Особенности физико-химического взаимодействия магния с отдельными редкоземельными металлами в тройных системах

-ПРОБЛЕМЫТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ-

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И. С. Полькин

УДК 669.721

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Ф.М. Ёлкин, канд. техн. наук

Показаны особенности развития производства деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов различного назначения. Приведены возможные перспективы улучшения их свойств в результате использования новых технологий.

Ключевые слова: магниевые сплавы, деформируемые полуфабрикаты, свойства, применение.

Wrought Magnesium Alloys: Current State and Future Trends. F.M. Elkin.

Features of development of production of wrought magnesium alloys semiproducts designed for various purposes are shown. Possible ways of an improvement in properties of the alloys due to application of new technologies are shown.

Key words: magnesium alloys, wrought semiproducts, properties, application.

Деформируемые полуфабрикаты на основе магниевых сплавов (прессованные изделия, листы, плиты, поковки, штамповки) всегда были интересны для конструкторов и технологов, работающих с металлическими материалами, благодаря комплексу уникальных физико-механических и служебных свойств, присущих только им [1-6].

Работы по промышленному освоению деформируемых магниевых сплавов в нашей стране начались более 70 лет назад [1]. Приблизительно в этот период аналогичные работы проводились в Германии, Англии, США [2, 3].

Пик производства магниевых деформируемых полуфабрикатов в Германии, США и Англии наблюдался в период Второй мировой войны, а для США и в последующие годы, включая войну в Корее.

Затем выпуск магниевых деформированных полуфабрикатов существенно снизился и в настоящее время по данным различных источников составляет ориентировочно 25 % от общего (-150-200 тыс. т/год) потребления конструкционных магниевых сплавов. Обычно квота потребления (производства) деформированных магниевых полуфабрика-

тов входит, наряду с другими небольшими потребителями, в «прочие», сегодня это 8 % от объема потребления первичного магния, ориентировочно равного 450-500 тыс. т/год [7].

Отсутствие объективных и точных сведений о количестве производимых и потребляемых деформируемых полуфабрикатов из магниевых сплавов, очевидно, обусловлено тем, что до настоящего времени основным их потребителем является оборонная и ракетнокосмическая техника, которые стараются не афишировать свои разработки и достижения.

Следует отметить, что в последнее десятилетие наблюдается постоянный рост потребления первичного магния для конструкционных материалов - в основном литье под высоким давлением (ЛПВД) для автомоделей -90 %. Использование первичного магния для производства отливок под давлением в 2007 г. по сравнению с 2000 г. (38 %) увеличилось до 44 % [7].

Получает распространение литье в твердожидком состоянии ^Мхото!С1г^) на специальных роботизированных агрегатах в качестве конкурента ЛПВД, обеспечивая в изделиях более высокие механические свойства и меньшую пористость.

Основным преимуществом магниевых деформированных полуфабрикатов перед отливками является их более высокий уровень механических свойств (рисунок).

350

О 3 6 Э 12 15 18

Относительное удлинение, %

Предел текучести и относительное удлинение магниевых сплавов:

- литье в землю; - литье под давлением;  - деформируемые сплавы

Наиболее наглядным примером использования деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов в авиации в 40-50 годы прошлого века является тяжелый бомбардировщик В36 (США), который содержал около 9 т магниевых сплавов. Причем большинство из них деформированные полуфабрикаты -листы для обшивки (4 т), а также штамповки и пресс-изделия для дисков колес, деталей управления, внутреннего интерьера и др.

В СССР магниевые сплавы, в большей мере отливки, применяли в самолетах конструкции Туполева (Ту-144 - 1780 кг, Ту-104 -1000 кг, Ту-134 - 780 кг и др.), Ильюшина (Ил-18 - 1000 кг). Деформированные полуфабрикаты для этих самолетов, в основном пресс-изделия и штамповки, были изготовлены из сплавов МА8 и МА14.

Во второй половине XX века (в 50-80 годах), для которой было характерно жесткое противостояние двух сверхдержав СССР и США, деформированные полуфабрикаты из магниевых сплавов достаточно широко применяли в ракетно-космических изделиях. В СССР они нашли применение в ракетах классов «земля

- воздух», «воздух - земля», баллистических ракетах, межпланетных кораблях «Мир», «Марс», «Венера» и др. [8]. В США магниевые

деформированные полуфабрикаты применяли в ракетах и космических аппаратах различного назначения (Minutman и др.), спутниках («Эхо», «Дискавери», «Авангард» и др.) [3].

Наиболее крупными производителями различных видов деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов в мире являются США и Россия. Китай в настоящее время активно развивает мощности по производству магниевых деформированных полуфабрикатов и добивается достижения необходимого их качества.

В настоящее время существует интернациональная корпорация Luxfer Group, в состав которой входит старейшая и авторитетная в мире магниевых сплавов научно-производственная компания Magnesium Elektron Ltd (MEL) - (г. Манчестер, Англия), крупнейший в мире завод по производству магниевых деформированных полуфабрикатов (шт. Мэдисон, США), завод по переработке вторичного магния (г. Литвинов, Чехия).

В России более полувека промышленное производство магниевых деформированных полуфабрикатов осуществляется в ОАО ВИЛС (г. Москва) и ОАО КУМЗ (г. Каменск-Уральс-кий).

Странами Евросоюза за последние несколько лет были созданы два проекта по исследованию магниевых деформированных сплавов [9]. В рамках Европейской программы исследования в аэрокосмической области в 2005-20008 гг. был осуществлен проект AEROMAG. Цель проекта - проведение всесторонних исследований по реализации возможности применения деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов в конструкциях гражданских самолетов и вертолетов с целью снижения их веса, повышения экономичности и экологической безопасности. Исследовали деформируемые магниевые сплавы как альтернатива алюминиевым сплавам AA5083 и АА2024Т3 соответственно для не-нагруженных и малонагруженных конструкций.

