ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ МАГНИЕВЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ
FIRE-RESISTANT MAGNESIUM CASTING ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на магниевой основе, и может быть применено при изготовлении деталей в автомобилестроении, ракетно-космической и авиационной промышленности, а также корпусных деталей различной электронной аппаратуры и т.д., работающих в условиях повышенной вероятности внезапного скачка температуры или прямого воздействия пламени. Литейный сплав содержит, масс. %: иттрий 5-8, цинк 1,5-3, неодим 0-2, цирконий 0,3-1, РЗМ церий и/или иттербий и/или европий суммарно 0,2-1%, магний - остальное. Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами и повышенной температурой возгорания - на уровне 1000°С. Режим термообработки сплава включает в себя гомогенизационный отжиг при температурах от 450°С до 545°С, закалку под вентилятором или в горячую воду от температур от 450°С до 545°С, последующее старение при температуре 200°С в течение 8-100 часов.
Магниевые сплавы, как одни из самых легких металлических материалов, наиболее востребованы в конструкциях, требующих снижения веса, главным образом, в транспортных системах: авиакосмическая, автомобильная, высокоскоростная железнодорожная техника. К числу наиболее металлоемких изделий указанной техники относятся корпуса двигателей, крышки, кронштейны и др., изготавливаемые с помощью литья, т.е. из литейных сплавов. Соответственно, к таким сплавам с каждым годом предъявляются все более высокие требования, как по прочностным характеристикам, так и по технологическим и функциональным свойствам. В частности, для корпусов двигателей выдвигаются особо высокие требования по температуре воспламенения. Существуют различные способы улучшения свойств материалов, многие из которых (в частности современные методы интенсивной пластической деформации) не применимы к литейным сплавам. Поэтому для литейных сплавов, по сути, есть только три основных способа улучшения их свойств: (1) модификация химического состава (система легирования), (2) оптимизация технологии литья и термической обработки и (3) модификация поверхности (обработка поверхности, нанесений покрытий и т.п.).
Магниевые сплавы отличаются своей пожароопасностью. Они способны воспламеняться даже при 400°С, что накладывает ряд ограничений на области их применения. Например, магниевые сплавы запрещено использовать в салоне пассажирских самолетов.
Проблемой снижения пожароопасности магниевых сплавов занимается множество различных научных групп, и предлагаемые ими способы значительно отличаются друг от друга. Тем не менее, можно выделить три основных направления, с помощью которых получается достичь некоторого результата: 1) нанесение покрытий на поверхность сплава; 2) легирование сплава кальцием; 3) легирование сплава РЗМ.
Так, например, литейный магниевый сплав (RU 2506337 С1, МПК С22С 23/02, дата подачи заявки 13.11.2012) содержит, масс. %: алюминий 7,5-9,0, цинк 0,2-0,8, марганец 0,15-0,5 и кальций 0,1-0,4, магний - остальное. Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами: пределом прочности 246 МПа, пластичностью 2,5%, а также температурой воспламенения сплава - не ниже 650°С.
Литейный магниевый сплав (CN 101787473 А, МПК B22D 21/04 дата подачи заявки 28.07.2010) содержит, масс. %: гадолиний 5,0-12,0, европий 0,5-3,0, марганец 0-0,8, цирконий 0-0,8, остальное - магний, - обладает следующими характеристиками: температура воспламенения 740°С, предел прочности 220 МПа, относительное удлинение 5%.
В патенте CN 106435316 А, МПК С22С 1/03 дата подачи заявки 02.22.2017, описан сплав, содержащий, масс. %: цинк 0,2-0,7, цирконий 0,4-1,0, неодим 2,0-2,8, церий 0-3,0, лантан 0-3,0, остальное магний, который обладает еще более высокими физико-механическими характеристиками: температура воспламенения 754°С, предел прочности 233 МПа, относительное удлинение 5%.
Интересен магниевый литейный сплав (CN 109881068 А, МПК С22С 1/03 дата подачи заявки 14.06.2019) содержит, масс. %: неодим 5,0-7,0, церий 3,0-3,5, алюминий 2,0-2,5, кремний 0,5-0,8, серебро 1,5-2,0, ниобий 0,8-1,0, остальное магний, температура воспламенения которого порядка 800°С, предел прочности 280 МПа.
