ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ СИСТЕМЫ Al-Zn-Mg-Cu ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2016 года по МПК C22C21/16 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности, к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности в изделиях разового применения.

Цель изобретения - создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном удлинении в поперечном и по толщине направлениях.

Известен высокопрочный деформируемый термически обрабатываемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления деталей, использующихся в высоконагруженных конструкциях, например центрифугах, и содержащий, мас.%:

цинк 8,0-9,0 магний 2,3-3,0 медь 2,0-2,6 цирконий 0,1-0,2 титан до 0,03 кремний до 0,3 железо до 0,4 алюминий остальное

(ОСТ 190048-90).

Сплав рекомендовано использовать для высоконагруженных вращающихся деталей типа центрифуг или других изделий разового применения, требующих высокой прочности используемого материала.

Недостатком этого сплава является высокая плотность - 2,89 г/см³, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам при эксплуатации изделий.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления силовых элементов планера самолета, отличающийся пониженной плотностью и хорошей технологичностью и содержащий, мас.%:

цинк 3,2-3,9 магний 4,2-5,0 медь 0,4-1,0 скандий 0,17-0,30 цирконий 0,07-0,14 титан 0,01-0,05 бериллий 0,0001-0,005 марганец ≤0,25 хром ≤0,10 железо ≤0,30 кремний ≤0,20 алюминий остальное,

при отношении содержания магния к содержанию цинка равном 1,3 и содержании водорода в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла (патент РФ 2468107, МКИ 7 C22C 21/16, 2011 г.).

Сплав имеет пониженное значение плотности 2,71 г/см³. Катаные листы из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают сравнительно высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной температуре, благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность прессованных полуфабрикатов, обусловленная химическим составом сплава.

Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, что необходимо для изделий разового применения, содержащий, мас.%:

цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,07-0,15 цирконий 0,08-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,15 титан 0,02-0,08 кремний 0,01-0,15 железо 0,01-0,15 водород 0,05-0,35 см³/100 г металла неизбежные примеси из группы   Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10 алюминий остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57

(патент РФ 2514748, МКИ 7 C22C 21/16, 2013 г. - прототип).

Прессованные профили из этого сплава плотностью 2,80 г/см³ с площадью поперечного сечения 46 см³ имеют нерекристаллизованную структуру и высокие механические свойства в долевом направлении. Однако при испытании разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля, происходит малопластичное разрушение с низким относительным удлинением.

Недостатком сплава является низкое относительное удлинение разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля с большой площадью поперечного сечения, что снижает эксплуатационную надежность готовых изделий.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном и по толщине направлениям.

Для решения этой задачи предлагается следующее.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3, скандий 0,02-0,06 цирконий 0,07-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,05 титан 0,02-0,05 кремний 0,01-0,10 железо 0,01-0,15 неизбежные примеси из группы   Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10 алюминий остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,02-0,06 цирконий 0,07-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,05 титан 0,02-0,05 кремний 0,01-0,10 железо 0,01-0,15 неизбежные примеси из группы   Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10 алюминий остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав содержит пониженное количество скандия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,02-0,06 цирконий 0,07-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,05 титан 0,02-0,05 кремний 0,01-0,10 железо 0,01-0,15 водород 0,05-0,35 см³/100 г металла неизбежные примеси из группы   Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10 алюминий остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют одинаковую с прототипом плотность, практически такие же высокие прочностные характеристики и повышенную пластичность, в особенности в поперечном и по толщине направлениях.

Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из сплава-прототипа и предлагаемого сплава определяются тем, что при имеющемся в них содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих η- и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в алюминиевой матрице.

Как известно, в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu при введении в них Sc и Zr образуется дисперсоид из наночастиц фазы Al₃(Sc, Zr). Эти частицы размером 5-20 нм выделяются из пересыщенного твердого раствора при гомогенизации слитка и сохраняют свою дисперсность в термически обработанном полуфабрикате. Их появление само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, частицы являются причиной возникновения структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры. Благодаря этому, при высоком содержании скандия в сплаве-прототипе прессованные изделия имеют в состоянии T1 чрезмерно высокую прочность в долевом направлении, но отличаются пониженной пластичностью при испытании поперечных и высотных разрывных образцов.

Ограничение содержания скандия в предлагаемом сплаве снижает количество частиц дисперсоида в структуре и способствует прохождению при нагреве полуфабрикатов под закалку частичной рекристаллизации (начальной стадии), что при небольшом снижении прочности в долевом направлении повышает прочность и пластичность разрывных образцов в поперечном и по толщине направлениях.

Технический результат - повышение пластичности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности готовых деталей конструкций.

Пример осуществления.

В электрической печи приготовили плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 310 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 280 мм прессовали на профиль с поперечным сечением 46 см³ и диаметром описанной окружности 100 мм. Полученные профили закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч, правили растяжением с остаточной деформацией 0,5% и искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.

Профили подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σ_В, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные и пластические характеристики в поперечном и по толщине направлениях при сохранении высоких прочностных характеристик в долевом направлении.

Примечания:

Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,25 см³/100 г металла. Плотность сплавов 2,80 г/см³.

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности и изделиям из них, предназначенным для разового применения. Сплав с плотностью 2,80 г/ см³ содержит, мас.%: цинк 6,0-8,0, магний 3,4-4,2, медь 0,8-1,3, скандий 0,02-0,06, цирконий 0,07-0,12, бериллий 0,0005-0,004, церий 0,01-0,05, титан 0,02-0,05, кремний 0,01-0,10, железо 0,01-0,15, неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10, алюминий - остальное, при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла. Изобретение направлено на создание сплава системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном направлении и по толщине изделия. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,02-0,06 цирконий 0,07-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,05 титан 0,02-0,05 кремний 0,01-0,10 железо 0,01-0,15 неизбежные примеси из группы   Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10 алюминий остальное,

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащего цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,02-0,06 цирконий 0,07-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,05 титан 0,02-0,05 кремний 0,01-0,10 железо 0,01-0,15 неизбежные примеси из группы   Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O   в суммарном количестве не более 0,10, алюминий остальное,