Сплав на основе магния и способ его обработки в жидком, твердожидком и твердом состояниях для получения изделий с однородной мелкозернистой структурой

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению сплавов на основе магния, и способам их обработки. Сплавы на основе магния используются в качестве конструкционного материала при изготовлении отливок, изделий и деформированных полуфабрикатов для применения в автомобильной, авиационной, ракетно-космической, электронной и других отраслях промышленности. Предложенный сплав содержит следующие компоненты, вес.%: цинк 0,1-30, легкие редкоземельные металлы (ЛРЗМ) 0,05-1,0, марганец 0,001-0,5, алюминий 0,001-0,1, железо 0,0001-0,05, кремний 0,0001-0,05, магний остальное. Предложен способ обработки заявленного сплава, включающий приготовление шихты, приготовление расплава, введение лигатур магний-марганец, магний-цирконий, магний-иттрий и магний-ЛРЗМ, рафинирование расплава, его выстаивание и последующее литье. Перед введением в расплав лигатуры подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры, при этом лигатуры магний-ЛРЗМ и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 мин до начала процесса литья. Техническим результатом изобретения является повышение пластичности, ударной взякости, технологичности при деформации. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 22 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению сплавов на основе магния и способам их обработки. Сплавы на основе магния используются в качестве конструкционного материала при изготовлении отливок, изделий и деформированных полуфабрикатов для применения в автомобильной, авиационной, ракетно-космической, электронной и других отраслях промышленности.

Известны сплавы на основе магния, содержащие цинк, цирконий, редкоземельные металлы.

К ним относятся сплавы МА15, МА20, МЛ11, МЛ10, МЛ9 ("Магниевые сплавы". Справочник. Т. 1, 2. - М.: Металлургиздат, 1978).

Недостатком этих сплавов является неоднородность их зеренной структуры, что служит причиной нестабильности и анизотропии их физико-механических, технологических и служебных свойств. Кроме того, эти сплавы имеют невысокие прочностные свойства при температурах выше 100-150^oС, что ограничивает их применение. Применяемые способы обработки этих сплавов заключаются в следующем: подготовка и подогрев шихтовых материалов, плавка и литье сплавов, термическая обработка слитков и отливок, горячая деформация, прессование, ковка, штамповка и т.п., окончательная термообработка изделий. Однако технологические параметры обработки магниевых сплавов, применяемые на практике (температура нагрева слитков и полуфабрикатов, скорости деформации, режимы упрочняющей термической обработки), не позволяют получить требуемые структуру и свойства изделий.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по составу ингредиентов и способу его обработки для изготовления слитков и всех видов деформированных полуфабрикатов является сплав МА15 (ГОСТ 14957, Россия), имеющий следующий состав, вес.%: Цинк - 2,5-3,5 Цирконий - 0,45-0,90 Кадмий - 1,2-2,0 Лантан - 0,7-1,1 Магний - Остальное Этот сплав, помимо перечисленных выше недостатков аналогичных сплавов, присущих и этому сплаву, содержит токсичный элемент кадмий, использование которого запрещено во многих странах. Кроме того, сплав содержит в качестве легирующей добавки - лантан, являющийся дорогим и дефицитным металлом в сравнении со смесями легких редкоземельных металлов (ЛРЗМ) и мишметаллом (ММ).

Известная технология изготовления сплава МА15 включает этапы: подготовка шихтовых материалов, плавка и литье слитков, горячая деформация слитков. Однако используемый способ получения и обработки сплава МА15 не гарантирует получение мелкозернистой структуры и требуемого уровня свойств, т.к. при этом не используется гомогенерирующая термическая обработка слитка, регламентация скоростных параметров деформации и окончательной термической обработки изделий (Бондарев Б.И. Плавка и литье деформируемых магниевых сплавов. - М.: Металлургия, 1973, с.122-128, 271-279).

Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, содержащего в качестве основы магний, а также цинк и легкий редкоземельный металл и получение ультралегкого (j=1,75-1,8 г/см³) конструкционного материала в виде слитков, отливок, деформированных полуфабрикатов и изделий с регламентированной однородной мелкозернистой структурой с контролируемым содержанием мелкодисперсных выделений первичных и вторичных упрочняющих фаз, равномерно распределенных по объему зерен магниевого твердого раствора без образования непрерывного "скелета" интерметаллидов по их границам.

Поставленная задача достигается тем, что сплав содержит, вес.%: Цинк - 0,1-3,0 Легкие редкоземельные металлы (ЛРЗМ) (один или несколько элементов этой подгруппы - церий, лантан, неодим, празеодим) - 0,05-1,0
Марганец - 0,001-0,5
Алюминий - 0,001-0,1
Железо - 0,0001-0,05
Кремний - 0,0001-0,05
Магний - Остальное
В сплав дополнительно вводят модификатор в виде одной из добавок - цирконий, кальций, стронций, в количестве 0,01-1,0%.