В настоящее время осуществляется общеевропейский проект Mag Forge по исследованию кованых и штампованных полуфабрикатов из магниевых сплавов для применения в транспорте с целью снижения веса. В проек-

11

Із

у

ст>

н

о

п

к

ш

*

ш

н

СТ)

~а

X

ш

ь

о

в

сг

о

о

*

н у ш у

^ X ^ -О

ш

а л

П 0)

С х ^ і. ц>

ГО 1 р м к 1

о х

го

І

СО

%

О4'

І

N

З

N

О

ш

со

О

ш

о\

о

н

*

ш

00

к

ш

X

СТ)

о

н

00

СТ)

п

О

ст)

~а

ш

п

О

00 % ст)

о4 ІП

О <Т)

о X

п

х О

н

о ^

0 О 1

- 1

1 л СО сг ) о . н

СТ)

00

сг

о

о

*

о

СТ) =1

о

^ о

N4 Ч—'

X

ь

ш

ш

ш

СГ

Е

ь

СТ)

X

X

сг

х

у

о

ь

о

00

X

п

X

р

ст>

ш

ь

X

со

у

О Сі) б 1 ° х _, ш х

о

0 X

4 к л

1

о

І

СЯ О) 1

О л

ш

ся

л а л

X Ш х С5\ Е О х

ш

рр

СТ)

О

X О

о

X X О X О -О

а і

е я

СІ) аз

О 1

СТ)

X ь

X

о

о

X

о ь сг со о

гг-

Ю х Н

° * 1 [ и ^ 5 З ГО - ^ д н1 ( ь 0 0 а1 1 З 1

£сл х

.з 1

X -І

д р . 0 З 00 а -

Е

СТ)

X

ш

X

О

о

X

X

о

о

03 -о

о

ь

п

СТ)

н

о

п

X

ш

X

О

ш

00

ь

СТ)

X

00 "О

о

>

о

х СТ)

ся О X х

.І

о

00

X

О

о

X

со

00

о

Із

00

о

СТ)

“І

о

Із

X

п

э

X

о

X

о

ш

“І

X

X

СТ)

В0Ы

ОТ ^ л ТЗ С0

СО X н

а о 1

о\ т

о ь О)

О)

от

п

р л бфф с\ ©" о 0)

X X

1

х

о о о о\

СТ) X X

о

ш о\ О р1 1

X

сг х

X X

х с СО р

1 1 5 05 ^ о\

X ь

X

0 ^

1 р і 1

о

X ІЗ

ш е

О)

Із

О)

X

н

о

X ^

ен

0 х 0 ь

^ го > З І-1

З 0 М Я)

аш

со ш

в

ф

Р

со

го

го

00

сл

от

сг

о

о

т:

о

=]

тз

о

X

X

сг

х

м

ш

н

О)

тз

X

ш

ь

о

от

о

=]

ь

ш

N

я >

т 8 X

я (>8

от ^ А к ш ^

ш 3 ^ Ч 7 ^

.

5І

00 з

о С н е

00 СТ)

X ш

О X

0 ы

X —

О х

2 -н

ы х ^

х е 8

1 Ф -С

І

>

І-1

N О =1 лр Г в 1

І сг Я)

> X я

> ш 5

т

о

( о я N £

^ О І

1

р

3 Е у ^ ст>

^ м

го ста Е е

2у 2 1

( сг х

N

о X

ь ш 00 о 00

Н1

сл

СТ)

ао.

А ш

1 Е х

N О З х

М х ^ 00

з о

00

са

Сі)

л ^ у

-С н 0) о

О)

Із X О) о

-є-

о

тз

Ь X X X

я

О)

х< Із н ы ^

х о 1

Х Ы 1 ш н 00 1

0 я

тз

1 оо

11 1 СІ) сг

^ л

х 1

манн

О) ы

- х

ь

СТ)

О ф

Н

о І-1

^ л

о 5

0 Із

1

ол

О)

о

О 1= .

л

а>

тз

о

от

ш

й 1 о 2

р

ш 0 в

0 1 о

щ 2

1 3 о

б е ю н

д 1

1 з

о X о

а\

о

Тшбл1цш 1 Номинальный х1М1ЧвСК1Й сосошх 1 Нвкооорыв фl31K0-MеXXН1ЧеCKlе схойсохш Д0форм1роххнных полуфхбр1кшоох 13 эконоичных мшгнихых сплавов, про1зход1мых ВИЛСом

Марка сплава, Россия (США) Плот- ность, г/см3 Ноинальный х1м1ческ1й состав, % (Mg-оснохx) Вид полуфабрикатов а , МПа в7 а02, МПа %, % Основные особенности сплава

МА2пч (Д231Б) 1,78 3,5 АІ — 0,5 7п-0,35 Мп Листы, плиты, прессованные прутки, полосы, профили, штамповки 220-300 120-220 5-20 Высокая коррозионная стойкость, хорошие пластичность, свариваемость

МА2-1пч 1,79 4,5 АІ-1,25 7п-0,4 Мп Листы,плиты, прессованные прутки, полосы, профили, штамповки 230-320 140-240 4-15 Повышенная прочность, высокая коррозионная стойкость, хорошая свариваемость

МА8 (АМ537*) 1,78 2 Мп-0,25 Се Листы, плиты, пресс-изделия 200-260 100-170 3-20 Высокая коррозионная стойкость, хорошие пластичность, свариваемость

