EA000092B1

EA000092B1 - Сплавы на основе магния

Info

Publication number: EA000092B1
Application number: EA199700096A
Authority: EA
Inventors: Джон Фредерик Кинг; Пол ЛАЙОН; Кевин Натталл
Original assignee: Бритиш Алюминиум Холдингз Лимитед
Priority date: 1995-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1998-06-25
Also published as: ATE184326T1; US6193817B1; CA2212133C; EA199700096A1; ES2137659T3; KR100307269B1; JP3929489B2; CZ293638B6; NO973391L; CA2212133A1; EP0813616B1; DE69604158D1; ZA96914B; NO317446B1; NO973391D0; GB9502238D0; KR19980702067A; DE69604158T2; CZ247997A3; AU691082B2

Description

Изобретение относится к сплавам на основе магния. Изделия из сплавов на основе магния, полученные литьем под высоким давлением (ЛВД), успешно производятся в течение почти 60 лет с использованием оборудования как с горячей, так и с холодной камерой.

По сравнению с литьем без давления или в песчаную форму, ЛВД является быстрым процессом, пригодным для массового производства. Быстрота, с которой сплав затвердевает в процессе ЛВД, означает то, что продукт отливки имеет свойства, отличные от свойств того же сплава при литье без давления. В частности, размер зерна обычно меньше, и это, как обычно ожидается, приводит к увеличению предела прочности при растяжении с сопутствующим уменьшением сопротивления ползучести.

Любая тенденция к пористости в продукте отливки может быть смягчена использованием беспористого процесса (БЛВД), в котором кислород впрыскивают в камеру, и он связывается сплавом отливки.

Сравнительно крупные размеры зерна при литье без давления могут быть уменьшены добавлением улучшающего зерно компонента, например циркония, для сплавов, не содержащих алюминия или углерода, или карбида для сплавов, содержащих алюминий. В противоположность этому сплавы для ЛВД обычно не требуют и не содержат такого компонента.

Можно утверждать, что до середины 1960х годов единственными сплавами на основе магния, используемыми в коммерческих целях для ЛВД, были сплавы на основе системы MgAl-Zn-Mn, например сплавы, известные под маркой AZ91, и их варианты. Однако, начиная с середины 1960-х годов, проявляется растущий интерес к использованию сплавов на основе магния в областях, не относящихся к аэрокосмической технике, в частности в автомобильной промышленности, и высокочистые варианты известных сплавов, таких как AZ91 и АМ60, начинают использовать на этом рынке вследствие их значительно повышенной коррозионной стойкости.

Однако оба эти сплава имеют ограниченные возможности при повышенных температурах и непригодны для применения в условиях работы при температурах существенно выше 100°С.

Полагают, что некоторыми необходимыми свойствами сплава, полученного с помощью ЛВД, являются следующие:

а) сопротивление ползучести продукта при 175°С такое же, как у сплава AZ91 при температуре 150°С;

б) сопротивление ползучести продукта при комнатной температуре аналогично сплавам типа AZ91;

в) хорошее демпфирование вибрации;

г) способность сплава к литью такая же или лучше, чем у сплавов типа AZ91;

д) коррозионная стойкость продукта аналогична коррозионной стойкости сплавов типа AZ91;

е) теплопроводность продукта желательно лучше, чем у сплавов типа AZ91;

ж) стоимость эквивалентна стоимости сплавов типа AZ91.

На этой стадии была сделана одна успешная разработка сплава на основе композиции Mg-Al-Si-Mn с получением таких сплавов, как AS41, AS21 и AS11; только первый из них получил широкое применение; два других, несмотря на более высокое сопротивление ползучести, в целом считают трудными для литья, так как они, в частности, требуют высоких температур плавления. Сплав AS41 удовлетворяет большинству из перечисленных выше требований, хотя его температура ликвидуса примерно на 30°С выше температуры плавления сплавов типа AZ91.

Другие серии сплавов, разработанные примерно в то же время, включали редкоземельный компонент, причем типичным примером является сплав АЕ42, содержащий порядка 4% алюминия, 2% редкоземельного элемента (элементов), около 0,25% марганца и остальное - магний с незначительным количеством других компонентов/примесей. Этот сплав имеет предел текучести, который при комнатной температуре аналогичен пределу текучести сплава AS41, но который превосходит его при температурах выше 150°С (тем не менее, даже в этом случае предел текучести заметно уменьшается с ростом температуры, как это будет еще раз отмечено ниже). Более важным является то, что по сопротивлению ползучести сплав АЕ42 превосходит даже сплав AS21 при всех температурах, по меньшей мере, до 200°С.

Настоящее изобретение относится к сплавам на основе магния композиции Mg-RE-Zn (RE - редкоземельный элемент). Такие системы известны. Так, в патенте Великобритании 1378281 описаны легкие конструкционные сплавы на основе магния, которые содержат неодим, цинк, цирконий и, при необходимости, медь и марганец. Дополнительным необходимым компонентом этих сплавов является от 0,8 до 6 мас.% иттрия. Аналогичным образом, для SU-443096 требуется, по меньшей мере, 0,5% иттрия.

