RU2738817C2 - Alloy of high strength based on aluminum - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to alloys based on aluminum, intended for making deformed semi-finished products in the form of sheets, sheet stamping, for use in individual armor protection means. Aluminium-based alloy contains following, wt %: Zn—10; Cu—1.8; Mg—2.7; Cr—0.17; Mn—0.40; Zr—0.15; Hf—0.3; Be—0.003; ZrB₂—0.03; ZrO₂—0.03; Al is rest.

EFFECT: alloy is characterized by high strength, ductility and viscosity, including at moderate elevated temperatures, as well as high manufacturability of semi-products and articles.

1 cl, 3 dwg, 3 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к металлургии легких сплавов, в частности к деформируемым высокопрочным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и может быть использовано при производстве полуфабрикатов в виде листов, листовых штамповок, для использования в средствах индивидуальной бронезащиты (СИБ - жилеты, шлемы и др.), в задачи которых входит разрушение на отдельные осколки и/или смятие и/или отклонение и поглощение ударной нагрузки техногенного элемента (пуля, осколки и т.д.), а также в виде прутков, профилей, для использования в изделиях, работающих в условиях воздействия значительных динамических и статистических нагрузок при умеренно повышенных температурах, к которым предъявляются требования определяющиеся совокупностью прочностных, пластических и вязкостных свойств материала, а не только абсолютным уровнем твердости [С22С 21/10].The invention relates to the metallurgy of light alloys, in particular to deformable high-strength alloys based on aluminum of the Al-Zn-Mg-Cu system and can be used in the production of semi-finished products in the form of sheets, sheet stampings, for use in personal body armor (NIB - vests, helmets etc.), whose tasks include destruction into separate fragments and / or crushing and / or deflection and absorption of the shock load of a technogenic element (bullet, fragments, etc.), as well as in the form of bars, profiles, for use in products operating under conditions of significant dynamic and statistical loads at moderately elevated temperatures, which are subject to requirements determined by the combination of strength, plastic and viscous properties of the material, and not only by the absolute level of hardness [С22С 21/10].

Известны сплавы на основе алюминия системы Al-Mg-Zn, предназначенные для применения в качестве броневого листа, содержащие (мас. %): цинк 5,4-6,2, магний 2,51-3,0, марганец 0,1-0,3, хром 0,12-0,25, титан 0,03-0,10, цирконий 0,07-0,12, бериллий 0,0002-0,005, натрий 0,0001-0,0008, медь не более 0,2, железо не более 0,3, кремний не более 0,2, алюминий остальное, (патент RU2310693, С22С 21/10).Known alloys based on aluminum of the Al-Mg-Zn system, intended for use as an armor plate, containing (wt%): zinc 5.4-6.2, magnesium 2.51-3.0, manganese 0.1- 0.3, chromium 0.12-0.25, titanium 0.03-0.10, zirconium 0.07-0.12, beryllium 0.0002-0.005, sodium 0.0001-0.0008, copper no more 0.2, iron not more than 0.3, silicon not more than 0.2, aluminum the rest (patent RU2310693, C22C 21/10).

Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, являются низкие значения прочностных характеристик. В результате сопротивляемость сплавов ударному воздействию оказывается недостаточной.The disadvantage of this alloy and the product obtained from it is the low values of strength characteristics. As a result, the impact resistance of the alloys is insufficient.

