Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
АЛЮМИНИЕВО-БЕРИЛЛИЕВЫЕ СПЛАВЫ, ОБРАБОТАННЫЕ В ПОЛУТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ
АЛЮМИНИЕВО-БЕРИЛЛИЕВЫЕ СПЛАВЫ, ОБРАБОТАННЫЕ В ПОЛУТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

АЛЮМИНИЕВО-БЕРИЛЛИЕВЫЕ СПЛАВЫ, ОБРАБОТАННЫЕ В ПОЛУТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к получению, обработке и производству изделий из алюминиевых сплавов с добавками бериллия. В изобретении описана обработка в полутвердом состоянии промышленного алюминиевого сплава и прессованного порошкового бериллия, гарантирующая изделия, свободные от бериллидов. Настоящий способ исключает перемешивание жидких сплавов и необходимость применения складывающих сил, благодаря использованию распыленных или измельченных частиц бериллия в смеси с твердыми частицами или жидким алюминием. Размер и форма фазы бериллия (сферическая и недендритная), невзирая на дополнительную обработку, остается без изменения. 5 с. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил, 3 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119543
Класс(ы) патента: C22C21/00, B22D21/00, G11B5/55
Номер заявки: 95122120/02
Дата подачи заявки: 22.02.1995
Дата публикации: 27.09.1998
Заявитель(и): Браш Веллмэн, Инк. (US)
Автор(ы): Джеймс М.Мардер (US); Уоррен Дж.Хоз (US)
Патентообладатель(и): Браш Веллмэн, Инк. (US)
Описание изобретения: Изобретение представляет собой continuation-in-part of application Serial 08/156,356 от 23 ноября 1993, которое в свою очередь является continuation-in-part of application Serial 07/770,187 от 2 октября 1991 г.
Настоящее изобретение относится к сплавам из бериллия и алюминия. Более конкретно изобретение представляет собой способ производства алюминиевых сплавов с добавками бериллия и получение практически применимых продуктов.
Сплавы из бериллия и алюминия известны. Так, например, в патенте Cooper N 1,254,987 описана добавка алюминия к бериллию для улучшения технологичности. В патенте Fenn N 3,337,334 описан запатентованный промышленный продукт Lockalloy, разработанный фирмами Lockheed и Berylco в 60-е годы. Настоящий продукт состоит из алюминия в качестве основного металла и 62 вес.% бериллия.
Lockalloy был произведен в пластинчатой форме и использован в подфюзеляжном киле экспериментального самолета YF12 (Duba, YF-12 Lockalloy Ventral Fin Program, Final Report, NASA CR-144971, 1976). После внедрения Lockalloy были собраны обширные данные о катаных сплавах, произведенных на основе легированного алюминия, содержащего 62 вес.% бериллия, см. London, Alloys and Composites, Beryllium Science and Technology, Volume 2, Plenum Press, New York (1979).
В литературе освещается вопрос добавки к алюминиево-бериллиевым сплавам элементов второго и третьего порядка, таких как магний, кремний, никель или серебро для производства тернарных и квартерных алюминиево-бериллиевых сплавов, см. патент N 3,664,889 McCarty. Эти сплавы производят из быстротвердеющего порошкового сплава, стабилизируют и подвергают последующей обработке традиционными методами. Российские разработки по алюминиево-бериллиевым сплавам третьего и более высокого порядка описаны в работах Molchanova, Phase Equilibria in the Al-Be-Ni System at 600 Deg. C, Vest. Mosk. Univ. Khim, Vol. 27(3), pages 266-271 (1986); Komarov, Increasing the Strength of Welded Joints in an Al-Be-Mg Alloy by Heat Treatment, Weld. Prod., Vol. 26(1), pages 32-33 (1979); Kolachev, Constructional Alloys of Aluminium, Beryllium and Magnesium, Metalloved. Term. Obrab. Metal. Vol. 13, pages 196-249 (1980); Nagorskaya, Crystallization in Al-Be-Mg-Zn Quartenary System Alloys, Metalloved. Term. Obrab. Metal., Vol 9, pages 72-74 (1973).
Обычно небольшие количества бериллия вводят в высокоалюминиевые сплавы в целях предотвращения окисления алюминия и других компонентов сплавов при последующей обработке, например, плавке и литье. Фирма Brush Wellman Inc., Elmore, Ohio производит и распространяет, например, высокоалюминиевые сплавы высокой чистоты, в которых присутствие бериллия составляет 10% или ниже для дальнейшей обработки в массовом производстве. Присутствие бериллия в конечном продукте из алюминия, производимом последующим обработчиком предпочтительно менее 0,01%.
Самая современная фазовая диаграмма алюминиево-бериллиевых сплавов имеет двойную эвтектику, в обоих фазах которой отсутствует полная и стабильная растворимость. Такая алюминиево-бериллиевая фазовая диаграмма описана в публикации Murray, The Aluminium-Beryllium System, Phase Diagrams of Binary Beryllium Alloys, ASM International Monographs on Alloy Phase Diagrams, page 9 (1987) и приведена в настоящем тексте в фиг. 1.