В патенте Великобритании 1023128 также описаны сплавы на основе магния, которые содержат редкоземельный металл и цинк. В этих сплавах отношение цинка к редкоземельному металлу составляет от 1 /3 до 1 при содержании редкоземельного элемента меньше 0,6 мас.%, а в сплавах, содержащих от 0,6 до 2 мас. % редкоземельного элемента, присутствует от 0,2 до 5 мас.% цинка.

Еще два патента Великобритании 607588 и 637040 относятся к системам, содержащим до

5% и 10% цинка соответственно. В патенте 607588 утверждается, что: На сопротивление ползучести ... не влияет отрицательным образом присутствие цинка в малых или средних количествах, не превосходящих, например, 5% ..., и Присутствие цинка в количествах до 5% оказывает благотворное влияние на технологические свойства литья при изготовлении таких сплавов, в которых желательно избежать локализованных уплотнений при затвердевании и в которых некоторая рассеянная дефектность менее нежелательна. Из известных такой типичной системой является сплав ZE53, содержащий номинальных 5% цинка и номинальных 3% редкоземельного элемента.

Считается, что в этих системах редкоземельный компонент дает рост осадка на границах зерна и увеличивает способность к литью и сопротивление ползучести, хотя возможно небольшое уменьшение предела прочности при растяжении по сравнению с подобным сплавом, в котором отсутствует такой компонент. Высокая температура плавления осадка способствует сохранению свойств литья при высоких температурах.

Два британских патента, упомянутых выше, относятся к литью в песчаную форму и особенно отмечают желательность присутствия циркония в сплаве как элемента, уменьшающего размеры зерна. Для эффективного достижения этой цели, как указано, необходимое количество циркония составляет от 0,1 до 0,9 мас.% (уровень насыщения) (GB 607588) или от 0,4 до 0,9 мас.% (GB 637040).

Здесь и далее под термином редкая земля подразумевается любой элемент или смесь элементов с атомными номерами от 57 до 71 (от лантана до лютеция). Хотя лантан не является, строго говоря, редкоземельным элементом, он может присутствовать или нет; однако не предполагается, что термин редкая земля включает такие элементы, как иттрий.

В изобретении предложен сплав на основе магния для литья под высоким давлением, содержащий, по меньшей мере, 91,9 мас.% магния, от 0,1 до 2 мас.% цинка, от 2,1 до 5 мас.%. редкоземельного компонента за исключением иттрия, от 0 до 1 мас.% кальция, от 0 до 0,1 мас.% замедляющего окисление элемента за исключением кальция, не более 0,001мас.% стронция, не более 0,05мас.% серебра, менее 0,1 мас.% алюминия и по существу без нерастворенного железа, причем остальное - случайные примеси.

В изобретении предложен также сплав на основе магния для литья под высоким давлением, содержащий, по меньшей мере, 91 мас.% магния, от 0,1 до 2 мас.% цинка, от 2,1 до 5 мас.% редкоземельного компонента за исключением иттрия, от 0 до 1 мас.% кальция, от 0 до 0,1 мас.% замедляющего окисление элемента за исключением кальция, от 0 до 0,4 мас.% циркония, гафния и/или титана, от 0 до 0,5 мас.% марганца, не более 0,001 мас.% стронция, не более 0,05мас.% серебра и не более 0,1 мас.% алюминия, причем остальное - случайные примеси.

Кальций, марганец, цирконий/гафний/титан и любой отличный от кальция элемент, который замедляет окисление (например, бериллий), являются необязательными компонентами, и их вклады в композицию будут обсуждены ниже.

Предпочтительно содержание цинка составляет от 0,1 до 1 мас.%, более предпочтительно - от 0,2 до 0,6 мас.%.

В соответствии с номенклатурной системой ASTM сплав, содержащий номинальных Х мас.% редкой земли и Y мас.% цинка, где Х и Y округлены до ближайшего целого числа и где Х больше Y, называют сплавом EZXY.

Эта номенклатура будет использоваться для сплавов ближайших аналогов, однако предложенные в данном изобретении описанные выше сплавы далее будут именоваться MEZ сплавами, каким бы ни был их точный состав.

По сравнению со сплавом ZE53 сплавы MEZ могут проявлять улучшенные сопротивление ползучести и коррозионную стойкость (при условии одинаковой температурной обработки), сохраняя при этом хорошие литьевые свойства; цинк присутствует в относительно малом количестве, в особенности в предпочтительных сплавах, а отношение цинка к редкой земле не превышает единицу (и существенно меньше единицы в предпочтительных сплавах) по сравнению с отношением 5:3 для сплава EZ53.

Более того, в противоположность обычным ожиданиям было найдено, что сплавы MEZ характеризуются не очень заметным изменением предела прочности при растяжении при переходе от литья в песчаную форму или литья без давления к ЛВД. Кроме того, структура зерна изменяется лишь в сравнительно малой степени. Таким образом, преимущество сплавов MEZ состоит, по-видимому, в том, что свойства прототипов изделий, полученных с помощью литья в песчаную форму или без давления, будут не сильно отличаться от свойств таких изделий, производимых впоследствии массово с помощью ЛВД.

