Деформируемый алюминиево-кальциевый сплав

Изобретение относится к области металлургии материалов на основе алюминия и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, работающих в коррозионной среде и допускающих нагревы до 350°С. Среди них: детали автомобильных двигателей, детали судостроения, водозаборной арматуры и др.

Деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы типа АМг2, содержащие 2-3% Mg (здесь и далее масс. %, если иное не оговорено), обладают высокой технологичностью и коррозионной стойкостью, вследствие чего они нашли широкое применение в различных областях [Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. Н.А. Белов. М: Изд. дом МИСиС, 2010 - 511 с. ISBN 978-5-87623-375-2]. Эти сплавы предназначены преимущественно для получения листового проката. Основным недостатком сплавом типа АМг2 является невысокая прочность, особенно в отожженном состоянии (согласно ГОСТ 21631-76 требование к временному сопротивлению составляет менее 200 МПа). Это препятствует их использованию в нагруженных изделиях. Увеличение содержания магния до 5-6% (сплавы АМг5, АМг6) позволяет заметно повысить прочность, однако при этом снижается технологичность (в частности, сопротивление деформированию) и коррозионная стойкость (из-за образования по границам зерен вторичных выделений фазы Al₃Mg₂) [Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. Н.А. Белов. М: Изд. дом МИСиС, 2010 - 511 с. ISBN 978-5-87623-375-2]. Кроме того, слитки сплавов с высоким содержанием магния требуют гомогенизирующего отжига.

Для повышения прочностных свойств алюминиево-магниевых сплавов типа целесообразно дополнительно легировать их такими элементами, которые бы сохраняли высокий уровень технологичности и коррозионной стойкости. Среди них скандий и цирконий, которые нашли применение в сплавах типа 01570 [Резник, Павел Львович; Чикова, Ольга Анатольевна; Овсянников, Б.В. / Влияние режимов гомогенизации слитков на микроструктуру, фазовый состав и механические свойства сплава 01570 при повышенных температурах. В: Металловедение и термическая обработка металлов. 2016; №4 (730). стр. 18-22]. Последние в настоящее время рассматриваются как одни из наиболее перспективных материалов для авиастроения, поскольку они позволяют добиться существенно большей прочности по сравнению с классическими магналиями. Это упрочнение достигается за счет присутствия в структуре деформированных полуфабрикатов наночастиц фазы Al₃(Sc,Zr)-Ll₂, которые являются эффективными антирекристаллизаторами. Эти наночастицы образуются при отжиге (или технологическом нагреве) слитков в процессе распада пересыщенного алюминиевого твердого раствора (далее (Al)), который формируется при кристаллизации.

Известен сплав, раскрытый в патенте RU 2226565 (публ. 10.04.2004, бюл. №10). Данный сплав, предназначенный для изготовления деформированных полуфабрикатов, содержит 5-6 мас. % магния (Mg), 0,05-0,15 мас. % циркония (Zr), 0,05-0,12 мас. % марганца (Mn), 0,01-0,2 мас. % титана (Ti), 0,05-0,5 мас. % одного либо нескольких элементов группы, состоящей из скандия (Sc), тербия (Tb), церия (Се) и остальных лантанидов, при этом в его составе содержится, по меньшей мере, скандий (Sc), кроме того, 0,1-0,2 мас. % меди (Cu) и/или 0,1-0,4 мас. % цинка (Zn), а также алюминий (Al) и неизбежные включения кремния в количестве максимум 0,1 мас. %. В частном исполнении сплав содержит, по меньшей мере, 0,15 мас. % скандия (Sc).

Недостатком этого сплава является высокое содержание магния, что требует проведения операции гомогенизации в узком температурном диапазоне. Также недостатком этого сплава является строгое ограничение по содержанию железа и кремния, что исключает возможность его приготовления на основе первичного алюминия низких марок, а также использования вторичного сырья. Еще одним недостатком этого сплава является высокое содержание в его составе дорогостоящего скандия.