В качестве ЛРЗМ используют их смеси в виде мишметалла (ММ) или Дидимиума (Д), при этом ММ содержит 55% церия, 25% лантана, 15% неодима, 5% празеодима, а Д содержит 85% неодима, 15% празеодима.

Сплав дополнительно содержит: 0,5-5 вес.% иттрия. При литье сплава в него дополнительно вводят 0,01-0,5 вес.% иттрия.

Соотношение железа к кремнию в сплаве выдержано как (2-6):1, а содержание марганца и алюминия соответственно менее 0,1 и 0,02 вес.%.

Содержание легирующих компонентов выдержано в следующих количествах, вес.%:
Цинк - 0,1-2,0
ЛРЗМ (MM) - 0,05-0,2
Цирконий - 0,05-0,3
Иттрий - 0,01-0,5
Марганец - 0,001-0,1
Алюминий - 0,001-0,02
Железо - 0,0001-0,01
Кремний - 0,0001-0,005
Магний - Остальное
Содержание цинка в сплаве должно быть ближе к нижнему пределу (0,1-1,0%), а содержание ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония - ближе к верхнему пределу.

Содержание цинка, ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония - ближе к верхнему пределу.

Содержание цинка, ЛРЗМ (ММ), иттрия, циркония или марганца - ближе к верхнему пределу.

При обработке сплава лигатуры: магний-ЛРЗМ (ММ), магний-иттрий, магний-цирконий, магний-марганец, перед введением их в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры, а лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ) и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 минут до начала процесса литья.

Отливки из сплава подвергают высокотемпературной термической обработке (гомогенизации) по режиму:
320-340^oС в течение 8-12 ч
далее
400-420^oС в течение 10-12 ч
или
320-340^oС в течение 8-12 ч
далее
480-500^oС в течение 10-12 ч
для сплавов с содержанием ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония ближе к верхнему переделу.

Горячая деформация гомогенизированного слитка осуществляется методом прессования, ковки, штамповки в закрытом штампе, по меньшей мере, в два этапа:
Этап предварительный
- температура нагревав заготовки и инструмента - 450-480^oС,
- температура в конце деформации - не более 500^oС,
- скорость деформации (истечения) - максимально возможная,
не менее 0,1 ¹/с,
- степень деформации - не менее 50%
(коэффициент вытяжки более 10).

Этап окончательный
- температура нагрева заготовки и инструмента - 380-400^oС,
- скорость деформации - не более 0,01 ¹/с,
- степень деформации - не менее 25%
(коэффициент вытяжки более 10).

Способ упрочняющей термической обработки сплава осуществляется по режиму:
Температура нагрева - (180±20)^oC
Продолжительность нагрева охлаждение на воздухе - 50-150 ч
Изделия из сплава в виде гранул, тикочипсов, порошка обрабатывают в твердожидком или жидком состоянии при температуре, близкой (+10^oС) к температуре неравновесного солидуса сплава, так, чтобы пластификация твердых заготовок на стадии подачи к форме способствовала их измельчению в процессе трения скольжения, в т.ч. сдвиговой деформации (не менее 3 кг/мм²), облегчающих переход в твердожидкое или жидкое состояние с вязкостью и текучестью, обеспечивающих под давлением подачу однородного расплава в полость формы со скоростью впрыска, исключающей захват газов.

Ниже приведены результаты соответствующих опытов для заявляемого состава сплава и способа его обработки.

Сплав 1
Цинк - 0,1-3,0
ЛРЗМ - 0,05-1,0
(один из элементов этой подгруппы - церий, лантан, неодим, празеодим)
Марганец - 0,001-0,5
Алюминий - 0,001-0,1
Железо - 0,0001-0,05
Кремний - 0,0001-0,05
Магний - Остальное
Опыт 1. Были отлиты три слитка со средним составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплава 1.

В табл. 1 приведен химический состав изготовленных сплавов. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм.

В табл.2 приведены данные по исследованию механических и технологических свойств и микроструктуры предлагаемого сплава по сравнению с прототипом.

Сплав 1 хотя и обеспечивает существенное повышение пластичности, ударной вязкости и технологичности при деформации по сравнению с прототипом, тем не менее, как показывает изучение его структуры, измельченность зерна и стабильность зеренной структуры недостаточна. В связи с чем для измельчения зеренной структуры, обеспечения ее стабильности и повышения механических свойств сплав 1 был дополнительно легирован модификатором.