Сравнение показало, что сплавы АЕ42, полученные с помощью ЛВД, имеют намного более мелкозернистую структуру и примерно трехкратный рост предела прочности при растяжении при комнатной температуре, что примерно на 40% больше, чем у сплавов MEZ. Однако, температурная зависимость предела прочности при растяжении, хотя и будучи отрицательной для обоих типов сплавов, заметно сильнее для сплавов АЕ42, чем для сплавов MEZ, приводя к тому, что при температуре выше примерно 150°С сплавы MEZ имеют тенденцию показывать больший предел прочности при растяжении.

Более того, сопротивление ползучести сплавов АЕ42, полученных с помощью ЛВД, заметно меньше сопротивления ползучести сплавов MEZ, полученных с помощью ЛВД, при всех температурах, по меньшей мере, до 177°С.

Предпочтительно, чтобы остальные вещества в композиции сплава, если вообще они присутствуют, составляли менее 0,15 мас.%

Редкоземельным компонентом может быть церий, цериевый мишметалл или обедненный цериевый мишметалл. Предпочтительный нижний предел количественного диапазона составляет 2,1 мас.% Предпочтительный верхний предел составляет 3 мас.%

Сплав MEZ предпочтительно содержит минимальные количества железа, меди и никеля, чтобы обеспечивать низкую скорость коррозии. Предпочтительно железо составляет менее 0,005 мас.% Низкое содержание железа может быть достигнуто добавлением циркония (например, в форме Zirmax, который представляет собой сплав циркония и магния в отношении 1:2), эффективно осаждающего железо в расплаве; однажды отлитый сплав MEZ может содержать остаточное количество циркония до 0,4 мас.%, однако предпочтительным и наиболее предпочтительным верхними пределами для содержания этого элемента являются 0,2 и 0,1 мас.% соответственно. Zirmax является зарегистрированной торговой маркой фирмы Magnesium Electron Limited.

В частности, при наличии, по меньшей мере, некоторого остаточного количества циркония присутствие до 0,5 мас.% марганца может также способствовать снижению содержания железа и уменьшать коррозию. Таким образом, как будет более подробно описано ниже, добавление до 0,8 мас.% циркония (обычно 0,5 мас.%) может потребоваться для достижения содержания железа менее 0,003 мас.%; однако такой же результат может быть достигнут с добавлением примерно 0,06 мас.% циркония, если присутствует также марганец. Альтернативным агентом для удаления железа является титан.

Присутствие кальция необязательно, однако полагают, что он позволяет улучшить свойства литья. Малое количество такого элемента, как бериллий, может присутствовать, предпочтительно не менее 0,0005 мас.% и предпочтительно не более 0,005 мас.% и чаще всего около 0,001 мас.%, чтобы предотвратить окисление расплава. Однако если обнаружится, что такой элемент (например, бериллий) удаляется агентом (например, цирконием), который добавляют для удаления железа, замена этого элемента на кальций может быть необходима в любом случае. Таким образом, кальций при необходимости может выступать и как антиокислитель, и как агент для улучшения свойств литья.

Предпочтительно, чтобы в сплаве было меньше 0,05 мас.% алюминия, более предпочтительно, чтобы по существу не было алюминия в сплаве. Предпочтительно, чтобы сплав содержал не более 0,1 мас.% как никеля, так и меди, предпочтительно не более 0,05 мас.% меди и 0,005 мас.% никеля. Предпочтительно, чтобы в сплаве не было по существу стронция. Предпочтительно, чтобы сплав по существу не содержал серебра.

В виде отливок сплавы MEZ демонстрируют низкую скорость коррозии, например менее 2,50 мм/год (100 мил/год) (тест в солевом тумане ASTM В117 Salt Fog Test). После обработки Т5 (24 ч при температуре 250°С) скорость коррозии все еще остается низкой.

В виде отливок сплав MEZ может иметь сопротивление ползучести такое, что время достижения деформации ползучести в 0,1% при приложенном напряжении 46 МПа при 1 77°С превышает 500 ч; после обработки Т5 это время все еще остается больше 1 00 ч.

Изобретение будет далее проиллюстрировано с помощью сопровождающих чертежей и прилагаемых таблиц, которые будут описаны при их перечислении.

На чертежах представлено следующее: на фиг.1 показана зернистая структура отливки без давления из сплава ZE53 с большим содержанием циркония, расплав DF2218;

на фиг.2 - зернистая структура отливки без давления из сплава ZE53 с добавкой марганца, расплав DF2222;

на фиг.3 - зернистая структура отливки без давления из сплава MEZ с большим содержанием циркония, расплав DF2220;

на фиг.4 - зернистая структура отливки без давления из сплава MEZ с добавкой марганца, расплав DF2224;

на фиг.5 - зернистая структура отливки без давления из сплава MEZ с низким содержанием циркония, расплав DF2291;

фиг.6 иллюстрирует и сравнивает механические свойства при растяжении беспористых ЛВД-сплавов MEZ и АЕ42;

фиг.7 - механические свойства при растяжении ЛВД-сплавов MEZ и беспористых БЛВДсплавов MEZ;

фиг.8 иллюстрирует влияние тепловой обработки на механические свойства при растяжении БЛВД-сплава MEZ при различных температурах;

на фиг.9 показаны результаты измерения ползучести БЛВД-сплавов MEZ, АЕ42 и ZC71 при различных условиях по напряжению и температуре;

на фиг. 10 - зернистая структура БЛВДсплава MEZ в состоянии после отливки (F);

на фиг. 11 - зернистая структура БЛВДсплава MEZ в условиях тепловой обработки Т6;

на фиг. 12 - пористость ЛВД-сплава MEZ.