Фирма Brush Wellman провела обширные исследования по алюминиевым сплавам, содержащим 10-75 вес.% бериллия, см. Hashiguchi, Aluminium Bertllium Alloys for Aero-space Application, European Space Agency Structural Materials Conference, Amsterdam (March 1992). Проведенные исследования показали, что в алюминиевом сплаве, содержащем около 62 вес.% бериллия, последний занимает приблизительно 70% общего объема, а в сплаве, содержащем около 50 весовых % бериллия, последний занимает приблизительно 59% общего объема. Далее было доказано, что плотность и модуль упругости сплавов в данной системе следуют правилу смешения. Это означает, что возможна интерполяция свойств сплава между соответствующими свойствами чистого бериллия и чистого алюминия.
Исследования, проведенные на предприятии в Elmor фирмы Brush Wellman, также показали, что возможно производство слитков крупной отливки и тонкодисперсных распыленных включений промежуточного сплава, микроструктура которых представляет собой металлическое соединение с бериллием в алюминиевой матрице. В настоящее время фирма Brush Wellman реализует этот сплав на рынке в виде брикетов и штампованных листовых изделий торговой марки AlBeMetТМ.
Все известные методы производства алюминиевых сплавов с добавками бериллия требуют полного расплавления исходных веществ из алюминия и бериллия. Металлические составляющие из алюминия и бериллия расплавляются в смесителе с огнеупорной футеровкой в вакууме при температуре значительно выше 1280oC, точки плавления бериллия. Обычно эта смесь отливается в слитках либо распыляется при помощи инертного газа до лигатурного порошка. Сравнительная дороговизна высокотемпературной металлургической обработки вызывает необходимость поиска методов обработки при более низких температурах, требующих меньшей механической обработки и снижающих потерь при снятии наплыва.
Фирма Brush Wellman располагает следующими двумя способами производства полезных компонентов из AlBeMetTM. В обоих случаях требуется расплавление в вакууме исходного вещества из алюминия и бериллия в огнеупорном сосуде с керамической футеровкой при температурах 1350-1450oC. При первом методе расплавленная алюминиево-бериллиевая выплавка подается через огнеупорное сопло, продолжая поток, принимаемый высокоскоростной струей инертного газа. Струйное течение газа измельчается жидкий поток на мельчайшие частицы, которые охлаждаясь, образуют лигатурный порошок. Частицы, образующие лигатурный порошок, имеют мелкозернистую дендритную микроструктуру, состоящую из бериллиевой фазы в алюминиевой матрице. Лигатурный порошок затем стабилизируется изостатическим холодным прессованием, изостатическим горячим прессованием или прессованием выдавливанием для получения заготовки, которая может быть подвержена механической обработке для получения полезных изделий.
Второй способ получения полезных изделий из AlBeMetTM - это традиционная разливка металла в изложницы, в процессе которой расплавленный алюминий-бериллий разливают в графитовые литейные формы и охлаждают до получения отлитого слитка диаметром до шести дюймов. Микроструктура полученного отлитого изделия представляет собой сравнительно крупно-дендритную бериллиевую фазу в матрице алюминиевого сплава. Поверхность литья и наплыв удаляются и соскабливаются, а слитки затем прокаткой, прессованием или механической обработкой придают форму готового изделия.
Вышеописанные два способа сравнительно дорогостоящи. Из этих соображений предпочтение следует отдавать методам формообразования, связанным с меньшими затратами. Традиционная обработка в полутвердом состоянии или тиксо-формовка металлов представляет собой способ обработки, использующей преимущество вязкости, незримо присутствующей при непрерывном сильном вымешивании жидких металлов во время их охлаждения (Brown, Net-Shape Forming Via Semi-Solid Processing, Advanced Materials & Processes, pages 327-338, January 1993). В настоящее время для описания обработки металлов в полутвердом состоянии, используемых для изготовления практически применимых продуктов, имеются различные понятия. К ним относятся вязкое и шликерное литье, тиксо-ковка и ковка в полутвердом состоянии. Каждое из этих понятий соотносится с модификациями на различных стадиях процесса полутвердой обработки или с используемым оборудованием.
Обработка в полутвердом состоянии используется при нагревании одного или нескольких видов металлов выше температуры ликвидуса для обработки расплавленного металла или сплава. Известны различные технологии привнесения в жидкие металлы скалывающих сил, которые при постепенном локальном охлаждении образуют в расплаве соосно распределенные частицы. В этих условиях говорят о том, что металлы находятся в "тиксотропическом" или полутвердом шликерном состоянии. Тиксотропические шликеры характеризуются недендритной микроструктурой и поддаются сравнительно легкой обработке в массовом производстве, при этом с ростом производительности литейных материалов возможны автоматизация процесса и контроль на точность (Kenney, Semisolid Metal Casting and Forging, Metals Handbook, 9th Ed., Vol. 15, pages 327-338, 1988).
Недендритная микроструктура полутвердых металлических шликеров описана в патенте Flemings N 3,902,544. Способ, представленный в настоящем патенте, показателен для технологического уровня, который характеризуется использованием сильного воздействия в процессе постепенного охлаждения для получения соосной дисперсии частиц, порождающей недендритную микроструктуру (см. также Flemings, Behavior of Metal Alloys in the Semisolid State, Metallurgical Transactions, Vol. 22A, pages 957-981, 1991).
Результаты научных исследований, опубликованные до настоящего изобретения, были направлены на определение сил, участвующих в процессе формования и измельчения дендритных структур роста при высокотемпературной резке. Было установлено, что вязкость полутвердых сплавов в зависимости от скорости резки возросла в сотни и даже тысячи пуазов, (Kenney, Semisolid Metal Casting and Forging, Metals Handbook, 9th Ed., Vol. 15, page 327, 1988), а вязкость одного полутвердого шликера, измененная в процессе непрерывного охлаждения, представляет собой точную функцию воздействующих скалывающих сил в том смысле, что измеренная вязкость падает с ростом скорости резки (Flemings, Behavior of Metal Alloys in the Semi-Solid State, ASM News, pages 4-5, Sept. 1991).
