Свойства и структура магниево-литиевых сплавов и технология производства из них деформированных полуфабрикатов

17.07.2019

Одна из наиболее важных задач современной науки о металлах — создание и совершенствование легких и сверхлегких сплавов, применение которых позволит снизить вес конструкции, особенно в ракетостроении, космонавтике и авиации.

Магниево-литиевые сплавы являются самым легким металлическим конструкционным материалом. Промышленные магниево-литиевые сплавы имеют удельный вес на 10—20 % меньше, чем у обычных магниевых, и на 30 % меньше, чем у бериллиевых сплавов. Магниево-литиевые сплавы в 2 раза легче алюминиевых. Их удельный вес такой же, как у наиболее легких пластмасс, при значительно большей прочности и жесткости.

Основные преимущества магниево-литиевых сплавов следующие.

Низкий удельный вес — 1,3—1,6 г/см3.

Высокий модуль упругости — 4500—5000 кг/мм2, т. е. высокая удельная жесткость, большая, чем у большинства стандартных магниевых сплавов (для сравнения у сплавов МА8 и МА2-1 модуль упругости равен 4100— 4300 кг/мм2).

Повышенный предел текучести при сжатии — в 1,5—3 раза выше, чем у обычных магниевых сплавов.

Хорошая технологичность при обработке давлением и высокие пластические характеристики у большинства магниево-литиевых сплавов.

Высокая удельная теплоемкость — в 1,3 раза выше, чем у магниевых сплавов, что составляет 80% от теплоемкости бериллиевых сплавов.

Хорошие криогенные свойства и отсутствие охрупчивания при низких температурах.

Высокое демпфирующие характеристики (например, у сплава ВМД5 в 4 раза выше, чем у МА2-1).

Высокий модуль упругости при сжатии.

Высокое сопротивление изгибу и некоторые другие специальные свойства, которые могут быть использованы в ряде конструкций.

Магниево-литиевые сплавы принято в соответствии с двойной диаграммой состояния системы магний — литий делить на три группы.

I группа (до 5,7% лития) — сплавы на основе a-фазы (а — твердый раствор лития в магнии с гексагональной решеткой). Удельный вес а-сплавов на 5—10% меньше удельного веса обычных магниевых сплавов. Механические свойства этих сплавов находятся на уровне свойств стандартных деформируемых магниевых сплавов.

II группа (5,7—10,3% лития) — сплавы, состоящие из смеси а+в-фаз). При увеличении содержания лития наблюдается тенденция к значительному повышению пластичности при заметном снижении прочности.

III группа (более 10,3% лития) — наиболее легкие магниево-литиевые сплавы, основой которых является твердый раствор магния в литии с ОЦК-решеткой Эта группа сплавов с пониженной прочностью и высокой пластичностью.

Так как литий и магний достаточно близки по своим атомным размерам, а также благодаря диагональному эффекту и близости электрохимических свойств магний и литий хорошо растворяются друг в друге. Однако в связи с тем, что при этом не наблюдается значительного искажения кристаллической решетки и литий, имея достаточно высокий коэффициент диффузии, способствует понижению сил межатомной связи и повышает самодиффузию атомов основы сплавов, двойные магниево-литиевые сплавы имеют низкую прочность и сопротивление ползучести в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью. Поэтому двойные сплавы па основе системы магний-литий должны быть дополнительно легированы.

Легирование магниево-литиевых сплавов третьим компонентом показало, что наиболее эффективно повышают их прочностные характеристики алюминий, цинк, серебро и кадмий, т. е. элементы, которые обладают достаточно большой растворимостью в а- и в-фазе. Все остальные элементы оказывают незначительное влияние на прочностные свойства магниево-литиевых сплавов. Легирование алюминием, цинком, кадмием или серебром (в сумме или по отдельности) в количестве 10—20% позволяет получить высокопрочные сплавы с пределом прочности 35—45 кгс/мм2. Однако высокие прочностные свойства магниево-литиевых сплавов не стабильны и после вылеживания при комнатной или слегка повышенных температурах значительно (на 40—60%) уменьшаются. Термическая нестабильность высокопрочных магниево литиевых сплавов — один из главных недостатков, препятствующих их внедрению в промышленность. Говоря о влиянии легирования на свойства магниево-литиевых сплавов, необходимо отметить вредное влияние натрия и калия. Содержание натрия и калия в сплавах должно быть ограничено 0,01—0,005%, а в некоторых случаях даже менее. В настоящее время для приготовления магниево-литиевых сплавов используется магний и металлический литий с содержанием натрия и калия не более 0,005%, так что в сплавах содержание этих примесей обычно находится в пределах 0,002—0,004%.