Условия F - это состояние после отливки, а обработка Т5 включает в себя выдерживание отливки при температуре 250°С в течение 24 ч. При обработке Т6 отливку выдерживают 2 ч при температуре 420°С, резко охлаждают горячей водой, выдерживают 18 ч при температуре 180°С и охлаждают на воздухе.

В первоначальных исследованиях были изучены свойства сплавов MEZ и сплавов АЕ53 при литье без давления.

Таблица 1 относится к сплавам ZE53 и MEZ и показывает влияние добавления марганца или циркония на содержание железа, марганца и циркония в полученном сплаве.

Первые восемь композиций таблицы 1 содержат четыре комбинации каждого из сплавов MEZ и ZE53. Один набор четырех композиций содержит марганец, добавленный для регулирования содержания железа, а другой набор содержит относительно высокую добавку циркония (насыщение достигается примерно при 0,9 мас.%) для той же цели, и стреловидные бруски были получены из сплавов этих композиций литьем без давления. Другой набор четырех композиций, выбранных из этих восьми композиций, соответствует состоянию после отливки, дополняющий его набор - условиям Т5.

В таблице 2 более подробно даны композиции и условия этих восьми сплавов, а также результаты измерения предела прочности при растяжении стреловидных брусков.

В таблице 3 приведены сравнительные данные по сопротивлению ползучести этих восьми сплавов MEZ и ZE53 в форме отлитых без давления стреловидных брусков.

В таблице 4 приведены сравнительные данные по коррозионным свойствам этих восьми композиций сплавов в форме отлитых без давления стреловидных брусков, и показано влияние обработки Т5 на скорость коррозии.

Данные по коррозии двух других сплавов, приведенных в таблице 1 , содержатся в таблице 5, причем результаты измерений взяты для последовательности стреловидных брусков из каждой соответствующей отдельной отливки. В добавление к элементам, показанным в таблице, каждый из сплавов 2290 и 2291 включал 2,5 мас.%. редкой земли и 0,5 мас.% цинка. Эту таблицу стоит прокомментировать, поскольку она показывает, что те бруски, которые были отлиты первыми, обладают большей стойкостью к коррозии, чем те, которые были отлиты ближе к концу процесса. Не желая быть связанными какой-либо теорией, авторы считают вероятным, что железо осаждается цирконием и что осадок имеет тенденцию выпадать из жидкой фазы, так что ранние по отливке бруски обеднены железом по сравнению с более поздними отливками.

На фиг. 1-5 показана зернистая структура в некоторых из этих отлитых без давления стреловидных брусков.

Из этого первоначального исследования видно, что в то время, как обработка Т5 оказывает положительное влияние на свойства ползучести отлитых без давления сплавов ZE53, она оказывает негативное действие на отлитые без давления сплавы MEZ (таблица 3). Сопротивление ползучести сплава ZE53+Zr и обоих типов сплавов MEZ заметно больше сопротивления ползучести сплава АЕ42 и в действительности, как полагают, являются рекордно большими в случае обоих сплавов MEZ в состоянии (F) после отливки, и сплава ZE53 с цирконием в условиях Т5. Обработка Т5 также положительно сказывается на механических свойствах при растяжении сплава ZE53 с цирконием, не оказывая, однако, заметного влияния на другие три типа сплавов (таблица 2).

Видно также, что уровни содержания железа оказывают заметное влияние на скорость коррозии всех сплавов (таблицы 4 и 5). Цинк также оказывает негативное влияние, и как было найдено, коррозионная стойкость сплава ZE53 оказывается слабой даже с низким содержанием железа. Обработка Т5 еще больше уменьшает коррозионную стойкость всех сплавов. В дополнение к этому, уровни содержания железа остаются сравнительно высокими даже в присутствии 0,3% Мп (причем Zr отсутствует). Когда содержание железа достаточно большое, чтобы образовать нерастворимую фазу в расплаве, коррозия заметна. Однако, когда его количество достаточно мало, так что все железо остается растворенным в самом сплаве, коррозия практически несущественна, и соответственно сплавы MEZ по существу не содержат другого железа кроме того, которое может быть растворено в сплаве, и предпочтительно вообще по существу не содержат железа.

В результате дальнейших испытаний было найдено, что для получения приемлемо низкого уровня железа, скажем 0,003%, необходимо добавление, по меньшей мере, 6% Zirmax как в случае сплава MEZ, так и сплава ZE53. Однако, если также присутствует марганец, то необходимое для добавления количество Zirmax (или эквивалентное количество другого циркониевого препарата) уменьшается примерно до 1%.

Сплавы для литья во время процесса отливки подвергаются некоторой циркуляции, и можно ожидать, что содержание железа в них из-за контакта с железными частями оборудования для литья увеличивается. Железо также может попадать из вторичного лома. Следовательно, может оказаться желательным добавление достаточного количества циркония к начальному расплаву, чтобы обеспечить остаточное содержание циркония, необходимое для предотвращения такого нежелательного увеличения количества железа (до 0,4 мас.%, предпочтительно не более 0,2 мас.%, наиболее предпочтительно не более 0,1 мас.%). Это может оказаться более удобным, чем возможный альтернативный путь добавления дополнительного количества циркония до переплавки.

