высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него
Классы МПК: | C22C21/06 с магнием в качестве следующего основного компонента C22C21/10 с цинком в качестве следующего основного компонента |
Автор(ы): | Захаров Валерий Владимирович (RU), Телешов Виктор Владимирович (RU), Головлёва Анна Петровна (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-03-29 публикация патента:
10.05.2014 |
Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым алюминиевым сплавам, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности разового применения. Сплав содержит, 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, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10; алюминий - остальное, при соотношении между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочности сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью и разовых изделий, выполненных из них. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Формула изобретения
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, 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, 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.
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, 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, 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.
Описание изобретения к патенту
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 удельной прочности за счет получения высоких прочностных характеристик и пониженной плотности.
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/см 3, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам.
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, МКИ7 С22С 21/16, 2011 г.), прототип.
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.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, необходимыми для изделий разового применения.
Для решения этой задачи предлагается:
1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, а также дополнительно содержащий церий при следующем соотношении компонентов, 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 |
гитан | 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, 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.
2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности следующего химического состава, 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, 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.
Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, 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, 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.
Отличием предложенного сплава является также низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,55.
Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют пониженную плотность и однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру с высокими прочностными характеристиками.
Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из этого сплава определяются двумя факторами. Во-первых, при предложенном содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих - и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в структуре. Дополнительное упрочнение сплава обеспечивает дисперсоид из наночастиц фазы A3(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 наличие само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, способствует появлению структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры.
Добавка церия позволяет снизить окисляемость расплава и снизить потери от угара, уменьшить загрязненность сплава окисными включениями и, как следствие, повысить механические свойства полуфабрикатов.
Технический результат - повышение удельной прочности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии, и, как следствие, повышение технических и экономических характеристик готовых конструкций.
Пример осуществления
Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 178 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 160 мм при температуре 400°C отпрессовали на полосу сечением 20×60 мм. Полученные полосы закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч и правили растяжением с остаточной деформацией 0,5%. Полосы искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.
Полученный материал с нерекристаллизованной структурой подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления В, предела текучести 0,2, относительного удлинения . При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные характеристики при комнатной температуре и на 10-20 МПа см3/г более высокие удельные прочностные характеристики.
Таблица 1 | ||||||||||||
Химический состав сплавов (мас.%) | ||||||||||||
Сплав | Zn | Cu | Mg | Ti | Sc | Zr | Be | Ce | Si | Fe | Mn | Al |
Предлагаемый | 7,0 | 1,1 | 3,8 | 0,06 | 0,09 | 0,10 | 0,0004 | 0,05 | 0,10 | 0,12 | 0,03 | ост. |
Прототип | 3,6 | 0,7 | 4,6 | 0,03 | 0,19 | 0,08 | 0,0005 | - | 0,05 | 0,06 | 0,11 | ост. |
Примечание. Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,30 см7100 г металла. |
Таблица 2 | ||||||
Механические свойства изделий в продольном направлении в искусственно состаренном состоянии | ||||||
Сплав | Свойства при 20°C | Удельная прочность | ||||
Плотность, г/см3 | В, МПа | 0,2, МПа | , % | В, удельная, МПа см3/г | 0,2, удельная, МПа см3/г | |
Предлагаемый | 2,75 | 650 | 550 | 10 | 236,4 | 200,0 |
Прототип | 2,71 | 580 | 520 | 12 | 214,0 | 191,9 |
Класс C22C21/06 с магнием в качестве следующего основного компонента
Класс C22C21/10 с цинком в качестве следующего основного компонента