Введение к работе
Актуальность работы. Современное развитие авиакосмической техники, автомобильной промышленности и других отраслей народного хозяйства требует использования в конструкциях качественно новых легких и высокопрочных материалов, отличающихся высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относятся деформируемые алюминиевые сплавы, легированные цинком и магнием. Промышленные сплавы, содержащие цинк и магний, относятся к двум системам легирования Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.
Важную роль в сплавах этих систем играют небольшие добавки переходных металлов (Сг, Mn, Zr, Ті), а в последние годы стали использовать скандий. Переходные металлы (ПМ) улучшают многие свойства и являются, по существу, обязательными элементами во всех промышленных сплавах данных систем легирования. Повышению прочностных свойств этих сплавов может способствовать увеличение концентрации как основных легирующих компонентов, так и переходных металлов. Однако эти возможности ограничены при использовании традиционной технологии получения слитков методом непрерывного литья.
Дальнейший прогресс в области создания высокопрочных сплавов на основе систем Al-Zn-Mg л Al-Zn-Mg-Си связан с получением литой заготовки в виде мелких частиц - гранул, получаемых с высокими скоростями охлаждения при кристаллизации, порядка 103-104 К/с. Метод быстрой кристаллизации использовался в данной работе для получения сплавов. Большой научный вклад в теорию и разработку технологии получеши быстрозакристаллизованных частиц и деформированных полуфабрикатов из них внесли российские ученые: И.С. Мирошниченко, А.И. Колпашников, Б.С. Митин, Б.И. Бондарев и многие другие. Проведенные под руководством В.И Добаткина, В И. Елагина, И.Н. Фридляндера и других ученых исследования позволили разработать целый ряд принципиально новых гранулируемы* алюминиевых сплавов.
Задача создания высокопрочных быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, может быть решена при знании металловедческих закономерностей влияния основных компонентов и переходных металлов на структуру, механические, технологические свойства и коррозионную стойкость сплавов. Исследования по этим вопросам были весьма неполными и не систематизированы. Все это определило актуальность проведения данных исследований.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка новых быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, с высокими прочностными свойствами и высокой коррозионной стойкостью для сварных и иервариваемых конструкций и разработка режимов упрочняющей термической обработки полуфабрикатов из этих сплавов.
Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1 Установить общие закономерности, характеризующие влияние концентрации основных легирующих элементов и переходных металлов, морфологии и природы частиц избыточных фаз, зеренной її субзеренной структуры твердого раствора, текстуры деформации на механизм упрочнения, свариваемость, коррозионную стойкость, деформируемость быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, содержащих цинк н магний, и разработать на этой основе принципы легирования высокопрочных алюминиевых сплавов, предназначенных для сварных и несваривасмых конструкций.
2. Основываясь на установленных принципах легирования
быстрозакристаллизованных алкімишіевьк сплавов, путем целенаправленного изменения
химического состава (основных компонентов и переходных металлов), разработать и
опробовать в промышленных условиях новые высокопрочные сплавы, содержащие цинк
и магний.
-
Изучить закономерности изменения структуры и свойств при термической обработке быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов и на их основе разработать оптимальные режимы закалки и старения.
-
Основываясь на установленных закономерностях изменения структуры и свойств, уточнить технологические режимы переработки быстрозакристаллизованных частиц сплавов, содержащих цинк и магний, в деформированные полуфабрикаты, позволяющие получать высокий уровень механических и технологических свойств.
Научные результаты и новизна работы
1. На основании установленных закономерностей влияния основных компонентов
и переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных
алюминиевых сплавов, легированных шпгком и магнием, объяснен механизм упрочнения
этих материалов; предложено уравнение, позволяющее учитывать отдельные
составляющие прочности, и разработана методика определения количественных значений
этих составляющих.
-
Предложена классификация многокомпонентных диаграмм состояния алюминий - переходные металлы и основная композиция сплава - переходные металлы, на основе которой разработана методика физико-химического анализа быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, позволяющая выбирать наиболее перспективные сочетания переходных металлов для создания высокопрочных сплавов.
-
На основании установленных закономерностей и общих теоретических положений разработаны принципы легирования высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов систем - Al-Zn-Mg-(Cu), основанные на идее комплексного легирования такими переходными металлами, которые не образуют между собой н основными компонентами тройных и более сложных по составу интерметаллидных фаз и усиливают упрочняющее действие друг друга, а в свариваемых сплавах оказывают модифицирующее действие при формировании структуры сварных швов Примерами таких элементов являются металлы VIIIА группы (кобальт, никель) и цирконий.
-
На основании установленных закономерностей по влиянию содержания основных легирующих компонентов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов системы Al-Zn-Mg-(Cu) установлено их пределыюе суммарное содержание и соотношение, обеспечивающее получение оптимального комплекса свойств - высокой прочности и коррозионной стойкости.
