УСТОЙЧИВЫЙ К ПОЛЗУЧЕСТИ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ТРУБ
CREEP-RESISTANT ALUMINIUM ALLOY FOR MULTILAYER TUBES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к изделию из алюминиевого сплава с низкой ползучестью, в частности к многослойным трубам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к алюминиевому сплаву с особенно высоким сопротивлением разрушению при ползучести (длительной прочностью), т.е. высоким сопротивлением внутреннему давлению при повышенной температуре. Поэтому такой алюминиевый сплав особенно подходит для применения в многослойных трубах, которые могут быть использованы в качестве санитарно-технических труб, труб отопления и т.д. в установках зданий. Изобретение также относится к многослойной трубе, имеющей внутренний и внешний слои, выполненные из пластика (полимера), и слой сердцевины, выполненный из алюминиевого сплава (т.н. металлопластиковым трубам), а также к способу изготовления изделия из такого алюминиевого сплава и применению такого алюминиевого сплава в многослойных трубах.
Предпосылки изобретения
В приведенном ниже описании при отсутствии иных указаний обозначения сплавов и обозначения состояний приведены в соответствии с обозначениями Алюминиевой Ассоциации (Aluminum Association) в Стандартах и данных по алюминию и регистрационных данных (Aluminum Standards and Data and the Designation Records), опубликованных Алюминиевой Ассоциацией в 2006 г.
Если не указано иное, для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все упоминания процентных величин приведены в процентах по массе.
Многослойные трубы, состоящие из совместно экструдированных полиэтиленовых или полипропиленовых труб с металлической сердцевиной, нашли многочисленные применения в строительной промышленности, например, в качестве санитарно-технических труб, труб отопления, газораспределительных труб и т.д., а также в других отраслях промышленности, таких как фармацевтическая, химическая или пищевая промышленности. По сравнению с пластиковыми трубами многослойные трубы, имеющие слой сердцевины из алюминиевого сплава, непроницаемы для кислорода, имеют высокую прочность и термостойкость, а также низкий коэффициент расширения. Такие многослойные трубы легко устанавливать, поскольку они могут быть согнуты и обрезаны до желательной длины на месте. Они также являются предпочтительными по отношению к трубам, выполненным только из металла, поскольку пластиковые внутренний и внешний слои улучшают коррозионную стойкость и служат в качестве шумового барьера. Они также дают экономию массы и имеют лучшую формуемость.
Такие многослойные трубы имеют внешний пластиковый слой, внутренний пластиковый слой и алюминиевый слой сердцевины для механической прочности и долговременной эксплуатации. Внутренний и внешний пластиковые слои обычно связаны с алюминиевой сердцевиной посредством внешнего и внутреннего адгезионного слоя соответственно.
Наиболее критическим свойством многослойных труб при их применениях в системах отопления и санитарно-техническом оборудовании является устойчивость к постоянному и действующему длительное время внутреннему давлению при повышенных температурах. Ее обычно проверяют при помощи стандартизированных испытаний внутренним давлением ASTM-F1281, ASTM-F1282 или DVGW-W542, во время которых трубу выдерживают при 30 бар и 95°С до ее разрушения. Из периода времени до разрушения можно экстраполировать ожидаемый срок службы трубы при условиях, встречающихся, например, в санитарно-технической системе здания, т.е. температуре 70°С при 20 бар. Высокая устойчивость к действующему длительное время внутреннему давлению является особенно важной, если металлический слой сердцевины должен сохраняться как можно более тонким и в случае труб с большими диаметрами.
Алюминиевые сплавы, используемые в настоящее время в качестве слоя сердцевины в многослойных трубах, представляют собой алюминиевые сплавы серии АА3003 и АА3005.
