Жаропрочные литейные магниевые сплавы

К жаропрочным сплавам на магниевой основе относят сплавы, способные длительно работать при температурах 250-350⁰ С и кратковременно — до 400⁰ С, что примерно на 150-200⁰ С превосходит рабочие температуры для сплавов Mg - Al - Zn и Mg - Zn - Zr.

В основу создания жаропрочных магниевых сплавов были положены следующие положения:

1. Создание сложнолегированного, устойчивого при повышенных температурах твердого раствора. Повышение термической устойчивости твердого раствора достигается за счет увеличения электронной концентрации сплавов, а, следовательно, за счет легирования магния элементами с большей валентностью. При этом происходит увеличение силы межатомных связей.

2. Создание гетерофазной структуры с дисперсными частицами, выпадающими внутри твердого раствора в результате старения. Эти частицы играют роль препятствий, тормозящих движение и переползание дислокаций в условиях ползучести.

3. Повышение термической стабильности избыточных фаз, выделяющихся внутри зерна и по границам зерен. Торможению диффузионных процессов на границе раздела твердый раствор — упрочняющая фаза способствует уменьшение в составе фазы основы сплава — магния.

С учетом этих положений в качестве основных легирующих элементов выбраны редкоземельные металлы (РЗМ).

Согласно рекомендациям Международного союза по общей и прикладной химии термин «редкоземельные металлы» должен применяться для элементов от лантана до лютеция, занимающих номера в таблице Д. И. Менделеева от 57 до 71, а также для скандия (номер 21) и иттрия (номер 39). В соответствии со свойствами и присутствием в рудных месторождениях РЗМ делят на 2 подгруппы: цериевую и иттриевую. Цериевую подгруппу составляет легкие РЗМ первой половины ряда лантана: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий и европий. Иттриевую группу составляют тяжелые элементы второй половины ряда лантана: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. К этой же группе относится и иттрий.

Несмотря на определение «редкоземельные», в сумме содержание их в земной коре составляет (1,6-1,7)·10^-2% (по массе), что значительно превышает содержание таких широко применяемых металлов, как медь (1·10^-2%), никель (8·10^-3%), олово (4·10^-3%), цинк (5·10^-3%) и многих других. Наибольшие запасы находятся в Китае. В водах Тихого океана обнаружены обширные залежи РЗМ, которые, по оценкам экспертов, содержат от 80 до 100 млрд. тонн, что значительно превышает содержание их в земной коре (порядка 100 млн. тонн).

Интересной особенностью является то, что  содержание РЗМ, занимающих четные номера, в несколько раз превышает элементов, занимающих нечетные номера. Содержание каждого элемента уменьшается по мере увеличения номера в периодической таблице.

Наиболее распространенными являются иттрий (28·10^-4%), лантан (18·10^-4%), церий (45·10^-4%), неодим (25·10^-4%).

Важной особенностью РЗМ является (за исключением европия и иттербия) относительное постоянство атомных размеров и валентностей и близкие физико-химические свойства.

Все диаграммы состояния магния с РЗМ характеризуются образованием сложных по составу интерметаллидных фаз, которые для ряда систем имеют одинаковый тип кристаллической решетки. Общие черты диаграмм состояния проявляются и в одинаковом характере нонвариантных превращений. Со стороны магния в большинстве систем имеет место эвтектическое превращение.

Параметры некоторых диаграмм состояния приведены в таблице 1.3. Из представленных значений видно, что по мере увеличения номера элемента-лантаноида в периодической системе увеличивается предельная растворимость его в магнии и его концентрация в эвтектике с одновременным снижением эвтектической температуры.

Параметры диаграмм  состояния магния с РЗМ

Таблица 1.3

Во всех системах Mg с РЗМ температура эвтектики на 100-150⁰ С превышает температуру эвтектик в системе Mg - Al и более чем на 200⁰ С в системе Mg - Zn. Естественно, что разупрочнение в сплавах с РЗМ начинается при более высоких температурах. Переменная растворимость РЗМ в магнии в твердом состоянии создает предпосылки для упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и последующего искусственного старения.

