АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ, УСТОЙЧИВЫЙ К МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ
ALUMINIUM ALLOY RESISTANT TO INTERCRYSTALLINE CORROSION

Настоящее изобретение относится к алюминиевому сплаву, применению полосы или листа из алюминиевого сплава и к способу производства полосы или листа из алюминиевого сплава.
Алюминиево-магниевые (AlMg) сплавы типа 5ххх используются в форме листов, или пластин, или полос для изготовления сварных или скрепленных с помощью соединений конструкций в судостроении, производстве автомобилей и самолетостроении. Они отличаются особенно высоким уровнем прочности, при этом прочность сплавов AlMg увеличивается с увеличением содержания магния. Типичными представителями алюминиевых сплавов типа 5ххх являются, например, алюминиевые сплавы типа АА 5049, АА 5454 или АА 5918. Эти сплавы являются алюминиевыми сплавами AlMg2Mn (5049)- AlMg3Mn (5454)- или AlMg3.5Mn (5918). Постоянная необходимость в дальнейшем снижении веса вызывает потребность в алюминиевых сплавах с более высокими уровнями прочности и, вследствие этого, с соответственно более высокими уровнями содержания магния (Mg) для обеспечения желаемых показателей прочности. Сложность с алюминиевыми сплавами AlMgMn, имеющими содержание магния более 2,4 мас. %, заключается в том, что у них наблюдается повышенная тенденция к возникновению межкристаллитной коррозии под воздействием высоких температур в течение длительных периодов времени. Было обнаружено, что в алюминиевых сплавах AlMgMn с содержанием магния более 2,4 мас. % при температурах от 70 до 200°C наблюдается выделение вдоль границ зерен фаз β-Al5Mg3.
5
3
5
3
Когда границы зерен постоянно заняты β-частицами, и в условиях наличия коррозионной среды растворение этих β-фаз может привести к избирательной коррозии вдоль границ зерен. Как следствие, это ведет к тому, что алюминиевые сплавы с увеличенным содержанием магния либо не могут применяться в термонагруженных участках конструкций, либо должны иметь сниженное содержание в них Mg по причине образования тепла; в итоге выделение частиц β-AlMg минимизируется, что исключает непрерывное занятие границ зерен частицами β-AlMg. Предложения по решению этой проблемы уже были реализованы на известном уровне техники. Например, в патентной заявке Германии DE 10231437 A1 предлагается значительно снизить восприимчивость к межкристаллитной коррозии даже после провоцирующего нагрева для выявления межкристаллитной коррозии с помощью особой композиции алюминиевого сплава. Для этих целей предлагается следующая композиция сплава:
3,l%≤Mg≤4,5%,
0,4%≤Mn≤0,85%,
0,4%≤Zn≤0,8%,
0,06%≤Cu≤0,35%,
Cr≤0,25%,
Fe≤0,35%,
Si≤0,2%,
Zr≤0,25%,
Ti≤0,3%,
примеси <0,05% для каждого отдельного случая и максимальное общее количество примесей 0,15%, остальное - алюминий.
Было, однако, обнаружено, что результаты в отношении восприимчивости к межкристаллитной коррозии, которая измеряется и оценивается в соответствии с требованиями стандарта ASTM G67, могут быть улучшены. Кроме этого, данный алюминиевый сплав допускает содержание циркония до 0,25%, что считается критичным в отношении переработки алюминиевого сплава. Из международной патентной заявки WO 99/42627 известен еще один алюминиевый сплав, содержащий цирконий, который, несмотря на очень хорошие результаты в испытании согласно ASTM G67, весьма проблематичен в применении вследствие содержания циркония, присутствие которого является необходимым.
2
Исходя из этого цель настоящего изобретения состоит в обеспечении алюминиевого сплава, который обладает только незначительной тенденцией к межкристаллитной коррозии, то есть по результатам испытания согласно требованиям стандарта ASTM G67 обеспечивает значение потери массы <15 мг/см, обладает высокими уровнями прочности и в то же самое время хорошей деформируемостью и содержит стандартные компоненты сплава, что упрощает вторичную переработку такого алюминиевого сплава. Кроме этого, планируется предложить способы производства и применения изделий из алюминиевого сплава.
