СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ALLOY ON BASIS OF ALUMINIUM FOR WELDED STRUCTURES

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству алюминиевого литейного сплава для сварных конструкций массового производства, работающих в условиях знакопеременных нагрузок в различных климатических зонах, что предъявляет к материалу жесткие требования по прочности и коррозионной стойкости. Известно, что сборка элементов конструкции посредством сварки требует обеспечения важного технологического свойства сплава - хорошей свариваемости. Для обеспечения технико-экономической эффективности массового производства сплав должен обладать сравнительно низкой стоимостью.
Для изготовления легких, прочных сварных деталей, конструкций широко применяют литейные сплавы системы алюминий-магний.
Известен алюминиевый сплав по патентам Японии №57-61101, С22С 21/06, опубл. 15.11.76 г. и №51-136333, С22С 21/06, опубл. 22.12.82 г., имеющий следующий химический состав, мас.%: магний 6,0-11,0; цинк 4,0-8,0; алюминий - остальное.
Указанный сплав при относительно высоких прочностных свойствах обладает пониженной свариваемостью, что следует из данных статьи Мацумото Д., Имодзуми С., Окуто М. Сварка отливок из алюминиевых сплавов. Журнал «Кэкин-дзоку Есэцу», 1981, т.19, №4, с.141-154.
Таким образом, задачей данного технического решения являлось улучшение прочностных свойств, но не обеспечение хорошей свариваемости сплава.
Известен также сплав АМг5Мц ГОСТ 1583-93, имеющий следующий химический состав, мас.%: магний 4,8-6,3; марганец 0,4-1,0; титан 0,05-0,15; алюминий - остальное, который является наиболее близким к предлагаемому и выбран авторами в качестве прототипа.
Такой сплав обладает высокими механическими (в нетермообработанном состоянии) и антикоррозионными свойствами, однако в расплавленном состоянии у него наблюдается повышенная склонность к окислению.
В табл.2 приведены показатели свариваемости сплава, принятого за прототип, и исследуемых сплавов с различным содержанием легирующих элементов, от которых зависит свариваемость (данные предприятия ФГУП «ГНПП «Сплав»).
2
2
2
Как видно из табл.2, использование стандартного сплава (прототипа) не обеспечивает надежного сварного соединения по герметичности. Из-за наличия в сплаве (прототипе) магния более 1%, в нем в жидком состоянии отсутствует эффективная защита от окисления собственной пленкой, так как она не обладает достаточной прочностью. Разрушаясь влажная пленка попадает в расплав, влага диссоциирует с выделением водорода H, который из взаимодействующих с расплавом газов (СО, СО, N) обладает наибольшей растворимостью, являясь, таким образом, главным источником пористости, что резко снижает качество сварного шва.
Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось улучшение механических и антикоррозионных свойств сплава без обеспечения хорошей свариваемости.
Общими признаками с предлагаемым авторами сплавом на основе алюминия является наличие в нем магния, марганца и титана.
В отличие от прототипа, предлагаемый авторами сплав на основе алюминия для сварных конструкций с целью улучшения свариваемости содержит компоненты в следующем соотношении в % по массе: магний 4,5-5,8; марганец 0,4-0,8; титан 0,05-0,09; бериллий 0,02-0,06, алюминий - остальное.
Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанный признак, отличительный от прототипа, и на который распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточен.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение свариваемости путем обеспечения эффективной защиты сплава от окисления и насыщения водородом за счет упрочнения поверхностной оксидной пленки сплава и повышения коррозионной стойкости сварных конструкций.
Указанный результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в сплав на основе алюминия для сварных конструкций, содержащий магний, марганец и титан, для улучшения свариваемости в системе магний, марганец, титан, алюминий выбирают соотношения компонентов в % по массе: магний 4,5-5,8; марганец 0,4-0,8; титан 0,05-0,09; алюминий - остальное, с дополнительным введением бериллия в пределах 0,02-0,06.
Новая совокупность компонентов в сплаве позволяет, в частности, за счет их применения в вышеуказанном соотношении, обеспечить образование в жидком сплаве прочного соединения, позволяющего сформировать оксидную пленку, защищающую расплав от окисления и насыщения водородом (что объясняется большим сродством бериллия к кислороду по сравнению с остальными элементами сплава), а также способствует образованию прочной оксидной пленки и увеличению коррозионной стойкости готовой детали, конструкции.
При изменении % соотношения компонентов сплава в сторону увеличения или уменьшения от выбранных значений снижается прочность оксидного соединения и площадь оксидной пленки на поверхности детали, конструкции, повышается расход легирующих материалов без улучшения характеристик свариваемости и коррозионной стойкости.
