RU2363755C2

RU2363755C2 - Способ получения листового проката из алюминиевых сплавов

Info

Publication number: RU2363755C2
Application number: RU2006143709/02A
Authority: RU
Inventors: Алексей Рудольфович Школьников (RU); Алексей Рудольфович Школьников; Сергей Михайлович Можаровский (RU); Сергей Михайлович Можаровский; Алексей Владимирович Филиппов (RU); Алексей Владимирович Филиппов; Владимир Владимирович Овчинников (RU); Владимир Владимирович Овчинников; Николай Васильевич Гаврилов (RU); Николай Васильевич Гаврилов; Наталья Викторовна Гущина (RU); Наталья Викторовна Гущина
Original assignee: Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский металлургический завод"
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2009-08-10
Also published as: WO2008069697A3; WO2008069697A2; US20100024928A1; RU2006143709A

Abstract

Способ может быть использован в металлургии для получения листового проката из алюминиевых сплавов. Проводят холодную прокатку листового проката до нагартованного состояния и кратковременную поверхностную обработку, которые преимущественно повторяют до получения листового проката требуемой толщины. Поверхностную обработку проводят облучением пучком ионов с атомной массой А≥10 а.е.м., энергией 20-40 кэВ, плотностью ионного тока 0,1-1 мА/см2 в течение 5-200 с. Алюминиевым сплавом может являться сплав системы Al-Mg с содержанием 5,8-6,8 мас.% Mg - магналии, Al-Cu-Mg с добавками Мn - дуралюмины, Al-Li-Cu-Mg с содержанием лития 1,8-2,1 мас.%. Листовой прокат в процессе облучения можно непрерывно и равномерно перемещать относительно ионного пучка. Облучение поверхности можно производить одновременно с двух сторон. Получают листовой прокат из алюминиевых сплавов в непрерывном цикле, без остановок технологического процесса, что позволяет снизить в 2-3 раза энергоемкость и трудоемкость процесса, а также на 1-2 порядка уменьшить его длительность. 6 з.п. ф-лы, 5 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации листового проката из алюминиевых сплавов, и предназначено для устранения нагартовки (наклепа), снятия внутренних напряжений и улучшения структуры в процессе его получения.

Роль алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов современной техники постоянно возрастает. В последнее время, помимо высоких требований к их физическим свойствам, жесткие требования предъявляются и к уровню производственных затрат при их производстве. Это стимулирует разработку принципиально новых технологий получения таких сплавов.

Одними из наиболее трудоемких и энергоемких операций в ходе производства листового проката из алюминиевых сплавов являются технологические операции, связанные с необходимостью снятия нагартовки (наклепа), возникающей в процессе холодной прокатки. Под нагартовкой (наклепом) понимают упрочнение листового проката в ходе холодной прокатки, сопровождающееся понижением пластичности, что делает невозможной дальнейшую прокатку. Для устранения этого явления листовой прокат обычно подвергают термической обработке в определенном интервале температур.

Известен традиционный способ получения листового проката из алюминиевых сплавов (Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочник под ред. В.А.Ливанова, М.: Металлургия, с.85, 1974), включающий стадию его холодной прокатки до нагартованного состояния и стадию термической обработки (промежуточный отжиг), причем эти стадии повторяют до получения листового проката требуемой толщины. Отжиги проводят при температуре 310-335°С. Лучшие антикоррозионные свойства при таком способе обеспечиваются при медленном нагреве до температуры отжига и последующем медленном охлаждении. Для проведения каждого отжига изделие, например, в виде рулонов или пакетов из нарезанных листов алюминиевого сплава помещают в печи, что приводит к большим временным и энергетическим затратам: один из самых трудоемких этапов при проведении этих операций - снятие прокатанных рулонов с прокатного стана, транспортировка и размещение рулонов в печи. Чем меньше толщина листового проката, тем большее число отжигов необходимо.