Таким образом последующее промышленное использование направлено на поиск различных путей приведения расплавленных металлов в колебательное движение для получения в полутвердом шликере крупносферической или мелкозернистой микроструктуры. Было разработано два общих подхода: (1) вязкое литье, при этом шликер готовится в отдельной мешалке и переносится в кокиль; (2) ковка в полутвердом состоянии, при этом слиток отливается в форме, оснащенной смесителем для локального создания сферической микроструктуры.
В патенте Winter N 4,229,210 описан способ, при котором в охлаждаемых металлах при помощи электродинамических сил в отдельном смесителе создается вихревое движение, а в патентах Winter N 4,434,837 и 4,457,355 описана литейная форма, оснащенная магнитно-гидродинамическим смесителем.
Были разработаны различные методы размешивания для привнесения скалывающих сил с целью формования в охлаждаемых металлах полутвердых шликеров. К примеру, все патенты Young N 4,482,012, Dantzig N 4,607,682 и Ashok N 4,642,146, описывают средства электромагнитного движения для прохождения в расплавленных металлах необходимых скалывающих сил. Способы механического размешивания для достижения желаемой скорости резки также описаны в патентах Kenney N 4,771,818, Gabathuler N 5,189,236 и Collot N 4,510,987.
Применение существующих технологий обработки в полутвердом состоянии алюминиевых сплавов с добавками бериллия затруднено в силу того, что дендритные структуры, присутствующие в лигатурных материалах, требуют высокотемпературной тиксотропной обработки в условиях вакуума. Температура обработки должна превышать точку плавления бериллия 1280oC.
Предлагаемое изобретение описывает решения вышеизложенных проблем производства алюминиевых сплавов с добавками бериллия и предлагает усовершенствования способа обработки сплавов в полутвердом состоянии.
Цель настоящего изобретения - производство практически применимых сплавов на основе алюминия с добавками бериллия от 1 до 99 вес.% модифицированным способом в полутвердом состоянии.
Следующая цель настоящего изобретения - производство практически применимых алюминиевых сплавов с добавками бериллия предпочтительно от 5 до 80 вес.% модифицированным способом в полутвердом состоянии.
Другая цель изобретения - создание способа обработки в полутвердом состоянии, не требующего нагрева до сверхвысоких температур, как в случае с такими металлами как бериллий.
Следующая цель - создание способа обработки алюминиево-бериллиевых сплавов для получения профилей, близких к заданным, не требующего высокотемпературного расплавления в вакууме.
Следующая цель настоящего изобретения - создание способа обработки алюминиево-бериллиевых сплавов для получения заданных профилей затенением реакционно-инертным газом при низких температурах с целью защиты бериллиевой фазы от окисления.
Цель изобретения также - создание способа обработки в полутвердом состоянии, не требующего применения скалывающих сил.
Следующая цель настоящего изобретения - создание модифицированного способа обработки в полутвердом состоянии алюминиевых сплавов при 5 - 80 вес.% порошкового бериллия, что исключает необходимость металлообработки в расплавленном состоянии.
Цель изобретения также - создание способа, допускающего формование прецизионных алюминиевых компонентов заданного профиля со значительной добавкой бериллия.
Следующая цель изобретения - разработка технологии изготовления прецизионных деталей из сплавов на основе алюминия с добавками бериллия от 5 до 80 вес.%.
Последующие цели настоящего изобретения станут очевидными для специалистов после ознакомления с другими исполнениями.
Настоящее изобретение описывает способы получения практически приемлемых сплавов из алюминия с добавками бериллия и имеет значение для производства алюминиево-бериллиевых компонентов заданного профиля со значительным содержанием бериллия. Понятие "заданный профиль" используется в данном случае для компонента, профиль которого очень близок к заданному, например, прецизионная отливка, требующая перед передачей в пользование лишь очень незначительной дополнительной машинной обработки.
Настоящее изобретения также описывает новый путь использования твердых частиц бериллия, распределенных в жидком или порошковом алюминии, в производстве алюминиевых сплавов с добавками бериллия для обработки в полутвердом состоянии.
Указанные в патентной заявке сплавы и соответствующие изделия имеют плотности, которые ниже плотностей других известных алюминиевых сплавов в сочетании с модулем упругости, близким к модулю упругости бериллия, при этом модуль растет с ростом содержания бериллия. Модуль сплава приблизительно равен модулю линейной комбинации алюминия с модулем 10,0 млн. PSI и массы бериллия с модулем 44 млн. PSI.
Представленные в настоящем изобретении сплавы могут быть получены способами традиционной слитковой металлургии или известными способами распыления. Однако настоящий способ предлагает более удобную комбинацию алюминия в жидком или твердом виде с твердыми частицами бериллия при значительно более низких температурах. Ввод твердых частиц бериллия для получения нужной смеси и распределения в жидком или порошковом алюминии при указанных низких температурах описан исключительно в настоящем изобретении как патентная заявка. Следующая таблица обобщает свойства различных алюминиевых сплавов с добавками бериллия, полученных в соответствии с настоящим изобретением.