Алюминиевые сплавы при соотношении элементов, мас.%: магний 4,5-5,8; марганец 0,4-0,8; титан 0,05-0,09; бериллий 0,02-0,06, обладающие высокой свариваемостью, в существующем уровне техники не выявлены.
Опробование предлагаемого сплава осуществляли на ФГУП «ГНПП «Сплав» (г.Тула) изготовлением лито-сварной конструкции по технологии, представленной в следующем примере.
Пример.
Были изготовлены сплав по прототипу без бериллия и исследуемые сплавы с различным процентным содержанием его, химический состав которых представлен в табл.1.
Сплав выплавляли в печи сопротивления ЭСТ-250 с чугунным тиглем. Технология выплавки предложенного сплава практически не меняется по сравнению с используемой для известного сплава. Особенность заключается в том, что одновременно с алюминием в тигель закладывается алюминиево-бериллиевая лигатура. Разливку производили в металлические формы. Литьем с кристаллизацией под давлением на прессовом оборудовании изготавливали литые заготовки для сварной конструкции силового узла, работающего в условиях знакопеременных нагрузок. Температура сплава при разливке соответствовала +710°±10°С, температура формы - +240°±5°С.
Из литых заготовок после механической обработки изготавливали сварные конструкции. Соединение литых деталей осуществляли автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки Св АМг5. Сварка осуществлялась посредством наложения кольцевого шва в три прохода на замковое соединение литых деталей при сварочном токе - 200…240 А, напряжении - 12…14 В, скорости сварки - 6…8 м/ч, расходе аргона - 14…16 л/мин.
Из каждого сплава были изготовлены по семь лито-сварных деталей.
Свариваемость определяли по показателям пористости и герметичности металла сварного шва. Кроме того, определяли прочность сварного соединения. Данные исследований представлены в табл.2.
Пористость изучали на темплетах металлографическими исследованиями макроструктуры сплава, герметичность - гидроиспытаниями внутренним давлением 0,4 МПа, а прочность - механическими испытаниями на растяжение вырезанных образцов.
2
Результаты изучения свариваемости и прочности сплава (табл.2) показали его преимущества по сравнению со сплавом, взятым в качестве прототипа. Наилучшие результаты свариваемости и прочности получены при добавке бериллия в количестве 0,02-0,06%. В этом случае имеет место наименьшая пористость, как по количеству на 1 см, так и по размерам.
При введении в состав сплава бериллия в количествах ниже нижнего предела, указанного в формуле изобретения, происходит снижение свариваемости.
Введение в состав сплава бериллия в количествах выше верхнего предела, указанного в формуле изобретения, не приводит к дальнейшему улучшению свариваемости.
Таким образом, предлагаемый сплав обладает критерием достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения.
Технико-экономические преимущества использования предлагаемого сплава по сравнению с прототипом заключаются в улучшении качества лито-сварных конструкций и их функционирования, что подтверждено испытаниями, при этом затраты, связанные с исправлением брака по негерметичности, резко сокращаются.
В настоящее время разработана и внедрена в серийное производство технология изготовления лито-сварных конструкций с использованием заявляемого сплава.
Таблица 1
Химический состав прототипа и исследуемых сплавов с различным содержанием легирующих элементов
Сплав
Содержание компонентов, мас.%
Магний
Марганец
Титан
Бериллий
Алюминий
1 (прототип)
5,2
0,6
0,08
-
остальное
2
4,5
0,4
0,05
0,02
остальное
3
5,2
0,6
0,08
0,06
остальное
4
5,2
0,6
0,08
0,02
остальное
5
5,2
0,6
0,08
0,10
остальное
6
5,8
0,8
0,10
0,10
остальное
Примечание. Во всех сплавах содержание примесей было в следующих пределах, мас.%: железа не более 0,5; кремния не более 0,3.
Таблица 2
Свариваемость сплава, принятого за прототип, и исследуемых сплавов с различным содержанием легирующих элементов
Сплав
Показатели
Пористость
Прочность, МПа
Герметичность при давлении 0,4 МПа, %
Диаметр пор, мм
Количество пор на 1 см<sup>2</sup>, шт.
Предел прочности сварного шва σ<sub>1</sub>
Предел прочности основного металла σ<sub>2</sub>
σ<sub>1</sub>/σ<sub>2</sub>
1 (прототип)
1,5
2
120…140
210…230
0,7
20
1,0
8
0,5
15
2
0,4
7
190…210
210…220
0,9
95
0,5
7
3
0,4
8
210…230
220…260
0,9
96
0,5
6
4
0,4
9
190…210
210…230
0,9
94
0,5
7
5
0,4
9
210…240
230…370
0,9
97
0,5
5
6
0,4
10
215…240
230…270
0,9
97
0,5
4