RU2215057C2 - Magnesium-based alloy and a method for treating it in liquid, solid-liquid, and solid states for obtaining products with homogenous fine-grain structure - Google Patents

Abstract

FIELD: nonferrous metallurgy. SUBSTANCE: invention relates to magnesium-based alloys suited for use as structural material in manufacturing moldings, products and deformed intermediates to be applied in motor-car, aircraft, spatial rocket, electronic, and other industries. Proposed alloy contains, wt %: zinc 0.1-30, light-weight rare-earth metals 0.05-1.0, manganese 0.001-0.5, aluminum 0.001-0.1, iron 0.0001-0.05, and silicon 0.0001-0.05. Treatment procedure: preparing charge, preparing melt, introducing Mg-Mn, Mg-Zr, Mg-yttrium, and Mg-rare-earth metals addition alloys, refining alloy, aging, and casting. According to invention, addition alloy, prior to be introduced into melt, is heated to temperature by 20-50 C lower than temperature of irreversible solidus of corresponding addition alloy, Mg-rare-earth metals and Mg-yttrium addition alloys being added 30-60 min before beginning of casting operation. EFFECT: enhanced plasticity, impact elasticity, and improved workability on deformation. 16 cl, 21 tbl

Description

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению сплавов на основе магния и способам их обработки. Сплавы на основе магния используются в качестве конструкционного материала при изготовлении отливок, изделий и деформированных полуфабрикатов для применения в автомобильной, авиационной, ракетно-космической, электронной и других отраслях промышленности. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the production of magnesium-based alloys and methods for their processing. Magnesium-based alloys are used as a structural material in the manufacture of castings, products and deformed semi-finished products for use in the automotive, aviation, aerospace, electronic, and other industries.

Известны сплавы на основе магния, содержащие цинк, цирконий, редкоземельные металлы. Magnesium-based alloys containing zinc, zirconium, rare earth metals are known.

К ним относятся сплавы МА15, МА20, МЛ11, МЛ10, МЛ9 ("Магниевые сплавы". Справочник. Т. 1, 2. - М.: Металлургиздат, 1978). These include alloys MA15, MA20, ML11, ML10, ML9 ("Magnesium alloys. Reference book. T. 1, 2. - M .: Metallurgizdat, 1978).

Недостатком этих сплавов является неоднородность их зеренной структуры, что служит причиной нестабильности и анизотропии их физико-механических, технологических и служебных свойств. Кроме того, эти сплавы имеют невысокие прочностные свойства при температурах выше 100-150^oС, что ограничивает их применение. Применяемые способы обработки этих сплавов заключаются в следующем: подготовка и подогрев шихтовых материалов, плавка и литье сплавов, термическая обработка слитков и отливок, горячая деформация, прессование, ковка, штамповка и т.п., окончательная термообработка изделий. Однако технологические параметры обработки магниевых сплавов, применяемые на практике (температура нагрева слитков и полуфабрикатов, скорости деформации, режимы упрочняющей термической обработки), не позволяют получить требуемые структуру и свойства изделий.The disadvantage of these alloys is the heterogeneity of their grain structure, which causes the instability and anisotropy of their physical, mechanical, technological and service properties. In addition, these alloys have low strength properties at temperatures above 100-150 ^o C, which limits their use. The methods used for processing these alloys are as follows: preparation and heating of charge materials, melting and casting of alloys, heat treatment of ingots and castings, hot deformation, pressing, forging, stamping, etc., final heat treatment of products. However, the technological parameters of the processing of magnesium alloys, which are used in practice (heating temperature of ingots and semi-finished products, deformation rates, hardening heat treatment modes), do not allow to obtain the required structure and properties of products.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по составу ингредиентов и способу его обработки для изготовления слитков и всех видов деформированных полуфабрикатов является сплав МА15 (ГОСТ 14957, Россия), имеющий следующий состав, вес.%:
Цинк - 2,5-3,5
Цирконий - 0,45-0,90
Кадмий - 1,2-2,0
Лантан - 0,7-1,1
Магний - Остальное
Этот сплав, помимо перечисленных выше недостатков аналогичных сплавов, присущих и этому сплаву, содержит токсичный элемент кадмий, использование которого запрещено во многих странах. Кроме того, сплав содержит в качестве легирующей добавки - лантан, являющийся дорогим и дефицитным металлом в сравнении со смесями легких редкоземельных металлов (ЛРЗМ) и мишметаллом (ММ).Closest to the proposed alloy according to the composition of the ingredients and the processing method for the manufacture of ingots and all types of deformed semi-finished products is MA15 alloy (GOST 14957, Russia), having the following composition, wt.%:
Zinc - 2.5-3.5
Zirconium - 0.45-0.90
Cadmium - 1.2-2.0
Lanthanum - 0.7-1.1
Magnesium - Else
This alloy, in addition to the above disadvantages of similar alloys inherent in this alloy, contains a toxic element cadmium, the use of which is prohibited in many countries. In addition, the alloy contains, as an alloying additive, lanthanum, which is an expensive and scarce metal in comparison with mixtures of light rare-earth metals (LRSM) and mischmetal (MM).

