - остальное,
и примеси, включающие железо и кремний, не превышающие 0.08 мас. %, заключающемся в проведении кристаллизации расплава во вращающемся кристаллизаторе при гравитационном коэффициенте равном 120-180, при времени жизни расплава, равном 10-14 с/кг, и скорости направленного радиального охлаждения в кристаллизаторе не выше 8°C/с, извлеченный из кристаллизатора слиток сначала нагревают в течение 2-4 час при температуре 340-380°C, затем при этой температуре проводят его горячую прокатку до толщины 6 мм за 10-12 проходов со степенью деформации в первом проходе не менее 25% от первоначальной толщины слитка и окончательной температурой подката в пределах 310-330°C, а затем производят холодную прокатку до необходимой толщины проката за 12-14 проходов с окончательным отжигом при температуре 440°C в течение 45 мин и с последующим остыванием на воздухе.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Для лучшего понимания изобретения приведена иллюстрация, на которой на фиг. 1 приведена зависимость относительного переохлаждения от коэффициента гравитации Kg.
Предлагаемые авторами подходы к технологии кристаллизации позволяют значительно продвинуться в направлении повышения концентрации магния в алюминии, получив новые рецептуры деформируемых сплавов, а также улучшить служебные свойства алюминий-магниевых сплавов существующих рецептур.
Серия опытов показала, что для достижения наилучших параметров направленной кристаллизации термодинамические характеристики центрифугального кристаллизатора должны обеспечивать радиальное направленное охлаждение от внешней стороны к внутренней. В противном случае бессистемные дугообразные фронты локальной кристаллизации негативно отражаются на процессе формирования плоского фронта кристаллизации от внешнего радиуса к внутреннему.
Предлагаемый способ получения термически неупрочняемого материала из сплава с содержанием магния 9,50-10,50% и получения листового проката из него, основан на использовании новых физических явлений, сопровождающих кристаллизацию расплавов в мощных гравитационных полях центрифуг. В целом, воздействие таких полей сводится к следующему:
а) утрируются диффузионные процессы в любых многокомпонентных расплавах, что приводит к получению твердых растворов типа внедрения-замещения с минимальным выделением эвтектики. Причем, все-таки сформировавшаяся эвтектика минимизируется по объему и коагулируется в разобщенные образования, не блокирующие зерно матрицы;
б) отливка, слиток даже при поликристаллическом строении имеет доминирующую кристаллографическую ориентацию в заданном направлении, составляющую не менее 80-85% от всех возможных ориентировок.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу по созданию конструкционного материала на алюминиевой основе с содержанием магния в пределах 9,50-10,50 и проката из него.
Предлагаемый согласно изобретению способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния на стадии получения слитка реализуется во вращающемся кристаллизаторе, конструкция которого зависит от требуемой формы слитка и его массы. При этом теплофизические условия кристаллизации определяются определенным образом выполненной конструкцией футеровки и кристаллизатора.
Заявляемый согласно изобретению способ осуществим во вращающемся кристаллизаторе, обеспечивающем следующие условия:
- для получения оптимальной структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуге гравитационным коэффициентом, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равным разнице оптимального значения переохлаждения и интервалом метастабильности роста, которая определяется выражением:
где
А, В, L, М - технические параметры (коэффициенты), из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения A, L, М определяются физико-химическими характеристиками металлов;
Kg - гравитационный коэффициент;
Т - температура кристаллизации;
ΔТ° - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.
Числовые значения технических параметров-коэффициентов A, L, М для разных металлов следующие:
В этой связи авторы в ходе проведенных аналитических и экспериментальных исследований определили детерминированную зависимость AT от Kg (фиг. 1).
Геометрически зависимость (1) представляет собой для всех металлов возрастающую гиперболу с увеличением Kg.
Таким образом, используя приведенный физический механизм влияния силового поля на кристаллизующийся сплав, можно отметить три важных обстоятельства:
- во-первых, гравитационный коэффициент идентичен в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения, что обеспечивает абсолютно плоские фронты кристаллизации (ФК);
- во-вторых, воздействие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава;
- в-третьих, наличие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению интервала метастабильности.
Кроме того важным параметром в основе изобретения стоит аналитически рассчитанный и экспериментально подтвержденный эффект влияния гравитационных полей на кристаллизирующийся расплав с точки зрения ориентации кристаллографических осей решетки.
Для анализа складывающейся кристаллографической ориентации затвердевающего расплава в любых силовых полях проникающего типа (гравитационные, ультразвуковые и т.д.), ее необходимо рассмотреть в динамике усилия, действующего на зародыш, а затем и на кристаллит (зерно) в расплаве при наличии внешнего поля неравномерно-распределенной силы F(XK, П). Опуская расчеты, приводим главный вывод, из которого следует, что для всех металлов, кроме молибдена, для которого S11-S12-S44/2<0, величина 1/Ех имеет минимум для плоскости (III). Таким образом, направление (III) при его совпадении с вектором действия силы F(XK, П) должно быть предпочтительнее всех остальных. Этот вывод позволяет однозначно признать тот факт, что заторможенный в расплаве кристаллит ориентируется в направлении действия F(XK, П) независимо от типа расплава и исходных предпосылок к росту осями (III).
