сверхпрочный деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C21/10 с цинком в качестве следующего основного компонента |
Автор(ы): | Савинов Виталий Иванович (RU), Милашенко Валентина Александровна (RU) |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "Военно-промышленная инвестиционная группа "ВИЛС" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-10-28 публикация патента:
27.01.2013 |
Изобретение относится к металлургии легких сплавов, в частности к сверхпрочным деформируемым термически упрочняемым алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, которые предназначены для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде прессованных и катаных труб, штампованных крышек, используемых в виде деталей газовых центрифуг. Изделия выполнены из сплава, содержащего, в мас.%: цинк 8,0-9,0, магний 2,3-3,0, медь 2,0-2,6, цирконий 0,1-0,2, бериллий 0,0001-0,002, церий 0,005-0,05, кальций 0,005-0,05, титан 0,005-0,05, железо до 0,15, кремний до 0,1, по крайней мере один элемент из группы: марганец до 0,1, хром до 0,05, алюминий - остальное. Сплав обладает высокими прочностными свойствами при одновременно высокой пластичности, ударной вязкости и высоким сопротивлением усталостным нагрузкам, что обусловливает рост надежности и ресурса работы изделия. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.
Формула изобретения
1. Сверхпрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, бериллий, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, кальций, титан и по крайней мере один элемент из группы марганец и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цинк | 8,0-9,0 |
Магний | 2,3-3,0 |
Медь | 2,0-2,6 |
Цирконий | 0,1-0,2 |
Бериллий | 0,0001-0,002 |
Церий | 0,005-0,05 |
Кальций | 0,005-0,05 |
Титан | 0,005-0,05 |
Железо | до 0,15 |
Кремний | до 0,1 |
По крайней мере один элемент из группы:
Марганец | до 0,1 |
Хром | до 0,05 |
Алюминий | остальное |
2. Изделие из сверхпрочного деформируемого сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов и, в частности, сплавов на основе алюминия, которые предназначены для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде прессованных и катаных труб, штампованых крышек, используемых в виде деталей газовых центрифуг, работающих длительное время в сложных условиях при умеренно повышенных температурах.
Известен алюминиевый сплав марки В96Цпч следующего химического состава, мас.%:
Цинк - 8,0-9,0
Магний - 2,3-3,0
Медь - 2,0-2,6
Цирконий - 0,1-0,2
Алюминий - остальное.
(Сплавы алюминиевые деформируемые повышенной чистоты. Марки. ОСТ 1 90026-80).
Недостатком этого сплава является низкая конструкционная прочность из-за хрупкости, возникающей вследствие склонности к зернограничному разрушению. Хрупкость сплава также обусловливает его низкую технологичность в металлургическом производстве. Сплав имеет повышенную склонность к горячим и холодным трещинам при литье слитков, характеризуется низкими скоростями истечения при прессовании и допускает очень ограниченные деформации при ковке и прокатке.
Известен алюминиевый сплав 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 - 0,05-0,3
Кремний - 0,03-0,15
Бериллий - 0,0001-0,002
Водород - (0,9-3,6)×10-5
Алюминий - остальное.
(Патент РФ на изобретение № 2164541, класс С22С21/10, опубликован 27.03.2001 г.), прототип.
Недостатком этого сплава является низкая конструкционная прочность из-за хрупкости, возникающей вследствие склонности к зернограничному разрушению. Это снижает ресурс изделия. Сплав мало технологичен в металлургическом производстве при литье слитков и при обработке их давлением.
Предлагается сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:
Цинк - 8,0-9,0
Магний - 2,3-3,0
Медь - 2,0-2,6
Цирконий - 0,1-0,2
Бериллий - 0,0001-0,002
Церий - 0,005-0,05
Кальций - 0,005-0,05
Титан - 0,005-0,05
Железо до 0,15
Кремний до 0,1.
По крайней мере один элемент из группы:
Марганец до 0,1
Хром до 0,05.
Предлагаемый сплав на основе алюминия имеет следующий химический состав и отличается от известного тем, что он дополнительно содержит церий, кальций, титан и по крайней мере один из элементов группы - марганец или хром, при следующих соотношениях компонентов (массовая доля)%:
Цинк - 8,0-9,0
Магний - 2,3-3,0
Медь - 2,0-2,6
Цирконий - 0,1-0,2
Бериллий - 0,0001-0,002
Церий - 0,005-0,05
Кальций - 0,005-0,05
Титан - 0,005-0,05
Железо до 0,15
Кремний до 0,1
По крайней мере один элемент из группы:
Марганец до 0,1
Хром до 0,05
Алюминий - остальное.
