ТОЛСТОСТЕННАЯ ПЛИТА ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ И МАЛОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К БЫСТРОМУ ОХЛАЖДЕНИЮ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК C22C21/10 C22F1/53 

Настоящее изобретение относится к толстостенной плите из алюминиевого сплава с высокой прочностью и малой чувствительностью к быстрому охлаждению, а также к способу изготовления таких толстостенных плит.

В промышленности и прежде всего в автомобилестроении постоянно возрастает потребность в крупных пластмассовых деталях, таких, например, как цельные бамперы. Для изготовления соответственно крупных литьевых форм требуются плиты, толщина которых часто превышает 150 мм, а в некоторых случаях даже превышает 500 мм.

В настоящее время для изготовления литьевых форм с толщиной стенок, например, от 50 до 300 мм, обычно используют горячекатаные и подвергнутые искусственному старению плиты. Более крупные литьевые формы с толщиной стенок более 300 мм изготавливали либо из кованых слитков, либо даже непосредственно из непрерывно-литых заготовок.

Существенный недостаток применяемых в настоящее время для изготовления литьевых форм алюминиевых сплавов состоит в их высокой чувствительности к быстрому охлаждению. Для придания литым заготовкам или плитам путем их искусственного старения необходимой для литьевых форм прочности скорость их охлаждения, начиная с температуры гомогенизации или отжига в области твердого раствора, необходимо с возрастанием толщины плит увеличивать. Из-за возникающей при этом высокой разности температур между поверхностью и сердцевиной литых заготовок или плит в них возрастают опасные остаточные напряжения, и поэтому по одной только этой причине ограничивается возможность дальнейшего повышения скорости охлаждения, а тем самым и окончательно достижимой прочности сплава.

В основу настоящего изобретения была положена задача предложить толстостенную плиту высокой прочности из алюминиевого сплава с малой чувствительностью к быстрому охлаждению.

Еще одна задача изобретения состояла в разработке соответствующего способа, которым такой алюминиевый сплав можно было бы перерабатывать в толстостенные плиты с достаточно высокой прочностью по всей их толщине.

Указанная задача решается согласно изобретению в плите из алюминиевого сплава, полученной непрерывной разливкой сплава с получением заготовки толщиной более 300 мм, нагревом заготовки до температуры 470-490°С, гомогенизацией заготовки при этой температуре, горячей прокаткой гомогенизированной заготовки с получением плиты толщиной менее 300 мм или 25 охлаждением гомогенизированной заготовки до промежуточной температуры 400-410°С, охлаждением полученной горячей прокаткой плиты или, соответственно, охлажденной до 400-410°С заготовки до температуры ниже 100°С, охлаждением плиты или, соответственно, заготовки до комнатной температуры и искусственным старением плиты или, соответственно, заготовки, причем алюминиевый сплав имеет следующий состав:

Zn от 4,6 до 5,2 мас.%, Mg от 2,6 до 3,0 мас.%, Cu от 0,1 до 0,2 мас.%, Zr от 0,05 до 0,2 мас.%, Mn максимум 0,05 мас.%, Cr максимум 0,05 мас.%, Fe максимум 0,15 мас.%, Si максимум 0,15 мас.%, Ti максимум 0,10 мас.%, остальное алюминий и обусловленные особенностями технологического процесса примеси.

На долю указанных примесей может приходиться по отдельности максимум 0,05 мас.% и в сумме максимум 0,15 мас.%.

Состав сплава выбирают согласно изобретению таким образом, чтобы он имел исключительно низкую чувствительность к быстрому охлаждению, но вместе с тем обладал исключительно высокой прочностью. В соответствии с этим имеющим толстое поперечное сечение изделиям или заготовкам из такого сплава можно путем интенсивного охлаждения на воздухе и дисперсионного твердения придавать высокую прочность.

В предпочтительном варианте сплав содержит отдельные легирующие элементы в следующих количествах:

Zn от 4,6 до 4,8 мас.%, Mg от 2,6 до 2,8 мас.%, Cu от 0,1 до 0,15 мас.%, Zr от 0,08 до 0,18 мас.%, Mn максимум 0,03 мас.%, Cr максимум 0,02 мас.%, Fe максимум 0,12 мас.%, Si максимум 0,12 мас.%, Ti максимум 0,05 мас.%.