Так как исходное вещество представляет собой смесь двух порошков, и в настоящее время отсутствует тенденция к разделению обоих порошков во время технологического процесса, возможно получение сплавов, содержащих 1-99% добавок бериллия с остаточным алюминием.
Одно из требований рынка - стремление получить алюминиевые сплавы с более высоким модулем упругости и меньшей плотностью. Как видно из табл.1, получен полный разброс характеристик от алюминиевого сплава к бериллию. К примеру, повышение содержания бериллия на 5% в сплаве на алюминиевой основе при практически одной и той же плотности повышает модуль упругости на 25%.
В одном из вариантов сферический бериллиевый порошок, который предпочтительно производится распылением жидкого бериллия, смешивается с порошковым алюминиевым в виде стружек или в другой раздробленной форме. Сферический бериллий был получен распылением с использованием инертного газа. Этот метод хорошо известен среди специалистов. Применение распыленного бериллия предпочтительно в описанной в настоящем изобретении обработке в полутвердом состоянии, при этом сферическая форма частиц улучшает текучесть при формировании и гарантирует меньший поверхностный износ используемого оборудования.
Другие методы производства порошкового бериллия описаны в Stonthouse, Distriburion of Phases, Beryllium Science & Techn., Vol. 1, pages 182-184, (1979), на что ссылаются в настоящем изобретении. В сочетании или в качестве альтернативного варианта к сферическому магниевому порошку можно также использовать бериллий в основном виде. Обычно снова бериллия производится дроблением: среди специалистов это известно как процесс холодного дробления. Этот и другие способы смешивания использованного при практической реализации настоящего изобретения бериллиевого порошка освещены в специальной литературе (Marder, P/M Lightweight metals, Metals Handbook, 9h Ed., Vol. 7, pages 755-763, 1984); Stonehouse, Beryllium, ASM International Metals Handbook, 10th Ed., Vol. 2, pages 683-687, 1990; Ferrera, Rocky Flats Beryllium Powder Production, Unired Kingdom Atomic Energy Authotiy Memorandum, Vol. 2, JOWOG 22/M20, 1984. На все вышеперечисленные источники в настоящем изобретении приводятся ссылки. В научных работах, лежащих в основе вышеназванных публикаций, во всех случаях в качестве исходного вещества был использован бериллий, поставленный фирмой Brush Wellman.
Промышленный беспримесный алюминий и алюминиевые сплавы в порошке могут поставляться фирмой Valimet Cо., Stockton, California. Специальные алюминиевые сплавы, которые могут быть использованы для обработки настоящим методом, зарегистрированы в Amtrican Socite for Metals Aluminium Alloy Nos. 1100, 1300, 2024, 5056, 6061, A356 и A357, а композиции этих сплавов перечислены в Boyer-Gail, Aluminium Alloys, ASM International Metals Handbook, 1985 Desk Edition, Table 2, pfges 6-24, 6-25, Table 3, page 6-55, на которые приводится ссылка в настоящем изобретении.
В преимущественном варианте изобретения смесь из сферического бериллиевого порошка и твердого алюминия в стружке разогревается до температуры, при которой плавятся лишь алюминиевые составы (обычно выше 640oC). Это приводит к суспензии частиц бериллиевого порошка в жидком алюминии. Таким образом, без применения сверхвысоких температур получают полутвердый алюминиево-бериллиевый шликер; недендритная микроструктура бериллиевой фазы достигается без ввода в расплавленную жидкость внешних складывающих сил. Этот процесс можно успешно выполнить в защитной атмосфере, обычно в условиях вакуума или реакционно-инертного газа, такого как аргон, азот или гелий.
На фиг. 2 представлена микрофотография желаемой недендритной структуры алюминиево-бериллиевого сплава, полученного вакуумным горячим прессованием порошка алюминиевого сплава и соосного порошкового бериллия при температуре около 704oC. Сплавы, имеющие структуру, представленную на фиг.2, могут найти применение в конкретных инженерно-технических решений, требующих локального упрочнения. Они также могут подвергаться традиционной металлообработке, такой как прокатка, ковка или прессование.
Сплавы, имеющие структуру, представленную на фиг.2, могут также быть использованы на этапе, предшествующем обработке в полутвердом состоянии деталей профиля, близкого к заданному. Микрофотография, представленная на фиг. 3, изображает предпочтительную структуру, получаемую после обработки алюминиево-бериллиевого сплава в полутвердом состоянии модифицированным способом. Микроструктура, представленная на фиг.3, подобна микроструктуре, показанной на фиг. 2. Вышеописанный модифицированный способ обработки в полутвердом состоянии не требует применения складывающих сил до затвердения. Тиксотропные смеси со структурами, аналогичными структурам, представленным на фиг. 3, поддаются прессованию или плавке, при этом используется соответствующее оборудование для прессования выдавливанием или литья. Обычно подобные способы реализуются в устройствах, подобных литьевым аппаратам формования пластмассы.
Традиционная обработка в полутвердом состоянии делится на два шага: (1) подготовка сырья для получения необходимой исходной микроструктуры и (2) формование в полутвердом состоянии. Способ, представленный в настоящем изобретении, в отличие от известных способов обработки в полутвердом состоянии, исключает стадию подготовки сырья, потому что соответствующая микроструктура создается автоматически во время подогрева двух порошковых структур выше температуры солидуса лишь одного из компонентов.
