АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ALUMINIUM ALLOY AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, в частности, к тем из них, которые пригодны для получения высокопрочного алюминиевого полуфабриката с малыми остаточными напряжениями. Также изобретение относится к способу получения таких алюминиевых полуфабрикатов.
Для изготовления сложных конструктивных элементов из алюминиевых плит, например инструментов для литья пластмассы под давлением, механической обработкой требуется высокопрочный полуфабрикат с малыми остаточными напряжениями.
Причиной напряжений в полуфабрикате служат собственные напряжения, возникающие в процессе непрерывной разливки из-за температурных градиентов при разливке, а также напряжения при термообработке вследствие закалки. Во время механической обработки присутствующие в полуфабрикате напряжения снижают постоянство формы и, следовательно, приводят к деформации конструктивного элемента. Обычно правка не представляется возможной из-за жестких допусков и заготовки приходится выбраковывать.
Для подобных случаев применения особенно зарекомендовал себя дисперсионно твердеющий деформируемый алюминиевый сплав EN AW-6082, являющийся сплавом типа AlMgSiMn. Для изготовления плит этот сплав разливают способом непрерывной разливки с получением прямоугольных слитков и затем для формирования легирующих элементов, выделившихся по границам зерен, и для компенсации вызванных разливкой ликвации (разницы в концентрации легирующих элементов) подвергают первой термообработке (так называемой гомогенизации). Затем следует вторая термообработка, которой задаются механические свойства. Между первой и второй термообработками может проводиться операция по деформации (например, прокатка).
2
В уровне технике в данном случае проводится полное дисперсионное твердение, включающее в себя диффузионный отжиг, закалку в холодной воде и последующее искусственное старение. Во время диффузионного отжига повышающая твердость добавка в виде силицида магния MgSi растворяется вследствие диффузии в первичном твердом растворе при температуре около 550°С в течение от 6 до 10 часов в зависимости от формата. При закалке в холодную воду, при которой охлаждение происходит до температуры ниже 150°С в течение менее чем 20 секунд, закрепляется равновесное состояние, установившееся при температуре диффузионного отжига и соответствующее неравновесному состоянию при комнатной температуре. Последующее искусственное старение при температуре от 150 до 200°С в течение от 8 до 15 часов приводит к целенаправленному выделению повышающей твердость добавки и к приданию прочности.
Обработанные таким образом алюминиевые слитки обладают очень хорошими механическими свойствами, однако они не пригодны для механической обработки вследствие собственных напряжений, оставшихся после закалки с использованием холодной воды. Поэтому для снятия большей части собственных напряжений, образовавшихся при закалке, алюминиевые слитки подвергают холодной деформации. При этом после термообработки алюминиевые слитки вытягивают на гидравлическом оборудовании на 1-5% от начальной длины.
Полученные таким обширным способом алюминиевые плиты характеризуются высокой механической прочностью, однако в них сохраняются малые остаточные напряжения, которые, тем не менее, способны вызвать деформацию при механической обработке.
Термомеханическое нагружение таких алюминиевых плит, например, при литье пластмассы под давлением ведет неизбежно к потере прочности и, следовательно, к постоянному росту износа инструмента.
По этой причине по-прежнему сохраняется потребность в алюминиевых сплавах, которые были бы пригодны для получения из них высокопрочного алюминиевого полуфабриката с малыми остаточными напряжениями, например в виде литых плит, при этом полуфабрикат должен быть пригодным для последующей механической обработки, например для изготовления плит основания под инструменты для литья пластмассы под давлением.
Поэтому целью настоящего изобретения является создание алюминиевых сплавов, пригодных для изготовления высокопрочного алюминиевого полуфабриката с малыми остаточными напряжениями. Другой целью настоящего изобретения является получение алюминиевого сплава, который благодаря своему химическому составу обеспечивал бы изготовление высокопрочных полуфабрикатов с малыми остаточными напряжениями. Еще одной целью изобретения является обеспечение такой последующей обработки полуфабриката, полученного из сплава согласно изобретению, которая, по сравнению с известным из уровня техники, полным дисперсионным твердением создает преимущества, является существенно более экономичной и более щадящей для окружающей среды и позволяет дополнительно улучшить прочностные характеристики сплавов согласно изобретению.
Указанные цели достигаются согласно изобретению посредством сплава следующего состава, вес.%:
цинк
5,0-5,8
магний
1,1-1,2
хром
0,2-0,3
марганец
0,1-0,3
медь
0,1-0,4
титан
0,05-0,15
церий
0,005-0,05
самарий
0,005-0,05
кремний
не более 0,2
железо
не более 0,3
цирконий
не более 0,005
алюминий
остальное
В предпочтительном варианте выполнения алюминиевый сплав согласно изобретению содержит 5,3-5,5 вес.% цинка, 0,2-0,25 вес.% хрома, 0,2-0,3 вес.% марганца и 0,3-0,4 вес.% меди.
