СПЛАВ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
MAGNESIUM-BASED ALLOY AND PRODUCT MADE FROM IT

Изобретение относится к области машиностроения и авиастроения, где могут быть применены свариваемые высокопрочные и жаропрочные магниевые сплавы в качестве легкого конструкционного материала для изготовления отсеков корпусов, аппаратурных отсеков, кронштейнов, деталей кресел, приборных панелей, деталей пульта управления, деталей системы управления и т.д., а также в конструкциях, работающих при высоких температурах.
Из предшествующего уровня техники (Патент US 6,767,506 B2, опубл. 27.06.2004) известен сплав на основе магния и изделие, выполненное из него, следующего химического состава, масс.%:
Nd
2,7-3,3
Y
0-2,6
Zr
0,2-0,8
Zn
0,2-0,8
Ca
0,03-0,25
Be
0,00-0,001
Fe
≤0,007
Ni
≤0,002
Cu
≤0,003
Si
≤0,01
Mg
остальное
в
Недостатками этого сплава и изделий из него являются невысокий уровень прочностных свойств при комнатной температуре (предел прочности ≤320 МПа) при недостаточном значении предела текучести (не более 225 МПа). Сплав имеет недостаточный уровень жаропрочных свойств (при 250°C предел прочности σ=135-162 МПа), предела текучести при сжатии (≤228 МПа) и не сваривается. Таким образом, сплав не может использоваться для изготовления узлов и деталей, работающих под нагрузкой или в рабочих зонах с повышенной (до 300°C) температурой, а также не может использоваться для получения сварных конструкций. Это приводит к сокращению номенклатуры деталей. Изделия, изготовленные из этого сплава, например, кронштейны, качалки, рычаги, детали системы управления, руль высоты и т.д., будут обладать недостаточными качеством и надежностью и долговечностью.
Известен сплав на основе магния и изделие, выполненное из него (Международная заявка (РСТ) WO 2011117628 опубл. 29.09.2011 г.), следующего химического состава масс.%:
Y
0-10
Nd
0-5
При совместном легировании сумма Y+Gd должна составлять не менее 0,05%
Один или несколько тяжелых редкоземельных металлов (далее - РЗМ), выбранных из группы Ho, Lu, Tm и Tb при их совместном содержании в интервале от 0,5% до 5,5%
Gd
0-3,0
Sm
0-0,2
При оптимальном соотношении сплав также содержит один или несколько элементов:
Dy
0-8
Zr
0-1,2
Al
0-7,5
Zn и/или Mn
суммарно
0-2
Sc
0-15
In
0-15
Ca
0-3
Er
≤5,5
При этом совместное содержание Er, Ho, Lu, Tm и Tb≤5,5 масс.% и содержание одного или более РЗМ из тяжелых РЗМ, отличных от Y, Nd, Ho, Lu, Tm, Tb, Dy, Gd и Er, составляет в сумме до 0,5 масс.%; неизбежные примеси - до 0,3 масс.%
Mg
Остальное
Изделия, изготовленные из этого сплава, например, кронштейны, качалки, рычаги, детали системы управления, руль высоты и т.д., будут обладать недостаточными надежностью и долговечностью.
Недостатками этого сплава и изделий из него являются невысокий уровень прочностных свойств (предела прочности, текучести) при комнатной и повышенных температурах, недостаточный уровень предела текучести при сжатии, невозможность получать сварные соединения. Таким образом, сплав не может применяться в конструкциях нагруженных деталей и узлов, а также деталей, работающих при повышенных температурах. Изделия, изготовленные из этого сплава, например детали системы управления, детали кресел, руль высоты и т.д., будут иметь недостаточную долговечность и надежность.