Заторможенный кристаллит - это выросший, искаженный из сферической формы зародыш в почти эллипсоид, присоединенный к ячеистому фронту кристаллизации.
Направление абсолютного минимума упругой энергии решетки - это максимально удобная ситуация для последующей деформации твердого тела с минимумом внешних усилий со стороны, например, прокатного стана. Это особенно важно в данном случае с пересыщенным твердым раствором магния в алюминии, так как данный сплав обладает повышенной прочностью.
Найденный в данном изобретении способ получения термически неупрочняемого конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния и получением листового проката из него отличается от способа принятого за прототип, следующим:
- тем, что содержание магния в сплаве оптимизировано в пределах 9,50-10,50 мас %.
- тем, что дополнительно в химический состав сплава введены дополнительные элементы: скандий, кобальт и никель, при этом бор из сплава удален.
- тем, что в процессе кристаллизации во вращающемся роторе кристаллизатора с целью снижения химической неоднородности слитка, снижения последствий разделительной диффузии, гравитационный коэффициент процесса снижен менее 180.
- тем, что термодинамические параметры центрифугального кристаллизатора должны обеспечивать направленное, радиальное охлаждение залитого в кристаллизатор расплава.
- тем, что выявлено оригинальное влияние первого прохода при горячей прокатке и установлена ее граница - 25% толщины за один проход.
Доказана возможность экономичной прокатки при горячей и холодной прокатки после первой горячей прокатки, которая и определяет стабильность дальнейшего прокатного процесса.
Данный способ был многократно проверен, и согласно его рекомендациям было изготовлено несколько сотен килограмм проката толщиной 2 мм, 1 мм, 0,5 мм, 0,1 мм Плавка слитков под прокат велась в индукционной печи. В печь по мере расплавления закладывались чушки алюминия, после полного расплавления и разогрева расплава до 850°C вводился бериллий, а затем магний. Затем бинарными лигатурами вводились цирконий, скандий, марганец и кобальт. Контролировался процент содержания железа и кремния. Интенсивного шлакообразования при этом не наблюдалось. Из ковша футерованного изнутри пластинами графита, расплав заливался в кристаллизатор центрифуги. Кристаллизатор так же изнутри был выложен пластинами графита и предварительно прогрет газовой горелкой до 300°C (ориентировочно). Кристаллизация шла 6-7 мин. при скорости вращения 800 об/мин. После этого кольцевой слиток размерами 600×32025 см был механически обработан на токарном станке и разрезан на 4 равных сегмента.
Разгибка:
Нагрев в вентиляторной электропечи до 350°C, выдержка 3 часа, разгибка на 630 тн в гидравлическом прессе.
Гомогенизация:
440°C, выдержка 16 час, остывание на воздухе.
Горячая прокатка:
Нагрев до 350°C, выдержка 3 час, прокатка до 6 мм за 10-12 проходов.
Отжиг: 380°C, выдержка 2 час, остывание на воздухе.
Холодная прокатка:
Получение 2 мм проката: прокатка от 6 мм до 2 мм за 12-14 проходов.
Получение 1 мм проката: прокатка от 6 мм до 3 мм за 10-12 проходов, отжиг при 370°C в течение 50 мин с последующим остыванием на воздухе, затем прокатка до 1 мм за 12-13 проходов.
Получение 0,5 мм проката: прокатка от 6 мм до 3 мм за 10-12 проходов, затем отжиг при 370°C в течение 50 мин, остывание на воздухе, последующая прокатка до 1 мм за 12-13 проходов с последующим отжигом при 370°C в течение 15 мин и остывание на воздухе, затем прокатка до 0,5 мм за 8-10 проходов.
Окончательный отжиг:
При толщине 2 мм: 420°C в течение 40 мин с последующим остывание на воздухе.
При толщине 1 мм: 440°C в течение 25 мин с последующим остыванием на воздухе.
При толщине 0,5 мм: 440°C в течение 10 мин с последующим остывание на воздухе.
Полученный прокат был исследован в лабораторных условиях. Установлено, что при соблюдении заявляемых параметров полученный сплав с содержанием магния 9,50-10,50% легче широко применяемых сплавов и обладает заметно лучшими служебными свойствами, что позволяет существенно влиять на массогабаритные, прочностные и антикоррозионные характеристики образцов техники, изготовляемых из нового материала. Более того, существенно удешевляется процесс проката.
Полученный по предлагаемой технологии из предлагаемого сплава прокат с 10% содержанием магния обладал пределом прочности 400-420 мПа и пластичностью 30-34%. При концентрации магния в опытных плавках от 9,80 до 12,20% получение большей удельной прочности, примерно на 10%, по отношению к существующим сплавам, обеспечивается за счет оптимизации химического состава сплава, величиной зерна и единообразно упорядоченной кристаллографической ориентации при кристаллизации найденным способом. Применение скорости охлаждения не выше 8°C/с позволяет структурировать зерно по величине и обеспечить однородность сплава.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть реализовано с использованием вращающегося кристаллизатора, представляющего собой известное устройство, а результат достигается изменением условий получения сплава. Настоящее изобретение может быть использовано для получения из сплава с 9,50-10,50% магния конструкционных материалов практически любой толщины. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при производстве проката для конструктива в авиационной, космической, судостроительной и автомобильной промышленности.