Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления катаных изделий из термически неупрочняемых сплавов системы алюминий-магний и изделие, полученное указанным способом

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу термомеханической обработки деформируемых термически неупрочняемых сплавов системы алюминий-магний, получению в результате обработки таких катаных изделий, как листы и плиты, и может быть использовано в судостроении, транспортном машиностроении, авиакосмической технике.

Сплавы системы алюминий-магний относятся к группе деформируемых неупрочняющихся термической обработкой. Единственным способом повышения прочности этих плавов является холодная пластическая деформация.

Однако эксплуатационные нагревы приводят к снижению прочностных свойств за счет протекания процессов возврата, полигонизации, рекристаллизации; кроме этого в результате эксплуатационных нагревов происходит выделение частиц фазы β(Al₂Mg₂) по границе зерен и как результат - образование сплошных строчечных выделений этой фазы по границе зерен, что приводит к резкому ухудшению коррозионной стойкости сплавов (межкристаллитной и расслаивающей коррозии). Особенно это характерно для сплавов, содержащих более 4 массовых % магния. Как правило, сплавы системы алюминий-магний содержат дополнительно переходные металлы, такие как: Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf, которые добавляют в сплавы для повышения прочностных и коррозионных свойств.

При нагревах материала в этих сплавах происходит три процесса:

1. Растворение грубых выделений первичных растворимых фаз, образовавшихся при отливке слитков.

2. Распад пересыщенных твердых растворов переходных элементов в алюминии с выделением интерметаллидных фаз, играющих большое значение в процессах возврата, полигонизации и рекристаллизации.

3. Кроме того, при нагревах происходят процессы как растворения магния в алюминии, так и выделение частиц фазы β(Al₃Mg₂).

Создание оптимальной структуры/морфологии выделений интерметаллидов переходных металлов Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf и β-фазы можно получить, применяя термическую обработку и регулируя процесс горячей деформации при производстве листов и плит.

Известен способ изготовления горячекатаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов со скандием (RU 2461642, C22F 1/04, B22D 11/00, опубл. 20.09.2012 бюл. №26), включающий отливку слитков, отжиг при температуре 270-300°С продолжительностью до 10 часов, двухступенчатый нагрев под прокатку с первой ступенью 270-300°С продолжительностью до 14 часов и вторую ступень с нагревом до 360-400°С продолжительностью до 6 часов. Горячую прокатку ведут с суммарной относительной деформацией не менее 50%, при этом продолжительность нагрева любых заготовок под прокатку составляет не более 16 часов.

Данный способ обеспечивает уменьшение анизотропии механических свойств, но режимы гомогенизации и прокатки ориентированы только на создание благоприятных условий при выделении частиц интерметаллидов Al₂Sc. Способ также не учитывает наличие других легирующих элементов.

Недостатком этого способа является то, что он применяется только для сплавов, легированных скандием, кроме того, эксплуатационные нагревы свыше 70°С приводят к очень существенному снижению коррозионной стойкости полученных этим способом листов и плит.

Известен также способ производства броневых плит из сплавов системы алюминий-магний (RU 2461638, С22С 1/08, C22F 1/047, опубл. 20.09.2012 Бюл. №26) включающий литье слитка, предварительный нагрев и/или гомогенизацию, горячую прокатку, первую холодную деформацию, обработку отжигом при температуре менее 350°C с последующей второй операцией холодной обработки давлением. Плиты, полученные данным способом, имеют хорошее сочетание прочностных свойств и пластичности, что важно для использования их в качестве броневого материала.

Недостатком этого способа является его большая трудоемкость, а также значительное снижение прочностных характеристик и стойкости к межкристаллитной и расслаивающей коррозии после эксплуатационных нагревов свыше 70°С.

Наиболее близким к предложенному (прототипом) является способ изготовления катаных изделий из деформируемых термически неупрочняемых сплавов алюминий-магний (RU 2483136, C22F 1/04, опубл. 27.05.2013 Бюл. №15), включающий отливку слитков, гомогенизационный отжиг в две стадии: первую проводят при температуре 445-475°С в течение 3-8 часов, а вторую - при температуре 490-540°С в течение 2-8 часов при скорости нагрева на второй стадии меньше 30°С/ч, горячую прокатку с температурой окончания не ниже 360°С, холодную деформацию со степенью до 50% и низкотемпературный отжиг при 25-330°C с выдержкой от 10 минут до 720 часов.

Данный способ обеспечивает получение плит и листов с хорошей коррозионной стойкостью и минимальной анизотропией механических свойств. Однако изделия (листы и плиты), полученные таким способом, обладают низкими значениями прочностных свойств и коррозионной стойкостью после эксплуатационных нагревов, что связано с неоптимальным распределением и размерами интерметаллидов алюминия с переходными металлами, такими как: Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf, а также с выделением при эксплуатационных нагревах фазы β(Al₃Mg₂) по границам зерен.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления катаных изделий (листов и плит) из термически неупрочняемых алюминиевых сплавов системы алюминий-магний с содержанием магния преимущественно более 4 масс. %, содержащих по крайней мере два элемента из группы Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf, позволяющий сохранять после эксплуатационных нагревов высокие значения прочностных свойств и коррозионную стойкость.

