ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ AL-MG-SI Российский патент 2020 года по МПК C22C21/06 C22C21/08 

Область техники

Изобретение относится к термически упрочняемому алюминиевому сплаву на основе Al-Mg-Si.

Уровень техники

Чтобы улучшить способность к термическому упрочнению в результате выдержки при комнатной температуре алюминиевого сплава A6061 на основе Al-Mg-Si, в WO2013/124472A1 предлагается добавлять в твердый раствор алюминиевого сплава вакансионно активный микроэлемент, а именно олово (Sn) и/или индий (In).

Кроме того, известно (см. "Statistical and thermodynamic optimization of trace-element modified Al-Mg-Si-Cu Alloys", Stefan Pogatscher et. al.), что определенные основные и второстепенные легирующие элементы алюминиевого сплава A6061 снижают растворимость олова или индия в алюминиевом сплаве, что негативно влияет на стабильность при хранении при комнатной температуре алюминиевых сплавов серии 6xxx. Так, например, повышенное содержание Mg, Si, Cu или Zn в алюминиевом сплаве 6xxx должно снижать растворимость, тогда как повышенное содержание Fe, Ti и Mn повышает растворимость. Кроме того, значительную роль в растворимости Sn в алюминиевом сплаве играют эффекты взаимодействия, например, между Si и Mg и/или между Cu и Mg.

Правда, основные и второстепенные легирующие элементы нельзя произвольно варьировать по их содержанию в алюминиевом сплаве, так как помимо желаемой высокой способности к термическому упрочнению должны также удовлетворяться и другие механические и/или химические требования, такие как, например, деформируемость, прочность, пластичность и/или коррозионная стойкость. Это требует, например, высоких концентраций основных легирующих элементов в алюминиевом сплаве для того, чтобы могли образоваться определенные дисперсионные выделения.

Поэтому при установлении состава алюминиевого сплава на основе Al-Mg-Si часто требуются противоречащие друг другу количественные соотношения между основными и второстепенными легирующими элементами, а именно, с одной стороны, такие количественные соотношения, которые полезны для растворимости Sn в алюминиевом сплаве, чтобы сделать возможной высокую стабильность при хранении при комнатной температуре, а, с другой стороны, такие количественные соотношения, которые нужны для высоких механических и/или химических параметров или свойств алюминиевого сплава, но чаще всего отрицательно влияют на растворимость Sn.

Сущность изобретения

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы изменить состав термически упрочняемого алюминиевого сплава на основе Al-Mg-Si с Sn в качестве микроэлемента таким образом, чтобы можно было сочетать высокие механические и химические свойства алюминиевого сплава после термического упрочнения с высокой стабильностью при хранении при комнатной температуре. Кроме того, алюминиевый сплав должен особенно хорошо подходить для применения вторичного алюминия.

Согласно изобретению поставленная задача решена посредством алюминиевого сплава, который содержит от 0,6 до 1 мас.% магния (Mg), от 0,2 до 0,7 мас.% кремния (Si), от 0,16 до 0,7 мас.% железа (Fe), от 0,05 до 0,4 мас.% меди (Cu), максимум 0,15 мас.% (т.е. от 0 до 0,15 мас.%) марганца (Mn), максимум 0,35 мас.% (т.е. от 0 до 0,35 мас.%) хрома (Cr), максимум 0,2 мас.% (т.е. от 0 до 0,2 мас.%) циркония (Zr), максимум 0,25 мас.% (т.е. от 0 до 0,25 мас.%) цинка (Zn), максимум 0,15 мас.% (т.е. от 0 до 0,15 мас.%) титана (Ti), от 0,005 до 0,075 мас.% олова (Sn) и/или индия (In), а остальное – алюминий, а также обусловленные производством неизбежные примеси, причем отношение массовых процентных содержаний Si/Fe меньше 2,5, и содержание Si определяется по уравнению: мас.% Si = A + [0,3*(мас.% Fe)] с параметром A в интервале от 0,17 до 0,4 мас.%.

