СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИСТОВ И ПЛИТ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
PRODUCTION OF SHEETS AND PLATES FROM ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к области деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов со скандием, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала в виде деформируемых полуфабрикатов в различных областях техники: судостроении, авиакосмической и нефтегазодобывающей промышленности, в т.ч. для перевозки сжиженных газов, в транспортном машиностроении и т.д.
Существует ряд деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, легированных магнием, марганцем, цирконием и другими переходными металлами, из которых наиболее прочными являются сплавы системы Al-Mg-Sc.
Основными механизмами упрочнения сплавов этой системы являются твердорастворный, дисперсионного твердения за счет скандиевой фазы и структурного упрочнения вследствие повышения температуры рекристаллизации. Степень упрочнения определяется температурным воздействием в процессе производства полуфабрикатов, при гомогенизации слитка, при нагреве литой заготовки перед прокаткой и отжиге горячекатаного полуфабриката, а также величиной деформации.
Скандий наряду с другими легирующими элементами (Mg, Mn, Zr, Ti, Be и др.) в процессе плавления образует гомогенный расплав и после затвердевания слитка находится в пересыщенном твердом растворе, небольшая часть скандия, а также циркония и титана, при этом расходуется на модифицирование слитка. Прочность металла на этом этапе определяется твердорастворным механизмом упрочнения.
В процессе последующих нагревов слитка при гомогенизации и под прокатку происходит процесс высокотемпературного распада пересыщенного твердого раствора скандия в алюминии с образованием дисперсных выделений скандиевой фазы, прочность металла значительно увеличивается в результате дисперсного упрочнения. Наибольший упрочняющий эффект достигается при размере дисперсных выделений скандиевой фазы примерно в пределах от 8 до 60 мкм.
Температура обработки сплава в процессе отжигов и нагрева под прокатку не должна быть выше той, при которой происходит разупрочнение сплава в связи с коагуляцией выделений скандиевой фазы.
Температура нагрева литых заготовок из алюминиевых сплавов со скандием под горячую деформацию должна быть по возможности низкой с точки зрения сохранения прочностных свойств полуфабриката и в то же время обеспечивать достаточную пластичность обрабатываемого материала.
Структурное упрочнение происходит в результате пластической деформации и получения нерекристаллизованной фрагментированной структуры листов и плит из алюминиевых сплавов со скандием.
Известен способ получения катаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc, принятый нами за прототип (автореферат диссертации Филатова Ю.А. на соискание ученой степени доктора технических наук «Исследование и разработка новых высокопрочных свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и технологических параметров производства из них деформированных полуфабрикатов», ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», Москва, 2000 г.), который заключается в гомогенизирующем отжиге слитков, полученных методом полунепрерывного литья, при температуре 350-370°С в течение до 24 часов, механической обработке слитков, нагреве литых заготовок под прокатку при температуре 380-410°С в течение 16 часов и последующей горячей прокатке литых заготовок.
Недостатком этого способа является:
- недостаточно высокий уровень механических свойств алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc в катаных полуфабрикатах вследствие продолжительного нагрева при температурах выше 350°С;
- наличие грубых первичных интерметаллидов, выделившихся при литье слитка из твердого раствора в алюминии марганца, циркония и титана, которые являются центрами концентраций напряжений, что ведет к снижению механических свойств.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание способа изготовления горячекатаных полуфабрикатов, листов и плит, из алюминиевых сплавов, обеспечивающего регламентировано высокие механические свойства листов и плит при комнатной и криогенных температурах, который достигается снижением температуры и продолжительности нагрева слитков при повышенной температуре в процессе изготовления горячекатаных полуфабрикатов и использования последующего кратковременного отжига горячекатаных полуфабрикатов.
