Область техники

Изобретение относится к литейному и прокатному производству. Существующие способы получения конструкционных материалов для транспортной промышленности базируются в целом на использовании традиционного метода получения слитков из сплавов на основе алюминия с магнием, литием, цинком и т.д. и их поката.

Предшествующий уровень техники

Основные требования к конструкционным материалам для автомобилестроения состоят в необходимости иметь предел прочности 300- 400 МПа, относительное удлинение 30-40% и плотность не выше 2,65 г/см ³ , хорошую свариваемость, коррозионную стойкость.

В настоящее время нет сплавов, одновременно удовлетворяющих этим требованиям. Существующие литиевые сплавы, подходящие по плотности, не пригодны по прочностным, пластическим свойствам и из-за невозможности сваливаться, остальные сплавы не применимы по аналогичным мотивам. Прокат из магниевых сплавов достаточно прочен, однако удовлетворение требованиям по плотности возможно лишь при содержании магния более 9%.

Прокат из АМГ5 находит широкое применение в авиационной, судостроительной промышленности и производится по традиционной технологии, подробно описанной в работе «Производство фольги». Черняк С.Н., Карасевич В. И.. Коваленко П.А., изд-во «Металлургия», М, 1968 г. Получение слитков из АМГ5 производится полунепрерывным способом. Исходя из этого, существует естественный предел растворимости магния в матрице слитка. Избыток магния образует вокруг зерна блокирующую его хрупкую эвтектику, которая и определяет конечные пластические свойства слитка, сплава. Кроме этого, наличие параболических фронтов кристаллшации приводит при поликристаллическом строении к отсутствию единой кристаллографической ориентации, то есть к различной пластичности по сечениям слитка как на макро-, так и на микроуровне. В целом, уровень пластичности по этой причине снижается, как минимум, вдвое. Следствием этого является низкая технологичность при прокате, что связано еще и с нестабильностью твердого раствора, с наличием крупных шггерметаллидньгх фаз. Пластичность сплава характеризуется относительным удлинением до 4- 6%, что явно не удовлетворяет требованиям автомобильной промышленности.

В настоящее время известен сплав на основе алюминия и способ его использования. Сплав, при этом, имеет следующий химический состав (вес %):

Магний 9,0-11,0

Цирконий 0,15-0,2

Кобальт 0,01-0,001

Бериллий 0,001-0,02

Бор 0,005-0,007

Алюминий Остальное

Однако, данный сплав может быть улучшен по своим прочностным качествам и пластичности в части повышения удельной прочности при увеличении содержания магния до 15%.

Раскрытие изобретения

В основу данного изобретения положена задача создания способа производства конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния до 15%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, который обеспечил бы повышение прочности, пластичности проката и повысил бы технологичность получения листового материала.

Достигаемый при этом технический результат заключается в повьппении физических характеристик материала на основе алюминия с содержанием магния около 15% за счет перевода литейного сплава в конструющонный и получение материала с относительной прочностью выше, чем у материала с содержанием магния до 10%.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения конструкционного материала из сплава с содержанием магния, включающем кристаллизацию расплава для получения слитка, его термообработку и прокатку, для получения конструкционного материала из сплава с содержанием ингредиентов при следующих весовых соотношениях, %:

Магний 10,50-15,50

Марганец 0,05-0,10

Цирконий 0,01-0,15

Титан 0,15

Кремний

Не более 0,2

и железо

Алюминий остальное

кристаллизацию расплава производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 50-350, времени жизни расплава, и скорости охлаждения не выше 5°С/с.

Описание фигур чертежей

Для лучшего понимания изобретения приведены иллюстрации, на которых:

на фиг.1 схематично показаны нормированные зависимости Таммана; на фиг.2 приведена зависимость относительного переохлаждения от коэффициента гравитации К„.

Лучший вариант осуществления изобретения

Поставленная задача решена созданием способа получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния до 15%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, в котором с целью повышения уровня механических свойств сплав содеришт дополнительно цирконии, марганец, титан, и в виде примесей кремнии и железо при следующих весовых соотношениях ингредиентов (%):

Магний 10,50-15,50

Марганец 0,05-0, 10

Цирконий 0,01-0,15

Титан 0,15

Кремний

Не более 0,2

и железо

Алюминий остальное

Кристаллизацию производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 50-350, и скорости охлаждения не выше 5°С/с.

Термообработку и прокат производят по следующему алгоритму:

а) слиток, в зависимости от его размеров, нагревают для горячей прокатки в течение 2-4 часов при температуре 340-380°С;

б) при начальной температуре слитка 340-380°С производят его горячую прокатку до толщины 4-8 мм со степенью деформации в каждом цикле до 30%. Окончательная температура подката должна находиться в пределах 310-330°С;

в) далее производят холодную прокатку подката со степенью деформации в каждом цикле до 50% с промежуточными отжигами в течение 0,5-2,0 часов при температуре 310-390°С до требуемых толщин 0,5-2,0 мм; г) производят окончательный отжиг проката в течение 5-40 минут при температуре 400-450°С.