Благодаря условию по ограничению содержания Si в пределах 0,2-0,7 мас.% и содержания Fe в пределах 0,16-0,7 мас.%, а также благодаря согласованию содержания Si с содержанием Fe можно оказать в особенно высокой степени благоприятное влияние на стабильность при хранении и способность к термическому упрочнению алюминиевого сплава Al-Mg-Si, когда это согласование удовлетворяет как отношению массовых процентных содержаний Si/Fe меньше 2,5, так и уравнению мас.% Si = A + [0,3 * (мас.% Fe)] с параметром A в интервале от 0,17 до 0,4 мас.%.

Такой согласованный в узких пределах по содержанию Si и Fe алюминиевый сплав, согласование которого можно увидеть, например, как заштрихованную область на фиг. 1, благодаря верхней границе указанного условия может обеспечить достаточную растворимость олова и/или индия в твердом растворе алюминиевого сплава, что замедляет динамику образования выделений при холодном твердении и, тем самым, способствует стабильности при хранении алюминиевого сплава. Кроме того, нижняя граница согласования позволяет ожидать достаточной динамики образования выделений при термическом упрочнении, в результате чего достижимы высокие показатели прочности при термическом упрочнении и могут быть достигнуты или даже улучшены такие механические и химические свойства самого алюминиевого сплава, какие известны для алюминиевых сплавов серии 6xxx с повышенным содержанием основных и второстепенных легирующих элементов.

Однако неожиданно выявлено, что в этих условиях может наблюдаться во много раз более медленная динамика образования выделений при комнатной температуре по сравнению с известными алюминиевыми сплавами серии 6xxx, содержащими Sn для подавления холодного твердения. Хотя известно, что сравнительно низкое содержание Si может быть ответственным за замедление холодного твердения, однако согласование содержания Si в соответствии с изобретением позволяет выйти далеко за пределы этих известных эффектов, а также проявляется в необычно высокой стабильности при хранении алюминиевых сплавов.

Таким образом, согласно изобретению можно сочетать преимущества особенно высокой стабильности при хранении при комнатной температуре с хорошей способностью к термическому упрочнению алюминиевого сплава.

Кроме того, предлагаемый изобретением состав за счет сравнительно высокого содержания Fe может также особенно хорошо подходить для применения вторичного алюминия.

В общем, следует упомянуть, что в алюминиевом сплаве Al-Mg-Si примеси могут присутствовать в содержании максимум 0,05 мас.% каждая и в сумме не более 0,15 мас.%. Кроме того, следует в общем упомянуть, что максимальные доли в мас.%, такие как, например, указанные для Mn, Cr, Zr, Zn или титана, могут начинаться с 0.

Далее для полноты следует отметить, что под вторичным алюминием следует понимать алюминий или алюминиевый сплав, полученные из алюминиевого лома.

Стабильность при хранении и способность к термическому упрочнению алюминиевого сплава еще больше улучшаются, когда параметр A лежит в интервале от 0,26 до 0,34 мас.%. А именно, при этом условии растворимость Sn может быть сравнительно большой, а Si оказывает лишь незначительное влияние на холодное твердение. Это обеспечивает неожиданно высокую стабильность при комнатной температуре. Кроме того, оказалось, что этот сплав с так подобранным составом после термического упрочнения, например, путем выдерживания при повышенной температуре, может достичь удивительно высокой прочности, несмотря на то, что этот сплав имеет сравнительно низкое содержание Si.

Оптимум стабильности при хранении и способности к термическому упрочнению обнаруживается, когда параметр A составляет 0,3 мас.%.

Если содержании Si определяется по уравнению "мас.% Si = A + [0,3 * (мас.% Fe)] - мас.% Ti", то можно еще лучше согласовать друг с другом влияющие на растворимость Sn компоненты. В частности, могут образовываться фазы Ti с Si, что может оказывать положительное влияние на растворимость Sn. В результате можно еще больше улучшить стабильность при хранении алюминиевого сплава.