МА14 (7К60Д) 1,80 5,5 7п-0,7 7г Прессованные прутки, полосы, штамповки, поковки 260-340 190-270 4-12 Высокая прочность, термообрабатываемый, не свариваемый

МА20 (7БК100Д) * Германия 1,76 1,2 7п-0,2 Се-0,1 7г Листы, плиты, пресс-изделия, штамповки 200-250 110-200 6-30 Высокие пластичность, коррозионная стойкость и технологичность

сопротивлением ползучести до 350 °С при прочности соответственно в условия 20 °С (300 °С) - а =500 (270) МПа; $02=450 (-); 5=3-6 %. в '

Обширные исследования магниевых сплавов, легированных РЗМ и Y, проводятся лидером в области исследования магниевых сплавов на Западе компанией Magnesium Elektron Ltd (MEL). Последние разработки этой компании в области новых сплавов - высокопрочные и жаропрочные сплавы Elektron 21 (EI21-T5) и Elektron 675 (EI675-T5) [12].

Сплав EI21-T5 состава Mg - 2,7 % Nd -1,3 % Gd - 0,5 % Zn - 0,6 % Zr рекомендуется для изготовления деформированных полуфабрикатов и отливок. Он имеет при температурах 250-350 °С более высокое сопротивление ползучести, чем известный стандартный сплав WE43. После прессования при пониженных температурах сплав при 20 °С имеет: а =300-340 МПа, а =200-285 МПа,

в 0,2

5=10-16 %.

Сплав EI675-T5 (химический состав не публикуется) характеризуется разработчиками как самый высокопрочный магниевый сплав в мире при температурах испытания в пределах 100-300 °С. При температуре 200 °С сплав EI675-T5 имеет: а =380 МПа,

в

а02=290 МПа, что в два раза выше, чем прочность алюминиевого сплава АА2024, и в 3 раза выше, чем прочность алюминиевого сплава АА7075.

Магниевые сплавы EI21, EI675 и WE43, содержащие РЗМ и Y, по результатам последних исследований соответствуют требованиям US FederaI Aviation Administration (FAA) по сопротивлению воспламенению (возгоранию) [12].

На особом положении среди деформируемых магниевых сплавов находятся Mg-Li-сплавы (МА18, МА21, LA141A) как самый легкий металлический конструкционный материал и как сплавы, аналогов для которых среди стандартных литейных магниевых сплавов нет [6, 13]. Однако, как и другие деформируемые магниевые сплавы, Mg-Li-сплавы сегодня, к сожалению, не имеют широкого использования, или зарубежные данные об их применении не публикуются. Тем не менее, имея уникальное сочетание физико-химичес-

ких, механических и технологических свойств, М^-Ы-сплавы могут быть востребованы в аэрокосмической и других отраслях новой техники как сверхлегкий конструкционный металлический материал с требуемым комплексом служебных свойств.

Одним из препятствий широкому применению М^-Ы-сплавов является их цена, в связи с чем заслуживает внимания использование для их получения новой экономичной технологии электролиза смеси расплавленных солей НО!, КС1 в процессе изготовления лигатуры - 20-25 % и [14].

Традиционная технология изготовления деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов: плавка - полунепрерывное литье - горячая обработка давлением - в случае необходимости, термическая обработка полуфабрикатов, применяемая в настоящее время, использует в основном достижения прошлых лет. Тем не менее, на каждом технологическом переделе приводятся исследования и есть достижения.

Большинство изготовителей слитков для производства деформированных полуфабрикатов отказались от применения отражательных печей и покрывных (защитных и рафинирующих) флюсов. Для плавки и рафинирования применяют тигельные индукционные или электросопротивления печи промышленной частоты. В качестве защиты расплава от возгорания применяют смеси газов (азот, аргон, С02, сухой воздух и др.) с добавками

0,5-5 % ингибиторов (БР6, фреоны, Б02). В настоящее время в связи с ужесточением требований к экологической безопасности технологий ингибитор БР6 пытаются заменить более безопасными с точки зрения «парникового эффекта» газами - ИРС-134а, фтороке-тоны и др.

В области горячей деформации наблюдается тенденция к повышению интенсивности и равномерности пластической деформации с целью улучшения проработки структуры, измельчения зерна и повышения механических свойств магниевых полуфабрикатов -гидростатическое прессование, прессование с активным действием сил трения, прошивка с осадкой, перекрестная прокатка, гидроформинг листов, СПД и др.

Перекрестная прокатка (Ганноверский университет, Германия) при черновых и чистовых проходах позволяет уменьшить крупнозерни-стость и текстурированность магниевых листов, что актуально для листовой штамповки деталей для автомобилей с целью замены алюминиевых сплавов [15].

В ОАО ВНИИметмаш разработана промышленная технология изготовления труб постоянного и переменного сечения из сплава МА2-1 совмещенным методом горячего экспандиро-вания и прессования из сплошной заготовки на специально сконструированном и изготовленном вертикальном гидравлическом прессе усилием 3150 кН. Магниевые трубы применяют для изготовления велосипедов, инвалидных колясок, спортинвентаря и др. [16].

Не обошла стороной проблему деформируемых магниевых сплавов и многообещающая технология будущего - нанотехнология. Под девизом «все меньше - все прочнее» используются сверхвысокие скорости кристаллизации расплава и интенсивные пластические деформации больших усилий для получения материала с гомогенной сверхмелкой кристаллической структурой. Однако пока большинство из этих разработок находятся на уровне лабораторных опытов и маленьких образцов. Тем не менее активные исследования в области нанотехнологий во всем мире при создании новых конструкционных металлических материалов с наноструктурой позволяют надеяться, что и магниевые сплавы будут в их числе.