Алюминиевый сплав согласно изобретению пригоден для получения алюминиевого полуфабриката для последующей механической обработки или холодного прессования. Предпочтительно в качестве алюминиевого полуфабриката применяется литая алюминиевая плита.
Еще одной целью изобретения является обеспечение последующей обработки алюминиевого полуфабриката, полученного из алюминиевого сплава согласно изобретению, для получения высокопрочного алюминиевого полуфабриката с малыми остаточными напряжениями, обеспечивающего при последующей механической обработке оптимальные механические свойства изготовленным из этого полуфабриката заготовкам, например, плитам основания для инструментов для литья пластмасс под давлением.
Упомянутая последующая обработка согласно изобретению предусматривает первую термообработку при температуре до 480°С, охлаждение до комнатной температуры и последующую вторую термообработку при температуре до 200°С. Предпочтительно, чтобы перед второй термообработкой проводилось естественное старение при около комнатной температуре в течение 2-5 суток.
Для улучшения механических характеристик особенно эффективной зарекомендовала себя вторая термообработка в два этапа. На первом этапе выдерживается температура предпочтительно 80-120°С в течение 6-12 часов, на втором этапе - температура 135-150°С в течение 10-16 часов.
Указанные цели и другие аспекты настоящего изобретения подробнее поясняются ниже с помощью примеров, не ограничивающих изобретение.
Эффект самозакалки (естественное старение) определенных алюминиевых сплавов в литературе описан. В частности, к этому эффекту склонна группа алюминий-цинк-магниевых сплавов благодаря низкой растворимости цинка в первичном твердом растворе при комнатной температуре.
Поэтому в серии примеров разливали сплавы AlZnMg разных составов способом непрерывной разливки с получением прямоугольных слитков 1550×250×3000 мм и испытывали их на механические свойства после полного естественного старения. Для этого проводилось испытание на растяжение согласно стандарту EN 10002-5; приведенные данные являются средними величинами по соответственно 20 разрывным образцам. Кроме того, сплавы AlZnMg сравнивали с известным эталонным сплавом EN AW-6082, обрабатанным обычным для уровня техники способом.
Пример А (сплав, не соответствующий изобретению)
Применили эталонный сплав с составом EN 573-3, материал EN AW-6082. Данный сплав содержит следующий стандартный состав, вес.%:
кремний
0,7-1,3
железо
0,5
медь
0,1
марганец
0,4-1,0
магний
0,6-1,2
хром
0,25
цинк
0,2
титан
0,1
другие легирующие компоненты:
раздельно: 0,05, в целом: 0,15,
остальное - алюминий.
Механическое испытание сплава проводилось в состоянии Т651, т.е. после диффузионного отжига, закалки, 1-3%-го растяжения при малых остаточных напряжениях, искусственного старения. Полученные при этом механические параметры:
Предел прочности при растяжении R<sub>M</sub>, МПа
0,2% - условный предел текучести R<sub>P0,2</sub>, МПа
Относительное удлинение при разрушении А<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ 10
288
248
7,5
90
Пример 1 (сплав, не соответствующий изобретению)
Алюминиевый сплав следующего состава, вес.%:
цинк
4,86
магний
0,92
хром
0,18
марганец
0,22
титан
0,09
кремний
0,21
железо
0,28
медь
0,01
алюминий
остальное
Механические параметры, полученные для данного сплава:
Предел прочности при растяжении R<sub>M</sub>, МПа
0,2% - условный предел текучести R<sub>P0,2</sub>, МПа
Относительное удлинение при разрушении А<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ 10
297
203
7,8
100
Пример 2 (сплав, не соответствующий изобретению)
Алюминиевый сплав следующего состава, вес.%:
цинк
5,18
магний
0,94
хром
0,17
марганец
0,21
титан
0,12
кремний
0,16
железо
0,28
медь
0,01
алюминий
остальное
Механические параметры, полученные для данного сплава:
Предел прочности при растяжении R<sub>M</sub>, МПа
0,2% - условный предел текучести R<sub>P0,2</sub> МПа
Относительное удлинение при разрушении А<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ 10
297
203
7,8
100
Пример 3 (сплав согласно изобретению)
Алюминиевый сплав следующего состава, вес.%:
цинк
5,61
магний
1,18
хром
0,24
марганец
0,24
медь
0,29
титан
0,06
церий
0,02
самарий
0,01
кремний
0,12
железо
0,26
цирконий
0,001
алюминий
остальное
Механические параметры, полученные для данного сплава:
Предел прочности при растяжении R<sub>M</sub>, МПа
0,2% - условный предел текучести R<sub>P0,2</sub>, МПа
Относительное удлинение при разрушении А<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ 10
338
255
6,5
115
Для того чтобы задать механические свойства, образцы плит, изготовленных из сплавов, применявшихся в примерах 1-3, подвергли отжигу на первом этапе термообработки при 400-450°С в течение 40-80 минут для снятия напряжений, затем после охлаждения до комнатной температуры со скоростью около 200°С/ч провели вторую термообработку для сокращения длительности естественного старения при температуре 85-120°С в течение 24-26 часов.
