ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ СИСТЕМЫ Al-Zn-Mg-Cu ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
HIGH-STRENGTH Al-Zn-Mg-Cu-SYSTEM ALUMINIUM-BASED WROUGHT ALLOY OF DECREASED DENSITY AND ARTICLE MADE THEREOF

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности в изделиях разового применения.
Цель изобретения - создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем удельной прочности за счет получения высоких прочностных характеристик и пониженной плотности.
Известен высокопрочный деформируемый термически обрабатываемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления деталей, использующихся в высоконагруженных конструкциях, например центрифугах, и содержащий, мас.%:
цинк
8,0-9,0
магний
2,3-3,0
медь
2,0-2,6
цирконий
0,1-0,2
титан
до 0,03
кремний
до 0,3
железо
до 0,4
алюминий
остальное
(ОСТ 190048-90).
Сплав рекомендовано использовать для высоконагруженных вращающихся деталей типа центрифуг или других изделий разового применения, требующих высокой прочности используемого материала.
3
Недостатком этого сплава является высокая плотность - 2,89 г/см, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам.
Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления силовых элементов планера самолета, отличающийся пониженной плотностью и хорошей технологичностью и содержащий, мас.%:
цинк
3,2-3,9
магний
4,2-5,0
медь
0,4-1,0
скандий
0,17-0,30
цирконий
0,07-0,14
титан
0,01-0,05
бериллий
0,0001-0,005
марганец
≤0,25
хром
≤0,10
железо
≤0,30
кремний
≤0,20
алюминий
остальное
3
при отношении содержания магния к содержанию цинка, равном 1,3, и содержании водорода в количестве 0,05-0,35 см/100 г металла (патент РФ 2468107, МКИ7 С22С 21/16, 2011 г.), прототип.
3
Сплав имеет пониженное значение плотности 2,71 г/см. Катаные листы из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают сравнительно высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной температуре, благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.
Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность прессованных полуфабрикатов, обусловленная химическим составом сплава.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, необходимыми для изделий разового применения.
Для решения этой задачи предлагается:
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, а также дополнительно содержащий церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3
скандий
0,07-0,15
цирконий
0,08-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,15
гитан
0,02-0,08
кремний
0,01-0,15
железо
0,01-0,15
водород
0,05-0,35 см<sup>3</sup>/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более
0,10
алюминий
остальное
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности следующего химического состава, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3
скандий
0,07-0,15
цирконий
0,08-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,15
титан
0,02-0,08
кремний
0,01-0,15
железо
0,01-0,15
водород
0,05-0,35 см<sup>3</sup>/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более
0,10
алюминий
остальное
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.
Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3
скандий
0,07-0,15
цирконий
0,08-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,15
титан
0,02-0,08
кремний
0,01-0,15
железо
0,01-0,15
водород
0,05-0,35 см<sup>3</sup>/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве, не более
0,10
алюминий
остальное
при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.
Отличием предложенного сплава является также низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,55.
Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют пониженную плотность и однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру с высокими прочностными характеристиками.
3
Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из этого сплава определяются двумя факторами. Во-первых, при предложенном содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих η- и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в структуре. Дополнительное упрочнение сплава обеспечивает дисперсоид из наночастиц фазы A(Sc,Zr). Эти частицы размером 5-20 нм выделяются из пересыщенного твердого раствора при гомогенизации слитка и сохраняют свою дисперсность в термически обработанном полуфабрикате. Их наличие само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, способствует появлению структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры.
Добавка церия позволяет снизить окисляемость расплава и снизить потери от угара, уменьшить загрязненность сплава окисными включениями и, как следствие, повысить механические свойства полуфабрикатов.
Технический результат - повышение удельной прочности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии, и, как следствие, повышение технических и экономических характеристик готовых конструкций.
Пример осуществления
Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 178 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 160 мм при температуре 400°C отпрессовали на полосу сечением 20×60 мм. Полученные полосы закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч и правили растяжением с остаточной деформацией 0,5%. Полосы искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.
В
0,2
Полученный материал с нерекристаллизованной структурой подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σ, предела текучести σ, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
3
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные характеристики при комнатной температуре и на 10-20 МПа см/г более высокие удельные прочностные характеристики.
Таблица 1
Химический состав сплавов (мас.%)
Сплав
Zn
Cu
Mg
Ti
Sc
Zr
Be
Ce
Si
Fe
Mn
Al
Предлагаемый
7,0
1,1
3,8
0,06
0,09
0,10
0,0004
0,05
0,10
0,12
0,03
ост.
Прототип
3,6
0,7
4,6
0,03
0,19
0,08
0,0005
-
0,05
0,06
0,11
ост.
Примечание. Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,30 см7100 г металла.
Таблица 2
Механические свойства изделий в продольном направлении в искусственно состаренном состоянии
Сплав
Свойства при 20°C
Удельная прочность
Плотность, г/см<sup>3</sup>
σ<sub>В</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
σ<sub>В, удельная,</sub> МПа см<sup>3</sup>/г
σ<sub>0,2, удельная, </sub>МПа см<sup>3</sup>/г
Предлагаемый
2,75
650
550
10
236,4
200,0
Прототип
2,71
580
520
12
214,0
191,9