Наиболее близким к предложенному является коррозионностойкий алюминиево-магниевый сплав, раскрытый в патенте РФ №2478131 Этот сплав содержит 3-5 мас. % магния (Mg), 0,05-0,15 мас. % циркония (Zr), 0,05-0,12 мас. % марганца (Mn), 0,01-0,2 мас. % титана (Ti), 0,05-0,5 мас. % одного либо нескольких элементов из скандиевой группы и/или тербия (Tb), при этом в его составе содержится по меньшей мере скандий (Sc), а также алюминий (А1) и неизбежные включения кремния в количестве максимум 0,2 мас. %. В частном исполнении этот сплав содержит не менее 0,15 мас. % скандия (Sc). Сплав предназначен для изготовления методом сварки, прокатки, экструзии или ковки деталей для воздушного транспортного средства, прежде всего фюзеляжа самолета, для морского транспортного средства или для автотранспортного средства.

Недостатком данного сплава является строгое ограничение по содержанию железа и кремния, что исключает возможность его приготовления на основе первичного алюминия низких марок, а также использования вторичного сырья. Еще одним недостатком этого сплава является высокое содержание в его составе дорогостоящего скандия.

Техническим результатом является создание нового коррозионностойкого сплава на основе алюминия, предназначенного для получения деформированных полуфабрикатов и допускающего в своем состава не менее 0,4% железа, не менее 0,3% кремния, не более 2,5% магния и не более 0,12% скандия. Этот сплав должен допускать нагрев до 350°С включительно.

Технический результат достигается тем, что деформированный сплав на основе алюминия, содержащий магний, марганец, цирконий, скандий и кремний, отличается тем, что он дополнительно содержит кальций и железо при следующих концентрациях легирующих компонентов, масс. %:

Сплав данного состава может быть выполнен в виде листов со следующими свойствами на растяжение после 3 часового нагрева при 350°С: временное сопротивление (σв) не менее 300 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%. Сплав данного состава также может быть выполнен в виде прутков со следующими свойствами на растяжение после 3 часового нагрева при 350°С: временное сопротивление (σв) не менее 350 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 5%.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показаны деформированные полуфабрикаты, изготовленные из заявляемого сплава состава №3 в виде листового проката, на фиг. 2 показаны деформированные полуфабрикаты, изготовленные из заявляемого сплава состава №3 в виде прутков.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Кальций позволяет связать железо и кремний и тройные соединения, которые обладают благоприятной морфологией и не оказывает отрицательного влияния на механические свойства и коррозионную стойкость. Концентрации магния и марганца в заявленных пределах обеспечивает необходимый уровень прочностных свойств при сохранении достаточно высокой деформационной пластичности.

Концентрации циркония и скандия в заявленных пределах обеспечивают необходимый эффект дисперсионного твердения за счет образования при отжиге наночастиц фазы Al₃(Zr,Sc) с решеткой Ll₂, обладающих высокой термической стабильностью.

ПРИМЕР 1.

Были приготовлены 6 сплавов, составы которых указаны в табл. 1. Все сплавы готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе первичного алюминия марки А5Е. Из этих сплавов готовили плоские слитки, из которых на прокатном стане получали листы толщиной 2 мм (Фиг. 1). Образцы листов подвергали стабилизирующему отжигу при 350°С в течение 3-х часов в муфельной электропечи.

Механические свойства (временное сопротивление - σ_в, условный предел текучести - σ_0,2 и относительное удлинение - δ) определяли по результатам испытаний на одноосное растяжение на машине Zwick Z250. Испытания при комнатной температуре проводили по ГОСТ 1497-84. Коррозионную стойкость оценивали по потере массы (Δm) после выдержки в водном растворе 3%NaCl+0,3%H₂O₂ в течение суток.

¹ потеря массы после коррозионных испытаний

Из табл. 1 видно, что только заявляемый сплав (составы 2-4) обеспечивает наилучшее сочетание временного сопротивления, предела текучести и относительного удлинения. В сплаве 1 прочность меньше требуемого уровня, что связано с недостаточным количеством выделений фаз Al₆Mn и Al₃(Zr,Sc). Сплав 5 имеет низкое значение δ, что связано с наличием первичных кристаллов интерметаллидов. Сплав, отличающийся от сплава 3 отсутствие кальция (состав 6), уступает сплавам 2-4 по механическим свойствам, что связыванием части магния в соединение Mg₂Si. Кроме того, сплав 6 имеет более низкую коррозионную стойкость.

ПРИМЕР 2.

Из заявляемого сплава состава №3 были приготовлены цилиндрические слитки, из которого на стане радиально-сдвиговой прокатки получали прутки диаметром 14 мм и 9 мм (Фиг. 2). Эти прутки не содержали трещин и других видимых дефектов. Механические свойства, приведенные в табл. 2, показывают высокий уровень прочностных свойств.