Известен высокопрочный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu следующего состава, мас.%: Zn 5,7-8,7; Mg 1,7-2,5; Cu 1,2-2,2; Zr 0,05-0,15; Fe 0,07-0,14; Si < 0,11; Mn < 0,02; Cr < 0,02; Mg + Cu < 4,1; остальное Al и примеси < 0,05 каждая и < 0,10 в сумме. Изделие, выполненное из него в виде катаных, кованых и прессованных полуфабрикатов для силовых элементов преимущественно крыла самолета, получают путем отливки слитка и его гомогенизации при температуре 465°С, горячей деформации, упрочняющей термообработки -закалки с температуры 480°С в холодную воду, правки со степенью остаточной деформации 2% и последующего старения по режиму 115°С, 6 ч + 172°С, 10 ч (Патент US6027582). Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, указанным способом являются низкие значения прочностных, коррозионных характеристик и вязкости разрушения.Known high-strength aluminum alloy system Al-Zn-Mg-Cu of the following composition, wt.%: Zn 5.7-8.7; Mg 1.7-2.5; Cu 1.2-2.2; Zr 0.05-0.15; Fe 0.07-0.14; Si <0.11; Mn <0.02; Cr <0.02; Mg + Cu <4.1; the rest is Al and impurities <0.05 each and <0.10 in total. A product made from it in the form of rolled, forged and pressed semi-finished products for structural elements, mainly of an aircraft wing, is obtained by casting an ingot and its homogenization at a temperature of 465 ° C, hot deformation, hardening heat treatment - quenching from a temperature of 480 ° C into cold water, straightening with a degree of permanent deformation of 2% and subsequent aging at 115 ° C, 6 h + 172 ° C, 10 h (Patent US6027582). The disadvantage of the specified alloy and products obtained from it, by this method are low values of strength, corrosion characteristics and fracture toughness.

Известен так же высокопрочный сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu (патент RU2443793), включающий Zn, Mg, Cu, Zr, Fe, который дополнительно содержит Ti и по крайней мере один элемент из группы металлов Ag, Sc, Ca при следующем соотношении компонентов, в мас. %: Zn 6,2-8,0, Mg 1,5-2,5, Cu 0,8-1,2, Zr 0,05-0,15, Fe 0,03-0,15, Ti 0,01-0,06, по крайней мере один элемент из группы металлов Ag 0,01-0,5, Sc 0,01-0,35, Са 0,0001-0,01 остальное - алюминий и неизбежные примеси.Also known is a high-strength aluminum-based alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system (patent RU2443793), including Zn, Mg, Cu, Zr, Fe, which additionally contains Ti and at least one element from the group of metals Ag, Sc, Ca with the following ratio of components, in wt. %: Zn 6.2-8.0, Mg 1.5-2.5, Cu 0.8-1.2, Zr 0.05-0.15, Fe 0.03-0.15, Ti 0, 01-0.06, at least one element from the group of metals Ag 0.01-0.5, Sc 0.01-0.35, Ca 0.0001-0.01, the rest is aluminum and inevitable impurities.

Неизбежные примеси в сплаве включают Si, Mn, Cr, Ni не более 0,05 каждого и Na, Н2, O2, В, P не более 0,01 каждого.Unavoidable impurities in the alloy include Si, Mn, Cr, Ni not more than 0.05 each and Na, H2, O2, B, P not more than 0.01 each.

Способ получения изделия из данного сплава включает отливку слитка, его гомогенизацию, горячую деформацию и упрочняющую термическую обработку, включающую закалку и ступенчатое старение (патент RU2443793, С22С 21/10). Недостатком указанного сплава, являются низкая технологичность производства, так как требуются многоцикловая термическая обработка. Кроме того полуфабрикаты на основе данного сплава, полученные с большой степенью пластической деформации, например листы, обладают низкими прочностными характеристиками.The method for producing a product from this alloy includes casting an ingot, its homogenization, hot deformation and hardening heat treatment, including quenching and step aging (patent RU2443793, C22C 21/10). The disadvantage of this alloy is the low manufacturability of production, since high-cycle heat treatment is required. In addition, semi-finished products based on this alloy obtained with a high degree of plastic deformation, for example, sheets, have low strength characteristics.

