нестареющий алюминиевый сплав в качестве полуфабриката для изготовления конструкций

Формула изобретения

Природно-твердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката для изготовления конструкций, отличающийся тем, что в его состав в указанных ниже количествах, мас.%, помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

Магний	5,0-5,6
Титан	0,01-0,05
Бериллий	0,0001-0,005
Цирконий	0,05-0,15
Скандий	0,18-0,30
Церий	0,001-0,004
Марганец	0,05-0,18
Медь	0,05-0,15
Цинк	0,05-0,15
Элементы из группы,
включающей железо и кремний	0,04-0,24
Алюминий	Остальное

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к составу сплавов, прежде всего природно-твердых сплавов-полуфабрикатов, которые в таком виде предназначены для применения в качестве материала для изготовления различных конструкций.

Природно-твердые алюминиевые сплавы, используемые в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. ГОСТ 4784-74), находят широкое применение в металлургии, прежде всего, однако, в виде сплава АМг6, в состав которого входят следующие компоненты (мас.%):

магний	5,8-6,8
марганец	0,5-0,8
титан	0,02-0,1
бериллий	0,0002-0,005
алюминий	остальное

Однако сплав подобного состава не обладает достаточными прочностными свойствами, что проявляется прежде всего в малом условном пределе текучести _0,2 у подвергнутых холодной или горячей обработке давлением полуфабрикатов.

К уровню техники относится также природно-твердый алюминиевый сплав, используемый в качестве полуфабриката для изготовления конструкций (см. патент RU 2085607, МПК С 22 С 21/06) и имеющий в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого в изобретении сплава следующий химический состав (мас.%):

магний	3,9-4,9
титан	0,01-0,1
бериллий	0,0001-0,005
цирконий	0,05-0,15
скандий	0,20-0,50
церий	0,001-0,004
алюминий	остальное

Такой известный сплав не обладает достаточной статической и динамической прочностью, но одновременно с этим характеризуется хорошей обрабатываемостью в производственном процессе, высокой коррозионной стойкостью, высокой свариваемостью и высокой пригодностью к работе в условиях низких температур.

В настоящем изобретении предлагается новый природнотвердый алюминиевый сплав в качестве полуфабриката, в состав которого в указанных ниже количествах (мас.%) помимо магния, титана, бериллия, циркония, скандия и церия дополнительно входят марганец, медь, цинк и элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний	5,0-5,6
титан	0,01-0,05
бериллий	0,0001-0,005
цирконий	0,05-0,15
скандий	0,18-0,30
церий	0,001-0,004
марганец	0,05-0,18
медь	0,05-0,15
цинк	0,05-0,15
элементы из группы,
включающей железо и кремний	0,04-0,24
алюминий	остальное

Предлагаемый в изобретении сплав отличается от традиционных сплавов тем, что в его состав в указанных ниже количествах (мас.%) дополнительно входят марганец, медь, цинк, а также элементы из группы, включающей железо и кремний, при соотношении между железом и кремнием в пределах от 1 до 5:

магний	5,0-5,6
титан	0,01-0,05
бериллий	0,0001-0,005
цирконий	0,05-0,15
скандий	0,18-0,30
церий	0,001-0,004
марганец	0,05-0,18
медь	0,05-0,15
цинк	0,05-0,15
элементы из группы,
включающей железо и кремний	0,04-0,24
алюминий	остальное

Достигаемый с помощью изобретения технический результат состоит в улучшении статических и динамических прочностных свойств сплава, благодаря чему повышаются срок службы и эксплуатационная надежность, а также снижается удельный вес подверженных статическим и динамическим нагрузкам изготовленных из него конструкций, прежде всего конструкций различных атмосферных и космических летательных аппаратов, включая таковые, работающие на криогенном топливе.

Основой сплава предлагаемого в изобретении химического состава с предлагаемым в изобретении соотношением между содержащимися в нем химическими компонентами является в первую очередь пластичная матрица, которая образована твердым раствором магния, марганца, меди и цинка в алюминии.

Особо высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе под воздействием динамической знакопеременной нагрузки обусловлена высокой пластичностью его матрицы. Вторичные выделения в виде высокодисперсных интерметаллических частиц, содержащих алюминий, скандий, цирконий, титан и другие присутствующие в сплаве переходные металлы, придают этому сплаву не только высокую статическую прочность, но и высокую трещиностойкость при знакопеременной нагрузке. Заданное соотношение между железом и кремнием позволяет оптимизировать морфологию образующихся при застывании первичных интерметаллических соединений, которые преимущественно состоят из алюминия, железа и кремния и которые повышают статическую прочность сплава при сохранении на неизменном уровне его динамической прочности и пластичности.

