Магниевые деформируемые сплавы

Ряд положительных свойств магниевых сплавов и наличие огромных сырьевых ресурсов магния позволяют прогнозировать значительное расширение области их применения в различных отраслях народного хозяйства.

Анализ состояния вопроса по магниевым сплавам за рубежом показывает, что там наблюдается устойчивый рост их применения в новой технике: в авиации, ракетостроении, космических кораблях и аппаратах, ядерной технике, а также в электронном и электрическом оборудовании, в генераторах, моторах и вспомогательных устройствах для подачи энергии. В большом количестве листы и плиты используются в полиграфической промышленности для изготовления клише. Нашли применение эти сплавы в автомобильной промышленности США, ФРГ, Англии. Кузова и прицепы автомашин изготовляют из листов и плит. Листовой материал и прессованные полуфабрикаты применяются на железнодорожном транспорте, а также для изготовления ручных тележек, загрузочных платформ, трапов на пристанях и т. д.

В США большое внимание уделяется усовершенствованию технологии производства полуфабрикатов из магниевых сплавов. Фирма «Дау-Кемикл» построила для этой цели крупный металлургический комбинат, где установлены совершенные четырехвалковые реверсивные специализированные станы для рулонной прокатки листов толщиной до 0,8 мм и шириной 2130 мм. Длина рольганга стана 421 м.

Литейный цех оснащен оборудованием, позволяющим отливать слитки круглые (диаметр 950 мм) и плоские (250х800 мм). Общий вес слитка, отливаемого методом полунепрерывного литья, составляет 5 т. На гидравлическом прессе мощностью 13 200 тс можно изготовлять изделия размером 800х2400 мм.

Химический состав сплавов США и Англии дан в табл. 1 и 2.

В США наибольшее распространение получили сплавы системы магний—алюминий—цинк—марганец (AZ31B, AZ61A, AZ80A).

В Англии основное количество продукции (до 75%) производится из сплавов системы магний — цинк — цирконий (ZW1, ZW3, ZW6).

В России (табл. 3) ранее применялись сплавы системы магний—алюминий—цинк—марганец (МА2, МА2-1, МАЗ, МА5). В настоящее время широкое применение находят сплавы МА2, МА2-1. Сплавы МАЗ и МА5 мало применяются из-за склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением.

В СССР, США и Англии широко применяется сплав для прессованных изделий и штамповок системы магний — цинк — цирконий (соответственно марок МА14, ZK60A, ZW6).

Проведены широкие исследования влияния редкоземельных металлов церия, лантана и неодима на механические, технологические, коррозионные свойства и свариваемость сплавов на основе систем магний — цинк, магний — цирконий, магний — цинк — церий — цирконий, магний — цинк — кадмий — цирконий.

Разработан сплав МА15 (ВМДЗ) системы магний — цинк — кадмий— цирконий — лантан. Листы из этого сплава превосходят по прочности, особенно по пределу текучести, листы из американских и английских сплавов. Сплав МА15 сваривается аргонно-дуговой и контактной сваркой.

Сплав МА19 (ВМД6) системы магний — цинк — кадмий — неодим — цирконий превосходит по механическим свойствам при нормальной и повышенной температурах и по коррозионной стойкости сплав МА14. Сплав МА19 рекомендуется применять при температурах до 150° С, в то время как сплав МА14 — не выше 125° С. Разработан сплав МА20 (ВМД8) системы магний — цинк — цирконий — церий, обладающий повышенной технологической пластичностью. Сплав хорошо сваривается и не требует снятия напряжений после сварки.

На основе изучения сплавов системы магний — неодим созданы жаропрочные сплавы МА11 и МА12 (см. табл. 3). В сплаве МАИ содержатся, кроме того, марганец и никель, в сплаве МА12 — цирконий.

Марганец и цирконий препятствуют прохождению диффузионных процессов в магниевых сплавах и, повышая температуру рекристаллизации, задерживают ее. Это свойство широко используется для получения композиции жаропрочных сплавов, например с редкоземельными металлами и торием. Основная жаропрочная фаза образуется редкоземельным металлом или торием. Марганец и цирконий вводят для подавления диффузии в этих сплавах.

Сплав МАИ по пределу прочности при температурах до 350° С превосходит наиболее жаропрочный магниево-ториевый сплав НМ31А, уступая последнему в значениях пределов текучести, длительной прочности и ползучести.

Недостатком сплава МА11 является пониженная коррозионная стойкость из-за содержания в его составе никеля. Кроме того, сплав MA11 плохо сваривается и из него нельзя изготавливать катаные полуфабрикаты.

Сплав МА12 не обладает этими недостатками. Он имеет высокую технологическую пластичность, из него можно изготавливать все полуфабрикаты, он хорошо сваривается всеми видами сварки.

Немногим уступая сплаву МА11 по механическим свойствам, сплав MA12 может быть применен в конструкциях вместо сплава МА11.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом интенсивно проводятся исследования ультралегких магниево-литиевых сплавов (табл. 4).

В США предложены сплавы LA91 и LA933, относящиеся к а+в-области, и сплав LA141, относящийся к [5-области. Сплавы фазовой области а применения не находят.

Сплав LA141 применяется в промышленности, сплавы LA91 и LAZ933 — в опытном производстве.

У нас в стране разработаны и внедряются два магниево-литиевых сплава — МА18 (ВМД5), относящийся к в-области, и сплав МА21 (ИМВ2), относящийся а+в-области.

