Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие из него Российский патент 2017 года по МПК C22C21/10 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно прессованных, в качестве конструкционного материала.

Известен в металлургии высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu 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, не более 0,4 Кремний, не более 0,3 Алюминий Остальное

(см. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия. 1984. С. 124).

Недостатком этого сплава является низкая пластичность и недостаточно высокие характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, 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 Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, К, Na, О в суммарном количестве, не более 0,10 Алюминий Остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57 (см. патент RU №2514748 C1, С22С 21/06 - прототип).

Недостатком сплава-прототипа являются недостаточно высокие прочностные характеристики и характеристики удельной прочности в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии при достаточно высокой пластичности в продольном направлении.

Предлагается высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, церий, титан, водород и неизбежные примеси, основными из которых являются железо, кремний, марганец и хром, который дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк 7,8-8,2 Магний 2,0-2,4 Медь 1,8-2,1 Скандий 0,1-0,17 Цирконий 0,1-0,14 Церий 0,0005-0,001 Титан 0,01-0,03 Бор 0,0005-0,001 Водород 0,05-0,3 см³/100 г металла Алюминий и неизбежные примеси Остальное,

в том числе:

железо в количестве не более 0,12 мас. % кремний в количестве не более 0,11 мас. % марганец в количестве не более 0,02 мас. % хром в количестве не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Предлагается также изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас. %:

Цинк 7,8-8,2 Магний 2,0-2,4 Медь 1,8-2,1 Скандий 0,1-0,17 Цирконий 0,1-0,14 Церий 0,0005-0,001 Титан 0,01-0,03 Бор 0,0005-0,001 Водород 0,05-0,3 см³/100 г металла Алюминий и неизбежные примеси Остальное,

в том числе:

железо в количестве не более 0,12 мас. % кремний в количестве не более 0,11 мас. % марганец в количестве не более 0,02 мас. % хром в количестве не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Предлагаемый сплав и изделие из него отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит бор и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Цинк 7,8-8,2 Магний 2,0-2,4 Медь 1,8-2,1 Скандий 0,1-0,17 Цирконий 0,1-0,14 Церий 0,0005-0,001 Титан 0,01-0,03 Бор 0,0005-0,001 Водород 0,05-0,3 см³/100 г металла Алюминий и неизбежные примеси Остальное,

в том числе:

железо в количестве не более 0,12 мас. % кремний в количестве не более 0,11 мас. % марганец в количестве не более 0,02 мас. % хром в количестве не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Отличием предлагаемого сплава является также более низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,275, а также то, что железо и кремний рассматриваются как неизбежные примеси.

Технический результат - повышение прочностных характеристик и характеристик удельной прочности сплава и изделий из него в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии и, как следствие, повышение весовой отдачи готовых конструкций.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве основной упрочняющий эффект достигается за счет образования в результате термической обработки (закалки и последующего искусственного старения) дисперсных выделений упрочняющих фаз М [Mg(CuZn)₂] и Т (MgZnAlCu) с высокой плотностью их распределения в структуре полуфабриката, при этом за счет ограничения содержания неизбежных примесей железа, кремния, марганца и хрома снижается количество неизбежно образующихся при кристаллизации сплава включений нерастворимых фаз типа Al (Cu, Fe, Mn, Cr), Al (Zn, Mg, Cu, Fe) и Mg₂Si, соответственно увеличивается доля основных легирующих компонентов - цинка, магния и меди, участвующих в упрочнении сплава при термической обработке, что повышает прочность сплава и выполненного из него изделия. Дополнительное упрочнение вносит дисперсная фаза Al₃ (Sc, Zr), выделяющаяся при неизбежных технологических нагревах слитка. Добавка церия снижает окисляемость сплава, что позволяет снизить загрязненность сплава окисными включениями, повысив тем самым механические свойства сплава и выполненного из него изделия. Добавка бора совместно с титаном измельчает зерно в слитке, повышая тем самым прочностные и пластические характеристики сплава и выполненного из него изделия. Предлагаемое соотношение между содержанием магния и цинка обеспечивает благоприятное сочетание прочностных и пластических свойств полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии. Низкое и регламентированное с обеих сторон содержание водорода обеспечивает высокую деформируемость сплава при горячей обработке давлением, одновременно с этим снижается вероятность возникновения водородной пористости, что также положительно сказывается на механических свойствах сплава и выполненного из него изделия.

