Способ обработки магниевых сплавов с иттрием и гадолинием Российский патент 2024 года по МПК C22F1/06 B21J5/00 

Изобретение относится к сплавам на основе магния, в частности к способам их деформационной обработки. Магний и сплавы на его основе характеризуются низким удельным весом, демпфирующей способностью и возможностью их применения в качестве легких конструкционных материалов в автомобилестроении, авиационной и космической отраслях.

Однако повышение прочностных характеристик магниевых сплавов является актуальной задачей, особенно для работы изделий в условиях нагрева. Наиболее распространенные легирующие элементы для магния, такие как, например, алюминий, цинк, марганец, не обеспечивают упрочняющее действие в сплавах при повышенных температурах. Для этой цели успешно используются редкоземельные металлы. Редкоземельные металлы в твердом магнии имеют переменную растворимость, которая уменьшается с понижением температуры, поэтому магниевые сплавы, содержащие их, упрочняются по механизму дисперсионного твердения с выделением частиц интерметаллидных соединений. Среди редкоземельных металлов в качестве легирующих компонентов для магния наилучшим образом показали себя иттрий и гадолиний, а также их различные сочетания, включающие цирконий в качестве модифицирующей добавки. Поэтому к сплавам системы Mg-Y-Gd-Zr проявляется большой интерес. С целью снижения стоимости более дорогостоящих иттрия и гадолиния целесообразно использование и менее дорогих редкоземельных металлов, которые могут частично заменять иттрий и гадолиний без потери механических свойств сплавов. В частности, такими элементами могут быть редкоземельные металлы первой половины ряда лантана, такие как церий, празеодим, неодим, самарий, добавка которых в небольшом количестве позволяет также сокращать продолжительность упрочняющей термической обработки старением. С другой стороны, для повышения прочности и пластичности магниевых сплавов применяется деформационная обработка, которая способствует измельчению зеренной структуры, тем самым определяя благоприятный комплекс механических и технологических свойств. При этом следует учесть, что, обеспечивая жаропрочность магниевых сплавов, редкоземельные металлы, которые из-за большой растворимости в магнии могут содержаться в достаточно больших количествах, также замедляют диффузионные процессы. Поэтому достижение наибольших прочностных свойств за счет сочетания дисперсионного и деформационного упрочнения может быть затруднено и требовать оптимизации режимов термической и механической обработок.

Известен способ обработки магниевого сплава системы Mg-Y-Nd-Zr методом равноканального углового прессования RU 2678111 C1. Способ термомеханической обработки сплава на основе магния системы Mg-Y-Nd-Zr включает гомогенизирующий отжиг при температуре 500-530°С в течение 7-9 ч с последующим охлаждением на воздухе и равноканальное угловое прессование, которое проводят ступенчато в интервале температур 425-300°С с суммарной истинной деформацией 6,0-8,0. При этом равноканальное угловое прессование на каждой ступени осуществляют при температуре на 25°С ниже температуры предыдущей ступени до получения структуры, состоящей из зерен размером менее 1 мкм. В способе показано получение прочностных характеристик до 300 МПа с относительным удлинением 13,2%. Недостатком этого способа являются технические сложности его применения к заготовкам больших размеров и необходимость применения огромных усилий в прессах.

Известны способы гибридной обработки магниевых сплавов RU 2716612 C1, RU 2758798 C1. Способы включают гомогенизирующий отжиг, всестороннюю изотермическую ковку и изотермическую прокатку. Всестороннюю изотермическую ковку проводят ступенями и с постепенным увеличением скорости осадки. Данные способы являются технологически трудоемкими и могут быть применимы для получения изделий специального или особого назначения.

Известен способ обработки магниевого сплавов системы Mg-Al-Zn методом ротационной ковки RU 2664744 C1. Способ включает в себя предварительную обработку гомогенизационным отжигом при 450-500°С, ротационную ковку с суммарной истинной деформацией 2,5-3, которую осуществляют ступенчато в интервале температур 400-350°С с понижением температуры на каждой ступени 25°С до получения структуры, состоящей из зерен со средним размером менее 5 мкм, с большой плотностью двойников деформации. Достигаемый уровень свойств определяется пределом прочности 380 МПа и пределом текучести 330 МПа при относительном удлинении 12,6%. Несмотря на хорошие механические свойства, данный способ исключает возможность упрочнения для дисперсионно твердеющих сплавов, а температуры деформации со ступенчатым снижением не могут быть достаточными для протекания диффузионных процессов и эффективной пластической деформации в магниевых сплавах с редкоземельными металлами.