Сплав МА18 имеет плотность 1,5 г/см3, самую низкую среди отечественных магниевых сплавов. Он обладает высокой пластичностью и ударной вязкостью. Операции листовой штамповки, вытяжки и гибки могут производиться в холодном состоянии. Конструкции из этого сплава обладают высокой жесткостью, хорошей демпфирующей способностью и вибропрочностыо.

Сплав МА21 отличается от сплава МА18 более высокими значениями характеристик предела прочности и пределов текучести при растяжении и сжатии. Благодаря меньшему содержанию лития, чем в сплаве MA18, сплав МА21 имеет более высокое сопротивление коррозии. Плотность сплава МА21 1,60 г/см3. Успешно ведутся работы по изучению влияния термической обработки, разрабатываются новые режимы, позволяющие повышать механические свойства, изучаются процессы распада твердых растворов после закалки и влияние различных видов механической обработки на ускорение этих процессов и изменение их характера. Проводятся исследования механических свойств полуфабрикатов в зависимости от условий деформации и рекристаллизации с целью выбора новых методов и режимов обработки. Изучается влияние различных факторов на анизотропию механических свойств различных полуфабрикатов.

Получают новое развитие работы по изучению влияния примесей и микродобавок в сплавах. Благодаря этим работам появилась возможность создания новых сплавов повышенной чистоты; кроме того, уточняются пределы содержания основных легирующих компонентов, что приводит к повышению механических, коррозионных и технологических свойств. Например, с целью улучшения коррозионных свойств и качества полуфабрикатов из сплава МА2-1 был разработан сплав повышенной чистоты. Опыт работы со сплавом МА2-1пч показал, что он обладает более высокой пластичностью, чем сплав МА2-1, и может подвергаться прокатке при более высоком содержании алюминия в сплаве, обеспечивая повышение механических свойств, в частности предела текучести при сжатии. Результаты научно-исследовательских и опытно-производственных работ позволили создать сплавы, которые по своим свойствам находятся на уровне зарубежных, а в некоторых случаях превосходят их.

Особенно большие возможности создания новых интересных композиций высокопрочных и жаропрочных сплавов появились с применением в качестве легирующего элемента иттрия. Иттрий значительно растворяется в твердом магнии. Переменная по температуре растворимость иттрия в магнии и высокое значение предельной растворимости (при эвтектической температуре) дают возможность подвергать магниево-иттриевые сплавы упрочняющим видам термической обработки.

Двойные магниево-иттриевые сплавы являются дисперсионно-твердеющими, однако наряду с высокой прочностью в состаренном состоянии они обладают весьма низкой пластичностью. Особенно хрупкими становятся сплавы при содержании иттрия более 11 вес. %. Путем легирования двойной системы магний — иттрий различными элементами возможно получать сплавы, обладающие различным сочетанием свойств. Так, при введении цинка при высоком соотношении V/Zn сплавы обладают оптимальными свойствами при высоких температурах, при низком соотношении лучшие свойства получаются при комнатной температуре.

Двойные сплавы Mg—Y характеризуются малой анизотропией предела текучести при испытаниях на сжатие и растяжение. Это объясняется тем, что в магнии начальная стадия деформации сжатия проходит за счет двойникования по плоскостям {1012}, в то время как деформация при растяжении происходит только за счет сдвигов по плоскостям базиса {0001} 14]. В сплавах магний — иттрий двойникование по плоскостям {1012} почти целиком отсутствует. Деформация при сжатии и растяжении протекает путем сдвига, что и приводит к равенству пределов текучести при растяжении и сжатии. С целью повышения пластических свойств двойных сплавов магний — иттрий возможно применять термомеханическую обработку.

В России ведутся работы по исследованию многокомпонентных сплавов на основе системы магний — иттрий. Разработан жаропрочный сплав системы магний — иттрий — неодим — цинк — марганец — алюминий — хром под маркой ВМД9. Сплав рекомендуется для деталей, длительно работающих при температурах до 250' С. Прочность при кратковременных испытаниях до 300° С и длительная прочность при 250° С этого сплава выше, чем у всех отечественных и зарубежных магниевых деформируемых сплавов, а предел ползучести при 250° С равноценен пределу ползучести магниево-ториевых сплавов и алюминиевого сплава АК4-1. Проводятся работы по изучению свойств высокопрочных сплавов системы магний — иттрий — цинк — кадмий — цирконий — неодим. Механические свойства сплавов приведены в табл. 5, из которой следует, что сплав ВМД9 обладает значительным преимуществом в жаропрочных свойствах по сравнению с жаропрочными магниевыми сплавами МА11 и МА12.

Сплав Mg—Y—Zn—Cd—Zr—Nd при прессовании со степенью деформации не менее 96% и малой скоростью (0,08—0,1 м/мин) обеспечивает получение предела прочности ов = 47—49 кгс/мм2. Таким образом, результаты работ по сплавам на основе системы магний — иттрий показывают, что многокомпонентные сплавы на основе этой системы дают возможность получать высокую прочность при нормальной и повышенной температурах.

Необходимо продолжать работы по изысканию оптимальных композиций магниево-иттриевых сплавов. Большое значение для этих, а также для магниево-литиевых сплавов имеют вопросы технологии производства слитков и полуфабрикатов. Усовершенствование технологии изготовления полуфабрикатов и изделий с целью повышения качества и надежности, а также снижения их стоимости являются базой для расширения области применения магниевых сплавов в различных отраслях народного хозяйства.