Для применения сплава в качестве конструкционного материала для изготовления литьевых форм в изготовленной из него плите следует стремиться к максимально изотропному распределению остаточных напряжений по ее поперечному сечению. Для снятия остаточных напряжений важное значение имеет помимо прочего размер и форма зерен сплава, из которого изготовлена плита. Чем мельче и равномернее кристаллы, тем эффективнее могут выравниваться остаточные напряжения по поперечному сечению плиты. При этом границы зерен служат стоками дислокации при снятии локальных пиковых напряжений. Как указано ниже, добавление циркония позволяет получить плиту с мелкозернистой структурой ее материала, для чего скорость нагрева литой заготовки до температуры гомогенизации, соответственно до температуры отжига в области твердого раствора, выбирают с таким расчетом, чтобы субмикронные выделения Al₃Zr были максимально равномерно распределены в структуре сплава.

Для изготовления предлагаемых в изобретении плит из алюминиевого сплава можно использовать прежде всего два следующих способа, которые в зависимости от требуемой толщины стенки литьевой формы позволяют получать горячекатаную и подвергнутую искусственному старению плиту либо используемую в качестве нее непрерывно-литую заготовку.

Плиты толщиной до 300 мм изготавливают способом, который отличается тем, что

A) из алюминиевого сплава его непрерывной разливкой изготавливают заготовки толщиной более 300 мм,

Б) заготовки нагревают до температуры 470-490°°С со скоростью, которая в интервале температур от 170 до 410°С составляет максимум 20°С/ч,

B) заготовки гомогенизируют в течение 10-14 ч при температуре 470-490°С,

Г) гомогенизированные заготовки подвергают горячей прокатке с получением из них плит,

Д) плиты охлаждают от температуры 400-410°С до температуры ниже 100°С,

Е) плиты охлаждают до комнатной температуры и

Ж) плиты подвергают искусственному старению.

В качестве плит толщиной более 300 мм и прежде всего толщиной более 500 мм можно использовать непосредственно изготовленные из предлагаемого в изобретении сплава непрерывно-литые заготовки. В этом случае предлагаемый в изобретении способ отличается тем, что

A) из сплава его непрерывной разливкой изготавливают заготовки толщиной более 300 мм,

Б) заготовки нагревают до температуры 470-490°С со скоростью, которая в интервале температур от 170 до 410°С составляет максимум 20°С/ч,

B) заготовки гомогенизируют в течение 10-14 ч при температуре 470-490°С,

Г) заготовки охлаждают до промежуточной температуры, составляющей 400-410°С,

Д) заготовки охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С,

Е) заготовки охлаждают до комнатной температуры,

Ж) заготовки подвергают искусственному старению и

З) подвергнутые искусственному старению заготовки используют в качестве плит.

В предпочтительном варианте заготовки охлаждают от температуры гомогенизации, составляющей 470-490°С, до промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, в неподвижной воздушной атмосфере.

Охлаждать заготовки от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, необходимо с такой скоростью, при которой обеспечивается минимально возможное снижение их прочности. С другой стороны, скорость охлаждения заготовок не должна быть и слишком высокой, поскольку в противном случае в них будут возникать слишком высокие остаточные напряжения.

Охлаждать заготовки от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С предпочтительно в потоке воздуха (принудительное воздушное охлаждение) либо водяным туманом. При выборе условий охлаждения необходимо учитывать также толщину непрерывно-литых заготовок. Однако для специалистов в данной области очевидно, что оптимальные условия охлаждения непрерывно-литых заготовок заданных размеров можно определять проведением простых опытов.

Нагрев заготовок до температуры гомогенизации с низкой скоростью в интервале температур от 170 до 410°С является важной отличительной особенностью предлагаемого в изобретении способа. В указанном интервале температур, называемом также интервалом температур придания сплаву гетерогенной структуры, равновесная фаза AlZnMg (Т-фаза) остается стабильной. Медленный нагрев заготовок в интервале температур придания 30 сплаву гетерогенной структуры приводит к мелкодисперсному выделению Т-фазы, межфазные поверхности выделившихся частиц которой образуют преимущественные места возникновения зародышей для частиц Al₃Zr, выделение которых начинается при температуре, равной примерно 350°С. При дальнейшем нагреве заготовок до температуры гомогенизации выделившиеся ранее частицы Т-фазы растворяются, и остаются равномерно распределенные мелкодисперсные субмикронные выделения Al₃Zr, которые располагаются преимущественно на первоначальных границах частиц Т-фазы, а также на субграницах и которые тем самым оказываются равномерно распределены в структуре сплава. Такие мелкодисперсные частицы Al₃Zr в значительной степени подавляют рост зерен при рекристаллизации материала плит и при отжиге в области твердого раствора, и при гомогенизационном отжиге литых заготовок, в сплаве которых в результате образуется требуемая изотропная зеренная структура. Тем самым обеспечивается оптимальное использование легирующего элемента Zr как модификатора.

