СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ALUMINIUM-BASED ALLOY FOR BRAZE STRUCTURES

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в паяных конструкциях. Общим требованием для сплавов, предназначенных для применения в паяных конструкциях, является сохранение свойств после воздействия на них режима пайки. Сплавы на основе алюминия для паяных конструкций создаются на базе всех известных систем легирования в зависимости от назначения. Одной из наиболее перспективных систем для создания наиболее прочных после обработки по режиму пайки сплавов, паяемых твердым припоем, является система Al-Mn-Si-Mg-Cu.
Известен сплав на основе алюминия системы Al-Mn-Si-Mg-Cu, предназначенный для пайки твердым припоем, содержащий (в масс.%):
0,7-1,5 Mn, до 0,15 Si, до 0,8 Mg, 0,1-1,5 Cu, до 0,4 Fe (патент WO №9955925 (A1), C22C 21/00, C22C 21/16, C22F 1/04, C22F 1/57, 29.04.98).
Сплав склонен к собирательной рекристаллизации при температуре пайки, близкой к солидусу сплава, в результате чего снижается прочность слава.
Известны сплавы системы Al-Mn-Si-Mg-Cu, модифицированные цирконием и/или титаном, предназначенные для пайки твердым припоем, содержащие (масс.%):
- 1,0-1,4 Mn, 0,15-0,30 Si, до 0,4 Mg, 0,2-1,1 Cu, до 0,25 Fe, до 0,1Ti (патент №2797454, C22С 21/00, C22F 1/04, F28F 21/08, Франция, 16.02.2001),
- 0,01-0,2 Mn, 0,3-0,6 Si, 0,5-0,8 Mg, 0,2-0,7 Cu, 0,01-0,1 Ti (патент №3472605 7126786, C22С 21/00, Япония, 09.11.1993),
- 0,8-1,5 Mn, 0,6-1,3 Si, 0,2-0,5 Mg, 0,3-1,0 Cu, 0,05-0,2 Zr (патент Японии C22С 21/00, №06011896, 16.02.94),
- 0,8-1,5 Mn, 0,10-1,0 Si, 0,01-0,5 Mg, 0,2-0,7 Cu, 0,05-0,5 Fe, 0,05-0,2 Ti, 0,05-0,2 Zr, (патент №4230006 C22C 21/00 Япония, 01.05.1998).
Модифицирование цирконием, титаном и, особенно, цирконием в комплексе с титаном повышают температуру рекристаллизации, однако, недостаточно для предотвращения рекристаллизации при температуре пайки, близкой к солидусу. Недостатком сплавов остается пониженная прочность после обработки по режиму пайки.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав по патенту US №6413331 C22С 21/16, содержащий компоненты в следующем соотношении (масс.%):
алюминий - основа,
марганец 0,7-1,5,
кремний до 0,15,
магний до 0,8,
медь 0,5-1,5,
железо до 0,4,
хром, титан, цирконий, ванадий - до 0,3 каждого.
Благодаря комплексному модифицированию цирконием, читаном, ванадием и легированию хромом, суммарное содержание модификаторов в сплаве может быть повышено без опасности образования грубых интерметаллидов. Сплав мало склонен к рекристаллизации при температуре пайки, близкой к солидусу, и обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью. Однако прочность после обработки по режиму пайки снижается до уровня практически отожженного состояния и составляет лишь 220-250 МПа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочности после обработки по режиму пайки.
Технический результат - получения однородной мелкозернистой структуры и улучшение технологических свойств сплава.
Это достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий марганец, кремний, магний, медь, хром, титан, цирконий и ванадий дополнительно содержит бериллий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
марганец 0,3-1,2,
кремний 0,35-1,5,
магний 0,4-1,4,
медь 0,3-4,8,
железо 0,05-0,7,
бериллий 0,0001-0,1,
хром, титан, цирконий, ванадий - 0,1-1,0 каждого,
алюминий - остальное, при отношении Si:Mg>0,6.
Причем сплав при содержании хрома, титана, циркония, ванадия в количестве 0,1-0,25 мас.% каждого получен путем обработки слитка, а при содержании хрома, титана, циркония, ванадия в количестве 0,25-1,0% каждого получен порошковой металлургией.
Выбор содержания марганца, кремния, магния, меди и и железа определяется общими принципами металловедения сплавов Al-Mn-Si-Mg-Cu.
n
m
k
k
Содержание марганца в пределах 0,3-1,2 масс. % обеспечивает измельчение первичного зерна и затрудняет рост зерен при рекристаллизации, увеличивая допустимую температуру нагрева сплава, что важно в случае пайки твердыми припоями под солидусом. Содержание марганца ограничено 1,2% во избежание образования грубых интерметаллидов типа AlMnSiFe.
