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

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 прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном удлинении в поперечном и по толщине направлениях.
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 при эксплуатации изделий.
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, МКИ 7 C22C 21/16, 2011 г.).
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.
Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, что необходимо для изделий разового применения, содержащий, 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
Мn, 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
(патент РФ 2514748, МКИ 7 C22C 21/16, 2013 г. - прототип).
3
3
Прессованные профили из этого сплава плотностью 2,80 г/см с площадью поперечного сечения 46 см имеют нерекристаллизованную структуру и высокие механические свойства в долевом направлении. Однако при испытании разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля, происходит малопластичное разрушение с низким относительным удлинением.
Недостатком сплава является низкое относительное удлинение разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля с большой площадью поперечного сечения, что снижает эксплуатационную надежность готовых изделий.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном и по толщине направлениям.
Для решения этой задачи предлагается следующее.
3
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3,
скандий
0,02-0,06
цирконий
0,07-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,05
титан
0,02-0,05
кремний
0,01-0,10
железо
0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве
не более 0,10
алюминий
остальное,
3
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см/100 г металла.
3
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/смпри следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3
скандий
0,02-0,06
цирконий
0,07-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,05
титан
0,02-0,05
кремний
0,01-0,10
железо
0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве
не более 0,10
алюминий
остальное,
3
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см/100 г металла.
Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав содержит пониженное количество скандия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк
6,0-8,0
магний
3,4-4,2
медь
0,8-1,3
скандий
0,02-0,06
цирконий
0,07-0,12
бериллий
0,0005-0,004
церий
0,01-0,05
титан
0,02-0,05
кремний
0,01-0,10
железо
0,01-0,15
водород
0,05-0,35 см<sup>3</sup>/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве
не более 0,10
алюминий
остальное,
3
при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см/100 г металла.
Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют одинаковую с прототипом плотность, практически такие же высокие прочностные характеристики и повышенную пластичность, в особенности в поперечном и по толщине направлениях.
Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из сплава-прототипа и предлагаемого сплава определяются тем, что при имеющемся в них 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 алюминиевой матрице.
3
Как известно, в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu при введении в них Sc и Zr образуется дисперсоид из наночастиц фазы Al(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 появление само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, частицы являются причиной возникновения структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры. Благодаря этому, при высоком содержании скандия в сплаве-прототипе прессованные изделия имеют в состоянии T1 чрезмерно высокую прочность в долевом направлении, но отличаются пониженной пластичностью при испытании поперечных и высотных разрывных образцов.
Ограничение содержания скандия в предлагаемом сплаве снижает количество частиц дисперсоида в структуре и способствует прохождению при нагреве полуфабрикатов под закалку частичной рекристаллизации (начальной стадии), что при небольшом снижении прочности в долевом направлении повышает прочность и пластичность разрывных образцов в поперечном и по толщине направлениях.
Технический результат - повышение пластичности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности готовых деталей конструкций.
Пример осуществления.
3
В электрической печи приготовили плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 310 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 280 мм прессовали на профиль с поперечным сечением 46 см и диаметром описанной окружности 100 мм. Полученные профили закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч, правили растяжением с остаточной деформацией 0,5% и искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.
В
0,2
Профили 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 на растяжение приведены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные и пластические характеристики в поперечном и по толщине направлениях при сохранении высоких прочностных характеристик в долевом направлении.
Примечания:
3
3
Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,25 см/100 г металла. Плотность сплавов 2,80 г/см.