Пример

В электрической печи приготавливали расплав из алюминия марки А85, магния марки MG90, меди марки МО, цинка марки TsO и вводимых в качестве добавки двойных лигатур в виде двойных систем, таких, например, как алюминий-титан, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-церий, алюминий-марганец, алюминий-железо и силумин, после чего из предлагаемого в изобретении сплава с минимальным (состав 1), оптимальным (состав 2) и максимальным (состав 3) содержанием компонентов, включая сплавы с выходящим за существующие в настоящее время ограничения содержанием компонентов (составы 4 и 5), а также из традиционного сплава (состав 6) методом полунепрерывного литья отливали плоские болванки размером 165×550 мм (таблица 1).

Таблица 1
Сплав	Состав	Химический состав, мас.%
		Магний	Титан	Бериллий	Цирконий	Скандий	Церий	Марганец	Медь	Цинк	Железо	Кремний	Железо/кремний*	Алюминий
Сплав по изобретению	1	5,0	0,01	0,0001	0,05	0,18	0,001	0,05	0,05	0,05	0,02	0,02	1	остальное
	2	5,3	0,03	0,003	0,1	0,24	0,002	0,12	0,1	0,1	0,10	0,03	3,33	остальное
	3	5,6	0,05	0,005	0,15	0,30	0,004	0,18	0,15	0,15	0,2	0,04	5	остальное
Сплав с увеличенным содержанием элементов	4	4,5	0,005	0,00005	0,01	0,12	0,0005	0,02	0,01	0,01	0,01	0,02	0,5	остальное
	5	6,0	0,1	0,01	0,2	0,36	0,008	0,25	0,25	0,25	0,5	0,08	6,25	остальное
Известный сплав	6	4,4	0,05	0,003	0,1	0,3	0,002	-	-	-	-	-	-	остальное
Примечание: * Соотношение между содержанием железа и кремния.

При получении сплава в условиях металлургического производства в качестве добавки можно использовать лом и отходы сплавов алюминия и магния.

Литые болванки подвергали гомогенизации и механической обработке до толщины, равной 140 мм. После этого болванки подвергали горячей прокатке при температуре 400°С до толщины, равной 7 мм, а затем холодной прокатке до толщины, равной 4 мм. Полученные в результате холодной прокатки листы подвергали термической обработке в электрической печи. Полученные в результате термообработанные листы служили материалом для испытаний.

Вырезанные из листов стандартные поперечные образцы использовали для определения статического предела прочности при растяжении ( _в, _0,2, ), а также динамической прочности по следующим показателям:

- число циклов нагружения до разрушения (N) при определении малоцикловой усталости (МЦУ), для чего образцы испытывали при эффективном коэффициенте концентрации напряжений K_t=2,5 и максимальном напряжении _max=160 МПа,

- скорость распространения трещины da/dN при коэффициенте интенсивности напряжений К=31,2 МПа м,

- критический коэффициент интенсивности напряжений К_С в плоском напряженном состоянии при ширине образца (В) 160 мм.

Все испытания проводили при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2
Сплав	Состав	Свойства термообработанных листов
		в [МПа]	0,2 [МПа]	[%]	МЦУ [число циклов] (K t=2,5; max=160 МПа)	da/dN [мм/цикл] ( К=31,2МПа м)	КС [МПа м] (В=160 мм)
Сплав по изобретению	1	390	275	17	150×103	2,3×10 -3	62
	2	400	280	16	140×103	2,5×10-3	63
	3	410	290	15	140×103	3,3×10 -3	62
Сплав с увеличенным содержанием элементов	4	370	260	18	130×103	3,8×10-3	62
	5	420	315	13	110×103	4,0×10 -3	60
Известный сплав	6	380	275	15	130×103	3,8×10 -3	62

Приведенные в таблице 2 данные подтверждают, что предлагаемый в изобретении сплав обладает более высокой статической и динамической прочностью по сравнению с традиционным сплавом. Подобные свойства позволяют на 10-15% уменьшить вес изготавливаемых из предлагаемого в изобретении сплава конструкций и тем самым сократить производственные расходы, что имеет важное значение прежде всего в авиационной промышленности. Высокая пригодность предлагаемого в изобретении сплава к работе в условиях воздействия статических и динамических нагрузок, а также тот факт, что предлагаемый в изобретении сплав является природно-твердым сплавом, который обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью, позволяют использовать его в конструкции совершенно новых атмосферных и космических летательных аппаратов, морских судов либо наземных и иных транспортных средств, конструкционные элементы которых соединяются сваркой. Предлагаемый в изобретении сплав можно использовать в качестве основного материала в сварных конструкциях, а также в качестве присадочного материала при выполнении сварных соединений.