Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности, к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности в изделиях разового применения.

Цель изобретения - создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном удлинении в поперечном и по толщине направлениях.

Известен высокопрочный деформируемый термически обрабатываемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления деталей, использующихся в высоконагруженных конструкциях, например центрифугах, и содержащий, мас.%:

цинк	8,0-9,0
магний	2,3-3,0
медь	2,0-2,6
цирконий	0,1-0,2
титан	до 0,03
кремний	до 0,3
железо	до 0,4
алюминий	остальное

(ОСТ 190048-90).

Сплав рекомендовано использовать для высоконагруженных вращающихся деталей типа центрифуг или других изделий разового применения, требующих высокой прочности используемого материала.

Недостатком этого сплава является высокая плотность - 2,89 г/см³, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам при эксплуатации изделий.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления силовых элементов планера самолета, отличающийся пониженной плотностью и хорошей технологичностью и содержащий, мас.%:

цинк	3,2-3,9
магний	4,2-5,0
медь	0,4-1,0
скандий	0,17-0,30
цирконий	0,07-0,14
титан	0,01-0,05
бериллий	0,0001-0,005
марганец	≤0,25
хром	≤0,10
железо	≤0,30
кремний	≤0,20
алюминий	остальное,

при отношении содержания магния к содержанию цинка равном 1,3 и содержании водорода в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла (патент РФ 2468107, МКИ 7 C22C 21/16, 2011 г.).

Сплав имеет пониженное значение плотности 2,71 г/см³. Катаные листы из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают сравнительно высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной температуре, благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность прессованных полуфабрикатов, обусловленная химическим составом сплава.

Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, что необходимо для изделий разового применения, содержащий, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,07-0,15
цирконий	0,08-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,15
титан	0,02-0,08
кремний	0,01-0,15
железо	0,01-0,15
водород	0,05-0,35 см3/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10
алюминий	остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57

(патент РФ 2514748, МКИ 7 C22C 21/16, 2013 г. - прототип).

Прессованные профили из этого сплава плотностью 2,80 г/см³ с площадью поперечного сечения 46 см³ имеют нерекристаллизованную структуру и высокие механические свойства в долевом направлении. Однако при испытании разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля, происходит малопластичное разрушение с низким относительным удлинением.

Недостатком сплава является низкое относительное удлинение разрывных образцов, ориентированных по ширине и толщине профиля с большой площадью поперечного сечения, что снижает эксплуатационную надежность готовых изделий.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном и по толщине направлениям.

Для решения этой задачи предлагается следующее.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3,
скандий	0,02-0,06
цирконий	0,07-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,05
титан	0,02-0,05
кремний	0,01-0,10
железо	0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10
алюминий	остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,02-0,06
цирконий	0,07-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,05
титан	0,02-0,05
кремний	0,01-0,10
железо	0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Мn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10
алюминий	остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав содержит пониженное количество скандия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,02-0,06
цирконий	0,07-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,05
титан	0,02-0,05
кремний	0,01-0,10
железо	0,01-0,15
водород	0,05-0,35 см3/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Мп, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10
алюминий	остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют одинаковую с прототипом плотность, практически такие же высокие прочностные характеристики и повышенную пластичность, в особенности в поперечном и по толщине направлениях.

Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из сплава-прототипа и предлагаемого сплава определяются тем, что при имеющемся в них содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих η- и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в алюминиевой матрице.

Как известно, в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu при введении в них Sc и Zr образуется дисперсоид из наночастиц фазы Al₃(Sc, Zr). Эти частицы размером 5-20 нм выделяются из пересыщенного твердого раствора при гомогенизации слитка и сохраняют свою дисперсность в термически обработанном полуфабрикате. Их появление само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, частицы являются причиной возникновения структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры. Благодаря этому, при высоком содержании скандия в сплаве-прототипе прессованные изделия имеют в состоянии T1 чрезмерно высокую прочность в долевом направлении, но отличаются пониженной пластичностью при испытании поперечных и высотных разрывных образцов.

Ограничение содержания скандия в предлагаемом сплаве снижает количество частиц дисперсоида в структуре и способствует прохождению при нагреве полуфабрикатов под закалку частичной рекристаллизации (начальной стадии), что при небольшом снижении прочности в долевом направлении повышает прочность и пластичность разрывных образцов в поперечном и по толщине направлениях.

Технический результат - повышение пластичности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии и, как следствие, повышение эксплуатационной надежности готовых деталей конструкций.

Пример осуществления.

В электрической печи приготовили плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 310 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 280 мм прессовали на профиль с поперечным сечением 46 см³ и диаметром описанной окружности 100 мм. Полученные профили закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч, правили растяжением с остаточной деформацией 0,5% и искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.

Профили подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σ_В, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные и пластические характеристики в поперечном и по толщине направлениях при сохранении высоких прочностных характеристик в долевом направлении.

Примечания:

Содержание водорода в сравниваемых сплавах составило 0,25 см³/100 г металла. Плотность сплавов 2,80 г/см³.

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,02-0,06
цирконий	0,07-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,05
титан	0,02-0,05
кремний	0,01-0,10
железо	0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10
алюминий	остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu с пониженной плотностью 2,80 г/см³, содержащего цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, церий, титан, кремний, железо и неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	6,0-8,0
магний	3,4-4,2
медь	0,8-1,3
скандий	0,02-0,06
цирконий	0,07-0,12
бериллий	0,0005-0,004
церий	0,01-0,05
титан	0,02-0,05
кремний	0,01-0,10
железо	0,01-0,15
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O
в суммарном количестве	не более 0,10,
алюминий	остальное,

при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла.