сплав на основе алюминия

Формула изобретения

Сплав на основе алюминия, содержащий магний, литий, цирконий, титан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий и висмут при следующем содержании элементов, мас.%:

Магний 4,0-5,6

Литий 1,3-1,8

Цирконий 0,08-0,15

Титан 0,05-0,1

Бор 0,0001-0,0005

Бериллий 0,001-0,01

Висмут 0,01-0,1

Алюминий Остальное

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для изготовления катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в сварных конструкциях изделий ответственного назначения.

Известен сплав марки 1420 (ОСТ 1.90048-77) следующего состава, мас. %:

Магний 4,5-6,0

Литий 1,8-2,3

Цирконий 0,08-0,15

Железо не более 0,2

Кремний не более 0,15

Медь не более 0,05

Титан не более 0,1

Натрий не более 0,0006

Алюминий остальное

В настоящее время детали из сплава марки 1420 применяются в авиационной и аэрокосмической технике, где необходимы малая плотность в сочетании с высокой жесткостью и прочностью. Недостатком данного сплава является низкая пластичность полуфабрикатов (катаных - в продольном, кованых - в поперечном по толщине направлении) и пониженный предел текучести (не более 28 кгс/мм²).

Известны алюминиевые сплавы с литием, которые характеризуются пониженной плотностью и высоким значением предела текучести, но обладают пониженной вязкостью разрушения и невысокой пластичностью.

Одним из таких сплавов, наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, взятым за прототип, является сплав по патенту США №4584173 от 22.04.86, кл. 420-533, который имеет следующий химический состав, мас.%:

Магний 3,0-5,5

Литий 2,1-2,9

Медь 0,2-0,7,

и один или более элементов из группы, содержащей цирконий, гафний, ниобий и бор:

Цирконий 0,05-0,25

Гафний 0,10-0,50

Ниобий 0,05-0,30

Бор 0,0001-0,0005

и один или более элементов из группы

Цинк 0-2,0

Титан 0-0,5

Марганец 0-0,5

Никель 0-0,5

Хром 0-0,5

Германий 0-0,2

Алюминий остальное.

Данный сплав не обладает достаточной пластичностью основного металла и сварных соединений для получения сложных сварных конструкций типа ферм и рам.

Решаемой задачей настоящего изобретения является создание сплава с повышенными характеристиками пластичности основного металла и сварных соединений, а также свариваемостью и прочностью сварных соединений на достаточно высоком уровне, что позволит получать тонкостенные прессованные и кованые полуфабрикаты различной формы и сложные сварные конструкции.

Для решения поставленной задачи в известный сплав на основе алюминия дополнительно введены бериллий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 4,0-5,6

Литий 1,3-1,8

Цирконий 0,08-0,15

Титан 0,05-0,1

Бор 0,0001-0,0005

Бериллий 0,001-0,01

Висмут 0,01-0,1

Алюминий остальное

Содержание магния в пределах 4,0-5,6 мас.% обеспечивает необходимый уровень прочностных характеристик и свариваемость сплава. При уменьшении содержания магния менее 4,0% значения временного сопротивления и предела текучести снижаются, повышается склонность сплава к горячим трещинам как при литье сплава, так и при сварке. При увеличении содержания магния более 5,6 мас.% технологичность и пластичность полуфабрикатов сплава снижаются.

Содержание лития выбрано в пределах 1,3-1,8 мас.% для обеспечении технологичности при деформации и получения требуемого комплекса механических свойств. При снижении содержания лития в сплаве (ниже 1,3 мас.%) уменьшается модуль упругости и повышается плотность сплава. Увеличение содержания лития выше 1,8 мас.% ухудшает технологичность и свариваемость сплава.

Цирконий вводится в алюминиевые сплавы в качестве модифицирующей добавки. Являясь переходным элементом, он обеспечивает получение полигонизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах. При содержании циркония ниже 0,08 мас.% положительных воздействий не проявляется, при его содержании выше 0,15 мас.% выделяются грубые первичные частицы нерастворимой в алюминиевом твердом растворе фазы Аl ₃ Zr, что приводит к резкому снижению пластичности полуфабрикатов.

Титан и бор совместно улучшают структуру сплава и увеличивают его прочность. Введение титана более 0,1% и бора более 0,0005%, т.е. в количествах, превышающих допустимые пределы, приводит к снижению пластичности сплава.

Бериллий в количестве 0,001-0,01 мас.% предохраняет сплав от окисления в процессах плавки, литья, сварки, а также при технологических нагревах под деформацию и термическую обработку. Бериллий в количестве менее 0,001 мас.% не оказывает заметного влияния на свойства сплава, а введение бериллия более 0,01 мас.% не рекомендуется с точки зрения гигиены труда.