Известная технология изготовления сплава МА15 включает этапы: подготовка шихтовых материалов, плавка и литье слитков, горячая деформация слитков. Однако используемый способ получения и обработки сплава МА15 не гарантирует получение мелкозернистой структуры и требуемого уровня свойств, т.к. при этом не используется гомогенерирующая термическая обработка слитка, регламентация скоростных параметров деформации и окончательной термической обработки изделий (Бондарев Б.И. Плавка и литье деформируемых магниевых сплавов. - М.: Металлургия, 1973, с.122-128, 271-279). The well-known MA15 alloy manufacturing technology includes the stages: preparation of charge materials, melting and casting of ingots, hot deformation of ingots. However, the used method for the preparation and processing of MA15 alloy does not guarantee obtaining a fine-grained structure and the required level of properties, because it does not use homogenizing heat treatment of the ingot, the regulation of the speed parameters of deformation and the final heat treatment of products (Bondarev B.I. Melting and casting of wrought magnesium alloys. - M .: Metallurgy, 1973, pp. 122-128, 271-279).

Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, содержащего в качестве основы магний, а также цинк и легкий редкоземельный металл и получение ультралегкого (j=1,75-1,8 г/см³) конструкционного материала в виде слитков, отливок, деформированных полуфабрикатов и изделий с регламентированной однородной мелкозернистой структурой с контролируемым содержанием мелкодисперсных выделений первичных и вторичных упрочняющих фаз, равномерно распределенных по объему зерен магниевого твердого раствора без образования непрерывного "скелета" интерметаллидов по их границам.The technical task of the present invention is the creation of an alloy containing magnesium as a base, as well as zinc and a light rare-earth metal and obtaining ultra-light (j = 1.75-1.8 g / cm ³ ) structural material in the form of ingots, castings, deformed semi-finished products and products with a regulated homogeneous fine-grained structure with a controlled content of finely dispersed precipitates of primary and secondary hardening phases uniformly distributed over the volume of grains of a magnesium solid solution without continuously forming th "skeleton" of intermetallic compounds along their borders.

Поставленная задача достигается тем, что сплав содержит, вес.%:
Цинк - 0,1-3,0
Легкие редкоземельные металлы (ЛРЗМ)
(один или несколько элементов этой подгруппы - церий, лантан, неодим, празеодим) - 0,05-1,0
Марганец - 0,001-0,5
Алюминий - 0,001-0,1
Железо - 0,0001-0,05
Кремний - 0,0001-0,05
Магний - Остальное
В сплав дополнительно вводят модификатор в виде одной из добавок - цирконий, кальций, стронций, в количестве 0,01-1,0%.The problem is achieved in that the alloy contains, wt.%:
Zinc - 0.1-3.0
Light rare earth metals (LRZM)
(one or more elements of this subgroup - cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium) - 0.05-1.0
Manganese - 0.001-0.5
Aluminum - 0.001-0.1
Iron - 0.0001-0.05
Silicon - 0.0001-0.05
Magnesium - Else
A modifier is additionally introduced into the alloy in the form of one of the additives - zirconium, calcium, strontium, in an amount of 0.01-1.0%.