Взаимная растворимость бериллия и алюминия ограничена. Из этих соображений температура материала, подвергаемого таксотропической обработке, согласно настоящему изобретению ниже точки плавления алюминиево-берллиевого сплава. Это дает возможность использовать более простые устройства из сравнительно недорогих материалов, т. к. при плавке бериллия не требуется сопротивляемость высоким температурам (свыше 1280oC).
Температура процесса определяется желаемым объемом твердых материалов в шликере. Нетто-объем твердого материала в шликере равен сумме массы добавленного твердого бериллия и твердой массы (при наличии) частично расплавленного алюминиевого компонента.
Известны два общих подхода при формовании в полутвердом состоянии - это (1) тиксотропная ковка, при этом заготовка получается прессованием выдавливанием в закрытой форме или через плунжер передается в стационарую полость пресс-формы и (2) тиксотропное литья, при этом полутвердый металл через шнековый конвейер транспортируется в стационарную полость пресс-формы. Оба способа совместимы с настоящим изобретением, как показано на нижеприведенных примерах.
На фиг. 1 представлена актуальная алюминиево-берилливая фазовая диаграмма; на фиг. 2 изображен микрофотоснимок, представляющий собой соосную структуру в бериллиевой фазе алюминиево-бериллиевого сплава, полученного по представленному в настоящем изобретении способу; на фиг. 3 - микрофотоснимок, демонстрирующий сохранение соосной структуры добавки бериллия после модифицированной обработки алюминиево-бериллиевого сплава в полутвердом состоянии, структура которого сходна со структурой, представленной на фиг. 2; на фиг. 4 - конструкция из головок считывания-записи, произведенных из вышеописанного алюминиево-бериллиевого сплава; на фиг. 5 - отдельный рычаг механизма заданного профиля из конструкции, представленной на фиг. 4. Силы, воздействующие на рычаг, представлены векторами.
Опыты, представленные на нижеследующих примерах, были проведены с целью изготовления изделий заданного профиля из алюминиевых сплавов с добавкой бериллия. Подобные алюминиево-бериллиевый сплавы для получения профиля, близкого к заданному, были произведены из полутвердого агрегатного состояния в процессе локального затвердевания или ковки в закрытой форме. Из примеров однозначно следует, что получение сплава на основе алюминия с добавками твердого бериллия тиксотропным способом возможно без применения внешних скалывающих сил.
Перед началом опытов были установлены все необходимые устройства техники безопасности и защиты окружающей среды, включая вентиляцию HEPAVAC. Во время опытов и заключительной очистки периодически проводились замеры воздуха. Все участники опыта пользовались кислородными масками и защитной одеждой. (Более детальную информацию о мерах защиты можно получить у фирмы Brush Wellman Inc., Cleveland, Ohio).
Тикто-формовка представляет собой способ формования в полутвердом состоянии, описанный в патентах США N 4,694,881, 4,694,882 и 5,040,589. На каждый из этих патентов в настоящем изобретении приводится ссылка. Как представлено в разделе "Предпосылки изобретения", современный технический уровень для производства необходимой недендритной микроструктуры требует применения в расплавленных металлах складывающих сил. Устройство, использованное для тиксо-формовки, было видоизменено для проведения нижеописанных опытов, однако части процесса тиксо-формовки, затрагивающие использование скалывающих сил в жидких металлах для порождения недендритной микроструктуры, не применялись.
Пример 1: Исходные вещества для обработки алюминиево-бериллиевых сплавов в полутвердом состоянии.
Алюминиевые сплавы, отличные от промышленно беспримесного алюминия, можно использовать для получения жидкой фазы представленных алюминиево-бериллиевых сплавов. Их также можно использовать в качестве исходного вещества при обработке модифицированным тиксотропным способом согласно настоящему изобретению. Выбор алюминиевых сплавов производился с учетом их совместимости с бериллием. Совместимость обычно характеризуется отсутствием элементов, порождающих неустойчивые, хрупкие или вредные интерметаллические бериллиевые соединения при сравнительно низких температурах обработки в полутвердом состоянии.
Некоторые сплавы отвечают настоящему требованию совместимости. К ним относятся сплавы производства фирмы American Society for metals Aluminium Alloy Nos. 1100, 1300, 2024, 5056, 6061, A356 и A357, см. Boyer, Aluminium Alloys, ASM Int'l Metals Handbook, Desk Ed., pages 6-24, 6-25, 6-55 (1985). Состав этих сплавов представлен в табл.2.
К примеру, порошковый алюминий N 6061, поставляемый фирмой Reynolds Aluminium Co. , Loyisville, Kentucky, смешивали с ударным соосным измельченным порошковым бериллием, поставляемым фирмой Brush Wellman. Полученную смесь затем подвергали горячему изостатическому прессованию при температуре выше солидуса сплава 6061 (около 645oC), но значительно ниже температуры плавления бериллия.
Полученный материал в качестве исходного вещества можно использовать для модифицированной тиксо-формовки в производстве прецизионных изделий. Температуры обработки для данного исходного вещества лежат в диапазоне 645oC - 700oC, при которых расплавляется лишь алюминий.
Как видно из табл.2, алюминиевый сплав N 6061 содержит магний, медь и хром, которые при высокотемпературной обработке, требуемой в традиционных способа полной плавки, образует с бериллием вредные интерметаллические компоненты (Ashurst, Structure and Properties of I/M AlBe Alloys, ASM-Sponsored Aeromat, Long Beach, California (May, 1991). Сравнительно низкие температуры обработки для получения жидкой, богатой алюминием, фазы помогают избежать образования вредных компонентов и дают возможность использовать намного более широкий диапазон свойств сплавов.
