Оптимизации состава высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих более 0,5 масс.%Fe

1. Оптимизации состава высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих более 0,5 масс.%Fe

Н.А.Белов, А.Н.Алабин
НИТУ «МИСиС», кафедра технологии литейных процессов
КОНФЕРЕНЦИЯ «Перспективные высокопрочные алюминиевые сплавы для изделий авиационной,
ракетной и атомной техники» (посвящается 100-летию со дня рождения к.т.н. Е.И. Кутайцевой)»
ВИАМ, Москва, 6 ноября 2014 г.

2. Актуальность

Одной из наиболее перспективных технологий получения
первичного алюминия представляется новая технология,
разработанная ИТЦ РУСАЛ, при которой используются
инертные аноды, что позволяет снизить себестоимость,
но повышает количество примесей, что не соответствует
составам марочных сплавов
Марочные алюминиевые сплавы, ориентированные на
применение в ответственных изделиях, как правило,
имеют строгие ограничения по примесям, прежде всего,
это относится к железу. Такие строгие ограничения
требуют применения алюминия повышенной чистоты,
что, во многих случаях, приводит к запредельно высокой
себестоимости сплава.
Марочные сплавы не удовлетворяют по свойствам
современным требованиям (разработки 1960-80-х годов).
2

3.

• ФЦП «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития
научно-технологического комплекса России
на 2014—2020 годы»
• Мероприятие 1.3
• ЛОТ «Разработка технологии производства
нового поколения экономнолегированных
высокопрочных наноструктурированных
алюминиевых сплавов (ЭЛАС), производимых
с использованием алюминия, получаемого по
технологии электролиза с инертным анодом»
• Сроки выполнения 2014-2016 гг.
3

4. Цель работы

Разработка технологии производства нового вида
материалов – высокопрочных (упрочняемых
наночастицами,
σв
>500
МПа)
экономнолегированных (от 0,5 до 1,5 % Fe)
алюминиевых сплавов для применения в виде
легких конструкционных изделий, изготовляемых из
недорогих
полуфабрикатов,
получаемых
с
использованием алюминия, производимого по
технологии электролиза с инертным анодом.
4

5. Требования к высокопрочным ЭЛАС в виде фасонных отливок

Свойство
Значение
Временное сопротивление при Т=20 °С
не менее 500 МПа
Предел текучести при Т=20 °С
не менее 450 МПа
Относительное удлинение при Т=20 °С
не менее 5 %
Возможность свариваемости аргонодуговой не менее 90 %
сваркой с сохранением уровня прочностных
свойств (от временного сопротивления)
Плотность
не более 2,85 г/см3
Температура солидуса
не менее 560 °С

6. Требования к высокопрочным ЭЛАС в виде деформированных полуфабрикатов

Свойство
Значение
Временное сопротивление при Т=20 °С
не менее 600 МПа
Предел текучести при Т=20 °С
не менее 550 МПа
Относительное удлинение при Т=20 °С
не менее 5 %
Возможность свариваемости аргонодуговой не менее 80 %
сваркой с сохранением уровня прочностных
свойств (от временного сопротивления)
Плотность
не более 2,85 г/см3
Температура солидуса
не менее 560 °С

7. Научные основы (анализ многокомпоненных фазовых диаграмм)

8. Механические свойства сплава АЦ7Мг3Н4 на базе системы Al-Zn-Mg-Ni и известных высокопрочных литейных сплавов (Т6)

Сплав
0,2, МПа
в,МПа
d, %
АК8М3ч
АМ4,5Кд
ВАЛ 12
АЦ7Мг3Н4
340
360
500
550
400
490
550
620
4
5
3
6
8
Недостаток:
Fe<0,1%
8

9. Принципы создания высокопрочных сплавов, содержащих более 0,5%Fe

• 1. Замена эвтектики (Al)+Al3Ni на
(Al)+Al9FeNi:
• снижение Ni с 4 до 0,5 %, при этом Fe
становится легирующим элементом
(использование Al с повышенным
содержанием Fe)
• 2. Zn + Mg > 8%, Cu<0,5%:
• повышение солидуса (>560 °С) позволяет
повысить температуру сфероидизирующего
отжига и, как следствие, улучшить структуру
9