В качестве ЛРЗМ используют их смеси в виде мишметалла (ММ) или Дидимиума (Д), при этом ММ содержит 55% церия, 25% лантана, 15% неодима, 5% празеодима, а Д содержит 85% неодима, 15% празеодима. Mixtures of them are used in the form of LRMS in the form of mischmetal (MM) or Didimium (D), while MM contains 55% cerium, 25% lanthanum, 15% neodymium, 5% praseodymium, and D contains 85% neodymium, 15% praseodymium.

Сплав дополнительно содержит: 0,5-5 вес.% иттрия. При литье сплава в него дополнительно вводят 0,01-0,5 вес.% иттрия. The alloy further comprises: 0.5-5 wt.% Yttrium. When casting the alloy, 0.01-0.5 wt.% Yttrium is additionally introduced into it.

Соотношение железа к кремнию в сплаве выдержано как (2-6):1, а содержание марганца и алюминия соответственно менее 0,1 и 0,02 вес.%. The ratio of iron to silicon in the alloy is maintained as (2-6): 1, and the content of manganese and aluminum, respectively, is less than 0.1 and 0.02 wt.%.

Содержание легирующих компонентов выдержано в следующих количествах, вес.%:
Цинк - 0,1-2,0
ЛРЗМ (MM) - 0,05-0,2
Цирконий - 0,05-0,3
Иттрий - 0,01-0,5
Марганец - 0,001-0,1
Алюминий - 0,001-0,02
Железо - 0,0001-0,01
Кремний - 0,0001-0,005
Магний - Остальное
Содержание цинка в сплаве должно быть ближе к нижнему пределу (0,1-1,0%), а содержание ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония - ближе к верхнему пределу.The content of alloying components is sustained in the following amounts, wt.%:
Zinc - 0.1-2.0
LRZM (MM) - 0.05-0.2
Zirconium - 0.05-0.3
Yttrium - 0.01-0.5
Manganese - 0.001-0.1
Aluminum - 0.001-0.02
Iron - 0.0001-0.01
Silicon - 0.0001-0.005
Magnesium - Else
The zinc content in the alloy should be closer to the lower limit (0.1-1.0%), and the content of LRSM (MM), yttrium and zirconium should be closer to the upper limit.

Содержание цинка, ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония - ближе к верхнему пределу. The content of zinc, LRSM (MM), yttrium and zirconium is closer to the upper limit.

Содержание цинка, ЛРЗМ (ММ), иттрия, циркония или марганца - ближе к верхнему пределу. The content of zinc, LRSM (MM), yttrium, zirconium or manganese is closer to the upper limit.

При обработке сплава лигатуры: магний-ЛРЗМ (ММ), магний-иттрий, магний-цирконий, магний-марганец, перед введением их в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры, а лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ) и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 минут до начала процесса литья.When processing the alloy of the ligature: magnesium-LRZM (MM), magnesium-yttrium, magnesium-zirconium, magnesium-manganese, before introducing them into the melt, they are heated to a temperature of 20-50 ^o C below the temperature of the nonequilibrium solidus of the corresponding ligature, and the ligature is magnesium-LRZM (MM) and magnesium-yttrium are introduced into the melt 30-60 minutes before the start of the casting process.

