СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЯ Российский патент 2003 года по МПК C22C21/10 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в аэрокосмической промышленности и машиностроении.

Известен сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:
Цинк - 6,35-8,0
Магний - 0,5-2,5
Медь - 0,8-1,3
Железо - 0,06-0,25
Кремний - 0,01-0,2
Цирконий - 0,07-0,2
Марганец - 0,001-0,1
Хром - 0,001-0,05
Титан - 0,03-0,1
Бериллий - 0,0001-0,05
По крайней мере один элемент из группы:
Калий - 0,001-0,01
Натрий - 0.0001-0,01
Кальций - 0,0001-0,01
Алюминий - Остальное
при этом Zr+2Ti≤0,3; Si/Be≥0,2 (патент РФ 2165995, С 22 С, 21/10, 1999).

Недостатком этого сплава является повышенные остаточные напряжения и коробление изделий. Из-за низкой прокаливаемости в массивных сечениях изделий вязкость разрушеник K_1C снижена и, как следствие, низкий ресурс работы изделий.

Известен сплав на основе алюминия состава, мас.%:
Цинк - 5,7-8,7
Магний - 1,7-2,5
Медь - 1,2-2,2
Марганец - < 0,02
Хром - < 0,02
Цирконий - 0,05-0,15
Железо - 0,07-0,14
Кремний - <0,11
Алюминий - Остальное
при этом Сu+Mg<4,1; Mg>Сu (патент США 6027582, С 22 С 21/10 2000) прототип.

Недостатком являются низкий ресурс работы изделия из-за низкого значения вязкости разрушения K_1C в массивных сечениях изделия, высоких остаточных напряжений и коробления изделий.

Известен способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, деформацию, закалку, включающую нагрев, охлаждение в закалочной среде, искусственное старение (патент Франции 2524908, C 22 F 1/04, 1983).

Недостатком этого способа являются низкие показатели вязкости разрушения K_1C изделий, что ведет к снижению их надежности и ресурса работы.

Известен также способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, горячую деформацию в полуфабрикат, нагрев, подачу полуфабриката в закалочную среду, принудительную циркуляцию закалочной среды (барботаж) и перемещение изделий в закалочной среде (Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы. - М.: Металлургиздат, 1971, с.450) - прототип.

Недостатком этого способа является низкий ресурс работы получаемых изделий из-за низкого уровня вязкости разрушения K_1C и высоких остаточных напряжений и коробления, что повышает трудоемкость при изготовлении изделий и ограничивает сортамент изготавливаемых изделий.

Технической задачей изобретения является повышение вязкости разрушения K_1C, снижение остаточных напряжений и коробления изделий, что снижает трудоемкость изготовления изделий, повышает ресурс работы и расширяет сортамент изготавливаемых изделий.

Предлагается сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Сплав может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагается изделие из сплава на основе алюминия следующего состава, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Изделие изготавливается из сплава, который может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагаемый способ производства изделий из сплава на основе алюминия включает отливку слитков, горячую деформацию в полуфабрикат, закалку, включающую нагрев и охлаждение в закалочной среде со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава (^oС/с), правку и искусственное старение.

Перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия.

Искусственное старение ведут в две стадии: сначала при температуре 80-150^oС в течение 2-48 ч, затем - при температуре 155-200^oС в течение 2-48 ч.

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5,, до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы: никель, кобальт при соотношении компонентов, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05 - 0,3
Железо - 0,05 - 0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы, никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.

Способ производства изделий из сплава на основе алюминия отличается от прототипа тем, что охлаждение при закалке ведут со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава, ^oС/с.

Перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия.

Искусственное старение ведут в две стадии: сначала при температуре 80-150^oС в течение 2-48 ч, затем - при температуре 155-200^oС в течение 2-48 ч.

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5 до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.

