СВЕРХПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2013 года по МПК C22C21/10 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов и, в частности, сплавов на основе алюминия, которые предназначены для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде прессованных и катаных труб, штампованых крышек, используемых в виде деталей газовых центрифуг, работающих длительное время в сложных условиях при умеренно повышенных температурах.

Известен алюминиевый сплав марки В96Цпч следующего химического состава, мас.%:

Цинк - 8,0-9,0

Магний - 2,3-3,0

Медь - 2,0-2,6

Цирконий - 0,1-0,2

Алюминий - остальное.

(Сплавы алюминиевые деформируемые повышенной чистоты. Марки. ОСТ 1 90026-80).

Недостатком этого сплава является низкая конструкционная прочность из-за хрупкости, возникающей вследствие склонности к зернограничному разрушению. Хрупкость сплава также обусловливает его низкую технологичность в металлургическом производстве. Сплав имеет повышенную склонность к горячим и холодным трещинам при литье слитков, характеризуется низкими скоростями истечения при прессовании и допускает очень ограниченные деформации при ковке и прокатке.

Известен алюминиевый сплав следующего химического состава, мас.%:

Цинк - 8,0-9,0

Магний - 2,3-3,0

Медь - 2,0-2,6

Цирконий - 0,1-0,2

Железо - 0,05-0,3

Кремний - 0,03-0,15

Бериллий - 0,0001-0,002

Водород - (0,9-3,6)×10^-5

Алюминий - остальное.

(Патент РФ на изобретение №2164541, класс С22С21/10, опубликован 27.03.2001 г.), прототип.

Недостатком этого сплава является низкая конструкционная прочность из-за хрупкости, возникающей вследствие склонности к зернограничному разрушению. Это снижает ресурс изделия. Сплав мало технологичен в металлургическом производстве при литье слитков и при обработке их давлением.

Предлагается сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:

Цинк - 8,0-9,0

Магний - 2,3-3,0

Медь - 2,0-2,6

Цирконий - 0,1-0,2

Бериллий - 0,0001-0,002

Церий - 0,005-0,05

Кальций - 0,005-0,05

Титан - 0,005-0,05

Железо до 0,15

Кремний до 0,1.

По крайней мере один элемент из группы:

Марганец до 0,1

Хром до 0,05.

Предлагаемый сплав на основе алюминия имеет следующий химический состав и отличается от известного тем, что он дополнительно содержит церий, кальций, титан и по крайней мере один из элементов группы - марганец или хром, при следующих соотношениях компонентов (массовая доля)%:

Цинк - 8,0-9,0

Магний - 2,3-3,0

Медь - 2,0-2,6

Цирконий - 0,1-0,2

Бериллий - 0,0001-0,002

Церий - 0,005-0,05

Кальций - 0,005-0,05

Титан - 0,005-0,05

Железо до 0,15

Кремний до 0,1

По крайней мере один элемент из группы:

Марганец до 0,1

Хром до 0,05

Алюминий - остальное.

Предлагаемый сплав характеризуется повышенной конструкционной прочностью вследствие малой склонности к межзеренному разрушению из-за повышенной пластичности межзеренных границ. В результате заметно возрастают характеристики, описывающие пластичность металла. Относительное удлинение возрастает на 30%, ударная вязкость на 40%, заметно растет сопротивление повторным нагрузкам. Как следствие возрастает ресурс изделий.

Снижение хрупкости благотворно сказывается на технологической пластичности в металлургическом производстве. Уменьшается склонность к горячим и холодным трещинам при литье слитков, повышается их пластичность при обработке давлением.

Причина повышения пластичности и вязкости разрушения заключается в уменьшении зернограничной хрупкости вследствие комплексного микролегирования сплава при заданном составе, повышающего пластичность межзеренных границ. Доля межзеренного разрушения при переходе от известного сплава к предлагаемому уменьшается в несколько раз.

Преимущества сплава проявляются также в изделии, выполненном из вышеприведенного сплава.

Пример.

В электрической печи сопротивления емкостью 170 кг были отлиты слитки диаметром 65 мм и диаметром 215 мм из известного и предлагаемого сплавов.

Химический состав приведен в табл.1.

