Высокопрочный литейный свариваемый алюминиевый сплав

Высокопрочный литейный свариваемый алюминиевый сплав

Реферат

Изобретение относиться к области металлургии и, в частности, к составу высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, которые можно использовать для получения сварных конструкций.

Известен алюминиевый деформируемый сплав 01570С, содержащий следующие компоненты, масс.%: 5,5 магния, 0,34 марганца, 0,07 циркония, 0,03 хрома, 0,23 скандия, алюминий остальное. Сплав, за счет легирования скандием, обладает высокой прочностью (предел прочности около 400 МПа, в зависимости от вида полуфабриката), однако используется только в виде деформируемых полуфабрикатов (Ю.А.Филатов, А.Д.Половников «Структура и свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава 01570С системы Al-Mg-Sc для изделия РКК «Энергия» / Технология легких сплавов, М., ВИЛС, 2011, №2, стр.15-26) - аналог.

Известен литейный алюминиевый сплав ВАЛ16, содержащий 7,5-8,5% магния, 0,15-0,25% хрома, 0,1-0,15% циркония, 0,1-0,2% титана, 0,15-0,2% марганца, остальное - алюминий (Машиностроение энциклопедия, том II-3, справ, изд. под ред. И.Н. Фридляндер / М., Машиностроение 2001, стр.236, прототип).

Недостатком данного алюминиевого сплава является недостаточная прочность изделий (предел прочности около 300 МПа), поэтому при создании литосварных конструкций, состоящих из деформированных сплавов типа 01570С, 01570 и литейного сплава ВАЛ16, не удается обеспечить прочность сварных соединений на уровне прочности деформированных сплавов. Кроме того, вследствие высокого содержания магния, β-фаза (Al₃Mg₂) выделяется по границам зерен, способствует коррозионному растрескиванию, расслаивающей коррозии, что снижает срок службы сварных изделий.

В основу изобретения поставлена задача изменения состава алюминиевого сплава для повышения прочности и коррозионной стойкости литосварных конструкций из алюминиевых сплавов.

Поставленная задача решается тем, что в высокопрочном литейном свариваемом алюминиевом сплаве, содержащем кремний, магний, скандий, кобальт, по меньшей мере один металл из группы: титан, цирконий, марганец и РЗМ, железо, алюминий, содержатся компоненты при следующем соотношении, масс.%: кремний от 1,0 до 4,0, магний от 1,7 до 8,0, скандий от 0,1 до 0,5, кобальт от 0,3 до 0,6, по меньшей мере один металл из группы: титан, цирконий, марганец и РЗМ: от 0,2 до 1,2, железо не более 0,4, алюминий остальное, при этом соотношение скандия к по меньшей мере одному металлу из группы: титан и цирконий составляет от 1,5 до 2,5, а отношение суммарного содержания магния и кремния к кобальту составляет от 8 до 14, при этом может быть, что отношение магния к кремнию составляет не менее 1,73, отношение по меньшей мере одного металла из группы: титан и цирконий к скандию составляет от 0,1 до 0,5.

Поскольку в высокопрочном литейном свариваемом алюминиевом сплаве содержатся компоненты при следующем соотношении, масс.%: кремний от 1,0 до 4,0, магний от 1,7 до 8,0, скандий от 0,1 до 0,5, кобальт от 0,3 до 0,6, по меньшей мере один металл из группы: титан, цирконий, марганец и РЗМ: от 0,2 до 1,2, железо не более 0,4, алюминий остальное, при этом соотношение скандия к по меньшей мере одному металлу из группы: титан и цирконий составляет от 1,5 до 2,5, а отношение суммарного содержания магния и кремния к кобальту составляет от 8 до 14, при этом может быть, что отношение магния к кремнию составляет не менее 1,73, отношение по меньшей мере одного металла из группы: титан и цирконий к скандию составляет от 0,1 до 0,5, обеспечивается повышение прочности и коррозионной стойкости литосварных конструкций из алюминиевых сплавов.

Высокопрочный литейный сплав с предлагаемым составом может быть получен литьем под давлением или литьем в кокиль или твердожидкой штамповкой и предназначен для получения деталей с максимальной толщиной стенок 10 мм.