Известен способ получения проволоки из магниевого сплава методом ротационной ковки CN 101745592 B. Способ рассматривает невысокие до 200°С нагревы перед деформацией для сплавов Mg-Al-Zn и не подходит для магниевых сплавов с редкоземельными металлами.

Известен также деформируемый магниевый сплав и способ его получения CN 102828094 В. В указанном патенте сплавы содержат редкоземельные металлы неодим (0,1-10 масс. %), гадолиний (10-12 масс. %), иттрий (3-5 масс. %), а также цинк (0,5-2 масс. %) и цирконий (0,3-0,8 масс. %). Литые заготовки сплавов рекомендуется обрабатывать на твердый раствор при температурах 500-550°С в течение 2-32 ч, затем проводить экструзию при температурах 380-480°С со степенью вытяжки 13 и искусственное старение при 180-250°С в течение 2-100 ч. В сплавах, содержащих редкоземельные металлы, при данном способе обработке могут быть достигнуты предел прочности 420 МПа и предел текучести 320 МПа при относительном удлинении 3,5-4,8%, при этом формируется структура, в которой выделившаяся фаза тройного соединения магния, иттрия и цинка располагается вдоль направления экструзии. Данный способ обработки магниевых сплавов с редкоземельными металлами можно рассматривать в качестве прототипа, как наиболее близкий к предлагаемой обработке. Недостатками такого способа обработки является то, что заявленный уровень свойств может быть достигнут преимущественно в сплавах с высоким содержанием дорогостоящих редкоземельных металлов, а экструзия должна проводится только при высоких степенях вытяжки, при этом прочностные возможности сплавов остаются не исчерпанными при невысокой пластичности.

Задачей данного изобретения является создание способа обработки магниевых сплавов с иттрием и гадолинием, которые также могут содержать небольшие добавки других редкоземельных металлов, позволяющего получить на стандартном оборудовании продукт с высокими прочностными характеристиками, который также мог бы быть использован для работы при повышенных (до 300°С) температурах.

Техническим результатом изобретения является многократное повышение прочностных характеристик: предела прочности более чем в 2 раза и условного предела текучести более чем в 3 раза при достаточной конструкционной пластичности.

Технический результат достигается тем, что магниевые сплавы с иттрием и гадолинием подвергаются предварительной термообработке путем гомогенизационного отжига при температуре 510-520°С в течение 6-8 ч с последующей закалкой в воде комнатной температуры, деформации методом ротационной ковки при температуре 450-460°С с суммарной истинной деформацией 1,5-2, в процессе которой происходит выделение упрочняющих богатых редкоземельными металлами фаз, и последующей термической обработке старением при 200°С в течение 32-64 ч до получения структуры, состоящей из зерен размером 20-35 мкм, двойников деформации, а также ультрадисперсных частиц интерметаллидных фаз.

Сущность изобретения заключается в следующем. Проводимый предварительный гомогенизационный отжиг слитков в интервале температур 510-520°С в течение 6-8 ч с закалкой в воде комнатной температуры позволяет получить в сплавах с иттрием и гадолинием, однородную структуру, устранить химическую ликвацию, обеспечить необходимую пластичность для проведения последующей ротационной ковки и максимально насытить магниевый твердый раствор редкоземельными металлами, входящими в состав сплавов. Поскольку редкоземельные металлы замедляют в магнии диффузионные процессы, гомогенизационный отжиг осуществляется в более высоком интервале температур, близких к эвтектическим, нежели для стандартной обработки магниевых сплавов, не содержащих редкоземельные металлы. В результате чего полученная структура сплавов должна быть преимущественно однофазной и состоять из зерен магниевого твердого раствора размером 80-100 мкм.

