СПЛАВ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2015 года по МПК C22C23/04 C22C23/06 

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 σ_B σ_0,2сж δ σ_B V_корр 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

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.

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.