МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C22C21/10 C22F1/53 

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия, к способам изготовления изделий из таких материалов и может быть использовано в рекреационных изделиях, в различных транспортных средствах и их конструкциях, а также в качестве присадочного материала для сварки изделий из материалов на основе алюминия.

Известны материалы на основе алюминия, содержащие матрицу, образованную твердым раствором ряда элементов, в том числе меди в алюминии, и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов кристаллизационного происхождения, в том числе частицы алюминидов никеля (US-A N 5300157, кл. МКИ(5) C 22 C 21/00, кл. НКИ 148/437, 1994 г.).

Такие материалы обладают высокой твердостью и высоким сопротивлением износу, но сложны в производстве, так как для их изготовления требуется лазерная технология напыления порошковых материалов в среде инертного газа.

Известны также материалы на основе алюминия, содержащие матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии, причем содержание цинка выше содержания магния и содержание магния выше содержания меди и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов кристаллизационного происхождения, в том числе частицы алюминидов никеля (SU-AI N 1061495, кл. МКИ(5) C 22 C 21/10, 1992 г.).

Такие материалы обладают хорошими прочностными свойствами при удовлетворительной пластичности, но также сложны в производстве, так как для их изготовления требуется технология литья методом гранулирования, при которой кристаллизация материала происходит со скоростью не менее 1000 К/с.

Наиболее близким к заявляемому материалу является материал на основе алюминия, содержащий матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с, по существу, равномерно распредеденными в указанном растворе дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, причем содержание цинка выше содержания магния и содержание магния выше содержания меди и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, составляющие от 3,5 до 11 об.% материала (Белов Н.А., Золоторевский B.C., Тагиев Э. Э. "Влияние алюминида никеля и силицида магния на структуру, механические и литейные свойства сплава Al-Zn-Mg-Cu", Изв. РАН "Металлы", N 1, 1992, стр. 146-151).

Этот материал обладает хорошим сочетанием прочности, пластичности и удовлетворительных технологических свойств, обеспечивающих возможность изготовления изделий из него путем фасонного литья под низким давлением. Однако в некоторых случаях прочность и литейные свойства такого материала оказались недостаточными.

Известен также способ изготовления изделий из материала на основе алюминия путем отливки изделий из расплавленной смеси алюминия, цинка, магния, меди и никеля, в процессе которой происходит кристаллизация материала, и последующей термической обработки изделий, включающей нагрев, выдержку, закалку и последующее старение (Белов Н.А., Золоторевский B.C., Тагиев Э.Э. "Влияние алюминида никеля и силицида магния на структуру, механические и литейные свойства сплава Al-Zn-Mg-Cu", Изв. РАН "Металлы", N 1, 1992, стр. 146-151). Указанный способ не позволяет получать изделия с требуемым уровнем и стабильностью механических свойств.

В основу данного изобретения была поставлена задача создать материал на основе алюминия, обладающий высокими прочностными и пластическими свойствами, а именно - временным сопротивлением не менее 530 МПа и относительным удлинением не менее 2% при хороших технологических свойствах, обеспечивающих возможность изготовления изделий, в том числе тонкостенных изделий, путем фасонного литья в металлические формы, например, под низким давлением или путем жидкой штамповки, и создать способ изготовления изделий на основе алюминия, в том числе тонкостенных изделий, имеющих указанные прочностные и пластические свойства.

Указанная задача решена тем, что в материале на основе алюминия, содержащем матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с, по существу, равномерно распределенными в указанном растворе дисперсными частицами фаз, образованных алюминием, цинком, магнием и медью, причем содержание цинка выше содержания магния и содержание магния выше содержания меди и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, составляющие от 3,5 до 11 об.% материала, согласно изобретению материал дополнительно содержит, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы, по меньшей мере одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об. % материала, указанная матрица имеет микротвердость не менее HV 170, а указанные частицы алюминидов никеля имеют максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера частиц алюминидов никеля к их минимальному размеру не более 2.

Целесообразно, чтобы указанные частицы алюминидов хрома и алюминидов циркония имели максимальный размер не более 0,05 мкм.