Отливки из сплава подвергают высокотемпературной термической обработке (гомогенизации) по режиму:
320-340^oС в течение 8-12 ч
далее
400-420^oС в течение 10-12 ч
или
320-340^oС в течение 8-12 ч
далее
480-500^oС в течение 10-12 ч
для сплавов с содержанием ЛРЗМ (ММ), иттрия и циркония ближе к верхнему переделу.Alloy castings are subjected to high-temperature heat treatment (homogenization) according to the regime:
320-340 ^o C for 8-12 hours
Further
400-420 ^o C for 10-12 hours
or
320-340 ^o C for 8-12 hours
Further
480-500 ^o C for 10-12 hours
for alloys containing LRSM (MM), yttrium and zirconium closer to the upper range.

Горячая деформация гомогенизированного слитка осуществляется методом прессования, ковки, штамповки в закрытом штампе, по меньшей мере, в два этапа:
Этап предварительный
- температура нагревав заготовки и инструмента - 450-480^oС,
- температура в конце деформации - не более 500^oС,
- скорость деформации (истечения) - максимально возможная,
не менее 0,1 ¹/с,
- степень деформации - не менее 50%
(коэффициент вытяжки более 10).Hot deformation of a homogenized ingot is carried out by pressing, forging, stamping in a closed die in at least two stages:
Preliminary stage
- the temperature of the heated workpiece and tool is 450-480 ^o C,
- the temperature at the end of the deformation is not more than 500 ^o C,
- strain rate (expiration) - the maximum possible
not less than 0.1 ¹ / s,
- degree of deformation - not less than 50%
(drawing ratio more than 10).

Этап окончательный
- температура нагрева заготовки и инструмента - 380-400^oС,
- скорость деформации - не более 0,01 ¹/с,
- степень деформации - не менее 25%
(коэффициент вытяжки более 10).The final stage
- the heating temperature of the workpiece and tool is 380-400 ^o C,
- strain rate - not more than 0.01 ¹ / s,
- degree of deformation - not less than 25%
(drawing ratio more than 10).

Способ упрочняющей термической обработки сплава осуществляется по режиму:
Температура нагрева - (180±20)^oC
Продолжительность нагрева охлаждение на воздухе - 50-150 ч
Изделия из сплава в виде гранул, тикочипсов, порошка обрабатывают в твердожидком или жидком состоянии при температуре, близкой (+10^oС) к температуре неравновесного солидуса сплава, так, чтобы пластификация твердых заготовок на стадии подачи к форме способствовала их измельчению в процессе трения скольжения, в т.ч. сдвиговой деформации (не менее 3 кг/мм²), облегчающих переход в твердожидкое или жидкое состояние с вязкостью и текучестью, обеспечивающих под давлением подачу однородного расплава в полость формы со скоростью впрыска, исключающей захват газов.The method of hardening heat treatment of an alloy is carried out according to the mode:
Heating temperature - (180 ± 20) ^o C
Duration of heating air cooling - 50-150 h
Alloy products in the form of granules, tikochips, powder are processed in a solid-liquid or liquid state at a temperature close to (+ 10 ^o С) to the temperature of the nonequilibrium solidus of the alloy, so that plasticization of the solid workpieces at the stage of feeding to the mold facilitates their grinding during sliding friction including shear deformation (not less than 3 kg / mm ² ), facilitating the transition to a solid-liquid or liquid state with viscosity and fluidity, providing a uniform melt into the mold cavity under pressure with an injection rate that excludes gas capture.

Ниже приведены результаты соответствующих опытов для заявляемого состава сплава и способа его обработки. Below are the results of the corresponding experiments for the claimed alloy composition and method of its processing.

Сплав 1
Цинк - 0,1-3,0
ЛРЗМ - 0,05-1,0
(один из элементов этой подгруппы - церий, лантан, неодим, празеодим)
Марганец - 0,001-0,5
Алюминий - 0,001-0,1
Железо - 0,0001-0,05
Кремний - 0,0001-0,05
Магний - Остальное
Опыт 1. Были отлиты три слитка со средним составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплава 1.Alloy 1
Zinc - 0.1-3.0
LRZM - 0.05-1.0
(one of the elements of this subgroup is cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium)
Manganese - 0.001-0.5
Aluminum - 0.001-0.1
Iron - 0.0001-0.05
Silicon - 0.0001-0.05
Magnesium - Else
Experience 1. Three ingots were cast with an average composition and content of alloying components close to the boundary contents of alloy elements 1.