В качестве прототипа (Патент РФ №2293784, опубл. 20.02.2007 г.) предлагается сплав на основе магния следующего химического состава, масс.%:
Zn
0,1-2,0
Zr
0,05-0,9
Ca
0,005-0,1
Cd
0,005-2,0
Si
0,005-0,05
Be
0,0005-0,01
Y
3,5-9,0
Gd и/или Dy
0,005-0,3
Mg
Остальное
К недостаткам этого сплава, известного из прототипа, следует отнести то, что он характеризуется недостаточно высокими значениями предела прочности при растяжении, предела текучести при сжатии и невысокой коррозионной стойкостью. Сварные соединения сплава, известного из прототипа имеют недостаточно высокую прочность и трещиностойкость. Таким образом, изделия, выполненные из известного сплава, будут отличаться меньшей стабильностью свойств, надежностью и долговечностью.
Технический результат изобретения состоит в повышении предела прочности при растяжении, предела текучести при сжатии, в улучшении характеристик свариваемости и повышении коррозионной стойкости сплава на основе магния и изделий, выполненных из него при сохранении высокой прочности при температурах до 300°C.
Для достижения технического результата предложен сплав на основе магния, содержащий цинк, цирконий, кальций, кадмий, кремний, бериллий, иттрий, гадолиний и/или диспрозий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит РЗМ, при этом в качестве РЗМ использованы элементы из цериевой подгруппы, содержащей неодим и лантан, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Сплав на основе магния, содержащий цинк, цирконий, кальций, кадмий, кремний, бериллий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, неодим при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Zn
0,1-3,0
Zr
0,05-0,9
Ca
0,005-0,1
Cd
0,001-0,004
Si
0,005-0,05
Be
0,0005-0,01
Y
3,5-9,5
Nd
2,01-2,5
La
0,05-1,5
Mg
остальное
Авторами установлено, что совместное дополнительное введение элементов, выбранных из цериевой подгруппы редкоземельных элементов (далее - РЗЭ), а именно: неодима, лантана, в заявленных пределах, повышает пределы прочности, текучести при растяжении, предела текучести при сжатии, улучшает характеристики свариваемости при сохранении высокой прочности сплава при температурах до 300°C.
µ
Авторами доказано, что совместное дополнительное легирование одновременно элементами неодимом и лантаном цезиевой подгрупп РЗМ в заявленных пределах позволяет усилить эффект их взаимного воздействия (синергетический эффект) на структуру, механические и коррозионные свойства сплава и свариваемость за счет улучшения совместной растворимости этих элементов в основном α - твердом растворе. Следствием является повышение микротвердости (H) α - твердого раствора с ~55 до 85-90 Hv. Кроме того, происходит образование новых дисперсных интерметаллических фаз с повышенной микротвердостью Hµ ~270-300 Hv. Как правило, частицы интерметаллических фаз достаточно равномерно располагаются в объеме зерна и частично - по границам. Это способствует упрочнению α-твердого раствора и границ зерен, что приводит к улучшению коррозионной стойкости, повышению пределов прочности и текучести при растяжении, вызывает возрастание значений предела текучести при сжатии. Благодаря облагораживанию структуры (дисперсному и достаточно равномерному распределению интерметаллических фаз), сужению температуры кристаллизации, свойства сварных соединений улучшаются. При этом у предлагаемого сплава сохраняются повышенные прочностные свойства при высоких температурах.
При использовании предлагаемого сплава обеспечивается возможность использования сварных соединений, увеличивается ресурс, надежность и долговечность изделий.
Примеры осуществления
Предлагаемый сплав и сплав, известный из прототипа, были приготовлены в одинаковых условиях. В газовом горне с применением флюса ВИ-2 в соответствии с расчетом шихты отлиты плавки, масса каждой составила 10-15 кг. Получены круглые слитки каждого сплава. После обточки круглые слитки отпрессованы на прессе, изготовлены: прутки ⌀25 мм, проволока ⌀3,5 мм и полосы сечением 4×65 мм. Полосы порезаны на мерные заготовки, часть из которых сварена методом аргоно-дуговой сварки встык.
Исследованы сравнительные механические свойства прессованных заготовок и сварных соединений предлагаемого сплава, сплава - прототипа в соответствии с ГОСТ 1497-76, ГОСТ 6996-76, ГОСТ 25.503-97. Микротвердость фаз и основного α - твердого раствора определена на приборе ПМТ - 3.