Еще одна важная отличительная особенность предлагаемого в изобретении способа заключается в комбинировании гомогенизационного отжига и отжига в области твердого раствора с последующим двухступенчатым охлаждением, тогда как в обычных, известных из уровня техники методах для обеспечения все еще приемлемой прочности и в сердцевине литой заготовки ее необходимо подвергать отдельному отжигу в области твердого раствора с последующим быстрым охлаждением с высокой скоростью.

Под выражением "охлаждение в потоке воздуха", соответственно "принудительное воздушное охлаждение" в данном контексте подразумевается обеспечиваемое обычно вентиляторами охлаждение на воздухе, при котором коэффициент теплоотдачи на поверхности литой заготовки составляет примерно 40 Вт/м²·К. При охлаждении же водяным туманом коэффициент теплоотдачи на поверхности литой заготовки несколько выше указанного значения.

Предлагаемый в изобретении сплав обладает малой чувствительностью к быстрому охлаждению. При изготовлении толстостенных плит из предлагаемого в изобретении сплава снижение прочности в их сердцевине оказывается несмотря на сравнительно мягкие условия охлаждения меньше, чем у плит, изготовленных из известных из уровня техники сплавов. Помимо этого при создании изобретения неожиданно было установлено, что этот эффект у изготовленных непосредственно из непрерывно-литых заготовок плит имеет еще более высокую выраженность, чем у горячекатаных плит.

При изготовлении толстостенных плит их двухступенчатое охлаждение от температуры гомогенизации до комнатной температуры зарекомендовало себя как наиболее предпочтительное для придания сплаву структуры с малыми остаточными напряжениями. Для искусственного старения сплава его предпочтительно сначала подвергать выдержке при комнатной температуре, затем подвергать первой термообработке выдержкой при первой температуре и в завершение подвергать второй термообработке выдержкой при второй температуре, которая выше первой температуры, например, в следующем режиме:

- выдержка в течение 1-30 дней при комнатной температуре,

- выдержка в течение 6-10 ч при температуре 90-100°С,

- выдержка в течение 8-22 ч при температуре 150-160°С.

Сплав наиболее предпочтительно подвергать искусственному старению до термообработанного состояния Т76.

Область применения предлагаемого в изобретении сплава и изготовленных из него толстостенных плит определяется описанным выше набором его свойств. Изготовленные из предлагаемого в изобретении сплава плиты пригодны прежде всего для изготовления из них литьевых форм, т.е. форм для литья пластмасс под давлением, а также в общем случае для применения в машиностроении, в инструментальном производстве и в производстве литейных и литьевых форм.

Другие преимущества и отличительные особенности изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых показано:

на фиг.1 - распределение твердости по Бринеллю по части поперечного сечения непрерывно-литой заготовки с размерами поперечного сечения 440×900 мм после ее охлаждения вентиляторами,

на фиг.2 - измеренное изменение температур на поверхности и в сердцевине непрерывно-литой заготовки с размерами поперечного сечения 440×900 мм при ее охлаждении вентиляторами,

на фиг.3 - расчетная внутренняя разность температур, соответствующая показанному на фиг.2 изменению температур,

на фиг.4 - расчетное изменение температур на поверхности и в сердцевине непрерывно-литой заготовки с размерами поперечного сечения 1000×1200 мм при ее охлаждении вентиляторами и

на фиг.5 - расчетная внутренняя разность температур, соответствующая показанному на фиг.4 изменению температур.

Пример

Из сплава следующего состава (в мас.%): 0,040 Si, 0,08 Fe, 0,14 Cu, 0,0046 Mn, 2,69 Mg, 0,0028 Cr, 4,69 Zn, 0,017 Ti, 0,16 Zr, остальное - Al, в промышленных условиях отливали непрерывно-литую заготовку с размерами в поперечном сечении 440×900 мм. Эту литую заготовку в течение 30 ч нагревали до температуры 480°С, при этом скорость нагрева в интервале температур от 170 до 410°С не должна была превышать 20°С/ч. Для компенсации обусловленных затвердеванием микроликваций литую заготовку подвергали гомогенизации ее выдержкой в течение 12 ч при 480°С.

После этого гомогенизированную литую заготовку охлаждали на первой стадии в неподвижной воздушной атмосфере от температуры гомогенизации до промежуточной температуры, равной 400°С, а затем на второй стадии охлаждали вентиляторами от 400°С до 100°С. Последующее охлаждение до комнатной температуры вновь проводили в неподвижной воздушной атмосфере.

Далее литую заготовку после ее выдержки в течение 14 дней при комнатной температуре подвергали искусственному старению выдержкой в течение 8 ч при 95°С, а затем в течение 18 ч при 155°С до переупрочненного состояния Т76.

Затем от подвергнутых искусственному старению литых заготовок перпендикулярно их продольному направлению отрезали контрольные образцы, по поперечному сечению которых измеряли их твердость по Бринеллю. Представленные на фиг.1 зоны одинаковой твердости наглядно свидетельствуют о небольшом снижении твердости, соответственно прочности литой заготовки в ее сердцевине по сравнению с этими же показателями на ее поверхности.

На фиг.2 показаны построенные по измеренным значениям кривые изменения во времени температуры на поверхности (О) и в сердцевине (К) литой заготовки с размерами в поперечном сечении 440×900 мм при ее охлаждении вентиляторами, а на фиг.3 показаны рассчитанные на основе этих кривых графики разности между температурой Т_К в сердцевине литой заготовки и температурой Т_О на ее поверхности. Для сравнения на фиг.4 и 5 показаны соответствующие кривые для литой заготовки с размерами поперечного сечения 1000×1200 мм. Приведенные на этих графиках результаты свидетельствуют о том, что изготовленные предлагаемым в изобретении способом литые заготовки толщиной вплоть до 1000 мм все еще должны соответствовать требованиям, предъявляемым к механической прочности плит, предназначенных для изготовления из них литьевых форм.

Изобретение относится к толстостенной плите из алюминиевого сплава с высокой прочностью и малой чувствительностью к быстрому охлаждению, а также к способу изготовления таких толстостенных плит и может быть использовано в автомобилестроении. Плита из алюминиевого сплава получена непрерывной разливкой сплава с получением заготовки толщиной более 300 мм, нагревом заготовки до температуры 470-490°С, гомогенизацией заготовки при этой температуре, горячей прокаткой гомогенизированной заготовки с получением плиты толщиной менее 300 мм или охлаждением до промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, последующим охлаждением от промежуточной температуры 400-410°С до температуры ниже 100°С, охлаждением плиты до комнатной температуры и искусственным старением плиты. Алюминиевый сплав имеет следующий состав, мас.%: Zn от 4,6 до 5,2, Mg от 2,6 до 3,0, Cu от 0,1 до 0,2, Zr от 0,05 до 0,2, Mn максимум 0,05, Cr максимум 0,05, Fe максимум 0,15, Si максимум 0,15, Ti максимум 0,10, остальное алюминий и обусловленные особенностями технологического процесса примеси. Получают толстостенную плиту, обладающую высокой прочностью по всей толщине, с малой чувствительностью к быстрому охлаждению. 5 н. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плита из алюминиевого сплава, полученная непрерывной разливкой сплава с получением заготовки толщиной более 300 мм, нагревом заготовки до температуры 470-490°С, гомогенизацией заготовки при этой температуре, горячей прокаткой гомогенизированной заготовки с получением плиты толщиной менее 300 мм, охлаждением полученной горячей прокаткой плиты до температуры ниже 100°С, охлаждением плиты до комнатной температуры и искусственным старением плиты, причем алюминиевый сплав имеет следующий состав, мас.%:
Zn от 4,6 до 5,2 Mg от 2,6 до 3,0 Cu от 0,1 до 0,2 Zr от 0,05 до 0,2 Mn максимум 0,05 Cr максимум 0,05 Fe максимум 0,15 Si максимум 0,15 Ti максимум 0,10

алюминий и обусловленные
особенностями технологического
процесса примеси остальное

2. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Zn составляет от 4,6 до 4,8 мас.%.

3. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Mg составляет от 2,6 до 2,8 мас.%.

4. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Cu составляет от 0,10 до 0,15 мас.%.

5. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Zr составляет от 0,08 до 0,18 мас.%.

6. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Mn составляет максимум 0,03 мас.%.

7. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Cr составляет максимум 0,02 мас.%.

8. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Fe составляет максимум 0,12 мас.%.

9. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Si составляет максимум 0,12 мас.%.

10. Плита по п.1, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Ti составляет максимум 0,05 мас.%.

