СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2007 года по МПК C22C21/18 C22C21/16 C22C21/14 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы алюминий - медь - магний. Предлагаемый сплав предназначен для изготовления различных конструкций машиностроения, в т.ч. для сварных изделий авиакосмической техники, способных работать под воздействием нагрузок не только при комнатной температуре, но и при кратковременных и весьма длительных воздействиях повышенных температур, проявляя повышенную жаропрочность и сохраняя высокую коррозионную стойкость.

Известны алюминиевые свариваемые сплавы следующего химического состава (мас.%):

1. Cu 4,9-6,5

Mg 1,8-2,9

Mn 0,05-0,65

Co 0,05-0,65

Ti 0,05-0,45

Zr 0,05-0,45

Fe 0,1-0,45

Be 0,001-0,005

Al - остальное

(патент РФ №668363)

2. Cu 4,9-6,5

Mg 1,7-3,0

Mn 0,15-0,7

Co 0,05-0,5

Ti 0,05-0,45

V 0,05-0,45

Fe 0,1-0,45

Be 0,001-0,005

Al - остальное

(патент РФ №923216)

Указанные сплавы в процессе применения в конструкциях показали повышенные (по сравнению с ранее освоенными промышленными сплавами систем Al-Cu-Mn и Al-Cu-Mg) жаропрочность, коррозионную стойкость и свариваемость. Однако возросшие требования к жаропрочности и коррозионной стойкости алюминиевых сплавов вызывают необходимость повышения термостабильности (т.е. снижения темпа разупрочнения под воздействием температуры и времени) и коррозионной стойкости.

К недостаткам этих сплавов необходимо также отнести негативное сочетание повышенного значения показателя горячеломкости (17-20 мм) и пониженного показателя жидкотекучести (275-295 мм) по литейным пробам, что отрицательно отражается на литье слитков (особенно больших диаметров), свариваемости и приводит к увеличению процента брака на изделиях, выполненных из этих сплавов.

Известен сплав системы Al-Cu-Mg-Si-Zr, содержащий (мас.%):

3. Cu 1,5-7,0

Mg 0,3-2,5

Si 0,1-1,0

Zr 0,3-0,8

дополнительно содержащий по крайней мере один из элементов:

Fe 0,5-1,5

Ni 0,8-3,0

и/или, содержащий один или два элемента из:

Mn 0,05-0,6

V 0,05-0,5

Ti 0,001-0,5

Al - остальное.

(Патент Япония, №1290740).

Указанный сплав жаропрочный, но не свариваемый, предназначен только для изготовления деталей двигателей, работающих при повышенных температурах. Также недостатком сплава, помимо узкой области применения, является ограниченная номенклатура изготавливаемых полуфабрикатов, так, например, отсутствуют сведения об изготовлении катаных полуфабрикатов, являющихся основой различных конструкций машиностроения.

За прототип принят наиболее близкий по химическому составу к предлагаемому сплав на основе алюминия системы Al-Cu-Mg, содержащий (мас.%):

Cu 3,8-4,9

Mg 0,4-2,5

Mn 0,3-1,2

Ti 0,01-0,1

по крайней мере один элемент из группы:

В 0,0001-0,05

С 0,00001-0,008

по крайней мере один элемент из группы, содержащей не более чем:

Fe 0,4

Si 0,3

Ni 0,08

Be 0,08

V 0,05

Cr 0,1

Zn 0,1

Н 2,5·10^-5

S 0,0004

Al - остальное

(патент РФ №2209844)

К недостаткам сплава необходимо отнести относительно низкую прочность сварного соединения (σ_{в св}=32,5-34,0; σ_{в св}/σ_{в осн мат}=0,65-0,69), низкое значение показателя жидкотекучести L=200 мм в сочетании с очень высокой склонностью к горячеломкости К_тр=27-38 мм (по литейным пробам) и К_тр=30-50% (по сварной пробе). Сплав плохо сваривается и, следовательно, его невозможно применять в сварных конструкциях. Сплав и изделие, выполненное из него, не предназначены для применения в условиях повышенных температур.

Технической задачей настоящего изобретения является создание деформируемого сплава на основе алюминия системы алюминий - медь - магний и изделия из него с хорошей свариваемостью, малой склонностью к горячеломкости, повышенным значением жидкотекучести, повышенными значениями жаропрочности и коррозионной стойкости, высокой прочностью сварного соединения при 20°С и повышенных температурах, высокой технологичностью.

Для достижения поставленной задачи предложен сплав на основе алюминия: содержащий медь, магний, марганец, титан, железо, кремний, бериллий, водород, по крайней мере, один элемент из группы: никель, хром, цинк, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, кальций и один элемент из группы: цирконий, ванадий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Cu 4,5-7,0

Mg 1,75-4,5

Mn 0,25-0,8

Ti 0,05-0,45

Fe 0,05-0,45

Si 0,02-0,2

Be 0,001-0,07

Н 1,8·10^-6-3,1·10^-5

Са 0,0001-0,08

Со 0,02-0,45

по крайней мере, один элемент из группы:

N10,001-0,05

Cr 0,001-0,05

Zn 0,001-0,05

один элемент из группы:

Zr 0,055-0,45

V 0,055-0,45

Al - остальное

и изделие, выполненное из него.