Очевидными недостатками этого способа являются высокая трудоемкость и энергоемкость процесса. Еще одним недостатком является невозможность устранения в ходе этих процессов некоторых интерметаллидов кристаллизационного происхождения, например Аl₆(Fe, Mn). Наличие в структуре сплава грубых интерметаллидов Аl₆(Fe, Mn) отрицательно влияет на свойства сплавов, в частности снижает их пластичность.

Известен способ изготовления подвергаемых холодной обработке изделий из композиции металлического сплава (варианты) (А 2001124821, МПК7 B22F 3/24, C21D 1/26, C21D 7/02, C22F 1/10, C22F 1/18), выбранный за прототип.

Способ изготовления изделия из композиции металлического сплава, выбранного из группы, состоящей из алюминидов железа, никеля и титана, включает стадии:

(а) получения изделия, которое подвергается наклепу при холодной обработке композиции металлического сплава в такой степени, что на нем образуется поверхностно-упрочненная зона,

(б) термической обработки подвергнувшегося наклепу изделия путем нагрева его в печи таким образом, что оно подвергается мгновенному отжигу продолжительностью менее одной минуты,

и необязательно (в) - повторения стадий (а) и (б) до тех пор, пока не будет получено изделие требуемого размера.

Одним из вариантов изобретения является способ, согласно которому мгновенный отжиг проводится нагреванием подвергнувшегося наклепу изделия с помощью инфракрасного излучения.

Холодная обработка заключается в холодной прокатке, а изделие, которое подвергается наклепу, в частности, представляет собой лист, полосу, круглый или ленточный профиль либо проволоку. Стадия мгновенного отжига заключается в нагревании подвергнувшегося наклепу изделия до температуры не менее 400°С на время менее 45 с.

В вышеизложенном способе снятие нагартовки также проводят путем термической обработки. Несмотря на то, что нагрев и выдержка в печи занимают менее одной минуты, изделия надо доставить в печь, в которой должна поддерживаться высокая температура, чтобы осуществить указанный быстрый нагрев. А это связано с определенными затратами времени, труда и электроэнергии.

В ходе этих процессов удается снять нагартовку только в поверхностно-упрочненной зоне, а также невозможно устранить некоторые интерметаллиды кристаллизационного происхождения, например Аl₆(Fe, Мn).

Таким образом, задачей изобретения является создание высокопроизводительного способа получения листового проката из алюминиевых сплавов.

Предлагаемый способ получения листового проката из алюминиевых сплавов включает следующие стадии:

- холодную прокатку до нагартованного состояния,

- кратковременную поверхностную обработку,

и, преимущественно, повторение стадий до получения листового проката требуемой толщины.

Поверхностную обработку при этом проводят путем облучения пучком ионов с атомной массой А≥10 а.е.м. Алюминиевым сплавом может являться сплав системы Al-Mg, который содержит 5,8-6,8 мас.% Mg (т.н. магналии), сплав системы Al-Cu-Mg с добавками Мn (дуралюмины) или сплав системы Al-Li-Cu-Mg с содержанием лития 1,8-2,1 мас.%.

Облучение производят пучком ионов энергией 20-40 кэВ, плотностью ионного тока 0,1-1 мА/см² в течение 5-200 с. Листовой прокат в процессе облучения можно непрерывно и равномерно перемещать относительно ионного пучка. Облучение поверхности можно производить одновременно с двух сторон.

Таблица 1
Химический состав исследуемых алюминиевых сплавов (мас.%)
Si	Fe	Си	Мп	Mg	Zn	Ti	Li	Be	Zr	Ni
ВД1
0,7-1,2	0,7	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,3	0,1	-	-	-	-
1441
0,08	0,1-2	1,5-1,8	0,001-0,10	0,7-1,1	-	0,01-0,07	1,8-2,1	0,02-0,20	0,04-0,16	0,02-0,1
АМг6
0,1	0,1	<0,1	0,69	6,4	<0,1	0,04		0,000 8	-	-

Продолжительность облучения определялась составом сплава, толщиной обрабатываемого листа, а также тем, с двух сторон или с одной стороны обрабатывался лист. Кроме этого, самое главное, время облучения, необходимое для достижения одного и того же состояния сплава, зависит от плотности ионного тока. Чем выше плотность ионного тока, тем меньше время облучения.