В одном опыте было найдено, что в материале MEZ с содержанием железа 0,003%, по9 лучающимся после добавления 0,5% Zirmax, содержание железа после переплавки увеличивается до 0,006%, причем содержание циркония падает до 0,05%. Однако в материале MEZ с 0,001% железа, получающемся после добавления 1% Zirmax, содержание железа после переплавки увеличивается только до 0,002%, причем содержание циркония остается по существу постоянным.

Чтобы исследовать свойства сплавов для ЛВД, слиток из сплава MEZ с композицией 0,3% Zn, 2,6% RE (редкая земля), 0,003% Fe, 0,22% Mn и 0,06% Zr был разлит в опытные бруски с использованием как ЛВД, так и БЛВД. Подробное описание методов литья прилагается (Приложение А).

Анализ брусков дан в таблице 6, где FC1, FC2, FC3 представляют соответственно образцы, взятые в начале, середине и конце опыта по литью. Большое количество Zr в первой из приведенных композиций показывает, что присутствует нерастворенный цирконий, свидетельствуя о возможной ошибке в методике отбора проб.

В таблице 7 и на фиг. 6 - 8 представлены механические свойства при растяжении опытных брусков вместе со сравнительными измерениями для аналогичных брусков из сплава АЕ42. Видно, что сплавы MEZ и АЕ42 имеют сходные пределы текучести, однако в то время, как сплав АЕ42 имеет более высокую прочность на разрыв при комнатной температуре, ситуация становится противоположной при более высоких температурах. По-видимому, использование беспористого процесса не дает полезного преимущества как для брусков, полученных в состоянии после отливки, так и после тепловой обработки Т6.

В таблице 8 показаны результаты коррозионных испытаний опытных брусков и аналогичных брусков из сплава АЕ42. Оказалось, что трудно удалить все поверхностные загрязнения, и следует обратить внимание на использование альтернативных видов обработки. В случае, когда поверхность очищена, как при стандартном приготовлении (В), скорости коррозии сплавов MEZ и АЕ42 оказывались сходными.

Результаты измерения ползучести брусков из обоих сплавов приведены в таблице 9. Несмотря на разброс результатов, можно видеть, что предел ползучести сплава MEZ намного превосходит предел ползучести сплава АЕ42.

На фиг. 1 0 и 11 показана зернистая структура БЛВД-брусков из сплава MEZ до и после обработки Т6, а на фиг. 12 показана пористость ЛВД бруска из сплава MEZ.

Как показано ниже, преимуществом настоящего изобретения является то, что прототипы для массового производства методом ЛВД могут быть получены литьем без давления и, в частности, литьем в песчаную форму с тем же сплавом и с той же конфигурацией, что требуются для массового производства методом ЛВД, при этом получают сходные механические свойства при растяжении.

Расплав, содержащий 0,35 мас.% цинка, 2,3 мас.% редкой земли, 0,23 мас.% марганца и 0,02 мас.% циркония (остальное - магний), был произведен в количестве 2 т. Партия в 150 кг из слитков той же партии была переплавлена и отлита в форме автомобильного маслосборника как литьем без давления, так и с помощью ЛВД. В каждом случае отрезали образцы от трех отливок, и измеряли их механические свойства при растяжении при температуре окружающей среды, результаты показаны в таблицах 1 0 и 11, соответственно. Видно, что имеется близкое сходство механических свойств продуктов отливки в песчаную форму и литья в постоянную форму.

В отдельном опыте еще один слиток был расплавлен, но было добавлено 6 мас.% Zirmax (33% Zr), используя обычную практику магниевого литейного производства. Анализ полученного сплава показал содержание 0,58 мас.% циркония.

Часть продукта литья в песчаную форму, полученная из этого расплава, как и выше, в форме автомобильного маслосборника, была испытана на растяжимость при температуре окружающей среды. Пластическая деформация в 0,2% была достигнута при 102 МПа, предел прочности при растяжении составлял 178 МПа, а удлинение составляло 7,3%,- величины, которые весьма близки к приведенным в таблицах 1 0 и 11.

Эти результаты можно сопоставить с результатами для сплава АЕ42 (Mg-4%Al-2%REMn), лежащего за рамками настоящего изобретения, который может использоваться для применений, требующих хорошего сопротивления ползучести при повышенных температурах. В этом случае, несмотря на то, что удовлетворительные свойства могут быть получены в изделиях ЛВД, как отмечено в другом месте этого описания, оказывается невозможным получить удовлетворительные свойства сплава с помощью традиционной технологии литья в песчаную форму.

Например, сплав АЕ42 (3,68% А1, 2,0% RE, 0,26% Мп) был отлит в стальные формы в виде стреловидных брусков с охлаждением. Механические свойства при растяжении образцов, полученных обработкой на станках этих брусков, были всего лишь 46 МПа (пластическая деформация в 0,2%) и 128 МПа (предел прочности при растяжении). Аналогичные бруски, отлитые из сплава MEZ, дали значения, достигающие 82 МПа (пластическая деформация в 0,2%) и 180 МПа (предел прочности при растяжении) (0,5% Zn, 2,4% RE, 0,2% Мп).