В табл. 1 приведен химический состав изготовленных сплавов. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм. In the table. 1 shows the chemical composition of the manufactured alloys. From cast ingots made by hot pressing bars with a diameter of 15 mm.

В табл.2 приведены данные по исследованию механических и технологических свойств и микроструктуры предлагаемого сплава по сравнению с прототипом. Table 2 shows the data on the study of mechanical and technological properties and microstructure of the proposed alloy in comparison with the prototype.

Сплав 1 хотя и обеспечивает существенное повышение пластичности, ударной вязкости и технологичности при деформации по сравнению с прототипом, тем не менее, как показывает изучение его структуры, измельченность зерна и стабильность зеренной структуры недостаточна. В связи с чем для измельчения зеренной структуры, обеспечения ее стабильности и повышения механических свойств сплав 1 был дополнительно легирован модификатором. Alloy 1, although it provides a significant increase in ductility, toughness and manufacturability during deformation in comparison with the prototype, nevertheless, as the study of its structure shows, grain fineness and grain stability are insufficient. In this connection, to refine the grain structure, ensure its stability and increase the mechanical properties, alloy 1 was additionally alloyed with a modifier.

Проведенные опыты показали, что с целью еще большего (дополнительного) измельчения зерна и обеспечения стабильности однородной мелкозернистой структуры в сплав 1 должен быть дополнительно введен модификатор в виде какой-либо одной из добавок - цирконий, кальций, стронций, цианамид кальция (CaCN₂) или какой-либо другой эффективный модификатор сплава в количестве 0,01-1,0% (сплав 2).The experiments showed that in order to further granulate the grain and ensure the stability of a homogeneous fine-grained structure, an alloy in the form of any one of the additives — zirconium, calcium, strontium, calcium cyanamide (CaCN ₂ ) or any other effective alloy modifier in an amount of 0.01-1.0% (alloy 2).

Опыт 2. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплава 2. Experience 2. Ingots of three alloys were cast with the optimal composition and content of alloying components close to the boundary contents of alloy elements 2.

В табл. 3 приведен химический состав изготовленных сплавов. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм. In the table. 3 shows the chemical composition of the manufactured alloys. From cast ingots made by hot pressing bars with a diameter of 15 mm.

В табл.4 приведены данные по исследованию механических и технологических свойств и микроструктуры этих сплавов и сплава-прототипа. Table 4 shows the data on the study of the mechanical and technological properties and microstructure of these alloys and the prototype alloy.

Элементы подгруппы легких редкоземельных металлов (ЛРЗМ) или цереевой подгруппы РЗМ - это церий, лантан, неодим, празеодим и менее распространенные элементы Pm, Sm, Еu. Elements of the subgroup of light rare-earth metals (LRS) or the cereal subgroup of REM are cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium and the less common elements Pm, Sm, Eu.

Редкоземельные металлы (РЗМ) в сумме довольно широко распространены в природе. Их содержание в земной коре составляет 0,016% и превышает содержание таких широко используемых в промышленности металлов как медь (0,01%), цинк (0,005%), олово (0,004%), свинец (0,0016%). Причем легкие РЗМ более распространены в земной коре, чем тяжелые РЗМ (иттриевая подгруппа) и их содержание составляет 0,0093%. Из легких РЗМ наиболее распространен, причем с большим преимуществом по сравнению с другими, церий, он же является и наиболее дешевым из РЗМ. Из тяжелых РЗМ наиболее распространен иттрий и по распространяемости он находится на втором месте после церия. Rare earth metals (REM) in total are quite common in nature. Their content in the earth's crust is 0.016% and exceeds the content of metals widely used in industry such as copper (0.01%), zinc (0.005%), tin (0.004%), and lead (0.0016%). Moreover, light rare-earth metals are more common in the earth's crust than heavy rare-earth metals (yttrium subgroup) and their content is 0.0093%. Of the lungs, rare-earth metals are the most common, and with great advantage over others, cerium, it is also the cheapest of rare-earth metals. Of the heavy rare-earth metals, yttrium is the most abundant and in terms of prevalence it is in second place after cerium.