В результате проведенных авторами экспериментов оказалось, что при одинаковых параметрах облучения результаты для неподвижной и движущейся равномерно полосы листового проката абсолютно идентичны. Предлагаемый способ принципиально отличается от всех известных, в том числе от способов, включающих традиционный термический отжиг в печи, и от связанных с длительным или кратковременным нагревом изделий, а также от уже применяемых в настоящее время способов, включающих ионно-лучевую обработку изделий, тем, что он использует радиационно-динамическое воздействие ускоренных ионов, а не эффекты, связанные с обычным нагревом, ионным легированием или образованием радиационных дефектов.

Действительно, пучки ионов низких и средних энергий (от нескольких единиц до нескольких сотен кэВ) используются в настоящее время с целью поверхностного легирования (внедрения ионов в слои толщиной от нескольких десятков до нескольких сотен нм), а также для создания в поверхностных слоях такой же толщины высоко дефектных (сильно неравновесных - вплоть до аморфных) состояний, обеспечивающих повышение коррозионной стойкости, увеличение микротвердости, износостойкости, а также изменение некоторых других поверхностных свойств материалов (Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками, сборник под ред. Дж.М.Поута и др. пер. с анг. Под ред. А.А.Углова, М.: Машиностроение, с.424, 1987, Эффекты дальнодействия в ионно-имплантированных металлических материалах, Диденко А.Н. и др. Томск, Изд-во НТЛ, с.328, 2004).

Накопление в поверхностных слоях твердых тел высоких статических напряжений от внедряемых примесей (при больших дозах облучения, более 10¹⁷ см^-2) позволяет за счет эффектов образования новых дислокаций и перемещения существующих дислокаций вглубь вещества модифицировать поверхностные слои глубиной до нескольких десятков мкм.

Авторами настоящей заявки экспериментально обнаружено, что воздействие ионных пучков на сильно неравновесные среды с высокой запасенной энергией (к каковым относятся и сильно нагартованные материалы - алюминиевые сплавы) способно инициировать в них самораспространяющиеся вглубь вещества структурно-фазовые превращения (подобные явлениям горения и детонации), переводящие эти среды в иные структурные состояния с более низкой свободной энергией на глубине, в десятки и даже сотни тысяч раз превышающей глубину проникновения ускоренных ионов в вещество. Эти эффекты обусловлены образованием и распространением микроударных волн, формируемых в результате эволюции плотных каскадов атомных смещений, возникающих при облучении.

Специально выполненные эксперименты свидетельствуют о том, что облучение ионами с атомной массой А≥10 а.е.м., но более легкими, чем аргон, оказывает на структуру и свойства сплавов аналогичное действие, хотя и несколько более слабое, чем более тяжелый аргон. При переходе в область значений А<10 а.е.м. плотность энергии, выделяемой на каскадах атомных столкновений, и, соответственно, интенсивность радиационно-динамического воздействия ионных пучков на структуру и свойства сплавов, существенно снижается. Этим обусловлен один из пределов численных значений в формуле изобретения.

Результаты работ, выполненных авторами настоящей заявки на примере алюминиевого сплава Аl-4 мас.% Сu, свидетельствуют о том, что сорт ионов (Аr⁺, Al⁺, Сu⁺) не влияет на характер индуцированных ионным облучением изменений структуры и фазового состава в силу радиационно-динамической природы воздействия. Это свидетельствует о том, что конкретный выбор типа тяжелых ионов не играет решающей роли. Использование ионов инертных газов, в частности Аr⁺, гарантирует отсутствие какого-либо побочного влияния на химические свойства поверхности.

