УПРОЩЕННЫЙ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТАНЫХ ПРОДУКТОВ ИЗ СПЛАВОВ Al-Zn-Mg И ПРОДУКТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ДАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2008 года по МПК C22F1/53 C22F1/47 C22C21/10 C22C21/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сплавам типа Al-Zn-Mg с высокой механической прочностью и более конкретно к сплавам, предназначенным для сварных конструкций, таких как конструкции, используемые в области морского строительства, при изготовлении кузовов автомобилей, промышленных транспортных средств и неподвижных или подвижных резервуаров.

Уровень техники

Для изготовления сварных конструкций обычно используют алюминиевые сплавы серий 5ххх (5056, 5083, 5383, 5086, 5186, 5182, 5054 и т.п.) и 6ххх (6082, 6005А и т.п.). Свариваемые сплавы 7ххх с низким содержанием меди (такие как 7020, 7108 и т.п.) тоже пригодны для изготовления сварных деталей в той мере, в которой они проявляют очень хорошие механические свойства, включая свойства после сварки. Однако упомянутые сплавы подвержены проблемам расслаивающей коррозии (в состоянии Т4 и в зоне термического влияния сварных швов) и коррозии под напряжением (в состоянии Т6).

Сплавы семейства 5ххх (Al-Mg) обычно применяют в состояниях Н1х (наклепанные), Н2х (наклепанные, затем подвергнутые неполному отжигу), Н3х (наклепанные и стабилизированные) или О (отожженные). Выбор металлургического состояния зависит от того баланса между механической прочностью, коррозионной стойкостью и деформируемостью, которого добиваются для данного применения.

Сплавы 7ххх (Al-Zn-Mg) называют сплавами «с дисперсионным твердением», что означает, что они приобретают свои механические свойства в результате осаждения (выделения вторичных фаз) дополнительных элементов (Zn, Mg). Специалист в данной области техники знает, что для получения этих механических свойств горячая обработка давлением путем прокатки или волочения (выдавливания) сопровождается термообработкой на твердый раствор, закалкой и отпуском. Эти операции, осуществляемые в большинстве случаев по отдельности, имеют целью, соответственно, растворить элементы сплава, сохранить их в виде пересыщенного твердого раствора до комнатной температуры и, наконец, осадить их контролируемым образом.

Сплавы семейства 6ххх (Al-Mg-Si) и 7ххх (Al-Zn-Mg) обычно применяют в отпущенном состоянии. В случае продуктов в форме листов или полос отпуск, придающий максимум механической прочности, обозначают как Т6 в том случае, когда обработка прокаткой или волочением сопровождается видом термообработки на твердый раствор и закалкой.

При определении размеров конструкции теми параметрами, которые определяют выбор потребителя, являются, главным образом, статические механические характеристики, то есть прочность на разрыв R_m, предел упругости R_p0,2 и удлинение при разрыве А. Другими параметрами, которые принимаются в расчет в зависимости от специфических требований намеченного применения, являются механические характеристики сварного соединения, стойкость к коррозии (расслаивающей и под напряжением) листа и сварного соединения, усталостная прочность листа и сварного соединения, устойчивость к распространению трещин, вязкость, размерная стабильность после резки или сварки, абразивная стойкость. Для каждого намеченного применения надо найти подходящий баланс между перечисленными различными свойствами.

Возможность промышленно производить катаные продукты постоянного качества с использованием как можно более простого и обладающего как можно более низкой себестоимостью способа изготовления также является важным фактором при выборе материала.

Для сплавов 7ххх (Al-Zn-Mg) существующий уровень техники предлагает несколько путей улучшения баланса свойств.

Патент GB 1419491 (British Aluminium) раскрывает свариваемый (т.е. пригодный для сварки) слав, содержащий 3,5-5,5% цинка, 0,7-3,0% магния, 0,05-0,30% циркония, необязательно вплоть до 0,05% хрома и марганца каждый, вплоть до 0,10% железа, вплоть до 0,075% кремния и вплоть до 0,25% меди.

Статья Юнга «Новые свариваемые сплавы AlZnMg» (B.J.Young, "New weldable AlZnMg alloys"), опубликованная в журнале Light Metals Industry в ноябре 1963, касается двух сплавов состава:

Zn 5,0%; Mg 1,25%; Mn 0,5%; Cr 0,15%; Cu 0,4% и

Zn 4,5%; Mg 1,2%; Mn 0,3%; Cr 0,2%.

Статья упоминает об использовании сплавов данного типа для кузовов грузовых автомобилей и в морском строительстве.

Патент FR 1501662 (Vereinigte Aluminium-Werke Aktiengesellschaft) раскрывает свариваемый сплав состава:

Zn 5,78%; Mg 1,62%; Mn 0,24%; Cr 0,13%; Cu 0,02%; Zr 0,17%,

используемый в форме листов толщиной 4 мм после термообработки на твердый раствор в течение часа при 480°С, закалки в воде и отпуска в две стадии (24 часа при 120°С плюс 2 часа при 180°С), для изготовления брони.

Патент US 5061327 (Aluminium Company of America) раскрывает способ изготовления катаного продукта из алюминиевого сплава, включающий в себя отливку пластины, гомогенизацию, горячую прокатку, повторный нагрев заготовки до температуры, находящейся в интервале от 260°С до 582°С, ее быстрое охлаждение, осадительную обработку при температуре в интервале от 93°С до 288°С, затем холодную или горячую прокатку при температуре, не превышающей 288°С.

Проблема, подлежащая разрешению

Проблема, которую пытается решить настоящее изобретение, заключается прежде всего в том, чтобы улучшить баланс определенных свойств сплавов Al-Zn-Mg в форме листов или полос, а именно баланс между механическими характеристиками (определяемыми для основного металла и для сварного соединения) и коррозионной стойкостью (отслаивающая коррозия и коррозия под напряжением). Кроме того, задачей является получение упомянутых продуктов как можно более простым и надежным способом, позволяющим изготовить их с как можно более низкой себестоимостью.

Раскрытие изобретения

Первым объектом настоящего изобретения является способ изготовления промежуточного катаного продукта из алюминиевого сплава типа Al-Zn-Mg, включающий в себя следующие стадии, на которых:

а) полунепрерывным литьем изготовляют пластину, содержащую (в массовых процентах):

Mg 0,5-2,0; Mn<1,0; Zn 3,0-9,0; Si<0,50; Fe<0,50;

Cu<0,50; Ti<0,15; Zr<0,20; Cr<0,50;

остальное - алюминий с его неизбежными примесями, в котором Zn/Mg>1,7;

b) подвергают упомянутую пластину гомогенизации и/или повторному нагреву до температуры Т₁, выбранной так, что 500°С≤Т₁≤(Т_S-20°С), где Т_S представляет собой температуру пережога сплава,

с) осуществляют первую стадию горячей прокатки, включающую в себя один или несколько проходов прокатки на стане горячей прокатки, причем температуру на входе Т₂ выбирают такой, что (Т₁-60°С)≤Т₂≤(Т₁-5°С), а процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура на выходе Т₃ была такой, что (Т₁-150°С)≤Т₃≤(Т₁-30°С) и Т₃<Т₂;

d) охлаждают полосу, полученную на упомянутой первой стадии горячей прокатки, при помощи подходящего средства до температуры Т₄;

е) осуществляют вторую стадию горячей прокатки упомянутой полосы на сдвоенном прокатном стане, причем температуру на входе выбирают такой, что Т₅≤Т₄ и 200°С≤Т₅≤300°С, а процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура наматывания Т₆ была такой, что (Т₅-150°С)≤Т₆≤(Т₅-20°С).

Вторым объектом является продукт, который может быть получен способом согласно изобретению, необязательно - после дополнительных стадий холодной деформации и/или термообработки, и который имеет предел упругости R_р0,2 по меньшей мере 250 МПа, прочность на разрыв R_m по меньшей мере 280 МПа и удлинение при разрыве по меньшей мере 8%. Предпочтительно R_р0,2 составляет_{по меньшей мере 290 МПа, а Rm - по меньшей мере 330 МПа.}

Третьим объектом является применение продукта, полученного способом согласно изобретению, для изготовления сварных конструкций.

Еще одним объектом является сварная конструкция, реализованная с использованием по меньшей мере двух продуктов, которые могут быть получены способом согласно изобретению, отличающаяся тем, что ее предел упругости в сварном соединении между двумя упомянутыми продуктами составляет по меньшей мере 200 МПа.