10. Распределение элементов между фазами в сплавах системы Al–Zn–Mg–Cu–Fe–Si–Ni

Эвтектические включения
Фазы
Al3Fe
Al6(Fe,Cu)
Al8Fe2Si
Al7Cu2Fe
Al9FeNi
Al3Ni
Al3(Ni,Cu)2
Al7Cu4Ni
Mg2Si
T
M
S(Al2CuMg)
Al2Cu
Zn
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
–
–
Mg
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
–
Cu
–
+
–
+
–
–
+
+
–
+
+
+
+
Fe
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
–
Si
–
–
+
–
–
–
–
–
+
–
–
–
–
Ni
–
–
–
–
+
+
+
+
–
–
–
–
–
Вторичные выделения
Фазы
T
M
S
Al2Cu
Zn
+
+
–
–
Mg
+
+
+
–
Cu
+
+
+
+
Fe
–
–
–
–
Si
–
–
–
–
Ni
–
–
–
–
10

11. Расчет фазовых диаграмм

Фазовый состав сплава АА7055 при 460 0С
Фаза
(Al)
Mg2Si
Al3Zr
Al7Cu2Fe
Сплав
QM1
98,98
0,13
0,25
0,65
100
Химический состав, масс.%
Al
Zn
Mg
Cu
99,25 87,84 8,08
1,94
2,10
0,18
0,00
0,00
63,38
0,00
0,16 47,02 0,00
0,00
0,00
0,41 50,80 0,00
0,00
34,18
100
Ост.
8,00
2,00
2,30
QV
Zr
0,02
0,00
52,98
0,00
0,15
Fe
0,002
0,00
0,00
15,02
0,10
Si
0,015
36,62
0,00
0,00
0,06

12. Структура ЭЛАС (1%Fe, 1%Si), позволяющая достигнуть требуемого уровня свойств

Эвтектические включения,
содержащие Fe и Si
Упрочняющие наночастицы,
содержащие Zn и Mg

13. Получение отливок методом кристаллизации под давлением (КЭМЗ, г. Ковров)

Отливки «Статор»
Гидравлический пресс модели 8535 для литья в
кристаллизатор под давлением, КЭМЗ, г. Ковров
13

14. Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из отливок «Статор»

Состояние
0,2, МПа
в, МПа
δ,%
АК7пч
Т6
253
310
9,2
АЦ6Н0,5Ж
Т4
237
397
15,4
АЦ6Н0,5Ж
Т6
440
493
8,1
Материал
14

15. Листовой прокат и проволока сплава АЦ6Н0,5Ж

3 мм
0,5 мм
0,17 мм
Проволока 2 мм
15

16. Прессованные прутки сплава АЦ7НЖ

Сплав
АЦ7НЖ (0.55%Fe)
Механические свойства
в, МПа
0,2, МПа
d, %
HV, МПа
673
646
6,5
2140
16

17. Сварные соединения сплава АЦ6Н0,5Ж

отливки
листы
Возможность получения сложных изделий, путем соединения
отливок и деформированных полуфабрикатов!
17

18. Результаты механических испытаний сварных соединений листов (5 мм)

Состояние
Начало сварного шва
Середина сварного шва
Конец сварного шва
Ϭ0.2, МПа
Ϭв, МПа
δ, %
Ϭ0.2, МПа
Ϭв, МПа
δ, %
Ϭ0.2, МПа
Ϭв, МПа
δ, %
Т4
256
349
11,0
253
358
13,2
270
364
11,3
Т6
450
493
7,8
454
486
7,3
466
507
5,0
Исходные листы
Состояние
Ϭ0.2, МПа
Ϭв, МПа
δ, %
Т4
276
359
12,6
Т6
423
459
8,1
Прочность сварных соединений 100%!
18

19. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1. Согласно целям и задачам ФЦП «Исследования
и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технологического комплекса России
на 2014—2020 годы» обосновано прикладное
научное исследование (ПНИ), направленное на
разработку экономнолегированных алюминиевых
сплавов (ЭЛАС), которые будут производиться из
сырья с повышенным содержанием железа.
• 2. Новые сплавы должны сочетать высокий уровень
эксплуатационных, технологических и экономических
показателей, что принципиально отличает их от
существующих марочных сплавов. Одновременно
будет обоснована возможность использования
алюминия, производимого по технологии электролиза
с инертными анодами, для получения определенных
групп марочных сплавов при сохранении требуемых
характеристик последних.

20. Спасибо за внимание! [email protected]

20