RU2215807C2

RU2215807C2 - Aluminum-base alloy, article made of thereof and method for making article

Info

Publication number: RU2215807C2
Application number: RU2001134514A
Authority: RU
Original assignee: Региональный общественный фонд содействия защите интеллектуальной собственности
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: invention relates to deformable aluminum alloys of system aluminum-zinc-copper- magnesium. Aluminum-base alloy comprises the following components, wt.-%: zinc, 5.0-9.0; magnesium, 0.3-3.0; copper, 0.3-1.3; zirconium, 0.05-0.3; iron, 0.05-0.3; silicon, 0.01-0.2; at least element of the following group: nickel, 0.01-0.2; cobalt, 0.01-0.2; aluminum, the balance. Ratio of at least element from the group: nickel, cobalt to zirconium is 1, not above, and sum of at least one element of the group: nickel, cobalt with iron is 0.4, not above. Invention provides the enhancement of destruction viscosity value K_1c, reduction of residual stresses and warping. Proposed alloy can be used as structural material in aerospace industry and machine engineering. EFFECT: improved properties of alloy, enhanced working resource, expanded assortment. 8 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в аэрокосмической промышленности и машиностроении. The invention relates to the field of metallurgy and can be used in the aerospace industry and mechanical engineering.

Известен сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:
Цинк - 6,35-8,0
Магний - 0,5-2,5
Медь - 0,8-1,3
Железо - 0,06-0,25
Кремний - 0,01-0,2
Цирконий - 0,07-0,2
Марганец - 0,001-0,1
Хром - 0,001-0,05
Титан - 0,03-0,1
Бериллий - 0,0001-0,05
По крайней мере один элемент из группы:
Калий - 0,001-0,01
Натрий - 0.0001-0,01
Кальций - 0,0001-0,01
Алюминий - Остальное
при этом Zr+2Ti≤0,3; Si/Be≥0,2 (патент РФ 2165995, С 22 С, 21/10, 1999).Known alloy based on aluminum of the following chemical composition, wt.%:
Zinc - 6.35-8.0
Magnesium - 0.5-2.5
Copper - 0.8-1.3
Iron - 0.06-0.25
Silicon - 0.01-0.2
Zirconium - 0.07-0.2
Manganese - 0.001-0.1
Chrome - 0.001-0.05
Titanium - 0.03-0.1
Beryllium - 0.0001-0.05
At least one member from the group:
Potassium - 0.001-0.01
Sodium - 0.0001-0.01
Calcium - 0.0001-0.01
Aluminum - Else
wherein Zr + 2Ti≤0.3; Si / Be≥0.2 (RF patent 2165995, C 22 C, 21/10, 1999).

Недостатком этого сплава является повышенные остаточные напряжения и коробление изделий. Из-за низкой прокаливаемости в массивных сечениях изделий вязкость разрушеник K_1C снижена и, как следствие, низкий ресурс работы изделий.The disadvantage of this alloy is the increased residual stress and warpage of the products. Due to the low hardenability in massive sections of the products, the viscosity of the destroyers K _{1C is} reduced and, as a consequence, the low life of the products.

Известен сплав на основе алюминия состава, мас.%:
Цинк - 5,7-8,7
Магний - 1,7-2,5
Медь - 1,2-2,2
Марганец - < 0,02
Хром - < 0,02
Цирконий - 0,05-0,15
Железо - 0,07-0,14
Кремний - <0,11
Алюминий - Остальное
при этом Сu+Mg<4,1; Mg>Сu (патент США 6027582, С 22 С 21/10 2000) прототип.Known alloy based on aluminum composition, wt.%:
Zinc - 5.7-8.7
Magnesium - 1.7-2.5
Copper - 1.2-2.2
Manganese - <0.02
Chrome - <0.02
Zirconium - 0.05-0.15
Iron - 0.07-0.14
Silicon - <0.11
Aluminum - Else
wherein Cu + Mg <4.1;Mg> Cu (US patent 6027582, C 22 C 21/10 2000) prototype.

Недостатком являются низкий ресурс работы изделия из-за низкого значения вязкости разрушения K_1C в массивных сечениях изделия, высоких остаточных напряжений и коробления изделий.The disadvantage is the low resource of the product due to the low value of fracture toughness K _1C in massive sections of the product, high residual stresses and warpage of the products.