Краткое описание фигур

Фиг.1 представляет типичный технологический процесс изготовления в виде диаграммы время-температура. Цифровые метки соответствуют различным стадиям способа:

(1) Первая стадия горячей прокатки

(2) Охлаждение

(3) Вторая стадия горячей прокатки

(4) Намотка и охлаждение в рулоне

Фиг.2 представляет образцы, используемые для испытаний на коррозионное расслаивание.

Фиг.3 представляет образцы, используемые для испытаний на коррозию под напряжением. Размеры даны в миллиметрах.

Фиг.4 дает принцип испытания при медленной деформации растяжения (коррозия под напряжением).

Фиг.5 сравнивает предел упругости в направлении L (черные точки, соединенные черной кривой) и потерю массы во время испытания на расслаивающую коррозию (столбики) для промежуточного продукта согласно изобретению и пяти различных видов термообработки упомянутого промежуточного продукта.

Фиг.6 сравнивает микротвердость по Виккерсу в зоне сварки для трех различных сваренных образцов.

Фиг.7 сравнивает сопротивление разрушению Kr как функцию размера трещины («дельта а», что обозначает Δa) для шести различных листов.

Фиг.8 сравнивает скорость распространения трещин da/dN в листе согласно изобретению относительно листа согласно известному уровню техники.

Подробное описание изобретения

Если не упомянуто противоположное, все указания, связанные с химическим составом сплавов, выражены в массовых процентах. Следовательно, под математическим выражением «0,4 Zn» понимают 0,4-процентное содержание цинка, выраженное в массовых процентах; это в равной мере относится к другим химическим элементам. Обозначение сплавов следует правилам Алюминиевой Ассоциации (Aluminum Association), известным специалисту в данной области. Металлургические состояния определены в европейском стандарте EN 515. Химический состав нормализованных алюминиевых сплавов определен, например, в стандарте EN 573-3. Если не указано противоположное, статические механические характеристики, то есть прочность на разрыв R_m, предел упругости R_p0,2 и удлинение при разрыве А, металлических листов определены испытанием на растяжение согласно стандарту EN 10002-1, при этом место и направление отбора образцов определены в стандарте EN 485-1.

Скорость распространения трещин da/dN определена согласно стандарту ASTM E647, устойчивость к разрушению K_R - согласно стандарту ASTM E 561, сопротивление расслаивающей коррозии (называемой также коррозионным расслаиванием) определено согласно стандарту ASTM G34 (испытание EXCO) или ASTM G85-A3 (испытание SWAAT); дополнительные сведения для упомянутых испытаний, а также для еще более специфических испытаний приведены ниже в описании и в примерах.

Заявитель удивительным образом обнаружил, что можно изготовлять катаные продукты из сплава 7ххх, которые демонстрируют очень хороший баланс свойств, в частности, в сваренном состоянии, при помощи упрощенного способа, в котором термообработку на твердый раствор, закалку и отпуск осуществляют во время горячей обработки давлением путем прокатки.

Способ согласно изобретению может быть осуществлен на сплавах Al-Zn-Mg в широком диапазоне химического состава: Zn 3,0-9,0%, Mg 0,5-2,0%, при этом сплав может также содержать Mn<1,0%, Si<0,50%, Fe<0,50%, Cu<0,50%, Cr<0,50%, Ti<0,15%, Zr<0,20%, а также неизбежные примеси.

Содержание магния должно находиться в диапазоне от 0,5 до 2,0%, а предпочтительно от 0,7 до 1,5%. Ниже 0,5% получают механические свойства, которые являются неудовлетворительными для многих применений, а выше 2,0% констатируют ухудшение коррозионной стойкости сплава. Кроме того, выше 2,0% магния становится неудовлетворительной закаливаемость сплава, что ухудшает эффективность способа согласно изобретению.

Содержание марганца должно быть менее 1,0%, а предпочтительно менее 0,60%, для того, чтобы ограничить подверженность расслаивающей коррозии и чтобы сохранить хорошую закаливаемость. Содержание, не превосходящее 0,20%, является более предпочтительным.

Содержание цинка должно находиться в диапазоне от 3,0 до 9,0%, а предпочтительно от 4,0 до 6,0%. Ниже 3,0% механические характеристики становятся слишком низкими для того, чтобы представлять технический интерес, а выше 9,0% констатируют ухудшение коррозионной стойкости сплава, а также ухудшение закаливаемости.

Отношение Zn/Mg должно быть более 1,7 для того, чтобы позволить остаться в области составов, которые получают выгоду от дисперсионного твердения.

Содержание кремния должно быть менее 0,50% для того, чтобы не ухудшить ни отношение к коррозии, ни сопротивление разрушению. По тем же самым причинам содержание железа также должно быть менее 0,50%.

Содержание меди должно быть менее 0,50%, а предпочтительно менее 0,25%, что позволяет ограничить подверженность питтинговой коррозии и сохранить хорошую закаливаемость. Содержание хрома должно быть менее 0,50%, что позволяет ограничить подверженность расслаивающей коррозии и сохранить хорошую закаливаемость. Содержание титана должно быть менее 0,15%, а содержание циркония менее 0,20%, для того чтобы избежать образования вредных первичных фаз; по Zr предпочитают не превышать 0,15%.

Является полезным добавление одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из Sc, Y, La, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Hf, Yb; их концентрация не должна превосходить следующие значения:

Sc<0,50%, а предпочтительно <0,20%,

Y<0,34%, а предпочтительно <0,17%,

La<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Dy<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Ho<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Er<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Tm<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Lu<0,10%, а предпочтительно <0,05%,

Hf<1,20%, а предпочтительно <0,50%,

Yb<0,50%, а предпочтительно <0,25%.

Под термином «закаливаемость» здесь подразумевают способность сплава закаливаться в достаточно широкой области скоростей закалки. Таким образом, сплав, называемый легкозакаливаемым, представляет собой такой сплав, для которого скорость охлаждения во время закалки не сильно влияет на потребительские свойства (такие как механическая прочность или коррозионная стойкость).

Способ согласно изобретению включает в себя следующие стадии:

а) литье пластины (или плиты) под прокатку из алюминиевого сплава согласно одному из известных способов, причем упомянутый сплав имеет состав, указанный выше;

b) гомогенизацию и/или дополнительный нагрев упомянутой пластины под прокатку при температуре T₁, находящейся в интервале от 500°С до (Т_S-20°С), где Т_S представляет собой температуру пережога сплава, в течение времени, достаточного для гомогенизации сплава, и доведение ее до температуры, необходимой для продолжения процесса;

с) первую стадию горячей прокатки упомянутой пластины, обычно при помощи реверсивного прокатного стана с такой температурой на входе Т₂, что (Т₁-60°С)≤Т₂≤(Т₁-5°С), причем процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура на выходе Т₃ была такой, что (Т₁-150°С)≤Т₃≤(Т₁-30°С) и Т₃<Т₂;

d) охлаждение полосы, полученной на упомянутой первой стадии прокатки, до температуры Т₄ с помощью подходящего средства (подходящим способом);

е) вторую стадию горячей прокатки упомянутой полосы, обычно при помощи сдвоенного прокатного стана, причем температуру на входе Т₅ выбирают такой, что Т₅≤Т₄ и 200°С≤Т₅≤300°С, причем процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура наматывания Т₆ была такой, что (Т₅-150°С)≤Т₆≤(Т₅-20°С).

Температура пережога Т_S является величиной, известной специалисту в данной области техники, который определяет ее, например, непосредственным образом при помощи калориметрии на необработанном образце отливки или с помощью термодинамического расчета с учетом фазовых диаграмм. Температуры Т₂ и Т₅ соответствуют температуре поверхности (чаще всего, верхней поверхности) пластины или полосы, измеренной непосредственно перед ее входом в стан горячей прокатки; выполнение упомянутого измерения может осуществляться согласно методам, известным специалисту в данной области.

В выгодном варианте осуществления температуру Т₃ выбирают такой, что (Т₁-100°С)≤Т₃≤(Т₁-30°С). В другом выгодном варианте осуществления температуру Т₂ выбирают такой, что (Т₁-30°С)≤Т₂≤(Т₁-5°С). В другом выгодном варианте осуществления Т₆ выбирают такой, что (Т₅-150°С)≤Т₆≤(Т₅-50°С).