Предлагаемый способ основан на использовании новых физических явлений, со1ГООвождающих кристаллизацию расплавов в мощных гравитационных полях центрифуг. В целом, воздействие таких полей сводится к следующему:

а) утрируются диффузионные процессы в любых многокомпонентных расплавах, что приводит к получению твердых растворов типа внедрения- замещения с минимальным выделением эвтектики. Причем, все-таки сформировавшаяся эвтектика минимизируется по объему и коагулируется в разобщенные образования, не блокирующие зерно матрицы;

б) отливка, слиток даже при поликристаллическом строении имеет доминирующую кристаллографическую ориентацию в заданном направлении, составляющую не менее 80-85% от всех возможных ориентировок.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу по созданию конструкционного материала на алюминиевой основе с содержанием магния в пределах 10,5-15% и проката из него.

Предлагаемый, согласно изобретению, способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния до 15% на стадии получения слитка реализуется во вращающемся кристаллизаторе, конструкция которого зависит от требуемой формы слитка и его массы. При этом тегагофизические условия кристаллизации определяются определенным образом вьшолненной конструкцией футеровки и кристаллизатора.

Заявляемый согласно изобретению способ осуществим во вращающемся кристаллизаторе, обеспечивающем следующие условия:

- для получения монокристаллической структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуг с коэффициентом гравитации, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равным разнице оптимального значения переохлаждения, соответствующего максимуму линейной скорости роста кристалла с интервалом метастабидьности роста, которая определяется выражением:

где

А, В, L, M - технические параметры (коэффициенты), из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения A, L, М определяются физико- химическими характеристиками металлов;

Kg - коэффициент гравитации;

Т - температура кристаллизации;

Δ То - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.

При выращивании монокристаллов и рафинировании расплава, последний объемно охлаждают со скоростью 0,02-0,08°С/с.

Для объяснения сути предлагаемого способа рассмотрим кривые Таммана (фиг.1).

Первая кривая описывает изменение линейной скорости роста кристаллов в зависимости от создаваемых в расплаве переохлаждений Т.

Вторая кривая описывает изменение скорости зародышеобразования в зависимости от ^

Различному уровню Z обеих зависимостей соответствуют переохлаждения , назьшаемые интервалами метастабильности роста и зародьппеобразования.

Координатами максимумов являются оптимальные значения переохлаждений

Естественно предположить, что максимально эффективен тот способ получения моноструктур, который обеспечивает создание в расплаве переохлаясдешш, равных во все время роста. С помощью любым способом организованных неравномерных тепловых полей эта задача в принципе не может быть реализована из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации, из-за непрерывного изменения величины теплового сопротивления растущего монокристалла, из-за невозмолшости точно знать координаты фронта кристаллюации (далее - ФК).

В этой связи авторы в ходе проведенных аналитических и экспериментальных исследований определили детермшшрованную зависимость от К„:

А, В, L, М - технические параметры (коэффициенты), из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения A, L, М определяются физико- химическими характеристиками металлов;

K _g - коэффициент гравитации;

Т - температура кристаллшации;

д

Т ₀ - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.

Числовые значения технических параметров - коэффициентов A, L, М для разных металлов следующие:

Вывод последних выражений опускается.

Имея в виду выражение (1), координата в зависимостях Таммана может быть заменена на K _g (фиг.1). Отсюда следует, что создав значения К _g , равные К _орЬ будет выращена моно- или квазимоноструктура из расплава с произвольным начальным количеством зародышей, кластеров с теоретически возмолдаой скоростью. Так, в некоторых экспериментах авторы имели дело при выращивании монокристалла арсенида галлия со скоростью 10-15 см/с.

Геометрически зависимость (1) представляет собой для всех металлов возрастающую гиперболу с увеличением K _g .

Для наглядности (фиг.2) рассмотрим два графика, полученные расчетным путем и являющиеся зависимостями относительного

д

переохлаждения от К„ при разных значениях Т ₀ . Кривые рассчитаны по формуле: - определено выражением (1); - естественное переохлаждение расплава, равное 0,5°С.

Из графиков видно, что независимо от начального переохлаждения максимальный эффект применения способа наблюдается при значении K _g =300.

Следует отметить следующее.

Экспериментальные исследования кристаллизующихся моделей типа

«салол» показывают, что значение производной * не могут быть меньше 10-Ю ² . Это обстоятельство, как будет доказано далее, имеет огромное значение. Положим, расплав, находящийся в центрифуге при определенном значении , медленно охлаждается до создания естественного переохлаждения , то есть в расплаве создаются условия, достаточные для начала линейного роста кристалла от любой подложки.

У

Учитывая, что коэффициент гравитации ^ адекватен ?

переохлаждению , можно определить степень увеличения скорости линейного оста монокристалла при данных обстоятельствах:

Допуская даже такое обстоятельство, что в центрифуге создается неравномерным силовым полем адекватное переохлаждение в 1°С, из (4) очевидно, что абсолютное значение увеличения линейной скорости роста монокристалла равно 10 мм/с.