Наиболее близким по технической сути, принятым за прототип, является высокопрочный сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu следующего состава, мас.%: Zn 7,0-11,0; Mg 1,8-3,0; Cu 1,2-2,6; по крайней мере один элемент из группы Mn (0,05-0,4), Cr (0,05-0,3), Zr (0,05-0,2), Hf (0,05-0,3), V (0,05-0,3), Ti (0,01-0,2) и Sc (0,05-0,3), остальное - алюминий и неизбежные примеси и изделие, выполненное из него путем отливки слитка из указанного сплава, последующей гомогенизации слитка, горячей деформации указанного слитка путем прокатки, прессования или ковки, закалки, возможной растяжки, со степенью остаточной деформации 1-5%, старение изделия при таких температуре и времени выдержки, которые обеспечивают в долевом направлении максимальный предел текучести при сжатии (Патент ЕР1231290, опубл.: 14.08.2002.).The closest in technical essence, taken as a prototype, is a high-strength alloy based on aluminum of the Al-Zn-Mg-Cu system of the following composition, wt%: Zn 7.0-11.0; Mg 1.8-3.0; Cu 1.2-2.6; at least one element from the group Mn (0.05-0.4), Cr (0.05-0.3), Zr (0.05-0.2), Hf (0.05-0.3) , V (0.05-0.3), Ti (0.01-0.2) and Sc (0.05-0.3), the rest is aluminum and inevitable impurities and a product made from it by casting an ingot from the specified alloy, subsequent homogenization of the ingot, hot deformation of the specified ingot by rolling, pressing or forging, quenching, possible stretching, with a degree of permanent deformation of 1-5%, aging of the product at such a temperature and holding time that provide in the fractional direction the maximum yield strength at compression (Patent EP1231290, publ .: 14.08.2002.).

Технической проблемой сплава по прототипу и изделия, выполненного из него, являются низкие значения вязкости разрушения, а также при достаточной прочности при комнатной температуре низкая жаропрочность при повышенных температурах, что ограничивает его применение в ответственных изделиях.The technical problem of the alloy according to the prototype and the product made from it is the low values of fracture toughness, as well as, with sufficient strength at room temperature, low heat resistance at elevated temperatures, which limits its use in critical products.

Задачей изобретения является повышение сопротивляемости ударному воздействию, значительных динамических и статистических нагрузок совокупном повышении прочностных, пластических и вязкостных свойств материала, в том числе при умеренно повышенных температурах и при высокой технологичности изготовления полуфабриката (изделия).The objective of the invention is to increase the resistance to impact, significant dynamic and statistical loads, the cumulative increase in the strength, plastic and viscous properties of the material, including at moderately elevated temperatures and with high manufacturability of manufacturing a semi-finished product (product).

Технический результат заключается в совокупном повышении прочностных, пластических и вязкостных свойств материала, в том числе при умеренно повышенных температурах и при высокой технологичности изготовления полуфабриката (изделия).The technical result consists in a cumulative increase in the strength, plastic and viscous properties of the material, including at moderately elevated temperatures and with high manufacturability of the semi-finished product (product).

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что заявлен сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, марганец, хром, цирконий, гафний, бериллий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ZrB₂ и/или ZrO₂, при следующем соотношении компонентов, мас. %:The specified task and the technical result are achieved in that the claimed aluminum-based alloy containing zinc, magnesium, copper, manganese, chromium, zirconium, hafnium, beryllium, characterized in that it additionally contains ZrB ₂ and / or ZrO ₂ , with the following ratio components, wt. %:

Zn - 10,Zn - 10,

Cu - 1,8,Cu - 1.8,

Mg - 2,7,Mg - 2.7,

Cr - 0,17,Cr - 0.17,

Mn - 0,40,Mn - 0.40,

Zr - 0,15,Zr - 0.15,

Hf - 0,3,Hf - 0.3,

Be - 0,003,Be - 0.003,

ZrB₂ - 0,03,ZrB ₂ - 0.03,

ZrO₂ - 0,03,ZrO ₂ - 0.03,

Al - остальное.Al is the rest.