Проведенные опыты показали, что с целью еще большего (дополнительного) измельчения зерна и обеспечения стабильности однородной мелкозернистой структуры в сплав 1 должен быть дополнительно введен модификатор в виде какой-либо одной из добавок - цирконий, кальций, стронций, цианамид кальция (CaCN₂) или какой-либо другой эффективный модификатор сплава в количестве 0,01-1,0% (сплав 2).

Опыт 2. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплава 2.

В табл. 3 приведен химический состав изготовленных сплавов. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм.

В табл.4 приведены данные по исследованию механических и технологических свойств и микроструктуры этих сплавов и сплава-прототипа.

Элементы подгруппы легких редкоземельных металлов (ЛРЗМ) или цереевой подгруппы РЗМ - это церий, лантан, неодим, празеодим и менее распространенные элементы Pm, Sm, Еu.

Редкоземельные металлы (РЗМ) в сумме довольно широко распространены в природе. Их содержание в земной коре составляет 0,016% и превышает содержание таких широко используемых в промышленности металлов как медь (0,01%), цинк (0,005%), олово (0,004%), свинец (0,0016%). Причем легкие РЗМ более распространены в земной коре, чем тяжелые РЗМ (иттриевая подгруппа) и их содержание составляет 0,0093%. Из легких РЗМ наиболее распространен, причем с большим преимуществом по сравнению с другими, церий, он же является и наиболее дешевым из РЗМ. Из тяжелых РЗМ наиболее распространен иттрий и по распространяемости он находится на втором месте после церия.

Наиболее трудной и дорогостоящей операцией при получении РЗМ является их раздельное получение ввиду близости их физико-химических свойств. Поэтому при использовании РЗМ в качестве легирующих компонентов более эффективно и экономически выгодно использовать не отдельные металлы, а их смеси, получаемые в процессе металлургического передела минералов (сырья), чем отдельные металлы. Вместо отдельных металлов из подгруппы ЛРЗМ можно использовать их смеси. Наиболее распространенной и дешевой смесью ЛРЗМ является мишметалл (ММ).

Мишметалл (MM) - это сплав легких РЗМ приблизительно в соотношениях, в которых они содержатся в рудах (минералах). Мишметалл (ММ) получается без разделения или неполного разделения отдельных РЗМ, что значительно упрощает технологию его производства и делает его более дешевым по сравнению с отдельными РЗМ.

Мишметалл (ММ) обычно состоит из церия, содержание которого колеблется в пределах 50-76%, но не может выходить за эти пределы. Другим основным элементом в мишметалле является лантан, содержание которого может колебаться в пределах 25-40%. В состав ММ могут входить также неодим - около 15%, празедиодим - около 5%. Содержание остальных РЗМ и примесей не превышает 1-2%. Возможны также случаи, когда из ММ извлекают более дорогостоящие неодим и празеодим и ММ состоит фактически из смеси церия и лантана, что еще более удешевляет эту смесь.

Возможно также использовать в качестве смеси ЛРЗМ смесь металлов, состоящую из 85% неодима и 15% празеодима (или 72% неодима, 9% лантана, 8% празеодима, остальное другие РЗМ и примеси), которая называется Дидимиум (Д), и стоимость ее определяется наличием необходимого сырья (руды) у производителя и особенностями технологии извлечения указанных РЗМ из этого сырья.

Были проведены опыты, в которых с целью удешевления сплава 2 в него вместо одного из элементов из подгруппы ЛРЗМ вводилась смесь ЛРЗМ в количестве 0,05-1,0%, обычно это мишметалл (ММ), представляющий смесь состава (ориентировочно) - 55% церия + 25% лантана + 15% неодима + 5% празеодима или, что значительно реже, дидимиум (Дi), имеющий ориентировочный состав 85% неодима + 15% празеодима (сплав 3).

Опыт 3. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным сплава 3. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм.

В табл.5 и 6 приведены соответственно химический состав, механические и технологические свойства и данные по исследованию микроструктуры этих сплавов и сплава прототипа.

Иттрий относится к подгруппе тяжелых РЗМ (ТРЗМ) - иттриевая подгруппа РЗМ, и несмотря на то что он возглавляет подгруппу тяжелых РЗМ, он является самым легким из редкоземельных металлов после скандия, соответственно, 4,457 и 2,989 г/см³. Иттрий в 1,5-2 раза легче других РЗМ (6,17-9,83 г/см³).

Иттрий является наиболее распространенным и дешевым металлом в своей подгруппе РЗМ. Содержание иттрия в земной коре в несколько раз превышает содержание остальных РЗМ иттриевой подгруппы.