Согласно первой идее настоящего изобретения, описанная выше проблема для алюминиевого сплава решается таким образом, что он содержит компоненты сплава, которые имеют следующую композицию, мас. %:
2,91%≤Mg≤4,5%,
0,5%≤Mn≤0,8%,
0,05%≤Cu≤0,30%,
0,05%≤Cr≤0,30%,
0,05%≤Zn≤0,9%,
Fe≤0,40%,
Si≤0,25%,
Ti≤0,20%,
Остальное - алюминий и примеси, при этом отдельные примеси составляют менее 0,05% и максимальное общее количество примесей составляет 0,15%; где для компонентов сплава Zn, Cr, Cu и Mn применимо следующее условие:
(2,3*%Zn+1,25*%Cr+0,65*%Cu+0,05*%Mn]+2,4≥%Mg.
5
3
5
3
"%Zn", "%Cr", "%Cu", "%Mn" и "%Mg" соответствуют значениям массовой процентной доли содержания компонентов сплава в каждом из случаев. Композиция согласно настоящему изобретению основывается на определении того, что компоненты сплава Zn, Cr, Cu и Mn при содержании магния по меньшей мере в 2,91 мас. % подавляют выделение частиц β-AlMg благодаря присутствию этих элементов сплава, поддерживающих образование τ-фаз. Эти τ-фазы типа AlCuMgZn в значительной степени подавляют образование β-фаз, поэтому даже при относительно высоком содержании Mg наблюдается очень небольшая тенденция к образованию β-фаз или существованию частиц β-AlMg на границах зерен. Кроме этого, в присутствии элементов сплава Cr и Mn могут образовываться ε-фазы типа AlCrMgMn, и они также подавляют образование β-фаз. Как следствие, соответствующий алюминиевый сплав оказывается менее склонным к межкристаллитной коррозии. Кроме того, было обнаружено, что эффективность компенсации отдельными компонентами сплава Zn, Cr, Cu и Mn является различной. Например, цинковый компонент сплава может компенсировать 2, 3-кратное количество 2,91 мас. % магния, поэтому полученный в результате алюминиевый сплав имеет лишь очень небольшую склонность к межкристаллитной коррозии. Эффективность подавления межкристаллитной коррозии или выделения β-фаз под воздействием хромовых, медных и марганцевых компонентов сплава снижается. Соответственно, в любом случае можно обеспечить алюминиевые сплавы, которые имеют относительно высокое содержание магния и благодаря этому обладают более высокими уровнями прочности, не проявляя тенденции к межкристаллитной коррозии под воздействием температуры. Повышенные уровни прочности со сравнимой устойчивостью к коррозии достигаются при содержании Mg по меньшей мере в 3,0 мас. %.
Для обеспечения возможности экономичного производства алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению и, кроме того, для того, чтобы не пришлось мириться с отрицательным влиянием на деформируемость и любыми или пусть небольшими изменениями физических свойств алюминиевого сплава, например, при разливке и прокатке, в соответствии с первым воплощением алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению является предпочтительным следующее применение Zn, Cr, Cu и Mn компонентов сплава:
(2,3*%Zn+1,25*%Cr+0,65*%Cu+0,05*%Mn)+1,4≤%Mg.
Таким образом, в одном воплощении настоящего изобретения устанавливается верхний предел добавления Zn, Cr, Cu и Mn компонентов сплава в целях обеспечения наиболее экономичного из возможных способов производства алюминиевого сплава. Добавки, превышающие этот предел, не показали дополнительного положительного эффекта на устойчивость к межкристаллитной коррозии. Помимо этого, в этом воплощении алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению также могут быть исключены нежелательные побочные эффекты слишком высокого содержания компонентов сплава.
Согласно другому воплощению алюминиевого сплава в соответствии с настоящим изобретением, Cu компонент сплава предпочтительно имеет следующее содержание, мас. %:
0,05%≤Cu≤0,20%,
с тем, чтобы придать алюминиевому сплаву более высокую стойкость к коррозии.
Согласно еще одному варианту воплощения алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению, может быть достигнута максимальная деформируемость с помощью компонента сплава Cr, имеющего следующее содержание, мас. %:
0,05%≤Cr≤0,20%.
Согласно другому варианту воплощения алюминиевого сплава в соответствии с настоящим изобретением, дальнейшая оптимизация являющегося устойчивым к межкристаллитной коррозии алюминиевого сплава в отношении добавления компонентов сплава обеспечивается при следующих показателях содержания Mg и Zn компонентов сплава, мас. %:
2,91%≤Mg≤3,6%,
0,05%≤Zn≤0,75%.