Приложение А.

а) Опыт со сплавами MEZ, полученными с помощью БЛВД

Время Наблюдение

0500 Печь 1 включена, горн полностью загружен полуслитком (109 кг).

1100 Загрузка полностью расплавлена при

650°С.

1315 Расплав поддерживают при температуре 684°С-поверхность металла несколько загрязнена.

0500 Печь 2 включена, остаток расплава (примерно 20 кг) от предыдущего опыта расплавлен.

1100 Загрузка полностью расплавлена при

650°С.

3 1 5 Расплав поддерживают при температуре 690°С - поверхность металла несколько загрязнена. Оба расплава защищают воздухом + SF₆. Плотные оксид/сульфидные пленки хорошо заметны на поверхности расплава.

1325 Обе половины литейной формы предварительно нагреты с помощью газовой горелки (неподвижная половина до 41°С, подвижная половина до 40°С). Патрубок литейной формы предварительно нагрет порцией металла из металлического черпака, наполненного из печи 2.

330 Литейную форму дополнительно нагревают порцией металла из металлического черпака, наполненного из печи

2. Три порции поднимают температуру неподвижной половины формы до 50°С и подвижной половины до 51°С. (Черпаком наполняют образец для анализа FCl).

335 Включают подачу кислорода со скоростью 1 00 л/мин. Начинают отливку бруска. Подают металл, черпак наполнен из печи 1 для каждого цикла литья (800 г). Всю литейную форму опрыскивают ингибированным агентом отпуска на основе графита и воды.

340 Останавливают отливку после трех циклов литья с охлаждением черпака. Температура расплава поднята до 700°С.

1343 Возобновление литья при 683°С, температура литья поднимается до 700°С. Остановка литья, регулировка хода поршня.

350 Возобновление литья. Отливки No 11 (бруски 8 и 1 0 мм в диаметре) обе показывают хорошую структуру разлома.

400 Останавливают литье. (1 4 циклов литья) поршень очищают от оксидных загрязнений.

41 0 Возобновление литья, температура расплава 701°С. Температура неподвижной половины формы 71° С. Температура подвижной половины формы 67°С. (Черпаком наполняют образец для анализа FC2).

1455 Окончание литья после 40 циклов. 120 брусков для испытаний на растяжимость + 40 брусков Шарпи. (Черпаком наполняют образец для анализа FC3).

Замечание: было проведено еще 1 0 циклов литья БЛВД, следуя опыту ЛВД, что дало в сумме 150 брусков для испытаний на растяжимость + 50 брусков Шарпи.

Идентификация каждого бруска проводилась маркировкой каждого бруска соответственно Р-1, Р-2, Р-3, Р-4 и т.д.

б) Опыт со сплавами MEZ, полученными с помощью ЛВД.

Время Наблюдение

1535 Температура плавления в печи 1 699°С.

Литейная форма предварительно нагрета первым циклом литья, и бруски убраны. Температура неподвижной половины литейной формы 74°С. Температура подвижной половины литейной формы 71°С.

536 Начинают отливку бруска, без кислорода, но с теми же параметрами, что и в опыте БЛВД, т.е. давление 80 кГ/см² , скорость поршня 1,2 м/с, 100-200 м/с у входного отверстия, усилие замыкания литейной формы 350 т*кГ/см². (Черпаком наполняют образец для анализа FC1).

550 Бруски диаметром 8 и 1 0 мм, полученные в циклах 11 и 1 2, разламывают. Наблюдаются очень малые величины усадки и содержания включений воздуха.

1600 Температуру неподвижной половины литейной формы повышают до 94°С. Температуру подвижной половины литейной формы повышают до 89°С. (Черпаком наполняют образец для анализа FC2 после цикла 21, температура 702°С).

61 0 Останавливают литье, охлаждают литейную форму. Неподвижную половину охлаждают до 83°С. Подвижную половину охлаждают до 77°С.

620 Возобновляют литье

1650 Литье заканчивают после 42 циклов, 120 брусков для испытаний на растяжимость + 42 брусков Шарпи. (Черпаком наполняют образец для анализа FC3).

Замечание: Было проведено еще 1 0 циклов

ЛВД, следуя этому опыту, что дало в сумме 152 бруска для испытаний на растяжимость + 52 бруска Шарпи.

Идентификация каждого бруска проводилась маркировкой каждого бруска соответственно 0-1, 0-2, 0-3 и т.д.

в) Опыт со сплавом АЕ42, полученным с помощью ЛВД.

Время Наблюдение

0200 Включают печь, горн предварительно полностью загружен половиной слитков.

1000 Плавление при 680°С. Начинают нагревание литейной формы.

1005 Температура литейной формы 85°С.

1015 Начинают нагрев патрубка с использованием расплавленного образца. Поверхность расплава намного чище, чем ZC71. Поверхности отливок также практически не изменили цвет.

240 Начинают процесс литья.

1430 Заканчивают процесс литья.