Известен способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, деформацию, закалку, включающую нагрев, охлаждение в закалочной среде, искусственное старение (патент Франции 2524908, C 22 F 1/04, 1983). A known method of manufacturing products from an alloy based on aluminum, including obtaining an ingot, deformation, hardening, including heating, cooling in a quenching medium, artificial aging (French patent 2524908, C 22 F 1/04, 1983).

Недостатком этого способа являются низкие показатели вязкости разрушения K_1C изделий, что ведет к снижению их надежности и ресурса работы.The disadvantage of this method is the low fracture toughness K _1C products, which leads to a decrease in their reliability and service life.

Известен также способ производства изделий из сплава на основе алюминия, включающий получение слитка, горячую деформацию в полуфабрикат, нагрев, подачу полуфабриката в закалочную среду, принудительную циркуляцию закалочной среды (барботаж) и перемещение изделий в закалочной среде (Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы. - М.: Металлургиздат, 1971, с.450) - прототип. There is also a known method of manufacturing products from an alloy based on aluminum, which includes producing an ingot, hot deformation into a semi-finished product, heating, feeding the semi-finished product to the quenching medium, forced circulation of the quenching medium (bubbling) and moving the products in the quenching medium (Production of semi-finished products from aluminum alloys. Aluminum alloys . - M.: Metallurgizdat, 1971, p. 450) - prototype.

Недостатком этого способа является низкий ресурс работы получаемых изделий из-за низкого уровня вязкости разрушения K_1C и высоких остаточных напряжений и коробления, что повышает трудоемкость при изготовлении изделий и ограничивает сортамент изготавливаемых изделий.The disadvantage of this method is the low resource of the resulting products due to the low level of fracture toughness K _1C and high residual stresses and warping, which increases the complexity of manufacturing products and limits the range of manufactured products.

Технической задачей изобретения является повышение вязкости разрушения K_1C, снижение остаточных напряжений и коробления изделий, что снижает трудоемкость изготовления изделий, повышает ресурс работы и расширяет сортамент изготавливаемых изделий.An object of the invention is to increase the fracture toughness K _1C , reduce residual stresses and warpage of products, which reduces the complexity of manufacturing products, increases the service life and extends the range of manufactured products.

Предлагается сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.An alloy based on aluminum, containing, wt.%:
Zinc - 5.0-9.0
Magnesium - 0.3-3.0
Copper - 0.3-1.3
Zirconium - 0.05-0.3
Iron - 0.05-0.3
Silicon - 0.01-0.2
At least one member from the group:
Nickel - 0.01-0.2
Cobalt - 0.01-0.2
Aluminum - Else
The ratio of at least one element from the group nickel, cobalt to zirconium is not more than 1, and the sum of at least one element from the group: nickel, cobalt with iron is not more than 0.4.

Сплав может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагается изделие из сплава на основе алюминия следующего состава, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,05-0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.The alloy may contain at least one element from the group, wt.%:
Beryllium - 0.0001-0.05
Molybdenum - 0.001-0.1
Manganese - 0.01-0.1
Titanium - 0.02-0.1
Chrome - 0.001-0.1
Vanadium - 0.001-0.1
Hydrogen - (0.1-3.6) • 10 ^-5
Boron - 0.0001-0.03
Carbon - 0.00001-0.008
An aluminum alloy product of the following composition is proposed, wt.%:
Zinc - 5.0-9.0
Magnesium - 0.3-3.0
Copper - 0.3-1.3
Zirconium - 0.05-0.3
Iron - 0.05-0.3
Silicon - 0.01-0.2
At least one member from the group:
Nickel - 0.01-0.2
Cobalt - 0.01-0.2
Aluminum - Else
The ratio of at least one element from the group: nickel, cobalt to zirconium is not more than 1, and the sum of at least one element from the group: nickel, cobalt with iron is not more than 0.4.