Диапазон используемых энергий ионов (20-40 кэВ) определялся тем, что ионные пучки более низких энергий применяются чаще всего для очистки поверхности материалов от окислов и адсорбированных примесей благодаря эффектам каскадного и термического распыления поверхностных атомов ионами низких энергий (обычно 5-10 кэВ). Ионы с энергиями 10-20 кэВ и выше, имеющие большую глубину проникновения в вещество, используются для ионно-лучевой модификации конструкционных материалов. Верхняя граница энергий (обычно 40-50 кэВ) определялась, в частности, необходимостью ограничения температуры нагрева материалов в ходе облучения (в случае обработки алюминиевых сплавов не более 450°С). Кроме того, в конструкцию технологических ионных ускорителей (ионных источников), одним из требований для которых является их компактность (малые габариты), закладывались значения предельных напряжений, как правило, не превышающие 40-50 кэВ (в силу конечной электрической прочности вакуума и диэлектрических материалов, В/см).

Диапазон используемых плотностей ионного тока определялся с одной стороны тем, что при j<0,05-0,1 мА/см² радиационно-динамические эффекты, позволяющие воздействовать на объем материала (в данном случае для снятия наклепа), являются недостаточно сильными. С другой стороны, использование токов больше 1 мА/см² приводит к мгновенному (за несколько секунд) разогреву подвергаемых радиационно-динамическому воздействию участков листового проката из алюминиевых сплавов до температуры плавления. Доказательством сущности изобретения являются результаты механических испытаний образцов, вырезанных из исходных нагартованных, отожженных и облученных прокатанных листов (табл.2), а также электронно-микроскопические изображения структур листов различных алюминиевых сплавов, полученных после нагартовки, отжига и ионно-лучевой обработки (фиг.1-3).

На фиг.1 показана микроструктура листов сплава АМг6 после нагартовки (а), промежуточного отжига в печи (б) и ионно-лучевой обработки (в); × 15000: а - изображение ячеистой структуры; б, в - изображение тройных стыков рекристаллизованных зерен.

Фиг.2 - изображение микроструктуры листов сплава 1441 после нагартовки (а), промежуточного отжига в печи (б) и ионно-лучевой обработки (в): а - изображение ячеистой структуры; × 75000; б, в - изображение рекристаллизованной структуры; × 15000.

Фиг.3 - изображение микроструктуры листов сплава ВД1 после нагартовки (а), промежуточного отжига в печи (б) и ионно-лучевой обработки (в): а - изображение ячеистой структуры; × 15000; б - изображение субзеренной структуры, в - изображение рекристаллизованной структуры; × 15000.

Пример 1. Проведение ионно-лучевой обработки в ходе прокатки листов из алюминиевого сплава АМг6 системы Al-Mg (т.н. магналии).

После цикла прокатки, который приводит к нагартовке сплава, что делает невозможной дальнейшую прокатку, проведено облучение поверхности листа из сплава АМг6 ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотностью ионного тока 400 мкА/см².

Образец облучали с двух сторон в течение 30 с. Толщина листа составляла 4 мм.

В ходе облучения осуществлялся непрерывный контроль температуры мишени с помощью хромель-алюмелевой термопары. Предельная температура, до которой кратковременно нагревались листы в ходе облучения, не превышала 400°С.

Проведенные на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» механические испытания разрывных образцов, вырезанных из исходных нагартованных, отожженных и облученных листов, показали, что в результате ионного облучения независимо от температуры образца наблюдается резкое возрастание пластичности при значительном снижении прочностных характеристик. Результаты механических испытаний исходных и облученных образцов сплава АМг6 приведены в табл.2. Видно, что механические свойства листов после ионно-лучевой обработки близки к свойствам, полученным при термическом отжиге.

Электронно-микроскопические исследования проводили на образцах, вырезанных параллельно и перпендикулярно облучаемой поверхности, что позволило установить, что инициированные ионным облучением структурные изменения (уменьшение плотности дислокаций, формирование субзеренной, зеренной кристаллической структуры) и фазовые превращения (растворение и образование интерметаллидных фаз) имеют место по всей глубине образца.

