СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕГО Российский патент 2020 года по МПК C22C21/00 C22C21/08 

Область техники

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически упрочняемым алюминиевым сплавам на основе системы алюминий-магний-кремний, используемых в различных областях промышленности, в том числе в качестве элементов строительных и декоративных конструкций, полученных методом прессования.

Уровень техники

Среди термически упрочняемых алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-кремний широкое применение получил сплав АД35 / 6082 (ГОСТ 4784), имеющий следующий состав, мас. %:

магний 0,6-1,2 кремний 0,7-1,3 алюминий основа железо до 0,5 марганец 0,4-1,0 медь до 0,1 цинк до 0,2 хром до 0,25 титан до 0,10.

Данный сплав применяют в различных областях промышленности, в том числе в строительных и декоративных конструкциях, полученных методом прессования.

Недостатком данного сплава является склонность к расслаивающей и межкристаллитной коррозии.

Известен алюминиевый сплав 6ХХХ серии (патент RU № 2385359, С22С21/18, опубл. 27.03.2010), предназначенный для прессованных полуфабрикатов в качестве конструкционных материалов, полученный методом литья в заготовки с дальнейшим прессованием профилей, в том числе и труб для нефтегазовой отрасли. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение прочности, коррозионной стойкости и улучшенной технологичности предлагаемых сплавов. Предлагаемый сплав имеет следующий состав, мас. %:

магний 0,9-1,3 кремний 0,7-1,1 медь 0,8-1,7 марганец 0,2-0,6 хром 0,18 - 0,3 цинк 0,4-0,8 титан 0,01-0,03 молибден 0,0007 - 0,012 кальций 0,05 - 0,15 бериллий 0,00005 - 0,00015 алюминий и неизбежные примеси остальное

Недостатком данного сплава является склонность к расслаивающей и межкристаллитной коррозии из-за высокого содержания меди.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по характеристикам и принятым за прототип является алюминиевый сплав 6ххх серии (патент RU № 2163939, С22С21/08, опубл. 10.03.2001) и способ производства полуфабрикатов из него. Технический результат данного изобретения заключается в повышении эксплуатационных характеристик изделия, что достигается за счет повышения коррозионной стойкости сплава. Указанный сплав на основе алюминия содержит, мас. %:

магний 0,3-1,2 кремний 0,3-1,7 медь 0,02-0,9 марганец 0,15-1,1 хром 0,02-0,9 цинк до 0,3 титан до 0,2 цирконий 0,02-0,9 кальций 0,002 - 0,1 железо до 1,0 алюминий и неизбежные примеси остальное

Предложенный способ получения полуфабрикатов включает приготовление вышеуказанного сплава, отливку слитков, отжиг слитков при 350 - 610°С в течение 1 - 20 ч, деформацию, термическую обработку на твердый раствор проводят при 500 - 550°С в течение 20 - 12000 с. В зависимости от геометрических размеров и качества поверхности конечного полуфабриката деформацию проводят либо только в горячую, либо в горячую и в холодную.

Недостатком данного состава является его склонность к межкристаллитной коррозии в искусственно состаренном состоянии. Кроме этого, наличие высокого содержания марганца, хрома и циркония приводит к выделению крупных интерметаллидов неблагоприятной формы в процессе кристаллизации, что, в свою очередь, снижает технологичность слитков из сплава при прессовании. Также, это приводит к снижению уровня механических, усталостных и коррозионных свойств в деформированных полуфабрикатах.

Раскрытие изобретения

Задачей данного изобретения является разработка термически упрочняемого сплава на основе алюминия 6ХХХ серии для применения в элементах строительных и декоративных конструкций и получение прессованных изделий из него с повышенными показателями сопротивления межкристаллитной и расслаивающей коррозии с сохранением уровня механических свойств относительно сплава аналога.

Техническим результатом является получение прессованных изделий в виде профилей с повышенной коррозионной стойкостью с механическими свойствами на уровне алюминиевого сплава АД35/6082 за счет использования оптимального состава сплава с добавлением элементов, повышающих коррозионную стойкость и исключением элементов, понижающих ее. В результате полученные профили не склонны к межкристаллитной коррозии, а склонность к расслаивающей коррозии составляет 1 балл.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения достижение технического результата обеспечивается тем, что в сплаве на основе алюминия, содержащем магний, кремний, марганец, медь, железо, хром и титан, новым является то, что он дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

магний 0,80-1,10 кремний 0,85-1,20 марганец 0,20-0,40 медь до 0,05 железо до 0,20 цинк до 0,10 хром 0,10-0,30 титан 0,06-0,10 индий 0,001 - 0,01 алюминий и неизбежные примеси остальное.

В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к способу получения изделия из сплава на основе алюминия, включающем литье слитка из сплава, гомогенизацию слитка при температуре T_{солидус}-20 – 40 °C в течение 4 – 10 часов, прессование при температуре нагрева заготовки 420 – 490 °C с закалкой и правкой профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1%, с последующим искусственным старением при температуре 160 – 175 °C с выдержкой 8 – 12 часов с перерывом между закалкой и старением не более 24 часов.