Изделие изготавливается из сплава, который может содержать по крайней мере один элемент из группы, мас.%:
Бериллий - 0,0001-0,05
Молибден - 0,001-0,1
Марганец - 0,01-0,1
Титан - 0,02-0,1
Хром - 0,001-0,1
Ванадий - 0,001-0,1
Водород - (0,1-3,6)•10^-5
Бор - 0,0001-0,03
Углерод - 0,00001-0,008
Предлагаемый способ производства изделий из сплава на основе алюминия включает отливку слитков, горячую деформацию в полуфабрикат, закалку, включающую нагрев и охлаждение в закалочной среде со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава (^oС/с), правку и искусственное старение.The product is made of alloy, which may contain at least one element from the group, wt.%:
Beryllium - 0.0001-0.05
Molybdenum - 0.001-0.1
Manganese - 0.01-0.1
Titanium - 0.02-0.1
Chrome - 0.001-0.1
Vanadium - 0.001-0.1
Hydrogen - (0.1-3.6) • 10 ^-5
Boron - 0.0001-0.03
Carbon - 0.00001-0.008
The proposed method for the production of aluminum-based alloy products includes casting ingots, hot deformation into a semi-finished product, quenching, including heating and cooling in a quenching medium at a speed of 0.8-3V _cr , where V _cr is the critical rate of quenching of the alloy ( ^o C / s) editing and artificial aging.

Перед закалкой ведут дополнительную правку, а правку после закалки ведут со степенью не более 10 мм/м в продольном или поперечном направлении изделия. Before hardening, additional dressing is carried out, and dressing after hardening is carried out with a degree of not more than 10 mm / m in the longitudinal or transverse direction of the product.

Искусственное старение ведут в две стадии: сначала при температуре 80-150^oС в течение 2-48 ч, затем - при температуре 155-200^oС в течение 2-48 ч.Artificial aging is carried out in two stages: first at a temperature of 80-150 ^o C for 2-48 hours, then at a temperature of 155-200 ^o C for 2-48 hours

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5,, до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок. Before hardening, parallel grooves are performed on the surface of the semi-finished product with a length to width ratio of 1.1-2.5, until the ratio of the doubled volume of the metal remaining in the semi-finished product to its total surface multiplied by the maximum thickness equal to 0.02-0, 42, the feed of the semi-finished product to the quenching medium for cooling is carried out in the direction of the longitudinal axis of the grooves.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы: никель, кобальт при соотношении компонентов, мас.%:
Цинк - 5,0-9,0
Магний - 0,3-3,0
Медь - 0,3-1,3
Цирконий - 0,05 - 0,3
Железо - 0,05 - 0,3
Кремний - 0,01-0,2
По крайней мере один элемент из группы:
Никель - 0,01-0,2
Кобальт - 0,01-0,2
Алюминий - Остальное
Отношение по крайней мере одного элемента из группы, никель, кобальт к цирконию составляет не более 1, а сумма по крайней мере одного элемента из группы: никель, кобальт с железом - не более 0,4.The proposed alloy differs from the prototype in that it additionally contains at least one element from the group: nickel, cobalt with a ratio of components, wt.%:
Zinc - 5.0-9.0
Magnesium - 0.3-3.0
Copper - 0.3-1.3
Zirconium - 0.05 - 0.3
Iron - 0.05 - 0.3
Silicon - 0.01-0.2
At least one member from the group:
Nickel - 0.01-0.2
Cobalt - 0.01-0.2
Aluminum - Else
The ratio of at least one element from the group, nickel, cobalt to zirconium is not more than 1, and the sum of at least one element from the group: nickel, cobalt with iron is not more than 0.4.

Способ производства изделий из сплава на основе алюминия отличается от прототипа тем, что охлаждение при закалке ведут со скоростью 0,8-3V_кр, где V_кр - критическая скорость закалки сплава, ^oС/с.The method of manufacturing aluminum alloy products differs from the prototype in that the cooling during hardening is carried out at a speed of 0.8-3V _cr , where V _cr is the critical rate of hardening of the alloy, ^o C / s.

Перед закалкой на поверхности полуфабриката выполняют параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 1,1-2,5 до получения соотношения удвоенного объема оставшегося в полуфабрикате металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, равного 0,02-0,42, при этом подачу полуфабриката в закалочную среду на охлаждение ведут в направлении продольной оси канавок. Before hardening, parallel grooves are performed on the surface of the semifinished product with a length to width ratio of 1.1-2.5 to obtain a ratio of twice the volume of metal remaining in the semifinished product to its full surface, multiplied by the maximum thickness of 0.02-0.42, while the supply of the semi-finished product to the quenching medium for cooling is carried out in the direction of the longitudinal axis of the grooves.