Снижение верхнего предела доли содержания магния позволяет еще больше снизить максимальную концентрацию цинка с тем, чтобы обеспечить возможность получения оптимального по стоимости алюминиевого сплава с очень высокой стойкостью к межкристаллитной коррозии. Предпочтительно содержание Mg в этом воплощении составляет от 3,0 до 3,6 мас. %, в частности от 3,4 до 3,6% мас. %.
2
В еще одном воплощении прочность алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению может быть дополнительно оптимизирована при содержании Mg компонента сплава по меньшей мере в 3,6 мас. % и максимально 4,5 мас. %. Повышенное содержание магния приводит к значительному увеличению прочностных характеристик алюминиевого сплава и в то же время обеспечивает хорошую деформируемость. Благодаря определенной композиции алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению, этот алюминиевый сплав, несмотря на высокое содержание в нем магния, также характеризуется малыми потерями массы <15 мг/см и, как следствие, в соответствии с требованиями стандарта ASTM G6, не подвержен межкристаллитной коррозии. Содержание Mg для улучшения устойчивости к коррозии предпочтительно ограничивается максимумом в 4,0 мас. %.
Как уже указывалось выше, алюминиевые сплавы согласно настоящему изобретению отличаются тем, что в дополнение к хорошему уровню прочности и деформируемости обладают очень хорошей устойчивостью к межкристаллитной коррозии. В этом отношении указанная выше цель согласно другой идее изобретения достигается посредством применения полосы алюминиевого сплава или листа алюминиевого сплава согласно изобретению для изготовления шасси и конструкционных элементов в производстве автомобилей, летательных аппаратов и кораблей.
Шасси и конструкционные элементы транспортных средств, автомобилей или летательных аппаратов часто подвергаются воздействию источников тепла, например выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания или других источников тепла, поэтому алюминиевые сплавы, имеющие склонность к межкристаллитной коррозии после термической обработки, в этих случаях применяться не могут. Однако благодаря очень хорошей стойкости к межкристаллитной коррозии применение полосы или листа алюминиевого сплава согласно изобретению для изготовления шасси и конструкционных элементов также обеспечивает возможность использования в этих областях более прочных алюминиево-магниевых сплавов с содержанием магния по меньшей мере в 2,91 мас. %. Высокопрочные алюминиевые полосы или листы вследствие более высокого уровня прочности позволяют снизить толщину стенки. В этой связи они позволяют еще больше снизить массу транспортных средств, кораблей и даже летательных аппаратов.
Предпочтительно полоса из алюминиевого сплава или лист, содержащий алюминиевый сплав, согласно настоящему изобретению используются для производства шасси и конструкционных элементов, которые устанавливаются в области двигателя, системы выпуска газов или других источников тепла автомобильного транспортного средства. Типичным примером этого является гибкая или поперечная рулевая тяга автомобильного транспортного средства. Области установки этих элементов, в частности, когда они устанавливаются вблизи от двигателя, подвергаются постоянному воздействию повышенных температур. В частности, в автомобилестроении, а также в производстве железнодорожного транспорта, летательных аппаратов и кораблей благодаря использованию полос и листов из алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению были открыты новые области применения, которые отличаются повышенным воздействием тепла.
Применение полосы из алюминиевого сплава или листа, содержащего алюминиевый сплав согласно настоящему изобретению, дает особые преимущества, когда шасси или конструкционные элементы имеют по меньшей мере один сварной шов. Сварные швы в целом представляют собой участки, на которых производится приложение к металлу тепла. Это приложение тепла может привести к межкристаллитной коррозии, если алюминиевый сплав имеет склонность к межкристаллитной коррозии. Однако с алюминиевыми сплавами согласно настоящему изобретению выделение β-фазы, которая отвечает за межкристаллитную коррозию, может быть подавлено в наибольшей возможной степени, и, таким образом, элемент может легко свариваться и при этом не проявлять тенденции к межкристаллитной коррозии.
В конечном итоге применение полосы из алюминиевого сплава или листа алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению является особенно предпочтительным, если толщина стенки полосы из алюминиевого сплава или листа алюминиевого сплава составляет от 0,5 до 8 мм, при необходимости от 1,5 до 5 мм. Эти показатели толщины стенки являются весьма подходящими, поскольку позволяют обеспечивать прочность, требуемую для шасси или конструкционного элемента.