Разработки последних лет в области новых технологий обработки деформируемых магниевых сплавов позволяют получать на лабораторном, опытно-промышленном и промышленном уровнях полуфабрикаты (образцы) с мелкозернистой (МЗ), мелкокристаллической (МК), нанокристаллической (НК) или аморфной однородной структурой, обеспечивающей высокие прочностные, пластические и служебные свойства.

Основные направления инновационных технологий для деформируемых магниевых сплавов, реализующих их потенциал механических и служебных свойств, можно обозначить:

- металлургия гранул, порошков, чешуек, полосок и т.п. на основе быстрой (БК) и

сверхбыстрой (СБК) скоростей кристаллизации расплава соответственно 102-103 и 104106 град/с;

- бесслитковая прокатка, совмещающая литье (быстрая кристаллизация у~102 град/с) и прокатку тонкой полосы в одном технологическом процессе;

- интенсивная пластическая деформация (ИПД).

Сверхбыстрая кристаллизация (у=105-106 град/с) и некоторые технологии ИПД позволяют при определенных условиях получать структуру, близкую к наноструктуре, с присущим ей высоким уровнем свойств.

Быстрая кристаллизация расплава со скоростями у=102-103 град/с при литье гранул обычно размером 0,5-5 мм позволяет получать мелкозернистую (МЗ) микроструктуру магниевых сплавов - размер зерна 2-5 мкм, размер частиц второй фазы 0,1-0,3 мкм. Мелкозернистая квазигомогенная структура гранул обеспечивает после горячего (теплого) прессования повышение прочностных свойств при растяжении на 15-25 %, прочности при сжатии и пластичности при растяжении в 1,52 раза, при существенном снижении анизотропии механических свойств и заметном повышении коррозионной стойкости [17].

Кроме производства гранул БК в настоящее время получает все большее развитие технология сверхбыстрой кристаллизации со скоростями у=104-106 град/с, которая позволяет изготавливать порошки, пластинчатые чешуйки, сверхтонкие полоски, ленты размером 30-60 мкм х 0,5-3 мм с мелкокристаллической (МК) структурой [18-20].

В табл. 2 приведены свойства прессованных магниевых сплавов, изготовленных из чешуек СБК [19].

Таблица 2

Механические свойства прессованных

магниевых сплавов

Сплав Химический состав, % $, в' МПа о 1— 0 5 %, %

7К60-Т5 М^-67п-0,457г 420 396 14

7К60 М^-5,57п-0,47г 388 365 19,6

ЕД65РБ М^-5Д!-57п-5,9У 515 460 5

- М^-11Д!-2,47п-3,2У 443 379 11,5

В ФГУП ВИАМ разработан магниевый деформируемый высокопрочный сплав ВМД14, изготовленный на основе технологии СБК: а =450 МПа, а =370 МПа, 5=5 %,

в 0,2

!=1,89 г/см3 [21].

При скоростях кристаллизации расплава v=107 град/с и более получаемые частицы становятся аморфными. Прочность лабораторных прессованных образцов магниевых сплавов (Mg - РЗМ), изготавливаемых из этих частиц по технологии, близкой к порошковой, в 2-3 раза выше, чем у аналогичных образцов, полученных по традиционной технологии, и может достигать 700-800 МПа.

Очень перспективно применение СБК со скоростями близкими к 106 град/c для получения высокопрочных стабильных Mg-Li-сплавов. Для полосок (чешуек) сплава Mg-13 % Li - 4 % Si - 1 % Ag (СБК) была получена микротвердость, близкая к микротвердости высокопрочных алюминиевых сплавов, которая практически стабильна после отжига при температурах до 300 °С. Учитывая, что плотность Mg-Li-сплава равна 1,4 г/см3, то соответственно удельная прочность этого материала в 2 раза выше, чем у алюминиевых сплавов [22].

Среди новых технологических процессов, использующих повышенные скорости кристаллизации расплава, наиболее близка к широкому промышленному использованию бесслитковая прокатка, которая позволяет изготавливать листы из магниевых сплавов с улучшенным комплексом структуры и свойств.

По мнению специалистов фирмы FATA Hunter (США, Италия) себестоимость промышленной партии ленты, листов, полученных по бесслитковой технологии прокатки, будет существенно ниже стоимости листов, получаемых по традиционной технологии прокатки слитка. Это может стать решающим фактором в продвижении листов из магниевых сплавов как конкурента листам из алюминиевых сплавов для автомобилей.

Работы по промышленному освоению бесслитковой прокатки магниевых сплавов активно ведутся в Китае, США, Германии, Корее, Австралии. Надежным производителем промышленного оборудования для этого процесса является фирма FATA Hunter.

Фирма Mag Werkers Inc. (США) методом бесслитковой прокатки из труднодеформи-руемого сплава AZ91 изготовила рулон полосы сечением 6,3x610 мм с последующей прокаткой в два-три прохода в листы толщиной 1,7 мм [23].

Наиболее близки к производству промышленных партий листов из сплава AZ31B размером 1-5x800x1500 мм фирма Lonyang Copper Procesing Group (Китай) и фирма Posco (Корея) [24].

Достаточно большое внимание в России и за рубежом, пока в лабораторном масштабе для малых образцов, уделяется исследованию возможности использования ИПД для получения в заготовках из магниевых сплавов микрокристаллической структуры с размером зерна около 1 мкм , а в ряде случаев даже нанокристаллической структуры с размером зерна 100-300 нм и менее.

