Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него

Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него

Реферат

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

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_в=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.

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_µ) 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.

Преимущества предлагаемого сплава наглядно подтверждаются также при сравнении основных характеристик сварных соединений: предела прочности и величине ν_крит. Величина ν_крит характеризует собой минимальную скорость деформации (растяжения) затвердевающего в процессе сварки сплава, которая приводит к появлению горячей трещины в испытуемом сечении. Повышение ν_крит свидетельствует об уменьшении склонности к образованию трещин.

Значения ν_крит 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
σB	σ0,2сж	δ	σB	Vкорр
МПа	%	МПа	г/м2 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

1. Сплав на основе магния, содержащий цинк, цирконий, кальций, кадмий, кремний, бериллий, иттрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит лантан, неодим при следующем соотношении компонентов, мас.%:

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

2. Изделие из сплава на основе магния, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.