Механические свойства и теплопроводность листов из алюминиевого сплава 01513 системы Al-Mg-Sc

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов

УДК 669.715

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ЛИСТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 01513 СИСТЕМЫ А1-Мд-Бе*

Ю.А. Филатов, докт. техн. наук, В.С. Рау

Получены лабораторные образцы листов из нового малолегированного (содержание менее 1 % Mg) алюминиевого сплава 01513 системы Al-Mg-Sc , обладающие в отожженном состоянии высокой теплопроводностью (X = 187 Вт/м • К) в сочетании с достаточно хорошими прочностными свойствами (ств = 273 МПа, oq2 = 259 МПа, 8 = 7,9 %). Установлено, что в процессе отжига холоднокатаных листов одновременно со снятием нагартовки произошло упрочнение в результате распада твердого раствора скандия в алюминии, зафиксированного при литье слитка. Сплав 01513 является перспективным материалом для теплооб-менных систем, в которых теплообменник служит одновременно элементом, воспринимающим силовые нагрузки.

Ключевые слова: система Al-Mg-Sc, малолегированный сплав, лист, прочность, теплопроводность.

Mechanical Properties and Heat Conduction of 01513 Al-Mg-Sc Aluminium Alloy Sheets. Yu.A. Filatov, V.S. Rau.

Laboratory specimens of new 01513 Al-Mg-Sc aluminium alloy sheets (Mg content is below 1 %) have been produced. The as-annealed specimens show high heat conductivity (X = 187 W/m • K) in combination with rather good strength properties (ств = 273 МРа, gq2 = 259 МРа, 8 = 7,9 %). It has been found that in the process of annealing of cold-rolled sheets, simultaneously with relieving of cold-working, strengthening occurred, as a result of decomposition of solid solution of scandium (fixed during ingot casting) in aluminium. 01513 alloys is an advanced material intended for production of heat exchange systems when a heat exchange serves as a load-bearing element.

Key words: Al-Mg-Sc system, low alloy, sheet, strength, heat conduction.

Введение

Малолегированные термически неупроч-няемые алюминиевые сплавы систем А1-Мп и А1-Мд используются в различных теплооб-менных системах благодаря их высокой теплопроводности, высокой коррозионной стой-

* В работе принимали участие канд. техн. наук Ю.П. Пименов, Л.И. Панасюгина, Е.А. Аксенова, канд. техн. наук С.Г. Бочвар, В.И. Ялфимов.

кости и хорошей свариваемости. Наиболее теплопроводными из сплавов этой группы являются сплавы АМц системы Al-Mn и АМг1 системы Al-Mg. Теплопроводность X отожженных (состояние М) листов из сплавов АМц и АМг1 составляет 180 и 184 Вт/м • К соответственно, однако прочность таких листов низка -в отожженном состоянии листы имеют предел текучести gq,2 около 50 МПа при высоком относительном удлинении 5, равном примерно

-Ф-

-Ф-

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

25 %, в нагартованном состоянии (состояние Н) величина ад,2 составляет примерно 185 МПа при § = 5 % [1].

Представляет практический интерес создание коррозионно-стойкого свариваемого сплава, не нуждающегося в специальной упрочняющей термической обработке, листы из которого не уступали бы по теплопроводности отожженным листам из сплавов АМц и АМг1, значительно превосходя их по прочности. Возможности для решения этой задачи дает система А!-Мд-вс. Как известно, добавка скандия в сплавы системы А1-Мд позволяет значительно повысить их прочностные свойства [2], следовательно можно предположить, что при легировании скандием алюминие-во-магниевого сплава, содержащего магний в количестве, не превышающем его содержание в сплаве АМг1, т.е. менее 1 %, можно будет повысить его прочность, сохранив такие его качества, как высокая теплопроводность, хорошая свариваемость и высокая коррозионная стойкость.