Алюминиевый сплав АА3003 имеет следующий химический состав в мас.%:
Si
<0,6
Fe
<0,7
Cu
от 0,05 до 0,20
Mn
от 1,0 до 1,5
Zn
<0,10
примеси
<0,05 каждой,всего <0,15,
алюминий
остальное
Этот алюминиевый сплав ранее использовался в многослойных трубах, поскольку он сравнительно недорог и имеет достаточную прочность. Однако он показывает недостаточно хорошие результаты при испытаниях на длительное воздействие давления.
В ЕР-1323839-А1 описан алюминиевый твердый припой, подходящий в качестве материала листов в рулоне, имеющий следующий состав в мас.%: Si от 0,7 до 1,2, Mn от 0,7 до 1,2, Mg <0,2, Fe <0,8, Zn <3,0, Ni <1,5, Cu <0,5, необязательно один или более элементов, выбранных из группы, включающей (Ti <0,20, In <0,20, Zr <0,25, V <0,25, Sn <0,25, Cr <0,25), примеси <0,05 каждой, всего <0,15, остальное - алюминий. Данный состав был выбран благодаря своему улучшенному 0,2%-ному условному пределу текучести после пайки по сравнению с традиционными твердыми припоями. Этот алюминиевый сплав также имеет хорошую коррозионную стойкость и повышенные допуски по примесным элементам. Устойчивость этого сплава к действующему длительное время давлению, необходимая для сварных многослойных труб, не испытывалась и не рассматривалась.
Поэтому существует потребность в алюминиевом сплаве для применения в многослойных трубах, который имеет повышенную устойчивость к постоянному и действующему длительное время внутреннему давлению, в идеале при повышенной температуре, составляющей, например, 95°С.
Описание изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить изделие из алюминиевого сплава с повышенной устойчивостью к действующему длительное время внутреннему давлению по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, используемыми в многослойных трубах. Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную многослойную трубу, имеющую выполненные из пластика внешний и внутренний слои и выполненный из алюминиевого сплава слой сердцевины.
Эти и другие цели и дополнительные преимущества достигаются или превышаются настоящим изобретением, в котором предложено изделие из алюминиевого сплава, в идеале в виде катаного изделия для сварной трубы, при этом такой алюминиевый сплав содержит в мас.%:
Si
от 0,2 до 1,4
Fe+Mn
от 1,1 до 1,8
Cu
от 0,15 до 0,5
Mg
<0,20
Ti
<0,20
Zn
<1,5
и другие примеси или случайные элементы <0,05 каждого, всего <0,2, а остальное составляет алюминий.
Такой алюминиевый сплав проявил прекрасную устойчивость к действующему длительное время давлению, поскольку он не разрушился в испытании на ползучесть ASTM-F1281 после более чем 100 часов при 95°С и внутреннем давлении 30 бар. Данный алюминиевый сплав также имеет значительный допуск по примесям. Для назначения этого изобретения изделие из данного алюминиевого сплава не имеет никаких металлических слоев.
Настоящее изобретение также выявило, что ползучесть может быть минимизирована, а значит, значительно повышена устойчивость к действующему длительное время давлению, если размер зерен невелик и большое число элементов присутствует в твердом растворе.
По сравнению со сплавом АА3003 содержание Si может быть относительно высоким для того, чтобы добиться желаемого сопротивления ползучести. Предпочтительный нижний предел содержания Si составляет примерно 0,85%, а более предпочтительный - 0,95%.
Однако содержание Si не должно быть слишком высоким, так чтобы солидус не был слишком сильно снижен и все еще была возможной гомогенизация для того, чтобы уменьшить конечный размер зерен. Это служит минимизации ползучести, а также повышению формуемости изделия и, следовательно, сгибаемости многослойной трубы со слоем сердцевины, выполненным из такого изделия из алюминиевого сплава. Поэтому верхний предел для Si составляет 1,4%, предпочтительно - 1,2%, а более предпочтительно - 1,05%. Требования к свариваемости также могут повлиять на выбор конкретного содержания Si.