Таким образом, используя приведенный физический механизм влияния силового поля на кристаллшуюшдися расплав, можно вьгоапгивать монокристаллы с необычно высокими скоростями. Следует отметить три обстоятельства:

во-первых, коэффициент гравитации идентичен в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения, что обеспечивает абсолютно плоские ФК;

во-вторых, воздействие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава;

в-третьих, наличие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению интервала метастабильностн роста оптимального значения величины переохлаждения , соответствующего максимальному значению линейной скорости роста монокристаллов.

В основе изобретения стоит аналитически рассчитанный и экспериментально подтвержденный эффект влияния гравитационных полей на кристаллизирующийся расплав с точки зрения ориентации кристаллографических осей решетки.

Рассмотрим подробнее данное физическое явление.

Для анализа складывающейся кристаллографической ориентации затвердевающего расплава в любых силовых полях проникающего типа (гравитационные, ультразвуковые и т.д.), ее необходимо рассмотреть в динамике усилия, действующего на зародыш, а затем и на кристаллит (зерно) в расплаве при наличии внешнего поля неравномерно-распределенной силы F(x ^K , п).

Рассмотрим кристаллит, находящийся у какой-либо опоры (фронт кристаллизации, подложка) и деформирующийся под действием этой силы F(x ^K , п).

Положим, данный кристаллит имеет с одного торца жесткую опору. Уравнение авновесия в данном случае имеет вид:

где σ it - тензор напряжения;

х, у, z - координаты;

Р- плотность; М _зар - масса зародыша.

При выводе приняты следующие граничные условия:

- тензоры напряжений на боковых поверхностях ^σ _± равны нулю, кроме ^σ _χχ ;

- на свободном торце кристаллита длиной x=L имеем

Свободная энергия может быть представлена в виде: где ^€ _ik - тензор деформации, равный

S - константы упрутой податливости; σ± - символ Кронекера.

Отсюда поверхностная энергия всего кристаллита равна:

Для дальнейшего вывода положим:

Так как модуль Юнга, соответствующий направлению X (вдоль продольной оси кристаллита), равен:

то Положим, кристаллографическая плоскость hkL перпендикулярна оси ОХ, тогда имеем:

г е

Для всех металлов, кроме молибдена, для которого

величина 1/Е _х имеет минимум для плоскости (Ш).

Таким образом, направление (Ш) при его совпадении с вектором действия силы F(x ^K , П) должно быть предпочтительнее всех остальных. Этот вывод позволяет однозначно признать тот факт, что заторможенный в расплаве кристаллит ориентируется в направлении действия F(x ^к , П) независимо от типа расплава и исходных предпосылок к росту осями (III).

Заторможенный кристаллит - это выросший, искаженный из сферической формы зародыш в почти эллипсоид, присоединенньш к ячеистому фронту кристаллизации.

В принципе, ориентация кристаллографических осей в растущем зародыше, кроме действия силы F(x ^K , П), происходит задолго до его присоединения к фронту кристаллизации в ходе его сепарирования в расплаве с переменной вязкостью в направлении действия силы F(x ^K , П).

Направление абсолютного минимума упругой энергии решетки - это максимально удобная ситуация для последующей деформации твердого тела с минимумом внешних усилий со стороны, например, прокатного стана. Это особенно важно в данном случае с пересыщенным твердым раствором магния в алюминии, так как данный сплав обладает повышенной прочностью.

Данный способ был многократно проверен и согласно его рекомендациям было изготовлено несколько сотен килограмм проката толщиной 2 мм, 1 мм, 0,5 мм, ОД мм. Полученный прокат был исследован в лабораторных условиях. Установлено, что при соблюдении заявляемых параметров предлагаемого способа и при использовании сплава с содержанием магния около 15% обеспечивается наилучшее сочетание прочности и пластичности, примерно совпадающие с аналогичными параметрами сплава с содержанием магния до 11%, но при этом в сплаве с содержанием магния до 15% существенно выше удельная прочность, то есть отношение прочности на разрыв к плотности сплава. Полученный сплав с содержанием магния около 15% легче сплава по прототипу, что позволяет существенно влиять на массовые характеристики объектов, изготовляемых из нового материала. Получение большей удельной прочности примерно на 10% по отношению к сплаву прототипа обеспечивается за счет увеличения содержания магния, а пластичность обеспечивается величиной зерна, единообразно упорядоченной в кристаллографической ориентации при гравитационной обработке. Применение скорости охлаждения не выше 5°С/с позволяет структурировать зерно по величине и обеспечить однородность сплава.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть реализовано с использованием вращающегося кристаллизатора, представляющего собой известное устройство, а результат достигается изменением условий получения сплава. Настоящее изобретение может быть использовано для получения из сплава А15МГ конструкционных материалов практически любой толщины. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при производстве проката.