ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
HIGH-STRENGTH ALUMINIUM ALLOY AND METHOD FOR ITS OBTAINING

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для изготовления прессованных, кованых и катаных полуфабрикатов, особенно с массивными сечениями, применяемым для нагруженных силовых деталей самолетов и ракет, грузовых и легковых автомобилей, морских и речных судов, сельскохозяйственной техники.
Развитие за последние 25-30 лет авиации, ракетной, космической и других областей техники потребовало новых более прочных материалов, дающих возможность создания легких и долговечных конструкций. Одними из основных конструкционных материалов остались алюминиевые сплавы, но качество их существенно повысилось. Их практическое применение показало, что можно значительно улучшить прочностные свойства алюминиевых сплавов, их вязкость, пластичность, сопротивляемость переменным нагрузкам, если по возможности снизить в них содержание примесей, неметаллических включений и растворенных в них газов (водорода), уменьшить размеры зерна и оптимизировать соотношения легирующих элементов в сплаве.
Малая плотность алюминиевых сплавов способствует образованию газовых раковин и пористости, так как газы легко проникают в металлическую среду и насыщают ее. Алюминий легко окисляется. Очищать расплав от шлака и окислов трудно. Шлак и окислы остаются в расплаве в мелкораздробленном виде во взвешенном состоянии, что в значительной степени влияет на качество сплава. Процесс обогащения расплава окисными включениями и насыщения водородом резко интенсифицируется, если на поверхности ванны расплава в процессе плавки происходит нарушение целостности окисной пленки. Рациональный подбор оборудования и технологических процессов, в частности вакуумирования, стабильно гарантируют значительное снижение в алюминиевых сплавах примесей, неметаллических включений и водорода, а также уменьшения величины зерна. Известны отражательные электрические печи (печи сопротивления), которые в настоящее время в основном используются в качестве миксеров. Данные печи позволяют минимизировать разрушение окисной пленки, находящейся на поверхности расплава, так как отсутствуют турбулентные движения на поверхности ванны расплава в процессе плавки, что, в свою очередь, препятствует поглощение водорода расплавом и препятствует попаданию отдельных частей окисной пленки в расплав. Несмотря на их низкую экономичность печи сопротивления, при определенных условиях, например, при высоких требованиях к качеству металла, целесообразно использовать в качестве плавильных агрегатов.
Уменьшение размера зерна в алюминиевых сплавах повышает как технологичность производства алюминиевых изделий, так и их эксплуатационные свойства. В последние годы все более распространенной практикой является оптимальный подбор лигатур (модификаторов) и технологии их введения в расплав для получения структуры металла с мелкими равноосными зернами.
Контроль соотношения легирующих элементов в расплаве позволяет ограничить образование вредных интерметаллических соединений в расплаве.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является высокопрочный сплав на основе алюминия (Патент РФ №2165995, МПК C22C 21/10, публ. 27.04.2001), следующего состава (мас.%):
Цинк
6,35-8,0
Магний
0,5-2,5
Медь
0,8-1,3
Железо
0,06-0,25
Кремний
0,01-0,20
Цирконий
0,07-0,20
Марганец
0,001-0,1
Хром
0,001-0,05
Титан
0,03-0,10
Бериллий
0,0001-0,05
по крайней мере, один элемент из группы щелочноземельных металлов:
Калий
0,0001-0,01
Натрий
0,0001-0,01
Кальций
0,0001-0,01
Алюминий
остальное
Данный химический состав сплава не гарантирует получения слитков с оптимальными размерами зерен и не учитывает опасности образования вредных интерметаллических соединений при критических соотношениях легирующих элементов, ограничивающих технологические и прочностные свойства сплава.
Известны способы плавки, рафинирования, дегазации и модифицирования алюминиевых сплавов (Литейное производство цветных и редких металлов, Курдюмов А.В. и др., М.: Металлургия, 1982 г., с.219-238) - прототип.
В данных способах не учитываются потенциальные возможности производства высокопрочных алюминиевых сплавов, позволяющие рациональным подбором технологических процессов и стандартного печного оборудования качественно повысить потребительские свойства сплавов при приемлемых экономических затратах.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание сплава с улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками, а также технологии, гарантирующей стабильное получение высококонкурентоспособных сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu на типовом металлургическом оборудовании.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является разработка сплава со стабильными свойствами и оптимальным размером зерна, доступного для промышленного производства без избыточно усложненного оборудования или технологий, на базе стандартного печного и технологического оборудования, способ гарантирует получение высокопрочных алюминиевых сплавов с отсутствием первичных интерметаллидов, пониженным содержанием в них неметаллических включений и растворенных газов (водорода).
Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочный сплав на основе алюминия содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Цинк
6,35-8,0
Магний
0,5-2,5
Медь
0,8-1,3
Железо
0,02-0,25
Кремний
0,01-0,20
Цирконий
0,07-0,20
Марганец
0,001-0,1
Хром
0,001-0,05
Титан
0,01-0,10
Бор
0,0002-0,008
по крайней мере, один элемент из группы щелочноземельных металлов:
Калий
0,0001-0,01
Натрий
0,0001-0,01
Кальций
0,0001-0,01
Алюминий
остальное
сплав дополнительно содержит 0,0001-0,05% бериллия, при этом сумма основных легирующих элементов (цинк, магний, медь) находится в пределах 8,5-11,0%, сумма циркония, марганца, хрома находится в пределах 0,1-0,35, а титан и бор образуют в сплаве мелкодисперсные кристаллы диборида титана.
Технический результат обеспечивается способом получения высокопрочного алюминиевого сплава, включающим загрузку и плавление компонентов шихты в отражательных печах, рафинирование расплава флюсом, последующую вакуумную обработку расплава в миксере и отливку слитков, плавление компонентов шихты осуществляют в отражательных электроплавильных печах сопротивления, вакуумную обработку расплава в миксере проводят при температуре 695-720°C в течение 45-90 минут, при этом не менее чем за час до перелива металла в вакуумный миксер по всей площади подины миксера распределяется лигатуру Al-Ti-B, миксер предварительно разогревают на 15-30°C выше температуры литья.
Добавление бора, который вводится в сплав в составе лигатуры алюминий-титан-бор (AlTiB), обеспечивает эффективное измельчение зерна алюминиевых сплавов за счет введения в расплав мелкодисперсных кристаллов диборида титана, служащих центрами кристаллизации. Ввод данной лигатуры приводит к улучшению механических свойств и уменьшению газовой пористости.
2
Легирующие элементы Zn, Mg, Cu оказывают наибольшее влияние на свойства сплава, и их рациональный подбор во многом определяет его прочностные и технологические свойства. Их суммарное содержание менее 8,5% не гарантирует получение сплава со стабильными свойствами, суммарное содержание легирующих элементов более 11,5% создает предпосылки для образования интерметаллидов, таких как AlCuMg (фаза S), что неблагоприятно влияет на пластичность, трещиностойкость и усталостную прочность.
Наличие циркония и хрома с одновременным ограничением марганца (суммарный заявленный диапазон 0,1-0,35%) обеспечивает наиболее благоприятные условия формирования и стабилизации сплава. Ограничение марганца вызвано тем, что марганец имеет малую скорость диффузии в алюминии, что приводит к образованию аномально пересыщенных твердых растворов и сильно выраженной внутридендритной ликвации. Марганец из-за малой скорости диффузии приводит к получению крупного рекристаллизованного зерна, размер которого можно уменьшить дополнительным легированием, в частности введением циркония и хрома, которые обеспечивают формирование и стабилизацию однородной структуры.
В целях уменьшения окисления при повышенных температурах и для улучшения текучести алюминиевый сплав дополнительно легируется бериллием в количестве 0,0001-0,05%.
Вакуумирование расплава в миксере проводят в температурном интервале от 695°C до 720°C для достижения наибольшего эффекта вакуумирования. Это связано с тем, что в алюминиевых сплавах часть водорода связана в гидриды легирующих элементов, имеющие наибольшую устойчивость при температурах 650-690°C. В температурном интервале от 695°C до 720°C происходит интенсивное разложение гидридов с выделением водорода. Вакуумирование при температурах ниже нижнего предела не обеспечивает необходимого результата. Превышение верхнего предела температурного интервала выше 720°C не рационально ввиду того, что перегревы расплава приводят к росту зерна в слитках в результате дезактивации модифицирующих частиц, что повышает склонность к горячим трещинам при литье и ухудшает технологичность слитков при обработке давлением.
Перед процессом вакуумирования в расплав вводят лигатуры Al-Ti-B, которая не менее чем за час до перелива металла в вакуумный миксер размещается по всей площади подины миксера (миксер предварительно разогревается на 15-30°C выше температуры литья), что позволяет нагретой лигатуре эффективно растворится в расплаве.
