Пожаробезопасный высокопрочный литейный магниевый сплав Российский патент 2021 года по МПК C22C23/04 C22C23/06 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе магния, предназначенным для изготовления отливок деталей внутреннего набора планера, кронштейнов, корпусов приборов, корпусов опор, а также деталей агрегатов и двигателей, работающих при повышенных температурах 150-250°С.

Известен серийный высокопрочный сплав на основе магния марки МЛ5 следующего химического состава, мас.%:

алюминий 7,5-9,0 цинк 0,2-0,8 марганец 0,15-0,5 магний остальное

(ГОСТ 2856-79.)

Недостатком сплава является низкий предел прочности 235 МПа при комнатной температуре и низкий предел длительной прочности 44 МПа при температуре 250°С, что не соответствует требованиям, предъявляемым к ресурсу и надежности летательных аппаратов нового поколения.

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

неодим 5,0-7,0 церий 3,0-3,5 алюминий 2,0-2,5 кремний 0,5-0,8 серебро 1,5-2,0 ниобий 0,8-1,0 магний остальное

(CN 109881068 А, 14.06.2019.)

Сплав имеет высокую температуру воспламенения около 800°С, но при этом недостаточно высокий предел кратковременной прочности при комнатной температуре (около 280 МПа). Из-за наличия в своем составе высокого содержания редкоземельных металлов (РЗМ) и серебра себестоимость сплава будет высокой по сравнению со сплавами-аналогичного назначения по применению.

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

иттрий 0-10 неодим 0-5

причем сумма иттрия и неодима составляет не менее 0,05,

по меньшей мере, один тяжелый РЗМ из группы: гольмий, лютеций, тулий и тербий 05-5,5 гадолиний 0-3 самарий 0-0,2 по меньшей мере, один элемент из группы: диспрозий 0-8 и/или цирконий 0-1,2 и/или алюминий 0-7,5 по меньшей мере, один элемент из группы: цинк и/или марганец 0-2 скандий 0-15 индий 0-15 кальций 0-3 эрбий до 5,5

(WO 2011117628 А1, 29.09.2011.)

Сплав имеет высокие прочностные характеристики, но ввиду высокого содержания РЗМ, в частности эрбия, плотность которого составляет 9 г/см³, имеет высокую удельную плотность. Также высокое содержание эрбия значительно удорожает сплав и, соответственно, ограничивает его применение.

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

эрбий 4,0-8,5 цинк 1,2-5,1 алюминий 0,5-1,2 марганец 0,1-0,3 титан и/или бор 0,01-0,08 магний остальное

(CN 109852858 А, 07.06.2019.)

Недостатком указанного сплава является сложная технология изготовления с использованием предварительно подготовленного сплава магний-эрбий и последующего его переплавления, а также использование нескольких модифицирующих лигатур на основе Al-Ti-B и Al-Ti, которые способствуют образованию грубой неоднородной структуры сплава, что негативно влияет на механические свойства.

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

цинк 8-10 цирконий 0,7-1 кадмий 0,01-2 бор 0,001-0,1 индий 0,5-2,5 по крайней мере один элемент из группы: неодим, церий, празеодим, лантан, диспрозий, эрбий, гадолиний 0,01-0,3 магний остальное

(RU 2425903 С1, 10.08.2011.)

Недостатком сплава-прототипа является низкое содержание РЗМ, что не способствует повышению предела длительной прочности при повышенных температурах (σ_в при 250°С составляет 45 МПа) и температуры воспламенения. Сплав-прототип ввиду большого содержания легкоплавкого элемента цинка не предназначен для эксплуатации при повышенных температурах порядка 150-250°С.

Таким образом, известные литейные магниевые сплавы не обладают комплексом свойств, сочетающих в себе высокий предел длительной и кратковременной прочности, температурой воспламенения более 700°С и низкой плотностью по сравнению с алюминиевыми сплавами.

Задачей предложенного изобретения является разработка структурно-стабильного пожаробезопасного высокопрочного литейного магниевого сплава с улучшенными физико-механическими характеристиками.

Техническим результатом является повышение температуры воспламенения, длительной прочности при температурах 200-250°С при сохранении высоких значений предела кратковременной прочности и плотности.

Технический результат достигается за счет того, что предложен сплав на основе магния, содержащий цинк, цирконий, неодим, гадолиний, при этом он дополнительно содержит иттрий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: скандий и церий, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: кадмий и кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 0,6-1,5 цирконий 0,6-1,3 кадмий и/или кальций 0,0001-0,03 неодим 1,0-2,95 скандий и/или церий 0,1-0,45 гадолиний 0,5-4,7 иттрий 1,5-3,0 магний остальное

Предпочтительное соотношение концентраций иттрия к цинку составляет 1,8-2,2.

Сплав может дополнительно содержать бериллий в количестве 0,01-0,09 мас.%.