Для решения поставленной задачи предлагается способ изготовления катаных изделий (листов, плит) из термически неупрочняемого сплава системы алюминий-магний, содержащего по крайней мере два элемента из группы Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf, включающий отливку слитков, отжиг - гомогенизацию в три стадии: первую проводят при температуре 245-280°С в течение 2÷10 часов, вторую - при температуре 320-360°С в течение 2-8 часов, а третью при температуре 400-495°С в течение 1-12 часов, горячую прокатку с обжатием не более 20 мм за проход после горячей прокатки проводят отжиг по режиму: нагрев до 300-340°С, выдержка 1-8 часов, охлаждение до температуры 225-250°С, выдержка 1-8 часов; холодную деформацию.

В частных случаях холодную деформацию проводят прокаткой со степенью деформации до 30%, растяжением со степенью от 2 до 12%, прокаткой и растяжением с суммарной степенью деформации до 35%.

Технический результат достигается также катаным изделием, которое может быть выполнено в виде листа или плиты.

Сущность изобретения заключается в следующем: при трехступенчатой гомогенизации на каждом из первых двух ее этапов происходит выделение интерметаллидов алюминия с переходными металлами Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf в мелкодисперсной форме и высокой плотностью выделений, а на третьем этапе кроме этого происходит и растворение растворимых избыточных фаз, при этом не происходит существенного изменения в плотности и размерах выделений интерметаллидов переходных металлов с алюминием.

Время выдержки на каждом из трех этапов гомогенизации выбирают в зависимости от содержания Mn, Zr, Cr, Ti, Sc, Hf в сплаве и их сочетания.

Обжатие при горячей деформации за проход не более 20 мм и отжиг после горячей деформации по режиму 300-340°C с выдержкой 1-8 часов, охлаждение до 225-250°C с выдержкой 1-10 часов позволяют получить после горячей прокатки плит и листов нерекристаллизованную структуру с минимальным содержанием магния в твердом растворе за счет практически полного выделения фазы Al₂Mg₂ в центральной части зерен и при этом не происходит существенных изменений в размерах и плотности выделений интерметаллидных фаз переходных металлов с алюминием.

В результате после холодной деформации создается стабильная структура и при последующих эксплуатационных нагревах не происходит значительного снижения прочности за счет процессов возврата и полигонизации и не выделяется фаза Al₂Mg₃ по границам зерен с образованием непрерывных цепочек выделений.

Холодную деформацию плит можно проводить прокаткой и/или растяжением. Оптимальные значения холодной деформации находятся в интервале 4÷30%.

Пример осуществления изобретения.

В промышленных условиях отливали плоские слитки сечением 300×1445 мм из сплава системы алюминий-магний типа 1565 ч следующего химического состава: масс. %: 5,7 Mg; 0,65 Mn; 0,52 Zn; 0,11 Zr; 0,07 Cr; 0,03 Ti; 0,18 Fe; 0,11 Si; 0,0003 Be; 0,005 V; 0,002 B; 0,01 Ni; 0,0005 Ca.

Из полученных слитков были изготовлены плиты конечной толщиной 30 мм. и лист толщиной 5 мм. Горячую прокатку проводили на реверсивной клети стана горячей прокатки «2800». Количество проходов при горячей прокатке в случае изготовления плит по предлагаемому способу составляло 14-18, а для листов 23-27, при этом единичные обжатия за проход изменялись диапазоне от 2 до 20 мм.

Холодную прокатку проводили на стане холодной прокатки «2300», растяжение на растяжной машине усилием 2500 тонн для плит и 600 тонн для листов.

Остальные параметры изготовления плит представлены в таблице 1, где 1 - способ, выбранный за прототип, а 2-5- предлагаемый способ.

Механические свойства плит при растяжении определяли в поперечном направлении по ГОСТ 1497. Коррозионную стойкость оценивали по ГОСТ 9.021 для межкристаллитной коррозии и по ГОСТ 9.904 для расслаивающей коррозии.

В качестве имитации эксплуатационных нагревов использовали нагрев до 150°C с выдержкой 10 часов.

Результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3.

Как видно из полученных данных, плиты, изготовленные по предлагаемому способу, после эксплуатационного нагрева имеют предел прочности на 10-15%, а предел текучести на 25-30% выше, чем плиты, изготовленные по известному способу.

Коррозионная стойкость (межкристаллитная и расслаивающая коррозия) после эксплуатационного нагрева у плит, изготовленных по предлагаемому способу, в два раза выше, чем у плит, изготовленных по известному способу.

Таким образом, изготовление листов и плит по предлагаемому способу позволит расширить области применения, повысить надежность и ресурс работы листов и плит из сплавов системы алюминий-магний.