Предпочтительно выбирать температуру Т₃ таким образом, чтобы она была выше температуры сольвуса сплава. Температура сольвуса определяется специалистом в данной области при помощи дифференциальной калориметрии. Поддержание Т₃ выше температуры сольвуса дает возможность минимизировать крупнозернистое осаждение фаз типа MgZn₂. Предпочтительно, чтобы эти фазы образовывались контролируемым образом в виде мелкодисперсных осадков во время наматывания или после наматывания. Контроль температуры Т₃ является таким образом особенно критичным. Температура Т₄ также является критичным параметром способа.

Между стадиями b) и с), с) и d) и d) и е) температура не должна снижаться ниже точно определенного значения. В частности, желательно, чтобы температура на входе в стан горячей прокатки во время стадии (е), которую осуществляют преимущественно на сдвоенном прокатном стане, была, по существу, равна температуре полосы после охлаждения, что требует либо достаточно быстрого перемещения полосы с одного прокатного стана на другой, либо, предпочтительным образом, поточного (in-line) процесса. В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению стадии b), c), d) и e) осуществляют поточным образом, т.е. элемент объема данного металла (в форме пластины под прокатку или катаной полосы) переходит с одной стадии на другую без промежуточного хранения, способного привести к неконтролируемому снижению его температуры, что сделает неизбежным промежуточный подогрев. Фактически, способ согласно изобретению основан на точном изменении температуры в ходе стадий b), c), d) и e); фиг.1 иллюстрирует вариант осуществления изобретения.

Охлаждение на стадии d) может быть осуществлено при помощи любого средства (способа), обеспечивающего достаточно быстрое охлаждение, такого как погружение, опрыскивание, принудительное конвекционное охлаждение или комбинация перечисленных способов. В качестве примера, пропускание полосы через камеру закалки опрыскиванием, последующее пропускание через камеру закалки за счет естественной или принудительной конвекции и последующее пропускание через вторую камеру закалки опрыскиванием дает хорошие результаты. Напротив, охлаждение за счет естественной конвекции как единственный способ является недостаточно быстрым, будь то в полосе или в рулоне. Обычно, на данной стадии способа охлаждение в рулоне не дает удовлетворительных результатов.

После наматывания (стадия (е)) рулону можно позволить охладиться. Продукт, полученный на стадии (е), может быть подвергнут другим операциям, таким как холодная прокатка, отпуск или резка. В выгодном варианте осуществления изобретения промежуточный катаный продукт согласно изобретению подвергают холодной деформации, составляющей от 1% до 9%, и/или дополнительной термообработке, включающей в себя одну или несколько выдержек (термических площадок) при температурах, находящихся в интервале от 80°С до 250°С, причем упомянутая дополнительная термообработка может быть осуществлена до, после или во время упомянутой холодной деформации.

Способ согласно изобретению задуман таким образом, чтобы иметь возможность осуществлять поточно три операции термообработки, которые обычно осуществляют раздельно: термообработку на твердый раствор (осуществляемую согласно изобретению во время первой стадии горячей прокатки), закалку (осуществляемую согласно изобретению во время охлаждения полосы), отпуск (осуществляемый согласно изобретению во время охлаждения рулона). Более конкретно, способ согласно изобретению может быть осуществлен таким образом, что не будет необходимости в повторном нагреве продукта после того, как он введен в реверсивный стан горячей прокатки, при этом каждую стадию упомянутого способа осуществляют при более низкой температуре, чем предыдущую. Это позволяет экономить энергию. Промежуточный катаный продукт, полученный способом согласно изобретению, может быть использован таким как есть, то есть не подвергая его другим стадиям способа, которые модифицируют его металлургическое состояние; это является предпочтительным. Если необходимо, он может быть подвергнут другим стадиям способа, которые модифицируют его металлургическое состояние, таким как холодная прокатка.

По сравнению со способом, в котором упомянутые три стадии осуществляют раздельно, способ согласно изобретению иногда может приводить, для данного сплава, к слегка менее хорошим статическим механическим характеристикам. Зато, в некоторых случаях, он приводит к улучшению устойчивости к разрушению, а также к улучшению коррозионной стойкости, особенно после сварки. Это было установлено, в частности, для ограниченной области состава, как это будет объяснено впоследствии. Баланс свойств, который получают с использованием способа согласно изобретению, является по меньшей мере столь же интересным, как тот баланс, который получают при обычном способе изготовления, в котором термообработку на твердый раствор, закалку и отпуск осуществляют раздельно и который приводит к состоянию Т6. Вместе с тем, способ согласно изобретению является значительно более простым и менее дорогостоящим, чем известные способы. Преимущественно, он приводит к промежуточному продукту, толщина которого находится в диапазоне от 3 мм до 12 мм: выше 12 мм наматывание становится технически трудным, а ниже 3 мм, помимо технических трудностей горячей прокатки в указанном диапазоне толщин, полоса подвергается опасности слишком охладиться.

Как это будет объяснено ниже, область предпочтительного состава для осуществления способа согласно изобретению характеризуется следующими значениями: Zn 4,0-6,0, Mg 0,7-1,5, Mn<0,60 и предпочтительно Cu<0,25. Сплавы, проявляющие хорошую закаливаемость, являются предпочтительными, и среди этих сплавов предпочитают сплавы 7020, 7003, 7004, 7005, 7008, 7011, 7018, 7022 и 7108.

Особенно выгодным осуществление способа согласно изобретению является на сплаве типа 7108 при следующих условиях: Т₁=550°С, Т₂=540°С, Т₃=490°С, Т₄=270°С, Т₅=270°С, Т₆=150°С.

Продукты из сплавов Al-Zn-Mg согласно изобретению могут быть сварены любыми известными способами сварки, такими как сварка МИА (сварка металлическим электродом в среде инертного газа) или ВИА (дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа), сварка трением, лазерная сварка, сварка электронным пучком. Сварочные испытания были осуществлены на листах с Х-образной скошенной кромкой, сваренных полуавтоматической МИА-сваркой с ровным ходом, с присадочной проволокой из сплава 5183. Сварка была осуществлена в направлении, перпендикулярном прокатке. Механические испытания на сваренных образцах были осуществлены согласно методу, выдвигаемому фирмой Det Norske Veritas (DNV) в их документе «Rules for classification of Ships - Newbuilding - Materials and Welding - Part 2 Chapter 3: Welding» от января 1996 г. Согласно данному методу ширина растягиваемого образца составляет 25 мм, сварной шов выравнивают по отвесу симметрично, и используемая длина образца, так же как и длина используемого тензодатчика, задана выражением (W+2·е), где параметр W обозначает ширину шва, а параметр е обозначает толщину образца.

Более конкретно, заявитель констатировал, что МИА-сварка продуктов согласно изобретению приводит к сварным соединениям, характеризующимся более высокими пределом упругости и пределом прочности на растяжение, чем в случае сплава, изготовленного согласно обычному технологическому процессу (Т6). Данный результат, который выражается в определенном преимуществе для механосварных конструкций, то есть конструкций, в которых зона сварки играет структурную роль, является удивительным в той мере, в которой статические свойства несваренного металла являются скорее более слабыми, чем в состоянии Т6.

Коррозионная стойкость основного металла и сварных соединений была оценена при помощи испытаний SWAAT и EXCO. Испытание SWAAT позволяет оценить степень устойчивости к коррозии (в частности, к расслаивающей коррозии) алюминиевых сплавов обычным образом. Так как способ согласно изобретению приводит к продукту с сильно волокнистой структурой, важно убедиться в том, что упомянутый продукт хорошо устойчив по отношению к расслаивающей коррозии, которая развивается в основном в тех продуктах, в которых обнаруживают волокнистую структуру. Испытание SWAAT описано в приложении А3 к стандарту ASTM G85. Испытание SWAAT является циклическим испытанием. Каждый цикл продолжительностью два часа состоит из фазы увлажнения продолжительностью 90 минут (относительная влажность 98%) и периода опрыскивания продолжительностью тридцать минут раствором, приготовленным (на литр) из соли для искусственной морской воды (смотри табл.1 по поводу состава, который соответствует стандарту ASTM D1141) и 10 мл ледяной уксусной кислоты. Значение рН данного раствора находится в интервале от 2,8 до 3,0. Температура в течение всей продолжительности цикла находится в диапазоне от 48°С до 50°С. В данном испытании испытываемые образцы наклонены под углом от 15° до 30° по отношению к вертикали. Испытание было осуществлено с длительностью 100 циклов.

Таблица 1
Состав соли для искусственной морской воды NaClMgCl₂Na₂SO₄CaCl₂KClNaHCO₃KBrH₃BO₃SrCl₂NaFг/л24,535,204,091,160,690,200,100,0270,0250,003

Испытание EXCO продолжительностью 96 часов описано в стандарте ASTM G34. Оно предназначено главным образом для определения стойкости к расслаивающей коррозии алюминиевых сплавов, содержащих медь, но может также быть применено для сплавов Al-Zn-Mg (см. J. Marthinussen, S. Grjotheim, «Qualification of new aluminium alloys», 3^rd International Forum on Aluminium Ships, Haugesund, Норвегия, май 1998).

Для упомянутых двух типов испытаний были использованы прямоугольные образцы, одна сторона которых была защищена клейкой алюминиевой лентой (чтобы воздействовать только на другую сторону) и поверхность которых, предназначенная для воздействия, была либо оставлена такой как есть, либо была обработана до полутолщины на половине поверхности образца и оставлена с полной толщиной на другой половине. Схемы образцов, использованных для каждого из этих испытаний, представлены на фиг.2 (расслаивающая коррозия) и 3 (коррозия под напряжением).

Заявитель установил, что продукт согласно изобретению проявлял степень устойчивости к расслаивающей коррозии, эквивалентную той, которую получают в случае стандартного продукта (идентичный или близкий сплав в состоянии Т6).

Особенно предпочтительный продукт согласно изобретению содержит от 4,0 до 6,0% цинка, от 0,7 до 1,5% магния, менее 0,60%, а еще более предпочтительно менее 0,20% марганца и менее 0,25% меди. Такой продукт демонстрирует потерю массы менее 1 г/дм² во время испытания SWAAT (100 циклов) и менее 5,5 г/дм² во время испытания EXCO (96 ч) перед отпуском или после отпуска, соответствующего, самое большее, 15 ч при 140°С.

Коррозионная стойкость под напряжением была охарактеризована при помощи метода медленной деформации растяжения (от англ. «Slow Strain Rate Testing»), описанного, например, в стандарте ASTM G129. Данное испытание является более быстрым и более дискриминирующим, чем методы, заключающиеся в определении предельного напряжения неразрыва при коррозии под напряжением. Принцип испытания при медленной деформации растяжения, схематически представленный на фиг.4, заключается в сравнении свойств при деформации растяжения в инертной среде (воздухе лаборатории) и в агрессивной среде. Падение статических механических свойств в коррозионной среде соответствует подверженности коррозии под напряжением. Наиболее чувствительными характеристиками при испытании на деформацию растяжения являются удлинение при разрыве А и максимальное напряжение (в сужении) R_m. Использовали удлинение при разрыве, которое является определенно более дискриминирующей величиной, чем максимальное напряжение. Однако необходимо было убедиться в том, что понижение статических механических характеристик действительно соответствует коррозии под напряжением, определяемой как синергетическое и одновременное действие механической нагрузки и окружающей среды. Таким образом, было предложено осуществить также испытания на деформацию растяжения в инертной среде (воздух лаборатории) после предварительной выдержки образца без напряжения в агрессивной среде в течение того же самого промежутка времени, что и при испытании на деформацию растяжения, осуществляемом в данной среде. Подверженность коррозии под напряжением определяют в таком случае при помощи индекса I, определенного как

Критические аспекты испытания на деформацию растяжения касаются выбора образца для деформации растяжения, скорости деформации и коррозионного раствора. Был использован образец с вырезами, имеющими радиус кривизны 100 мм, что позволяет локализовать деформацию и сделать испытание еще более суровым. Образец был взят в продольном направлении (L) или в продольно-поперечном направлении (TL). Что касается скорости нагружения, то является признанным, в частности, для сплавов Al-Zn-Mg (смотри статью «Коррозия под напряжением кристаллов Al-5Zn-1,2Mg в среде с 30 г/л NaCl» (Corrosion sous contrainte de cristaux Al-5Zn-1,2Mg en milieu NaCl 30 g/l), T.Magnin et C.Dubessy, опубликованную в Memoires et Etudes Scientifiques Revu de Metallurgie в октябре 1985, стр.559-567), что слишком быстрая скорость не позволяет проявиться явлениям коррозии под напряжением, а слишком медленная скорость маскирует коррозию под напряжением. В предварительном испытании заявитель определил скорость деформации в 5·10^-7 с^-1 (соответствующую скорости перемещения ползуна 4,5·10^-4 мм/мин), которая позволяет максимизировать эффекты коррозии под напряжением; именно эта скорость была затем выбрана для испытания. Что касается используемой агрессивной окружающей среды, то проблема того же самого типа возникает при таком измерении, где слишком агрессивная среда маскирует коррозию под напряжением, а слишком слабоагрессивная окружающая среда не позволяет выявить явление коррозии. С целью приближения к реальным условиям применения, а также максимизации эффектов коррозии под напряжением, для данного испытания использовали раствор искусственной морской соли (смотри описание ASTM D1141 с составом, приведенным в табл.1). Для каждого случая были испытаны по меньшей мере три образца.

Заявитель обнаружил, что способ согласно изобретению позволяет получить продукты, которые в области составов, ограниченной по отношению к той области составов, в которой способ согласно изобретению может быть осуществлен, а именно Zn 4,0-6,0%, Mg 0,7-1,5%, Mn<0,60 и Cu<0,25, имеют новые микроструктурные характеристики. Эти микроструктурные характеристики приводят к особенно интересным потребительским свойствам и, в частности, к лучшей коррозионной стойкости.

В таких продуктах согласно изобретению ширина свободной от осадков зоны (PFZ=precipitation free zone) на границах зерен составляет более 100 нм, предпочтительно находится в диапазоне от 100 до 150 нм, а еще более предпочтительно в диапазоне от 120 до 140 нм; упомянутая ширина намного больше аналогичной величины для сравнимых продуктов согласно известному уровню техники (т.е. того же самого состава, той же толщины и полученных стандартным способом Т6), для которых ее значение не превосходит 60 нм. Также установили, что осадки типа MgZn₂ на границах зерен имеют средний размер более 150 нм, а предпочтительно находящийся в диапазоне от 200 до 400 нм, в то время как данный размер в продуктах согласно известному уровню техники на превосходит 80 нм. Кроме того, упрочняющие осадки типа MgZn₂ являются определенно более крупными в продукте согласно изобретению, чем в сравнимом продукте согласно известному уровню техники. Это указывает на то, что в способе согласно изобретению закалка не является столь же быстрой, как в обычном способе с термообработкой на твердый раствор в печи и последующей отдельной закалкой. Ясно, что способ согласно изобретению не позволяет избежать некоторого осаждения крупных фаз, начиная с температуры Т₄. Однако во время осуществления способа согласно изобретению надо заботиться о том, чтобы скорость закалки была бы достаточно высокой и чтобы осаждение было достигнуто при как можно более низкой температуре. Упомянутые фазы не должны осаждаться в большом количестве (массово) при температуре, находящейся в интервале между Т₄ и Т₅.

Упомянутые количественные микроструктурные анализы были осуществлены методом просвечивающей электронной микроскопии с ускоряющим напряжением 120 кВ на образцах, взятых на полутолщине в направлениях L-TL и утоненных электролитически при помощи двойной струи в смеси 30%-ная HNO₃+метанол при -35°С под напряжением 20 В.

Также установили, что продукт, полученный способом согласно изобретению, имеет волокнистую зернистую структуру, т.е. присутствуют зерна, толщина которых или отношение толщина/длина которых является определенно более малым, чем для продуктов согласно известному уровню техники. Для сведения, в продукте согласно изобретению зерна в направлении толщины (короткий поперечный размер) меньше 30 мкм, предпочтительно меньше 15 мкм, а еще более предпочтительно меньше 10 мкм, и их отношение толщина/длина составляет более 60, а предпочтительно более 100, в то время как в сравнимом продукте согласно известному уровню техники зерна имеют размер в направлении толщины (короткий поперечный размер) более 60 мкм и отношение толщина/длина определенно менее 40.