В предлагаемом изобретении в матрице твердого раствора сплава, состоящего из цинка, магния и меди в алюминии, равномерно распределяются дисперсные частицы первичных фаз кристаллизационного происхождения, содержащие тугоплавкие элементы, такие как железо, кобальт, никель, а также равномерно распределенные между ними мелкодисперсные частицы вторичных фаз, выделившихся из твердого раствора при охлаждении, в котором объемная доля зернограничного разрушения (ЗГР) не превышает 20%, при этом повышает вязкость разрушения K_1C, прокаливаемость, снижаются остаточные напряжения и коробление изделия. Все это повышает ресурс работы изделия и расширяет сортамент получаемых изделий.

Примеры. Для сравнительного анализа были отлиты слитки из предлагаемого химического состава сплава и химического состава сплава, выбранного за прототип. Химический состав сплавов представлен в табл.1.

Слитки гомогенизировали по режиму 460^oС, 48 ч, подвергали свободной ковке до получения поковок толщиной 150 мм. На поверхности поковок выполняли параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 2, при этом соотношение удвоенного объема, оставшегося в изделии металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, составляло 0,21. Затем изделия подвергали предварительной правке на прессе, вводя их в допуск по короблению. Изделия нагревали под закалку до температуры 465^oС, выдержка составляла 2,5 часа, подавали в закалочную среду в направлении оси канавок, охлаждали в закалочной воде со скоростью 2,03^oС/с, что равно 2,9 V_кр.

Закаленные изделия правили на прессе изгибом и кручением в продольном направлении со степенью 8 мм/м. Изделия старили в две стадии: I ст. - 110^oС, 8 ч + II ст. - 180^oС, 8 ч.

Аналогичные поковки изготавливали из известного сплава по способу, выбранному за прототип.

Исследовали механические свойства в продольном направлении, вязкость разрушения K_1С в направлениях ДП и ВД, остаточные напряжения в высотном направлении изделий, коробление. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Таким образом, изобретение позволяет повысить в 5-7 раз прокаливаемость сплава, вязкость разрушения (K_1C) повысить на 10-25%, снизить уровень остаточных напряжений в 40-50 раз и коробление в 25-30 раз и, как следствие, увеличить ресурс работы и расширить сортамент изготавливаемых изделий.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым алюминиевым сплавам системы алюминий - цинк - медь - магний, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала в аэрокосмической промышленности и машиностроении. Сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: цинк 5,0-9,0, магний 0,3-3,0, медь 0,3-1,3, цирконий 0,05-0,3, железо 0,05-0,3, кремний 0,01-0,2, по крайней мере, один элемент из группы: никель 0,01-0,2, кобальт 0,01-0,2, алюминий - остальное, при этом отношение, по крайней мере, одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элементов группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4. Техническим результатом изобретения является повышение вязкости разрушения K_1С, снижение остаточных напряжений и коробления, что снижает трудоемкость изготовления изделий, повышает ресурс работы и расширяет сортамент. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент из группы: никель, кобальт при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере, один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
при этом отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элементов группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4. 2. Сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что он может содержать, по крайней мере, один элемент из группы, мас. %:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
3. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава химического состава, мас. %:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере, один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
при этом отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма, по крайней мере, одного из элемента группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4. 4. Изделие из сплава на основе алюминия по п. 3, отличающееся тем, что сплав для его изготовления может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас. %:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
5. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий отливку слитков, горячую деформацию в полуфабрикат, закалку, включающую нагрев и охлаждение в закалочной среде, правку, искусственное старение, отличающийся тем, что охлаждение при закалке ведут со скоростью 0,8-3 V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава, ^oC/с. 6. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по п. 5, отличающийся тем, что перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия. 7. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по п. 5 или 6, отличающийся тем, что искусственное старение ведут в две стадии: сначала при 80-150^oC в течение 2-48 ч, затем - при 155-200^oC в течение 2-48 ч. 8. Способ производства изделий из сплава на основе алюминия по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5 до получения соотношения удвоенного объема, оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок.