Сплав на основе магния и способ его получения

 

Изобретение относится к сплавам на основе магния, в частности к составу магниевых сплавов и способам их получения, которые находят широкое применение в автомобильной промышленности. Предложен сплав на основе магния, содержащий алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, при следующем соотношении, вес. %: алюминий 2,6-3,4, цинк 0,11-0,25, марганец 0,24-0,34, кремний 0,8-1,1, кальций 0,05-0,10, магний - остальное. Предложен способ получения сплава на основе магния, включающий загрузку легирующих компонентов, заливку расплавленного магния, введение титансодержащего плава с флюсом, выдержку и разливку сплава. В качестве легирующих компонентов используют алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, а загрузку алюминия, цинка, марганца и кремния осуществляют в виде твердой лигатуры алюминий-цинк-марганец-кремний, затем проводят заливку расплавленного магния, расплав нагревают, выдерживают и перемешивают, затем вводят титансодержащий плав с флюсом, расплав снова перемешивают, охлаждают и под слой расплава загружают кальций. Техническим результатом изобретения является получение сплава с более мелкой структурой зерна, что улучшает его механические свойства, а также снижение потерь легирующих компонентов за счет определенной последовательности подачи легированных компонентов. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к сплавам на основе магния, в частности к составу магниевых сплавов и способам их получения, которые находят широкое применение в автомобильной промышленности.

Разработаны различные сплавы для специальных видов применения, включая, например, литье под давлением автомобильных деталей. Среди таких сплавов экономически выгодными и широко используемыми при изготовлении автомобильных деталей являются сплавы на основе магния-алюминия, например сплавы марки АМ50А и АМ60В (AM означает, что сплав содержит алюминий и марганец), содержащие примерно от 5 до 6 вес.% алюминия и следы марганца, и сплавы на основе магния-алюминия-цинка, например сплав AZ91D (AZ означает, что сплав содержит алюминий и цинк), содержащий примерно 9 вес.% алюминия и примерно 1 вес.% цинка.

Недостатком этих сплавов являются их низкая прочность и плохое сопротивление ползучести при повышенных рабочих температурах. Это приводит к тому, что указанные выше магниевые сплавы оказывают мало пригодными для автомобильных двигателей, в которых такие узлы, как картер коробки передач, во время срока службы испытывают температуры вплоть до 150^oС. Плохое сопротивление ползучести у таких узлов может привести к уменьшению усилия, затягивающего крепежную деталь в болтовом соединении и, следовательно, к утечке масла в двигателе.

Известен сплав на основе магния (РСТ/СА96/00091), который содержит в качестве легирующих компонентов алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, вес.%: Алюминий - 2-6, Кальций - 0,1-0,8 Магнии - Остальное Недостатком данного сплава является то, что сплавы с высоким содержанием кальция склонны к образованию горячих трещин при литье под давлением.

Известен сплав на основе магния (патент США 5855697), взятый как ближайший аналог-прототип, основными ингредиентами которого являются магний, алюминий, цинк и кальций при следующем соотношении компонентов: вес %: Алюминий - 2-9 Цинк - 6-12 Кальций - 0,1-2,0 Сплав также может содержать другие ингредиенты, такие как марганец, в количестве от 0,2 до 0,5%, кремний до 0,05%, и примеси, такие как железо, от 0,01 до 0,008 вес.%.

В таблице 1 патента-прототипа приведен состав сплава типа ZAC8502, ZAC8506 и ZAC8512, содержащий следующее соотношение компонентов, вес. %: алюминий - 4,57-4,67, цинк 8,12-8,15, кальций - 0,23-1,17 и марганец - 0,25-0,27. С данным составом сплавов были проведены механические испытания и проведено сравнение механических свойств со свойствами известных сплавов АZ91 и АЕ42.

Недостатком данного сплава является то, что данный сплав содержит в качестве основных составляющих компонентов магний, алюминий, цинк и кальций, а кремний в сплаве содержится как примесь до 0,05%. Введение алюминия, цинка, кальция приводит к выделению интерметаллической фазы Mg-Al-Zn-Ca, расположенной вдоль границ зерна первичного магния. Полученная микроструктура данного сплава характеризуется более крупным размером зерна, что приводит к неоднородности структуры, и это не совсем благоприятно сказывается на механических свойствах сплава при литье под давлением.

Известен способ (патент РСТ 94/09168) получения сплава на основе магния, включающий введение в расплавленный магний легирующих компонентов в расплавленном состоянии. Для этого первичный магний и легирующие компоненты нагревают и плавят в отдельных тиглях. При этом производят легирование элементного марганца другими лигирующими металлами перед их добавлением в расплавленный магний, что повышает эффективность очистки расплава от железа.

Недостатком способа является необходимость предварительного плавления марганца (температура плавления 1250^oС) и других легирующих компонентов, что усложняет технологию получения сплавов и аппаратурное оформление процесса.

Известны также способы (кн. Бондарев Б.И. Плавка и литье деформируемых магниевых сплавов. М. Металлургия, 1973 г., с. 119-122) введения легирующих компонентов в магний с помощью лигатуры, например магний-марганцевой лигатуры (температура легирования 740-760^oС).

Недостаток данного способа заключается в поддержании высокой температуры легирования сплава, что приводит к перерасходу электроэнергии на перегрев металла и высоким потерям на угар.

Известен способ получения сплава системы магний-алюминий-цинк-марганец (Кн. Рафинирование и литье первичного магния, - Вяткин И.П., Кечин В.А., Мушков С. В. - М. Металлургия, 1974, с. 54-56, 82-93), по количеству общих признаков взятый как аналог-прототип. Способ предлагает различные варианты загрузки жидкого магния, легирующих компонентов, таких как алюминий, цинк, марганец. Один из вариантов включает одновременную загрузку в тигель твердых алюминия и цинка, нагрев их до температуры свыше 100^oС, заливку жидкого магния-сырца, нагрев расплава до 700-710^oС и одновременное введение в него при постоянном перемешивании титанового плава и металлического марганца.

Основной недостаток способа - достаточно высокие потери легирующих компонентов, что снижает степень усвоения легирующих компонентов магнием и не позволяет получить сплав требуемого качества. Предложенный количественный состав сплава на основе магния позволяет улучшить механические свойства сплава.

Задача изобретения направлена на получение сплава с более мелкой структурой зерна, что приведет к однородности структуры сплава и улучшит его механические свойства, кроме того, задачей изобретения является также снижение потерь легирующих компонентов за счет определенной последовательности подачи легирующих компонентов.

Технический результат заключается в получении сплава с механическими свойствами, пригодными для литья под давлением.

Для решения задачи предложен сплав на основе магния, содержащий алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, в котором новым является то, что он содержит ингредиенты при следующем соотношении, вес. %: алюминий - 2,6-3,4
цинк - 0,11-0,25
марганец - 0,24-0,34
кремний - 0,8-1,1
кальций - 0,05-0,10
магний - Остальное
Для данного сплава предложен способ получения сплава на основе магния, включающий загрузку легирующих компонентов, заливку расплавленного магния, введение титансодержащего сплава с флюсом, выдержку и разливку сплава, новым является то, что в качестве легирующих компонентов используют алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, а загрузку алюминия, цинка, марганца и кремния осуществляют в виде твердой лигатуры алюминий-цинк-марганец-кремний, затем проводят заливку расплавленного магния, расплав нагревают, выдерживают и перемешивают, затем вводят титансодержащий плав с флюсом, расплав снова перемешивают, охлаждают и под слой расплава загружают кальций.

Кроме того, соотношение кальция к магнию составляет 1:(500-700).

Кроме того, расплав охлаждают до 700-710^oС.

Добавки алюминия в магний способствуют прочности при комнатной температуре и жидкотекучести сплавов. Однако известно, что алюминий оказывает вредное влияние на сопротивление ползучести и прочность магниевых сплавов при повышенных температурах. Это происходит из-за того, что алюминий при его высоком содержании имеет тенденцию соединяться с магнием и образовывать значительные количества интерметаллического соединения Mg₁₇Al₁₂ с низкой температурой плавления (437^oС), что неблагоприятно влияет на высокотемпературные свойства сплавов на основе алюминия. Подобранное содержание алюминия в предложенном сплаве на основе магния в размере 2,6-3,6 вес % позволяет достичь улучшенных свойств сплава на основе магния, таких как сопротивление ползучести.

Для улучшения эксплуатационных возможностей сплава и расширения области его применения до более высоких температур (до 150-200^oС) кремний с содержанием в сплаве 0,8-1,1 вес. %. При этом кремний образует с магнием металлургически стабильную фазу Mg₂Si, которая образует мелкие выделения на границах зерен, что должно способствовать повышению механических свойств сплава (см.чертеж).

Кальций является наиболее экономичным элементом для сплава магния и позволяет улучшить высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести магниевых сплавов. Однако, когда кальций входит в состав сплава на основе магния-алюминия, жидкотекучесть сплава значительно ухудшается до такой степени, что сплав уже не может использоваться для традиционного процесса литья под давлением. Содержание кальция в больших количествах приводит к трещинообразованию при литье. Поэтому подобранное содержание кальция в количестве 0,05-0,10 вес.% позволяет снизить вероятность группировки выделений Mg₂Si в крупные комплексы, которые могут снизить пластичность сплава и не достичь требуемых свойств магниевого сплава. Влияние на свойства сплава оказывает присутствие цинка и такое свойство, как жидкотекучесть магний-алюминий-кальциевого сплава, может возникнуть при высоком содержании цинка. Поэтому предложенная граница диапазона содержания цинка в сплаве на основе магния будет оптимальной в пределах 0,11-0,25 вес.%.

Для придания сплаву коррозионностойкости введен марганец в количестве 0,24-0,34 вес.%.

Осуществление загрузки легирующих ингредиентов в виде приготовленной заранее лигатуры алюминий-цинк-марганец-кремний и загрузка ее в определенном соотношениии к магнию 1:(18-20) позволяет значительно улучшить усвоение компонентов магнием и тем самым снизить потери ценных химических веществ.

Поддержание температуры процесса 720-740^oС позволяет достичь степени усвоения магнием алюминия до 98,9-100%, марганца - 68,2-71,1%, кремния - 89,3-97,4%, цинка - 85,9-94,4%.

Подача кальция при охлаждении магния до температуры 700-710^oС под слой магния на дно тигля позволяет достичь степени усвоения кальция магнием до 70%.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, и заявка относится к объектам изобретения одного вида, одинакового назначения, обеспечивающим получение одного и того же технического результата одним и тем же путем.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта - вещества, так и для объекта - способа позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для вещества заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам как способа, так и вещества заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и вещества, как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Группа изобретений основана на новой совокупности количественного содержания ингредиентов и нового порядка введения этих ингредиентов в сплав. Новая совокупность количественного содержания ингредиентов в сплаве на основе магния позволяет достичь уменьшения гранул в микроструктуре сплава, что приведет к улучшению механических свойств сплава при литье под давлением. Определенная последовательность подачи легирующих компонентов приведет к снижению потерь легирующих компонентов и за счет этого к снижению себестоимости сплава. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень".

Приготовление лигатуры Al-Mn-Si-Zn
Состав: Алюминий - основа, марганец - 6-9 вес.%, кремний - 24-28 вес.% цинк (ГОСТ 3640) - 2,5-3,5 вес.%, примеси, вес.%: железо - 0,4, никель - 0,005, медь - 0,1, титан - 0,1. Лигатура изготавливалась в виде чушек. Получение лигатуры ведут в индукционных печах типа "АЯКС". В печь загружают алюминий марки А97 (ГОСТ 11069), прогревают до температуры 910-950^oС, плавление лигатуры осуществляют под слоем флюса из криолита массой 1-1,5% от массы навески. Порциями вводят сначала кремний кристаллический марки Кр1 в виде измельченных кусков, возможно заворачивать куски в алюминиевую фольгу или смачивать раствором хлорида цинка для предотвращения окисления. Кремний растворяют небольшими порциями, тщательно перемешивая. Затем в полученный состав вводят марганец металлический марки Мн95 (ГОСТ 6008) в виде кусков размером 100 мм, перемешивают, нагревают до температуры 800-850^oС, затем добавляют цинк марки Ц1 (ГОСТ 3640). Литье в чушки массой до 16 кг осуществляют в лигатурных изложницах.

Пример 1
В предварительно нагретый тигель печи СМТ-2 загрузили твердую лигатуру алюминий-цинк-марганец-кремний при соотношении лигатура:магний, равном 1: (18-20), залили из вакуум-ковша магний-сырец марки МГ90 (ГОСТ 804-93) в количестве 1,8 тонн, подогрели расплав до 730-740^oC. При достижении температуры металла 730-740^o в тигель установили нагретую мешалку, выдержали до начала перемешивания 1-1,5 часа, перемешали не более 40-50 минут, ввели навеску титансодержащего плава (ТУ 39-008) при соотношении в смеси с бариевым флюсом в соотношении 1:1, снова перемешали, снизили температуру расплава до 700-710^o. После этого загрузили кальций металлический в виде измельченных кусков при соотношении 1:(500-700) к 1 тонне расплавленного магния. Для этого кусочки кальция помещают в колокол и опускают на дно тигля при температуре расплавленного магния 700^oС. Полученный сплав отстаивали не менее 60 мин и отобрали пробу на полный хим. анализ Al, Mn, Zn, Si и примеси. Состав сплава получили, вес. %: Al - 3,07, Mn - 0,22, Si - 1,03, Са - 0,05, Be 0,0008-0,0012, Zn - не более 0,18, Fe - не более 0,003.

Как видно из таблицы, свойства заявленного сплава на растяжение при температуре 150^oС имеют примерно одинаковый порядок, однако сплав по настоящему изобретению имеет удлинение значительно выше, чем у прототипа и сплава по стандарту.

На чертеже показана микроструктура заявленного сплава после обработки давлением. Как видно из рисунка, размер зерен сплава значительно меньше, чем в прототипе, что говорит об однородной структуре сплава, и за счет этого улучшаются механические свойства заявленного сплава.

Формула изобретения

1. Сплав на основе магния, содержащий алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении, вес.%:
Алюминий - 2,6 - 3,4
Цинк - 0,11 - 0,25
Марганец - 0,24 - 0,34
Кремний - 0,8 - 1,1
Кальций - 0,05 - 0,10
Магний - Остальное
2. Способ получения сплава на основе магния, включающий загрузку легирующих компонентов, заливку расплавленного магния, введение титансодержащего плава с флюсом, выдержку и разливку сплава, отличающийся тем, что в качестве легирующих компонентов используют алюминий, цинк, марганец, кремний и кальций, а загрузку алюминия, цинка, марганца и кремния осуществляют в виде твердой лигатуры алюминий-цинк-марганец-кремний, затем проводят заливку расплавленного магния, расплав нагревают, выдерживают и перемешивают, затем вводят титансодержащий плав с флюсом, расплав снова перемешивают, охлаждают и под слой расплава загружают кальций.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что соотношение кальция к магнию составляет 1:(500-700).

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что расплав охлаждают до 700-710^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3