Если отношение массовых процентных содержаний Si/Fe меньше 2, то из-за повышенного связывания кремния (Si) железом (Fe) можно существенно снизить долю растворенного Si в алюминиевом сплаве. Тем самым можно улучшить растворимость олова и/или индия в твердом растворе алюминиевого сплава Al-Mg-Si, что может еще больше повысить стабильность при хранении.

Сравнительно высокой растворимости олова и/или индия в твердом растворе алюминиевого сплава Al-Mg-Si можно достичь, если отношение массовых процентных содержаний Si/Mg лежит в интервале от 0,3 до 0,9.

Если алюминиевый сплав содержит по меньшей мере 0,25 мас.% меди (Cu), то благодаря этому сравнительно высокому содержанию Cu можно компенсировать неблагоприятное влияние Mg и Si на растворимость Sn в твердом растворе алюминиевого сплава Al-Mg-Si.

Исключительной стабильности при хранении алюминиевого сплава можно достичь, когда он содержит от 0,005 до 0,05 мас.% олова (Sn) в кристаллическом твердом растворе алюминия. Обычно под термином "твердый раствор" понимается состояние, в котором легирующий элемент распределен в твердой матрице.

Алюминиевый сплав предпочтительно относится к серии 6xxx. Предпочтительно, алюминиевый сплав является алюминиевым сплавом EN AW-6061.

Если алюминиевый сплав содержит максимум 0,05 мас.% хрома (Cr) и более 0,05 мас.% циркония (Zr), то можно снизить чувствительность к закалке для Sn, и Sn при сравнительно низких скоростях закалки может удерживаться в кристаллическом твердом растворе алюминия. Кроме того, в результате возможно, даже в случае толстых листов, достичь оптимальных стабильности при хранении и способности к термическому упрочнению.

Алюминиевый сплав может содержать по меньшей мере 0,02 мас.% хрома (Cr), чтобы тем самым при необходимости улучшить антикоррозионные свойства.

Варианты осуществления изобретения

Для подтверждения достигнутых эффектов приготовили тонкие листы из разных алюминиевых сплавов на основе Al-Mg-Si (серии 6xxx). Составы этих разных сплавов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Обзор исследуемых сплавов в мас.%

Сплавы Sn Mg Si Cu Fe Mn Cr Zn Ti 1 0,04 0,8 0,64 0,22 0,47 0,11 0,16 0,05 0,05 2 0,04 0,78 0,43 0,36 0,46 0,11 0,14 0,05 0,06

Алюминиевый сплав 1 из таблицы 1 по существу соответствует стандартному сплаву AA6061 после добавления микроэлемента Sn, причем допустимо использовать вместо олова индий или комбинацию Sn и In. Сплав 2 представляет собой композицию согласно изобретению серии 6xxx и из-за сравнительно высокого содержания Fe сравнительно удобен для вторичной переработки.

Алюминиевый сплав 1 лежит далеко за пределами согласованного по изобретению соотношения Si/Fe, как это можно видеть, например, на фиг. 1. Алюминиевый сплав 2 находится по существу в центре диапазона согласованных содержаний Si/Fe.

Оба алюминиевых сплава 1 и 2 обработали на твердый раствор путем диффузионного отжига, закалили и подвергли холодному твердению (естественному старению) путем выдержки при комнатной температуре, а затем термическому упрочнению (искусственному старению). Диффузионный отжиг проводился при температуре выше 530 градусов Цельсия, а закалка – со скоростью закалки более 20 градусов Цельсия/секунду. Оба сплава 1 и 2 подвергали выдержке или холодному твердению в течение 180 дней [д] и термическому упрочнению в течение 30 минут при разных температурах. Во время холодного вылеживания или после горячего вылеживания определяли твердость по Бринеллю [HBW].

