ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПАЯНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в паяных конструкциях.

Общим требованием для сплавов, предназначенных для применения в паяных конструкциях, является сохранение свойств после воздействия на них режима пайки. Сплавы на основе алюминия для паяных конструкций создаются на базе всех известных систем легирования в зависимости от назначения. Благодаря склонности к самозакаливанию и высокой температуре солидуса сплавы системы Al-Zn-Mg являются перспективной системой для создания высокопрочных сплавов для пайки наиболее тугоплавким твердым припоем, предназначенным для пайки алюминия и сплавов.

Известен сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg, предназначенный для пайки твердым припоем, содержащий (в % по массе) 0,5-2,5 Zn, ≤0,05Mg, 0,7-1,4 Mn, 0,7-1,4 Si, 0,5-1,4 Fe (Европейский патент №2048252, C22C 21/00, C22F 1/00, C22F1/053, 18.06.2007). Сплав имеет, по данным авторов, низкую прочность: всего 130 МПа.

Известны сплавы системы Al-Zn-Mg с различными добавками, предназначенные для пайки твердым припоем, содержащие:

- 3,0-7,0 Zn, 0,1-0,3 Mg, 0,1-0,5 Cr, 0,05-0,2 Ti, 0,01-2,0 Ni (Патент Японии №3194778 C22C 21/10 24.03.92),

- 0,1-0,4 Zn, 0,1-0,7 Mg, 0,1-0,9 Si, 0,1-0,9 Mn, 0,05-0,5 Cu, 0,05-0,3 Cr, 0,02-0,2 Zr (Заявка Японии №2-10212 C22C 21/00, 21/02, 07.03.90),

- 0,8-2,5 Zn, до 0,008 Mg, 0,6-1,0 Si, 0,9-1,5 Mn, 0,1-0,4 Cu, 0,3-0,6 Ni, 0,03-0,3 Cr, 0,03-0,3 Zr, возможно, 0,005-0,1 In, 0,005-0,1 Sn (Патент Японии №3359115 7090444 C22C 21/00, F28F 21/08, 24.12.2002),

- 3,1-3,9 Zn, 0,3-0,8 Mg, 0,2-0,9 Mn, 0,01-0,3 Cu, 0,05-0,5 Zr, 0,01-0,3 Ti (Заявка Японии №3 - 38332, C22C 21/10, 10.06.91),

Сплавы легированы дополнительно титаном, цирконием и/или элементами, повышающими температуру рекристаллизации. Недостатком сплавов остается пониженная прочность после обработки по режиму пайки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав 1915 по ГОСТ4784, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:

алюминий - основа,

цинк 4,0-5,0,

магний 1,0-1,8,

марганец 0,2-0,7,

хром 0,06-0,2,

титан 0,01-0,06,

цирконий 0,08-0,2,

медь до 0,5,

бериллий по расчету шихты 0,0001-0,01,

железо не более 0,4,

кремний не более 0,35.

Сплав хорошо сбалансирован по содержанию основных легирующих компонентов, модификаторов и антирекристаллизаторов применительно к процессам горячей и холодной деформации. Температура начала и конца рекристаллизации сплава находится в пределах 270-550°C. Однако в случае пайки твердым припоем при температуре более 560-565°C сплав весьма склонен к рекристаллизации. Крупнозернистая рекристаллизованная структура снижет и дестабилизирует свойства сплава.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение склонности к рекристаллизации и сохранение мелкозернистой структуры после обработки по режиму пайки при температуре, близкой к солидусу.

Технический результат - в получении высоких механических свойств и коррозионной стойкости паяных соединений.

Это достигается тем, что в деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций, содержащий цинк, магний, марганец, хром, цирконий, бериллий и медь, при этом он дополнительно содержит гафний и/или титан и/или ванадий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

цинк 3,4-5,0,

магний 1,0-2,5,

марганец 0,2-0,9,

хром 0,1-1,0,

цирконий 0,1-1,0,

медь до 0,5,

бериллий 0,0001-0,01

гафний 0,1-1,5,

титан 0,1-1,0,

ванадий 0,1-1,0,

алюминий - остальное,

при этом суммарное содержание по крайней мере трех элементов, выбранных из группы: гафний, хром, титан, цирконий и ванадий, составляет не менее 0,4 мас. %, а соотношение Zn: Mg в сплаве выбирается в пределах 2-2,5.

Цинк и магний обеспечивают упрочнение сплава путем закалки и старения, в том числе после обработки по режиму пайки вследствие закалки на воздухе, естественного или искусственного старения. Выбор содержания цинка и магния определяется оптимальным соотношением механических и коррозионных свойств на основе общих принципов металловедения сплавов Al-Zn-Mg.

Содержание марганца в пределах 0,2-0,9 мас. % обеспечивает максимальный эффект закалки и старения сплава.