Предлагаемый сплав характеризуется повышенной конструкционной прочностью вследствие малой склонности к межзеренному разрушению из-за повышенной пластичности межзеренных границ. В результате заметно возрастают характеристики, описывающие пластичность металла. Относительное удлинение возрастает на 30%, ударная вязкость на 40%, заметно растет сопротивление повторным нагрузкам. Как следствие возрастает ресурс изделий.
Снижение хрупкости благотворно сказывается на технологической пластичности в металлургическом производстве. Уменьшается склонность к горячим и холодным трещинам при литье слитков, повышается их пластичность при обработке давлением.
Причина повышения пластичности и вязкости разрушения заключается в уменьшении зернограничной хрупкости вследствие комплексного микролегирования сплава при заданном составе, повышающего пластичность межзеренных границ. Доля межзеренного разрушения при переходе от известного сплава к предлагаемому уменьшается в несколько раз.
Преимущества сплава проявляются также в изделии, выполненном из вышеприведенного сплава.
Пример.
В электрической печи сопротивления емкостью 170 кг были отлиты слитки диаметром 65 мм и диаметром 215 мм из известного и предлагаемого сплавов.
Химический состав приведен в табл.1.
Таблица 1 | ||||||||||||||
Фактический химический состав отлитых слитков из известного и предлагаемого сплавов, % по массе | ||||||||||||||
Сплав | Al | Zn | Mg | Cu | Zr | Be | Се | Са | Ti | н2 | Fe | Si | Mn | Cr |
Известный | основа | 8,6 | 2,6 | 2,4 | 0,12 | 0,0006 | - | - | 2,1×10 -5 | 0,12 | 0,07 | - | - | |
Предлагаемый | основа | 8,5 | 2,7 | 2,3 | 0,13 | 0,0015 | 0,01 | 0,007 | 0,03 | - | 0,10 | 0,06 | 0,03 | 0,01 |
Слитки были отгомогенизированы по режиму 420°С, 6 часов +460°С, 20 часов.
Слитки диаметром 65 мм резали на мерные заготовки 65×87 мм, обтачивали на 62 мм и штамповали в несколько переходов на заготовки под детали в виде крышек.
Слитки диаметром 215 мм резали на мерные заготовки длиной по 600 мм, обтачивали на диаметр 200 мм и осаживали с последующей прогладкой на диаметр 290 мм. Из полученных поковок выгачивали заготовки, из которых прессовали трубу 138×4 мм.
Штамповки в виде крышек укладывали вертикально в специальную закалочную корзину в шахматном порядке с зазором около 40 мм. Температуру в закалочной печи поддерживали на уровне 470°С с точностью ±3°С. При погружении корзины со штамповками в ванну с водой комнатной температуры осуществляли интенсивный барботаж воды с помощью сжатого воздуха, подаваемого со дна ванны.
Трубы закаливали из вертикальной закалочной печи с температуры 470±3°С в баке с водой комнатной температуры с вертикальным погружением. После закалки покоробленные трубы правили волочением с остаточной пластической деформацией 1,5%.
Закаленные штамповки и трубы искусственно старили по режиму 140°С, 16 часов.
В табл.2 представлены механические свойства штамповок и прессованных труб из известного и предлагаемого сплавов.
Таблица 2 | ||||||
Фактические механические свойства штамповок и труб из известного и предлагаемого сплавов. | ||||||
Средние значения из результатов 10 испытаний | ||||||
Сплав | Полуфабрикат | в, МПа | 02, МПа | , % | , % | KCU, кгм/см 2 |
известный | Штамповка | 660 | 610 | 4,0 | 12 | 0,5 |
Труба | 680 | 630 | 5,0 | 15 | 0,6 | |
предлагаемый | Штамповка | 670 | 620 | 7,5 | 18 | 0,8 |
Труба | 690 | 650 | 8,0 | 21 | 0,85 |
Из термически упроченных труб известного и предлагаемого сплавов вырезали образцы с концентратором напряжений (Kt=2,3; f=3 Гц; R=0,1) для испытаний на малоцикловую выносливость при пульсирующем растяжении при mах=160 МПа. Образцы из известного сплава выдержали 130-190 тыс. циклов до разрушения, а образцы из предлагаемого сплава - 270-350 тыс. циклов.
Таким образом, анализ приведенных результатов испытаний труб из известного и предлагаемого сплавов показывает явное преимущество последнего.
Предлагаемый сплав имеет более высокие значения относительного удлинения и относительного сужения , ударной вязкости KCU и в особенности более высокий показатель сопротивления усталостным нагрузкам. Это дает возможность повышать ресурс изделия.
Класс C22C21/10 с цинком в качестве следующего основного компонента