Согласно другой идее настоящего изобретения, предполагается экономичный способ производства полосы из алюминиевого сплава или листа, который содержит алюминиевый сплав согласно настоящему изобретению. Этот способ содержит следующие этапы:
- отливки слитка для прокатки,
- гомогенизации слитка для прокатки при температуре от 500 до 550°C в течение по меньшей мере 2 часов,
- горячей прокатка слитка для прокатки при температуре от 280°C до 500°C для получения горячекатаной полосы,
- холодной прокатки горячей полосы с или без промежуточного отжига до конечной толщины,
- смягчающего отжига холодной полосы при температуре от 300°C до 400°C в камерной печи.
В отличие от предыдущего опыта, для алюминиевого сплава согласно настоящему изобретению не требовалось специального этапа термообработки, например этапа отжига на твердый раствор в конце производственного процесса, но вместо этого алюминиевый сплав может быть получен высокоэкономичным способом с использованием обычного оборудования, например камерных печей. Также вместо отливки слитка для прокатки является возможным обеспечение бесслиткового литья полосы, которая затем обрабатывается в ходе горячей и/или холодной прокатки.
Далее настоящее изобретение будет подробно пояснено на основании вариантов его воплощения.
В таблице 1 прежде всего демонстрируются данные химического анализа сплавов ST 5049, ST 5454 и ST 5918 и алюминиевых сплавов VI, V2, V3 и V4 согласно изобретению. Кроме этого, в Таблице 1 указывается количество магния, компенсируемое компонентами сплава; это количество обозначено как «компенсация Mg» и рассчитано по следующей формуле:
(2,3*%Zn+1,25*%Cr+0,65*%Cu+0,05*%Mn)+2,4.
В качестве минимальной компенсации указывается величина «компенсированного» содержания магния, которое должно компенсироваться по меньшей мере Zn, Cr, Cu и Mn компонентами сплава. Таким образом, значение, указанное в Таблице 1, отвечает содержанию магния в соответствующем алюминиевом сплаве.
Поскольку величина компенсации магния является релевантной только для алюминиевых сплавов с содержанием магния по меньшей мере 2,91 мас. %, это значение не приводится для стандартного сплава ST 5049. Остальные стандартные сплавы ST 5454 и ST 5918 имеют параметр компенсации магния ниже содержания магния в сплаве. Как известно, эти сплавы в определенных условиях проявляют тенденцию к межкристаллитной коррозии. Причиной этого является то, что содержание магния в этих алюминиевых сплавах является недостаточно скомпенсированным. Характеристики алюминиевых сплавов VI, V2, V3 и V4 согласно изобретению, чей показатель компенсации Mg значительно выше содержания Mg в соответствующем алюминиевом сплаве, мас. %, являются различными.
Из всех семи алюминиевых сплавов были отлиты слитки для прокатки, которые были гомогенизированы при температурах от 500 до 550°C в течение по меньшей мере двух часов. Изготовленные таким способом слитки для прокатки подвергались горячей прокатке для получения горячекатаной полосы при температуре горячей прокатки от 280 до 500°C и далее проходили холодную прокатку до конечной толщины с выполнением операции промежуточного отжига и последующего смягчающего отжига холодной полосы при температурах между 300 и 400°C в камерной печи. Толщина полосы составляла 1,5 мм.
g
50мм
Из числа изготовленных полос были исключены листы и были определены их механические характеристики в ходе испытаний на разрыв в соответствии с требованиями стандарта DIN EN 10002-1, выполняемых перпендикулярно направлению прокатки. Результаты измерений представлены в Таблице 2. Они демонстрируют, например, что воплощение VI согласно изобретению имеет значительно большие показатели прочности на разрыв и предела текучести, чем стандартный сплав ST5049. Значение удлинения Aдля равномерного относительного удлинения и A полос из сплава согласно изобретению и стандартных сплавов значительным образом не отличаются, что позволяет сделать предположение об идентичности характеристик деформируемости для алюминиевых сплавов согласно изобретению и стандартных сплавов.
g
50мм
При этом вариант сплава V2 по сравнению со стандартным сплавом ST 5454 обеспечивает более высокую прочность на разрыв и более высокий предел текучести. В случае равномерного относительного удлинения A и удлинения A получены также практически идентичные показатели для варианта воплощения V2 согласно изобретению и стандартного сплава ST 5454. То же самое применимо и для вариантов V3 и V4, которые в сравнении с обычным алюминиевым сплавом ST 5918 имеют улучшенные характеристики прочности и текучести. Соответственно, алюминиевые сплавы согласно изобретению имеют очень хорошие механические характеристики и могут обрабатываться способом, идентичным с сопоставимыми стандартными сплавами.