Наиболее трудной и дорогостоящей операцией при получении РЗМ является их раздельное получение ввиду близости их физико-химических свойств. Поэтому при использовании РЗМ в качестве легирующих компонентов более эффективно и экономически выгодно использовать не отдельные металлы, а их смеси, получаемые в процессе металлургического передела минералов (сырья), чем отдельные металлы. Вместо отдельных металлов из подгруппы ЛРЗМ можно использовать их смеси. Наиболее распространенной и дешевой смесью ЛРЗМ является мишметалл (ММ). The most difficult and expensive operation in obtaining REMs is to obtain them separately due to the proximity of their physicochemical properties. Therefore, when using rare-earth metals as alloying components, it is more efficient and economical to use not individual metals, but their mixtures obtained in the process of metallurgical redistribution of minerals (raw materials) than individual metals. Instead of individual metals from the subgroup LRSM, mixtures thereof can be used. The most common and cheapest mixture of LZRM is mischmetal (MM).

Мишметалл (MM) - это сплав легких РЗМ приблизительно в соотношениях, в которых они содержатся в рудах (минералах). Мишметалл (ММ) получается без разделения или неполного разделения отдельных РЗМ, что значительно упрощает технологию его производства и делает его более дешевым по сравнению с отдельными РЗМ. Mishmetal (MM) is an alloy of light rare-earth metals in approximately the proportions in which they are contained in ores (minerals). Michemetal (MM) is obtained without separation or incomplete separation of individual REMs, which greatly simplifies the technology of its production and makes it cheaper compared to individual REMs.

Мишметалл (ММ) обычно состоит из церия, содержание которого колеблется в пределах 50-76%, но не может выходить за эти пределы. Другим основным элементом в мишметалле является лантан, содержание которого может колебаться в пределах 25-40%. В состав ММ могут входить также неодим - около 15%, празедиодим - около 5%. Содержание остальных РЗМ и примесей не превышает 1-2%. Возможны также случаи, когда из ММ извлекают более дорогостоящие неодим и празеодим и ММ состоит фактически из смеси церия и лантана, что еще более удешевляет эту смесь. Mishmetall (MM) usually consists of cerium, the content of which varies between 50-76%, but cannot go beyond these limits. Another main element in the mischmetal is lanthanum, the content of which can vary between 25-40%. The composition of MM can also include neodymium - about 15%, praziodiodim - about 5%. The content of the remaining rare-earth metals and impurities does not exceed 1-2%. There are also cases when more expensive neodymium and praseodymium are extracted from MM and MM actually consists of a mixture of cerium and lanthanum, which further reduces the cost of this mixture.

Возможно также использовать в качестве смеси ЛРЗМ смесь металлов, состоящую из 85% неодима и 15% празеодима (или 72% неодима, 9% лантана, 8% празеодима, остальное другие РЗМ и примеси), которая называется Дидимиум (Д), и стоимость ее определяется наличием необходимого сырья (руды) у производителя и особенностями технологии извлечения указанных РЗМ из этого сырья. It is also possible to use a mixture of metals consisting of 85% neodymium and 15% praseodymium (or 72% neodymium, 9% lanthanum, 8% praseodymium, the rest are other rare-earth metals and impurities), which is called Didium (D), and its cost is determined by the availability of the necessary raw materials (ore) from the manufacturer and the features of the technology for extracting the specified rare-earth metals from this raw material.

Были проведены опыты, в которых с целью удешевления сплава 2 в него вместо одного из элементов из подгруппы ЛРЗМ вводилась смесь ЛРЗМ в количестве 0,05-1,0%, обычно это мишметалл (ММ), представляющий смесь состава (ориентировочно) - 55% церия + 25% лантана + 15% неодима + 5% празеодима или, что значительно реже, дидимиум (Дi), имеющий ориентировочный состав 85% неодима + 15% празеодима (сплав 3). Experiments were carried out in which, in order to reduce the cost of alloy 2, instead of one of the elements from the LRSM subgroup, a mixture of LSRM was introduced in an amount of 0.05-1.0%, usually it is mischmetal (MM), which is a mixture of the composition (approximately) - 55% cerium + 25% lanthanum + 15% neodymium + 5% praseodymium or, much less frequently, didymium (Di) having an approximate composition of 85% neodymium + 15% praseodymium (alloy 3).

Опыт 3. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным сплава 3. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм. Experience 3. Ingots of three alloys were cast with the optimal composition and content of alloying components close to the boundary alloys 3. Of the cast ingots, rods with a diameter of 15 mm were hot pressed.

В табл.5 и 6 приведены соответственно химический состав, механические и технологические свойства и данные по исследованию микроструктуры этих сплавов и сплава прототипа. In tables 5 and 6, respectively, the chemical composition, mechanical and technological properties and data on the study of the microstructure of these alloys and the prototype alloy are given.

Иттрий относится к подгруппе тяжелых РЗМ (ТРЗМ) - иттриевая подгруппа РЗМ, и несмотря на то что он возглавляет подгруппу тяжелых РЗМ, он является самым легким из редкоземельных металлов после скандия, соответственно, 4,457 и 2,989 г/см³. Иттрий в 1,5-2 раза легче других РЗМ (6,17-9,83 г/см³).Yttrium belongs to the subgroup of heavy rare earth metals (TRZM) - the yttrium subgroup of rare earth metals, and despite the fact that he leads the subgroup of heavy rare earth metals, it is the lightest of rare-earth metals after scandium, respectively, 4.457 and 2.989 g / cm ³ . Yttrium is 1.5-2 times lighter than other rare-earth metals (6.17-9.83 g / cm ³ ).

Иттрий является наиболее распространенным и дешевым металлом в своей подгруппе РЗМ. Содержание иттрия в земной коре в несколько раз превышает содержание остальных РЗМ иттриевой подгруппы. Yttrium is the most common and cheapest metal in its subgroup REM. The yttrium content in the earth's crust is several times higher than the content of other rare-earth metals of the yttrium subgroup.

В природных соединениях (минеральное сырье) в сумме РЗМ иттриевой подгруппы иттрий содержится в наибольшем количестве и извлекается в значительно большем объеме, чем остальные элементы. В связи с чем иттрий, в т.ч. с учетом его низкой плотности, технически и экономически более выгодно использовать в виде отдельного металла, а не в смеси с другими РЗМ, как в случае ЛРЗМ. In natural compounds (mineral raw materials), in the total REM of the yttrium subgroup, yttrium is contained in the greatest amount and is extracted in a much larger volume than the other elements. In this connection, yttrium, incl. taking into account its low density, it is technically and economically more profitable to use it as a separate metal, and not in a mixture with other rare-earth metals, as in the case of laser-protective materials.

Для иттрия характерен почти в два раза более высокий модуль упругости (Е= 6,61•10³ кг/мм²) по сравнению с ЛРЗМ (3,0-4,0•10³ кг/мм²), в связи с чем можно ожидать существенное повышение прочности межатомных связей при образовании его со сплавами на основе магния твердых растворов.Yttrium is characterized by an almost two times higher modulus of elasticity (E = 6.61 • 10 ³ kg / mm ² ) compared with LRSM (3.0-4.0 • 10 ³ kg / mm ² ), and therefore one can expect a substantial increase in the strength of interatomic bonds during its formation with magnesium alloys based on solid solutions.