Таблица 1

Расплав, No	Объем плавки, кг	Сплав	Добавка Mn, %	Добавка Zirmax, %	RE, %	Zn, %	Mn, %	Zr, %	Fe, %
DF2218	4,5	ZE53,Zr	-	6	3,1	4,9	-	0,67	0,003
DF2219	4,5	ZE53,Zr	-	6	3,0	4,8	-	0,74	0,004
DF2220	4,5	MEZ,Zr	-	6	2,9	0,5	-	0,52	0,003
DF2221	4,5	MEZ,Zr	-	6	3,3	0,6	-	0,49	0,002
DF2222	4,5	ZE53,Mn	0,3	-	3,4	5,0	0,28	-	0,046
DF2223	4,5	ZE53,Mn	0,3	-	3,6	4,9	0,29	-	0,051
DF2224	4,5	MEZ,Mn	0,3	-	3,3	0,5	0,28	-	0,039
DF2225	4,5	MEZ,Mn	0,3	-	3,3	0,5	0,29	-	0,031

Таблица 2

Расплав.Ш	Условия	Механические свойства при растяжении, RT	Механические свойства при растяжении, 177°С
YS	TS	%E1	YS	TS	%E1
DF2218	F	116	176	4,3	83	149	19
DF2219	T5	154	203	3,3	111	154	17
DF2220	F	102	173	7,5	65	142	24
DF2221	T5	107	177	7,8	66	129	32
DF2222	F	77	134	2,5	63	126	19
DF2223	T5	87	139	2,1	73	120	24
DF2224	F	75	141	3,8	55	125	13
DF2225	T5	73	141	2,8	56	112	15

Предел текучести (YS) и предел прочности при растяжении (TS) в МПа, %Е1 - удлинение в %, RTкомнатная температура.

Свойства ползучести сплавов на основе MEZ и ZE53 композиций при 177°С (стреловидные бруски) Таблица 3

Расплав, No	Условия	Время достижения 0,1% CS, ч	Начальная пластическая деформация, %	Начальная упругая деформация, %
DF2218	F	345	0,008	0,16
		240
DF2219	T5	1128
		688
DF2220	F	1050*	0,001	0,13
		744
DF2221	T5	124
		262
DF2222	F	3,5	0,11	0,18
DF2223	T5	3 2,0	0,03	0,15
		4,5
DF2224	F	4500*	0,10	0,15
		1030
DF2225	T5	616
		260

* - экстраполировано, испытание закончено преждевременно. Приложенное напряжение во всех опытах составляет 46 МПа (Это значение, в соответствии с данными Доу (Dow), необходимое для достижения деформации ползучести (CS) 0,1% за 100 ч для материалов из сплава АЕ42, полученного с помощью ЛВД). Значения, приведенные в таблице, получены в конкретных опытах.

Таблица 4

Расплав, No	Условия	Скорость коррозии, мил/год	Содержание Fe, %
DF2218	F	310	0,004
DF2219	T5	1000	0,004
DF2220	F	18,4	0,003
DF2221	T5	23,2	0,003
DF2222	F	450	0,049
DF2223	T5	1150	0,049
DF2224	F	480	0,035
DF2225	T5	490	0,035

Таблица 5

Расплав	Анализ	Скорость коррозии, мил/год
No брусков (литье)	No брусков (T5)
Mn	Fe	Zr	1	3	5 7	2	4	6 8
DF2290	0,21	0,006	0,05	43	29	59 83	40	42	78 130
DF2291	0,14	0,002	0,13	21	17	73 170	20	23	62 960

Каждый сплав включал в себя также 2,5мас.% RE и 0,5мас.% Zn. Анализируемые образцы взяты перед разливкой в бруски.

Анализ расплава в опытах по литью под давлением

Таблица 6

Способ литья	Образец	Результат анализа (% мае.)
Zn	RE	Fe	Mn	Zr	А1
	FC1	0,3	2,3	0,002	0,21	0,11	-
БЛВД	FC2	0,3	2,2	0,001	0,21	0,01	-
	FC3	0,3	2,3	0,001	0,21	0,01	-1

	FC1	0,3	2,2	0,001	0,21	0,00	-
ЛВД	FC2	0,3	2,3	0,001	0,21	0,02	-
	FC3	0,3	2,2	0,001	0,21	0,01	-

отливки	Начало		2,2	0,002	0,18		4,
сплава	Середина		2,2	0,002	0,19		4,0
АЕ42	Конец		2,3	0,002	0,22		4,1
Расплав АЕ42 (55 млн. ч.		2,4	0,002	0,26		4,0
Be)

I

Таблица 7

Литье	Диаметр образца, мм	Температура опыта,^	Тепловая обработка	0,2% PS, МПа	TS,. МПа	% E1
MEZ	8	20	F	131	198	6
ЛВД		100		121	167	11
		150		107	151	21
		177		105	146	33
	10	20		138	163	4
		100		102	152	12
		150		90	143	18
		177		82	128	22
MEZ	8	20	Т6	110	207	8
БЛВД		100		94	168	22
		150		77	142	33
		177		70	126	37
	10	20	F	137	180	6
		100		98	168	21

		150 177		88 86	152 143	26 32
MEZ	6,4	20	F	138	175	4
ЛВД
MEZ	6,4	20	F	145	172	3
БЛВД	6,4	20	Т6	133	179	4
АЕ42	6,4	20	F	128	258	17
ЛВД		100		103	199	39
		150		86	151	46
		177		83	127	40

Таблица 8

Результаты коррозионных испытаний сплавов MEZ, полученных с помощью ЛВД, в соответствии с тестом ASTM В117. 10-Дневные испытания в камере солевого тумана.