По результатам исследований установлено, что комплексное легирование сплава редкоземельными элементами - церием и/или скандием, неодимом и гадолинием совместно с иттрием при повышенных до указанных значений концентраций церия, неодима и гадолиния обеспечивает гетерогенную структуру сплава, состоящую из твердого раствора легирующих элементов в магнии и избыточных вторых фаз, представляющих собой химические соединения легирующих элементов между собой или с магнием.

Образование термостабильных дисперсных частиц интерметаллидов (ZnZr₃, (Gd_0,5 Nd_0,5) Zn, Mg₂₄Y_5; Mg₅Gd, ZnY, Mg₆Ce и др.), образующихся после старения закаленного состояния сплава, затрудняет пластическую деформацию при повышенных температурах, благодаря чему обеспечивается высокая жаропрочность сплава - повышение длительной прочности при температурах 200-250°С до 110-120 МПа и температуры воспламенения магниевого сплава не менее чем на 100°С по сравнению с серийными сплавами без указанных РЗМ, для которых она составляет не более 650-700°С.

Известно, что жаропрочные сплавы с низким содержанием цинка имеют низкий предел кратковременной прочности при комнатной температуре. Однако в предлагаемом сплаве дополнительное упрочнение твердого раствора указанными выше редкоземельными элементами в регламентированном количестве приводит к его повышению.

Легирование РЗМ в количестве не более 11,1 мас.% не приводит к увеличению плотности сплава выше значений плотности сплава-прототипа (1950 кг/м³).

Кадмий и/или кальций увеличивают кратковременную прочность за счет упрочнения твердого раствора путем неограниченной растворимости в магнии и снижают окисляемость расплава во время выплавки за счет образования оксидной пленки на поверхности расплава.

Предпочтительное соотношение концентраций иттрия к цинку, составляющее 1,8-2,2, способствует образованию термостабильных дисперсных частиц интерметаллида ZnY, дополнительно повышающих кратковременную прочность и жаропрочность сплава.

Дополнительное модифицирование предлагаемого сплава бериллием в количестве 0,01-0,09 мас.% существенно уменьшает окисляемость жидкого сплава, что приводит к образованию его гетерогенной структуры без неметаллических включений и, соответственно, способствует стабильности механических свойств.

Примеры осуществления

В плавильной печи ПТ-0,16 с газовым обогревом была проведена выплавка предлагаемого сплава и сплава, взятого за прототип. Масса каждой плавки составляла не менее 10 кг. Часть приготовленного расплава заливали в кокиль, из полученных слитков вытачивали образцы для проведения испытаний на длительную прочность и горючесть. Другую часть расплава заливали в формы из холодно-твердеющей смеси, отдельно отлитые образцы использовали для определения механических свойств сплавов при комнатной температуре.

Составы образцов сплава приведены в таблице 1.

Механические свойства сплава при комнатной температуре (t=20°С) исследовали в соответствии с ГОСТ 1497, предел длительной прочности исследовали в соответствии с ГОСТ 10145-81. Огневые испытания проводили в соответствии с авиационными правилами АП-25.

Определение механических свойств проводили на 5 образцах каждого состава.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Полученные результаты подтверждают преимущества предлагаемого сплава. По значениям длительной прочности при температуре 250°С предлагаемый сплав в 2,9 и более раз превосходит сплав-прототип, по температуре воспламенения - не менее чем на 100°С. Кратковременная прочность при комнатной температуре и плотность при этом сохраняются на уровне сплава-прототипа.

Образцы сплавов по примерам №№3, 6, 9, 12, в которых содержание иттрия превосходит содержание цинка в 1,8-2,2 раза, обладают более высокими значениями длительной и кратковременной прочности.

Образцы сплавов по примерам №№1,5,12, в которых в строго регламентированных количествах присутствует бериллий, обладают более стабильными прочностными характеристиками (разброс значений кратковременной прочности по пяти образцам одинакового состава не превышает 5 МПа).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным сплавам на основе магния, предназначенным для изготовления отливок деталей внутреннего набора планера, кронштейнов, корпусов приборов, корпусов опор, а также деталей агрегатов и двигателей, работающих при повышенных температурах 150-250°С. Cплав на основе магния содержит, мас.%: 0,6-1,5 цинка, 0,6-1,3 циркония, 0,0001-0,03 кадмия и/или кальция, 1,0-2,95 неодима, 0,1-0,45 скандия и/или церия, 0,5-4,7 гадолиния, 1,5-3,0 иттрия, магний - остальное. Техническим результатом является повышение температуры воспламенения, длительной прочности при температурах 200-250°С при сохранении высоких значений предела кратковременной прочности и плотности. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 13 пр.

1. Сплав на основе магния, содержащий цинк, цирконий, неодим, гадолиний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: скандий и церий, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы: кадмий и кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 0,6-1,5 цирконий 0,6-1,3 кадмий и/или кальций 0,0001-0,03 неодим 1,0-2,95 скандий и/или церий 0,1-0,45 гадолиний 0,5-4,7 иттрий 1,5-3,0 магний остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что соотношение концентраций иттрия к цинку составляет 1,8-2,2.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий в количестве 0,01-0,09 мас.%.