Ротационная ковка проводится при температуре нагрева 450-460°С за 15-20 проходов, обеспечивая истинную деформацию 1,5-2. Выбранная температура нагрева ротационной ковки является более высокой по сравнению с используемыми обычно обработками сплавов и обусловлена тем, что наличие редкоземельных металлов в магниевых сплавах в общем затрудняет обработку таких материалов деформационными методами. В процессе ротационной ковки проходят два процесса, каждый из которых вносит вклад в упрочнение сплавов. С одной стороны, идет поэтапное измельчение зерен и нарастание в них плотности двойников деформации, с другой стороны - происходит распад пересыщенного магниевого твердого раствора, полученного на этапе гомогенизационного отжига и закалки. В результате распада пересыщенного магниевого твердого раствора выделяются упрочняющие частицы интерметаллидных фаз, обогащенные редкоземельными металлами, размер которых в зависимости от состава сплава может меняться от наноразмерных до 1,5 мкм. Таким образом, на этапе завершения проведения ротационной ковки получается структура сплавов, состоящая из зерен магниевого твердого раствора размером 20-35 мкм, внутри которых присутствуют двойники деформации, а также присутствуют частицы интерметаллидных фаз, которые являются армирующим компонентом в магниевой матрице. Поскольку повышенная температура ротационной ковки 450-460°С незначительно ниже температуры гомогенизационного отжига 510-520°С, распад твердого раствора, идущий в процессе деформации, является лишь частичным. Таким образом, магниевый твердый раствор остается по-прежнему достаточно насыщенным, а значит на этом этапе сплавы после деформации имеют дополнительный потенциал для упрочнения по механизму дисперсионного твердения при старении при более низкой температуре.

Последующее старение при 200°С в течение 32-64 ч обеспечивает максимальное упрочнение сплавов в результате распада магниевого твердого раствора. При этом частицы интерметаллидных фаз, выделяющиеся при старении 200°С, в отличие от выделившихся частиц при 450-460°С в процессе деформации, являются ультрамелкодисперсными, в том числе могут сохранять когерентность с магниевой матрицей, тем самым препятствуя базисному скольжению.

Пример №1.

Обработке подвергали сплав Mg - 3,9% Y - 5,8% Gd - 0,3% Zr (масс. %).

Полученные литьем заготовки диаметром 19 мм гомогенизировали при температуре 515°С в течение 6 ч и закаливали в воду комнатной температуры. После гомогенизационного отжига сплавы имели однородную структуру, состоящую из зерен магниевого твердого раствора со средним размером 90,7±3,4 мкм. После гомогенизационного отжига при испытаниях на растяжения были получены следующие механические свойства - предел прочности 230 МПа, условный предел текучести 160 МПа и относительное удлинение 9,3%.

Ротационную ковку проводили на ротационно-ковочной машине РКМ 2129.02 при температуре 450°С до конечного диаметра прутка 9 мм, так что суммарная истинная деформация составила 1,6. Ротационная ковка привела к измельчению зеренной структуры в 4 раза со средним размером зерна магниевого твердого раствора 23,1±0,7 мкм. В пределах зерен магниевого твердого раствора наблюдались также двойники деформации. Распад пересыщенного магниевого твердого раствора в процессе деформации с образованием мелкодисперсных фаз, богатых редкоземельными металлами, подтверждался результатами изучения кинетики старения, определяемой по изменению твердости и удельного сопротивления сплавов в зависимости от продолжительности старения. После ротационной ковки прочностные свойства достигли высоких значений в сочетании с хорошей пластичностью. Предел прочности составил 390 МПа, условный предел текучести - 360 МПа, относительное удлинение - 7,6%.

После ротационной ковки прутки сплава подвергали изотермическому старению при 200°С в течение 64 ч, что соответствовало максимальному приросту твердости сплавов. Проведение дополнительного старения не привело к видимому изменению микроструктуры в оптическом микроскопе - сохраняется размер зерна и присутствующие в них двойники деформации. Однако в зернах сплавов присутствовал рябой контраст, свидетельствующий о протекании процессов распада и выделении мелкодисперсных фаз, богатых редкоземельными металлами. В состаренном после ротационной ковки состоянии в сплаве были получены механические свойства: предел прочности - 485 МПа, условный предел текучести - 455 МПа, относительное удлинение - 4,6%.

Пример №2.

Обработке подвергали сплав Mg - 3,1% Y - 4,4% Gd - 0,6% Sm - 0,1% Zr.