Процессы ИПД могут быть реализованы способом многопроходного равноканального углового прессования (РКУП), прессованием со скручиванием, кручением под гидростатическим давлением (КГД).

Одним из недостатков деформируемых магниевых сплавов является их пониженная технологическая пластичность, обусловленная наличием у них труднодеформируемой ГПУ-кристаллической структуры при температурах ниже 225 °С.

В работе [25] сформулированы основные пути создания магниевых сплавов и полуфабрикатов из них с повышенной пластичностью (деформируемостью) (табл. 3).

Одним из путей существенного увеличения прочности и жесткости деформируемых магниевых сплавов является создание на их основе (в качестве матрицы) композиционных материалов.

В ФГУП ВИАМ разработаны композиты [26], содержащие 30 % волокон бора, и углемагниевый композиционный материал (УМКМ).

Указанные композиты при плотности 2,0 и 1,8 г/см3 обладают соответственно:

- высокой прочностью ав=950 и 800 МПа;

- высоким модулем упругости £=132 и 215 ГПа.

Методом горячего прессования заготовок, полученных пропиткой расплавом магниево-

Таблица 3

Основные пути создания деформируемых Mg-сплавов и полуфабрикатов из них с повышенной пластичностью

Направления исследований

1. Регламентирование степени легированности твердого раствора сплавов на основе магния с целью уменьшения гетерогенности микроструктуры

2. Уменьшение величины зерна Mg-твердого раствора (основы сплава) и диспергирование избыточных (первичных и вторичных) фаз:

- модифицирование структуры слитков;

- термомеханическая обработка (ТМО) полуфабрикатов;

- гранульная, порошковая металлургия

3. Изменение типа или параметров кристаллической решетки твердого раствора - основы Mg-сплава

4. Применение различных режимов рекристаллизационных отжигов

5. Применение новых технологий, способствующих измельчению зерна и повышению гомогенности структуры в полуфабрикатах (в настоящее время на уровне лабораторных и опытных работ):

- бесслитковая прокатка полос, в том числе высопрочных Mg-сплавов (МА5, AZ91, AM60, AZ31 и др.);

- интенсивная пластическая деформация (ИПД), как например, равноканальное угловое прессование (РКУП), прессование со скручиванием (Twist Extrusion), деформация кручением при высоких давлениях;

- гидростатическое и обратное прессование;

- использование тиксотропного состояния заготовки в процессе деформации в твердожидком состоянии (Thixoforming).

6. Построение диаграмм структурных состояний и карт структур Mg-сплавов для регламентирования технологических параметров горячей деформации, прежде всего, при ковке и штамповке с целью получения требуемого уровня механических свойств в результате достижения однородной мелкозернистой структуры в полуфабрикатах

го сплава каркаса упрочнителя, состоящего из порошка, волокон или усов, изготавливают деформированные магниевые композиционные материалы. Свойства некоторых из них приведены в табл. 4 [27].

В СССР (ВИАМ) методом диффузионной сварки в вакууме при постоянном усилии прессования в лабораторных условиях были изготовлены композиты на основе магниевой фольги толщиной 0,05-0,15 мм и волокон бора диаметром 0,1 мм [28]. Прочность композита была равна 1000-1200 МПа, пластичность - 0,5 %, модуль упругости -220 ГПа, плотность - 2,15 г/см3.

Промышленное получение и применение композиционных деформированных материалов на основе магниевых сплавов требует серьезных экономических затрат и технологических усилий. На сегодня единственным промышленным деформированным (прессованным) композитом является композит под торговой маркой МЕ1_РАМ 072, созданный

Таблица 4

Механические свойства прессованных композитов на основе Mg-сплавов

Сплав (матрица) Упрочнитель, % об. а , МПа в7 а02, МПа %, %

AZ61 ZC71-T6 WE54 WE54 10 SiC 12 SiC 10 SiC 10 Al2O3 317 398 302 303 257 370 255 278 1,2 0,8 3,0 3,4

английской компанией Magnesium Elektron Ltd (MEL) [29]. Композит имеет в качестве матрицы сплав Mg - 4 % Zn - 0,5 % Mn, армированный 12 % об. SiC. При плотности 2 г/см3 он имеет модуль упругости £=62 ГПа.

Самым распространенным методом соединения деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов для изготовления конструкций является аргонно-дуговая сварка с использованием присадочной проволоки (TIG, MIG). В настоящее время проводятся работы по роботизации этого процесса, в частности, имеются достижения у компании MERIDA (Тайвань) [30], которая применяет сварку для изготовления рам велосипедов из магниевых труб.

Помимо аргонно-дуговой сварки ведутся работы по исследованию и применению электронно-лучевой, лазерной сварки и сварки трением магниевых полуфабрикатов.

На путях широкого применения магниевых сплавов в различных отраслях техники, прежде всего в авиации, всегда стояли две основные проблемы - препятствия, которые «отпугивают» конструкторов - коррозионная стойкость (защита от коррозии) и опасность загорания (воспламенения).

В настоящее время есть основания считать, что для создания надежных в коррозионном отношении изделий, которые могут работать во всех климатических условиях, необходимо соблюдать два основных требования:

- использование магниевых сплавов повышенной чистоты (п.ч.), в которых содержание каждой из основных «вредных» примесей (Fe, Ni, Cu) не превышает тысячных долей процента;

- нанесение на поверхность изделий неметаллических покрытий, созданных на основе новых эффективных и экологически безопасных технологий, в сочетании с лакокрасочными покрытиями или пропиткой их герметиками (синтетическими смолами).

