Патент на изобретение №2252975

(54) МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии материалов, в частности к деформируемым материалам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в различных средах, в том числе и коррозионной, в широком интервале температур. Предложенный материал на основе алюминия содержит марганец, кремний и цирконий и характеризуется структурой, представляющей собой матрицу на основе твердого раствора алюминия с равномерно распределенными в ней Al-Mn дисперсоидами. Материал содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: марганец не более – 2,3, кремний – 0,1-0,3, цирконий – 0,3-0,7, алюминий – остальное, при этом он характеризуется структурой, содержащей в качестве твердого раствора алюминия твердый раствор с не менее чем 0,1 мас.% кремния, в качестве Al-Mn дисперсоидов – дисперсоиды со средним размером, не превышающим 500 нм, и дополнительно содержащий дисперсоиды метастабильной фазы Al₃Zr со средним размером, не превышающим 15 нм, при следующем соотношении, об.%: Al-Mn дисперсоиды – 4,5-8,0, Al₃Zr дисперсоиды не менее 0,4, матрица на основе твердого раствора – остальное. Техническим результатом изобретения является создание нового деформируемого материала с повышенной прочностью прежде всего в отожженном состоянии. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

Область техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым материалам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в различных средах, в том числе и коррозионной, в широком интервале температур. Из материала могут быть получены такие изделия, как сварные баки, бензо- и маслопроводы, радиаторы и др.

Предшествующий уровень техники.

Материалы на основе деформируемых алюминиевых сплавов типа АМц (АА 3003) (ГОСТ 4784-75), легированных марганцем, часто также содержащих кремний в качестве примеси или легирующего компонента, имеют удачное сочетание технологичности (при обработке давлением), свариваемости, коррозионной стойкости, тепло- и электропроводности (См. Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. Промышленные алюминиевые сплавы. – М.: Металлургия, 1984. 528 с.).

Однако их прочностные свойства невысоки, особенно в отожженном состоянии (UTS<150 МПа), хотя и превышают уровень прочности сплавов системы Al-Fe-Si (1XXX серии и типа АА 8111). Это ограничивает их применение, поскольку более высокую прочность могут обеспечить сплавы 6ХХХ серии (Al-Mg-Si), которые частично сохраняют достоинства первых. Однако последние требуют многоступенчатой термообработки. Кроме того, они не должны подвергаться нагревам выше 200°С, поскольку в противном случае пропадает упрочняющий эффект, связанный с вторичными выделениями метастабильных модификаций фазы Mg₂Si.

В патенте US 4334935 предлагается материал, содержащий 1,3-2,3 % Мn, до 0,5 % каждого из Fe, Mg, и/или Сu, до 0,3 % Si, до 2,0 % Zn, менее 0,1 % каждого из Zr, Cr, и Ti в качестве модификаторов, остальное – алюминий. Материал представляет собой матрицу из твердого раствора на основе алюминия и равномерно распределенные в ней частицы Аl-Мn дисперсоидов с размером частиц от 0,1 до 2 мкм. Недостатком данного материала является невысокая прочность в отожженном состоянии из-за малого количества дисперсных (размером не более 10-15 нм) вторичных выделений.

Раскрытие изобретения.

В основу изобретения положена задача создать новый деформируемый материал с повышенной прочностью, прежде всего в отожженном состоянии, и не уступающий сплавам системы алюминий – марганец по другим основным свойствам.

Поставленная задача решается материалом на основе алюминия, содержащим марганец, кремний и цирконий, характеризующимся структурой, представляющей собой матрицу на основе твердого раствора алюминия с равномерно распределенными в ней Аl-Мn дисперсоидами, при этом он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Марганец не более 2,3

Кремний 0,1-0,3

Цирконий 0,3-0,7

Алюминий остальное

и характеризуется структурой, содержащей в качестве твердого раствора алюминия твердый раствор с не менее чем 0,1 мас.% кремния, в качестве Аl-Мn дисперсоидов – дисперсоиды со средним размером, не превышающим 500 нм, и дополнительно содержащей дисперсоиды метастабильной фазы Al₃Zr со средним размером, не превышающим 15 нм, при следующем соотношении, об.%:

Аl-Мn дисперсоиды 4,5-8

Al₃Zr дисперсоиды не менее 0,4

Матрица на основе твердого раствора остальное.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что материал дополнительно содержит Мn-содержащие фазы кристаллизационного происхождения в количестве, не превышающем 0,5 об.%, в отсутствие кремнийсодержащих фаз эвтектического происхождения.