Листы и полосы, изготовленные способом согласно настоящему изобретению, в частности те, которые базируются на ограниченной области составов, определяемой содержаниями Zn 4,0-6,0%, Mg 0,7-1,5%, Mn<0,60 и предпочтительно Cu<0,25, могут быть выгодно использованы для изготовления деталей автомобилей, промышленных транспортных средств, автомобильных или железнодорожных цистерн и при строительстве в морской среде.

Все листы и полосы, изготовленные способом согласно настоящему изобретению, особенно хорошо подходят для сварной конструкции; они могут быть сварены любыми известными способами сварки, которые являются обычными для сплавов данного типа. Можно сваривать листы согласно изобретению между собой или с другими листами из алюминия или алюминиевого сплава, используя подходящую присадочную (электродную) проволоку. Сваривая два или множество листов согласно изобретению, можно получить конструкции, обладающие после сварки пределом упругости (измеренным так, как описано выше), составляющим по меньшей мере 200 МПа. В предпочтительном варианте осуществления данная величина составляет по меньшей мере 220 МПа. Прочность на разрыв сварного соединения, измеренная после старения в течение по меньшей мере одного месяца, составляет по меньшей мере 250 МПа, а в предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере 280 МПа, более предпочтительно по меньшей мере 300 МПа. В предпочтительном варианте осуществления получают зону термического влияния, которая демонстрирует твердость по Виккерсу, составляющую по меньшей мере 100, предпочтительно по меньшей мере 110, а еще более предпочтительно по меньшей мере 115; указанная твердость является по меньшей мере столь же высокой, как твердость основных листов, которые имеют наименее высокую твердость.

Удивительным образом заявитель установил, что продукт, полученный способом согласно изобретению, в предпочтительной области составов (Zn 4,0-6,0%, Mg 0,7-1,5%, Mn<0,60) проявляет более высокое сопротивление истиранию песком (износостойкость), чем сравнимые продукты. Заявитель установил, что упомянутая износостойкость не зависит простым образом ни от механических характеристик продукта, ни от его твердости, ни от его пластичности. Волокнистая структура в направлении ТС представляется благоприятствующей сопротивлению истиранию песком. Для данного потребительского свойства преимущество продукта, полученного способом согласно изобретению, возникает в результате сочетания особой волокнистой структуры, недостижимой согласно известным способам, и того уровня механических характеристик, который ему придает его состав. Заявитель обнаружил, что сопротивление истиранию песком продукта, который может быть получен способом согласно изобретению, выраженное в виде потери массы во время испытания, описанного ниже в примере 10, составляет менее 0,20 г, а предпочтительно менее 0,19 г для плоской открытой поверхности размерами 15×10 мм.

Продукт согласно изобретению обладает хорошими свойствами устойчивости к разрушению. Он может быть использован в качестве конструктивного элемента в авиастроении. В предпочтительном варианте осуществления изобретения продукт демонстрирует вязкость разрушения при плоскостном напряженном состоянии K_R в направлении T-L, измеренную согласно стандарту ASTM E561 на образцах типа CCT шириной w=760 мм и длиной исходной трещины 2а₀=253 мм, в по меньшей мере 165 МПа·м^1/2 при Δа_eff в 60 мм, а предпочтительно по меньшей мере 175 МПа·м^1/2. Его сопротивление распространению усталостных трещин сравнимо с этой же величиной у листов, используемых в настоящее время в качестве обшивки фюзеляжа.

Продукт согласно изобретению и, в частности, те продукты, которые принадлежат к ограниченной области составов, определяемой содержаниями Zn 4,0-6,0%, Mg 0,7-1,5%, Mn<0,60, является, таким образом, пригодным для применения в качестве конструктивного элемента, который должен отвечать особым требованиям по устойчивости к разрушению (вязкость, сопротивление распространению усталостных трещин). «Элементом конструкции» или «конструктивным элементом» механической конструкции здесь называют механическую деталь, поломка которой способна поставить под угрозу безопасность упомянутой конструкции, ее пользователей, ее потребителей или других лиц. В случае самолета упомянутые конструктивные элементы включают в себя, в частности, те детали, которые образуют фюзеляж (такие как обшивка фюзеляжа (fuselage skin по-английски), элементы жесткости или продольные профили фюзеляжа (стрингеры от англ. stringers), герметичные перегородки или гермошпангоуты (от англ. bulkheads), каркасы или силовые наборы фюзеляжа (окружные шпангоуты от англ. circumferential frames)); крылья (такие как обшивка крыла (от англ. wing skin), элементы жесткости (стрингеры или подкрепляющие элементы от англ. stringers или stiffeners), нервюры (от англ. ribs) и лонжероны (от англ. spars)); и хвостовое оперение, а также профили пола (балки перекрытия от англ. floor beams), направляющие сидений (seat tracks) и двери. Совершенно очевидно, что настоящее изобретение касается только тех элементов конструкции, которые могут быть изготовлены исходя из катаных листов. Более конкретно, продукт согласно изобретению пригоден для применения в качестве листового материала для обшивки фюзеляжа с использованием классического соединения (в частности, заклепочного) или сварного соединения.

Способ согласно изобретению позволяет, таким образом, получать новый продукт, обладающий выгодной комбинацией свойств, таких как механическая прочность, устойчивость к разрушению, свариваемость, сопротивление расслаивающей коррозии и коррозии под напряжением и износостойкость, который является особенно подходящим для использования в качестве конструктивного элемента в механической конструкции. В частности, он пригоден для применения в промышленных транспортных средствах (грузовых автомобилях), а также в оборудовании для хранения, транспортировки или погрузки-разгрузки гранулированных продуктов, таком как кузова, резервуары или конвейеры.

Кроме того, способ согласно изобретению является особенно простым и быстрым; его себестоимость является более низкой, чем себестоимость способов согласно известному уровню техники, способных приводить к получению продуктов, обладающих сравнимыми потребительскими свойствами.

Изобретение будет лучше понято при помощи примеров, которые, однако, не имеют ограничительного характера. Примеры 1 и 2 относятся к известному уровню техники. Примеры 3, 4, 8 и 9 соответствуют изобретению. В каждом из примеров 5, 6, 7, 9 и 10 изобретение сравнивается с известным уровнем техники.

Примеры

Пример 1

Данный пример соответствует технологическому процессу обработки согласно известному уровню техники. Полунепрерывным литьем изготавливают две пластины А и В. Их состав указан в табл.2. Химический анализ элементов был осуществлен рентгенофлуоресцентным методом (для элементов Zn и Mg) и методом спектроскопии искрового разряда (для других элементов) на карте (т.е. заготовке), полученной из жидкого металла, вышедшего из литейного канала.

Пластины под прокатку нагревали в течение 22 часов при 530°С и подвергали горячей прокатке, как только они достигали на выходе из печи температуры 515°С. Полосы, прокатанные в горячем состоянии, наматывали при толщине 6 мм, причем способ осуществляли таким образом, чтобы температура, измеренная на кромках рулона после завершения наматывания (на полутолщине рулона), находилась в интервале от 265°С до 275°С, при этом данное значение является средним из 2 измерений, проведенных на двух сторонах рулона. После горячей прокатки рулоны разрезают и часть полученных листов подвергают холодной прокатке до толщины 4 мм.

Таблица 2СплавMgZnMnSiFeCuZrTiCrА1,204,480,120,120,210,100,120,0360,25В1,154,950,0060,040,100,130,110,0110,05

После прокатки все листы были обработаны на твердый раствор в воздушной печи в течение 40 минут при температурах в интервале от 460 до 560°С, закалены водой и растянуты примерно на 2%. Часть продуктов, полученных таким образом, была охарактеризована такой как есть, т.е. в состоянии Т4, что соответствует зоне термического влияния сварных швов. Другая часть была подвергнута обработке отпуска Т6, включающей в себя выдержку в течение 4 часов при 100°С и последующую выдержку в течение 24 часов при 140°С.