Современные представления о механизме упрочнения сплавов системы А!-Мд-вс основаны на положении о том, что при литье слитков скандий фиксируется в твердом растворе, распад которого происходит при неизбежных технологических нагревах слитка в процессе его переработки в деформированный полуфабрикат, продукты распада - дисперсные выделения фазы А^вс, а в присутствии циркония, который вводят для замедления коагуляции продуктов распада - фазы А1з(вс, Zr), оказывают упрочняющее воздействие как непосредственно, так и за счет формирования в полуфабрикате нерекристалли-зованной полигонизованной структуры [3]. При этом предполагается, что распад твердого раствора скандия в алюминии должен происходить при гомогенизации слитка, а дальнейшие нагревы не должны приводить к разупрочнению в результате коагуляции продуктов распада. Существует и другая технологическая схема, согласно которой него-могенизированный слиток А!-Мд-вс-сплава подвергают сначала горячей, затем холодной прокатке, после чего катаную заготовку подвергают нагреву, в процессе которого происходит распад твердого раствора. При этом

температуру нагрева выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальное упрочнение продуктами распада [4]. Как уже упоминалось [5], эта схема неприемлема для А!-Мд-вс-сплавов с высоким (более 4 %) содержанием магния из-за необходимости применения гомогенизации слитка, однако вполне может быть использована для сплавов с низким его содержанием.

В настоящей работе преследовали цель за счет использования данной технологической схемы получить листы из малолегированного сплава системы А!-Мд-вс с такой же, как у отожженных листов из сплавов АМц и АМг1, или даже более высокой теплопроводностью и существенно более высокими прочностными свойствами.

Материал и методы исследования

В качестве материала для исследования выбрали сплав системы А!-Мд-вс, содержащий 0,6 % Мд, обычную для сплавов этой группы добавку скандия и добавки гафния и иттрия. Сплаву была присвоена марка 01513. Гафний в сплаве 01513 играет ту же роль, что и цирконий в большинстве сплавов этой системы. Однако гафний [6] в меньшей степени, чем цирконий, снижает электропроводимость, а следовательно, и теплопроводность алюминия. Добавка иттрия [6] существенно не влияет на свойства алюминия, но, поскольку иттрий образует в системе А!-вс-У тройное соединение А!з(вс, У) [7], его присутствие в сплаве должно способствовать выведению скандия из твердого раствора, повышая тем самым его теплопроводность.

С использованием в качестве компонентов шихты алюминия марки А99, магния марки Мг95 и лигатур в тигельной электропечи готовили расплав сплава 01513. Сплав отливали в стальную изложницу. Отлитые плоские слитки имели размер 16 х 160 х 200 мм. Для удаления поверхностных дефектов слитки фрезеровали до толщины 14 мм.

Литые негомогенизированные фрезерованные заготовки толщиной 14 мм подвергали горячей прокатке до толщины 6 мм. Горячекатаные заготовки толщиной 6 мм затем прокатывали вхолодную до толщины 3 мм.

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140

/

/

ж

♦

18 20 22 24 26 28 30 32 34 35 Удельная электрическая проводимость у, МСм/м

Зависимость между удельной электрической проводимостью и теплопроводностью для технического алюминия АД1

Исследовали механические свойства листов толщиной 3 мм и их теплопроводность в состоянии после холодной прокатки и после отжига по режиму, обеспечивающему максимальный упрочняющий эффект от распада твердого раствора скандия в алюминии. Механические свойства (ав, а0)2, 8) определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84 на плоских образцах с начальной расчетной длиной ¡0 = 45 мм, вырезанных в поперечном по отношению к направлению прокатки направлении (по три образца на точку). Теплопроводность X определяли косвенным методом, используя кривую, показывающую зависимость между теплопроводностью и удельной электрической проводимостью, построенную на основе справочных данных [1] для технического алюминия АД1 и сплавов АМг1 и АМг2 в отожженном состоянии (см. рисунок). Удельную электрическую проводимость определяли вихретоковым методом в соответствии с ГОСТ 27333-87 на головках разрывных образцов (по пять замеров на точку).

Результаты и обсуждение

Механические свойства (ав, ао,2, 8), удельная электропроводимость у и теплопроводность X холоднокатаных листов из сплава 01513 и изменение этих характеристик в результате отжига представлены в таблице. Как видно из этих данных, отжиг холоднокатаного нагартованного листа из сплава 01513 привел

