СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕГО
ALUMINUM-BASED ALLOY AND METHOD OF PRODUCING ARTICLE THEREFROM

Область техники
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически упрочняемым алюминиевым сплавам на основе системы алюминий-магний-кремний, используемых в различных областях промышленности, в том числе в качестве элементов строительных и декоративных конструкций, полученных методом прессования.
Уровень техники
Среди термически упрочняемых алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-кремний широкое применение получил сплав АД35 / 6082 (ГОСТ 4784), имеющий следующий состав, мас. %:
магний
0,6-1,2
кремний
0,7-1,3
алюминий
основа
железо
до 0,5
марганец
0,4-1,0
медь
до 0,1
цинк
до 0,2
хром
до 0,25
титан
до 0,10.
Данный сплав применяют в различных областях промышленности, в том числе в строительных и декоративных конструкциях, полученных методом прессования.
Недостатком данного сплава является склонность к расслаивающей и межкристаллитной коррозии.
Известен алюминиевый сплав 6ХХХ серии (патент RU № 2385359, С22С21/18, опубл. 27.03.2010), предназначенный для прессованных полуфабрикатов в качестве конструкционных материалов, полученный методом литья в заготовки с дальнейшим прессованием профилей, в том числе и труб для нефтегазовой отрасли. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочности, коррозионной стойкости и улучшенной технологичности предлагаемых сплавов. Предлагаемый сплав имеет следующий состав, мас. %:
магний
0,9-1,3
кремний
0,7-1,1
медь
0,8-1,7
марганец
0,2-0,6
хром
0,18 - 0,3
цинк
0,4-0,8
титан
0,01-0,03
молибден
0,0007 - 0,012
кальций
0,05 - 0,15
бериллий
0,00005 - 0,00015
алюминий и неизбежные примеси
остальное
Недостатком данного сплава является склонность к расслаивающей и межкристаллитной коррозии из-за высокого содержания меди.
Наиболее близким к предлагаемому сплаву по характеристикам и принятым за прототип является алюминиевый сплав 6ххх серии (патент RU № 2163939, С22С21/08, опубл. 10.03.2001) и способ производства полуфабрикатов из него. Технический результат данного изобретения заключается в повышении эксплуатационных характеристик изделия, что достигается за счет повышения коррозионной стойкости сплава. Указанный сплав на основе алюминия содержит, мас. %:
магний
0,3-1,2
кремний
0,3-1,7
медь
0,02-0,9
марганец
0,15-1,1
хром
0,02-0,9
цинк
до 0,3
титан
до 0,2
цирконий
0,02-0,9
кальций
0,002 - 0,1
железо
до 1,0
алюминий и неизбежные примеси
остальное
Предложенный способ получения полуфабрикатов включает приготовление вышеуказанного сплава, отливку слитков, отжиг слитков при 350 - 610°С в течение 1 - 20 ч, деформацию, термическую обработку на твердый раствор проводят при 500 - 550°С в течение 20 - 12000 с. В зависимости от геометрических размеров и качества поверхности конечного полуфабриката деформацию проводят либо только в горячую, либо в горячую и в холодную.
Недостатком данного состава является его склонность к межкристаллитной коррозии в искусственно состаренном состоянии. Кроме этого, наличие высокого содержания марганца, хрома и циркония приводит к выделению крупных интерметаллидов неблагоприятной формы в процессе кристаллизации, что, в свою очередь, снижает технологичность слитков из сплава при прессовании. Также, это приводит к снижению уровня механических, усталостных и коррозионных свойств в деформированных полуфабрикатах.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является разработка термически упрочняемого сплава на основе алюминия 6ХХХ серии для применения в элементах строительных и декоративных конструкций и получение прессованных изделий из него с повышенными показателями сопротивления межкристаллитной и расслаивающей коррозии с сохранением уровня механических свойств относительно сплава аналога.