Все упомянутые сплавы обладают недостаточно высокой температурой воспламенения для широкого применения в промышленности.
Задачей изобретения является создание литейного магниевого сплава, обладающего повышенным значением температуры воспламенения и, в то же время, удовлетворительными механическими характеристиками.
Техническим результатом изобретения является существенное увеличение температуры воспламенения с сохранением достаточно высоких значений прочности и пластичности литейного магниевого сплава.
Технический результат достигается тем, что, согласно изобретению, пожаробезопасный магниевый литейный сплав содержит, масс. %: иттрий 5-8, цинк 1,5-3, неодим 0-2, цирконий 0,3-1, РЗМ церий и/или иттербий и/или европий суммарно 0,2-1%, магний - остальное.
Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами и повышенной температурой возгорания - на уровне 1000°С. Термообработка сплава проводится по следующему режиму: гомогенизационный отжиг при температурах от 450°С до 545°С, закалку под вентилятором или в горячую воду от температур от 450°С до 545°С, последующее старение при температуре 200°С в течение 8-100 часов.
В качестве конкретного примера реализации предлагаемого изобретения приведем результаты исследования двух сплавов следующего химического состава:
1) 6.8Y+2.5Zn+0.6Zr+0.4Yb+0.2Eu, остальное Mg (все в масс. %)
2) 6.8Y+3.0Zn+2.0Nd+0.6Zr+0.3Yb+0.3Ce, остальное Mg (все в масс. %).
Сплавы заданного состава были выплавлены по следующей процедуре. Расчетное количество чушкового магния Мг95В расплавляли в тигле при 740°С. После охлаждения расплава до 720°С в тигель помещали механическую мешалку и осуществляли перемешивание в течение 5-10 минут при средних оборотах. Далее, не отключая перемешивание, в перфорированную корзину добавляли необходимые металлические компоненты и лигатуру MgZr (для измельчения зеренной структуры). После добавления последнего компонента мешалку отключали, отстаивали расплав в течение 10-15 минут и брали из него пробу на химический анализ. Далее расплав заливали в предварительно прогретый до 300-350°С и покрытый разделительным покрытием стальной кокиль. В процессе кристаллизации отливки в ее прибыльную часть доливали горячий металл. Полученные отливки представляли собой слитки в виде цилиндрических чушек диаметром d≈60 мм и длиной l≈250 мм
Химический состав сплава исследовали непосредственно перед разливкой с помощью оптического спектрометра SPECTROMAX, а после разливки - высокоточного оптико-эмиссионного спектрометра ARL 4460-1632.
Термообработку проводили в муфельной печи электросопротивления в среде защитного газа. Материал помещали в разогретую до 540°С печь и выдерживался в течение 12 часов, по истечении времени выдержки материал доставали из печи и охлаждали под вентилятором. Спустя 8-12 часов закаленный сплав помещали в разогретую до 200°С муфельную печь и выдерживали еще в течение 12 часов. По прошествии 12 часов старения сплав охлаждался вместе с печью.
Образцы для испытаний на растяжение вырезали непосредственно из термообработанных слитков с применением смазочно-охлаждающей жидкости. Пятикратные пропорциональные цилиндрические образцы диаметром 6 мм изготавливали методом токарной обработки. Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине Н50КТ в соответствии с «ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение». Длина рабочей части и базы экстензометра составляла 30 мм, а скорость перемещения траверсы - 5 мм/мин.
Для испытаний на воспламеняемость из сплавов, прошедших термообработку, изготавливали кубические образцы со сторонами ≈15 мм. Такой образец помещался в муфельную печь комнатной температуры и производился нагрев со скоростью 200°С/час. Параллельно с нагревом осуществляли видеофиксацию контроллера печи с показаниями термопары и ежеминутную фотофиксацию образца через глазок печи. Температуру воспламенения определяли как расчетную температуру, которая должна быть в печи по прошествии того количества минут, которое соответствует порядковому номеру фотографии образца, на которой фиксировалось резкое изменение интенсивности его свечения.
Фактические характеристики сплавов указанных составов после термообработки по режиму Т6 составили, соответственно: предел прочности 245 и 250 МПа; относительное удлинение 8 и 3%, температура воспламенения 1020 и 1040°С.