В предлагаемом изобретении в матрице твердого раствора сплава, состоящего из цинка, магния и меди в алюминии, равномерно распределяются дисперсные частицы первичных фаз кристаллизационного происхождения, содержащие тугоплавкие элементы, такие как железо, кобальт, никель, а также равномерно распределенные между ними мелкодисперсные частицы вторичных фаз, выделившихся из твердого раствора при охлаждении, в котором объемная доля зернограничного разрушения (ЗГР) не превышает 20%, при этом повышает вязкость разрушения K_1C, прокаливаемость, снижаются остаточные напряжения и коробление изделия. Все это повышает ресурс работы изделия и расширяет сортамент получаемых изделий.In the present invention, in the matrix of a solid solution of an alloy consisting of zinc, magnesium and copper in aluminum, dispersed particles of primary phases of crystallization origin are uniformly distributed, containing refractory elements such as iron, cobalt, nickel, as well as finely divided particles of secondary phases uniformly distributed between them precipitated from the solid solution upon cooling, in which the volume fraction of grain boundary destruction (GGR) does not exceed 20%, while increasing the fracture toughness K _1C , hardenability, s residual stresses and warpage of the product decrease. All this increases the resource of the product and expands the range of products.

Примеры. Для сравнительного анализа были отлиты слитки из предлагаемого химического состава сплава и химического состава сплава, выбранного за прототип. Химический состав сплавов представлен в табл.1. Examples. For comparative analysis, ingots from the proposed chemical composition of the alloy and the chemical composition of the alloy selected for the prototype were cast. The chemical composition of the alloys is presented in table 1.

Слитки гомогенизировали по режиму 460^oС, 48 ч, подвергали свободной ковке до получения поковок толщиной 150 мм. На поверхности поковок выполняли параллельные канавки с отношением длины к ширине, равным 2, при этом соотношение удвоенного объема, оставшегося в изделии металла к его полной поверхности, умноженной на максимальную толщину, составляло 0,21. Затем изделия подвергали предварительной правке на прессе, вводя их в допуск по короблению. Изделия нагревали под закалку до температуры 465^oС, выдержка составляла 2,5 часа, подавали в закалочную среду в направлении оси канавок, охлаждали в закалочной воде со скоростью 2,03^oС/с, что равно 2,9 V_кр.The ingots were homogenized according to the regime of 460 ^° C for 48 hours, subjected to free forging to obtain forgings 150 mm thick. Parallel grooves were made on the surface of the forgings with a length to width ratio of 2, with the ratio of the doubled volume remaining in the metal product to its total surface multiplied by the maximum thickness being 0.21. Then the products were subjected to preliminary editing on the press, introducing them into the warpage tolerance. The products were heated under quenching to a temperature of 465 ^o C, the shutter speed was 2.5 hours, fed into the quenching medium in the direction of the axis of the grooves, cooled in quenched water at a speed of 2.03 ^o C / s, which is 2.9 V _cr .

Закаленные изделия правили на прессе изгибом и кручением в продольном направлении со степенью 8 мм/м. Изделия старили в две стадии: I ст. - 110^oС, 8 ч + II ст. - 180^oС, 8 ч.The hardened products were ruled on the press by bending and torsion in the longitudinal direction with a degree of 8 mm / m. Products aged in two stages: I Art. - 110 ^o C, 8 h + II Art. - 180 ^o C, 8 hours

Аналогичные поковки изготавливали из известного сплава по способу, выбранному за прототип. Similar forgings were made of a known alloy according to the method selected for the prototype.

Исследовали механические свойства в продольном направлении, вязкость разрушения K_1С в направлениях ДП и ВД, остаточные напряжения в высотном направлении изделий, коробление. Результаты испытаний представлены в табл. 2.We studied the mechanical properties in the longitudinal direction, fracture toughness K _1С in the directions of ДП and ВД, residual stresses in the high-altitude direction of the products, warpage. The test results are presented in table. 2.