В природных соединениях (минеральное сырье) в сумме РЗМ иттриевой подгруппы иттрий содержится в наибольшем количестве и извлекается в значительно большем объеме, чем остальные элементы. В связи с чем иттрий, в т.ч. с учетом его низкой плотности, технически и экономически более выгодно использовать в виде отдельного металла, а не в смеси с другими РЗМ, как в случае ЛРЗМ.

Для иттрия характерен почти в два раза более высокий модуль упругости (Е= 6,61•10³ кг/мм²) по сравнению с ЛРЗМ (3,0-4,0•10³ кг/мм²), в связи с чем можно ожидать существенное повышение прочности межатомных связей при образовании его со сплавами на основе магния твердых растворов.

Иттрий имеет существенно более высокую растворимость в твердом магнии по сравнению с ЛРЗМ, что определяет возможность и необходимость введения его в сплавы на основе магния в значительно большем количестве.

Растворимость иттрия, ЛРЗМ и цинка в твердом магнии при различных температурах (вес.%) приведена в табл.А.

Дополнительное легирование сплавов на основе магния иттрием способствует существенному повышению предела текучести при сжатии, более интенсивному, чем при растяжении. В результате чего эти значения выравниваются.

Для большинства магниевых сплавов, за исключением магниево-литиевых, предел текучести при сжатии в 1,5-2 раза ниже, чем предел текучести при растяжении (анизотропия пределов текучести), что ограничивает использование магниевых сплавов в конструкциях, работающих при сжимающих нагрузках. Указанная особенность магниевых сплавов обусловлена природой деформации ГПУ структуры магния.

Были проведены опыты, в которых с целью повышения прочностных свойств сплавов при повышенных (150-250^oС) и нормальных температурах, в т.ч. с целью уменьшения анизотропии пределов текучести при растяжении и сжатии, в сплавы 2 и 3 был дополнительно введен иттрий в количестве 0,5-5,0% (сплав 4).

Опыт 4. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплавов 4, 5. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм.

В табл. 7 и 8 приведены соответственно химический состав, механические свойства при температурах 20, 150 и 250^oС, в том числе предел текучести при сжатии, и данные по исследованию микроструктуры этих сплавов и сплава-прототипа.

Учитывая, что иттрий образует с кислородом воздуха, в т.ч. при высоких температурах, достаточно прочные окисные пленки, были проведены опыты по оценке влияния малых добавок (0,01-0,5%) иттрия на окисляемость рекомендуемых сплавов при высоких температурах, в том числе в жидком состоянии. Было показано, что указанные добавки иттрия уменьшают возгораемость исследуемых сплавов (сплав 3), улучшают их литейные свойства, в частности склонность к горячим трещинам, и стабилизируют мелкозернистую структуру (сплав 5).

В ряде случаев при литье слитков и изготовлении отливок из предлагаемых сплавов было обнаружено, что измельченность зерна возрастает, т.е. эффект модифицирования усиливается в зависимости от соотношения содержания в сплаве малых добавок железа и кремния. В результате проведенных опытов было установлено, что для усиления эффекта модифицирования присутствующих в сплаве легирующих компонентов и стабилизации полученной в слитках и отливках мелкозернистой структуры отношение содержания железа к кремнию должно быть в пределах 2-6 к 1.

Содержание марганца и алюминия в предлагаемых сплавах, содержащих цирконий, не должно превышать соответственно 0,1 и 0,02%. Эти данные были получены в результате анализа материалов исследования микроструктуры слитков и отливок, который показал, что при более высоких содержаниях указанных элементов в плаве, эффект модифицирования нестабилен и на некоторых видах слитков и отливок наблюдается разнозернистость и крупное зерно.

Опыт 5. Были отлиты слитки пяти составов с различным содержанием железа и кремния и как возможно близкими по содержанию с другими легирующими элементами. На отлитых слитках была исследована микроструктура. Результаты химического анализа сплавов и данные по исследованию микроструктуры приведены в табл.9.

Анализ результатов исследования механических свойств большого числа полуфабрикатов, изготовленных из предлагаемых сплавов, показал, что наиболее высокие и стабильные значения пластичности и ударной вязкости материала, которые определяют повышенную энергопоглощающую способность материала, наблюдаются у сплавов, содержащих легирующие компоненты в следующих количествах, % (сплав 6):
Цинк - 0,1-2,0
ЛРЗМ (MM) - 0,05-0,2
Цирконий - 0,05-0,3
Иттрий - 0,01-0,5
Железо - 0,0001-0,01
Кремний - 0,0001-0,005
Марганец - 0,001-0,1
Алюминий - 0,001-0,02
Содержание летучих компонентов, как в сплаве 6, позволяют получить на отливках, изделиях и деформированных полуфабрикатах высокие пластические характеристики и ударную вязкость при сохранении достаточной прочности.