Продукты в состоянии Т4 были охарактеризованы только по отношению к расслаивающей коррозии (испытания EXCO и SWAAT), так как известно (смотри, в частности, статью Ребула с соавторами «Подверженность коррозии под напряжением сваренных листов из алюминиевого сплава 7020»: M.C.Reboul, B.Dubost, M.Lashermes, "The stress corrosion susceptibility of aluminum alloy 7020 welded sheets", опубликованную в журнале Corrosion Science, vol.25, №11, стр.999-1018, 1985), что данное состояние является наиболее подверженным расслаивающей коррозии для сплавов Al-Zn-Mg. Для продуктов в состоянии Т6 был измерен предел упругости в продольно-поперечном направлении (T-L) и была определена степень устойчивости к расслаивающей коррозии (потеря массы после испытания SWAAT на образце с полной толщиной или на образце, обработанном до сердцевины на половине его поверхности). Подверженность коррозии под напряжением была определена в двух направлениях только в состоянии Т6, так как известно (смотри статью Ребула и др. (Reboul et al.), цитированную выше), что это состояние является наиболее подверженным коррозии под напряжением. Результаты приведены в табл. 3 и 4. Первая буква в обозначении листа означает состав, вторая - параметры прокатки (С=горячая до 6 мм, F=горячая+холодная до 4 мм) и последняя - температуру термообработки на твердый раствор (В=низкая при 500°С, Н=высокая при 560°С).

Таблица 3Обозначение листаТолщина [мм]Термообработка на твердый растворR_{p0,2 (TL)} Состояние T6 [МПа]Испытание SWAAT Обработанный наполовину [Δm в г/дм²]Испытание SWAAT Полная толщина [Δm в г/дм²]T4Т6Т4Т6ACB6 мм500°С3591,151,081,440,52ACH560°С3620,800,761,240,56AFB4 мм500°С362Не охарактеризован1,140,30AFH560°С3621,100,58BCB6 мм500°С3620,650,681,100,36BCH560°С3750,470,480,660,30BFB4 мм500°С362Не охарактеризован0,740,32BFH560°С3650,520,32

Наблюдают, что подверженность расслаивающей коррозии более слабая у сплава согласно составу В (при идентичных способе изготовления и условиях испытания). Упомянутая подверженность является определенно более сильной в состоянии Т4, чем в состоянии Т6. Она уменьшается, когда увеличивается температура обработки на твердый раствор или когда сплав подвергнут стадии холодной прокатки.

Наблюдают, что подверженность коррозии под напряжением (КПН) является более высокой у сплава согласно составу В. Упомянутая подверженность увеличивается с температурой обработки на твердый раствор.

Таблица 4ЛистТолщина [мм]Термообработка на твердый растворНаправление нагрузкиA% Лабор. воздухA% Морская водаA% Предв. выдержкаI=Индекс КПНACB6 мм500°СВдоль16,214,915,85,5%Поперек15,114,715,12,6%ACH560°СВдоль16,715,116,37,2%Поперек14,713,414,57,5%AFB4 мм500°СВдоль17,015,316,14,7%AFH560°СВдоль16,215,516,45,5%BCB6 мм500°СВдоль16,114,216,111,8%Поперек17,015,616,87,0%BCH560°СВдоль15,213,115,113,1%Поперек16,012,816,020,0%BFB4 мм500°СВдоль15,213,715,310,5%BFH560°СВдоль15,212,215,219,7%

Пример 2

Листы, полученные в примере 1, прокатанные до 6 мм и обработанные на твердый раствор при 560°С, обозначенные как АСН и ВСН, сваривают в состоянии Т6. Сварку осуществляют в продольно-поперечном направлении (T-L) с Х-образной кромкой полуавтоматическим способом МИА-сварки с ровным ходом, с присадочной проволокой из сплава 5183 (Mg 4,81%, Mn 0,651%, Ti 0,120%, Si 0,035%, Fe 0,130%, Zn 0,001%, Cu 0,001%, Cr 0,075%) диаметром 1,2 мм, поставляемой фирмой Soudure Autogéne Française.

Образцы для деформации растяжения (ширина 25 мм, сварной шов выровнен симметрично, используемая длина образца и длина тензодатчика равны (W+2·e), где W обозначает ширину шва и е обозначает толщину образца), берут в продольном направлении перпендикулярно сварному шву таким образом, что сварное соединение находится посредине. Характеризацию осуществляют через 19, 31 и 90 дней после сварки, так как специалист знает, что для сплавов данного типа механические свойства после сварки сильно увеличиваются в течение первых недель старения. Образцы, обработанные до полутолщины на половине их поверхности, также подвергают испытаниям SWAAT и EXCO. Результаты представлены в табл.5 (для свойств на основном металле в состоянии Т6) и 6 (свойства на сваренном металле).

Таблица 5ЛистR_{p0,2 (L)} [МПа]R_{m (L)} [МПа]A% _(L) [%]Потеря массы Δm [г/дм²]Оценка расслаивающей коррозииSWAAT 100 цикловEXCO 96 чSWAAT 100 цикловEXCO 96 чАСН351378170,764,68ЕАЕАВСН35137616,90,483,25РсРс

Таблица 6ЛистR_p0,2 [МПа]R_m [МПа]R_p0,2 [МПа]R_m [МПа]R_p0,2 [МПа]R_m [МПа]Оценка сварной зоны19 дней после сварки31 день после сварки90 дней после сваркиSWAAT 100 цикловEXCO 96 чАСН216346219354236358ЕВЕВВСН194321197325218328ЕВЕВ

Констатируют, что сплав согласно составу В после сварки обладает менее интересными механическими свойствами, чем сплав согласно составу А. После сварки сопротивление расслаивающей коррозии двух сплавов ухудшено по сравнению с поведением основного металла.

Пример 3

Данный пример соответствует настоящему изобретению. Полунепрерывным литьем изготавливают пластину С. Ее состав идентичен составу пластины В из примера 1. После повторного нагрева в течение 13 часов при температуре 550°С (продолжительность на плато выдержки) и последующего плато прокатки при 540°С, пластину подвергают горячей прокатке. Первая стадия на реверсивном прокатном стане доводит пластину до толщины 15,5 мм, при этом температура выхода с прокатного стана составляет примерно 490°С. Прокатанную пластину охлаждают опрыскиванием и за счет естественной конвекции до температуры примерно 260°С. При данной температуре ее подают в сдвоенный прокатный стан (3 клети), прокатывают до конечной толщины 6 мм и наматывают. Температура намотки рулона, измеренная, как в примере 1, составляет примерно 150°С. После естественного охлаждения рулон разрезают на листы. Разрезанные листы выпрямляют и не подвергают никакой другой операции деформирования.

Как в примерах 1 и 2, полученные листы (обозначение «C») характеризуют необработанными после изготовления (статические механические характеристики в продольном (L) и поперечно-продольном (T-L) направлениях, расслаивающая коррозия и коррозия под напряжением) и после сварки (статические механические характеристики, расслаивающая коррозия). Сварку осуществляют одновременно со сваркой примера 2 и тем же самым способом. Образцы, обработанные до полутолщины на половине их поверхности, подвергают испытаниям SWAAT и EXCO. Результаты собраны в табл.7 и 8 (несваренные листы) и в табл.9 (сваренные листы).

Таблица 7Обозначение листаR_p0,2 [МПа]R_m [МПа]А% [%]Потеря массы Δm в [г/дм²]Оценка расслаивающей коррозииSWAAT 100 цикловEXCO 96 чSWAAT 100 цикловEXCO 96 чC305 _(L)344 _(L)14,4 _(L)0,855,1ЕАЕА/ЕВ330 _(TL)356 _(TL)13,3 _(TL)    

Таблица 8Обозначение листаТолщинаНаправление нагрузкиA% Лабор. воздухA% Морская водаA% Предв. выдержкаI=Индекс КПНС6 ммПоперек13,110,813,520%

Таблица 9ЛистR_p0,2 [МПа]R_m [МПа]R_p0,2 [МПа]R_m [МПа]R_p0,2 [МПа]R_m [МПа]Оценка сварной зоны19 дней после сварки31 день после сварки90 дней после сваркиSWAAT 100 цикловEXCO 96 чC223338235338245340ЕВЕВ

Необработанный лист (несваренный) согласно изобретению проявляет более низкую стойкость расслаивающей коррозии, чем лист ВСН, изготовленный исходя из того же самого состава, но значительно более сложным способом изготовления. Зато его стойкость коррозии под напряжением является эквивалентной.

После сварки лист согласно изобретению демонстрирует механическую прочность, которая совершенно определенно выше, чем прочность листов АСН и ВСН, изготовленных способом согласно известному уровню техники. Его стойкость расслаивающей коррозии на сварном шве является эквивалентной.

Констатируют, что способ согласно изобретению позволяет осуществлять намотку при температуре, которая примерно на 120°С ниже, чем способ согласно известному уровню техники в примере 1.