Всестороннее исследование наиболее интересных композиций отечественных и американских сплавов показало (табл. 1), что оптимальным сочетанием физико-механических, технологических и коррозионных свойств обладают два отечественных сплава: ИМВ2 (МА21) и ВМД5 (МА18). В табл. 2 приведен состав сплавов ИМВ2 и ВМД5. В табл. 3 для сравнения приведены удельный вес и некоторые механические свойства магниеволитиевых и стандартных магниевых сплавов. Как видно из таблицы, сплавы ИМВ2 и ВМД5 по величине предела текучести при сжатии в 2—3 раза превосходят широко распространенные стандартные магниевые сплавы МА8 и МА2-1.

Предел текучести при растяжении сплава ИМВ2 близок к пределу текучести сплава МА2-1, предел текучести сплава ВМД5 близок к значениям предела текучести сплава МА8. Как было сказано выше, модуль упругости магниево-литиевых сплавов заметно выше модуля упругости стандартных магниевых сплавов. Особенно очевидны преимущества магниеволитиевых сплавов перед стандартными магниевыми сплавами при определении удельной прочности и жесткости, т. к. удельный вес сплавов ВМД5 и ИМВ2 соответственно на 20 и 12% меньше удельного веса стандартных сплавов.

У деформированных полуфабрикатов, изготовленных из сплавов ВМД5 и ИМВ2, наблюдается очень незначительная (от 5 до 15%) анизотропия механических свойств, в то время как у большинства стандартных магниевых сплавов она может достигать 20—30% и более.

Введение лития в магниевые сплавы заметно меняет и физические свойства: с повышением содержания лития в сплавах растет коэффициент линейного расширения, резко падает теплопроводность и увеличивается удельная теплоемкость.

Общая коррозионная стойкость сплавов ВМД5 и ИМВ2 является удовлетворительной, в частности, коррозионная стойкость сплава ИМВ2 близка к коррозионной стойкости стандартного магниевого сплава МА2-1.

Магниево-литиевые сплавы обладают хорошей свариваемостью. Прочность сварных соединений и металла шва составляет 90—100% от прочности основного металла. Указанные сплавы обладают высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин при сварке и мало склонны к образованию водородной пористости.

Из сплавов ИМВ2 и ВМД5 можно изготавливать практически все виды деформированных полуфабрикатов. Деформированные полуфабрикаты из сплава BMД5 поставляют заказчикам в состоянии T1, т. е. после стабилизирующего отжига; из сплава ИМВ2 — в исходном состоянии.

Сплав ВМД5 (МА18) является сверхлегким конструкционным металлическим материалом с высокой пластичностью и высокой технологичностью при обработке давлением, в том числе при комнатной температуре. Его рекомендуется применять для малонагруженных конструкций, работающих при нормальных и криогенных температурах.

Сплав ИМВ2 (МА21) обладает оптимальным сочетанием физико-механических свойств,коррозионной стойкости и свариваемости и предназначен для применения в средненагруженных конструкциях, работающих при температурах до 100° С и криогенных.

Сплавы ИМВ2 и ВМД5 рекомендуется применять также в изделиях, где требуется высокая удельная жесткость и повышенное сопротивление сжимающим нагрузкам.

Исследование влияния химического состава в пределах OCTa (ТУ) на структуру и свойства слитков и полуфабрикатов сплавов ИМВ2 и ВМД5 показало, что с целью обеспечения оптимальных технологических, механических и конструктивных свойств химический состав сплава ИМВ2 по основным легирующим добавкам необходимо ограничить на среднем уровне в пределах существующих технических условий.

Вариации химического состава ВМД5 в пределах OCTa незначительно сказываются на механических свойствах, что можно объяснить узким интервалом изменения упрочняющих легирующих элементов в сплаве.

Исследование конструктивной прочности (K1C) и усталостных свойств сплава ИМВ2 показало, что конструктивная прочность (надежность) сплава находится на уровне высокопрочного магниевого сплава ВМДЗ (МА15). Исследование конструктивной прочности проводилось совместно с В.Г. Кудряшовым.