Технический результат достигается тем, что изготовление горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, включающего получение слитков методом полунепрерывного литья, гомогенизирующий отжиг слитков, механическую обработку слитков, нагрев литых заготовок под прокатку и горячую прокатку литых заготовок, согласно изобретению гомогенизирующий отжиг слитков проводят при температуре 300-360°С продолжительностью до 8 часов, нагрев литых заготовок под прокатку при температуре 340-380°С продолжительностью до 8 часов и отжиг горячекатаных плит при температуре 380-440°С продолжительностью до 4 часов.
Отжиг слитков при температуре 300-360°С продолжительностью до 8 часов достаточен для снятия остаточных напряжений, возникающих в слитке при его охлаждении в процессе полунепрерывного литья. Это предотвращает появление трещин и позволяет проводить механическую обработку слитков перед прокаткой для удаления с поверхности дефектов литейного происхождения.
В процессе отжига при температуре 300-360°С скандий в основном находится в твердом растворе процесс распада твердого раствора и выделения из него дисперсных частиц скандиевой фазы при этих температурах носит замедленный характер.
Повышение температуры отжига слитков свыше 360°С с увеличением продолжительности нагрева, как отмечалось ранее, ускоряет процесс выделений дисперсных частиц скандиевой фазы в слитках и их коагуляцию, что в итоге приводит к снижению механических свойств полуфабрикатов.
Снижение температуры отжига до температуры менее 300°С значительно увеличивает продолжительность отжига для снятия остаточных термических напряжений, и процесс отжига становится экономически невыгоден.
Температура нагрева литых заготовок под прокатку в пределах 340-380°С соответствует области технологической пластичности сплава со скандием, и снижение температуры нагрева по сравнению с прототипом позволит замедлить процесс распада твердого раствора и выделения дисперсных частиц скандиевой фазы и их коагуляции. Снижение температуры нагрева под прокатку менее 340°С сопровождается увеличением прочностных свойств сплава и соответственно значительным сопротивлением деформации, что затрудняет или делает невозможным процесс прокатки.
Помимо температуры нагрева на динамику процесса выделений частиц скандиевой фазы и их роста влияет продолжительность нагрева.
Увеличение общей продолжительности нагрева литых заготовок во время отжига и перед прокаткой свыше 16 часов приводит к коагуляции дисперсных частиц и снижению механических свойств катаных полуфабрикатов.
Гомогенизирующий отжиг слитков при температурах 300-360°С и их нагрев под прокатку при температурах 340-380°С при ограничении продолжительности нагрева позволяет предотвратить не только коагуляцию дисперсных частиц скандиевой фазы, но и затормозить сам процесс распада твердого раствора и выделений дисперсных частиц скандиевой фазы.
Ограниченный 4 часами во времени отжиг горячекатаных плит при температурах 360-440°С позволяет обеспечить:
- Полный распад твердого раствора скандия в алюминии;
- Контроль степени коагуляции дисперсных частиц скандиевой фазы, получая требуемый размер дисперсных частиц, изменяя температуру нагрева и время выдержки при температуре отжига. Это позволяет получать катаные полуфабрикаты с регламентируемым сочетанием прочностных и пластических свойств;
- Растворение грубых включений интерметаллидов переходных металлов (марганца, хрома, циркония и др.), которые являются концентраторами напряжений и оказывают отрицательное влияние на механические свойства полуфабрикатов;
- Растворение 8-фазы, выделившегося из пересыщенного магнием твердого раствора, что обеспечивает высокие коррозионные свойства.
Таким образом, предложенный способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов замедляет процесс распада твердого раствора скандия в алюминии и коагуляцию дисперсных частиц скандиевой фазы и сохраняет размеры частиц менее критического размера и позволяет получать регламентировано высокий уровень механических и требуемое сочетание прочностных и пластических свойств полуфабрикатов (при комнатной и криогенных температурах).
Пример
С использованием технического алюминия А85, магния Мг90, двойных лигатур алюминий-марганец, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-хром и алюминий-титан в электропечи готовили расплав и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 65×240 мм из алюминиевого сплава следующего состава: масс.% 6,3 Mg-0,64 Mn-0,15 Cr-0,15 Zr-0,16 Sc-0,026 Ti, остальное - алюминий.