Такое выполнение обеспечивает получение временного сопротивления материала не менее 530 МПа и относительного удлинения материала не менее 2% благодаря тому, что частицы алюминидов хрома и/или алюминидов циркония в сочетании с другими упрочняющими фазами дополнительно упрочняют матрицу, доводя ее микротвердость до величины не менее HV 170, при этом указанная величина микротвердости матрицы выбрана из условия получения заданной прочности материала, и указанное содержание частиц выбрано из следующих соображений: при их содержании ниже минимальной величины не достигается заданная микротвердость матрицы, а при их содержании выше максимальной величины происходит уменьшение относительного удлинения ниже заданного, а ограничение размеров частиц алюминидов никеля установлено из условия предотвращения растрескивания, уменьшения прочности и пластичности материала.

Указанная задача решена также тем, что для изготовления изделий из материала на основе алюминия, имеющего временное сопротивление не менее 530 МПа и относительное удлинение не менее 2%, путем отливки изделий из расплавленной смеси алюминия, цинка, магния, меди и никеля, в процессе которой происходит кристаллизация материала, и последующей термической обработки изделий, включающей нагрев, выдержку, закалку и последующее старение, согласно изобретению в указанную смесь вводят, по меньшей мере, один из элементов, выбранных из группы, в состав которой входят хром и цирконий, кристаллизацию материала осуществляют со скоростью охлаждения от 2 до 90 К/с, нагрев изделий перед закалкой проводят в два этапа, на первом из которых устанавливают температуру, которая на величину от 5 до 10К ниже температуры неравновесного солидуса материала, а на втором этапе устанавливают температуру, которая выше температуры неравновесного солидуса и ниже температуры равновесного солидуса материала, и изделия выдерживают при последней указанной температуре в течение времени, обеспечивающего после старения получение материала, содержащего матрицу, имеющую микротвердость не менее HV 170 и образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии и, по существу, равномерно распределенными в указанном твердом растворе дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля, составляющие от 3,5 до 11 об.% материала и имеющие максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера указанных частиц алюминидов никеля к их минимальному размеру не более 2, и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы, по меньшей мере одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0, 5 об.% материала.

Введение хрома и/или циркония в расплавленную смесь алюминия, цинка, магния, меди и никеля обеспечивает получение в материале изделия частиц алюминидов хрома и/или алюминидов циркония, увеличивающих прочность материала. Указанная скорость кристаллизации материала позволяет изготавливать изделия путем фасонного литья, например, под низким давлением или путем жидкой штамповки. Указанные температурные режимы нагрева и выдержки перед закалкой позволяют получить структуру материала, имеющего заданную прочность и пластичность.

На фиг. 1 показана микрофотография описанного материала после термической обработки (увеличение в 3000 раз);
на фиг. 2 - микрофотография описанного материала после термической обработки (увеличение в 40000 раз).

Лучший вариант осуществления изобретения
Материал содержит матрицу 1 (фиг. 1), образованную твердым раствором цинка (Zn), магния (Mg) и меди (Cu) в алюминии (Al) с, по существу, равномерно распределенными частицами 2 фаз (фиг. 2 - темные точки), образованными алюминием, цинком, магнием и медью. Матрица 1 имеет следующий состав, мас.%: Zn - от 5 до 8% (предпочтительно 6%), Mg - от 1,5 до 3% (предпочтительно 2%), Cu - от 0,5 до 2% (предпочтительно 1%), Al - остальное.

Во всех случаях содержание цинка выше содержания магния и содержание магния выше содержания меди. В матрице 1, по существу, равномерно распределены частицы 3 (фиг. 1 и 2) алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, составляющие от 3,5 до 11 (предпочтительно 7) об.% материала. Максимальный размер (не обозначен) частиц 3 не более 3 мкм при соотношении максимального размера частиц 3 к их минимальному размеру (не обозначен) не более 2. Матрица дополнительно содержит, по существу, равномерно распределенные в ней частицы 4 (фиг. 2 - черные точки) алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома (Al_xCr_y) и алюминиды циркония (Ak_mZr_n), имеющие максимальный размер не более 0,05 мкм.