Пример 2: подготовка исходных веществ для традиционной обработки.
Описанная в настоящем изобретении обработка в полутвердом состоянии модифицированным способом может быть использована при подготовки исходных веществ к дополнительной традиционной металлургической обработке. Алюминиевый порошок или алюминиевый сплав, например, сплав 6061, и бериллий смешивались и подвергались вакуумному горячему прессованию при температурах выше солидуса алюминиевого сплава и ниже температуры плавления бериллия, как указано в примере 1. Продукт, полученный на стадии полутвердого затвердевания в виде заготовки, можно использовать для получения изделия заданного профиля ковкой в закрытой форме.
Используется также ковка в открытой форме в зависимости от эффективности производственного процесса. Ковка такого изделия производится ниже температуры солидуса алюминиевого сплава, что гарантирует получение традиционным способом готового изделия заданного профиля.
Пример 3: подготовка исходных веществ для обработки в полутвердом состоянии.
Описанная в настоящем изобретении обработка в полутвердом состоянии модифицированным способом также используется для получения исходных веществ с целью обработки в полутвердом состоянии. Алюминиевый порошок или алюминиевый сплав, например, сплав 6061, и бериллий смешивались и подвергались вакуумному горячему прессованию при температурах выше солидуса алюминиевого сплава и ниже температуры плавления бериллия, как указано в примерах 1 и 2.
Заготовку, полученную в процессе полутвердого затвердевания, можно использовать для получения изделий заданного профиля ковкой в закрытой форме. Эти изделия подвергаются ковке преимущественно при температурах в диапазоне выше температуры солидуса алюминиевого сплава, что гарантирует получение при обработке в полутвердом состоянии готового изделия заданного профиля. Однако, следует отметить, что температура на заключительной стадии ковки может быть выше или ниже ликвидуса с целью управления общей долей твердого материала на заключительных стадиях. Общая доля твердого материала равна доле присутствующего бериллия дополнительно к содержанию твердого алюминиевого сплава, если таковой имеется.
Пример 4: подготовка исходных веществ для ковки в закрытой форме.
На фиг. 2 изображен микрофотоснимок, представляющий собой желаемую недендритную структуру алюминиево-бериллиевого сплава, полученного вакуумным горячим прессованием порошкового алюминия и соосного порошкового бериллия при температурах 645oC - 700oC согласно настоящему изобретению. Недендритная структура была получена без применения перед затвердеванием скалывающих сил, таких как перемешивание. Структура, представленная на фиг. 2, практически применима в инженерно-технических решениях, требующих при изготовлении локального затвердевания. Она может также найти применение в традиционных способах металлообработки таких как прокатка, ковка или прессование.
На фиг. 2 представлена недендритная микроструктура алюминиево-бериллиевого сплава, содержащего 40 вес.% бериллия, с локальным затвердеванием после вакуумного горячего прессования промышленно беспримесного алюминия и порошкового бериллия. Алюминиевый порошок можно приобрести в фирме Reynolds Alumninum Co., Louisvilt, Kentucky, а бериллиевый порошок - в фирме Nuclear Metals Inc., West Concord, Massachusetts.
Порошковая смесь из 60 вес.% промышленно беспримесного алюминиевого порошка (-400 mesh) и 40 вес.% распыленного бериллия (-50 mesh) подогревались в вакууме до 704oC при давлении, требуемом для сжатия полутвердой массы. Недендритная структура была получена без применения скалывающих сил, потому что вторая фаза (бериллиевая) в течение всего процесса обработки оставалась в твердом состоянии.
Альтернативно затвердевание порошков возможно при температуре ниже солидуса около 645oC, с тем, чтобы предотвратить расплавление алюминия. Недендритная структура, полученная при затвердевании ниже солидуса, сходна с микроструктурой, представленной на фиг. 2. Подобные сплавы использовались в качестве исходных веществ при обработке в полутвердом состоянии, как это описано в следующем примере.
Пример 5: ковка в закрытой форме.
Структура, представленная на фиг. 2, может также служить исходным веществом при обработке в полутвердом состоянии для изготовления изделий заданного профиля. На фиг. 3 изображен микрофотоснимок, представляющий собой желаемую структуру после обработки алюминиево-бериллиевого сплава в полутвердом состоянии. Настоящий способ обработки до затвердевания не требует применения скалывающих сил, таких как перемешивание. Тиксотропные смеси, имеющие структуры, приближаются к структурам, представленным на фиг. 3, подвергаются инжекции или расплавке с использованием устройств, приспособленных к прессованию или литью под давлением. Обычно эти процессы выполняются на устройствах, подобных устройствам, применяемым для литья пластмассы под давлением.
Из фиг. 3 следует, что даже после ковки в полученном согласно примеру 4 алюминиево-бериллиевом сплаве в полутвердом состоянии сохранялась недендритная микроструктура. Как и в способе, описанном в примере 4, ковка в полутвердом состоянии не требует применения внешних скалывающих сил.
Из материала, представленного в примере 4, были изготовлены твердые алюминиево-бериллиевые заготовки. В частности, исходное вещество для данного примера было получено путем затвердевания смеси, состоящей из 40 весовых % распыленного бериллия (-325 mesh) и 60 весовых % промышленно беспримесного алюминия (-400 mesh) при 621oC, ниже солидуса алюминия. Распыленный бериллий можно приобрести в форме Brush Wellman, а порошок беспримесного алюминия - в форме Reynolds Aluminum Co.