Таблица 1 Фактический химический состав отлитых слитков из известного и предлагаемого сплавов, % по массе Сплав Al Zn Mg Cu Zr Be Се Са Ti н₂ Fe Si Mn Cr Известный основа 8,6 2,6 2,4 0,12 0,0006 - -   2,1×10^-5 0,12 0,07 - - Предлагаемый основа 8,5 2,7 2,3 0,13 0,0015 0,01 0,007 0,03 - 0,10 0,06 0,03 0,01

Слитки были отгомогенизированы по режиму 420°С, 6 часов +460°С, 20 часов.

Слитки диаметром 65 мм резали на мерные заготовки ⌀65×87 мм, обтачивали на ⌀62 мм и штамповали в несколько переходов на заготовки под детали в виде крышек.

Слитки диаметром 215 мм резали на мерные заготовки длиной по 600 мм, обтачивали на диаметр 200 мм и осаживали с последующей прогладкой на диаметр 290 мм. Из полученных поковок выгачивали заготовки, из которых прессовали трубу ⌀138×4 мм.

Штамповки в виде крышек укладывали вертикально в специальную закалочную корзину в шахматном порядке с зазором около 40 мм. Температуру в закалочной печи поддерживали на уровне 470°С с точностью ±3°С. При погружении корзины со штамповками в ванну с водой комнатной температуры осуществляли интенсивный барботаж воды с помощью сжатого воздуха, подаваемого со дна ванны.

Трубы закаливали из вертикальной закалочной печи с температуры 470±3°С в баке с водой комнатной температуры с вертикальным погружением. После закалки покоробленные трубы правили волочением с остаточной пластической деформацией 1,5%.

Закаленные штамповки и трубы искусственно старили по режиму 140°С, 16 часов.

В табл.2 представлены механические свойства штамповок и прессованных труб из известного и предлагаемого сплавов.

Таблица 2 Фактические механические свойства штамповок и труб из известного и предлагаемого сплавов. Средние значения из результатов 10 испытаний Сплав Полуфабрикат σ_в, МПа σ₀₂, МПа δ, % Ψ, % KCU, кгм/см² известный Штамповка 660 610 4,0 12 0,5 Труба 680 630 5,0 15 0,6 предлагаемый Штамповка 670 620 7,5 18 0,8 Труба 690 650 8,0 21 0,85

Из термически упроченных труб известного и предлагаемого сплавов вырезали образцы с концентратором напряжений (Kt=2,3; f=3 Гц; R=0,1) для испытаний на малоцикловую выносливость при пульсирующем растяжении при σ_mах=160 МПа. Образцы из известного сплава выдержали 130-190 тыс. циклов до разрушения, а образцы из предлагаемого сплава - 270-350 тыс. циклов.

Таким образом, анализ приведенных результатов испытаний труб из известного и предлагаемого сплавов показывает явное преимущество последнего.

Предлагаемый сплав имеет более высокие значения относительного удлинения δ и относительного сужения Ψ, ударной вязкости KCU и в особенности более высокий показатель сопротивления усталостным нагрузкам. Это дает возможность повышать ресурс изделия.

Изобретение относится к металлургии легких сплавов, в частности к сверхпрочным деформируемым термически упрочняемым алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, которые предназначены для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде прессованных и катаных труб, штампованных крышек, используемых в виде деталей газовых центрифуг. Изделия выполнены из сплава, содержащего, в мас.%: цинк 8,0-9,0, магний 2,3-3,0, медь 2,0-2,6, цирконий 0,1-0,2, бериллий 0,0001-0,002, церий 0,005-0,05, кальций 0,005-0,05, титан 0,005-0,05, железо до 0,15, кремний до 0,1, по крайней мере один элемент из группы: марганец до 0,1, хром до 0,05, алюминий - остальное. Сплав обладает высокими прочностными свойствами при одновременно высокой пластичности, ударной вязкости и высоким сопротивлением усталостным нагрузкам, что обусловливает рост надежности и ресурса работы изделия. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Сверхпрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, бериллий, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, кальций, титан и по крайней мере один элемент из группы марганец и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цинк 8,0-9,0 Магний 2,3-3,0 Медь 2,0-2,6 Цирконий 0,1-0,2 Бериллий 0,0001-0,002 Церий 0,005-0,05 Кальций 0,005-0,05 Титан 0,005-0,05 Железо до 0,15 Кремний до 0,1

2. Изделие из сверхпрочного деформируемого сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.