Техническим результатом является получение прессованных изделий в виде профилей с повышенной коррозионной стойкостью с механическими свойствами на уровне алюминиевого сплава АД35/6082 за счет использования оптимального состава сплава с добавлением элементов, повышающих коррозионную стойкость и исключением элементов, понижающих ее. В результате полученные профили не склонны к межкристаллитной коррозии, а склонность к расслаивающей коррозии составляет 1 балл.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения достижение технического результата обеспечивается тем, что в сплаве на основе алюминия, содержащем магний, кремний, марганец, медь, железо, хром и титан, новым является то, что он дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
магний
0,80-1,10
кремний
0,85-1,20
марганец
0,20-0,40
медь
до 0,05
железо
до 0,20
цинк
до 0,10
хром
0,10-0,30
титан
0,06-0,10
индий
0,001 - 0,01
алюминий и неизбежные примеси
остальное.
солидус
В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к способу получения изделия из сплава на основе алюминия, включающем литье слитка из сплава, гомогенизацию слитка при температуре T-20 – 40 °C в течение 4 – 10 часов, прессование при температуре нагрева заготовки 420 – 490 °C с закалкой и правкой профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1%, с последующим искусственным старением при температуре 160 – 175 °C с выдержкой 8 – 12 часов с перерывом между закалкой и старением не более 24 часов.
о
В частных случаях выполнения заявленного способа, закалку проводят на столе пресса для профилей с толщиной стенки до 8 мм или в вертикальных закалочных печах для профилей с толщиной стенки более 8 мм, температура закалки составляет 520 – 540 С.
В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к изделию из сплава на основе алюминия, выполненному способом, который описан выше.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен профиль 1.
На фиг. 2 представлен профиль 2.
Осуществление изобретения
Содержание магния на уровне 0,80 – 1,10 мас. % и кремния на уровне 0,85 – 1,20 мас. %  обеспечивает необходимый уровень прочности при термической обработке. При содержании магния и кремния ниже заявленного, механические свойства сплава находятся на низком уровне. При содержании кремния выше 1,20 мас. % существенно снижается коррозионная стойкость. Превышение содержания магния свыше 1,10 мас. % снижает технологичность сплавов, а также снижает восприимчивость к термообработке сплава.
8
2
5
Наличие в сплаве марганца на уровне 0,20 – 0,40 мас. % способствует связыванию железа в фазу Al(Mn,Fe)Si, которая в значительно меньшей степени по сравнению с AlFeSi приводит к образованию дефектов в процессе прессования, а также вместе с хромом обеспечивает необходимый уровень механических свойств.
Содержание меди при концентрации до 0,05 мас. % и железа при концентрации до 0,20 мас. % обеспечивает высокий уровень коррозионной стойкости и исключает образование дефектов в виде нежелательных для прессования интерметаллидов.
Присутствие титана в количестве 0,06 - 0,10 мас. %, как модификатора зерна, гарантирует однородную мелкозернистую структуру в изделиях при соблюдении режимов термической обработки.
Содержание индия в сплаве повышает сопротивление коррозии за счёт ингибирования катодной реакции выделения водорода, по которой развивается коррозия в алюминии и его сплавах. При содержании индия ниже указанного предела, эффект не проявляется. При содержании индия выше 0,01 мас. % в структуре появляется чистый индий, вызывающий горячие трещины при прессовании.
солидус
В предложенном способе получения прессованных изделий проводят  гомогенизацию при температуре T-20 – 40 °C в течение 4 – 10 часов, что обеспечивает достаточную трансформацию и сфероидизацию железистых фаз без негативных изменений в структуре металла в виде укрупнения зерна. Гомогенизация до 4 часов не обеспечивает устранение последствий неравновесной кристаллизации слитка и трансформации железистых фаз, а больше 10 часов выдержки является не экономичным.
Прессование проводят при температуре нагрева заготовки 420 – 490 °C, чтобы обеспечить температуру металла на выходе из очка матрицы 520 – 540 °C. При превышении температуры металла 540 °C и при температуре металла ниже 520 °C механические свойства прессованных изделий снижаются. Указанный интервал температур гарантирует оптимальную степень пересыщения твердого раствора, что в свою очередь позволяет получить более высокие механические свойства профиля.
Упрочнение в процессе искусственного старения данного сплава обеспечивается максимальным обогащением твердого раствора и оптимальной скоростью охлаждения при закалке на столе пресса для профилей с толщиной стенки до 8 мм или в вертикальной закалочной печи для профилей более 8 мм и оптимальном режиме старения.
Упрочнение происходит из-за выделения растворенных компонентов в фазы, которые расположены в зернах в виде образований малого размера и повышают сопротивление материала деформации сдвига. Оптимальным режимом старения является 160 – 175 °C с выдержкой 8 – 12 часов. При температуре старения менее 160 °C концентрация выделений недостаточна для получения необходимого уровня свойств прессованных изделий и не является оптимальной ввиду низкой скорости прироста прочности, а при температуре старения выше 175 °C из-за перестаривания уровень свойств снижается, и температура также является не оптимальной. При этом перерыв между закалкой и старением не должен превышать более 24 часов, так как это приводит к снижению до 20 % прироста прочности при искусственном старении за счет выделения более грубых фаз.
Из предложенного сплава могут быть изготовлены различные прессованные изделия в виде профилей, например элементы строительных и декоративных конструкций.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1. В промышленной печи вместимостью 7,5 тонны были выполнены плавки следующего химического состава, мас. %, таблица 1:
Таблица 1.
№
Mg
Si
Mn
Cu
Zn
Ca
Fe
Cr
Ti
Zr
In
Al
1
0,80
1,20
0,40
0,01
0,025
-
0,10
0,17
0,09
-
0,01
осн.
2
1,10
0,90
0,30
0,04
0,05
-
0,15
0,30
0,10
-
0,008
осн.
3
0,95
0,85
0,40
0,05
0,028
-
0,13
0,20
0,06
-
0,001
осн.
4
0,87
0,98
0,20
0,015
0,10
-
0,20
0,10
0,10
-
0,01
осн.
Прототип
0,3-1,2
0,3-1,7
0,02-0,9
0,15-0,1
до 0,3
0,002 - 0,1
до 1,0
0,02-0,9
до 0,2
0,02-0,9
-
осн.
солидус
Методом полунепрерывного литья были отлиты цилиндрические слитки диаметром 125 мм и длинной 840 мм. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T-20 – 40 °C в течение 4 часов.
Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 1. Толщина стенки профиля составляет 6 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке на столе пресса. Далее осуществляли правку профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1 %. Искусственное старение профилей проводили при температуре 160 °C с выдержкой 8 часов с перерывом между закалкой и старением 10 часов.
солидус
о
Пример 2. Плавка и литье слитков проводили по примеру 1. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T-20 – 40 °C в течение 10 часов. Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 2. Толщина стенки профиля составляет 12 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке в вертикальных закалочных печах. Температура закалки в вертикальной закалочной печи равна температуре профиля на выходе из матрицы – 520 – 540 С. Правку осуществляли по примеру 1. Искусственное старение профилей проводили при температуре 175 °C с выдержкой 12 часов с перерывом между закалкой и старением 24 часа.
солидус
Пример 3. Плавка и литье слитков проводили по примеру 1. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T-20 – 40 °C в течение 6 часов. Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 1. Толщина стенки профиля составляет 6 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке на столе пресса. Правку осуществляли по примеру 1. Искусственное старение профилей проводили при температуре 165 °C с выдержкой 10 часов с перерывом между закалкой и старением 24 часа.
Пример 4. Плавка и литье слитков, гомогенизация, прессование, закалка и правка осуществлялась по примеру 2. Искусственное старение профилей проводили при температуре 170 °C с выдержкой 12 часов с перерывом между закалкой и старением 20 часов.
Механические свойства прессованных профилей после искусственного старения, полученные по примеру 1, 2, 3 и 4 приведены в таблице 2.
Таблица 2
Сплав
Предел прочности, МПа
Предел текучести, МПа
Относ. удлинение, %
МКК/РСК
1
320
280
13
Отсутствует /1 балл
2
330
290
12
Отсутствует /1 балл
3
325
285
12
Отсутствует /1 балл
4
325
285
12
Отсутствует /1 балл
Прототип
335
275
13
0,05 мм/-
Как видно из таблицы 2, достигнутый уровень механических свойств изделий в виде профилей, полученных по заявленному способу, находится на уровне прототипа, однако предложенные составы не имеют межкристаллитную коррозию, в то время как значение межкристаллитной коррозии прототипа составляет 0,05 мм. Кроме этого, предложенный состав также имеет минимальные значения РСК – 1 балл из 10.