Из предлагаемого сплава могут быть изготовлены детали конструкций, для которых важным является снижение массы конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки. В предлагаемом изделии технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего химического состава, мас. %:

Цинк 7,8-8,2 Магний 2,0-2,4 Медь 1,8-2,1 Скандий 0,1-0,17 Цирконий 0,1-0,14 Церий 0,0005-0,001 Титан 0,01-0,03 Бор 0,0005-0,001 Водород 0,05-0,3 см³/100 г металла Алюминий и неизбежные примеси Остальное,

в том числе:

железо в количестве не более 0,12 мас. % кремний в количестве не более 0,11 мас. % марганец в количестве не более 0,02 мас. % хром в количестве не более 0,02 мас. %,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,25 до 0,3.

Пример

Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия марки А85, цинка марки ЦО, магния марки Мг95, меди марки Ml, церия марки ЦеЭ-0, двойных лигатур алюминий-скандий, алюминий-цирконий, алюминий-титан и тройной лигатуры алюминий-титан-бор. Сплав готовили в электрической печи сопротивления и методом полунепрерывного литья отливали слитки диаметром 178 мм.

Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Слитки гомогенизировали, резали на заготовки, которые затем обтачивали до диаметра 160 мм. Обточенные заготовки прессовали при 400°C на пруток диаметром 51 мм. Полученные прутки подвергали термической обработке (закалке и искусственному старению) по режиму: нагрев под закалку при 473°C, выдержка при этой температуре 2 ч, охлаждение в воде, старение при 125°C, 24 ч. Полученные прутки в термически обработанном (закаленном и искусственно состаренном) состоянии подвергли испытаниям с определением плотности и механических свойств. Механические свойства (предел прочности σ_В, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ) определяли при испытании на растяжение при комнатной температуре на стандартных разрывных образцах, вырезанных в продольном направлении. Характеристики удельной прочности (σ_Вуд. и σ_0,2уд.) определяли как отношение σ_В и σ_0,2 к плотности. Также определяли плотность и механические свойства изготовленных тем же способом прутков из сплава-прототипа, химический состав которого приведен в таблице 1.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав обладает по сравнению с прототипом более высокими прочностными характеристиками и характеристиками удельной прочности. Применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала позволит на 5-7% снизить массу конструкции с соответствующим увеличением массы полезной нагрузки и повышением характеристик весовой отдачи, что принципиально важно для высоконагруженных конструкций разового применения.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие из него содержат, мас.%: цинк 7,8-8,2, магний 2,0-2,4, медь 1,8-2,1, скандий 0,1-0,17, цирконий 0,1-0,14, церий 0,0005-0,001, титан 0,01-0,03, бор 0,0005-0,001, алюминий и неизбежные примеси, в том числе железо не более 0,12, кремний не более 0,11, марганец не более 0,02, хром не более 0,02, - остальное, при этом водород присутствует в сплаве в количестве 0,05-0,3 см³/100 г металла, а отношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик, в том числе удельной прочности материала. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, церий, титан, водород, алюминий и неизбежные примеси, основными из которых являются железо, кремний, марганец и хром, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цинк 7,8-8,2 магний 2,0-2,4 медь 1,8-2,1 скандий 0,1-0,17 цирконий 0,1-0,14 церий 0,0005-0,001 титан 0,01-0,03 бор 0,0005-0,001 алюминий и неизбежные примеси остальное,

в том числе:

железо не более 0,12 кремний не более 0,11 марганец не более 0,02 хром не более 0,02,

при этом водород в сплаве содержится в количестве 0,05-0,3 см³/100 г металла, а соотношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3.

2. Изделие из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава, содержащего, мас. %:

цинк 7,8-8,2 магний 2,0-2,4 медь 1,8-2,1 скандий 0,1-0,17 цирконий 0,1-0,14 церий 0,0005-0,001 титан 0,01-0,03 бор 0,0005-0,001 алюминий и неизбежные примеси остальное,

в том числе:

железо не более 0,12 кремний не более 0,11 марганец не более 0,02 хром не более 0,02,

при этом водород в сплаве содержится в количестве 0,05-0,3 см³/100 г металла, а соотношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3.