Висмут улучшает пластичность алюминиевых сплавов как основного металла, так и сварных соединений, связывая натрий, являющийся вредной примесью в алюминии, в соединения Na₃ Bi. При содержании этого элемента ниже указанного (0,01 мас.%) положительного воздействия не выявлено. При введении висмута в больших, чем предложено, количествах (0,1 мас.%) он образует сложную легкоплавкую фазу, выделяющиеся в виде глобулей по границам зерен, что снижает значения относительного удлинения материала.

Таким образом, в случае отклонения от указанных пределов как в сторону меньших, так и больших значений содержания компонентов или исключения какого-либо компонента из состава поставленная задача не решается.

Изобретение иллюстрируется примером.

В таблице 1 приведены химические составы опробованных композиций предлагаемого и известного сплавов. Составы сплавов 1-3 соответствуют предлагаемому. Сплав 1 легирован по нижнему пределу, сплав 2 легирован по среднему пределу, сплав 3 - по верхнему.

Таблица 1
Химический состав сплавов
Сплав	Магний	Литий	Медь	Цирконий	Титан	Бор	Бериллий	Висмут	Цинк	Алюминий
1	4,0	1,3	-	0,08	0,05	0,0001	0,001	0,01	-	Основа
2	4,8	1,5	-	0,1	0,08	0,0003	0,005	0,05	-	Основа
3	5,6	1,8	-	0,15	0,1	0,0005	0,01	0,1	-	Основа
4	3,5	0,8	-	0,05	0,02	0,00001	0,0008	0,007	-	Основа
5	6,3	2,3	-	0,22	0,15	0,0006	0,03	0,15	-	Основа
6	4,2	2,4	0,3	0.12	0,2				0,5	Основа

Сплав 4 легирован ниже нижнего предела, сплав 5 - выше верхнего предела. Сплав 6 - известный сплав (прототип).

Плавку готовили в электрической печи, слитки диаметром 70 мм отливали полунепрерывным способом. Плавление шихты, рафинирование расплава и литье слитков проводили при температуре 700-730°С. Отлитые слитки гомогенизировали по режиму 380-400°С. Гомогенизированные слитки прессовали на полосу 15×60 мм. После термической обработки полос вырезали образцы для определения механических свойств. Определение механических свойств основного металла при температуре 20С проводили по ГОСТ 1497-84. Сварные соединения выполняли аргонодуговой сваркой с использованием присадочной проволоки. Свариваемость оценивали по пробе “рыбий скелет”, механические свойства сварных соединений при температуре 20°С определяли на образцах по ГОСТ 1497-84. Определение ударной вязкости сварных соединений при пониженной и комнатной температуре проводили по ГОСТ 9454-78. Испытания на угол изгиба () выполняли по ГОСТ 6996-66.

Механические свойства основного металла и сварных соединений приведены в таблицах 2 и 3.

Сплавы предлагаемого состава (1-3) обладают прочностными характеристиками на уровне прототипа, но большими значениями относительного удлинения по сравнению с ним.

Предлагаемые сплавы обладают хорошей свариваемостью, что позволяет использовать их при изготовлении сварных конструкций. Прочность сварных соединений сплавов находится на уровне 32,0-33,5 кгс/мм². Значения характеристик пластичности (угла изгиба и ударной вязкости) у предлагаемого сплава при комнатной температуре и при минус 196°С выше, чем у прототипа.

Снижение содержания легирующих компонентов (сплав 4) ниже предлагаемого состава приводит к снижению свойств, особенно пластичности, сварных соединений.

Увеличение содержания легирующих компонентов: магния выше 5,6 мас.% и лития выше 1,8 мас.% (сплав 5) приводит к снижению пластичности сплава, особенно при температуре минус 196°С. Введение в сплав большего количества циркония, висмута и бора приводит к образованию грубых включений, снижающих качество материала.

Таким образом, предлагаемый состав сплава является оптимальным. Сплавы, имеющие запредельные содержания компонентов, не обладают необходимым комплексом свойств.

Таблица 2
Механические свойства прессованных полос
Сплав	В, кгс/мм	0,2, кгс/мм	, %
1	44,0	33,0	11,5
2	44,5	33,5	11,8
3	45,0	34,5	11,3
4	40,0	28,5	12,0
5	43,5	32,0	6,0
6	44,0	32,5	8,0
Таблица 3
Свойства сварных соединений.
Сплав	В, кгс/мм2	, град	KCU, кгс м/см2
			20°С	-196°С
1	32,0	80	0,90	0,89
2	33,0	78	0,92	0,90
3	32,5	80	0,88	0,79
4	29,0	80	0,88	0,87
5	33,0	55	0,65	0,50
6	32,0	56	0,74	0,50