Материал содержит первичные кристаллы Al₃Zr, объемная доля которых не превышает 0,2 об.%.

Материал также может дополнительно содержать 0,1-0,5 мас.% никеля и 0,05-0,4 мас.% железа, при этом содержание никеля превышает содержание железа.

Материал характеризуется температурой равновесного солидуса не ниже 640°С, а также тем, что его твердость по Виккерсу после отжига составляет не менее 75 HV.

Материал может быть выполнен в виде отожженных холоднокатаных листов и характеризуется временным сопротивление при растяжении (_В) не менее 200 МПа и относительным удлинением () не менее 12 %.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При создании изобретения для решения поставленной задачи мы ставили цель – изготовить материал, в структуре которого имеется максимальное количество дисперсоидов и при этом его можно было бы получать на серийном промышленном оборудовании, используемом для производства деформируемых алюминиевых сплавов. Такие дисперсоиды могут быть получены за счет введения в сплав добавок марганца и циркония. При этом чем меньше их размер, тем лучше технический результат.

Марганец в количестве 1-2 % широко используется в сплавах 3ХХХ серии, однако в большинстве случаев не регламентируется размер дисперсоидов и их объемная доля. Следует отметить, что марганец может входить в фазы кристаллизационного происхождения (например, Аl₆(Мn,Fе) или Аl₁₅(Мn,Fе)₃Si₂), имеющих размеры несколько мкм. В такой форме он может оказывать отрицательное влияние на механические свойства. Крупные размеры (более 500 нм) могут иметь и вторичные выделения алюминидов марганца, что также нежелательно. В связи с этим, не выходя из рамок по содержанию марганца в сплаве, для достижения поставленной цели были определены параметры Мn-содержащих дисперсоидов: средний размер частиц не более 500 нм при объемной доле в пределах 4,5-8 об %.

Еще более важную роль играет цирконий, который во многих деформируемых алюминиевых сплавах присутствует в количестве 0,1-0,2 %. Этот элемент в виде дисперсоидов метастабильной фазы Al₃Zr (куб.) повышает многие механические свойства, действуя как антирекристаллизатор. Повышение объемной доли этих дисперсоидов при ограничении среднего размера частиц (не более 15 нм) за счет введения этого элемента в количестве 0,3-0,7 % позволяет существенно повысить эффект его действия. Однако для достижения этого требуется изменение технологических параметров плавки, литья и термообработки. Кремний, являясь обычным для сплавов 3ХХХ серии элементом, также нужно строго регламентировать. В количестве 0,1-0,3 % кремний положительно влияет на формирование дисперсоидов Al₃Zr, но при большей концентрации он снижает солидус и отрицательно влияет на стойкость к образованию горячих трещин при кристаллизации. Кроме заявленных концентрационных пределов по кремнию необходимо, чтобы этот элемент в количестве не менее 0,1% находился в алюминиевой матрице. При этом здесь и далее под матрицей понимается алюминиевый твердый раствор – (Аl) вместе с вторичными выделениями (размером не более 1 мкм). Применительно к кремнию – этот элемент должен находиться в (Аl) или во вторичных выделениях фаз (Si) или Al₁₅Mn₃Si₂.

Поскольку промышленные сплавы часто содержат примесь железа, в настоящем изобретении предлагается компенсировать его негативное влияние за счет введения добавки никеля (при соотношении Ni>Fe). В этом случае практически все железо будет связано в фазу Al₉FeNi эвтектического происхождения, что снизит вероятность образования фаз кристаллизационного происхождения с участием марганца и кремния.