Сегодня наука и промышленность предлагают инновационные технологии надежной антикоррозионной защиты деформируемых магниевых сплавов, исключающие применение экологически опасных соединений на основе шестивалентного хрома и тяжелых метал-

лов при создании неметаллических неорганических покрытий на поверхности изделий.

Одной из таких инновационных технологий является микродуговая технология на основе плазменного электролитического окисления (ПЭО), которая обеспечивает создание на поверхности изделия керамического композиционного антикоррозионного покрытия, стойкого к износу.

В мире существует несколько компаний, которые занимаются разработкой и применением технологий на основе ПЭО. Плазменное электролитическое окисление позволяет создать на поверхности изделия прочные твердые керамические покрытия толщиной 5-25 мкм. Особенность этого процесса -использование высоких напряжений, при которых становится возможным формирование на поверхности изделия оксидных керамических покрытий путем плазмохимического синтеза в щелочных или кислых электролитах при напряжении 300-600 В и температуре 20 °С.

Наиболее известны две коммерческие технологии ПЭО [31-32]:

- MAGOXID-Coat компании АНС (Германия);

- Кегоп^е компании КЕРОЫНЕ (Англия).

Покрытия, получаемые по этим технологиям, совместно с дополнительно нанесенными полимерными красками успешно защищают магниевые изделия, в т.ч. работающие в атмосферных условиях при повышенной влажности .

Компания М1кгоа Б1а (Латвия, Россия) предлагает промышленную технологию ПЭО для защиты деформируемых магниевых сплавов, в т.ч. дисков автомобильных колес, которая имеет ряд значительных преимуществ перед вышеназванными [33]. Использование специальных высокочастотных импульсных режимов электролиза и новых составов электролитов позволило увеличить производительность процесса оксидирования в 3 раза, снизить стоимость обработки в 1,5-3 раза и получить качественные твердые плотные мелкокристаллические покрытия толщиной 725 мкм с микротвердостью НУ 450-650.

Кроме технологии ПЭО предлагаются новые технологии [34] надежной антикоррози-

онной защиты магниевых деформируемых сплавов, разработанные AMTS (Израиль) и Chemetall (Германия):

- OXSILAN Mg на основе силановых кремневодородных растворов;

- Plagsma Gel - анодирование (PGA);

- Composite покрытия.

Новые технологии нанесения на поверхность изделий неметаллических неорганических покрытий для ряда случаев применения позволяют исключить или сделать факультативной необходимость последующей окраски или пропитки.

Как было показано выше, конструкторы и технологи, работающие с металлическими материалами проблему загорания (воспламенения) магниевых сплавов наряду с их коррозионной стойкостью всегда относят к основным причинам, препятствующим их широкому применению. Однако сегодня можно говорить о том, что при соблюдении определенных требований твердые компактные магниевые сплавы, также как и другие металлические материалы, не представляют пожароопасности для изделий и конструкций [2, 4, 35, 36].

К этим требованиям прежде всего относят обоснованный выбор композиции (марки) сплава в зависимости от условий его изготовления и эксплуатации и правильное проектирование конструкции, которое обеспечивает надежную защиту ее от воздействия постоянных интенсивных нагревов или открытого огня. В случае необходимости возможно нанесение на поверхность изделия комплексного защитного огнестойкого и антикоррозионного композиционного покрытия, которое практически полностью исключает загорание даже при длительном воздействии открытого пламени [34].

Наиболее перспективно и актуально сегодня широкое применение деформируемых магниевых сплавов в виде листов и тонкостенных прессованных профилей в гражданских отраслях большого потребительского спроса, таких как автомобилестроение, транспортное машиностроение, электронная и компьютерная техника, бытовая техника, велосипеды, мопеды, скутеры, мотороллеры, спортивные и бытовые товары, транспортное и офисное оборудование и др. Традиционным

остается стабильный интерес к деформируемым магниевым сплавам со стороны ракетно-космической техники, авиации, оборонной промышленности и атомной энергетики.

Изделия из них могут реально обеспечить более высокий уровень механических (см. рисунок) и служебных свойств при меньшей толщине изделия по сравнению с магниевыми отливками, в том числе полученными под высоким давлением, применение которых в народном хозяйстве всего мира растет достаточно активно (5-10 % в год). Причем, что актуально и очень важно сегодня с экономической и технологической сторон, для рентабельности их производства не обязательно иметь крупномасштабные серийные объемы, как в случае ЛПВД, т. е. их изготовление возможно на предприятиях малого и среднего бизнеса.

Применение деформируемых магниевых сплавов в качестве одного из основных конструкционных материалов, в частности, в наиболее перспективных отраслях - автомобилестроении и транспортном машиностроении (вагоны ж.д., метро и др.), в решающей степени зависит от цены на магниевые и алюминиевые полуфабрикаты, изделия из пластмассы.

Принято считать, что при соотношении цен на единицу веса полуфабрикатов, изделий, составляющем величину до 1,25, применение магниевых сплавов взамен алюминиевых экономически целесообразно [37]. В ряде случаев конструкторская целесообразность применения магниевых сплавов, которая выражается в наличии у них эксклюзивных эксплуатационных свойств, таких как низкая плотность, демпфирующие свойства и др., пересиливает экономическую целесообразность и оправдывает их применение взамен других материалов.

Применение деформируемых полуфабрикатов из магниевых сплавов в автомобилестроении в определенной мере повторяет опыт применения алюминиевых сплавов. Американские аналитики магниевого производства считают, что состояние применения магниевых сплавов в автомобиле сегодня близко к ситуации с алюминиевыми сплавами в 70-е годы прошлого века.