Содержание кремния в пределах 0,35-1,5 масс.% и магния в пределах 0,4-1,4 масс.% при соотношении Si:Mg>0,6 обеспечивает оптимальное содержание упрочняющей фазы Mg:Si (1,2-1,5%) при избытке кремния 0,1-1,25%. Избыточное содержание кремния способствует дополнительному упрочнению при искусственном старении.
Увеличение содержания меди в пределах 0,3-4,8% монотонно повышает прочность сплава. Максимум пластичности соответствует содержанию меди 2-2,5%.
Железо в пределах до 0,7% упрочняет сплав.
Микродобавка бериллия защищает при плавке жидкий расплав от окисления.
Комплексное легирование цирконием, титаном, ванадием и хромом в пределах 0,1-1,0 масс. % каждого позволяет повысить суммарное содержание модификаторов в сплаве без образования грубых интерметаллидов, сильно измельчая зерно, препятствует рекристаллизации при высокотемпературной пайке и повышает механические свойства. Содержание хрома, титана, циркония и ванадия в пределах 0,1-0,25% каждого применяется при изготовлении сплава по серийной технологии, а в пределах 0,25-1,0% каждого - при изготовлении сплава по порошковой технологии. Превышение указанного содержания при каждом варианте технологии приводит к образованию грубых интерметаллидов и эффективность модифицирования не достигается. Высокая скорость кристаллизации порошка исключает образование грубых интерметаллидов при содержании циркония, титана, ванадия и хрома до 1,0% каждого.
Помимо этого хром и титан улучшают технологические свойства сплава.
Упрочнение сплава обеспечивается, во-первых, за счет искусственного старения после закалки, которое обеспечивают кремний, магний и медь, во-вторых, за счет циркония, титана, ванадия и хрома в твердом растворе или в виде дисперсных интерметаллидов. Упрочнение цирконием, титаном, ванадием и хромом восполняет потерю прочности при старении из-за неполной закалки после пайки.
Примеры конкретного применения
Пример 1. Сплав на основе алюминия, содержащий (в % по массе) 0,34 Mn, 0,68 Si, 0,93 Mg, 0,31 Cu, 0,08 Fe, 0,1 Ti, 0,2 Zr, 0,21 Cr, 0,18 V, 0,001 Be. Соотношение Si:Mg=0,73.
Слиток диаметром 95 мм гомогенизировали по режиму 520°C 6 ч, осаживали до заготовки с поперечным сечением 16×120 мм, прокатывали на полосу сечением 1,5×120 мм, закаливали в воде с температуры 520°C, искусственно старили по режиму 160°C 12 ч, обрабатывали по режиму пайки 580°C 15 мин, повторно искусственно старили по режиму 160°C 12 ч.
После обработки по режиму пайки сплав имеет однородную мелкозернистую структуру (фиг.1). Зерно практически не увеличилось по сравнению с состоянием до обработки по режиму пайки. Прочность сплава, определенная в продольном направлении на стандартных пятикратных образцах по ГОСТ1497, составила после упрочняющей термообработки не менее 349 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 297 МПа.
Пример 2. Сплав на основе алюминия, содержащий (в % по массе) 0,41 Mn, 1,34 Si, 1,26 Mg, 0,32 Cu, 0,06 Fe, 0,57 Ti, 0,92 Zr, 0,59 Cr, 1,0 V, 0,001 Be. Соотношение Si:Mg=1,06.
Из расплава центробежным разбрызгиванием отливали гранулы, выделяли фракцию менее 0,63 мм, компактировали в брикет диаметром 98 мм. Из брикета по технологии, описанной в примере 1, получали полосу сечением 1,5×120 мм.
3
4
Благодаря высокой скорости охлаждения гранул (10-10 град/с) структура сплава более дисперсная, чем в примере 1, в том числе после обработки по режиму пайки. Прочность, определенная на образцах, аналогичных примеру 1, составила для сплава после упрочняющей термообработки не менее 380 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения - не менее 311 МПа.
Пример 3 (прототип). Сплав на основе алюминия, содержащий (в % по массе) 1,50 Mn, 0,14 Si, 0,8 Mg, 1,5 Cu, 0,08 Fe, 0,23 Ti, 0,19 Zr, 0,25 Cr, 0,06 V. Соотношение Si:Mg=0,175.
Технология получения сплава соответствовала примеру 1.
В мелкозернистой структуре сплава присутствуют грубые включения интерметаллидов, количество и размеры которых существенно увеличиваются после пайки.
Прочность сплава после упрочняющей термообработки не менее 295 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 251 МПа.
Таким образом, за счет получения однородной мелкозернистой структуры удалось достигнуть повышения прочности более чем на 18%.