Содержание Cu также выше по сравнению со сплавом АА3003 и служит улучшению устойчивости к действующему длительное время давлению. Общеизвестно, что Cu снижает коррозионную стойкость. Однако это не представляет угрозы для данного изобретения, поскольку изделие из алюминиевого сплава будет предпочтительно использоваться в качестве слоя сердцевины в многослойной трубе и поэтому будет защищено от коррозии внутренним и внешним пластиковыми слоями. Нижний предел для Cu составляет 0,15%, а более предпочтительно - примерно 0,20%, а верхний предел предпочтительно составляет 0,30%.
Fe и Mn также поддерживаются на относительно высоком уровне, а именно по меньшей мере 1,1%, но не на слишком высоком, чтобы избежать преждевременной кристаллизации крупных частиц во время литья, поэтому сумма Fe и Mn должно быть ограничена 1,8%. Точное содержание Fe и Mn подбирают исходя из требований конкретного применения к формуемости, коррозионной стойкости и свариваемости.
В одном варианте содержаний Fe и Mn содержание Fe составляет, например, в диапазоне от 0,20 до 0,8%, а предпочтительно - в диапазоне от 0,30 до 0,45%. При таком содержании Fe содержание Mn предпочтительно составляет в диапазоне от 0,7 до 1,15%, а более предпочтительно - в диапазоне от 0,90 до 1,15%. Более предпочтительный верхний предел содержания Mn составляет 1,10%.
В другом варианте содержаний Fe и Mn содержание Fe составляет в диапазоне от 0,90 до 1,30%, а предпочтительно - в диапазоне от 0,90 до 1,20%, в то время как содержание Mn предпочтительно составляет в диапазоне от 0,20 до 0,50%, а предпочтительно - в диапазоне от 0,30 до 0,50%.
Mg также может быть добавлен для того, чтобы улучшить такие свойства алюминиевого сплава, как относительное удлинение при разрыве и прочность на растяжение, и его содержание должно составлять менее 0,2%. Содержание Mg предпочтительно составляет в диапазоне от 0,05 до 0,10%.
Ti также может быть добавлен для улучшения прочности и коррозионной стойкости и предпочтительно находится в количестве от 0,11 до 0,16%.
Pb и Bi также могут присутствовать в качестве примесных элементов. Верхний предел суммы Pb+Bi предпочтительно составляет <0,05%, а более предпочтительно - <0,02%.
Содержание Zn существенно меньше, чем в известном из уровня техники алюминиевом твердом припое, описанном в ЕР-1323839-А1. Настоящее изобретение предусматривает верхний предел в 1,5%, предпочтительно - 0,50%, а более предпочтительно - 0,20%.
Zr предпочтительно не добавляется к алюминиевому сплаву по изобретению, но присутствует в качестве неизбежного примесного элемента на уровне <0,05%, а предпочтительно <0,02%. Таким образом, алюминиевый сплав предпочтительно может быть по существу свободен от Zr.
Cr предпочтительно не добавляется к алюминиевому сплаву по изобретению, но присутствует в качестве неизбежного примесного элемента на уровне <0,05%, а предпочтительно <0,02%. Таким образом, алюминиевый сплав предпочтительно может быть по существу свободен от Cr.
Согласно другому аспекту изобретения оно относится к гибкой многослойной трубе, имеющей слой сердцевины, выполненный из описанного выше и заявленного в формуле изобретения алюминиевого сплава, выполненный из пластика внутренний слой и выполненный из пластика внешний слой. Внутренний и/или внешний слои предпочтительно выполнены из полиэтилена (ПЭ), полипропилена или сшитого полиэтилена (ПЭС). Также могут быть использованы любые другие имеющиеся в продаже пластики (пластмассы), подходящие для использования в гибких трубах. Диапазон толщины алюминиевого сплава сердцевины обычно составляет примерно от 0,1 до 1,0 мм, предпочтительно - примерно от 0,15 до 0,6 мм. Для назначения данного изобретения изделие из алюминиевого сплава не имеет никаких металлических слоев; такой(ие) металлический(ие) слой (слои) обычно наносят, среди прочих, в листе твердого припоя для того, чтобы усилить антикоррозионные характеристики за счет обеспечения протекторной защиты сплава сердцевины и/или чтобы обеспечить присадочный металл, обычно сплав AlSi, для операции пайки твердым припоем.