11. Плита из алюминиевого сплава, полученная непрерывной разливкой сплава с получением заготовки толщиной более 300 мм, нагревом заготовки до температуры 470-490°С, гомогенизацией заготовки при этой температуре, охлаждением гомогенизированной заготовки до промежуточной температуры 400-410°С, охлаждением заготовки, охлажденной до 400-410°С, до температуры ниже 100°С, охлаждением заготовки до комнатной температуры и искусственным старением заготовки, причем алюминиевый сплав имеет следующий состав, мас.%:
Zn от 4,6 до 5,2 Mg от 2,6 до 3,0 Cu от 0,1 до 0,2 Zr от 0,05 до 0,2 Mn максимум 0,05 Cr максимум 0,05 Fe максимум 0,15 Si максимум 0,15 Ti максимум 0,10

алюминий и обусловленные
особенностями технологического
процесса примеси остальное

12. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Zn составляет от 4,6 до 4,8 мас.%.

13. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Mg составляет от 2,6 до 2,8 мас.%.

14. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Cu составляет от 0,10 до 0,15 мас.%.

15. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Zr составляет от 0,08 до 0,18 мас.%.

16. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Mn составляет максимум 0,03 мас.%.

17. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Cr составляет максимум 0,02 мас.%.

18. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Fe составляет максимум 0,12 мас.%.

19. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Si составляет максимум 0,12 мас.%.

20. Плита по п.11, отличающаяся тем, что содержание в сплаве Ti составляет максимум 0,05 мас.%.

21. Способ изготовления плит толщиной до 300 мм из алюминиевого сплава, отличающийся тем, что
A) из алюминиевого сплава с составом по любому из пп.1-10 непрерывной разливкой изготавливают заготовки толщиной более 300 мм,
Б) заготовки нагревают до температуры 470-490°С со скоростью, которая в интервале температур от 170 до 410°С составляет максимум 20°С/ч,
B) заготовки гомогенизируют в течение 10-14 ч при температуре 470-490°С,
Г) гомогенизированные заготовки подвергают горячей прокатке с получением из них плит,
Д) плиты охлаждают от температуры 400-410°С до температуры ниже 100°С,
Е) плиты охлаждают до комнатной температуры и
Ж) плиты подвергают искусственному старению.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что плиты охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С в потоке воздуха (принудительное воздушное охлаждение).

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что плиты охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С водяным туманом.

24. Способ по п.21, отличающийся тем, что для искусственного старения сплава его последовательно подвергают выдержке при комнатной температуре, затем подвергают первой термообработке выдержкой при первой температуре и в завершение подвергают второй термообработке выдержкой при второй температуре, которая выше первой температуры.

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что сплав выдерживают в течение 1-30 дней при комнатной температуре, в течение 6-10 ч при температуре 90-100°С, в течение 8-22 ч при температуре 150-160°С.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что сплав подвергают искусственному старению до термообработанного состояния Т76.

27. Способ изготовления плит толщиной более 300 мм из алюминиевого сплава, отличающийся тем, что
А) из алюминиевого сплава с составом по любому из пп.11-20 непрерывной разливкой изготавливают заготовки толщиной более 300 мм,
Б) заготовки нагревают до температуры 470-490°С со скоростью, которая в интервале температур от 170 до 410°С составляет максимум 20°С/ч,
В) заготовки гомогенизируют в течение 10-14 ч при температуре 470-490°С,
Г) заготовки охлаждают до промежуточной температуры, составляющей 400-410°С,
Д) заготовки охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С,
Е) заготовки охлаждают до комнатной температуры,
Ж) заготовки подвергают искусственному старению и
З) подвергнутые искусственному старению заготовки используют в качестве плит.

28. Способ по п.27, отличающийся тем, что заготовки охлаждают от температуры гомогенизации, составляющей 470-490°С, до промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, в неподвижной воздушной атмосфере.

29. Способ по п.27, отличающийся тем, что заготовки охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С в потоке воздуха (принудительное воздушное охлаждение).

30. Способ по п.27, отличающийся тем, что заготовки охлаждают от промежуточной температуры, составляющей 400-410°С, до температуры ниже 100°С водяным туманом.

31. Способ по п.27, отличающийся тем, что для искусственного старения сплава его последовательно подвергают выдержке при комнатной температуре, затем подвергают первой термообработке выдержкой при первой температуре и в завершение подвергают второй термообработке выдержкой при второй температуре, которая выше первой температуры.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что сплав выдерживают в течение 1-30 дней при комнатной температуре, в течение 6-10 ч при температуре 90-100°С, в течение 8-22 ч при температуре 150-160°С.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что сплав подвергают искусственному старению до термообработанного состояния Т76.

34. Применение плиты, изготовленной способом по любому из пп.21-33, в машиностроении, в инструментальном производстве и в производстве литейных и литьевых форм, прежде всего форм для литья пластмасс под давлением.