Пример. Изготавливался сплав состава 2,1% Si, 3,6% Mg, 0,3% Sc, 0,5% Co, 0,12% Zr, 0,3% Fe, Al - остальное. Расчетные соотношения Sc:Zr=2,5; Mg:Si=l,73; (Mg+Si):Co=11,4. Для получения расплава использовалась шахтная печь, разливка осуществлялась при температуре 700°C в кокиль. Толщина литой пластины составляла 6 мм. В результате проведенного химического анализа слитка установлено следующее содержание компонентов в отливке: 1,9% Si, 3,25% Mg, 0,26% Sc, 0,42% Со, 0,12% Zr, 0,37% Fe, Al - остальное. Исследование механических свойств проводилось на плоских фрезерованных образцах. Среднее значение предела прочности составляет 360 МПа, предела текучести - 274 МПа.

Для оценки влияния термического цикла сварки на механические свойства сплава проводилась сварка плоских фрезерованных образцов по способу Friction Stir Welding. В ходе проведения исследования механических свойств сваренных образцов было установлено, что средний предел прочности образцов составляет 349 МПа. Испытание на расслаивающую коррозию показало высокую коррозионную стойкость (2 балл) и высокое сопротивление коррозионному растрескиванию.

Технический результат достигается тем, что за счет наличия кремния, вместо β-фазы (Al₃Mg₂) в сплаве формируется фаза Mg₂Si, что значительно повышает коррозионную стойкость сплава. Поскольку в сплавах, содержащих скандий, легирование кремнием способствует снижению прочности из-за связывания скандия в нерастворимый силицид кремния, для сохранения упрочняющего воздействия скандия сплав содержит магний и кремний в соотношении не менее 1,73, чтобы весь кремний был связан в фазу Mg₂Si. В этом случае скандий формирует дисперсноупрочняющую фазу Al₃Sc, которая растворяя цирконий и(или) титан оказывает упрочняющее воздействие. Введение циркония и титана при соотношении скандия к цирконию и титану 1,5-2,5 необходимо для того чтобы предотвратить коагуляцию фазы Al₃Sc в зоне термического влияния.

Поскольку, в отличие от сплава типа ВАЛ16, предлагаемый сплав из-за образования фазы Mg₂Si становится термически упрочняемым, для уменьшения эффекта разупрочнения зоны термического влияния за счет снижения критической скорости охлаждения при закалке, в сплав вводится кобальт при соотношении суммарного содержания Mg₂Si к Co от 8 до 14.

При заданном соотношении кобальта к суммарному содержанию Mg+Si обеспечивается в большей степени сохранение структуры закалки металла в зоне термического влияния. Кроме того, малорастворимый в алюминии кобальт равномерно распределяется в матрице в виде дисперсной фазы Al₉Co, которая служит подложкой для фазы Mg₂Si и способствует ее равномерному распределению в матрице (это необходимо, поскольку в предлагаемом составе сплава магний и кремний находятся в количестве, превышающем предельную растворимость в алюминии).

Высокая степень легирования сплава компонентами с незначительной растворимостью в алюминии приводит к необходимости увеличения скоростей охлаждения при кристаллизации. В связи с этим металл слитка, может быть получен литьем под давлением, литьем в кокиль или твердожидкой штамповкой с ограничением по толщине слитка. Экспериментально установлено, что оптимальная толщина слитка, обеспечивающая скорости охлаждения, достаточные для формирования равномерной структуры, составляет до 10 мм. При этом предпочтительно обеспечивать получение литой детали на толщинах 4-6 мм.

1. Высокопрочный литейный свариваемый алюминиевый сплав, содержащий кремний, магний, скандий, кобальт, титан и/или цирконий, железо и алюминий, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: кремний от 1,0 до 4,0, магний от 1,7 до 8,0, скандий от 0,1 до 0,5, кобальт от 0,3 до 0,6, титан и/или цирконий от 0,2 до 1,2, железо не более 0,4, алюминий - остальное, при этом отношение скандия к титану и/или цирконию составляет от 1,5 до 2,5, а отношение суммарного содержания магния и кремния к кобальту составляет от 8 до 14.

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение магния к кремнию составляет не менее 1,73.

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что отношение по меньшей мере одного металла из группы: титан и цирконий, к скандию составляет от 0,1 до 0,5.

4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один элемент из группы: марганец и РЗМ, в количестве от 0,2 до 1,2 мас.%.