Усталостная прочность образцов без надреза сплава ИМВ2, исследованная совместно с В.Ф. Терентьевым, Ю.К. Штовбой, достаточно велика и не уступает аналогичным характеристикам стандартных магниевых сплавов. Предел усталости сплава ИМВ2 на базе 2*10в7 циклов равен 9—13 кгс/мм2 в зависимости от вида полуфабриката, а для сплава ВМД5 — соответственно 5—7 кгс/мм2. В случае сплава ИMB2 надрез существенно (в 2—4 раза) может снизить предел усталости, в то время как для сплава ВМД5 надрез менее опасен и снижает предел усталости только в 1,5—2 раза.

Технологическая пластичность сплава ВМД5 является наиболее высокой из всех до сих пор известных сплавов на основе магния и не уступает технологичности высокопластичных алюминиевых сплавов. Сплав ВМД5 может деформироваться со степенью деформации до 70—80% даже при комнатной температуре.

Сплав ИМВ2 в связи с повышенным содержанием упрочняющих легирующих добавок имеет более низкую технологичность при обработке давлением, чем сплав ВМД5, однако и он не уступает по своей технологичности, за исключением свободной ковки, наиболее технологичным стандартным магниевым сплавам.

Исследование структуры сплавов ИМВ2 и ВМД5, выполненное совместно с З.В. Макаровой и Ю.Г. Гольдером, показало, что сплав ИМВ2 содержит в своей основе твердые растворы Al, Zn и Cd в а- и P-фазах, причем количество частиц а- и p-фаз приблизительно одинаково. Кроме того, в сплаве обнаружены частицы твердого раствора Zn и Cd в фазе AlLi и частицы марганцовистой фазы.

Сплав ВМД5 имеет в своей основе твердый раствор Al и Zn в Р-фазе, т. е. фактически указанный сплав является не магниевым, а литиевым на основе ОЦК-решетки. Кроме того, в сплаве содержатся частицы твердого раствора Zn в фазе AlLi, частицы марганцовистой и цериевой фазы, и возможно присутствие небольших количеств твердого раствора Al и Zn в а-фазе.

Технология производства магниево-литиевых сплавов в связи с присутствием в них значительного количества лития, характеризующегося повышенной химической активностью и определенной токсичностью, имеет ряд особенностей. Плавка и полунепрерывное литье должны осуществляться в защитной атмосфере, в то время как стандартные магниевые сплавы приготавливаются под флюсом.

Механическую обработку рекомендуется производить на оборудовании, используемом для резки и обточки высокопластичных и вязких сплавов, так как режимы резки и обточки несколько отличаются от применяемых для обычных магниевых сплавов, в частности скорость и подача при резке магниево-литиевых сплавов должны быть в 2—3 раза ниже.

Обработка давлением осуществляется при температурах в 1,5—2 раза ниже (150—300° С), чем стандартных магниевых сплавов (350—500° С), а степень интенсивности деформации значительно выше, чем у стандартных магниевых сплавов. В частности, прессование магниево-литиевых сплавов возможно со скоростями истечения металла до 100—150 м/мин.

Технологический процесс, при котором наблюдается выделение аэрозолей лития, т. е. плавка, литье, механическая обработка, сварка, химическая обработка, должен быть обеспечен вентиляционной системой или должны применяться средства индивидуальной защиты органов дыхания. Все остальные работы с магниево-литиевыми сплавами, такие, как обработка давлением, испытания образцов и тому подобное, осуществляются так же, как со стандартными магниевыми сплавами.

Как было сказано выше, особенностью магниево-литиевых сплавов является их более высокая реакционная способность по сравнению со стандартными магниевыми сплавами. В промышленных условиях температура воспламенения на воздухе компактного материала из сплавов ИМВ2 и ВМД5 находится в пределах 330—350° С, что было установлено нашими исследованиями совместно с В.И. Туркиным и В.Г. Борисовым. В связи с этим предельно допустимая температура при их нагреве и обработке должна быть не более 320° С, в то время как для большинства стандартных магниевых сплавов аналогичная температура обычно более 500° С.

В настоящее время магниево-литиевые сплавы находят все большее применение в различных отраслях отечественной промышленности. Сплав ВМД5 как самый легкий металлический материал рекомендуется применять в основном для облегчения веса изделий в виде рам, кронштейнов, панелей и других элементов малонагруженных конструкций для замены магниевых и некоторых алюминиевых сплавов. Сплав ИМВ2 может быть использован в качестве основного конструкционного материала для ряда изделий, где их вес является определяющим.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна