Сплав на основе алюминия для сварочной проволоки
ALLOYS BASED ON ALUMINUM FOR WELDING WIRE

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в качестве сварочной проволоки для сварки плавлением алюминиевых сплавов систем Al-Mg, Al-Zn-Mg и других.
Известен состав сварочной проволоки на основе алюминия (патент РФ №2393073) следующего химического состава (мас. %):
магний
5,5÷6,5
марганец
0,50÷0,80
цирконий
0,10÷0,20
скандий
0,25÷0,35
титан
0,02÷0,05
хром
0,10÷0,20
бор
0,004÷0,01
бериллий
0,002÷0,005
ванадий
0,005÷0,04
церий
0,01÷0,05
алюминий
остальное
причем суммарное содержание марганца, скандия, титана и циркония 0,95÷1,3.
Этот сплав предназначен для сварки сплавов системы Al-Mg-Sc, где он обеспечивает хорошее сочетание свойств сварного соединения и металла шва при комнатной температуре, однако, механические свойства металла шва, особенно для сплавов, не содержащих скандий, имеют недостаточно высокую пластичность при низких температурах.
Кроме того, производство тонкой сварочной проволоки из этого сплава требует значительное количество проходов при волочении и большого числа промежуточных отжигов.
Наиболее близких аналогом (прототипом) к заявляемому техническому решению является деформируемый сплав для сварки плавлением (патент РФ №2082808) следующего химического состава (мас. %):
магний
5,5-6,5
марганец
0,5-0,8
бериллий
0,0001-0,005
цирконий
0,05-0,25
скандий
0,36-0,55
хром
0,1-0,25
титан
0,01-0,05
алюминий
остальное.
Этот сплав обеспечивает хорошие значения прочности и пластичности металла шва сплавов системы Al-Mg при комнатной температуре, однако, пластичность материала шва снижается при низких температурах, что не позволяет использовать этот сплав для сварки конструкций, работающих при низких (криогенных) температурах, например, емкостей для хранения и перевозки сжиженного природного газа (СПГ). Кроме того, этот сплав также имеет низкую технологичность и требуется большое количество промежуточных отжигов при изготовлении тонкой сварочной проволоки.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание сплава на основе алюминия для сварки плавлением, обладающего хорошей технологичностью при изготовлении сварочной проволоки, а также позволяющего получать сварные соединения (металл шва) хорошо работающие при низких температурах, в том числе и у сплавов систем Al-Mg, Al-Zn-Mg, не содержащих в своем составе в качестве легирующего элемента скандий.
Техническим результатом изобретения является одновременное повышение прочности и пластичности металла шва при низких (криогенных) температурах, что обеспечивает снижение веса конструкций, повышение ресурса и надежности работы сварных конструкций, например, емкостей для хранения и транспортировки СПГ, а также снижение промежуточных отжигов при производстве сварочной проволоки, что повышает выход годного и снижает затраты на ее изготовление.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий магний, марганец, бериллий, цирконий, скандий, хром, титан, дополнительно содержит ванадий, никель, железо, кремний, бор, медь при следующем соотношении компонентов (мас. %):
магний
4,0-6,2
марганец
0,3-0,9
бериллий
0,0001-0,005
цирконий
0,06-0,25
скандий
0,06-0,28
хром
0,002-0,25
титан
0,008-0,16
ванадий
0,002-0,08
никель
до 0,1
железо
0,02-0,3
кремний
0,01-0,25
бор
до 0,02
медь
0,005-0,2
алюминий
остальное
при суммарном содержании скандия, циркония, хрома, железа не более 0,9 мас. %.
Магний и марганец в сплаве являются упрочнителями. За счет пластичной матрицы, представляющей собой, в основном, твердый раствор магния и марганца в алюминии, повышаются прочностные характеристики металла сварного шва и сварного соединения в целом. При содержании магния ниже 4% и марганца в предлагаемом сплаве менее 0,3% прочность сварных соединений снижается. При содержании марганца более 0,9% и магния более 6.2 снижается пластичность сварных соединений.
Известно, что цирконий, титан, хром, введенные только в малых количествах, способствуют измельчению структуры металла шва, повышению сопротивляемости к образованию кристаллизационных трещин. При содержании их более 0,25; 0.16; 0,25% соответственно снижается пластичность сварных соединений. А при содержание их меньше чем 0,06; 0,008; 0,002% соответственно увеличивается склонность к образованию горячих трещин.
Скандий, являясь эффективным модификатором, в количествах 0,06-0,28% способствует повышению прочностных свойств металла шва в сварных соединениях из алюминиевых сплавов.
При содержании скандия ниже 0,06% отсутствует эффект упрочнения, а при содержании более 0,28% снижется пластичность металла шва
Бериллий обеспечивает снижении окисляемости жидкого металла при сварке, при его содержании ниже 0,0001% его воздействие не эффективно, а при содержании более 0,005% он образует окислы, снижающие пластичность металла шва.
Ванадий, никель, железо, кремний и бор, при данном их сочетании образуют мелко дисперсные интерметаллиды, которые обеспечивают получение высокой технологичности при изготовлении проволоки и повышение прочности и пластичности при криогенных температурах. При содержании железа, никеля, кремния и бора ниже указанного содержания они не влияют на свойства металла шва, при содержании их выше указанного содержания происходит падение пластичности при криогенных температурах и снижение технологичности при изготовлении проволоки.
Медь способствует повышению коррозионной стойкости, прочности и пластичности металла шва, при ее содержании ниже 0,005% эффект повышения отсутствует, а при содержании более 0,2% повышается склонность к образованию горячих трещин.
Экспериментально установлено что суммарное содержание скандия, циркония, хрома, железа в сплаве не должно превышать 0,9%. Если он будет выше, то происходит снижение пластичности металла шва при криогенных температурах.
Таким образом, при данном сочетании элементов в процессе кристаллизации образуются мелкодисперсные выделения вторичных фаз переходных материалов, что способствует высокой прочности и пластичности металла шва при криогенных температурах. Данное сочетание элементов обеспечивает высокую технологичность материала в процессе производства из него проволоки, что снижает число необходимых промежуточных отжигов.
Пример осуществления изобретения.
С использованием алюминия марки А85 и А95, магния марки МГ90, лигатур алюминия со скандием, цирконием, хромом, титаном, ванадием, никелем и другими элементами готовили расплав и отливали слитки диаметром 120 мм из известного сплава (прототип) и предлагаемого сплава с минимальным, средним и максимальным содержанием легирующих элементов (Таблица 1).
После гомогенизации при температуре 460°С из слитков горячим прессованием получали пруток диаметром 8,5 мм. Далее путем холодного волочения с промежуточными отжигами получали проволоку диаметром 2 мм. Данные по количеству промежуточных отжигов, необходимых для получения проволоки диаметром 2 мм, приведены в таблице 2.
Данную проволоку использовали для сварки листов толщиной 5 мм из сплава системы Al-Mg марки АМг5. Полуавтоматическую аргонодуговую сварку стыковых соединений проводили плавящимся электродом за два прохода. Подготовку листов под сварку проводили механическим образом, использовали V-образную разделку кромок с общим углом раскрытия кромок 70 градусов.
Для сварки пластин после удаления выпуклостей шва вырезали плоские образцы, которые испытывали при температуре 25°С и -196°С. Определили предел прочности и относительное удлинение. Данные испытаний приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы 2, производство проволоки из предлагаемого сплава требует значительно меньшего количества отжигов и позволяет производить большие обжатия при волочении, что повышает производительность и снижает затраты на производство.
Из таблицы 3 видно, что предлагаемый сплав позволяет получать на 35÷110 МПа более высокую прочность металла шва и более, чем в два раза высокую пластичность металла шва при температуре испытания -196°С, это значительно повышает надежность и ресурс работы сварных конструкций при криогенной температуре и позволяет снизить их вес на 8-12%.
Примечание: приведены средние значения по испытаниям пяти образцов