Сплав на основе магния

Изобретение относится к области металлургии, а именно: к литейным сплавам на основе магния. Предложен сплав на основе магния, содержащий, мас. %: Zn 0,3-1,0, Zr 0,4-0,8, Cd 0,001-0,8, Yb 0,001-0,4, по крайней мере, два редкоземельных металла, выбранных из группы: Nd, Y, Gd, Dy 3,0-10,5, Mg - остальное. Сплав характеризуется высокой жаропрочностью и ударной вязкостью. 1 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно: к литейным сплавам на основе магния, предназначенным для изготовления литых корпусов отсеков различного назначения, маслоагрегатов, вентиляторов, кронштейнов, приборов, корпусов опор и других деталей, работающих при повышенных температурах 150-250°C.

Известен литейный сплав на основе магния для работы при повышенных температурах следующего химического состава, мас. %:

Nd	2,2-2,6
Zr	0,4-0,1
Zn	0,1-0,7
Mg	остальное

(ГОСТ 2856-79 "Сплавы магниевые литейные").

Недостатком сплава является низкий предел прочности σ_B=235 МПа, что не соответствует требованиям, предъявляемым к ресурсу и надежности летательных аппаратов нового поколения.

Известен литейный сплав на основе магния следующего химического состава, мас. %:

Nd	1,6-2,3
Y	1,4-2,2
Zr	0,4-1,0
Zn	0,1-0,6
Mg	остальное

(ГОСТ 2856-79 "Сплавы магниевые литейные").

Недостатком сплава является его низкие механические свойства. При температуре 20°C предел прочности σ_B равен 220 МПа, а предел текучести σ_0,2=120 МПа.

Известен литейный магниевый сплав на основе магния для работы при повышенных температурах следующего химического состава, мас %:

Но	8-12
Nd	3-6
Zn	0,4-1,0
Zr	0,4-0,6
примеси Ni, Cu, Fe, Si, Al	менее 0,05
Mg	остальное

(CN 2011174120 A, 10.08.2011).

Недостатком известного сплава является его высокая стоимость из-за наличия одного из самых дорогих легирующих элементов - гольмия. Кроме того, при выплавке сплава возможно образование пленистых включений, которые не позволяют получить отливки высокого качества.

Известен сплав на основе магния следующего химического состава, мас. %:

Zn	8,0-8,5
Zr	0,7-0,9
Cd	0,1-0,2
Ag	2,5-3,0
В	0,1-0,15
Mg	остальное

(RU 2355802 C1, 20.05.2009).

Известный сплав имеет высокие механические свойства при температуре t=20°C, но разупрочняется при повышении температуры до 180-250°C. Указанный недостаток не позволяет использовать его в изделиях, эксплуатирующихся при повышенных температурах. Недостатком известного сплава является наличие в нем серебра в качестве упрочняющей легирующей добавки. Указанная добавка требует строгой отчетности при выплавке и механической обработке сплава.

Наиболее близким аналогом является сплав следующего химического состава, мас. %:

Zn	8,0-10,0
Zr	0,7-1,0
Cd	0,01-2,0
В	0,001-0,10
In	0,5-2,5
по крайней мере, один РЗМ из группы Nd, Се, Pr, La,
Dy, Er, Gd	0,01-0,3
Mg	остальное

(RU 2425903 C1, 10.08.2011).

Недостатком сплава-прототипа являются низкие значения жаропрочных характеристик при повышенных температурах. Так, длительная прочность сплава за 100 часов при 250°C составляет $${\sigma }_{100}^{250}=40-45\text{ МПа}$$ . Предел ползучести при 150°C за 100 часов составляет $${\sigma }_{\mathrm{0,2}100}^{250}=83\text{ МПа}$$ .

Техническим результатом является повышение жаропрочности и ударной вязкости сплава на основе магния.

Для достижения технического результата предложен Сплав на основе магния, включающий цинк, цирконий, кадмий и, по крайней мере, два редкоземельных металла, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттербий, а редкоземельные металлы выбираются из группы: неодим, иттрий, гадолиний и диспрозий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Zn	0,3-1,0
Zr	0,4-0,8
Cd	0,001-0,8
Yb	0,001-0,4
по крайней мере, два редкоземельных металла,
выбранных из группы: Nd, Y, Gd, Dy	3,0-10,5
Mg	остальное

Экспериментально установлено, что легирование предложенного сплава, по крайней мере, двумя редкоземельными металлами, выбранными из группы: Nd, Y, Gd, Dy, а также дополнительное легирование иттербием при заявленном соотношении компонентов повышает жаропрочные характеристики, а именно: предел длительной прочности $${\sigma }_{100}^{250}$$ до 100-110 МПа, предел ползучести $${\sigma }_{\mathrm{0,2}\text{ 100}}^{250}$$ до 60 МПа и ударную вязкость KCU до 45-50 кДж/м² при сохранении высокого предела прочности при комнатной температуре ( $${\sigma }_B^{20}=270-280\text{ МПа}$$ ).

Совместное легирование, по крайней мере двумя редкоземельными металлами, выбранными из группы неодимом, иттрием, гадолинием и диспрозием, позволяет усилить эффект их влияния на структуру и прочностные характеристики сплава за счет увеличения растворимости и образования значительной области α-твердых растворов. Высокая температура плавления у РЗМ, большая стабильность сложнолегированного твердого раствора, увеличение электронной концентрации при введении в магниевый сплав трехвалентных редкоземельных металлов повышает силы межатомной связи. Дополнительное легирование иттербием усиливает дисперсность интерметаллических соединений, образующихся в предложенном сплаве, таких как (MgZn)₁₂Nd, Mg₆Gd, Mg[Y,Gd,Dy,Yb], Mg₂₄Y₅, которые при термической обработке переходят в а-твердый раствор, упрочняя его и обеспечивая создания гетерофазной тонкой структуры, за счет чего достигается высокая жаропрочность сплава.

Примеры осуществления.

Предлагаемый сплав и сплав-прототип приготавливали в одинаковых условиях. В тигель газового горна загружали магний, после его расплавления вводили расчетные компоненты сплава. Затем выполняли технологические операции, необходимые для приготовления сплава. Плавку вели с применением флюса ВИ2. Масса каждой плавки составляла 8 кг. Из приготовленного сплава заливали слитки в кокиль диаметром 20 мм для вытачивания из них образцов и проведения испытаний жаропрочности и ударной вязкости, также заливали отдельно отлитые образцы диаметром 12 мм для определения механических свойств сплавов при комнатной температуре. Сравнительные механические свойства сплавов при комнатной температуре (t=20°C) исследовали в соответствии с ГОСТ 1497, жаропрочные характеристики сплавов - пределы длительной прочности и ползучести исследовали в соответствии с ГОСТ 10145-81 и 3248-81. Ударную вязкость KCU исследовали в соответствии с ГОСТ 9454-78.

В табл. 1 представлены составы предлагаемого сплава и сплава-прототипа и их свойства.

Полученные результаты подтверждают преимущества предлагаемого сплава. По значениям длительной прочности за 100 часов при t=250°C предлагаемый сплав в 2 и более раз превосходит сплав-прототип; по значениям ударной вязкости - на 45-50%. Предлагаемый жаропрочный литейный магниевый сплав может быть использован в узлах двигателей и агрегатов, для корпусных деталей насосов, вентиляторов, опор, маслоагрегатов, для работы изделий в интервале температур 20-250°C. Использование сплава позволит повысить весовую эффективность на 15-20%, эксплуатационную надежность и долговечность деталей авиакосмических изделий, а также двигателей наземного базирования в газоперекачивающих установках.

Сплав на основе магния, включающий цинк, цирконий и кадмий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттербий и, по крайней мере, два редкоземельных металла, выбранных из группы: неодим, иттрий, гадолиний и диспрозий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Zn	0,3-1,0
Zr	0,4-0,8
Cd	0,001-0,8
Yb	0,001-0,4
по крайней мере, два редкоземельных металла,
выбранных из группы: Nd, Y, Gd, Dy	3,0-10,5
Mg	остальное