Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2554269:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области машиностроения и авиастроения, в частности к высокопрочному и жаропрочному магниевому сплаву. Сплав на основе магния содержит, мас.%: цинк 0,1-3,0; цирконий 0,05-0,9; кальций 0,005-0,1; кадмий 0,001-0,004; кремний 0,005-0,05; бериллий 0,0005-0,01; иттрий 3,5-9,5; неодим 2,01-2,5; лантан 0,05-1,5; магний - остальное. 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. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
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 σв=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 (Hµ) 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 νкрит. Величина νкрит характеризует собой минимальную скорость деформации (растяжения) затвердевающего в процессе сварки сплава, которая приводит к появлению горячей трещины в испытуемом сечении. Повышение νкрит свидетельствует об уменьшении склонности к образованию трещин.
Значения νкрит 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.
