Результат интеллектуальной деятельности: Деформируемый сплав на основе алюминия

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно в виде прессованных прутков, в качестве конструкционного материала для токопроводящих и теплопроводящих элементов конструкции, а также в качестве заготовки для получения электропроводов, сварочной проволоки и проволоки для аддитивного производства в авиакосмической технике, судостроении, криогенном машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен деформируемый сплав на основе алюминия, применяемый в качестве электро- и теплопроводного конструкционного материала, содержащий не менее 99,5 мас. % алюминия и примеси в количестве не более, мас. %: железо 0,3, кремний 0,3, медь 0,05, цинк 0,1, титан 0,15, марганец 0,025, магний 0,05, примеси в сумме 0,7 (см. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. М.: Металлургия. 1972. С. 238), данный сплав имеет низкие прочностные свойства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является деформируемый сплав на основе алюминия, применяемый в качестве электро- и теплопроводного конструкционного материала патент RU №2621086, со следующим химическим составом, мас. %:

неизбежные примеси, в том числе:

при соблюдении соотношения между содержанием циркония и скандия от 0,25 до 0,75.

Однако известный сплав имеет недостаточно высокий предел прочности, что утяжеляет токо- и теплопроводящие элементы конструкции и снижает тем самым характеристики весовой отдачи конструкции в целом.

Предлагается деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий скандий, цирконий, железо и неизбежные примеси, основными из которых являются магний, марганец, кремний, медь, цинк, титан и хром, который дополнительно содержит гафний и неизбежные примеси прочих элементов, при следующем соотношении компонентов, мас, %:

неизбежные примеси, в том числе:

при соблюдении соотношения между содержанием скандия и суммарным содержанием циркония и гафния от 1,5 до 2,5.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит гафний и компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:

неизбежные примеси, в том числе:

при соблюдении соотношения между содержанием скандия и суммарным содержанием циркония и гафния от 1,5 до 2,5.

Отличием предлагаемого сплава от известного является также то, что он содержит больше железа и меньше неизбежных примесей магния, меди, цинка и титана, а также то, что для него вместо соотношения между содержанием циркония и скандия введено соотношение между содержанием скандия и суммарным содержанием циркония и гафния.

Технический результат достигается за счет того что повышается предел прочности сплава, что позволяет снизить массу токопроводящих, а в случае использования сплава в конструкции теплообменных устройств и теплопроводящих элементов конструкции, повышая тем самым характеристики весовой отдачи конструкции в целом.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве во время неизбежных технологических нагревов образуются дисперсные (нанометрических размеров) частицы фазы Al₃ (Sc, Zr, Hf), являющиеся продуктами распада пересыщенного твердого раствора скандия, циркония и гафния в алюминии, образующегося при кристаллизации слитка заготовительного литья, оказывающие сильное упрочняющее действие как непосредственно, так и за счет формирования в деформированном полуфабрикате устойчивой нерекристаллизованной (полигонизованной) структуры. Распад пересыщенного твердого раствора скандия, циркония и гафния в металле слитка происходит при его гомогенизации и при нагреве под горячую деформацию, а также при отжиге деформированного полуфабриката. Продукты распада -дисперсные частицы фазы Al₃ (Sc, Zr, Hf), также повышают теплопрочность сплава. Дополнительное упрочнение достигается за счет образующихся в процессе кристаллизации частиц фазы, содержащей железо.

Соотношение компонентов в предлагаемом сплаве позволяет получить высокий уровень прочности отожженного полуфабриката.

Высокая электропроводность и высокая теплопроводность предлагаемого сплава достигаются за счет того, что после практически полного выведения из твердого алюминиевого раствора скандия, циркония и гафния матрица предлагаемого сплава представляет собой почти чистый алюминий и соответственно электропроводность и теплопроводность сплава достигают таких же высоких значений, как и у чистого алюминия. Повышению электропроводности и теплопроводности сплава способствует также ограничение содержания в нем примесей магния, марганца, кремния, меди, цинка, титана и хрома и их суммы. Предлагаемое соотношение между содержанием скандия и суммарным содержанием циркония и гафния является оптимальным с точки зрения усвоения этих элементов при приготовлении предлагаемого сплава.

Пример

Полученный сплав из шихты, состоящей из алюминия высокой чистоты марки А99, магния марки Mr95, двойных лигатур алюминий-скандий, алюминий-цирконий, алюминий-железо и алюминий-гафний. Сплав готовили в электрической печи сопротивления и методом полунепрерывного литья, отливали круглые слитки диаметром 370 мм. Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Слитки гомогенизировали, после чего резали на заготовки длинной 600 мм, которые затем обтачивали до диаметра 345 мм. Обточенные заготовки прессовали на горизонтальном гидравлическом прессе с максимальным усилием 5000 тс при температуре 390°С на пруток диаметром 110 мм. Пруток подвергали отжигу при температуре 390°С с выдержкой при этой температуре 1 час. Определяли предел прочности σ, удельную электрическую проводимость ϒ и теплопроводимость λ, отожженных прессованных прутков. Также определяли предел прочности, удельную электрическую проводимость и теплопроводность изготовленных тем же способом прутков из сплава - прототипа среднего химического состава. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таким образом предлагаемый сплав имеет на 10% более высокий предел прочности, что позволит на 5-10% снизить массу токопроводящих и теплопроводящих элементов конструкции и соответственно повысить характеристики весовой отдачи конструкции в целом, что принципиально важно для авиакосмической техники, судостроения, криогенного машиностроения и других отраслей промышленности.

Из предлагаемого сплава могут быть изготовлены все виды деформированных полуфабрикатов - прессованные прутки и профили, листы, плиты, трубы, поковки, штамповки, проволока, предназначенная для изготовления электропроводов, а также для применения в сварочном и аддитивном производствах. Химический состав предлагаемого сплава обеспечивает его высокую коррозионную стойкость, хорошую свариваемость и высокую технологичность в металлургическом производстве. Отсутствие необходимости в упрочняющей термической обработке - закалке и старении обеспечивает высокую технологичность предлагаемого сплава в машиностроительном производстве. Конструкции, в том числе сварные, изготовленные из предлагаемого сплава, будут иметь высокую надежность и длительный срок службы.