2
После первой термообработки (отжига для снятия напряжений) и перед второй термообработкой для сокращения длительности естественного старения проводилось естественное старение при температуре около комнатной температуры в течение 2-5 суток, что обеспечило более высокий 0,2% - условный предел текучести полуфабриката. Такое повышение условного предела текучести объясняется возросшим выделением некогерентной фазы MgZn во время естественного старения.
Первая термообработка, которая существенно короче традиционного диффузионного отжига, а также отсутствие необходимости в закалке в холодной воде позволяют получать материал с очень малыми напряжениями. Остаточные напряжения, которые способны вызывать деформацию в процессе механической обработки, в образцах из плит не проявились. Поэтому отсутствовала необходимость в проведении растяжения.
При сравнении результатов примеров А и 1-3 установлено, что сплавы, применявшиеся в примерах 1-3, превосходили применяемый до настоящего времени сплав А по механическим параметрам, таким как предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрушении и твердость по Бринеллю. При этом сплав согласно изобретению показал как по сравнению с эталонным сплавом, так и со сплавами, применявшимися в примерах 1 и 2, значительно больший предел прочности при растяжении и характеризовался по отношению к эталонному сплаву значительно большим значением твердости по Бринеллю.
Пример 4 (сплав согласно изобретению)
Плиту из алюминиевого сплава с составом, применявшимся в примере 3, подвергли последующей обработке в соответствии с условиями примера 3, но с той лишь разницей, что вторая термообработка проходила в два этапа. На первом этапе термообработка происходила при около 90°С в течение 8-10 часов; на втором этапе - при около 145°С в течение 14-16 часов.
Механические параметры, полученные для данного сплава:
Предел прочности при растяжении R<sub>M</sub>, МПа
0,2% - условный предел текучести R<sub>P0,2</sub> МПа
Относительное удлинение при разрушении А<sub>5</sub>, %
Твердость по Бринеллю, НВ 10
351
305
2,6
130
Пример 4 показал, что для сплава согласно изобретению в результате второй двухэтапной термообработки были достигнуты значительно лучшие механические параметры, представляющие интерес в связи с настоящим изобретением.
Более длительная обработка не приводит к существенному улучшению механических параметров. Повышение температуры на втором этапе, например до 160°С, также не привело к улучшению, а наоборот, вызвало потерю прочности.
Оптимальные температуры термообработки, необходимые для обеспечения требуемых механических параметров, а также необходимая для этого длительность соответствующих термообработок могут варьироваться в приведенных в формуле изобретения пределах с учетом состава соответствующего алюминиевого сплава согласно изобретению. Однако оптимальные параметры соответствующего сплава согласно изобретению могут быть просто определены средним специалистом путем проведения экспериментов в его области.
Более высокая твердость по сравнению с эталонным сплавом повышает сопротивляемость механической рабочей нагрузке, а естественное старение сплавов согласно изобретению приводит после термической нагрузки к эффекту восстановления механических свойств. В результате существенно возрастает срок службы, например, инструментов для литья пластмасс под давлением.
Кроме того, благодаря высокой твердости сплавов согласно изобретению в состоянии после естественного старения, а также благодаря значительно снизившемуся по сравнению с эталонным сплавом относительному удлинению при разрушении во время обработки резанием, образуется очень короткая, ломкая стружка, поэтому достигаемое качество поверхности, характеризующееся высотой неровностей профиля и оптическим эффектом, выше, чем у эталонного сплава.
Благодаря большему содержанию кремния и марганца сплавы согласно изобретению превосходно подходят для декоративного анодного окисления. Присутствие хрома сводит к минимуму склонность сплавов согласно изобретению к коррозионному растрескиванию под напряжением и благодаря максимальному содержанию 0,3 вес.% не оказывается отрицательное воздействие на анодное окисление.