Изобретение поясняется чертежамиThe invention is illustrated by drawings

На Фиг. 1 показана структура листа нерекристаллизованная, избыточные фазы внутри зерен в пределах 1 мкм, на границах зерен вдоль прокатки максимально до 20 мкм. На Фиг. 2 показана структура листа нерекристаллизованная, с избыточными фазами интерметаллидов типа Al_nMn_mSi_kFe_k дисперсностью 1-5 мкм, максимально до 30 мкм. На Фиг. 3 показана структура листа рекристаллизованная, содержит, помимо избыточных фаз интерметаллидов типа Al_nMn_mSi_kFe_k, грубые интерметалл иды типа Al₃Zr, Al₃Cr размером до 60 мм, как правило, образующие цепочки на границах зерен вдоль прокатки. Осуществление изобретенияFIG. 1 shows the structure of the sheet unrecrystallized, excess phases within grains within 1 μm, at grain boundaries along rolling up to a maximum of 20 μm. FIG. 2 shows the structure of the sheet unrecrystallized, with excess phases of intermetallic compounds of the type Al _n Mn _m Si _k Fe _{k with a} fineness of 1-5 microns, up to a maximum of 30 microns. FIG. 3 shows the structure of the sheet recrystallized, contains, in addition to excess phases of intermetallic compounds of the type Al _n Mn _m Si _k Fe _k , coarse intermetallic compounds of the type Al ₃ Zr, Al ₃ Cr up to 60 mm in size, as a rule, forming chains at grain boundaries along rolling. Implementation of the invention

Сплав формируют на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, марганец, хром, цирконий, гафний, титан, бериллий, ZrB₂ и/или ZrO₂, при следующем соотношении компонентов, мас. %:The alloy is formed on the basis of aluminum, containing zinc, magnesium, copper, manganese, chromium, zirconium, hafnium, titanium, beryllium, ZrB ₂ and / or ZrO ₂ , with the following ratio of components, wt. %:

Zn - 10,Zn - 10,

Cu - 1,8,Cu - 1.8,

Mg - 2,7,Mg - 2.7,

Cr - 0,17,Cr - 0.17,

Mn - 0,40,Mn - 0.40,

Zr - 0,15,Zr - 0.15,

Hf - 0,3,Hf - 0.3,

Be - 0,003,Be - 0.003,

ZrB₂ - 0,03,ZrB ₂ - 0.03,

ZrO₂ - 0,03,ZrO ₂ - 0.03,

Al - остальное.Al is the rest.

Выбор содержания цинка и магния в сплаве, согласно общим принципам создания сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, соответствует трем областям фазового состава η (MgZn₂), Т (Al₂Mg₃Zn₃), S (Al₂CuMg), все три интерметаллидные фазы являются упрочняющими при термообработке. Все упрочняющие фазы в системе Al-Zn-Mg-Cu являются вторичными. Прочность и эффект старения сплавов растут при увеличении содержания Zn и Mg. Суммарное содержание Zn + Mg в большинстве случаев ограничивается из-за образования грубых интерметаллидов, снижения пластичности и коррозионной стойкости. Содержание гафния - 0,25-0,5 и циркония 0,1-0,25 мас. % при суммарном соотношении Hf + Zr в пределах 0,5÷0,75% эффективно модифицирует структуру и позволяет избежать образования грубых интерметаллидов при литье слитков. Модифицирование гафнием и цирконием дополнительно измельчают зерно, способствуют повышению прочности, свариваемости.The choice of the content of zinc and magnesium in the alloy, according to the general principles of creating alloys of the Al-Zn-Mg-Cu system, corresponds to three regions of the phase composition η (MgZn ₂ ), T (Al ₂ Mg ₃ Zn ₃ ), S (Al ₂ CuMg), all three intermetallic phases are hardening during heat treatment. All hardening phases in the Al-Zn-Mg-Cu system are secondary. The strength and aging effect of alloys increases with increasing Zn and Mg content. In most cases, the total content of Zn + Mg is limited due to the formation of coarse intermetallics, reduced ductility and corrosion resistance. The content of hafnium is 0.25-0.5 and zirconium is 0.1-0.25 wt. % with a total ratio of Hf + Zr in the range of 0.5 ÷ 0.75% effectively modifies the structure and avoids the formation of coarse intermetallic compounds when casting ingots. Modification with hafnium and zirconium additionally grinds the grain, improves strength, weldability.

Содержание марганца - 0,35-0,55 обеспечивает измельчение первичного зерна и затрудняет рост зерен при рекристаллизации, увеличивая допустимую температуру и продолжительность технологических нагревов сплава, хром в пределах 0,15 - 0,25 мас. % повышает коррозионную стойкость сплава.The manganese content - 0.35-0.55 provides grinding of the primary grain and complicates the growth of grains during recrystallization, increasing the permissible temperature and duration of technological heating of the alloy, chromium within 0.15 - 0.25 wt. % increases the corrosion resistance of the alloy.