для сплавов системы AI-Zn-Mg суммарное содержание цинка и магния не должно превышать 8-9% при отношении Zn/Mg"l,7; при оптимальном содержании переходных металлов такое количество основных компонентов обеспечивает получение гсв ~ 550-600 МПа, 5 = 6-8%, при высокой стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением основного металла и сварных соединений;
для сплавов системы AJ-Zn-Mg-Cu. предназначенных для нссвариваемых конструкций, предельное суммарное содержание основных компонентов не должно
превышать 16-16,5% при оптимальном отношении Zn/Mg=3 и Mg/Cu~2 для любого суммарного содержания основных компонентов, такое количество основных компонентов при оптимальном содержании переходных металлов обеспечивает получение 0в >800 МПа, 5=4-6/», при высокой стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением.
5. Изучено влияние переходных металлов на структуру и свойства
закристаллизованных при высоких скоростях охлаждения (10М04 К/с) алюминиевых
сплавов, содержащих цинк и магний, и установлены следующие закономерности:
все исследованные переходные металлы (Сг, Ми., 7л, Ті, Nb, Sc, Fe, Co, Ni) образуют дисперсные алюминиды, не содержащие (за исключением хрома) основных легирующих компонентов, либо непосредственно в процессе быстрой кристаллизации расплава (металлы VIIIA группы), либо за счет выделения из пересыщенного твердого раствора при последующей переработке гранул в деформированные полуфабрикаты;
при комплексном легировании сплавов несколькими переходными металлами установлена возможность растворения третьего компонента в некоторых алюминидах титана в фазе AbZr, железа и никедя в кобальтовой фазе ЛІ9С02 и тд, что уменьшает количество интерметаллидных фаз в сплавах, изменяет размеры частиц и положительно сказывается на характеристиках пластичности основного металла и сварных соединений;
хром, при высокой его концентрации (0,5-1,0%) образует фазу E(Ali«Mg^Cr;), при этом уменьшается содержание магния в твердом растворе и понижается эффект упрочнения при старении сплавов, легированных цинком и магнием.
6. На основании изучения кинетики старения сплавов предложена схема распада
пересыщенного основными компонентами твердого раствора и построена диаграмма
темперагурно-временных условий существования зон Гинье-Престона в
быстрозакристаллюовашюм спяаве системы Al-Zn-Mg, которая является основой для
выбора режимов упрочняющей термической обработки.
Практическая значимость и реализация результатов работы
На основании проведенных исследований разработаны высокопрочные быстрозакристаллизованные сплавы 01949, 01959 и 01979 (ТУ1-809-783-98). Сплавы 01959 и 01979 по прочностным свойствам и коррозионной стойкости превосходят стандартные высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, которые изготавливают из слитков. Из них в условиях серийных заводов (ЗЛС, КрАМЗ) изготавливают прессованные полуфабрикаты (прутки, трубы, профили), а также штамповки. В АО Полиметмаш произведены исследования по использованию детален специального назначения из высокопрочного сплава 01979 вместо деталей из стали 30ХГСА. Исследования показали, что замена деталей из стали ЗОХГСА на детали из алюминиевого сплава 01979 позволит повысить ресурс работы агрегата в 1,8 раза за счет снижения инерционной массы изделия, работающего в условиях циклические динамических нагрузок
Сплав 01949 (система Al-Zn-Mg) - наиболее прочный среди свариваемых алюминиевых сплавов. Из него изготавливают листы толщиной 1,5-2,0 мм и трубы диаметром 18-25 мм с толщиной стенки 1,0 мм. Из прессованных тонкостенных труб с применением метода аргонодуговой сварки в АО ОКБ им. Сухого изготовлен сварной каркас инвалидных колясок взамен ранее применявшихся для этих целей титановых и стальных труб. Это привело к снижению веса колясок в среднем иа 20%. В Московском институте теплотехники (МИТе) из штампованных заготовок сплава 01949 с применением АДС и ЭЛС изготовлены шаробаллоны высокого давления, которые изготавливали из высокопрочной стали. Применение алюминиевого сплава 01949 взамен стали позволило снизить вес шаробаллоиов более, чем в 2 раза. Высокий комплекс прочностных свойств основного металла и сварных соединений, а также высокая коррозионная стойкость позволяют считать сплав 01949 перспективным материалом для сварных конструкций изделий авиакосмической техники
Внедрение результатов работы в промышленность позволило обеспечить экономический эффект 645 млн. рублей в ценах 1996 г.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 2-х Международных и 16 Всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях и семинарах. В том числе: на I. И и Ш Всесоюзных конференциях по металлургии гранул (г Москва- 1983, 1987, 1991 гг) на 1 (г. Томск, 1992 г) и II (г. Сиань, 1993 г) советско-китайском симпозиуме; на пяти Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии" (г. Москва 1992-1997 гг).
Результаты диссертации нашли отражение в работах, представленных на выставке "Прогресс-90" и удостоенных бронзовой медалью ВДНХ СССР.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 работ, в том числе две книги, 28 статей и 8 авторских свидетельств.
Структура и обт.ем диссертации. Диссертация содержит 217 страниц машинописного текста, 99 рисунков, 50 таблиц. Работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из 348 наименований, приложения.
