РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ |
(19)
RU
(11)
(13)
C1
|
|||||
|
||||||
| Статус: | не действует (последнее изменение статуса: 05.11.2023) |
| Пошлина: | учтена за 5 год с 05.11.2007 по 04.11.2008. Патент перешел в общественное достояние. |
|
(21)(22) Заявка: 2003132247/02, 04.11.2003 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: (45) Опубликовано: 27.05.2005 Бюл. № 15 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 4334935 А, 15.06.1982. RU 2210614 C1, 20.08.2003. US 4945004 А, 31.07.1990. US 6592687 А, 15.07.2003. GB 432351 А, 22.07.1935. Адрес для переписки: |
(72) Автор(ы):
(73) Патентообладатель(и):
|
(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 (σВ) не менее 200 МПа и относительным удлинением (δ) 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 | - | |||||||
| Δ | 0,4 | 0,1 | |||||||||||
| * прототип | |||||||||||||
| Таблица 2 | |||||||||||||
| №* | (Si)** | Т*, °С | HV | σВ, МПа | δ, % | ||||||||
| 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 | ||||||||
| Δ | 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 | σВ, МПа | δ, % |
| 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 |
| Δ | 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 (σВ) не менее 210 МПа, относительное удлинение (δ) 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 (σВ) не менее 200 МПа и относительным удлинением (δ) не менее 12%.
ИЗВЕЩЕНИЯ
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 05.11.2008
Дата публикации: 20.04.2011