В табл.1 представлены составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа, их механические и коррозионные свойства. В таблице 2 - сравнительные свойства сварных соединений при использовании предлагаемого сплава и сплава-прототипа в качестве основного сплава и присадочного материала.
В табл.2 приведены также свойства сварных соединений предлагаемого сплава и сплава, известного из прототипа при использовании их в качестве присадки для сварки высокопрочного серийного сплава на основе магния марки МА 15.
Исследованы сравнительные механические свойства прессованных прутков предлагаемого сплава и сплава-прототипа в соответствии с ГОСТ 1497-84, ГОСТ 25.503-97, ГОСТ 6996-76, коррозионные свойства - по ГОСТ 9.019-74.
Полученные результаты подтверждают преимущества предлагаемого сплава. По значениям предела текучести при сжатии предлагаемый сплав на 33% превосходит сплав, известный из прототипа, по значениям предела прочности при комнатной и повышенной до 300°C температурах - на 8,0-8,5%. Предлагаемый сплав обладает более высоким запасом пластичности: значения относительного удлинения 1,3 раза больше, чем у сплава, известного из прототипа. Общая коррозионная стойкость предлагаемого сплава, определяемая величиной скорости коррозии, на 35-40% выше, чем у сплава, известного из прототипа.
крит
крит
крит
Преимущества предлагаемого сплава наглядно подтверждаются также при сравнении основных характеристик сварных соединений: предела прочности и величине ν. Величина ν характеризует собой минимальную скорость деформации (растяжения) затвердевающего в процессе сварки сплава, которая приводит к появлению горячей трещины в испытуемом сечении. Повышение ν свидетельствует об уменьшении склонности к образованию трещин.
крит
Значения ν у предлагаемого сплава на 39% выше, чем у сварного соединения сплава-прототипа, при использовании, соответственно, самих сплавов в качестве присадки. Сварные соединения, изготовленные с использованием предлагаемого сплава в качестве присадочного материала, превосходят, соответственно, по пределу прочности на 18%-10% прочность сварных соединений сплава, известного из прототипа, и предлагаемого сплава, изготовленных с применением в качестве присадочного материала, соответственно, сплава, известного из прототипа и предлагаемого сплава.
Использование предлагаемого сплава в качестве присадочного материала более выгодно и по отношению к серийному свариваемому сплаву МА15. В этом случае достигается повышение характеристик на 7-15%.
Применение предлагаемого сплава для изготовления сварных и несвариваемых внутренних узлов и деталей в конструкции летательных аппаратов, в том числе в панелей обслуживания, приборных панелей, аппаратурных отсеков, кронштейнов, деталей системы управления, работающих при комнатной и повышенных (до 300°C) температурах, а также для изготовления деталей автомобилей, мотоциклов, обеспечит увеличение ресурса, повысит качество и надежность этих изделий.
Таблица 1
Сплав
Химический состав, мас.%
Механические и коррозионные свойства, °С
№п/п
Zn
Zr
Ca
Cd
Si
Be
Y
Nd
La
Gd и/или Dy
Mg
20
300
20
σ<sub>B</sub>
σ<sub>0,2сж</sub>
δ
σ<sub>B</sub>
V<sub>корр</sub>
МПа
%
МПа
г/м<sup>2</sup> сутки
1
Предлагаемый сплав
0,10
0,05
0,005
0,001
0,005
0,0005
3,5
2,01
0,05
-
Основа
353
232
14
182
14,5
2
1,5
0,47
0,053
0,003
0,028
0,0053
6,5
2,45
0,775
-
349
236
16
180
15,7
3
3,0
0,9
0,10
0,004
0,05
0,01
9,5
2,5
1,5
-
352
230
15
183
14,3
4
Сплав-прототип
1,05
0,475
0,0525
1,00
0,0275
0,0053
6,3
-
-
0,153
325
175
11
164
22,8