Такие конструкционные характеристики деформируемых магниевых сплавов, как прочность при растяжении и изгибе, жесткость, пластичность до разрушения, по мнению конструкторов и технологов компании VW имеют значительный потенциал в снижении веса автомобиля по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталью [38].

В табл. 5 приведено сравнение некоторых конструкционных характеристик в случае равного веса образцов из стали, алюминиевых и магниевых сплавов.

Таблица 5 Характеристики (%) прочности при изгибе и жесткости образцов равного веса из стали, А1- и Mg-сплавов

Материал Тол- щина Прочность на изгибе Жест- кость

1025 сталь АА6061-Т6 Д731В, пресс-изделие 7К60Д-Ї5, пресс-изделие Д731В-И24, лист 100 290 444 444 444 100 817 930 1753 1551 100 841 1962 1962 1962

Хорошие энергопоглощающие свойства при ударе, хорошие демпфирующие и шумозащитные свойства, высокие удельные характеристики жесткости и прочности листов из магниевых сплавов дают им существенные преимущества перед листами из стали и алюминиевых сплавов в случае их использования для деталей кузова и внутреннего интерьера автомобилей.

Испытания на наличие вмятин на листах из стали 811403 (в=0,7 мм), из алюминиевого сплава АА6061-Т6 (в=1,4 мм) и из магниевого сплава Д731В-Н24 (в=1,35 мм) показали, что магниевые листы практически не имеют вмятин, в то время как алюминиевые и стальные листы имеют вмятины глубиной соответственно 0,1-0,15 и 0,15-0,25 мм.

Специалистами VW и ДІЮ! (Германия) проведен анализ возможной замены в автомобиле пресс-изделий из алюминиевого сплава ДД6060 на пресс-изделия из магниевого сплава Д731В. Полученные результаты после сравнения характеристик жесткости, прочности на растяжение и изгиб показали, что магни-

евый сплав имеет преимущество по массе на 24 % по сравнению с алюминиевым сплавом при одинаковой толщине стенки изделия. Практически это преимущество при Mg-ориентированном конструировании было реализовано на автомобиле А1Ю1 А2, где замена алюминиевых листов и пресс-изделий магниевыми уменьшила массу деталей автомобиля на 12-20 %.

Несмотря на то, что алюминиевые и магниевые сплавы дороже стали, затраты на изготовление автомобиля с использованием легких сплавов окупаются на третьем году эксплуатации за счет снижения их массы и, как следствие, уменьшения расхода топлива и улучшения экологии.

Более легкий автомобиль позволяет использовать менее мощный и более экономичный двигатель, например 80 вместо 150 л.с., при тех же достигаемых скоростях и эксплуатационных параметрах.

На VW изготовлен опытный автомобиль, который расходует 0,89 л топлива (дизель) на 100 км. Этот автомобиль на 38 % по массе состоит из магниевых сплавов (отливки, листы, пресс-изделия).

ОАО КУМЗ имеет долголетний положительный опыт изготовления кованых и штампованных дисков авиационных и автомобильных колес из магниевых сплавов [39]. Штампованные автомобильные колеса из сплавов МА2-1 и МА20, изготовленные на КУМЗе, имеют преимущества перед аналогичными алюминиевыми колесами по массе (легче на 35 %) и по ресурсным свойствам (в 2 раза выше усталостная прочность при циклических нагрузках). Кроме того, способность поглощения ударных нагрузок и вибрационных колебаний магниевых колес значительно выше, чем у алюминиевых, что обеспечивает большую безопасность и комфортность при движении автомобиля.

Штампованные и кованые автомобильные и мотоциклетные диски колес из магниевых сплавов по сравнению с алюминиевыми, помимо весовых и эксплуатационных преимуществ, имеют значительные преимущества при механической обработке: затрачивается 60-70 % времени, необходимого для обработки аналогичного алюминиевого колеса,

при существенной экономии режущего инструмента.

Исследуется возможность применения штампованных деталей из магниевых сплавов для изготовления салазок сидений, рамок и деталей спинки сидений автомобиля, что обеспечивает снижение их массы на 40 % по сравнению со стальной конструкцией.

Помимо автомобильной промышленности и транспортного машиностроения серьезные перспективы применения в гражданских отраслях промышленности для деформированных полуфабрикатов (в виде труб, полых профилей) открываются в настоящее время при изготовлении велосипедов, мопедов, скутеров и т.п., прежде всего в Китае, Тайване и других странах Азии, как экологичного и дешевого транспортного средства.

Благодаря повышенной способности магниевых сплавов поглощать шумы, электромагнитное излучение листы и другие виды деформированных полуфабрикатов из них перспективны для изготовления корпусов, кожухов и т.п. офисного оборудования, электронной, мобильной техники и компьютеров.

Известны примеры применения магниевых деформированных полуфабрикатов для изготовления транспортного оборудования и приспособлений - погрузочные платформы, трапы, настилы, поддоны, лестницы, контейнеры, ручные тележки и др. Используются они и в приборостроении, в том числе для переносных, передвижных приборов и аппаратов.

Из листов и прессованных изделий изготавливают модные и элегантные сверхлегкие и прочные чемоданы и кейсы.

Высокая звукопроводность этих сплавов

в сочетании с требуемым уровнем механических свойств позволяет использовать их в виде катаных плит для ультразвуковых линий задержки в радиолокаторах, телевидении и др.

Катаные плиты и толстые листы из сплава типа МА2 применяют в полиграфии для печатных форм с целью замены экологически небезопасного цинкового сплава.

