НЕСТАРЕЮЩИЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ В КАЧЕСТВЕ ПОЛУФАБРИКАТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2006 года по МПК C22C21/06 

Настоящее изобретение относится к составу сплавов, прежде всего природно-твердых сплавов-полуфабрикатов, которые в таком виде предназначены для применения в качестве материала для изготовления различных конструкций.

Природно-твердые алюминиевые сплавы, используемые в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. ГОСТ 4784-74), находят широкое применение в металлургии, прежде всего, однако, в виде сплава АМг6, в состав которого входят следующие компоненты (мас.%):

магний5,8-6,8марганец0,5-0,8титан0,02-0,1бериллий0,0002-0,005алюминийостальное

Однако сплав подобного состава не обладает достаточными прочностными свойствами, что проявляется прежде всего в малом условном пределе текучести σ_0,2 у подвергнутых холодной или горячей обработке давлением полуфабрикатов.

К уровню техники относится также природно-твердый алюминиевый сплав, используемый в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. патент RU 2085607, МПК С 22 С 21/06) и имеющий в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого в изобретении сплава следующий химический состав (мас.%):

магний3,9-4,9титан0,01-0,1бериллий0,0001-0,005цирконий0,05-0,15скандий0,20-0,50церий0,001-0,004алюминийостальное

Такой известный сплав не обладает достаточной статической и динамической прочностью, но одновременно с этим характеризуется хорошей обрабатываемостью в производственном процессе, высокой коррозионной стойкостью, высокой свариваемостью и высокой пригодностью к работе в условиях низких температур.

В настоящем изобретении предлагается новый природнотвердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката, в состав которого в указанных ниже количествах (мас.%) помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк и элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний5,0-5,6титан0,01-0,05бериллий0,0001-0,005цирконий0,05-0,15скандий0,18-0,30церий0,001-0,004марганец0,05-0,18медь0,05-0,15цинк0,05-0,15элементы из группы, включающей железо и кремний0,04-0,24алюминийостальное

Предлагаемый в изобретении сплав отличается от традиционных сплавов тем, что в его состав в указанных ниже количествах (мас.%) дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний5,0-5,6титан0,01-0,05бериллий0,0001-0,005цирконий0,05-0,15скандий0,18-0,30церий0,001-0,004марганец0,05-0,18медь0,05-0,15цинк0,05-0,15элементы из группы, включающей железо и кремний0,04-0,24алюминийостальное

Достигаемый с помощью изобретения технический результат состоит в улучшении статических и динамических прочностных свойств сплава, благодаря чему повышаются срок службы и эксплуатационная надежность, а также снижается удельный вес подверженных статическим и динамическим нагрузкам изготовленных из него конструкций, прежде всего конструкций различных атмосферных и космических летательных аппаратов, включая таковые, работающие на криогенном топливе.

Основой сплава предлагаемого в изобретении химического состава с предлагаемым в изобретении соотношением между содержащимися в нем химическими компонентами является в первую очередь пластичная матрица, которая образована твердым раствором магния, марганца, меди и цинка в алюминии.

Особо высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе под воздействием динамической знакопеременной нагрузки обусловлена высокой пластичностью его матрицы. Вторичные выделения в виде высокодисперсных интерметаллических частиц, содержащих алюминий, скандий, цирконий, титан и другие присутствующие в сплаве переходные металлы, придают этому сплаву не только высокую статическую прочность, но и высокую трещиностойкость при знакопеременной нагрузке. Заданное соотношение между железом и кремнием позволяет оптимизировать морфологию образующихся при застывании первичных интерметаллических соединений, которые преимущественно состоят из алюминия, железа и кремния и которые повышают статическую прочность сплава при сохранении на неизменном уровне его динамической прочности и пластичности.

Пример

В электрической печи приготавливали расплав из алюминия марки А85, магния марки MG90, меди марки МО, цинка марки TsO и вводимых в качестве добавки двойных лигатур в виде двойных систем, таких, например, как алюминий-титан, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-церий, алюминий-марганец, алюминий-железо и силумин, после чего из предлагаемого в изобретении сплава с минимальным (состав 1), оптимальным (состав 2) и максимальным (состав 3) содержанием компонентов, включая сплавы с выходящим за существующие в настоящее время ограничения содержанием компонентов (составы 4 и 5), а также из традиционного сплава (состав 6) методом полунепрерывного литья отливали плоские болванки размером 165×550 мм (таблица 1).

Таблица 1СплавСоставХимический состав, мас.%МагнийТитанБериллийЦирконийСкандийЦерийМарганецМедьЦинкЖелезоКремнийЖелезо/кремний*АлюминийСплав по изобретению15,00,010,00010,050,180,0010,050,050,050,020,021остальное25,30,030,0030,10,240,0020,120,10,10,100,033,33остальное35,60,050,0050,150,300,0040,180,150,150,20,045остальноеСплав с увеличенным содержанием элементов44,50,0050,000050,010,120,00050,020,010,010,010,020,5остальное56,00,10,010,20,360,0080,250,250,250,50,086,25остальноеИзвестный сплав64,40,050,0030,10,30,002------остальноеПримечание:
* Соотношение между содержанием железа и кремния.

При получении сплава в условиях металлургического производства в качестве добавки можно использовать лом и отходы сплавов алюминия и магния.

Литые болванки подвергали гомогенизации и механической обработке до толщины, равной 140 мм. После этого болванки подвергали горячей прокатке при температуре 400°С до толщины, равной 7 мм, а затем холодной прокатке до толщины, равной 4 мм. Полученные в результате холодной прокатки листы подвергали термической обработке в электрической печи. Полученные в результате термообработанные листы служили материалом для испытаний.

Вырезанные из листов стандартные поперечные образцы использовали для определения статического предела прочности при растяжении (σ_в, σ_0,2, δ), а^{также динамической прочности по следующим показателям:}

- число циклов нагружения до разрушения (N) при определении малоцикловой усталости (МЦУ), для чего образцы испытывали при эффективном коэффициенте концентрации напряжений K_t=2,5 и максимальном напряжении σ_max=160 МПа,

- скорость распространения трещины da/dN при коэффициенте интенсивности напряжений ΔК=31,2 МПа√м,

- критический коэффициент интенсивности напряжений К_С в плоском напряженном состоянии при ширине образца (В) 160 мм.

Все испытания проводили при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2СплавСоставСвойства термообработанных листовσ_в [МПа]σ_0,2 [МПа]δ [%]МЦУ [число циклов] (K_t=2,5; σ_max=160 МПа)da/dN [мм/цикл] (ΔК=31,2МПа√м)К_С [МПа√м] (В=160 мм)Сплав по изобретению139027517150×10³2,3×10^-362240028016140×10³2,5×10^-363341029015140×10³3,3×10^-362Сплав с увеличенным содержанием элементов437026018130×10³3,8×10^-362542031513110×10³4,0×10^-360Известный сплав638027515130×10³3,8×10^-362

Приведенные в таблице 2 данные подтверждают, что предлагаемый в изобретении сплав обладает более высокой статической и динамической прочностью по сравнению с традиционным сплавом. Подобные свойства позволяют на 10-15% уменьшить вес изготавливаемых из предлагаемого в изобретении сплава конструкций и тем самым сократить производственные расходы, что имеет важное значение прежде всего в авиационной промышленности. Высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе в условиях воздействия статических и динамических нагрузок, а также тот факт, что предлагаемый в изобретении сплав является природно-твердым сплавом, который обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью, позволяют использовать его в конструкции совершенно новых атмосферных и космических летательных аппаратов, морских судов либо наземных и иных транспортных средств, конструкционные элементы которых соединяются сваркой. Предлагаемый в изобретении сплав можно использовать в качестве основного материала в сварных конструкциях, а также в качестве присадочного материала при выполнении сварных соединений.

Изобретение относится к упрочняемым естественным старением сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде полуфабрикатов в качестве конструкционного материала. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: магний 5,0-5,6, титан 0,01-0,05, бериллий 0,0001-0,005, цирконий 0,05-0,15, скандий 0,18-0,30, церий 0,001-0,004, марганец 0,05-0,18, медь 0,05-0,15, цинк 0,05-0,15, элементы из группы, содержащей железо и кремний 0,04-0,24, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5, алюминий остальное. Техническим результатом изобретения является разработка сплава, обладающего улучшенными статическими и динамическими прочностными свойствами, способствующими повышению срока службы и эксплуатационной надежности, а также снижению веса конструкций, изготовленных из него. 2 табл.

Природно-твердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката для изготовления конструкций, отличающийся тем, что в его состав в указанных ниже количествах, мас.%, помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

Магний5,0-5,6Титан0,01-0,05Бериллий0,0001-0,005Цирконий0,05-0,15Скандий0,18-0,30Церий0,001-0,004Марганец0,05-0,18Медь0,05-0,15Цинк0,05-0,15Элементы из группы, включающей железо и кремний0,04-0,24АлюминийОстальное