Пластичность и ударная вязкость предлагаемого сплава в 2-4 раза выше соответствующих характеристик сплава-прототипа и других стандартных магниевых сплавов (табл.10 и 11).

Использование предлагаемого сплава состава 6 для изготовления деталей внутреннего интерьера автомобилей, самолетов и других транспортных средств позволяет существенно снизить вес изделий при соблюдении необходимых требований по безопасности материалов.

Кроме того, следует отметить, что содержание легирующих элементов практически на нижнем пределе позволяет иметь сплав с низкой плотностью (1,75-1,77 г/см³) и сравнительно дешевый, даже относительно традиционных стандартных магниевых сплавов.

Исследование механических свойств слитков, содержащих иттрий, показали, что более высокие значения прочности при повышенных температурах (150-250^oС) наблюдаются для сплавов, в которых содержание иттрия, ЛРЗМ (ММ) и циркония ближе к верхнему пределу, а содержание цинка при этом должно быть 0,1-1,0% (сплав 7).

Химический состав и механические свойства при комнатной температуре и температурах 150, 220 и 250^oС сплавов, отвечающих по составу требованиям сплава 7, приведены в табл.12 и 13.

Сопротивление ползучести при температуре 250^oС сплавов 7-2, 4 (max содержание) и сплава-прототипа при σ=2,5 кг/мм² (25 МПа) за 1000 ч, характеризуемая остаточной деформацией образца (ε), составила соответственно 0,5%; 0,8% и 2,5%. Пределы ползучести (σ¹⁰⁰_0,2) при 150^oС сплавов 7-2, 4 (max содержание) и сплава-прототипа равны соответственно 14, 12 и 3 кг/мм² (140, 120 и 30 МПа).

Наиболее высокие значения прочностных характеристик, в т.ч. предела текучести на сжатие, при нормальных и криогенных температурах достигаются у предлагаемого сплава, если содержание легирующих компонентов цинка, иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония находится ближе к верхнему пределу (сплав 8). При этом сохраняется высокий уровень прочностных свойств и при повышенных температурах.

Химический состав и механические свойства исследованных сплавов приведены в табл.14 и 15.

Проведение опыта по изготовлению гранул (порошка) предлагаемого сплава показали, что возможность литья гранул с более высокими температурами и с высокими скоростями кристаллизации 10²-10⁶ град/с позволяют получить аномально пересыщенные твердые растворы иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония, цинка и марганца в твердом магнии, что дает возможность поддерживать содержание указанных легирующих элементов в сплаве на уровне, близком к верхнему пределу.

На установке центробежного литья гранул были изготовлены гранулы предлагаемого сплава, из которых методом горячего компактирования и прессования изготовлены прутки диаметром 15 мм.

Результаты исследования химического состава предлагаемого сплава и его механических свойств приведены в табл.16 и 17.

Как было сказано выше, используемые в предлагаемом сплаве легирующие элементы в рекомендуемых количествах образуют с основой сплава магнием в большинстве случаев твердые растворы с незначительной пересыщенностью легирующими компонентами, в связи с чем применение упрочняющей термообработки (закалка + искусственное старение) для повышения прочностных свойств нецелесообразно. Однако в том случае, когда предлагаемый сплав рекомендуется как конструкционный материал с повышенной прочностью, возможно применение упрочняющей термообработки для сплавов с содержанием легирующих элементов на уровне, близком к верхнему пределу. Учитывая, что для магниевых сплавов характерна пониженная диффузионная активность атомов в твердом состоянии при охлаждении с высоких температур, упрочнение при распаде пересыщенного твердого раствора может происходить без ускоренного охлаждения с высоких температур (закалки), а только при искусственном старении отливок (изделий) и горячедеформированных полуфабрикатов.

Проведенные опыты показали, что наиболее высокие прочностные свойства в сочетании с оптимальной пластичностью предлагаемого сплава с высоким содержанием легирующих элементом цинка, иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония (сплавы 7 и 8) достигаются после искусственного старения по режиму:
Температура нагрева - (180±20)^oC
Продолжительность нагрева при указанных температурах - 50-150 ч
Охлаждение - На воздухе
В табл.18 приведены механические свойства предлагаемого сплава в горячедеформированном и термически обработанном состоянии.

Предлагаемый сплав может быть изготовлен в виде слитков, отливок, деформированных полуфабрикатов и изделий различными способами его обработки. Необходимым условием для используемого способа обработки предлагаемого сплава является обеспечение (сохранение) однородной мелкозернистой (или близкой к таковой) структуры сплава, которая наряду с упрочняющим действием легирующих элементов определяет высокий уровень физико-механических и служебных свойств.

