Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения слитков из бор-содержащего материала на основе алюминия

Область техники

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюминиевым сплавам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.

Предшествующий уровень техники

Материалы на основе алюминия (сплавы и композиты), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то что борсодержащие композиты достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием борсодержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.

Известны многочисленные способы получения борсодержащих материалов на основе алюминия с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения материала, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3ххх, 6ххх и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (В₄С) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат. US 6602314 В1, опубл. 05.08.03). Данный способ производства материалов включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в конечном изделии.

Известен способ получения борсодержащего материала, описанный в патенте US 2008/0050270 A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученный расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°C, частицы диборида титана (TiB₂), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария. Данный способ позволяет получить в материале микроструктуру с дисперсными частицами фазы TiB₂, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако полное протекания этих фазовых превращений требует длительного времени, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс.

Известен многокомпонентный сплав на основе алюминия, содержащий диборид титана в количестве 0,5-20 мас.%, предназначенный для получения отливок и раскрытый в патенте RU 2556247 (опубл. 10.07.2015. Бюл. №19). Недостатком данного сплава является то, что он не предназначен для получения деформированных полуфабрикатов, в частности листов.

Известен также способ получения борсодержащего материала, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения В₄С в жидкий расплав (Патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Существенным недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σ_в<100 МПа).

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения борсодержащего материала на основе алюминия, который раскрыт в патенте РФ 2538789 (опубл. 10.01.2015, бюл. №1). Этот способ включает приготовление алюминиевого расплава, содержащего от 0,5 до 0,9% кремния, от 1,3 до 1,9% магния и от 0,2 до 0,4% меди, формирование в нем борсодержащих частиц с массовой долей от 4 до 8% при температуре от 850 до 930°C в течение 30-45 мин, литье слитков и их гомогенизацию.

Слитки, полученные по данному способу, предназначены для изготовления листов (толщина 2 мм), обладающих следующими механическими свойствами: σ_в>320 МПа, σ_0,2>300 МПа и δ>4%. Недостатком данного способа является то, что система легирования алюминиевой матрицы (типа АД33, ГОСТ 4784-97), не позволяет получить в деформированных полуфабрикатах прочность выше 350 МПа. Кроме того, слитки, полученные по данному способу, не предназначены для изготовления тонколистового проката (менее 0,3 мм).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является создание способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, который позволяет изготавливать из него листы, в том числе толщиной менее 0,3 мм, которые обладают высокими механическими свойствами: σ_в>380 МПа и δ>8%.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ получения слитка из сплава на основе алюминия, содержащего бор, для изготовления листового проката, включает приготовление алюминиевого расплава, формирование в нем борсодержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава и его гомогенизацию. Готовят алюминиевый расплав, содержащий от 3,8 до 4,6 мас.% меди, от 2,3 до 2,7 мас.% магния и от 0,3 до 0,7 мас.% марганца, вводят в расплав бор в виде лигатуры в количестве, обеспечивающем в структуре слитка образование не менее 5 об.% борсодержащих частиц, формирование которых осуществляют при температуре расплава в пределах от 940 до 1000°С в течение 30-50 мин с получением в структуре слитка равномерно распределенных борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм, преимущественно в виде соединения AlB₁₂.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показаны слитки прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, на фиг. 2 показан тонколистовой прокат из борсодержащего материала на основе алюминия, фиг. 3 и на фиг. 4 структура слитка борсодержащего материала на основе алюминия при различных увеличениях.

Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в слитках структуру, состоящую из алюминиевой матрицы, способной в результате деформационно-термической обработки к дисперсионному упрочнению за счет формирования вторичных выделений фазы S'(метастабильная модификация фазы S-Al₂CuMg), и равномерно распределенных в ней борсодержащих частиц со средним размером не более 25 мкм и объемной долей не менее 5 об.%. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание технологичности при обработке слитка давлением (в частности, прокатке) и эксплуатационных свойств деформированных полуфабрикатов (в частности, листов). Наличие боридных частиц (преимущественно в виде соединения AlB₁₂) в количестве не менее 5 об.% позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет не менее 2 мас.%). Для реализации такой структуры необходимо учитывать взаимодействие бора с элементами, входящими в расплав. В частности, часть магния переходит из расплава в твердые борсодержащие частицы. В результате, его количество расплаве снижается, что не позволяет получить в листах требуемую прочность, поскольку количество упрочняющих выделений фазы S' окажется недостаточным. Поэтому исходная концентрация магния в расплаве должна превышать его типичную концентрацию для сплавов типа Д16 серии (1-2 мас.%). Назначение марганца - сформировать в процессе гомогенизации слитков вторичные выделения фазы Al₂₀Cu₂Mn₃, которые являются эффективными антирекристаллизаторами, что способствует повышению прочности.

Нижние пределы по концентрации магния, меди и марганца выбраны с целью достижения необходимого уровня прочностных свойств, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке.

Верхний предел по среднему размеру борсодержащих частиц выбран с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности при получении тонколистового проката.

Примеры выполнения

ПРИМЕР 1

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов способа получения слитков борсодержащего материала на основе алюминия, которые приведены в табл. 1.

Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной лигатуры, в количестве, позволяющем получить в конечной структуре слитка объемную долю боридных частиц не менее 5 об.%.

Температуру расплава поддерживали около 970°С в течение 40 минут. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×80×200 мм. Далее слитки гомогенизировали при 500°С, а затем изучали их структуру.

Объемную долю борсодержащих включений (Qv) и их средний размер (d) определяли методами металлографического анализа по изображениям микроструктуры, полученным на сканирующем электронном микроскопе TESCAN VEGA 3. Идентификацию боридных частиц проводили методом рентгенофазового анализа на дифрактометре ДРОН-4.0-07.

Гомогенизированные слитки подвергали прокатке (сначала горячей, а затем холодной), получая листы толщиной 0,28 мм (Фигура 1, Фигура 2). Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 500°С в течение 1 часа, закалка в воде, старение при 180°С в течение 10 часов. Механические свойства листов, представленные в табл. 2, (предел прочности - σ_в и относительное удлинение - δ) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.

Как видно из табл. 2, только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает заданный уровень механических свойств листов. В способе №1 содержание меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве ниже заявленных пределов. Прочностные свойства листов, полученных по данному способу заведомо ниже 300 МПа. В способе №5 концентрации меди, магния и марганца в алюминиевом расплаве выше заявленных пределов. Это привело к снижению технологической пластичности, в результате полученные листы имели многочисленные трещины, поэтому их механические свойства не определяли.

ПРИМЕР 2

Для экспериментального обоснования температуры и времени приготовления расплава было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего материала (табл. 3). Количество меди, магния, марганца и борсодержащей лигатуры, вводимых в расплав во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1). Температура расплава варьировалась в пределах от 850 до 1050°С, а время от 10 до 60 минут. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.

В способе №1 температура расплава ниже заявленного предела, что не позволяет полностью сформировать борсодержащие частицы. В результате значительная часть бора оказалась в шлаке и, как видно из табл. 3, в слитке его количество оказалось заниженным. Из-за недостаточной объемной доли борсодержащих частиц расчетное содержание бора в слитке, полученном по способу №1, заведомо ниже 2 мас.%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения. В способе №5 в течение длительного времени выдержки произошло формирование грубых борсодержащих частиц со средним размером более 50 мкм, что привело к снижению механических свойств при испытании на разрыв. Только предложенный способ получения слитков (№№2-4) обеспечивает высокие механические свойства (σ_в>380 МПа и δ>8%) и требуемое количество борсодержащих частиц с в структуре материала со средним размером менее 25 мкм (Фигура 3, 4).