Высокопрочные сплавы системы Mg - Al - Zr

Явление измельчения зерна магния под воздействием циркония, сопровождаемое существенным повышением прочностных и пластических свойств (рис. 1.2), было обнаружено в 1937 году и послужило основанием для разработки сплавов без алюминия.

Рис. 1.2. Влияние циркония на число зерен (n/мм²), предел прочности (σ_в), предел текучести (σ_0,2) и относительное удлинение (δ).

Видно, что наибольшее измельчение зерна происходит при содержаниях циркония более 0,5%. При этом наблюдается и наиболее сильное повышение условного предела прочности. Условный предел текучести интенсивно повышается до содержания циркония около 0,5-0,6%. Объяснение полученных результатов можно получить из рассмотрения диаграммы состояния сплавов магний - цирконий (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Начальный участок диаграммы состояния  сплавов Mg - Zr.

Со стороны магния при температуре 654⁰ С имеется перитектическое превращение. Растворимость циркония в жидком магнии при этой температуре составляет 0,6%, а в твердом магнии 3,6%. Растворимость циркония в твердом магнии при понижении температуры резко уменьшается и при 300⁰ С составляет около 0,3%. Следует обратить внимание на резкое повышение температуры ликвидуса при содержаниях циркония свыше 0,6%.

В сплавах, содержащих 0,6% и более циркония к моменту кристаллизации основного твердого раствора будут находиться кристаллы циркония, которые являются зародышами. Структура сплава измельчается. Заметное уменьшение размера зерен в сплавах наблюдается при меньших содержаниях циркония. Уже после введения 0,2-0,3% Zr размер зерна уменьшается в 30-40 раз, а при введении 0,5-0,6% — в 80-100 раз.

Несмотря на то, что принятое по ГОСТу содержание циркония в сплавах укладывается в пределы от 0,4 до 1,1%, фактическое его содержание должно быть меньше. Для получения высоких механических свойств желательно иметь в сплаве не менее 0,6% циркония, а получить более 1,0% в реальных литейных цехах крайне затруднительно.

Модифицирующий эффект циркония сохраняется при введении в магний таких элементов, как цинк, кадмий, церий, кальций, торий, серебро, которые являются легирующими для некоторых сплавов и элементов, которые присутствуют как примеси — таких, как свинец, висмут, таллий, медь и бериллий. В то же время алюминий, кремний, марганец, никель, железо, сурьма и водород уменьшают модифицирующий эффект, так как образуют с цирконием не растворимые в магнии интерметаллидные соединения. В связи с этим сплавы с цирконием не легируют алюминием и марганцем.

Легирование сплавов магний - цирконий цинком способствует повышению прочностных характеристик. Условный предел текучести растет при увеличении цинка до 10%, а временное сопротивление разрыву — до 5,5-6% цинка. Относительное удлинение при этом снижается, но остается на достаточно высоком уровне (примерно 5-6%). Типичным представителем сплавов системы Mg - Zn - Zr является сплав Мл 12, содержащий 4,0-5,0% цинка и 0,6-1,1% циркония.

Основное преимущество этого сплава по сравнению со сплавом Мл 5 заключается в том, что он обеспечивает более высокие прочностные характеристики при достаточно высоком относительном удлинении в литом состоянии или после низкотемпературного отпуска (Т1).

В состоянии Т1 сплав должен обеспечивать σ_в ≥ 226 мПа, σ_0,2 ≥ 127 мПа, δ ≥ 5%. Он может длительно работать при температурах до 200⁰ С, а кратковременно — до 250⁰ С.

На базе 3-ей системы Mg - Zn - Zr могут быть получены сплавы с 8-9% цинка, которые после полной термической обработки обеспечивают получение временного сопротивления разрыву около 300-310 мПа, однако, удлинение при этом очень низкое — не более  1,5-2,5%.

Дополнительное легирование серебром позволяет сохранить прочностные характеристики на высоком уровне с одновременным повышением пластических свойств.

Серебро с магнием со стороны магния образует диаграмму состояния эвтектического типа с переменной в зависимости от температуры растворимостью серебра в магнии. При эвтектической температуре (471⁰ С) растворимость составляет около 15,5% (по массе) и резко уменьшается при понижении температуры и составляет 8,0, 3,0 и < 1,0% при 400, 300 и 200⁰ С соответственно. Распад твердого раствора происходит с образованием интерметаллида Mg₃Ag, который, как и магний, имеет гексагональную решетку с параметрами а = 4,94 А⁰, с = 7,82 А⁰ и с/а = 1,58.

При небольших содержаниях серебра тройные сплавы Mg - Zr - Ag нечувствительны к термической обработке, и только присутствие цинка позволяет повысить прочностные свойства за счет закалки с последующим искусственным старением. Упрочнение происходит за счет выделения фазы AgZn в дисперсном виде. Сплав системы Mg - Zn- Zr - Ag -Cd входит в ГОСТ 2586 под маркой Мл 18.

Учитывая дефицитность серебра, был разработан сплав Мл 22, который еще не введен в ГОСТ и отличается от Мл 18 тем, что вместо серебра вводится более высокое содержание кадмия, который полностью входит в твердый раствор. Химический состав сплавов и их свойства приводятся в таблице 1.2.

Химический состав и механические свойства высокопрочных магниевых сплавов

Таблица 1.2

По сравнению со сплавами Mg - Zn - Al сплавы системы Mg - Zn - Zr - (Me) обладают рядом преимуществ:

1. Более высокие значения пределов прочности и текучести.

2. Меньшая чувствительность к толщине стенки отливки, т. к. сплавы  Mg - Zn - Zr проявляют меньшую склонность к развитию микрорыхлоты. Поры располагаются в виде отдельных включений по границам зерен. В сплавах Mg - Al - Zn пористость имеет разветвленный характер и располагается в виде цепочки по границам зерен.

3. Более высокое отношение предела текучести к пределу прочности. У сплавов Mg - Zn - Al оно составляет (1/3 - 1/2,5), в то время как у сплавов Mg - Zn - Zr - (Me) оно примерно равно 2/3.