Воплощения согласно изобретению и обычные воплощения были подвергнуты коррозионным испытаниям согласно требованиям стандарта ASTM G67, в ходе которых посредством измерения потерь массы может быть измерена восприимчивость алюминиевого сплава межкристаллитной коррозии. В этом испытании испытуемые полосы длиной 50 мм и шириной 60 мм, вырезанные из листа или полосы, прошедшие предварительную термообработку или не проходившие ее, выдерживаются в концентрированной азотной кислоте при температуре 30°C в течение 24 часов. Азотная кислота приводит к предпочтительному высвобождению β-фаз с границ зерен и, таким образом, обуславливает значительные потери массы во время последующих измерений в случаях, когда в образце вдоль границ зерен имеются выделившиеся β-фазы.
Также для того, чтобы оценить восприимчивость к межкристаллитной коррозии в областях, подверженных сильной температурной нагрузке, образцы в соответствии с требованиями стандарта ASTM G67 перед измерением потерь массы подвергались предварительной обработке посредством выдерживания при высоких температурах. С этой целью образцы хранились в течение 17, 100 и 500 часов при температуре 130°C и далее подвергались испытанию на потерю массы. Помимо этого, также выполнялась выдержка в течение 100 часов при температуре 100°C для сравнения алюминиевых сплавов согласно изобретению с алюминиевыми сплавами существующего уровня техники.
2
2
2
В Таблице 3 указаны соответствующие условия испытаний выдерживанием и представлены данные измерений потери массы после испытания согласно требованиям стандарта ASTM G67 в мг/см. Согласно требованиям стандарта ASTM G67, алюминиевые сплавы, являющиеся стойкими к межкристаллитной коррозии, характеризуются потерей массы от 1 до 15 мг/см, в то время как неустойчивые к межкристаллитной коррозии алюминиевые сплавы характеризуются потерей массы от 25 до 75 мг/см.
Явно видно, что стандартный сплав ST 5049, имеющий относительно низкое содержание магния на уровне 2,05 мас. %, обладает самой высокой устойчивостью к межкристаллитной коррозии. Даже в случае выдерживания при температуре 130°C в течение 500 часов коррозионная устойчивость этого алюминиевого сплава во время испытания не изменялась. Однако этот сплав обладал также самыми низкими показателями механической прочности.
2
2
Для сравнения, стандартный сплав ST 5454 и стандартный сплав ST 5918 показали различное поведение. ST 5454 в ходе предварительного выдерживания в течение 500 часов при температуре 130°C показал потерю массы 16,2 мг/см. Потеря массы ST 5918 при хранении образцов сплава в течение 100 часов или 500 часов при температуре 130°C также демонстрирует весьма значительное возрастание после выдержки в концентрированной азотной кислоте максимально до 30,9 мг/см. Если сравнивать алюминиевые сплавы согласно изобретению с этим сплавом после хранения в течение 500 часов при температуре 130°C, то они оказываются значительно более стабильными в отношении межкристаллитной коррозии, несмотря на сходные высокие значения содержания магния.
2
2
Максимальная потеря массы для алюминиевого сплава V4 согласно изобретению при выдержке в условиях температуры 130°C в течение 500 часов составила 8,9 мг/см и, соответственно, оказалась более чем в три раза ниже, чем у стандартного сплава ST 5918. Согласно требованиям стандарта ASTM G67, сплав рассматривается в качестве стабильного в отношении межкристаллитной коррозии, поскольку его потеря массы ниже 15 мг/см. Несмотря на более высокие показатели содержания магния по сравнению с соответствующими стандартными сплавами ST 5454 или ST 5918 и более высокие показатели прочности, алюминиевый сплав согласно изобретению отличается превосходной стойкостью к межкристаллитной коррозии.
В частности, сравнения с результатами, известными из существующего уровня техники для алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния, продемонстрировали, что в области выбранных алюминиевых сплавов возможно достижение значимого увеличения стойкости к межкристаллитной коррозии без необходимости мириться с проблемами, связанными с переработкой или высокой стоимостью производства.
В конечном итоге также возможно применение высокоэкономичных камерных печей для выполнения смягчающего отжига с тем, чтобы обеспечить алюминиевые сплавы и изделия из алюминия с высоким содержанием магния, устойчивые к межкристаллитной коррозии. Ранее считалось, что для достижения устойчивости к межкристаллитной коррозии необходимо выполнение в ходе непрерывного процесса операции отжига на твердый раствор.