Пример конкретного выполнения.

Сплавы для заявляемого материала были приготовлены в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия (99,99 %), кремния (99,99 %) и лигатур (Аl-10 % Мn и Al-3,5 % Zr). Состав сплава для заявляемого материала соответствовал составам 2-4 в табл.1, 2 и составам 8, 9 в табл.3. Сначала были получены слитки (15×30×180 мм) литьем в графитовые изложницы со скоростью охлаждения около 10 К/с. Выборочный анализ химического состава сплавов показал, что расхождение не превышает 3 % от расчетных значений, которые далее и приводятся. Прокатку слитков проводили при комнатной температуре на лабораторном стане за несколько проходов до толщины – 2 мм, что соответствовало степени деформации – 87 %. Отжиг листов проводили при 400°С в течение 3 часов. Солидус определяли методом дифференциального термического анализа.

Структуру сплавов изучали в световом (Neophot-30), электронном сканирующем (JSM-35 CF) и электронном просвечивающем (JEM 2000 EX) микроскопах (далее CM, СЭМ и ПЭМ соответственно). Определяли наличие фаз кристаллизационного происхождения (СМ и СЭМ) и дисперсоидов (ПЭМ). Типичные структуры показаны на фиг.1-2. Фиг.1 показывает морфологию первичных кристаллов фазы Al₃Zr, которые являются нежелательными, поэтому в предлагаемом материале их количество не должно превышать 0,2%. Фиг.2а показывает морфологию и распределение Мn-содержащих дисперсоидов. Выявление частиц фазы Al₃Zr требует больших увеличении (фиг.2б) и микродифракции, желательно в плоскости (100) (фиг.2в).

Как следует из табл.1-2, сплавы 2-4 имеют заданные характеристики структуры и необходимый уровень механических свойств. В сплаве №1 из-за низкого содержания марганца и циркония объемная доля дисперсоидов меньше заданной, что обуславливает низкую прочность. В сплаве №6 (прототипе) из-за низкой концентрация циркония прочность также низкая. В сплаве №5 из-за повышенных концентраций марганца и циркония присутствуют первичные кристаллы алюминидов. Кроме того, из-за концентрации кремния выше верхнего предела в структуре имеются частицы кремниевой фазы, а температура солидуса существенно ниже, чем у остальных сплавов.

В конечном итоге получен материал (сплавы 2-4 в табл.1-2), содержащий в качестве основы твердый раствор кремния, марганца циркония в алюминии и равномерно распределенные в нем дисперсоиды Al₃Zr и Аl₆Мn и Al₁₅Mn₃Si₂. Объемные доли дисперсоидов и их размеры приведены в табл.1, а механические свойства листов из этого материала – в табл.2.

Твердость по Виккерсу (HV) измеряли на листах по стандартной методике (ГОСТ 2999-75). Для испытаний на растяжение (со скоростью 4 мм/мин) из листов вырезали плоские образцы размером 10×160 мм, разделяя рабочую длину на три зоны по 20 мм. Относительное удлинение рассчитывали в зоне, где произошло разрушение.

Таблица 1
№							Средний размер дисперсоидов, нм				Объемная доля дисперсоидов
	Mn	Zr		Si	Аl		Al-Mn		Al3Zr		Al-Mn		Al3Zr
1	1	0,1		0,01	ост.		<500		–		3,2		0,1
2	1,4	0,7		0,1	ост.		<500		<15		4,5		0,9
3	1,8	0,5		0,2	ост.		<500		<15		6,5		0,6
4	2,2	0,3		0,3	ост.		<500		<15		8,0		0,4
5	2,6	0,9		0,5	ост.		<500		>20		7,0		0,5
6*	1,8	0,05		0,15	ост.		>500		–
											0,4		0,1
* прототип
Таблица 2
№*			(Si)**			Т*, °С		HV		В, МПа		, %
1			–			>640		35		120		20
2			–			>640		79		225		15
3			–			>640		84		249		13
4			–			>640		76		210		18
5			+			<575		80		140		4
6			–			>640		40		140		16
								3		15		2
* наличие кремниевой фазы кристаллизационного происхождения ** температура солидуса (равновесного или неравновесного)