В случае применения предложенного сплава в качестве конструкционного материала суммарное содержание меди и магния должно составлять не менее 6,25 мас.%. При этом происходит повышение (на 10-15%) значений прочностных характеристик при 20°С и жаропрочности (например, в интервале 200-350°С), снижение при воздействии нагревов темпа разупрочнения за счет повышения термоустойчивости пересыщенного при закалке твердого раствора; обеспечение хорошей свариваемости: понижение горячеломкости К≤12% (по литейной пробе), К≤6-7% (по сварной пробе), повышения показателя жидкотекучести до 310-350 мм, при σ_{в св}/σ_{в осн мат}≥0,75 (при 20-250°С) и до 1,0 (при t>250°С).

Кроме того, для получения высоких значений прочности сварного соединения не требуется усиления свариваемых кромок деталей, термообработки или холодной прокатки сварных соединений.

Сплав может быть успешно применен в качестве присадочного материала при сварке. Если предложенный сплав применяют в качестве присадочного материала, то суммарное содержание магния и меди должно составлять не менее 8,2 мас.%. В этом случае сплав имеет значительное снижение склонности к горячеломкости в ˜2 раза (до 7,0% - по литейной пробе и К≤5% - по сварной пробе) и повышение показателя жидкотекучести (до 370-450 мм). Однако в этом случае сплав немного уступает в значениях прочностных свойств при 20°С и повышенных температурах (на 10-15%), при этом абсолютные значения этих характеристик (особенно сварных соединений) остаются выше, чем у существующих серийных алюминиевых сплавов.

Способность промышленных сплавов систем Al-Cu-Mn и Al-Cu-Mg к естественному старению, процессу "возврата" (при быстрых нагревах до 200-250°С), пониженной коррозионной стойкости и относительно быстрому темпу разупрочнения при воздействии повышенных температур (особенно для сплавов системы Al-Cu-Mn) обусловлена большим содержанием меди в сплавах Al-Cu-Mn или, для сплавов Al-Cu-Mg, избыточным ее содержанием по сравнению с содержанием магния и, следовательно, образованием в структуре сплавов фазы θ(Al₂Cu). Все это является следствием специфического изменения энергетики кристаллической решетки алюминия под воздействием природы растворенных атомов меди. Введение в сплавы Al-Cu-Mg оптимального расчетного содержания магния связывает атомы меди в фазу S (Al₂CuMg), в результате значительно возрастает коррозионная стойкость, жаропрочность, свариваемость и технологичность сплавов системы Al-Cu-Mg.

Однако в промышленных условиях при изготовлении сплавов системы Al-Cu-Mg неизбежны потери магния, поэтому сохранить расчетное оптимальное соотношение содержаний меди и магния в сплаве и, следовательно, исключить влияние избыточного содержания меди весьма проблематично.

Введение в сплав небольших добавок кальция способствует снятию негативного воздействия избыточного содержания меди на характеристики сплава: за счет связывания еще в расплаве некоторого количества атомов меди в соединения CaCu₅, а также за счет изменения энергетики твердого раствора сплавов: затормаживания диффузии вакансий и нейтрализации напряжения в кристаллической решетке (r_Cu<r_Al ˜ на 10%, r_Ca>r_Al ˜ на 30%). Таким образом, атом кальция способен нейтрализовать воздействие 3-5 атомов меди на энергетику твердого раствора. Достаточно небольших добавок кальция в сплав, чтобы в промышленной плавке практически уменьшить влияние небольшого избыточного (по отношению к содержанию магния) наличия меди.

Появление в расплаве мелких интерметаллидных соединений (CaCu₅) в определенной мере препятствует росту крупных разветвленных дендритных образований, оказывая позитивное влияние на жидкотекучесть и сопротивление образованию горячих трещин, что особенно заметно при кристаллизации малых объемов сплава - при сварке.

Поскольку в предложенном сплаве содержится комплекс добавок переходных металлов, часть которых оказывает также и модифицирующее воздействие на структуру, то в сплав вводят определенное расчетное содержание кобальта для получения оптимальных размеров структурных составляющих и сбалансированных значений показателей вязкости и жаропрочности.

Применение в предложенном сплаве циркония или ванадия необходимо для повышения значений прочностных характеристик в интервале температур 20-400°С.

Пример осуществления

В водоохлаждаемый кристаллизатор методом непрерывного литья отлиты (температура расплава: 700-740°С) слитки, часть которых после гомогенизационного отжига (при 485-495°С в течение 6 и 50-60 ч) проковывали при температуре 400-440°С до получения размеров заготовки для прокатки листов толщиной 2,0 мм, а часть прессовали при 400°С для получения полосы. Полученные листы и прессованные полосы подвергали закалке с температуры 500^±3С° в воде 20°С. Химический состав сплавов приведен в таблице 1, где примеры 1-4 предлагаемый сплав (из них примеры 1-2 применимы, главным образом, как присадочный материал при сварке; примеры 3-4 как конструкционный), пример 5 - сплав-прототип.