В идеале алюминиевый слой сердцевины изготавливают в виде катаного листового изделия (продукта), которое(ый) затем подвергают гибке в форме трубы, а затем сварке по шву. Металлическая сердцевина может быть подвергнута сварке внахлёстку или сварке встык. Сварка может быть осуществлена различными способами сварки, включая сварку ультразвуком, сварку TIG (вольфрамовым электродом в среде инертного газа) и сварку лазером.
Изделие из алюминиевого сплава согласно изобретению может быть получено путем отливки слитка; гомогенизации и/или предварительного нагревания слитка после отливки; горячей прокатки слитка; холодной прокатки до конечной толщины; отжига холоднокатаного изделия при температуре примерно от 250°С до 550°С, предпочтительно при температуре примерно от 300°С до 400°С; необязательного растяжения и/или старения конечного изделия.
Изобретение также относится к применению описанного выше алюминиевого сплава в гибких многослойных трубах, имеющих выполненные из пластика внешний и внутренний слои и слой сердцевины, выполненный из изделия из алюминиевого сплава. Такая труба предпочтительно представляет собой санитарно-техническую трубу или трубу отопления зданий. При подобном применении многослойная труба может быть согнута, поэтому она является гибкой, и имеет длину в несколько метров, например от 4 до 50 метров или более в длину.
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе концевой части многослойной трубы 4 по настоящему изобретению, имеющей алюминиевый слой 10 сердцевины, внутренний слой 20 и внешний слой 30. Согласно данному изобретению алюминиевый сплав сердцевины не имеет никакого(их) металлического(их) слоя(ев).
Далее изобретение будет проиллюстрировано следующим неограничивающим примером.
Пример
Испытаниям были подвергнуты пять сплавов, указанных в таблице 1. Сплав А представляет собой сплав АА3003, сплав В представляет собой сплав АА8006, а сплавы С-Е представляют собой сплавы по изобретению. Основные отличия сплава С от сплавов А и В заключаются в повышенном содержании Si, Cu, Zn и Ti. Сплав D имеет, в частности, повышенное содержание Cu по сравнению со сплавом А. Сплав Е имеет, в частности, повышенное содержание Si и Cu по сравнению со сплавом B. Образцы сварных труб получали следующим образом.
Сплавы А-Е с химическим составом, указанным в таблице 1, отливали в слитки толщиной 500 мм традиционным способом литья в кристаллизатор с прямым охлаждением. Затем слитки гомогенизировали и необязательно предварительно нагревали до температур, указанных в таблице 2. После этого слитки подвергали горячей прокатке до толщины после горячей прокатки 3 мм. Горячекатаные изделия подвергали холодной прокатке до конечной толщины 0,25 мм. Перед конечным отжигом холоднокатаные изделия подвергали щелочному обезжириванию (щелочью). Холоднокатаные рулоны отжигали при температуре 400°С или 350°С. Затем рулоны разрезали на полосы шириной 66 мм и изготавливали из них сварные трубы с внутренним диаметром 16 мм. Шов сваривали встык (сплавы С, D, Е) или внахлестку (сплавы А и В).
Затем изготовленные таким образом трубы подвергали испытанию на длительное воздействие давления в соответствии с ASTM-F1281. В данном испытании образцы выдерживали при постоянной температуре 95°С и внутреннем давлении 30 бар. Полученные результаты представлены в таблице 3. Сплавы С, D и Е также были испытаны при более высоком внутреннем давлении, а полученные результаты представлены в таблице 4.
