ТЕРМОСТОЙКИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО ПОЛУФАБРИКАТА ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2015 года по МПК C22C21/12 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия, меди, марганца и способу их получения для изделий, работающих при повышенных температурах. В частности, сплав может быть использован в авиации, в космонавтике, автомобилестроении, для изделий электротехнического назначения, где требуются сочетания достаточной и различной прочности, электропроводности и термостойкости.

Известные сплавы системы Al-Cu-Mn с высоким содержанием меди («Машиностроение. Энциклопедия в 40 т. т. I-3. Цветные металлы и сплавы. М.: Машиностроение, 2001, с. 144-156»). Это сплавы Д20, 1201, Д21, 01205 с 5,8-7,0 мас.% меди. Они обладают электропроводностью не выше 30-35% IACS, из-за использования после закалки и искусственного старения и высокого содержания меди.

Известен сплав по патенту (патент РФ №2287600, МПК С22С 21/12, опубл. 20.11.2006), содержащий медь, марганец, цирконий и ванадий, включающий алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 1,2-2,4; марганец 1,2-2,2; цирконий 0,5-0,6; ванадий 0,01-0,15; скандий 0,01-0,2; алюминий - остальное. После 100 часов выдержки сплав имеет предел прочности при 350°C выше 30 МПа. При высоком пределе прочности после 1-20 мин отжига при 200-410°C, равном 300 МПа, сплав обладает низкой электропроводностью - ниже 48% IACS.

Наиболее близким к заявленному объекту является сплав на основе алюминия (патент РФ №2446222, МПК С22С 21/14, C22F 1/057, опубл. 27.03.2012), содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: медь 0,9-1,9; марганец 1,0-1,8; цирконий 0,2-0,64; скандий 0,01-0,12; железо 0,15-0,5; кремний 0,05-0,15; алюминий - остальное, наночастицы фазы Al₃(Zr, Sc) со средним размером не более 20 нм, электропроводность превышает 53% IACS, временное сопротивление (σ_в) после 100 ч при 300°C превышает 320 МПа.

Недостатком данного сплава, несмотря на многие преимущества, является недостаточная прочность при выдержке 400 ч (250°C), а также электропроводность не выше 53% IACS.

В основу изобретения положена задача - создать новый наноструктурный деформируемый сплав на основе алюминия, который обладает большей термостойкостью и электропроводностью.

Поставленная задача решается за счет того, что термостойкий электропроводный сплав на основе алюминия, содержащий медь, марганец, цирконий, скандий, железо и кремний и имеющий структуру, содержащую алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды марганца, циркония и скандия, согласно изобретению дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь 0,5-0,85 марганец 0,5-0,95 бор 0,02-0,15 цирконий 0,1-0,5 скандий 0,02-0,15 железо 0,01-0,30 кремний 0,01-0,15 неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,003 алюминий остальное

при этом бор присутствует в структуре в виде наночастиц AlB₂, AlB₁₂ и боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, а сплав имеет электропроводность выше 54% IACS и предел прочности после 400 часов при 250°C не менее 160 МПа.

Кроме того, сплав дополнительно содержит мас.%: кобальт 0,1-0,45, и/или никель 0,1-0,35, и/или кадмий 0,1-0,3.

Задача решается также за счет того, что термостойкий электропроводный сплав на основе алюминия, содержащий медь, марганец, цирконий, скандий, железо и кремний и имеющий структуру, содержащую алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды марганца, циркония и скандия, согласно изобретению дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь 0,9-2,0 марганец 1,0-1,6 бор 0,02-0,15 цирконий 0,1-0,5 скандий 0,02-0,15 железо 0,01-0,30 кремний 0,01-0,15 неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,03 алюминий остальное

при этом сплав имеет предел прочности после 400 часов при 250°C до 230-280 МПа.

Для более стабильного увеличения теплопрочности сплав может дополнительно содержать, мас.%: кобальт 0,1-0,45, и/или никель 0,1-0,35, и/или кадмий 0,1-0,3.

Способ получения деформированного полуфабриката из сплава на основе алюминия, включающий приготовление расплава при температуре на 100°C выше температуры ликвидуса сплава, при этом легирующие компоненты вводят в расплав алюминия в виде лигатур, имеющих мелкокристаллическую структуру со средним размером наночастиц не более 1500 нм, кристаллизацию и последующую деформацию, причем кристаллизацию и деформацию осуществляют при воздействии магнитноимпульсного поля и/или слабоимпульсного тока.

Кроме того, при введении в расплав лигатур А1-В-Ti или Al-Cu-Mn(Ti) содержание титана в расплаве не должно превышать 0,05 мас.%.

Марганец, цирконий и кобальт замедляют распад твердого раствора при высоких температурах, замедляют процесс рекристаллизации. Марганец и медь в указанных концентрациях вызывают образование дисперсоидов, обеспечивающих основные требования по прочности. Их увеличение снижает электропроводность. Цирконий и скандий способствуют образованию наночастиц и вносят свой вклад в достижение требуемой прочности при повышенных температурах. Увеличение их содержания снижает электропроводность.

Железо и кремний также снижают электропроводность, но в виде совместных соединений с марганцем эвтектического типа Al(Fe, Mn) Si способствуют образованию структуры, повышающей прочность сплава.

Бор в виде наночастиц с алюминием и в виде боридов с переходными металлами повышает электропроводность сплава. Одновременно образуя устойчивые сегрегации в приграничных областях на дефектах кристаллической решетки, бор повышает способность к деформации и в определенной степени ускоряет кинетику старения.