В дальнейшем из термообработанных листов и прессованной полосы изготавливали стандартные образцы для определения значений механических свойств (растяжение) при 20°С и повышенных температурах (ГОСТ 1497, ГОСТ 9657). Определение склонности сплава к горячеломкости проводили по стандартной литейной пробе (ОСТ 1-90020) и стандартной сварочной крестовой пробе, а жидкотекучести - по пробе согласно ОСТ 1-90008. Коррозионную стойкость определяли соответственно: сопротивление межкристаллитной коррозии - ГОСТ 9.021, расслаивающей коррозии - ГОСТ 9.04 и коррозионному растрескиванию под напряжением - ГОСТ 9.019.

В таблице 2 представлены механические свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав в качестве присадочного материала (примеры 1, 2) имеет превосходство по следующим характеристикам: показатель горячеломкости (К_тр - по литейной и сварной пробам) в 5-6 раз ниже, показатель жидкотекучести (L_ж) больше на 43-66%, повышенную сопротивляемость различным видам коррозионного воздействия (КР на 11%; РСК в 1,7-2,0 раза; МКК в 4 раза). При этом значения прочности сварного соединения (σ_{в св}) при 20°С и основного материала (σв; σ_0,2) при 250°С имеют также некоторое превышение (на 4-6%).

В качестве конструкционного материала предлагаемый сплав (примеры 3, 4) имеет следующие преимущества: повышенные значения прочностных характеристик при 20°С основного материала (σ_в; σ_0,2) на 6-7%, сварного соединения (σ_{в св}) - на 23%; на 15-18% повышенные значения жаропрочных характеристик при 250°С; значительно сниженные показатели горячеломкости по литейной пробе - в 2,4 раза и по сварной пробе - в 2,85-3,3 раза; повышенную сопротивляемость различным видам коррозионного воздействия: КР на 20%, РСК в 1,7-2,5 раза, МКК более 4 раз.

Указанные преимущества сплава позволяют значительно снизить брак при литье крупногабаритных плоских и круглых слитков и тем самым увеличить выход годного, понизить затраты при изготовлении различного вида полуфабрикатов. Предлагаемый сплав может быть применен при изготовлении различных сварных конструкций машиностроения (в том числе авиакосмических, подверженных эксплуатационным нагревам). Использование предлагаемого сплава в сварных конструкциях позволит снизить затраты, вес, повысить герметичность и надежность конструкций в условиях повышенных нагрузок, температур и коррозионного воздействия.

Таблица 1
Содержание элементов в сплавах (мас.%)СплавCuMgMnTiFeSiBeHCaCoNiCrZnZrVСBAlПредложенный 17,04,50,250,050,450,20,071,8·10^-60,030,020,001-0,05-0,45--Ост.24,83,40,350,20,30,150,031,6·10^-50,010,15-0,02-0,055---Ост.35,82,30,550,120,20,080,0042,0·10^-50,00010,250,050,0010,0010,45---Ост.44,51,750,80,450,050,020,0013,1·10^-50,080,45-0,05--0,055--Ост.Прототип 54,21,60,70,050,180,08-1,0·10^-5--0,008---0,010,00010,008Ост.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы алюминий - медь - магний. Предлагаемый сплав предназначен для изготовления сварных изделий авиакосмической техники, способных работать под воздействием нагрузок не только при комнатной температуре, но и при кратковременных и весьма длительных воздействиях повышенных температур. Сплав и изделие, выполненное из него, содержат следующие компоненты, мас.%: медь 4,5-7,0, магний 1,75-4,5, марганец 0,25-0,8, титан 0,05-0,45, железо 0,05-0,45, кремний 0,02-0,2, бериллий 0,001-0,07, водород 1,8·10^-6-3,1·10^-5, кальций 0,0001-0,08, кобальт 0,02-0,45, по крайней мере, один элемент из группы: никель 0,001-0,05, хром 0,001-0,05, цинк 0,001-0,05, один элемент из группы: цирконий 0,055-0,45, ванадий 0,055-0,45, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является создание деформируемого сплава на основе алюминия и изделия из него, обладающих хорошей свариваемостью, малой склонностью к горячеломкости, повышенным значением жидкотекучести, жаропрочности и коррозионной стойкости, а также высокой прочностью сварного соединения при 20°С и повышенных температурах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, железо, кремний, бериллий, водород, по крайней мере, один элемент из группы: никель, хром, цинк, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, кальций и один элемент из группы: цирконий, ванадий при следующем соотношении компонентов мас.%:

Cu 4,5-7,0

Mg 1,75-4,5

Mn 0,25-0,8

Ti 0,05-0,45

Fe 0,05-0,45

Si 0,02-0,2

Be 0,001-0,07

H 1,8÷10^-6-3,1·10^-5

Ca 0,0001-0,08

Со 0,02-0,45

по крайней мере, один элемент из группы:

Ni 0,001-0,05

Cr 0,001-0,05

Zn 0,001-0,05

один элемент из группы:

Zr 0,055-0,45

V 0,055-0,45

Al - Остальное.