Пример 4

Лист, обозначенный как «C» и полученный в примере 3, подвергают дополнительным термообработкам типа отпуска при температуре 140°С. Полученные таким образом образцы затем охарактеризовывают так же, как в примере 3 (статические механические характеристики в направлении L и расслаивающая коррозия). Полученные результаты собраны в табл.10 и на фиг.5 (черные точки и черная линия соответствуют пределу упругости, а столбики - потере массы во время испытания SWAAT).

Таблица 10ТермообработкаR_p0,2 [МПа]R_m [МПа]А% _(L) [%]Потеря массы Δm в [г/дм²]Оценка расслаивающей коррозииSWAAT 100 цикловEXCO 96 чSWAAT 100 цикловНикакой(«С»)30534414,40,855,1ЕА3 ч, 140°С29933615,10,975,0ЕА6 ч, 140°С29433215,30,895,2Рс/ЕА9 ч, 140°С29733515,30,694,0Рс/ЕА12 ч, 140°С29333215,30,714,1Рс/ЕА15 ч, 140°С28933015,50,673,8Рс

Данный результат показывает, что поведение по отношению к расслаивающей коррозии продукта согласно изобретению может быть очень существенно улучшено простой дополнительной обработкой отпуском или при помощи слегка более высокой температуры намотки, и это, вероятно, без нарушения механических свойств после сварки.

Пример 5

Микроструктуру образцов АСН, ВСН, BFH и С из примеров 1, 2 и 3 охарактеризовывают методом сканирующей электронной микроскопии с электронно-эмиссионной пушкой (FEG-SEM, в режиме BSE (электроны обратного рассеяния), ускоряющее напряжение 15 кВ, диафрагма 30 мкм, рабочее расстояние 10 мм, осуществляемой на микрошлифе в направлении изъятия L-TC с проводящим покрытием Pt/Pd) и методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM, направление изъятия L-TL, приготовление пластин электрохимическим утонением в двойной струе с 30%-ной HNO₃ в метаноле при -35°С и при потенциале 20 В). Все образцы изымают на полутолщине листа.

Наблюдают значительные различия между образцами АСН, ВСН и BFH с одной стороны и образцом С - с другой стороны:

- ширина свободной от осадков зоны (PFZ=precipitation-free zone) на границах зерен составляет примерно 25-35 нм в образцах АСН, ВСН и BFH, тогда как она составляет примерно 120-140 нм в образце С;

- осадки типа MgZn₂ на границах зерен имеют средний размер примерно 30-60 мкм в образцах АСН, ВСН и BFH, тогда как они имеют средний размер в диапазоне от 200 до 400 нм в образце С.

Пример 6

Лист АСН, лист ВСН (изготовленные так, как описано в примере 1) и лист С (изготовленный согласно изобретению так, как описано в примере 3) были сварены в продольно-поперечном направлении (TL) так, как описано в примерах 2 и 3. На микрошлифе, проходящем через сварное соединение (плоскость TC-L), затем определяют микротвердость сварного шва путем последовательных измерений в точках, расположенных на прямой, перпендикулярной сварному шву. Находят величины, указанные в табл.11 и на фиг.6. Параметр «Расст.» [мм] (Dist) указывает расстояние от точки измерения до середины сварочного шва. Значения твердости даны в HV (твердость по Виккерсу).

Таблица 11Расст.-19-18-17-16-15-14-12-11-10-9-8-7-6,5ACH128125129128125124127113120114115111113BCH125123130126131124123121107109111104114C107114113116109110104104107105102103104Расст.-6-5,5-5-4,5-4-3,5-3-2,5-2-1,5-1-0,50ACH112110110109109107113112111118111110107BCH1091091091121101081061091071111057574C1121211191181181191181111101151189487Расст.0,511,522,533,544,555,567ACH110108113113117120125114112111115119118BCH817710910510699109109115107104108112C8889115111112115116119120123122117101Расст.89101112131415161718  ACH123127133125139140135134     BCH111117107128124134131135129130135  C102104103108105109104109105106109  

Констатируют влияние способа изготовления основного листа на характеристики сварного соединения, полученного с упомянутым основным листом: сварное соединение, осуществленное с листом С, изготовленным способом согласно изобретению, показывает отчетливо более высокую твердость в зоне термического влияния сварного шва (HAZ=heat-affected zone) (Расст.=[-5,5,-1,5] и [+1,5,+5,5], чем сварное соединение, осуществленное с листом ВСН того же самого состава, но изготовленного согласно известному способу. Кроме того, для листа С, изготовленного способом согласно изобретению, зона термического влияния демонстрирует твердость, которая выше твердости основного металла, что является совершенно необычным.

Пример 7

Согласно способу, описанному в примере 3 заявки на патент ЕР 1170118 А1, получают листы из сплава 6056, плакированные с двух сторон сплавом 1300. Химический состав сердцевины из сплава 6056 приведен в табл.12. Сравнивают упомянутые продукты с листом С из примера 3 настоящей заявки на патент.

Определяют вязкость разрушения при плоскостном напряженном состоянии в направлении T-L согласно стандарту ASTM E561 на образцах типа ССТ шириной w=760 мм и длиной исходной трещины 2а₀=253 мм. Толщина образцов указана в табл.12. Испытание позволяет определить кривую R материала, дающую сопротивление разрушению K_R как функцию размера трещины Δа. Результаты собраны в табл.13 и на фиг.7.

Также определяют скорость распространения трещин da/dN согласно стандарту ASTM E 647 в направлении T-L при R=0,1 на образце типа ССТ шириной w=400 мм с длиной исходной трещины 2а₀=4 мм, при частоте f=3 Гц. Образцы выкраивают по полной толщине листов. Результаты собраны на фиг.8.

Таблица 12ЛистFe [%]Si [%]Cu [%]Mn [%]Толщина плакированного листа [мм]Толщина образца для кривой R [мм]6056-10,141,010,610,554,54,56056-20,070,830,660,603,23,26056-30,070,830,660,603,23,26056-40,120,850,670,5975,5(*)6056-50,120,850,670,5975,5(*)Примечание: содержание Zr 0,1%, содержание Mg 0,7% для всех пяти листов(*) Получен симметричной обработкой

Таблица 13ЛистС6056-16056-26056-36056-46056-5Δа_eff [мм]Вязкость разрушения при плоскостном напряжении K_R [МПа·м^1/2]10879081888682201171091061111059930138121124128117110401561301391411241185017013715215312912560182 16316413313170193 17317313513680203 183182136140

Констатируют, что продукт согласно изобретению демонстрирует наилучшую вязкость разрушения при плоскостном напряжении K_R в сравнении с аналогичным известным продуктом, в то время как скорость распространения трещин da/dN (T-L) при высоких значениях ΔК является, по существу, сравнимой.

Пример 8

Способом согласно настоящему изобретению изготовляют сплав, состав которого указан в табл.14.

Таблица 14СплавMgZnMnSiFeCuZrTiCrS1,235,000,010,030,090,010,140,030,002

Существенными параметрами способа, называемого здесь S1, являются Т₁=550°С, Т₂=520°С, Т₄=267°С, Т₅=267°С, Т₆=210°С.

Температура Т_S составляет 603°С (значение, полученное численным расчетом). Конечная толщина полосы составляет 6 мм, ее ширина 2400 мм.

Констатируют, что конечный продукт не обнаруживает никакой рекристаллизации. В плоскости L/TC на полутолщине наблюдают волокнистую микроструктуру с зернами толщиной примерно 10 мкм.

Типичные листы, разрезанные на полную ширину в середине рулона, демонстрируют на полуширине механические характеристики, указанные в табл.15.

Таблица 15R_{p0,2 (L)} [МПа]R_{m (L)} [МПа]А% _(L) [%]R_{p0,2 (TL)} [МПа]R_{m (TL)} [МПа]А% _(TL) [%]27523615,927924916,4

Коррозионная стойкость, оцененная при помощи испытания EXCO, была ЕА на поверхности и на полутолщине. Коррозионная стойкость, оцененная при помощи испытания SWAAT, была P на поверхности и на полутолщине, а потеря массы составила 0,52 г/дм² на поверхности и 0,17 г/дм² - на полутолщине.

Пример 9

Способом согласно настоящему изобретению изготовляют сплав, состав которого указан в табл.16.