Комплексное легирование, по крайней мере, тремя элементами, выбранные из группы: гафний, хром, титан, цирконий и ванадий - при их суммарном содержании не менее 0,4 мас. % сильно измельчает структуру и препятствует рекристаллизации при высокотемпературной пайке, сохраняя после пайки мелкозернистую структуру. Гафний, хром, титан, цирконий и ванадий после пайки находятся в твердом растворе или в виде дисперсных интерметаллидов. Упрочнение гафнием, хромом, титаном, цирконием и ванадием восполняет потерю прочности при старении из-за неполной закалки после пайки. Содержание гафния до 0,1-0,5%, хрома, титана, циркония и ванадия в пределах 0,1-0,2% каждого применяется при изготовлении сплава по серийной технологии, а гафния в пределах 0,5-1,5%, хрома, титана, циркония и ванадия в пределах 0,3-1,0% каждого - при изготовлении сплава по гранульной технологии. Превышение указанного содержания при каждом варианте технологии приводит к образованию грубых интерметаллидов.

Микродобавка бериллия защищает при плавке жидкий расплав от окисления.

Содержание меди в пределах до 0,5% повышает механические свойства сплава и стойкость к коррозии под напряжением, не ухудшая склонности к самозакаливанию.

Примеры конкретного применения.

Пример 1

Деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций, содержащий (в % по массе):

3,87 Zn,

1,64 Mg,

0,40 Mn,

0,20 Hf,

0,15 Cr,

0,2 Zr,

0,15 Cu,

0,001 Be.

Соотношение Zn:Mg=2,36. Слиток диаметром 95 мм гомогенизировали по режиму 470°C, 6 ч, осаживали до заготовки с поперечным сечением 16×120 мм, прокатывали на полосу сечением 1,5×120 мм, закаливали в воде с температуры 470°C, после естественного старения в течение 30 суток обрабатывали по режиму пайки 590°C, 15 мин.

Как до (фиг. 1), так и после обработки по режиму пайки (фиг. 2) сплав имеет однородную мелкозернистую структуру. Зерно практически не увеличилось по сравнению с состоянием до обработки по режиму пайки, в том числе в зоне термического влияния соединения (фиг. 3).

Прочность, определенная в продольном направлении на стандартных пятикратных образцах по ГОСТ 1497, составила для сплава после упрочняющей термообработки не менее 349 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 297 МПа.

Пример 2

Деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций, содержащий (в % по массе):

4,90 Zn,

2,14 Mg,

0,24 Mn,

1,45 Hf,

0,58 Cr,

0,18 Ti,

0,64 Zr,

0,29 V, 0,01

Cu, 0,0001 Be.

Соотношение Zn:Mg=2,29. Из расплава центробежным разбрызгиванием отливали гранулы, выделяли фракцию менее 0,63 мм, компактировали в брикет диаметром 98 мм. Из брикета по технологии, описанной в примере 1, получали полосу сечением 1,5×120 мм.

Благодаря высокой скорости охлаждения гранул (10³-10⁴ град/с) структура сплава более дисперсная, чем в примере 1, в том числе после обработки по режиму пайки. В зоне термического влияния паяного соединения, как и в примере 1, увеличение зерна практически отсутствует.

Прочность, определенная на образцах, аналогичных примеру 1, составила для сплава после упрочняющей термообработки не менее 380 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 311 МПа.

Пример 3

Деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций, содержащий (в % по массе):

5,0 Zn,

2,5 Mg,

0,2 Mn,

0,50 Cr,

0,2 Ti,

0,50 Zr,

0,20 V,

0,01 Cu, 0,001 Be.

Соотношение Zn:Mg=2. Из расплава по технологии, описанной в примере 2, центробежным разбрызгиванием отливали гранулы, выделяли фракцию менее 0,63 мм, компактировали в брикет диаметром 98 мм. Из брикета по технологии, описанной в примере 1, получали полосу сечением 1,5×120 мм.

Благодаря высокой скорости охлаждения гранул (10³-10⁴ град/с) структура сплава более дисперсная, чем в примере 1, в том числе после обработки по режиму пайки. В зоне термического влияния паяного соединения, как и в примерах 1 и 2, увеличение зерна практически отсутствует.

Прочность, определенная на образцах, аналогичных примеру 1, составила для сплава после упрочняющей термообработки не менее 320 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 291 МПа.

Пример 4 (прототип).

Сплав на основе на основе алюминия, содержащий (в % по массе):

3,80 Zn,

1,60 Mg,

0,40 Mn,

0,15 Cr,

0,15 Zr,

0,4 Cu,

0,001 Be.

Соотношение Zn:Mg=2,38. Технология получения сплава соответствовала примеру 1. В мелкозернистой структуре сплава (фиг. 4) присутствуют включения интерметаллидов, более грубые, чем в примере 1. После обработки по режиму пайки зерно крупное, рекристаллизованное (фиг. 5). В зоне термического влияния паяного соединения имеет место рекристаллизация, рост зерна основного металла и диффузия припоя в основной металл по границам рекристаллизованных зерен зоны термического влияния (фиг. 6), вызывающая охрупчивание и снижение коррозионной стойкости паяного соединения.

Прочность, определенная на образцах, аналогичных примеру 1, составила для сплава после упрочняющей термообработки не менее 295 МПа, после обработки по режиму пайки и повторного искусственного старения не менее 251 МПа.

Таким образом, за счет комплексного легирования обеспечивается получение однородной мелкозернистой структуры после обработки по режиму пайки, высокие механические свойства и коррозионная стойкость паяных соединений.