Таким образом, изобретение позволяет повысить в 5-7 раз прокаливаемость сплава, вязкость разрушения (K_1C) повысить на 10-25%, снизить уровень остаточных напряжений в 40-50 раз и коробление в 25-30 раз и, как следствие, увеличить ресурс работы и расширить сортамент изготавливаемых изделий.Thus, the invention allows to increase the hardenability of the alloy by 5-7 times, increase the fracture toughness (K _1C ) by 10-25%, reduce the level of residual stresses by 40-50 times and warpage by 25-30 times and, as a result, increase the resource work and expand the range of manufactured products.

Claims

1. An aluminum-based alloy containing zinc, magnesium, copper, zirconium, iron, silicon, characterized in that it additionally contains at least one element from the group: nickel, cobalt in the following ratio, wt. %:
Zinc - 5.0-9.0
Magnesium - 0.3-3.0
Copper - 0.3-1.3
Zirconium - 0.05-0.3
Iron - 0.05-0.3
Silicon - 0.01-0.2
At least one item from the group:
Nickel - 0.01-0.2
Cobalt - 0.01-0.2
Aluminum - Else
the ratio of at least one element from the group: nickel, cobalt to zirconium is not more than 1, and the sum of at least one of the elements of the group: nickel, cobalt with iron is not more than 0.4.

2. An aluminum-based alloy according to claim 1, characterized in that it may contain at least one element from the group, wt. %:
Beryllium - 0.0001-0.05
Molybdenum - 0.001-0.1
Manganese - 0.01-0.1
Titanium - 0.02-0.1
Chrome - 0.001-0.1
Vanadium - 0.001-0.1
Hydrogen - (0.1-3.6) • 10 ^-5
Boron - 0.0001-0.03
Carbon - 0.00001-0.008
3. The product is made of an alloy based on aluminum, characterized in that it is made of an alloy of chemical composition, wt. %:
Zinc - 5.0-9.0
Magnesium - 0.3-3.0
Copper - 0.3-1.3
Zirconium - 0.05-0.3
Iron - 0.05-0.3
Silicon - 0.01-0.2
At least one item from the group:
Nickel - 0.01-0.2
Cobalt - 0.01-0.2
Aluminum - Else
the ratio of at least one element from the group: nickel, cobalt to zirconium is not more than 1, and the sum of at least one of the element of the group: nickel, cobalt with iron is not more than 0.4.

4. The aluminum alloy product according to claim 3, characterized in that the alloy for its manufacture may contain at least one element from the group, wt. %:
Beryllium - 0.0001-0.05
Molybdenum - 0.001-0.1
Manganese - 0.01-0.1
Titanium - 0.02-0.1
Chrome - 0.001-0.1
Vanadium - 0.001-0.1
Hydrogen - (0.1-3.6) • 10 ^-5
Boron - 0.0001-0.03
Carbon - 0.00001-0.008
5. A method of manufacturing aluminum alloy products, including casting ingots, hot deformation in a semi-finished product, hardening, including heating and cooling in a quenching medium, dressing, artificial aging, characterized in that the cooling during hardening is carried out at a speed of 0.8-3 V _cr , where V _cr is the critical quenching rate of the alloy, ^o C / s.

6. A method of manufacturing aluminum alloy products according to claim 5, characterized in that an additional dressing is carried out before hardening, and dressing after hardening is carried out with a degree of not more than 10 mm / m in the longitudinal or transverse direction of the product.

7. A method of manufacturing aluminum alloy products according to claim 5 or 6, characterized in that artificial aging is carried out in two stages: first at 80-150 ^o C for 2-48 hours, then at 155-200 ^o C within 2-48 hours

8. A method of manufacturing products from an alloy based on aluminum according to any one of paragraphs. 5-7, characterized in that before hardening on the surface of the semi-finished product, parallel grooves are made with a ratio of length to width equal to 1.1-2.5 to obtain the ratio of doubled volume remaining in the semi-finished metal to its total surface multiplied by the maximum thickness, equal to 0.02-0.42, while the semi-finished product is fed into the quenching medium for cooling in the direction of the longitudinal axis of the grooves.