Введение лигатуры Al-Ti-B на стадии технологической операции вакуумирования сплава гарантирует равномерное растворение лигатуры при сохранении эффекта измельчения зерна производимого сплава. Эффект измельчения зерна сохраняется до 6 часов после ввода лигатуры, это, с одной стороны, существенно меньше времени отливки слитков, а с другой стороны, данный временной диапазон позволяет равномерно распределится лигатуре в объеме расплава.
Промышленная применяемость заявленного изобретения подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.
Для проведения экспериментов были отлиты по 3 слитка (прототип и предлагаемый сплав), в таблице 1 в п.1 дан усредненный химический состав сплава прототипа, в п.2 предлагаемого сплава.
Таблица 1
№ п/п
Химический состав, % мас.
Zn
Mg
Cu
Fe
Si
Zr
Mn
Cr
Ti
Be
B
K
Na
Ca
Al
1
6,7
2,02
1,2
0,18
0,08
0,15
0,05
0,03
0,06
0,0003
-
0,001
0,001
0,003
Основа
2
6,3
2,2
1,05
0,12
0,04
0,10
0,04
0,02
0,04
0,0002
0,0002
0,002
0,001
0,001
Сплавы были изготовлены по следующей технологии
1. Расчет шихты был проведен в соответствии с настоящим изобретением.
2. Взвешивание шихты и подача ее на печь.
3. Загрузка шихты, плавление, приготовление сплава, отбор проб на экспресс-анализ.
Приготовление сплава осуществлялось:
- прототипа в газовой отражательной печи;
- заявленного сплава в отражательных электроплавильных печах сопротивления САН-10.
4. Слив и рафинирование расплава.
Рафинирование расплава плавленым криолитсодержащим флюсом проводилось в литейном ковше.
5. Вакуумирование расплава.
Вакуумирование расплава проводится в вакуумных миксерах с целью снижения содержания водорода. Вакуумирование расплава, в среднем, продолжалось в течение 60 минут при температуре 700-720°C. Дополнительно, при изготовлении предлагаемого сплава, за час до перелива металла в вакуумный миксер по всей площади подины миксера, предварительно нагретого на 15-30°C выше температуры литья сплава, была равномерно размещена лигатура Al-Ti-B.
6. Приготовление к литью и отливка слитков.
Отливка слитков производится на установках полунепрерывного литья, состоящих из миксера и литейной машины, в кристаллизаторы скольжения.
7. Отбор проб на химический анализ.
8. Клеймение слитков.
9. Взвешивание отлитых слитков, шлака.
10. Гомогенизация слитков.
Гомогенизация слитков сплава проводится в шахтных электропечах сопротивления с принудительной циркуляцией воздуха.
11. Мехобработка слитков.
12. Макроконтроль, отбор образцов для определения содержания водорода и затухание ультразвукового сигнала.
13. Далее из слитков были изготовлены профили толщиной 80 мм.
14. Профили были подвергнуты термической обработке по следующему режиму: закалка - температура нагрева 470°C, время выдержки - 70 минут, охлаждение в воде; старение двухступенчатое по режиму 110-120°C, 12 час + 160-170°C, 6 час.
Прочностные свойства и вязкость разрушения сплавов определяли на стандартных образцах, в продольном (Д или ДП) и высотном (В или ВД) направлениях относительно направления волокна. Усредненные свойства представлены в таблице 2 (№1 - прототип, №2 - предлагаемый сплав).
Таблица 2
№ п/п
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
Kic, МПа√м
Д
В
Д
В
Д
В
ДП
ДВ
1
522
483
468
425
13,6
4,5
138
70
2
531
504
476
452
15,9
7,8
152
83
Качество металла слитка и профиля также подтверждается результатами исследований, приведенными в таблице 3 (№1 - прототип, №2 - предлагаемый сплав).
Таблица 3
№ п/п
Содержание водорода, см<sup>3</sup>/100 г
Загрязненность, мм<sup>2</sup>/см<sup>2</sup>
Коэффиц. затухания, дБ/см
Размер зерна слитка, мкм
Количество дефектов УЗК в профилях шт./погон.м
1
0,16
0,021
1,8
560
16
2
0,12
0,018
1,5
240
2
Способ рекомендуется применять для производства слитков деформируемых сплавов ответственного назначения, в частности используемых в авиакосмических технологиях.