Таблица 16СплавMgZnMnSiFeCuZrTiCrU1,235,070,190,050,120,070,100,030,002

Четыре рулона (ширина 2415 мм) были изготовлены с различными условиями превращения. Кроме того, был трансформирован один рулон (ширина 1500 мм) состава S (называемый здесь S2) согласно примеру 8.

Существенными параметрами способа являются следующие (все температуры в °С).

Таблица 17РулонТ₁Т₂Т₃Т₄Т₅Т₆1550528435277277240255050844525625622035505174052892892004550499430264264200S2550535460272272155

Температура Т_S для сплава U составляет 600°С (значение, полученное численным расчетом). Толщина полос U3 и U4 составляет 6 мм, толщина полос U1, U2 и S2 - 8 мм.

Типичные листы, разрезанные на полную ширину в середине рулона, демонстрируют на полуширине механические характеристики, указанные в табл.18.

Таблица 18РулонR_{p0,2 (L)} [МПа]R_{m (L)} [МПа]А% _(L) [%]U129826513,5U235833511,4U331729413,2U435233413,4S233230711,9

Пример 10

Сравнивают микроструктуру и сопротивление истиранию различных листов, полученных способом согласно изобретению (обозначение 7108 F7) и согласно известному уровню техники (обозначения 5086 H24, 5186 H24, 5383 H34, 7020 T6, 7075 T6 и 7108 T6). В табл.19 собраны результаты, касающиеся механических характеристик и микроструктуры упомянутых листов.

Таблица 19ОбозначениеR_{p0,2 (L)} [МПа]R_{m (L)} [МПа]А% _(L) [%]Твердость по ВиккерсуСредняя длина зерна [мкм]Напр. ТСНапр. LНапр. TL5086 Н242543271792103001505186 Н242703351794192001105383 Н342793741810581901657020 Т633537115132332002207075 Т654160711191242201557108 Т636039517,51251003903207108 F730534414,41128500290

Материал 7108 T6 имеет состав сплава В из примера 2 и близок к материалу ВСН. Материал 7108 F7 имеет тот же самый состав В из примера 2.

Сопротивление истиранию охарактеризовывают при помощи оригинального устройства, которое воспроизводит такие условия, которые могут встречаться, например, при погрузке, транспортировке и разгрузке песка в кузове. Данное испытание заключается в измерении потери массы образца, подвергаемого вертикальному возвратно-поступательному движению в резервуаре, заполненном песком. Диаметр резервуара составляет примерно 30 см, высота песка примерно 30 см. Держатель образца зафиксирован на вертикальном стержне, соединенном с домкратом с двойным действием, который обеспечивает вертикальное возвратно-поступательное перемещение стержня. Держатель образца выглядит в форме пирамиды с углом 45°. Именно верхушка пирамиды втыкается в песок. Испытываемые образцы размером 15×10×5 мм плотно вставляют в грани пирамиды таким образом, чтобы их поверхность была касательной к поверхности соответствующей грани пирамиды; именно поверхность, соответствующая плоскости L-TL (размер 15×10 мм), подвергается воздействию песка. Глубина проникновения образца в песок составляет 200 мм.

Одинаковый порядок выполнения работ используют для всех образцов. Он включает в себя обезжиривание образца ацетоном, заполнение резервуара одинаковым количеством одного и того же нормализованного песка (песок согласно NF EN 196-1), остановку машины каждые 1000 циклов и замену использованного песка новым песком, взвешивание образцов каждые 2000 циклов (с предшествующей очисткой ацетоном и сжатым воздухом), прекращение испытания после 10000 циклов. Полученные результаты приведены в табл.20.

Таблица 20ОбозначениеИспытываемая поверхностьПотеря массы [г] при 10000 циклов5086 Н24Необработанная0,1985186 Н24Необработанная0,2335383 Н34Необработанная0,1937020 Т6Необработанная0,2527075 Т6Необработанная0,2257108 Т6Обработанная0,1997108 F7Обработанная0,175

Указанные значения потери массы представляют собой среднее значение для трех испытаний; доверительный интервал по порядку величины составляет ±0,01-0,02 г; это подчеркивает хорошую воспроизводимость данного испытания.

Табл.19 демонстрирует очень своеобразную микроструктуру продукта, полученного способом согласно настоящему изобретению, сравнивая два продукта из сплава 7108, один из которых (обозначен Т6) получен согласно известному способу, другой (обозначен F7) - согласно способу, составляющему сущность настоящего изобретения. Табл.20 демонстрирует влияние упомянутой микроструктуры на сопротивление истиранию. Сразу видно, что продукт согласно изобретению более устойчив к истиранию, чем стандартный продукт 5086 Н24. Это подчеркивает его хорошую пригодность для применения в промышленных транспортных средствах (грузовых автомобилях), а также в оборудовании для хранения и перемещения гранулированных продуктов, таком как кузова, резервуары или конвейеры.

Изобретение относится к сплавам типа Al-Zn-Mg, а именно к сплавам, предназначенным для сварных конструкций, таких как конструкции, используемые в области морского строительства, при изготовлении кузовов автомобилей, промышленных транспортных средств и неподвижных или подвижных резервуаров. Способ включает изготовление пластины полунепрерывным литьем. Пластину выполняют из сплава, содержащего, мас.%: Mg 0,5-2,0, Mn<1,0, Zn 3,0-9,0, Si<0,50, Fe<0,50, Cu<0,50, Ti<0,15, Zr<0,20, Cr<0,50, алюминий с его неизбежными примесями - остальное, при этом Zn/Mg>1,7. Затем пластину подвергают гомогенизации и/или повторному нагреву при температуре T₁, выбранной так, что 500°С≤T₁≤(T_s-20°C), где T_s представляет собой температуру пережога сплава. Первая стадия горячей прокатки включает один или несколько проходов прокатки на стане горячей прокатки, причем температуру на входе Т₂ выбирают такой, что (Т₁-60°С)≤Т₂≤(T₁-5°C), а процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура на выходе Т₃ была такой, что (T₁-150°C)≤Т₃≤(T₁-30°C) и Т₃<Т₂. Полосу, полученную на упомянутой первой стадии горячей прокатки, быстро охлаждают до температуры Т₄. Вторую стадию горячей прокатки упомянутой полосы проводят при температуре на входе Т₅, такой что Т₅≤Т₄ и 200°С≤T₅≤300°С. Процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура наматывания Т₆ была такой, что (Т₅-150°С)≤Т₆≤(Т₅-20°С). Улучшают баланс между механическими характеристиками и коррозионной стойкостью основного металла и сварного соединения наиболее простым и надежным способом. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил., 20 табл.

1. Способ изготовления промежуточного катаного продукта из алюминиевого сплава типа Al-Zn-Mg, включающий следующие стадии, на которых

a) полунепрерывным литьем изготовляют пластину, содержащую, мас.%: Mg 0,5-2,0, Mn<1,0, Zn 3,0-9,0, Si<0,50, Fe<0,50, Cu<0,50, Ti<0,15, Zr<0,20, Cr<0,50, алюминий с его неизбежными примесями - остальное, при этом Zn/Mg>1,7;

b) подвергают упомянутую пластину гомогенизации и/или повторному нагреву при температуре T₁, выбранной так, что 500°С≤T₁≤(T_s-20°C), где Ts представляет собой температуру пережога сплава;

c) осуществляют первую стадию горячей прокатки, включающую один или несколько проходов прокатки на стане горячей прокатки, причем температуру на входе Т₂ выбирают такой, что (T₁-60°C)≤Т₂≤(T₁-5°C), а процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура на выходе Т₃ была такой, что (T₁-150°C)≤Т₃≤(T₁-30°C) и Т₃<Т₂;

d) быстро охлаждают полосу, полученную на упомянутой первой стадии горячей прокатки, до температуры Т₄;

е) осуществляют вторую стадию горячей прокатки упомянутой полосы, причем температуру на входе T₅ выбирают такой, что Т₅≤Т₄ и 200°С≤Т₅≤300°С, а процесс прокатки проводят таким образом, чтобы температура наматывания Т₆ была такой, что (Т₅-150°С)≤Т₆≤(T₅-20°С).

Sc<0,50%, а предпочтительно <0,20%,

Y<0,34%, а предпочтительно <0,17%,

La, Dy, Но, Er, Tm, Lu<0,10% каждый, а предпочтительно <0,05% каждый,

Hf<1,20%, а предпочтительно <0,50%,

Yb<0,50%, а предпочтительно <0,25%.