Наиболее полно исследованы механические свойства магниевых сплавов, легированных РЗМ цериевой подгруппы. Выяснено, что до определенного содержания легирование магния лантаном, церием, празеодимом и неодимом способствует возрастанию предела прочности и условного предела текучести при одновременном снижении пластичности. При этом упрочняющее действие разных РЗМ сильно различается. Наиболее низкий уровень упрочнения достигается у сплавов, легированных лантаном. Затем в порядке возрастания прочностных свойств следуют сплавы с церием, празеодимом и неодимом. Возрастание уровня прочностных свойств наблюдается в соответствии с возрастанием порядкового номера РЗМ в таблице Д. И. Менделеева и увеличением предельной растворимости его в магнии при эвтектической температуре. Соответственно, наиболее широкое применение находит сплав Мл 10, содержащий: (2,2-2,8)% неодима, (0,1-0,7)% цинка и (0,4-1,0)% циркония.

Введение цинка оказывает положительное влияние, которое основано на дополнительном упрочнении твердого раствора и на участии в образовании основной упрочняющей фазы (Mg, Zn)₁₂Nd, и дисперсные частицы которой выпадают в процессе старения закаленного на твердый раствор сплава. Кроме того, цинк стимулирует образование и выпадение в процессе нагрева под закалку фаз, содержащих цирконий, — например, Zn₃Zr. При этом увеличивается содержание нерастворенного циркония и уменьшается содержание его в твердом растворе.

Содержание циркония в сплавах системы Mg - Nd - Zr после различных режимов термической обработки

Таблица 1.4

В состав цирконидов входят также примеси Cu, Ni, Si, Fe, Al, содержащиеся в сплаве. Значительное увеличение содержания цирконидов в результате термической обработки сплавов, легированных цинком,  объясняется, прежде всего, понижением растворимости водорода в твердом растворе и образовании гидридов циркония.

Сплавы типа Мл 10 не склонны к естественному старению. При искусственном старении распад твердого раствора происходит без заметной предварительной стадии, на которой образуются зоны Гинье-Престона.

Сплав Мл 10 предназначен для изготовления высоконагруженных отливок, работающих при температурах 250-300⁰ С.

Дальнейшее повышение механических свойств магниевых сплавов при повышенных температурах достигается за счет дополнительного легирования индием или иттрием. Введение (0,2-0,8)% индия (сплав Мл 9) или (1,4-2,2)% иттрия (сплав Мл 19) способствует уменьшению скорости распада твердого раствора и замедлению коагуляции продуктов распада. Кроме того, иттрий способствует дальнейшему измельчению зерен в литом состоянии сплавов, содержащих цирконий. О степени влияния состава сплавов на свойства при повышенных температурах можно судить по данным таблицы 1.5.

Свойства магниевых сплавов при нормальных и повышенных температурах

Таблица 1.5

Данные этой таблицы наглядно свидетельствуют о больших возможностях работы при повышенных температурах сплавов Mg - Zn - Zr - РЗМ по сравнению со сплавами Mg - Al - Zn.

Сплав Мл 19 является самым жаропрочным литейным магниевым сплавом. По сопротивлению ползучести он в 1,5-2,5 раза превосходит другие жаропрочные магниевые сплавы. Например, по пределу длительной прочности за 100 час. сплав Мл 19 превосходит сплав Мл 10 при 250⁰ С в 1,5 раза, а при 300⁰ С — в 2,5 раза, а сплав Мл 9 при 300⁰ С — в 2 раза. Сплав Мл 19 целесообразно применять при температурах (250-300)⁰ С.

Жаропрочные литейные магниевые сплавы обладают хорошим технологическими свойствами и повышенной герметичностью по сравнению со сплавами Mg - Al - Zn. Все они удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой сваркой. Прочность сварного шва составляет не менее 85% от прочности основного металла.