На электронно-микроскопических снимках исходного (нагартованного) сплава АМг6 наблюдается развитая ячеистая структура с широкими границами между отдельными ячейками, диаметр которых составляет 1-2 мкм (фиг.1а). В сплаве присутствует большое количество интерметаллидов Аl₆(Fe, Mn) кристаллизационного происхождения округлой или эллипсоидальной формы со средним диаметром ~0,5-1 мкм.

Отжиг нагартованного сплава АМг6 при температурах 310-325°С в течение 2 ч приводит к формированию равномерной рекристаллизованной структуры с размером зерна более 10 мкм (фиг.1б). Отметим, что после термического отжига в сплаве сохраняется большое количество грубых интерметаллидов Аl₆(Fе, Мn) кристаллизационного происхождения, которые наблюдались в исходном состоянии после холодной деформации.

После ионно-лучевого воздействия в сплаве так же, как и после отжига, наблюдается крупнокристаллическая зеренная структура (фиг.1в). Кроме того, после ионно-лучевой обработки замечено снижение количества интерметаллидов Аl₆(Fe, Мn), отрицательно влияющих на пластические свойства сплава. Таким образом, сопоставление структуры и механических свойств сплава АМг6 после отжига и ионно-лучевой обработки позволяет сделать вывод о том, что в ходе кратковременного ионного облучения по всей толщине листа происходит формирование рекристаллизованной структуры, аналогичной той, которая получается в результате промежуточного отжига, что приводит к снижению прочностных характеристик и повышению пластичности, т.е. к снятию нагартовки.

Предложенный способ ионно-лучевой обработки листов алюминиевого сплава АМг6 позволяет полностью снимать нагартовку и внутренние напряжения, возникающие в ходе холодной прокатки. Кроме того, наблюдается улучшение структуры листового проката за счет снижения количества интерметаллидов Аl₆(Fe, Мn), отрицательно влияющих на пластические свойства сплава.

Пример 2. Проведение ионно-лучевой обработки в ходе прокатки листов из алюминиевого сплава 1441 системы системы Al-Li-Cu-Mg с содержанием лития 1,8-2,1 мас.%.

После цикла прокатки, который приводит к нагартовке сплава, что делает невозможной дальнейшую прокатку, вместо традиционного промежуточного отжига при Т=380-420°С в течение 2 ч проведено облучение поверхности листа из сплава 1441 ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотностью ионного тока 400 мкА/см². Образец облучали с двух сторон в течение 30 с. Толщина листа составляла 1,0 мм.

Результаты механических испытаний исходных, отожженных и облученных образцов сплава показали, что механические свойства листов из сплава 1441 после ионно-лучевой обработки близки к свойствам, полученным при промежуточном термическом отжиге (табл.2).

В исходном нагартованном сплаве 1441 обнаружена неравномерная ячеистая дислокационная структура со средним диаметром свободных от дислокаций центральных областей ячеек от 0,5 до 2 мкм (фиг.2а).

После отжига при температурах 380-420°С в течение 2 ч структура сплава 1441 неоднородна: сосуществуют зерна диаметром 1-2 мкм, внутри которых сохраняется высокая плотность дислокаций, и свободные от дислокаций равноосные рекристаллизованные зерна со средним диаметром 10 и более мкм (фиг.2б). Доля последних составляет ~70% объема образца.

Ионное облучение приводит к формированию однородной крупнокристаллической зеренной структуры с диаметром зерен более 10 мкм (фиг.2в). Аналогичная структура характерна для сплавов в рекристаллизованном состоянии (ср. с фиг.2б).

Таким образом, также как и в предыдущем примере, результаты механических испытаний и электронно-микроскопического исследования структуры сплава 1441 позволяют сделать вывод о том, что кратковременное воздействие пучком ионов Аr⁺ на поверхность листового проката приводит к полному снятию нагартовки по всей толщине листа.

Пример 3. Проведение ионно-лучевой обработки в ходе прокатки листов из алюминиевого сплава ВД1 системы Al-Cu-Mg с добавками Мn с пониженным содержанием всех компонентов (дуралюмин повышенной пластичности).