Способ производства предлагаемого сплава включает приготовление шихты, плавку сплава, рафинирование, выстаивание расплава, литье отливок, гранул, слитков, обточку слитков и горячую деформацию слитков для изготовления полуфабрикатов.

Проведенные исследования и анализ опыта работы с предлагаемым сплавом показали, что с целью уменьшения потерь дорогостоящих легирующих компонентов при плавке и повышения эффективности процесса их вводят в расплав в виде лигатур. Лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ), магний-иттрий, магний-цирконий, магний-марганец перед введением в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры. Лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ) и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 мин до начала процесса литья слитков, отливок, гранул (порошков).

Процессом, благоприятно сказывающимся на получении гомогенной структуры сплавов, является высокотемпературная обработка слитков - гомогенизация.

При гомогенизации создаются условия для выравнивающей диффузии, под действием которой растворяются неравновесные эвтектики и интерметаллидные соединения, выравнивается химический состав и свойства твердого раствора по всему объему зерна. Гомогенизация способствует созданию и стабилизации однородной зеренной и внутризеренной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах, уменьшая и облагораживая избыточные выделения в сплаве.

Учитывая, что предлагаемый сплав является многокомпонентным и легирующие элементы в системах с магнием имеют существенно различающиеся температуры физико-химических превращений, следует принимать это во внимание при выборе режимов гомогенизации сплава.

Так как система магний-цинк имеет температуру равновесной эвтектики 343^oС, а система магний-иттрий и магний-ЛРЗМ (ММ) соответственно в интервале температур 550-610^oС ±3^oС, а магний-цирконий - температуру перетектики 654^oС, то для предлагаемого сплава предпочтительно рекомендовать двухступенчатый режим гомогенизирующего отжига.

I ступень - растворение легкоплавких избыточных фаз, содержащих цинк.

II ступень - растворение избыточных фаз, содержащих иттрий, ЛРЗМ (ММ), цирконий и марганец.

На основе проведенных исследований и с учетом химического, фазового и структурного состава предлагаемого сплава, температуры его неравновесного солидуса в зависимости от состава сплава, а также температуры начала интенсивного процесса коагуляции хрупких скелетообразных составляющих (выделений) сплава были разработаны и предложены режимы гомогенизации слитков и крупногабаритных толстостенных отливок.

I. 320-340^oС - 8-12 ч + 400-420^oС - 10-12 ч.

II. Для сплавов с повышенным содержанием иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония и марганца - 320-340^oС - 8-12 ч + 480-500^oС - 10-12 ч.

Охлаждение слитков после гомогенизации на воздухе.

В табл. 19 приведены результаты исследования микроструктуры и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов после проведения гомогенизирующей обработки слитков.

Анализ результатов исследований влияния степени, температуры и скорости деформации на структуру и механические свойства предлагаемого сплава показал, что стабильная однородная мелкозернистая (полигонизованная) структура при горячей деформации может быть получена только за счет полной и спонтанной рекристаллизации. Температурно-скоростные условия горячей деформации зависят от содержания легирующих элементов в сплаве и состояния структуры исходной заготовки.

Для улучшения зеренной структуры конечного полуфабриката и изделия в нашем случае необходимо использовать предварительно деформированную заготовку из гомогенизированного слитка.

Как было сказано выше, зеренная (полигонизованная) структура в горячедеформированном полуфабрикате формируется либо в процессе деформации при высоких температурах с участием динамической рекристаллизации, либо после окончания горячей деформации за счет спонтанной рекристаллизации, происходящей в сплавах на основе магния практически мгновенно, менее чем за 1-2 с.

Динамическая рекристаллизация проходит в процессе динамического воздействия (деформации) на структуру при высоких температурах, а спонтанная - в процессе остывания металла после горячей деформации за счет энергии, накопленной при деформации.

Зеренная структура, образовавшаяся в результате горячей деформации сплавов на основе магния, является устойчивой (стабильной) и длительное время заметно не меняется при температурах не выше температуры последней деформации, обычно не ниже 350-400^oС.

Проведенные исследования позволили получить необходимые данные по температуре, скорости и степени деформации предлагаемого сплава, которые позволяют создать в деформированном полуфабрикате (изделии) однородную мелкозернистую (полигонизованную) структуру, обеспечивающую повышенные механические и служебные свойства полуфабриката.