Примеры выполнения заявленного материала

Сплавы были приготовлены в электрической печи сопротивления в алундовых тиглях при температуре расплава на 100°C выше линии ликвидуса. В качестве шихты использовали алюминий (99,9%), медь (99,9%), мелкозернистые двойные лигатуры: Al-Mn, Al-Zr, Al-Sc, Al-Si, Al-Fe, тройную лигатуру Al-B-Ti и/или состав для введения бора (фторборат калия, гексохлорэтан, фтористый калий). Составы сплавов даны в таблице 1. Круглые слитки отливали в цилиндрическую изложницу. Магнитноимпульсные поля (МИЛ) или слабые импульсные токи (СИТ) применяли для перемешивания расплава, повышения его чистоты (газы, примеси), воздействия на кристаллизацию и деформирование.

Максимальная температура деформирования не превышала 400°C, для составов с 0,5-0,85 мас.% Сu и 0,5-0,95 мас.% Мn деформация осуществлялась при комнатной температуре. Отжиг проводили при температуре 350°C.

Твердость по Виккерсу измеряли по ГОСТ 2999-75 с переводом на Н_в и σ_в. Удельное электросопротивление и электропроводность определяли по ГОСТ 6132-79.

Как видно из анализа таблиц 1 и 2, составы №1 и №2 отличаются более высокой электропроводностью, а составы №3 и №4 - более высоким пределом прочности после выдержки 400 ч при 250°C по сравнению с прототипом (пат. №2446222).

Предлагаемый наноструктурный деформируемый сплав на основе алюминия обладает большей термостойкостью и электропроводностью.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия и способам их получения для изделий, работающих при повышенных температурах. Сплав на основе алюминия содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%: медь 0,5-0,85; марганец 0,5-0,95; бор 0,02-0,15; цирконий 0,1-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,15, неизбежные примеси 0-0,1, из них каждого 0-0,03, алюминий - остальное. При этом бор присутствует в структуре сплава в виде наночастиц АlВ₂, AlB₁₂, боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, при этом сплав имеет электропроводность выше 54% IACS и предел прочности (σ_в) после 400 часов нагрева при 250°С не менее 160 МПа. По второму варианту сплав содержит, мас.%: медь 0,9-2,0, марганец 1,0-1,6, бор 0,02-0,15; цирконий 0,1-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,15, неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,03, алюминий - остальное, при этом бор присутствует в структуре сплава в виде наночастиц АlВ₂, AlB₁₂, боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, при этом сплав имеет предел прочности после 400 часов нагрева при 250°С до 230-280 МПа. Способ включает приготовление расплава при температуре на 100°С выше температуры ликвидуса сплава, при этом легирующие компоненты вводят в расплав в виде лигатур, имеющих мелкокристаллическую структуру со средним размером наночастиц не более 1500 нм, кристаллизацию и деформацию при воздействии магнитноимпульсного поля и/или слабоимпульсного тока. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости и электропроводности сплава. 4 н. и 4 з.п. ф-лы., 2 табл., 1 пр.

1. Термостойкий электропроводный сплав на основе алюминия, содержащий медь, марганец, цирконий, скандий, железо, кремний и имеющий структуру, содержащую алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды марганца, циркония и скандия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 0,5-0,85 марганец 0,5-0,95 бор 0,02-0,15 цирконий 0,1-0,5 скандий 0,02-0,15 железо 0,01-0,30 кремний 0,01-0,15 неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,003 алюминий остальное

при этом бор присутствует в структуре в виде наночастиц AlB₂, AlB₁₂ и боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, а сплав имеет электропроводность выше 54% IACS и предел прочности после 400 часов при 250°C не менее 160 МПа.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, мас.%: кобальт 0,1-0,45, и/или никель 0,1-0,35, и/или кадмий 0,1-0,3.

3. Способ получения сплава на основе алюминия по п. 1 в виде деформированного полуфабриката, включающий приготовление расплава при температуре на 100°C выше температуры ликвидуса сплава, при этом легирующие компоненты вводят в расплав алюминия в виде лигатур, имеющих мелкокристаллическую структуру со средним размером наночастиц не более 1500 нм, кристаллизацию заготовки и ее последующую деформацию, причем кристаллизацию и деформацию осуществляют при воздействии магнитноимпульсного поля и/или слабоимпульсного тока.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при введении в расплав лигатур Al-B-Ti или Al-Cu-Mn(Ti) содержание титана в расплаве составляет не более 0,05 мас.%.

5. Термостойкий электропроводный сплав на основе алюминия, содержащий медь, марганец, цирконий, скандий, железо и кремний и имеющий структуру, содержащую алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды марганца, циркония и скандия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 0,9-2,0 марганец 1,0-1,6 бор 0,02-0,15 цирконий 0,1-0,5 скандий 0,02-0,15 железо 0,01-0,30 кремний 0,01-0,15 неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,03 алюминий остальное

при этом сплав имеет предел прочности после 400 часов при 250°C до 230-280 МПа.

6. Сплав по п. 5, отличающийся тем, что дополнительно содержит, мас.%: кобальт 0,1-0,45, и/или никель 0,1-0,35, и/или кадмий 0,1-0,3.

7. Способ получения сплава на основе алюминия по п. 5 в виде деформированного полуфабриката, включающий приготовление расплава при температуре на 100°C выше температуры ликвидуса сплава, при этом легирующие компоненты вводят в расплав алюминия в виде лигатур, имеющих мелкокристаллическую структуру со средним размером наночастиц не более 1500 нм, кристаллизацию заготовки и ее последующую деформацию, причем кристаллизацию и деформацию осуществляют при воздействии магнитноимпульсного поля и/или слабоимпульсного тока.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при введении в расплав лигатур Al-B-Ti или Al-Cu-Mn(Ti) содержание титана в расплаве составляет не более 0,05 мас.%.