После цикла прокатки, который приводит к нагартовке сплава, что делает невозможной дальнейшую прокатку, вместо традиционного промежуточного отжига при Т=240-250°С в течение 2 ч проведено облучение поверхности листа из сплава ВД1 ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотностью ионного тока 400 мкА/см². Образец облучали с двух сторон в течение 30 с. Толщина листа составляла 1,5 мм.

Результаты механических испытаний исходных, отожженных и облученных образцов сплава ВД1 показали, что после ионно-лучевой обработки листов сплава ВД1 наблюдается существенное разупрочнение сплава, близкое с тому, которое достигается при промежуточном термическом отжиге (табл.2).

Электронно-микроскопическое исследование нагартованного сплава ВД1 свидетельствует о наличии в нем дислокационной ячеистой структуры с узкими границами между отдельными ячейками (фиг.3а). Диаметр ячеек составляет 0.5-2 мкм.

После двухчасового отжига при температурах 240-250°С в сплаве ВД1 образуется практически однородная субзеренная структура со средним диаметром субзерен 0.5-2 мкм (фиг.3б).

После облучения в сплаве обнаружена кристаллическая структура с размером зерен более 10 мкм (фиг.3в). Также в ходе облучения произошел распад твердого раствора с выделением высокой плотности равноосных частиц фазы θ'(θ'') (СuАl₂) диаметром от 10-20 нм.

Протекание при ионном облучении процессов распада пересыщенного твердого раствора сплава ВД1 одновременно с процессами рекристаллизации не препятствует разупрочнению сплава несмотря на высокую плотность равномерно распределенных выделений упрочняющей фазы. В результате получаются значения механических свойств, аналогичные при промежуточном отжиге, и обеспечивается возможность дальнейшей прокатки листов указанного сплава.

Таким образом, как показано на примерах, предлагаемый способ выгодно отличается от известных.

Техническим результатом изобретения является то, что предложенный способ позволяет получать листовой прокат из алюминиевых сплавов в непрерывном цикле, без остановок технологического процесса, существенно снизить (в 2-3 раза) энергоемкость и трудоемкость процесса, а также на 1-2 порядка уменьшить его длительность.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается и в том, что в процессе получения листового проката происходит устранение нагартовки (наклепа) не только в поверхностном слое, но и по всей его толщине. Это приводит к тому, что изменяются не только твердость в поверхностном слое, но и макроскопические механические свойства, характеризующие весь объем материала, такие как предел прочности, предел текучести и относительное удлинение (табл.2). При этом происходит не только устранение нагартовки, но и улучшение структуры листового проката путем растворения грубых интерметаллидов кристаллизационного происхождения, отрицательно влияющих на его свойства и не растворяющихся при традиционных отжигах.

Для осуществления заявляемого способа использовался плазменный эмиттер ионов (С1 №2045102, МПК6 H01Y 27/04), далее ионный источник. Ионный источник содержит полый цилиндрический катод, в одном из торцов которого выполнено многоапертурное эмиссионное окно, а на другом с помощью проходного изолятора соосно с катодом установлен штыревой анод. С внешней стороны катода соосно с катодом установлен штыревой соленоид, создающий в полости магнитное поле.

Тлеющий разряд генерирует в катодной полости плазму с высокой пространственной однородностью. Ионы извлекаются из плазмы вдоль магнитного поля через отверстия в торце катода. Пучок большого сечения (>100 см²) круглого сечения либо ленточный в зависимости от формы электродов формируется двухэлектродной многоапертурной электростатической ионно-оптической системой.

После напуска в ионный источник рабочего газа (10-30 см³/мин) и создания внешним соленоидом слабого магнитного поля (5 мТл) при подаче напряжения ~3 кВ в электродной системе источника зажигается тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях, ток которого регулируется в пределах 0,2-1,5 А в непрерывном режиме генерации пучка и 1-10 А в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса тока 1 мс и частотой повторения до 200 Гц.