В таблице 1 приведены примеры выполнения изобретения с указанием содержания алюминидов хрома (Al_xCr_y) и алюминидов циркония (Al_mZr_n) (об.%), микротвердости матрицы, определенной по методу Виккерса (HV), временного сопротивления материала σ_B (МПа) и относительного удлинения (δ%) (свойства материала указаны после термической обработки).

Во всех примерах таблицы суммарное содержание частиц Al_xCr_y и Al_mZr_n составляет от 0,1 до 0,5 об. %, микротвердость матрицы не менее HV 170, временное сопротивление материала не менее 530 МПа и относительное удлинение не менее 2%.

Изделия из описанного материала изготавливают следующим образом.

В расплавленную смесь алюминия, цинка, магния, меди и никеля вводят по меньшей мере один из элементов, выбранных из группы, в состав которой входят хром и цирконий. Из расплавленной смеси получают изделие путем фасонного литья, например, жидкой штамповкой, при которой осуществляют кристаллизацию материала со скоростью от 2 до 90 К/с. Затем производят термическую обработку изделия, включающую нагрев, выдержку, закалку и последующее старение. Закалку осуществляют с нагревом изделия в два этапа, на первом из которых устанавливают первую температуру, которая на величину от 5 до 10К ниже температуры неравновесного солидуса материала, а на втором этапе устанавливают вторую температуру, которая выше температуры неравновесного солидуса материала и ниже температуры равновесного солидуса материала, и изделия выдерживают при первой указанной температуре и второй указанной температуре в течение времени, обеспечивающего после старения получение описанного выше материала, содержащего матрицу, имеющую микротвердость не менее HV 170 и образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии и, по существу, равномерно распределенными в указанном твердом растворе дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля, составляющие (в зависимости от содержания никеля в расплавленной смеси) от 3,5 до 11 об. % материала и имеющие максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера указанных частиц алюминидов никеля к их минимальному размеру не более 2 и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы, по меньшей мере одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании (в зависимости от количества хрома и/или циркония, введенного в расплавленную смесь) от 0,1 до 0,5 об.% материала.

Для описанных примеров выполнения изобретения был определен показатель горячеломкосги, характеризующий склонность к образованию трещин при литье. Показатель горячеломкости был определен по так называемой кольцевой пробе (И. И. Новиков. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. Изд. "Наука", 1966, 298 с.). Этот показатель соответствует минимальному диаметру стержня, при котором в кольце- образной кокильной отливке происходит образование трещин. Чем больше величина показателя горячеломкости, тем выше сопротивляемость материала образованию трещин, и, следовательно, лучше литейные свойства материала.

Для материала согласно описанным выше примерам выполнения изобретения величина показателя горячеломкости находится в пределах 50 - 52 мм, что лучше, чем у известных высокопрочных литейных материалов на основе алюминия, например, алюминиевых сплавов типа 201.0 по классификации США, имеющих величину показателя горячеломкости в пределах 46 - 48 мм, и соответствует величине показателя горячеломкости свариваемых алюминиево-магниевых сплавов.

Это позволяет изготавливать из материала согласно изобретению тонкостенные отливки, а также соединять их путем сварки с другими изделиями из того же материала, изготовленными тем же способом, или с изделиями из других материалов на основе алюминия. При сварке в качестве присадочного материала может быть использован описанный материал согласно изобретению.

В изделия, изготовленные описанным способом, непосредственно при отливке могут быть внедрены вставки из других материалов.

Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано в рекреационных изделиях, в том числе выбранных из группы, в состав которой входят бейсбольные биты, хоккейные клюшки, клюшки для игры в мяч на травяном поле, головки клюшек для гольфа, теннисные ракетки, ракетки для игры в мяч, ракетки для бадминтона, ракетки дня игры в сквош, лыжные ботинки, атлетические кресла на колесах, стрелы для стрельбы из лука, спортивные копья, рамы виндсерфов, мачты и другие элементы яхт и парусных лодок, наконечники тентов, компоненты лыж, включая горные лыжи, в различных транспортных средствах, в том числе выбранных из группы, в состав которой входят автомобили, включая рамы, бамперы, элементы автомобильных кузовов, колеса, элементы дверей и внутренних панелей, железнодорожные и монорельсовые вагоны, снегоходы, мотоциклы, велосипеды и мотовелосипеды, включая рули, педали, кривошипы, рычаги кривошипов, вилки подвески, стойки седел, обода колес, спицы, детали тормозов и механизмов переключения скоростей, другие транспортные средства, включая их корпусные детали, винты, детали шасси, лонжероны, стрингеры, балки пола и грузовой платформы, кожухи панелей приборов, топливные баки, а также в присадочных материалах для сварки.

Материал на основе алюминия содержит матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с равномерно распределенными дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, равномерно распределенные в матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения и равномерно распределенные в матрице частицы, по меньшей мере одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала. Матрица имеет микротвердость не менее HV 170. Частицы алюминидов никеля имеют максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера к минимальному размеру не более 2, а частицы алюминидов хрома и алюминидов циркония - размер не более 0, 05 мкм. Задачей изобретения является создание материала с временным сопротивлением не менее 530 МПа и относительным удлинением не менее 2% при технологических свойствах, обеспечивающих возможность изготовления путем фасонного литья в металлические формы. Способ изготовления изделий из материала на основе алюминия путем отливки изделий и последующей термообработки обеспечивает возможность получения тонкостенных изделий, имеющих высокие прочностные свойства. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Материал на основе алюминия, содержащий матрицу, образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии с, по существу, равномерно распределенными в указанном растворе дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, причем содержание цинка выше содержания магния, и содержание магния выше содержания меди, и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля кристаллизационного происхождения, составляющие от 3,5 до 11 об.% материала, отличающийся тем, что материал дополнительно содержит, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала, и указанная матрица имеет микротвердость не менее HV 170, а указанные частицы алюминидов никеля имеют максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера указанных частиц алюминидов никеля к их минимальному размеру не более 2. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что указанные частицы алюминидов хрома и алюминидов циркония имеют максимальный размер не более 0,05 мкм. 3. Материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет временное сопротивление не менее 530 МПа и относительное удлинение не менее 2%. 4. Способ изготовления изделий из материала на основе алюминия, имеющего временное сопротивление не менее 530 МПа и относительное удлинение не менее 2%, путем отливки изделий из расплавленной смеси алюминия, цинка, магния, меди и никеля, в процессе которой происходит кристаллизация материала, и последующей термической обработки изделий, включающей нагрев, выдержку, закалку и последующее старение, отличающийся тем, что в указанную смесь вводят, по меньшей мере, один из элементов, выбранный из группы, в состав которой входят хром и цирконий, кристаллизацию материала осуществляют со скоростью охлаждения от 2 К/с до 90 К/с, нагрев изделий при закалке осуществляют в два этапа, на первом из которых устанавливают первую температуру, которая на величину от 5 до 10 К ниже температуры неравновесного солидуса материала, а на втором этапе устанавливают вторую температуру, которая выше температуры неравновесного солидуса материала и ниже температуры равновесного солидуса материала, и изделия выдерживают при первой указанной температуре и второй указанной температуре в течение времени, обеспечивающего после старения получение материала, содержащего матрицу, имеющую микротвердость не менее HV 170 и образованную твердым раствором цинка, магния и меди в алюминии и, по существу, равномерно распределенными в указанном твердом растворе дисперсными частицами фаз, образованными алюминием, цинком, магнием и медью, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы алюминидов никеля, составляющие от 3,5 до 11 об.% материала и имеющие максимальный размер не более 3 мкм при соотношении максимального размера указанных частиц алюминидов никеля к их минимальному размеру не более 2, и, по существу, равномерно распределенные в указанной матрице частицы, по меньшей мере, одного из алюминидов, выбранных из группы, в состав которой входят алюминиды хрома и алюминиды циркония, при суммарном содержании от 0,1 до 0,5 об.% материала.