В электротехнике листы из магниевых сплавов применяют в сухих батареях, где они одновременно являются анодом и корпусом батареи, взамен цинка. Тонкие листы (толщиной 0,6 мм) из специальных магниевых сплавов применяют в источниках тока, активируемых морской водой [8].

Прессованные магниевые сплавы в виде армированных стальной проволокой прутков применяют в качестве протекторов для защиты от коррозии стальных резервуаров, трубопроводов и других подземных сооружений, а также морских судов.

Известно применение армированных магниевых плит в качестве брони [12].

Проводятся работы (Ганноверский университет, Германия) по изысканию возможности применения прессованных прутков из Mg-Са- и других сплавов в качестве заготовок для штифтов, болтов - имплантантов (биоматериала) при проведении хирургических операций [40].

Перспектива роста потребления деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов зависит от повышения информированности потребителя о реальных (объективных) свойствах этих изделий и снижения цены на них, в первую очередь, относительно стоимости аналогичных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьев Я.Е. Магниевые сплавы. - М.: ОНТИ-НКТМ. 1937.

2. Магний и его сплавы. Ред. Бэк А./Пер. с нем. -М.: Изд. оборонной промышленности, 1941.

3. Емли Е.Ф. Основы технологии производства и обработки магниевых сплавов/Пер. с англ. под ред. Дриц М.Е. - М.: Металлургия, 1972.

4. Портной К.И., Лебедев А.А. Магниевые сплавы. - М.: Металлургиздат, 1952.

5. Дриц М.Е. Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах. - М.: Наука,

1964. - 232 с.

6. Дриц М.Е., Ёлкин Ф.М., Гурьев И.И. и др. Магниево-литиевые сплавы. - М.: Металлургия, 1980. - 140 с.

7. Хазанов Л.//Металлоснабжение и сбыт. 2007. Июль-август. С. 81-85.

8. Бондарев Б.И., Бессонов А.М.//Цветные металлы. 2005. № 5-6. С. 131-134.

9. Сайты в интернете AEROMAG и MagForge.

10. Дриц М.Е., Рохлин Л.Л., Падежнова Е.М. и др. Магниевые сплавы с иттрием. - М.: Наука,

1979. - 164 с.

11. Рохлин Л.Л. Магниевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы. - М.: Наука, 1980.

12. Сайт в интернете Elektron.com.

13. Ёлкин Ф.М.//Технология легких сплавов.

2008. № 2. С. 32-38.

14. Mi-Lin Zhang, Yong-De Yan et al. Chinese Chemical Letteres. 2007. P. 329-332.

15. Bach F.W., Rodman M., Schaper M. et al.// Magnesium Proceeding of the 6-th International Conference Magnesium Alloys and Theire Application D.G.M. 2003. P. 285-293.

16. Шухат О.М., Сергеев А.А., Рудой И.Г.//Техно-логия легких сплавов. 2009. № 1. C. 79-85.

17. Бляблин А.А., Кулаков Н.Н., Поликарпов Н.Н. и др. Магниевые сплавы для современной техники. - М.: Наука, 1992. C. 47-52.

18. Ebert T., Moll F., Kainer K.//Powder Metallurge. 1997. № 40. P. 120-130.

19. Froes Е.Н./ZMatenals Science and Engineering. 1989. № 117. P. 19-32.

20. Волкова Е.Ф., Заварзин И.А., Лебедев В.М., Гуревич Ф.А.//Металлы. 1998. № 1. C. 75-79.

21. Волкова Е.Ф., Мухина И.Ю.//Технология легких сплавов. 2007. № 2. C. 28-34.

22. Mastuda A., Wan C.C. et al.//Metallurgical and Materials Transactions. 1996. № 27А. P. 13631370.

23. Brown R.E.//Light Metal Age. 2002. February. P. 80-83.

24. Meng S., Wu Х.//Вторая международная конференция «Магний - широкие горизонты». -Санкт-Петербург, 6-8 июня, 2007 (СД).

25. Ёлкин Ф.М.//Технология легких сплавов.

2004. № 6. C. 12-17.

26. Волкова Е.Ф.//Международная конференция «Магний - широкие горизонты». - М., 2005 (СД).

27. Wilks T.E., King J.F.Z/Труды конференции «Magnesium alloys and their application». Eds. Mordike В.Н. and Helmann F. Garmish-Parten Kirchen. Germany. 1992. P. 431-437.

28. Строганова В.Ф., Городецкий Л.А., Токарь Е.М.//Магниевые сплавы. - М.: Наука, 1978. C. 118-124.

29. ASTM Standard B107/107M.

30. Сайт в интернете MERIDA.

31. Шатров А.С.//Коррозия: материалы и защита. 2004. № 10. C. 31-40.

32. Шатров А.С.//Коррозия: материалы и защита. 2004. № 11. C. 23-28.

33. Проспекты компании MIKROLAT SIA. 2008.

34. Островский И.//Международная конференция «Магний - широкие горизонты». - М., 2005 (ОД).

35. Крымов В.В. Техника безопасности и производственная санитария при работе с магниевыми сплавами. - М.: Машиностроение, 1980.

36. Ёлкин Ф.М.//Технология легких сплавов.

2009. № 1. C. 4-10.

37. Тайц А.Ю.//Магниевые сплавы. - М.: Наука, 1978. C. 36-38.

38. Vinarcik E.J.//Light Metal Age. 2004. April. P. 5657.

39. Сапунжи В.В., Степанова Л.Л., Овсянников Б.В.//Международная конференция «Магний - широкие горизонты». - 2005 (СД).

40. Krause C., Borman D. et al. Magnesium Technology in the Global Age CIM. 2006.