Эти слитки подогревались в плавильной печи до полутвердого состояния (около 704oC). Подогретые слитки при помощи клещей были помещены в формы и затем введены в закрытые каналы, где они затвердевали. На фиг. 3 показана микроструктура, полученная после инжекции/ковки. Размеры и формы бериллиевой фазы в результате дополнительной обработки не изменились, при этом бериллий в течение всего технологического процесса оставался твердым. Изделия, имеющие тонкие профили, также подвергались ковке с использованием метода, описанного в данном примере, однако с последующей модификацией плавкой, разработанной специально для тонких профилей.
Пример 6: подготовка исходных веществ литьем.
Соосный бериллий вводился в расплавленный алюминий с использованием алюминиевого расплава для предотвращения окисления. В алюминиевый сплав было введено 40 вес. % бериллия. Затем расплав подвергался локальному затвердеванию. Недендритная структура была получена без применения скалывающих сил, потому что бериллий был введен в соосном твердом виде, не изменив формы.
Полученная структура практически применима в инженерных решениях, требующих при изготовлении изделий локального затвердевания. Она может также найти применение в традиционных способах металлообработки таких как прокатка, ковка или прессование. Полученная структура может быть также использована в качестве исходного вещества при обработке в полутвердом состоянии для изготовления изделий заданного профиля.
Пример 7: обработка алюминиевых сплавов в полутвердом состоянии.
Этот пример обобщает процесс изготовления деталей при обработке порошковой смеси в полутвердом состоянии модифицированным способом с последующим изостатическим горячим прессованием для достижения полной плотности и традиционной ковкой для придания формы.
Алюминиевый порошок смешивался с 40 вес.% бериллиевого порошка и помещался в форму для вакуумного горячего прессования при температуре около 650oC под давлением 1000 psi до достижения плотности, равной 95% теоретически возможной (пористость 5%).
Далее слиток был помещен в изостатической пресс для горячего прессования и подвержен прессованию при 15 ksi и температуре 600oC до достижения полной плотности. Полученная деталь при температуре ее затвердевания, например, около 600oC с ковкой и машинным способом перерабатывалась в конечные продукты, с характеристиками, приближающимися к характеристикам, перечисленным в табл. 1.
Альтернативно возможно изготовление деталей при обработке смеси порошков в полутвердом состоянии модифицированным способом с последующей горячей изостатической ковкой в полутвердом состоянии до достижения полной плотности и придания формы. Вакуумное горячее прессование при температуре около 650oC и давлении в 1000 psi повышают плотность до 95% теоретически возможной (пористость 5%). Заготовка в полутвердом агрегатном состоянии при 704oC подвергалась ковке до получения изделия профиля, близкого к заданному, характеристики которого приближаются к характеристикам, приведенным в табл.1.
Заготовки из алюминиевого сплава с добавками бериллия, полученные вакуумным горячим прессованием, горячим изостатическим прессованием или другими методами затвердевания порошков, подвергаются обработке в полутвердом состоянии, такой как тиксотропное литье и тиксотропное прессование выдавливанием.
Пример 8: сравнительное испытание твердой обработки.
Первоначально композицию из элементарного алюминия и бериллия расплавляли и преобразовали в алюминиево-бериллиевый порошок, который подвергали горячей прокатке в твердой форме. На отдельной стадии порошковый бериллий и отдельно приготовленный порошковый алюминий смешали и подвергали горячему прокату в твердой форме. В обоих случаях элементарный алюминиевый сплав N 1100, содержащий 20 вес.% порошкового бериллия, подвергался обработке прессованием и последующей тонколистовой прокатке. Затем были проведены испытания на растяжение в состоянии непосредственно после прокатки и в условиях, снимающих напряжение. Полученные данные дали возможность сопоставить свойства лигатурного, распыленного (в противоположность элементарной композиции) порошкового исходного вещества в обоих условиях термообработки. Результаты обобщены в нижеприведеной табл.3.
Предел прочности листов, полученных из элементарных порошковых композиций, оказался значительно ниже прочности листов, получаемых из лигатурного измельченного порошка. Значения модуля упругости смеси из обоих элементов оказались значительно ниже модуля упругости лигатурного измельченного вещества. Это указывает на то, что при отсутствии стадии обработки в полутвердом состоянии свойства, необходимые для данного вещества, не могут быть получены смешиванием элементарных порошков.
Настоящий пример демонстрирует, что простое смешивание порошков алюминия и бериллия с последующим затвердеванием и прокаткой неэффективно для получения желаемых свойств. Требуются модифицированные способы обработки в полутвердом состоянии согласно настоящему изобретению.
Пример 9: практически применимый продукт.
Имеется бесчисленное множество изделий, изготовленных из сплавов согласно настоящему изобретению. К ним относятся рычаг механизма доступа для дисководов, лопатки турбины, корпуса для размещения авиационной электроники и обшивка воздушных судов.
На фиг. 4 и 5 изображен вращающийся рычажный механизм устройства доступа, содержащий отверстие для вращения вокруг шпинделя дисковода для позиционирования головки радиально над диском дисковода, причем рычажный механизм представляет собой монолитный блок из алюминиевого сплава с добавлениями бериллия от 1 до 99 вес.% с остаточным алюминием.