В соответствии с предложенным способом слитки для снятия остаточных напряжений отжигались в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температурах 300 и 360°С в течение 8 часов, с охлаждением на воздухе, после разрезки слитков на заготовки шириной по 300 и 200 мм, заготовки механически обрабатывались. Боковые поверхности заготовок фрезеровались на глубину 5,0 мм, а на малых гранях заготовок фрезеровали замок Петрова.
Перед прокаткой заготовки нагревались в электрической печи при температуре 340 и 380°С в течение 8 и 6 часов соответственно.
По запредельному варианту слитки отжигались при температурах 380 и 280°С в течение 10 и 12 часов соответственно, литые заготовки перед прокаткой нагревались при температурах 320 и 400°С в течение 10 часов.
Прокатка заготовок после нагрева при температуре 380°С производилась поперек оси слитка на реверсивном стане ДУО 600 на толщину 10 мм с суммарной относительной деформацией 85%. После нагрева заготовки при температуре 320°С выкатать лист толщиной 10 мм не удалось
После прокатки заготовок, нагретых при температуре 380°С, были изготовлены листы толщиной 10 мм, шириной 300 мм, длиной 1700 мм.
В соответствии с прототипом слитки, полученные методом полунепрерывного литья, подвергались гомогенизирующему отжигу в шахтной электропечи с принудительной вентиляцией воздуха при температуре 370°С в течение 24 часов с последующим охлаждением на воздухе. После разрезки слитков на заготовки и их механической обработки заготовки нагревались в электропечи при температуре 400°С в течение 14 часов, прокатка заготовок производилась по режиму аналогичному в предлагаемом способе на толщину 10 мм.
Из полученных плит вырезались пятикратные образцы для испытания на растяжение при комнатной и криогенных температурах.
Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из плит, полученных по предлагаемому способу и по прототипу, приведены в таблице.
Как видно из приведенных данных у горячекатаных плит, изготовленных по предлагаемому способу, механические свойства выше, чем у прототипа, особенно это преимущество проявляется при криогенных температурах (-153 - -253°С).
Механические свойства горячекатаных листов, изготовленных по предлагаемому способу и прототипу
Варианты
Параметры способа
Т°С испытания
Механические свойства
Отжиг слитков
Нагрев для прокатки
Отжиг ГК плит
Т°С
час
Т°С
час
Т°С
τ, час
σ<sub>в</sub>,<sub></sub>МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
ψ, %
Предлагаемый способ
20
445
322
19,8
32,7
300
8
380
6
380
4
-60
459
335
20,8
33,5
-196
574
402
21,2,
22,8
20
425
312
20,8
32
360
6
340
8
440
2
-60
439
315
21,4
30,5
-196
562
394
24,2
24,8
Запредельный способ
20
388
240
18,6
34
380
10
400
10
460
5
-60
394
252
19,0
33,8
-196
480
320
19,8
29,0
20
280
12
320
10
-
-
-60
-
-
-
-
-196
Прототип
406
280
18,8
34,6
370
24
400
14
-
-
424
290
19,4
34,2
-
480
345
20,4
32,2
Примечание:В таблице приведены средние значения результатов испытаний 3 образцов на точку. После нагрева при 320°С прокатка заготовки не удалась
Технико-экономический эффект от использования изобретения по сравнению с прототипом заключается в повышении прочностных и снижении массогабаритных характеристик конструкций за счет увеличения механических свойств листов и плит, особенно при низких температурах, и в расширении областей применения деформируемых термически не упрочняемых алюминиевых сплавов в морской и авиа космической технике, транспортном и химическом машиностроении, в криогенной технике, например, в корпусных конструкциях по хранению и перевозке сжиженного газа при низких температурах и в нагруженных конструкциях двойного назначения