Ионный пучок генерируется при приложении высокого напряжения (до 50 кВ) между электродами ионно-оптической системы. Регулировка тока пучка в широких пределах обеспечивается изменением тока разряда. В непрерывном режиме генерации ток пучка составляет до 80 мА, в импульсно-периодическом режиме при том же среднем токе амплитудный ток пучка может составлять до 0,4 А. Импульсно-периодический режим обеспечивает контролируемый набор малых доз ионного облучения (10¹³ см^-2 за импульс).

Двухсторонняя обработка поверхности листового проката осуществляется с помощью двух ионных пучков, направленных навстречу друг другу, за счет работы двух ионных источников.

Ионный источник может являться как отдельным самостоятельным агрегатом, так и частью стана холодной прокатки.

Рассмотрим реализацию способа на конкретных примерах.

Пример 1. Получение листового проката из алюминиевого сплава системы Al-Mg (т.н. магналии). Состав выбранного из этой системы сплава АМг6 был следующий:

Таблица 3

Компонент	Si	Fe	Сu	Мn	Mg	Zn	Ti	Al
Содержание, мас.%	0,4	0,3	0,1	0,7	6,35	0,2	0,05	Остальное

Слиток, отлитый из сплава АМг6 системы Al-Mg, химический состав которого приведен в таблице 3, прошел ряд технологических операций для получения листового проката толщиной листа 6 мм. Далее лист был подвергнут холодной прокатке до толщины 4 мм. Холодная прокатка листа осуществлялась в стане холодной прокатки. Дальнейшее проведение холодной прокатки было затруднительным вследствие нагартованного состояния листа. Затем поверхность листа была подвергнута облучению ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотностью ионного тока 400 мкА/см², с помощью ионного источника, описанного в заявке. Облучение проводилось в течение 22 с.

Обработка ионами осуществлялась с двух сторон листа. Лист в процессе обработки непрерывно и равномерно перемещался относительно пучка ионов, т.е. относительно ионного источника. В результате такой обработки полностью снималось нагартованное состояние листа и внутренние напряжения, возникающие в ходе холодной прокатки.

В дальнейшем лист вновь подвергался холодной прокатке. Учитывая, что максимальная степень деформации листов при холодной прокатке для данной марки сплава составляет 30-35% до проявления нагартованного состояния, на толщинах 2,5 мм, 1,5 мм лист вновь подвергался промежуточному кратковременному (менее одной минуты, конкретно, 10 и 6 с) облучению поверхности ионами. Структура и свойства листов в нагартованном состоянии на толщинах 2,5 мм и 1,5 мм и после снятия нагартовки были идентичны приведенным выше в таблице 2.

Окончательно полученная толщина листов составляла 1 мм. Таким образом, листовой прокат толщиной 1 мм был получен в результате трех стадий холодной прокатки и трех кратковременных (менее одной минуты) облучений ионами (заменив 3 промежуточных отжига в электропечи при температуре Т=310-335°С в течение 1-2 час, традиционно применяемых для получения листового проката толщиной 1 мм из сплава АМг6).

Пример 2. Получение листового проката из алюминиевого сплава 1441 системы Al-Li-Cu-Mg. В таблице 4 приведен химический состав этого сплава.

Таблица 4
Компонент	Si	Fe	Li	Сu	Мn	Mg	Ti	Zr	Al
Содержание, мас.%	0,08	0,12	1,9	1,6	0,05	0,8	0,1	0,1	Остальное

Слиток, отлитый из сплава 1441 системы Al-Li-Cu-Mg, химический состав которого приведен в таблице 4, прошел ряд технологических операций для получения листового проката толщиной листа 6,5 мм. Далее лист был подвергнут холодной прокатке до толщины 1,5 мм. Холодная прокатка листа осуществлялась в стане холодной прокатки. Дальнейшее проведение холодной прокатки было невозможным вследствие образовавшегося нагартованного состояния листа.

Для снятия этого нагартованного состояния лист был подвергнут облучению ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотностью ионного тока 400 мкА/см², с использованием ионного источника, описанного в заявке.