Микродобавка бериллия защищает при плавке жидкий расплав от окисления. Бориды вводят в жидкий алюминиевый сплав в виде смеси фтористых солей (фторбората калия) имеющих формулу K_mMeF_m, взятых в стехиометрическом состоянии компонентов соответствующего борида. Оксиды вводят в жидкий алюминиевый сплав с помощью внутри окисленных металлов - содержащих выбранный оксид. Оксиды и/или бориды в процессе литья равномерно распределяются в объеме сплава, дальнейшая деформационная обработка обеспечивает их распределение в дисперсной форме по зерну, образуются барьеры при его росте, это оказывает благоприятное влияние на механическую прочность (жаропрочность), вязкость и коррозионную стойкость.The microadditive of beryllium protects the liquid melt from oxidation during melting. Borides are introduced into liquid aluminum alloy in the form of a mixture of fluoride salts (potassium fluoroborate) having the formula K _m MeF _m taken in the stoichiometric state of the components of the corresponding boride. Oxides are introduced into the liquid aluminum alloy using oxidized metals inside - containing the selected oxide. During casting, oxides and / or borides are evenly distributed in the bulk of the alloy, further deformation processing ensures their distribution in dispersed form over the grain, barriers are formed during its growth, this has a favorable effect on mechanical strength (heat resistance), toughness and corrosion resistance.

Таким образом упрочнение предлагаемого сплава обеспечивают, главным образом, цинк и магний медь после закалки и искусственного старения в твердом растворе или в виде дисперсных интерметаллидов, а благодаря присутствию дисперсных вторичных частиц фазы Al₃ (Zr, Hf, Cr, Mn), тормозящих рекристаллизацию, предлагаемый сплав позволяет получать полуфабрикаты со стабильной нерекристаллизованной структурой. Присутствие также в структуре сплава частиц, по крайней мере, один из боридов группы ZrB₂, HfB₂=0,01÷0,1 и/или один из оксидов группы ZrO₂, HfO₂, MgO, MnO₂, TiO₂, Al₂O₃=0,01÷0,05, позволяют сохранить однородную мелкозернистую структуру при технологических нагревах на металлургическом переделе и упрочняющей термообработке и обуславливают достижение высоких значений прочности при умеренно повышенных температурах.Thus, the strengthening of the proposed alloy is provided mainly by zinc and magnesium copper after quenching and artificial aging in solid solution or in the form of dispersed intermetallic compounds, and due to the presence of dispersed secondary particles of the Al ₃ phase (Zr, Hf, Cr, Mn), which inhibit recrystallization, The proposed alloy makes it possible to obtain semi-finished products with a stable non-recrystallized structure. The presence also in the structure of the alloy of particles, at least one of the borides of the ZrB ₂ group, HfB ₂ = 0.01 ÷ 0.1 and / or one of the oxides of the ZrO ₂ , HfO ₂ , MgO, MnO ₂ , TiO ₂ , Al ₂ O ₃ = 0.01 ÷ 0.05, allow maintaining a homogeneous fine-grained structure during technological heating at metallurgical conversion and hardening heat treatment and cause the achievement of high strength values at moderately elevated temperatures.

Сплавы опытных составов отливали полунепрерывным методом в охлаждаемый кристаллизатор слитки диаметром 100 мм. Количество неизбежных примесей во всех случаях не превышало более 0,1%. Слитки гомогенизировали по режиму 475°С в течение 6 ч. Затем после обточки подвергали нагреву до температуры 400-420°С и прессовали при температуре контейнера 380-400°С на прямоугольный профиль толщиной 16 мм с коэффициентом вытяжки 12,2. Профиль резали на мерные части и поперек прессования подвергали горячей прокатке при температуре 400°С за 6 проходов на листы толщиной 3,5 мм. Профили и листы закаливали в воде с температуры 470°С и искусственно старили по режиму 120°С в течение 24 ч.Alloys of experimental compositions were cast by a semi-continuous method into a cooled ingot mold with a diameter of 100 mm. The amount of inevitable impurities in all cases did not exceed 0.1%. The ingots were homogenized at 475 ° C for 6 hours. Then, after turning, they were heated to a temperature of 400-420 ° C and pressed at a container temperature of 380-400 ° C onto a rectangular profile 16 mm thick with a stretch ratio of 12.2. The profile was cut into sized pieces and hot rolled across the pressing at a temperature of 400 ° C in 6 passes onto sheets with a thickness of 3.5 mm. Profiles and sheets were quenched in water from a temperature of 470 ° C and artificially aged at 120 ° C for 24 h.