Расплав	Тепловая обработка	Диаметр бруска, мм	Скорость коррозии, мил/год
(A)	(B)
MEZ	F	10	469	74
ЛВД		8	109	64
MEZ	F	10	368	49
БЛВД		8	195	21
MEZ	T6	10	302	41
БЛВД		8	114	-
АЕ42 БЛВД	F	10		44*

(A) - приготовление образца включает пескоструйную обработку Al₂O₃, травление в 10% водном растворе НЫО₃.

(В) - приготовление образца включает обработку поверхности отливки на станке и полировку абразивным порошком пемзы.

Свойства ползучести сплавов MEZ, полученных с помощью ЛВД, в сравнении со сплавом АЕ42.

Таблица 9

Литье	Температура опыта, С	Напряжение, МПа	Время достижения 0,1% деформации ползучести, ч
1	2	3	4	5
MEZ	20	120	22	72	5	24
БЛВД	100	100	24	0,8	2	104
	150	60	12448	>7000	>4500
	177	46	888	1392	808
MEZ	20	120	192	36	72	80
ЛВД	100	100	568	1128
	150	60	2592	4626	5000*
	177	46	832	474	3248	2592	2135
АЕ42	20	120	2	5
БЛВД	100	100	0,3	0,3
	150	60	12	13
	177	46	11	13

*- экстраполированный результат.

Все опыты - с поверхностью образцов после отливки. Размеры всех образцов 8,0 мм в диаметре х 32 мм

Литье в песчаную форму

Таблица 1 0

Обозначение образца	Механические свойства при растяжении
0,2% PS, МПа	UTS, МПа	%El
S1-1	101	131	4
S1-2	102	147	4
S2-1	115	145	4
S2-2	132	147	4
S3-1	115	131	8
S3-2	107	147	4
среднее	112	141	4

Литье под давлением

Таблица 11

Обозначение образца	Механические свойства при растяжении
0,2% PS, МПа	UTS, МПа	%El
D1-1	122	151	4
D1-3	120	1812	10
D2-1	126	199	4
D2-2	104	189	6
D2-3	167	167	4
D3-1	122	168	4

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims

1. Сплав на основе магния для литья под высоким давлением, содержащий, по меньшей мере, 91,9 мас.% магния, от 0,1 до 2 мас.% цинка, от 2,1 до 5 мас.% редкоземельного компонента за исключением иттрия, от 0 до 1 мас.% кальция, от 0 до 0,1 мас.% замедляющего окисление элемента за исключением кальция, не более 0,001 мас.% стронция, не более 0,05 мас.% серебра, менее 0,1 мас.% алюминия и по существу без нерастворенного железа, причем остальное - случайные примеси.

2. Сплав на основе магния для литья под высоким давлением, содержащий, по меньшей мере, 91 мас.% магния, от 0,1 до 2 мас.% цинка, от 2,1 до 5 мас.% редкоземельного компонента за исключением иттрия, от 0 до 1 мас.% кальция, от 0 до 0,1 мас.% замедляющего окисление элемента за исключением кальция, от 0 до 0,4 мас.% циркония, гафния и/или титана, от 0 до 0,5 мас.% марганца, не более 0,001 мас.% стронция, не более 0,05 мас.% серебра и не более 0,1 мас.% алюминия, причем остальное случайные примеси.

3. Сплав по п. 1 или 2, отличающийся тем, что остальные случайные примеси в композиции сплава, если они вообще присутствуют, составляют менее 0,15 мас.%.

4. Сплав по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержит менее 0,005 мас.% железа.

5. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что содержит менее 0,05 мас.% алюминия.

6. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что по существу не содержит алюминия.

7. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что содержит не более чем по 0,1 мас.% никеля и меди в составе остальных случайных примесей композиции сплава.

8. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что в форме отливки имеет сопротивление ползучести такое, что время достижения 0,1% деформации ползучести под приложенным напряжением в 46 МПа при 177°С превышает 500 ч.

9. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что после нагревания до 250°С в течение 24 ч имеет сопротивление ползучести такое, что время достижения 0,1% деформации ползучести под приложенным напряжением в 46 МПа при 177°С превышает 100 ч.

1 0. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что в форме отливки характеризуется скоростью коррозии меньше 2,5 мм/год, измеренной в камере солевого тумана в соответствии с тестом ASTM В117 Salt Fog Test.

11. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного компонента содержит церий, цериевый мишметалл или обедненный цериевый мишметалл.

1 2. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что содержит от 2,1 до 3 мас.% редкоземельного компонента.

1 3. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что содержит не более 1 мас.% цинка.

1 4. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что содержит не более 0,6 мас.% цинка.

1 5. Сплав по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что не содержит по существу алюминия, и/или не содержит по существу стронция, и/или не содержит по существу серебра.