В частных случаях выполнения заявленного способа, закалку проводят на столе пресса для профилей с толщиной стенки до 8 мм или в вертикальных закалочных печах для профилей с толщиной стенки более 8 мм, температура закалки составляет 520 – 540 ^оС.

В соответствии с другим аспектом заявленное изобретение относится к изделию из сплава на основе алюминия, выполненному способом, который описан выше.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлен профиль 1.

На фиг. 2 представлен профиль 2.

Осуществление изобретения

Содержание магния на уровне 0,80 – 1,10 мас. % и кремния на уровне 0,85 – 1,20 мас. % обеспечивает необходимый уровень прочности при термической обработке. При содержании магния и кремния ниже заявленного, механические свойства сплава находятся на низком уровне. При содержании кремния выше 1,20 мас. % существенно снижается коррозионная стойкость. Превышение содержания магния свыше 1,10 мас. % снижает технологичность сплавов, а также снижает восприимчивость к термообработке сплава.

Наличие в сплаве марганца на уровне 0,20 – 0,40 мас. % способствует связыванию железа в фазу Al₈(Mn,Fe)₂Si, которая в значительно меньшей степени по сравнению с Al₅FeSi приводит к образованию дефектов в процессе прессования, а также вместе с хромом обеспечивает необходимый уровень механических свойств.

Содержание меди при концентрации до 0,05 мас. % и железа при концентрации до 0,20 мас. % обеспечивает высокий уровень коррозионной стойкости и исключает образование дефектов в виде нежелательных для прессования интерметаллидов.

Присутствие титана в количестве 0,06 - 0,10 мас. %, как модификатора зерна, гарантирует однородную мелкозернистую структуру в изделиях при соблюдении режимов термической обработки.

Содержание индия в сплаве повышает сопротивление коррозии за счёт ингибирования катодной реакции выделения водорода, по которой развивается коррозия в алюминии и его сплавах. При содержании индия ниже указанного предела, эффект не проявляется. При содержании индия выше 0,01 мас. % в структуре появляется чистый индий, вызывающий горячие трещины при прессовании.

В предложенном способе получения прессованных изделий проводят гомогенизацию при температуре T_{солидус}-20 – 40 °C в течение 4 – 10 часов, что обеспечивает достаточную трансформацию и сфероидизацию железистых фаз без негативных изменений в структуре металла в виде укрупнения зерна. Гомогенизация до 4 часов не обеспечивает устранение последствий неравновесной кристаллизации слитка и трансформации железистых фаз, а больше 10 часов выдержки является не экономичным.

Прессование проводят при температуре нагрева заготовки 420 – 490 °C, чтобы обеспечить температуру металла на выходе из очка матрицы 520 – 540 °C. При превышении температуры металла 540 °C и при температуре металла ниже 520 °C механические свойства прессованных изделий снижаются. Указанный интервал температур гарантирует оптимальную степень пересыщения твердого раствора, что в свою очередь позволяет получить более высокие механические свойства профиля.

Упрочнение в процессе искусственного старения данного сплава обеспечивается максимальным обогащением твердого раствора и оптимальной скоростью охлаждения при закалке на столе пресса для профилей с толщиной стенки до 8 мм или в вертикальной закалочной печи для профилей более 8 мм и оптимальном режиме старения.

Упрочнение происходит из-за выделения растворенных компонентов в фазы, которые расположены в зернах в виде образований малого размера и повышают сопротивление материала деформации сдвига. Оптимальным режимом старения является 160 – 175 °C с выдержкой 8 – 12 часов. При температуре старения менее 160 °C концентрация выделений недостаточна для получения необходимого уровня свойств прессованных изделий и не является оптимальной ввиду низкой скорости прироста прочности, а при температуре старения выше 175 °C из-за перестаривания уровень свойств снижается, и температура также является не оптимальной. При этом перерыв между закалкой и старением не должен превышать более 24 часов, так как это приводит к снижению до 20 % прироста прочности при искусственном старении за счет выделения более грубых фаз.

Из предложенного сплава могут быть изготовлены различные прессованные изделия в виде профилей, например элементы строительных и декоративных конструкций.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1. В промышленной печи вместимостью 7,5 тонны были выполнены плавки следующего химического состава, мас. %, таблица 1:

Таблица 1.

№ Mg Si Mn Cu Zn Ca Fe Cr Ti Zr In Al 1 0,80 1,20 0,40 0,01 0,025 - 0,10 0,17 0,09 - 0,01 осн. 2 1,10 0,90 0,30 0,04 0,05 - 0,15 0,30 0,10 - 0,008 осн. 3 0,95 0,85 0,40 0,05 0,028 - 0,13 0,20 0,06 - 0,001 осн. 4 0,87 0,98 0,20 0,015 0,10 - 0,20 0,10 0,10 - 0,01 осн. Прототип 0,3-1,2 0,3-1,7 0,02-0,9 0,15-0,1 до 0,3 0,002 - 0,1 до 1,0 0,02-0,9 до 0,2 0,02-0,9 - осн.

Методом полунепрерывного литья были отлиты цилиндрические слитки диаметром 125 мм и длинной 840 мм. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T_{солидус}-20 – 40 °C в течение 4 часов.

Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 1. Толщина стенки профиля составляет 6 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке на столе пресса. Далее осуществляли правку профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1 %. Искусственное старение профилей проводили при температуре 160 °C с выдержкой 8 часов с перерывом между закалкой и старением 10 часов.

Пример 2. Плавка и литье слитков проводили по примеру 1. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T_{солидус}-20 – 40 °C в течение 10 часов. Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 2. Толщина стенки профиля составляет 12 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке в вертикальных закалочных печах. Температура закалки в вертикальной закалочной печи равна температуре профиля на выходе из матрицы – 520 – 540 ^оС. Правку осуществляли по примеру 1. Искусственное старение профилей проводили при температуре 175 °C с выдержкой 12 часов с перерывом между закалкой и старением 24 часа.

Пример 3. Плавка и литье слитков проводили по примеру 1. Полученные слитки гомогенизировали при температуре T_{солидус}-20 – 40 °C в течение 6 часов. Слитки прессовали в профили, чертеж которых представлены на фиг. 1. Толщина стенки профиля составляет 6 мм. Нагрев слитков перед прессованием проводился до температуры 420 – 490 °C. Полученные профиля подвергали закалке на столе пресса. Правку осуществляли по примеру 1. Искусственное старение профилей проводили при температуре 165 °C с выдержкой 10 часов с перерывом между закалкой и старением 24 часа.

Пример 4. Плавка и литье слитков, гомогенизация, прессование, закалка и правка осуществлялась по примеру 2. Искусственное старение профилей проводили при температуре 170 °C с выдержкой 12 часов с перерывом между закалкой и старением 20 часов.

Механические свойства прессованных профилей после искусственного старения, полученные по примеру 1, 2, 3 и 4 приведены в таблице 2.

Таблица 2 Сплав Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относ. удлинение, % МКК/РСК 1 320 280 13 Отсутствует /1 балл 2 330 290 12 Отсутствует /1 балл 3 325 285 12 Отсутствует /1 балл 4 325 285 12 Отсутствует /1 балл Прототип 335 275 13 0,05 мм/-

Как видно из таблицы 2, достигнутый уровень механических свойств изделий в виде профилей, полученных по заявленному способу, находится на уровне прототипа, однако предложенные составы не имеют межкристаллитную коррозию, в то время как значение межкристаллитной коррозии прототипа составляет 0,05 мм. Кроме этого, предложенный состав также имеет минимальные значения РСК – 1 балл из 10.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к термически упрочняемым алюминиевым сплавам на основе системы алюминий-магний-кремний, используемым в различных областях промышленности. Cплав на основе алюминия содержит, мас.%: магний 0,80-1,10, кремний 0,85-1,20, марганец 0,20-0,40, медь до 0,05, железо до 0,20, цинк до 0,10, хром 0,10-0,30, титан 0,06-0,10, индий 0,001-0,01, алюминий и неизбежные примеси - остальное. Предложенный способ получения прессованных изделий включает литье слитка из сплава вышеуказанного сплава, гомогенизацию слитка при температуре ниже температуры солидуса на 20-40°C в течение 4-10 часов, прессование при температуре нагрева заготовки 420-490°C с закалкой и правкой профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1%, последующее искусственное старение при температуре 160-175°C и времени выдержки 8-12 часов с перерывом между закалкой и старением не более 24 часов. Техническим результатом является получение прессованных изделий с повышенной коррозионной стойкостью. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл., 4 пр.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний, марганец, медь, железо, цинк, хром и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний 0,80-1,10 кремний 0,85-1,20 марганец 0,20-0,40 медь до 0,05 железо до 0,20 цинк до 0,10 хром 0,10-0,30 титан 0,06-0,10 индий 0,001-0,01 алюминий и неизбежные примеси остальное

2. Способ получения изделия из сплава на основе алюминия, включающий литье слитка из сплава по п.1, гомогенизацию слитка при температуре ниже температуры солидуса на 20-40°C в течение 4-10 часов, прессование при температуре нагрева заготовки 420-490°C с закалкой и правкой профиля растяжением с величиной остаточной деформации не более 1%, последующее искусственное старение при температуре 160-175°C и времени выдержки 8-12 часов с перерывом между закалкой и старением не более 24 часов.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что закалку проводят на столе пресса для профилей с толщиной стенки до 8 мм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что закалку проводят в вертикальных закалочных печах для профилей с толщиной стенки более 8 мм.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что температура закалки составляет 520-540°С.

6. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено способом по любому из пп. 2-5.