В таблице 3 также представлены результаты других испытаний, а именно предел прочности на растяжение (TS), предел текучести (YS) и относительное удлинение при разрыве А50 мм, измеренное согласно EN1002.
Как следует из представленных в таблице 3 результатов, сплав С согласно изобретению показал неожиданно намного более длительный срок службы в испытании внутренним давлением ASTM-F1281. Срок его службы более чем в 100 раз больше, чем у сплава В, представляющего собой сплав АА8006, который уже работает лучше, чем сплав А, представляющий собой сплав АА3003.
Предел прочности на растяжение у сплава С также выше, чем у каждого из сплавов А и В, а его предел текучести выше, чем у сплава А, хотя и не такой высокий, как у сплава В.
Сплав Е имеет вследствие более низкого содержания Si более низкий предел текучести, что является выгодным для формуемости, например, профилированием на роликовой листосгибочной машине. Однако он также имеет несколько более низкое удлинение.
Как следует из представленных в таблице 4 результатов, сплавы С, D и Е также имеют выгодный более длительный срок службы при более высоком давлении по сравнению с внутренним давлением 30 бар, представленным в таблице 3.
Было также установлено, что содержание Si играет важную роль в свариваемости алюминиевых сплавов. Сплав С имеет относительно высокое содержание Si и оказался очень хорошо свариваемым при соединении внахлестку и при сварке лазером на высокой скорости наложения сварного шва. Сплавы D и Е, напротив, имеют относительно низкое содержание Si по сравнению со сплавом С, и данные сплавы идеально подходят для сварки лазером на низкой скорости наложения сварного шва и для сварки TIG.
Такие высокие механические свойства, хорошие формуемость и свариваемость, а также высокое сопротивление разрушению при ползучести, т.е. высокая устойчивость к внутреннему давлению при высокой температуре, делают алюминиевый сплав согласно изобретению идеальным кандидатом на применение в гибких многослойных трубах.
Таблица 1
Составы сплавов в мас.% остальное - алюминий и неизбежные примеси
Сплав
Легирующий элемент
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Ti
Zn
A
0,19
0,49
0,07
1,08
0,01
0,02
0,01
B
0,13
1,34
0,02
0,39
0,01
0,02
0,02
C
0,98
0,43
0,25
1,10
0,06
0,11
0,10
D
0,21
0,57
0,18
1,02
0,03
0,01
0,02
E
0,33
1,27
0,25
0,37
0,07
0,01
0,04
Таблица 2
Параметры процесса
Сплав
Гомогенизация/предваритель-ный нагрев
Начало горячей прокатки Т
Окончание горячей прокатки Т
Конечный отжиг
A
600°C/14 ч + 500°C/5 ч
480°C
310°C
400°C
B
480°C/6 ч
440°C
310°C
400°C
C
600°C/14 ч + 500°C/5 ч
480°C
310°C
350°C
D
600°C/14 ч + 500°C/5 ч
480°C
310°C
350°C
E
600°C/14 ч + 500°C/5 ч
480°C
310°C
350°C
Таблица 3
Результаты испытаний
Сплав
Свойство
TS (МПа)
YS (МПа)
A50 (%)
Срок службы ASTM-F1281
Размер зерен (микрон)
A
115
46
33
5-15 мин
100
B
131
80
31
0,3-3 ч
100
C
137
56
26
1150 ч
100
D
126
54
30
>280 ч
-
E
121
57
20
-
-
Таблица 4
Срок службы согласно ASTM-F1281 при 95°С для различных внутренних давлений
Сплав
Срок службы в зависимости от внутреннего давления
35 бар
37 бар
42 бара
C
160 ч
-
-
D
-
-
>1 ч
E
-
>24 ч
-
После изучения всего вышеприведенного описания изобретения рядовому специалисту в данной области техники будет очевидно, что оно может быть подвергнуто множеству изменений и модификаций без изменения сущности или объема описанного здесь изобретения.