Известно, что многие сплавы, получаемые в промышленных условиях, содержат примесь железа. В сплавах типа АМц этот элемент, связываясь с марганцем и кремнием в фазы кристаллизационного происхождения (например, Аl₆(Мn,Fе) и Al₁₅(MnFe)₂Si₃), может заметно снизить технологичность и конечные механические свойства. Для расширения возможности промышленного использования заявленного сплава предлагается дополнительно вводить в него никель в количестве 0,1-0,5 об.% и железо в количестве 0,05-0,4 об.% при соотношении Ni>Fe. В этом случае практически все количество железа при кристаллизации войдет в состав фазы Al₉FeNi эвтектического происхождения, что позволит сохранить марганец и кремний в алюминиевой матрице, обеспечив тем самым формирование дисперсоидов в нужном количестве.

Механические свойства листов сплава, содержащего 1,8 % Мn, 0,5 % Zr, 0,2 % Zr и разное количество железо и никеля, приведены в табл.3. При выходе состава из заявленных пределов (сплавы 7 и 10 в табл.3) ухудшается морфология Fe-содержащих фаз, кроме того, часть марганца и кремния связываются в эти фазы, что приводит к уменьшению их содержания в алюминиевой матрице.

№	Fe, %	Ni, %	HV	В, МПа	, %
7	0,4	0,2	81	190	8
8	0,4	0,5	82	220	13
9	0,2	0,5	80	230	15
10	0,7	1	85	180	5
			3	15	2

Достигаемые в предлагаемом материале свойства могут быть реализованы в различных деформированных полуфабрикатах (прутки, трубы, листы, плиты, полосы, штамповки), получаемых из слитков. В частности, в отожженных холоднокатаных листах предлагаемый сплав позволяет получить следующие свойства на растяжение: временное сопротивление (_В) не менее 210 МПа, относительное удлинение () не менее 12 %.

Заявляемый сплав можно использовать в пищевой и химической промышленности, в частности для изготовления резервуаров, насосов и трубопроводов, контактирующих с агрессивной средой. Повышенная прочность предлагаемого сплава позволяет снизить массу изделия.

Формула изобретения

1. Материал на основе алюминия, содержащий марганец, кремний и цирконий, характеризующийся структурой, представляющей собой матрицу на основе твердого раствора алюминия с равномерно распределенными в ней Аl-Мn дисперсоидами, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Марганец не более 2,3

Кремний 0,1-0,3

Цирконий 0,3-0,7

Алюминий Остальное

при этом он характеризуется структурой, содержащей в качестве твердого раствора алюминия твердый раствор с не менее чем 0,1 мас.% кремния, в качестве Аl-Мn дисперсоидов – дисперсоиды со средним размером, не превышающим 500 нм, и дополнительно содержащей дисперсоиды метастабильной фазы Al₃Zr со средним размером, не превышающим 15 нм, при следующем соотношении, об.%:

Аl-Мn дисперсоиды 4,5-8,0

Al₃Zr дисперсоиды не менее 0,4

Матрица на основе твердого раствора остальное.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит Мn-содержащие фазы кристаллизационного происхождения в количестве, не превышающем 0,5 об.% в отсутствии кремнийсодержащих фаз эвтектического происхождения.

3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит первичные кристаллы Al₃Zr, объемная доля которых не превышает 0,2 об.%.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,1-0,5 мас.% никеля и 0,05-0,4 мас.% железа, при этом содержание никеля превышает содержание железа.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что он характеризуется температурой равновесного солидуса не ниже 640°С.

6. Материал по п.1, отличающийся тем, что его твердость по Виккерсу после отжига составляет не менее 75HV.

7. Материал по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде отожженных холоднокатаных листов и характеризуется временным сопротивлением при растяжении (_В) не менее 200 МПа и относительным удлинением () не менее 12%.

РИСУНКИ