Что касается стабильности при хранении, из фиг. 2 видно, что сплав 1 уже через 14 дней подвергается сравнительно сильно растущему холодному твердению при выдерживании при комнатной температуре, что через длительное время выдержки ведет к сравнительно высокой и растущей твердости по Бринеллю, что считается неблагоприятным, а также негативно влияет на пластическое деформирование перед термическим упрочнением.

В отличие от него, сплав 2 характеризуется начинающимся холодным твердением только через примерно 180 дней, что позволяет считать сплав 2 согласно изобретению особенно стойким при хранении. Такая неожиданно высокая стабильность при хранении у сплавов 6xxx до настоящего времени не наблюдалась. Это ведет к неожиданному колоссальному выигрышу во времени манипуляций со сплавом после закалки в мягком состоянии.

При последующем термическом упрочнении, как можно видеть из сравнения обоих сплавов на фиг. 3, сплав 2 при более низких температурах выдержки сначала уступает сплаву 1 в твердости по Бринеллю. При более высоких температурах выдержки он может заметно превзойти твердость по Бринеллю сплава 1.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе системы Al-Mg-Si. Сплав содержит, мас.%: 0,6-1,0 магния, 0,2-0,7 кремния, 0,16-0,7 железа, 0,05-0,4 меди, до 0,15 марганца, до 0,35 хрома, до 0,2 циркония, до 0,25 цинка, до 0,15 титана, 0,005-0,075 олова и/или индия, остальное – алюминий и неизбежные примеси, причем отношение Si/Fe меньше 2,5, а содержание Si удовлетворяет условию: мас.% Si = A + [0,3 * (мас.% Fe)], где A составляет от 0,17 до 0,4 мас.%. Сплав обеспечивает сочетание высоких механических свойств после термического упрочнения с высокой стабильностью при хранении. 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Термически упрочняемый алюминиевый сплав на основе Al-Mg-Si, содержащий, мас.%:

от 0,6 до 1 магния (Mg),

от 0,2 до 0,7 кремния (Si),

от 0,16 до 0,7 железа (Fe),

от 0,05 до 0,4 меди (Cu),

максимум 0,15 марганца (Mn),

максимум 0,35 хрома (Cr),

максимум 0,2 циркония (Zr),

максимум 0,25 цинка (Zn),

максимум 0,15 титана (Ti),

0,005-0,075 олова (Sn) и/или индия (In),

остальное – алюминий и неизбежные примеси, причем

отношение массовых процентных содержаний Si/Fe меньше 2,5, и содержание Si удовлетворяет условию:

мас.% Si = A + [0,3 * (мас.% Fe)], где

параметр A составляет от 0,17 до 0,4 мас.%.

2. Алюминиевый сплав по п. 1, отличающийся тем, что параметр A составляет от 0,26 до 0,34 мас.%.

3. Алюминиевый сплав по п. 1 или 2, отличающийся тем, что параметр A составляет 0,3 мас.%.

4. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что содержание Si дополнительно удовлетворяет условию:

мас.% Si = A + [0,3 * (мас.% Fe)] - мас.% Ti.

5. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что отношение массовых процентных содержаний Si/Fe меньше 2.

6. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что отношение массовых процентных содержаний Si/Mg составляет от 0,3 до 0,9.

7. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что алюминиевый сплав содержит по меньшей мере 0,25 мас.% меди (Cu).

8. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что алюминиевый сплав содержит от 0,005 до 0,05 мас.% олова (Sn) в кристаллическом твердом растворе алюминия.

9. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что алюминиевый сплав относится к серии 6xxx.

10. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что алюминиевый сплав содержит максимум 0,05 мас.% хрома (Cr) и более 0,05 мас.% циркония (Zr).

11. Алюминиевый сплав по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что алюминиевый сплав содержит по меньшей мере 0,02 мас.% хрома (Cr).