к заметному повышению его прочностных свойств: предел прочности увеличился с 232 до 273 МПа, предел текучести с 218 до 259 МПа, одновременно с этим несколько увеличилось относительное удлинение (с 6,5 до 7,9 %). Одновременное повышение прочности и пластичности в результате отжига можно объяснить тем, что в процессе отжига данного материала прошли одновременно два процесса - разупрочнение в результате снятия нагартовки и упрочнение в результате распада твердого раствора скандия, гафния и иттрия (в основном скандия) в алюминии с образованием дисперсных выделений упрочняющей фазы, которую можно обозначить как А1з (Бе, ИТ, У). Это подтверждается заметным повышением удельной электропроводимости - у увеличилась с 27,5 до 29,9 МСм/м. Следовательно, можно полагать, что в холоднокатаном листе из сплава 01513 до отжига практически весь скандий, а также гафний и иттрий, находились в пересыщенном твердом растворе. Согласно [8] величина Ау=2,4 МСм/м является значимой и свидетельствует о значительной степени распада твердого раствора. На рисунке значению у = 29,9 МСм/м соответствует X = 187 Вт/м • К.

Таким образом, получили лист из малолегированного сплава 01513 системы А1-Мд-Бе, обладающий уникальным сочетанием теплопроводности и прочности: при теплопроводности X = 187 Вт/м • К, что выше чем у отожженных листов из наиболее теплопроводных стандартных термически неупрочняе-мых сплавов АМц и АМг1, предел текучести а0,2 = 259 МПа при достаточно высоком относительном удлинении (около 8 %).

Механические свойства, удельная электрическая проводимость и теплопроводность листов толщиной 3 мм из сплава 01513 в состоянии после холодной прокатки

Состояние МПа а0,2> МПа 5, % Y, МСм/м Вт/м - К

ХК О 232 273 218 259 6,5 7,9 27,5 29,9 176 187

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Сплав 01513 запатентован, патентообладатель ОАО ВИЛС [9].

Главным результатом настоящей работы можно считать то, что показана возможность получения листов из малолегированного сплава системы А!-Мд-вс, обладающего высокой теплопроводностью, которые по прочностным свойствам находятся на уровне, характерном для конструкционных термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, применяемых обычно для нагруженных сварных конструкций.

Заключение

Разработан новый малолегированный алюминиевый сплав системы А!-Мд-вс марки 01513.

Получены лабораторные образцы листов из сплава 01513, обладающие высокой теплопроводностью (X = 187 Вт/м • К) в сочетании с до-

статочно высокой прочностью (стд,2 = 259 МПа) при относительном удлинении § = 8 %. Листы изготовлены путем прокатки негомогенизи-рованного слитка и последующего отжига холоднокатаных листов.

Установлено, что в процессе отжига холоднокатаных листов одновременно со снятием нагартовки произошел распад твердого раствора скандия и других легирующих элементов (гафния и иттрия) в алюминии, зафиксированного при литье слитка, вследствие чего произошло упрочнение материала с одновременным повышением его пластичности и теплопроводности.

Применение сплава 01513, в частности, в виде листов позволит создать конструкции теплообменных систем, в которых теплообменник является одновременно элементом, воспринимающим силовые нагрузки, что позволит снизить вес и габариты конструкции.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Справочник по алюминиевым сплавам / Под ред.

B.И. Елагина. - М.: ВИЛС, 1978. С. 24, 27.

2. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. и др.

Структура и свойства сплавов Al-Sc и Al-Mg-Sc // В кн.: Металлургия и металловедение цветных сплавов. - М.: Наука, 1982. С. 213-233.

3. Елагин В.И. История, успехи и проблемы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами // Технология легких сплавов. 2004. № 3. С. 6-29.

4. Sawtell R.R., Jensen C.L. Mechanical properties and microstructure of Al-Mg-Sc alloys // Metallurgical transactions A. 1990. V. 21A. P. 421-430.

5. Филатов Ю.А. Различные подходы к реализации упрочняющего эффекта от добавки скандия в деформируемых сплавах на основе системы Al-Mg-Sc // Технология легких сплавов. 2009. № 3.

C. 42-45.

6. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

7. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р., Добаткина Т.В.

Строение фазовых диаграмм состояния в области сплавов, богатых алюминием, содержащих скандий // Технология легких сплавов. 2009. № 3. С.36-41.

8. Телешов В.В. Использование электрических свойств в областях металловедения, термической обработки и контроля качества полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов (Обзор литературы за 1972-2000 гг.) // Технология легких сплавов. 2001. №3. С. 52-78.

9. Пат. 2416658 РФ. МПК С22С 21/06. Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия / Филатов Ю.А., Аксенова Е.А., Панасюгина Л.И. и др. // БИ. 2011. № 11.