Ниже приводятся технологические параметры изготовления промежуточной (горячепрессованной) заготовки, ковки (осадки) и штамповки изделия применительно к изготовлению штампованного диска автомобильного колеса из предлагаемого сплава с регламентированной однородной мелкозернистой (полигонизованной) структурой.

Механические свойства диска автомобильного колеса, полученного по предлагаемому способу обработки предлагаемого сплава, в 1,2-1,5 раза выше, чем свойства диска колеса, изготовленного по известной традиционной технологии.

Следует отметить, что предлагаемый сплав в отличие от других известных деформированных стандартных магниевых сплавов, используемых для изготовления дисков колес, - сплавы МА14 (Россия), ZK60A (США) и др., благодаря своей высокой технологичности при горячей деформации позволяет применять большие суммарные деформации при ковке и штамповке за один переход.

Технологические параметры предлагаемого способа получения (горячей деформации) предлагаемого сплава, обеспечивающие создание регламентированной структуры, приведены ниже:
I. Прессование промежуточной заготовки из гомогенизированного слитка:
- Температура нагрева слитка и контейнера - 450-480^oС, но так, чтобы в конце деформации температура заготовки была не более 500^oС.

- Коэффициент вытяжки - более 10.

- Скорость истечения металла - максимально возможная на прессе, не менее 0,1 ¹/с.

Предлагаемый состав сплава и предварительная гомогенизация слитков позволяют прессовать заготовки с допустимой скоростью истечения металла при прессовании до 20 м/мин, для сравнения прототип - сплав МА15 - допускает скорости истечения до 2 м/мин, сплав МА14 - до 3 м/мин.

II. Ковку (осадку) прессованной заготовки можно совмещать с первой штамповкой заготовки по режиму:
- Использовать выпукло-вогнутые бойки.

- Температура нагрева заготовок и бойков - 450-480^oС, но так, чтобы в конце деформации была не более 500^oС.

- Степень деформации - более 50%.

- Скорость деформации - максимально возможная, не менее 0,1 ¹/с.

III. Предварительная штамповка:
- Температура нагрева заготовки и штампов - 400-450^oС.

- Скорость деформации - не более 0,5 ¹/с.

- Степень деформации - не менее 15-20%.

Предварительный штамп должен быть сконструирован таким образом, чтобы при окончательной штамповке по всему сечению заготовки не было бы объемов металла со степенью деформации менее 20%.

IV. Окончательная штамповка диска автомобильного колеса:
- Окончательный штамп должен обеспечить максимально точную штамповку, чтобы, по возможности, уменьшить механическую обработку поверхности изделия (диска колеса).

- Температура нагрева заготовки - (400±20)^oС.

- Температура штампа - (380±20)^oС.

- Скорость деформации - минимальная на прессе, не более 0,01 ¹/с, т.е. время деформации около 1 мин при степени деформации 50%.

- Ориентировочные данные по требуемым усилиям (давлениям) при штамповке - 10 кг/см². Истинное напряжение течения, необходимое для заполнения формы металлом, в данном случае составляет приблизительно 3-4 кг/мм².

В табл. 20 приведены механические свойства образцов, изготовленных указанным выше способом и по традиционной технологии из предлагаемого сплава.

В последнее десятилетие все большее распространение получают технологии изготовления изделий из магниевых и других сплавов из твердо-жидкого состояния, причем в качестве исходного материала (шихты) используются измельченные твердые заготовки в виде гранул, тиксочипсов, порошка. Одной из таких технологий является Thixomoulding процесс (Т.М. процесс).

Проведенные исследования показали, что предлагаемый сплав в виде гранул, тиксочипсов, порошка может быть использован для изготовления изделий, в том числе тонкостенных, с толщиной стенки 0,5-3 мм, с высоким уровнем механических и служебных свойств, герметичности и качества поверхности.

Получение высоких физико-механических свойств и качества возможно, если изготовление изделий производят из твердожидкого или жидкого состояний при температурах, близких (+10^oС) к температуре неравновесного солидуса сплава.

Обработку твердых заготовок предлагаемого сплава производят способом, при котором пластикация твердых заготовок на стадии подачи к форме осуществляет их измельчение в процессе трения скольжения, в т.ч. с участием сдвиговой деформации, облегчающих переход в твердожидкое или жидкое состояние с вязкостью и текучестью, обеспечивающих подачу однородного сплава (расплава) в полость формы со скоростью (скорость впрыска), исключающей захват газов и создающей возможность ее заполнения для получения герметичного изделия с минимальной пористостью, хорошей поверхностью и точностью размеров, высоким уровнем физико-механических и служебных свойств.

В табл. 21 приведены механические свойства образцов из предлагаемого сплава, полученного методом Т.М. процесса.