Литые заготовки диаметром 19 мм гомогенизировали при температуре 515°С в течение 6 ч и закаливали в воду комнатной температуры. Гомогенизация способствовала формированию однородной структуры, состоящей из зерен магниевого твердого раствора с средним размером зерна 92,4±3,0 мкм, которая обеспечила предел прочности 190 МПа, условный предел текучести 120 МПа, относительное удлинение 11,3%.

Ротационную ковку осуществляли при температуре 450°С до конечного диаметра прутка 9 мм с суммарной истинной деформацией 1,6. Исследование микроструктуры деформированного сплава выявило после ротационной ковки присутствие двойников деформации в структуре со средним размером зерен 30,1±0,9 мкм. Предел прочности составил 365 МПа, условный предел текучести - 350 МПа, относительное удлинение - 7,0%

Последующее после ротационной ковки старение при 200°С в течение 64 ч, соответствующее максимальному упрочнению, позволило достичь предела прочности 405 МПа, условного предела текучести 385 МПа с относительным удлинением 6,7%

Пример №3

Обработке подвергали сплав Mg - 3,6% Y - 5,1% Gd - 1,2% Sm - 0,3% Zr.

Литые заготовки диаметром 19 мм подвергали гомогенизирующему отжигу при 520°С в течение 6 ч и закаливали в воду комнатной температуры. После гомогенизации зерна магниевого твердого раствора имели средний размер 92,6±3,1 мкм, а механические свойства составили 255 МПа по пределу прочности, 180 МПа по условному пределу текучести и при относительном удлинении 4,3%.

Ротационную ковку проводили при температуре 460°С также до конечного диаметра прутка 9 мм суммарной истинной деформацией 1,6. Микроструктура сплавов после ротационной ковки состояла из зерен магниевого твердого раствора со средним размером 33,6±1,2 мкм, в которых также присутствовали двойники деформации. Механические испытания показали, что в деформированном состоянии достигаются механические свойства: предел прочности - 380 МПа, условный предел текучести - 335 МПа, относительное удлинение 7,0%.

После ротационной ковки следовало старение при 200°С в течение 64 ч, обеспечивающее максимальное упрочнение. Дополнительное старение, проводимое после ротационной ковки, привело к дополнительному повышению прочностных свойств до 460 МПа по пределу прочности, 430 МПа по условному пределу текучести, с относительным удлинением 4,5%

Изобретение относится к сплавам на основе магния системы Mg-Y-Gd-2r, которые также дополнительно могут содержать в небольшом количестве другие редкоземельные металлы, в частности к способам их деформационной обработки, и может быть использовано в автомобильной промышленности, авиационной отрасли и ракетостроении в качестве легкого конструкционного материала для изделий, работающих при комнатной и при повышенных (до 300°С) температурах. Способ обработки магниевых сплавов с иттрием и гадолинием включает предварительную термическую обработку путем гомогенизационного отжига при температуре 510-520°С в течение 6-8 ч с последующей закалкой в воде комнатной температуры, деформацию методом ротационной ковки при температуре 450-460°С с суммарной степенью деформации 1,5-2 и последующую термическую обработку старением при 200°С в течение 32-64 ч. При этом в процессе обработки формируется структура, состоящая из зерен размером 20-35 мкм, двойников деформации, а также упрочняющих частиц интерметаллидных фаз, богатых редкоземельными металлами. Техническим результатом изобретения является многократное повышение прочностных характеристик (предела прочности более чем в 2 раза и повышение условного предела текучести более чем в 3 раза) при достаточной конструкционной пластичности.

Способ обработки магниевых сплавов с иттрием и гадолинием, включающий предварительную термическую обработку сплава, ротационную ковку и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что предварительную термическую обработку проводят путем гомогенизационного отжига при температуре 510-520°С в течение 6-8 ч с последующей закалкой в воде комнатной температуры, ротационную ковку выполняют при температуре 450-460°С с суммарной истинной деформацией 1,5-2, а последующую термическую обработку проводят путем старения при температуре 200°С в течение 32-64 ч до получения структуры, состоящей из зерен магниевого твердого раствора размером 20-35 мкм, внутри которых присутствуют двойники деформации и ультрадисперсные частицы интерметаллидных фаз, обогащенных иттрием и гадолинием.