Обработка ионами осуществлялась с двух сторон листа. Облучение производилось в течение 6 с. Лист в процессе обработки непрерывно и равномерно перемещался относительно пучка ионов, т.е. относительно ионного источника. В результате такой обработки полностью снималось нагартованное состояние листа и внутренние напряжения, возникающие в ходе холодной прокатки.

В дальнейшем лист был подвергнут холодной прокатке до требуемой толщины, равной 0,5 мм.

Таким образом, листовой прокат толщиной 0,5 мм был получен в результате двух стадий холодной прокатки и одного кратковременного облучения ионами (заменив промежуточный отжиг в электропечи при температуре Т=380-420°С в течение 2 ч, традиционно применяемый для получения листового проката толщиной 0,5 мм из сплава 1441).

Пример 3. Получение листового проката из алюминиевого сплава ВД1 системы Al-Cu-Mg (дуралюмины). В таблице приведен химический состав этого сплава.

Таблица 5
Компонент	Si	Fe	Сu	Мn	Mg	Zn	Ni	Al
Содержание, мас.%	0,9	1,0	3,5	0,4	0,6	0,7	0,2	Остальное

Слиток, отлитый из сплава ВД1 системы Al-Cu-Mg, химический состав которого приведен в таблице 5, прошел ряд технологических операций для получения листового проката толщиной листа 7,0 мм. Далее лист был подвергнут холодной прокатке до толщины 1,0 мм. Холодная прокатка листа осуществлялась в стане холодной прокатки. Дальнейшее проведение холодной прокатки было невозможным вследствие образовавшегося нагартованного состояния листа. Для снятия этого нагартованного состояния лист был подвергнут облучению ионами Аr⁺ с энергией 40 кэВ, плотность ионного тока 400 мкА/см², с использованием ионного источника, описанного в заявке.

Обработка ионами осуществлялась с двух сторон листа. Облучение производилось в течение 10 с. Лист в процессе обработки непрерывно и равномерно перемещался относительно пучка ионов, т.е. относительно ионного источника. В результате такой обработки полностью снималось нагартованное состояние листа и внутренние напряжения, возникающие в ходе холодной прокатки.

Таким образом, листовой прокат толщиной 0,5 мм из сплава ВД1 был получен в результате двух стадий холодной прокатки и одного кратковременного облучения ионами (заменив промежуточный отжиг в электропечи при температуре Т=240-250°С в течение 2 ч, традиционно применяемый для получения листового проката толщиной 0,5 мм из сплава ВД1).

Итак, авторами разработан новый высокопроизводительный способ получения листового проката из алюминиевых сплавов, позволяющий значительно снизить энергетические и производственные затраты, улучшив при этом структуру и свойства сплавов. Способ успешно прошел опытно-промышленные испытания на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» в 2006 году и рекомендован к промышленному применению.

Энергозатраты на традиционный промышленный отжиг листового проката из алюминиевых сплавов в ходе прокатки составляют 396 кВт·ч на 1 т металла, а при использовании предложенного метода снятия нагартовки с помощью ионного пучка составляют 123 кВт·ч на 1 т металла.

Claims

1. Способ получения листового проката из алюминиевых сплавов, включающий стадию его холодной прокатки до нагартованного состояния, и стадию кратковременной поверхностной обработки, при этом преимущественно стадии повторяют до получения листового проката требуемой толщины, отличающийся тем, что поверхностную обработку проводят путем облучения пучком ионов с атомной массой А≥10 а.е.м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав системы Al-Mg, который содержат 5,8-6,8 мас.% Mg (т.н. магналии).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав системы Al-Li-Cu-Mg с содержанием лития 1,8-2,1 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют сплав системы Al-Cu-Mg с добавками Мn (дуралюмины).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхностную обработку проводят путем облучения пучком ионов энергией 20-40 кэВ, плотностью ионного тока 0,1-1 мА/см² в течение 5-200 с.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что листовой прокат в процессе облучения непрерывно и равномерно перемещают относительно пучка ионов.

7. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что поверхностную обработку проводят одновременно с двух сторон листового проката.