В частности на фиг. 4 изображена конструкция головок чтения/записи дисковода жестких дисков 10 со многими головками 12, расположенными на рычажных механизмах устройства доступа 14. Головки 12 и рычажные механизмы устройства доступа 14 выполнены в виде монолитного блока на рукоятке устройства доступа 16, вращающегося благодаря взаимодействию между катушкой 18 и магнитами 20, расположенными в кожухе 22. Рычажные механизмы устройства доступа 14 насаживаются на поверхность диска в состоянии его покоя. Во время вращения диска под головкой 12 образуется воздушная подушка, легко поднимающая головку над поверхностью диска.
Рычаги устройства доступа 14 подвержены воздействию вертикально направленных сил 24 и угловых сил 26, как показано на фиг. 5. Рычаги устройства доступа 14 должны быть достаточно жесткими, чтобы снизить амплитуду вертикальной вибрации и избежать разрушения дисков над и под рычагами устройства доступа 14. Аналогичным образом рычаги устройства доступа 14 должны быть достаточно жесткими, чтобы снизить амплитуду поперечных колебаний и гарантировать более быстрое время ответа при чтении/записи на соответствующий адрес на диске. Ламинаты эффективны для снижения деформации, в частности в вертикальном направлении. Соосная морфология в бериллиевой фазе алюминиево-бериллиевого сплава, полученная согласно настоящему изобретению, эффективна в снижении отклонений как в вертикальном, так и в поперечном направлении.
Различные варианты и изменения настоящего изобретения могут быть оценены на основе обзора, представленного в настоящем изобретении. Они служат целям настоящего изобретения в соответствии с формулой изобретения.
Формула изобретения: 1. Алюминиевый сплав с добавками бериллия, содержащий бериллий и алюминий, отличающийся тем, что содержит бериллий в соосном твердом виде при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Бериллий - 1 - 99
Алюминий - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 5 - 80 вес.% бериллия.
3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что в качестве алюминия он содержит беспримесный алюминий.
4. Сплав по п.2, отличающийся тем, что в качестве алюминия он содержит высокоалюминиевую композицию.
5. Сплав по п.4, отличающийся тем, что в качестве высокоалюминиевой композиции использованы сплавы 5056, 6061, 1100, А456 и А357.
6. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит бериллий, имеющий недендритную микроструктуру.
7. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он использован с последующей обработкой в полутвердом состоянии модифицированным способом.
8. Сплав по п.7, отличающийся тем, что обработка в полутвердом состоянии модифицированным способом выбрана из группы, состоящей из ковки в закрытой форме, ковки и прессования в полутвердом состоянии.
9. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что соосный бериллий выбран из группы, состоящей из бериллиевого порошка в механической основной форме и распыленного сферического бериллиевого порошка.
10. Сплав по п.3, отличающийся тем, что он имеет модуль упругости по меньшей мере на 25% выше модуля упругости алюминия.
11. Способ производства алюминиевого сплава с добавками бериллия, включающий расплавление алюминия, отличающийся тем, что предварительно смешивают порошки алюминия и бериллия и расплавление алюминия осуществляют при температуре выше температуры солидуса алюминия.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве алюминия используют беспримесный алюминий.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве алюминия используют высокоалюминиевую композицию.
14. Способ по п.11, отличающийся тем, что смешивание алюминия и бериллия осуществляют при температуре немного ниже температуры солидуса алюминия.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что полученный алюминиевый сплав с добавками бериллия подвергают обработке модифицированным способом в полутвердом состоянии.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что обработку в полутвердом состоянии модифицированным способом осуществляют путем ковки в закрытой форме, ковки и прессования в полутвердом состоянии.
17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что бериллиевый компонент используют в виде соосного твердого бериллия и распределяют его в алюминиевом компоненте.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что используют соосный твердый бериллий, выбранный из группы, состоящей из измельченного механическим способом порошкового бериллия и распыленного сферического порошкового бериллия.
19. Способ по п.11, отличающийся тем, что расплавление осуществляют в атмосфере реакционно-инертного газа, выбранного из группы, состоящей из аргона, гелия и азота.
20. Способ по п.11, отличающийся тем, что расплавление осуществляют в вакууме.
21. Способ по п.11, отличающийся тем, что расплавление осуществляют путем вакуумного горячего прессования, или изостатического горячего прессования, или прессования выдавливанием.
22. Способ по п.11, отличающийся тем, что расплавление проводят в закрытой форме с последующей ковкой в полутвердом состоянии и полужестким прессованием.
23. Способ производства алюминиевого сплава с добавками бериллия, включающий расплавление алюминия, отличающийся тем, что предварительно смешивают порошки алюминия и бериллия и расплавление алюминия осуществляют при температуре выше температуры солидуса алюминия с последующей локальной отливкой полутвердого шликера.
24. Изделие, изготовленное из алюминиевого сплава с добавками бериллия, отличающееся тем, что его коэффициент линейного расширения составляет 3,55 - 7,22к-1, модуль упругости 303,37 - 68,95 ГПа и плотность 1,854 - 1,744 кг/дм3.
25. Вращающийся рычажный механизм устройства доступа, выполненный из монолитного блока алюминиевого сплава с добавками бериллия, содержащий шпиндель дисковода для позиционирования головки радиально над диском, установленный в отверстие с возможностью вращения, отличающийся тем, что монолитный блок из алюминиевого сплава с добавками бериллия содержит 1 - 99 вес.% бериллия, алюминий остальное.