Из предлагаемого сплава по предлагаемому способу могут быть, в частности, изготовлены детали автомобиля с требуемыми энергопоглощающими свойствами, как например панели приборов, решетки радиаторов, бамперы.

Формула изобретения

1. Сплав на основе магния, содержащий цинк, марганец, алюминий, железо, кремний и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один легкий редкоземельный металл (ЛРЗМ), выбранный из группы, содержащей церий, лантан, неодим, празеодим при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Цинк - 0,1 - 3,0
ЛРЗМ - 0,05 - 1,0
Марганец - 0,001 - 0,5
Алюминий - 0,001 - 0,1
Железо - 0,0001 - 0,05
Кремний - 0,0001 - 0,05
Магний - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит модификатор в виде одной из добавок, содержащей 0,01-1,0% циркония, кальция или стронция.

3. Сплав по п.2, отличающийся тем, что содержит смесь ЛЗРМ, содержащую 55% церия, 25% лантана, 15% неодима, 5% празеодима (смесь ММ) или смесь ЛРЗМ, содержащую 85 % неодима и 15% празеодима (смесь Д).

4. Сплав по п.2 или 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,5-5,0% иттрия.

5. Сплав по п. 2 или 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,01-0,5% иттрия.

6. Сплав по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что соотношение железа к кремнию составляет (2-6): 1, а содержание марганца и алюминия, соответственно, менее 0,1 и 0,02%.

7. Сплав по п.5, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес.%:
Цинк - 0,1 - 2,0
ЛРЗМ (ММ) - 0,05 - 0,2
Цирконий - 0,05 - 0,3
Иттрий - 0,01 - 0,5
Марганец - 0,001 - 0,1
Алюминий - 0,001 - 0,02
Железо - 0,0001 - 0,01
Кремний - 0,0001 - 0,005
Магний - Остальное
8. Сплав по п.4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес.%:
Цинк - 0,1-1,0
ЛРЗМ (ММ) - 0,84 - 0,92
Цирконий - 0,69 - 0,81
Иттрий - 4,76 - 4,89
Марганец - 0,08 - 0,09
Алюминий - 0,012 - 0,018
Железо - 0,009 - 0,025
Кремний - 0,005 - 0,007
Магний - Остальное
9. Сплав по п.4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес.%:
Цинк - 2,90
ЛРЗМ (ММ) - 0,84
Цирконий - 0,76
Иттрий - 4,88
Марганец - 0,09
Алюминий - 0,018
Железо - 0,003
Кремний - 0,008
Магний - Остальное
10. Сплав по п. 4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес.%:
Цинк - 2,94
ЛРЗМ (ММ) - 0,87
Цирконий - 0,72
Иттрий - 4,93
Марганец - 0,08
Алюминий - 0,015
Железо - 0,01
Кремний - 0,006
Магний - Остальное
11. Способ обработки сплава на основе магния, включающий приготовление шихты, приготовление расплава, введение в расплав лигатур магний-марганец, магний-цирконий, магний-иттрий и магний-ЛРЗМ, рафинирование расплава, его выстаивание и последующее литье, отличающийся тем, что получают сплав в соответствии с любым из пп.4-10 формулы, лигатуры перед введением в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры, при этом лигатуры магний-ЛРЗМ и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 мин до начала процесса литья.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что проводят литье с получением слитков, отливок, гранул, тиксочипсов и порошков.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что полученные слитки гомогенизируют по двухступенчатому режиму: на первой ступени - при 320-340^oС в течение 8-12 ч, на второй при - 400-420^oС в течение 10-12 ч.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что полученные слитки из сплавов в соответствии с п.9 или 10 формулы гомогенизируют по двухступенчатому режиму: на первой ступени - при 320-340^oС в течение 8-12 ч, на второй - при 480-500^oС в течение 10-12 ч.

15. Способ по любому из пп.13 и 14, отличающийся тем, что проводят горячую деформацию гомогенизированного слитка путем прессования, ковки и штамповки в закрытом штампе по меньшей мере в два этапа, при этом предварительный этап проводят при температуре нагрева заготовки и инструмента 450-480^oС, температуре металла в конце деформации - не более 500^oС, скорости деформации - не менее 0,1 с^-1, степени деформации - не менее 50% или коэффициенте вытяжки более 10, а второй этап - при температуре нагрева заготовки и инструмента 380-400^oС, скорости деформации - не более 0,01 с^-1, степени деформации - не менее 25%.

16. Способ по любому из пп.11-15, отличающийся тем, что дополнительно проводят окончательную упрочняющую термическую обработку, включающую нагрев до (180±20)^oС с продолжительностью 50-150 ч и охлаждение на воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23