Пример 1 (сплав формировали согласно заявленному изобретению).Example 1 (the alloy was formed according to the claimed invention).

Химический состав сплава представлен в таблице 1. Структура листа нерекристаллизованная, избыточные фазы внутри зерен в пределах 1 мкм, на границах зерен вдоль прокатки максимально до 20 мкм (фиг. 1).The chemical composition of the alloy is shown in Table 1. The structure of the sheet is unrecrystallized, the excess phases within the grains are within 1 µm, at the grain boundaries along the rolling up to a maximum of 20 µm (Fig. 1).

Пример 2 (сплав формировали согласно аналогу патент RU2443793). Химический состав сплава представлен в таблице 1. Структура листа нерекристаллизованная, с избыточными фазами интерметаллидов типа Al_nMn_mSi_kFe_k дисперсностью 1-5 мкм, максимально до 30 мкм (фиг. 2).Example 2 (the alloy was formed according to analogue patent RU2443793). The chemical composition of the alloy is shown in Table 1. The structure of the sheet is unrecrystallized, with excess phases of intermetallic compounds of the type Al _n Mn _m Si _k Fe _{k with a} fineness of 1-5 μm, up to a maximum of 30 μm (Fig. 2).

Пример 3 (сплав формировали согласно прототипу).Example 3 (the alloy was formed according to the prototype).

Структура листа рекристаллизованная, содержит, помимо избыточных фаз интерметаллидов типа Al_nMn_mSi_kFe_k, грубые интерметалл иды типа Al₃Zr, Al₃Cr размером до 60 мм, как правило, образующие цепочки на границах зерен вдоль прокатки (фиг. 3) Таким образом, предлагаемый сплав за счет однородной мелкозернистой структуры обеспечивается повышение прочности и сопротивляемости ударному воздействию при удовлетворительной пластичности (таблица 2). При умеренно повышенных температурах преимущества предлагаемого сплава возрастают (таблица 3).The structure of the sheet is recrystallized and contains, in addition to excess phases of intermetallic compounds of the type Al _n Mn _m Si _k Fe _k , coarse intermetallic compounds of the type Al ₃ Zr, Al ₃ Cr up to 60 mm in size, as a rule, forming chains at grain boundaries along rolling (Fig. 3 ) Thus, the proposed alloy due to the homogeneous fine-grained structure provides an increase in strength and impact resistance with satisfactory plasticity (table 2). At moderately elevated temperatures, the advantages of the proposed alloy increase (table 3).

Claims (12)

Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, марганец, хром, цирконий, гафний, бериллий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ZrB₂ и/или ZrO₂ при следующем соотношении компонентов, мас.%:An aluminum-based alloy containing zinc, magnesium, copper, manganese, chromium, zirconium, hafnium, beryllium, characterized in that it additionally contains ZrB ₂ and / or ZrO ₂ in the following ratio of components, wt%: Zn - 10,Zn - 10, Cu - 1,8,Cu - 1.8, Mg - 2,7,Mg - 2.7, Cr - 0,17,Cr - 0.17, Mn - 0,40,Mn - 0.40, Zr - 0,15,Zr - 0.15, Hf - 0,3,Hf - 0.3, Be - 0,003,Be - 0.003, ZrB₂ - 0,03,ZrB ₂ - 0.03, ZrO₂ - 0,03,ZrO ₂ - 0.03, Al - остальное.Al is the rest.

Images