Иттрий имеет существенно более высокую растворимость в твердом магнии по сравнению с ЛРЗМ, что определяет возможность и необходимость введения его в сплавы на основе магния в значительно большем количестве. Yttrium has a significantly higher solubility in solid magnesium compared with LRSM, which determines the possibility and necessity of introducing it into magnesium-based alloys in a much larger amount.

Растворимость иттрия, ЛРЗМ и цинка в твердом магнии при различных температурах (вес.%) приведена в табл.А. The solubility of yttrium, LRSM and zinc in solid magnesium at various temperatures (wt.%) Are given in table A.

Дополнительное легирование сплавов на основе магния иттрием способствует существенному повышению предела текучести при сжатии, более интенсивному, чем при растяжении. В результате чего эти значения выравниваются. Additional alloying of magnesium-based alloys with yttrium contributes to a significant increase in the yield strength under compression, more intense than under tension. As a result, these values are aligned.

Для большинства магниевых сплавов, за исключением магниево-литиевых, предел текучести при сжатии в 1,5-2 раза ниже, чем предел текучести при растяжении (анизотропия пределов текучести), что ограничивает использование магниевых сплавов в конструкциях, работающих при сжимающих нагрузках. Указанная особенность магниевых сплавов обусловлена природой деформации ГПУ структуры магния. For most magnesium alloys, with the exception of magnesium-lithium alloys, the yield strength under compression is 1.5-2 times lower than the yield strength under tension (anisotropy of yield strengths), which limits the use of magnesium alloys in structures operating under compressive loads. The indicated feature of magnesium alloys is due to the nature of the deformation of the hcp structure of magnesium.

Были проведены опыты, в которых с целью повышения прочностных свойств сплавов при повышенных (150-250^oС) и нормальных температурах, в т.ч. с целью уменьшения анизотропии пределов текучести при растяжении и сжатии, в сплавы 2 и 3 был дополнительно введен иттрий в количестве 0,5-5,0% (сплав 4).Experiments were carried out in which, in order to increase the strength properties of alloys at elevated (150-250 ^o C) and normal temperatures, including In order to reduce the anisotropy of the yield strengths under tension and compression, yttrium was additionally introduced into alloys 2 and 3 in an amount of 0.5–5.0% (alloy 4).

Опыт 4. Были отлиты слитки трех сплавов с оптимальным составом и содержанием легирующих компонентов, близким к граничным содержаниям элементов сплавов 4, 5. Из отлитых слитков изготовлены методом горячего прессования прутки диаметром 15 мм. Experience 4. Ingots of three alloys were cast with the optimal composition and content of alloying components close to the boundary contents of the elements of alloys 4, 5. Of the cast ingots, bars with a diameter of 15 mm were hot pressed.

В табл. 7 и 8 приведены соответственно химический состав, механические свойства при температурах 20, 150 и 250^oС, в том числе предел текучести при сжатии, и данные по исследованию микроструктуры этих сплавов и сплава-прототипа.In the table. 7 and 8 respectively show the chemical composition, mechanical properties at temperatures of 20, 150 and 250 ^o C, including the yield strength under compression, and data on the study of the microstructure of these alloys and the prototype alloy.

Учитывая, что иттрий образует с кислородом воздуха, в т.ч. при высоких температурах, достаточно прочные окисные пленки, были проведены опыты по оценке влияния малых добавок (0,01-0,5%) иттрия на окисляемость рекомендуемых сплавов при высоких температурах, в том числе в жидком состоянии. Было показано, что указанные добавки иттрия уменьшают возгораемость исследуемых сплавов (сплав 3), улучшают их литейные свойства, в частности склонность к горячим трещинам, и стабилизируют мелкозернистую структуру (сплав 5). Given that yttrium forms with oxygen in the air, incl. at high temperatures, sufficiently strong oxide films, experiments were conducted to assess the effect of small additives (0.01-0.5%) of yttrium on the oxidation of the recommended alloys at high temperatures, including in the liquid state. It was shown that these yttrium additives reduce the flammability of the studied alloys (alloy 3), improve their casting properties, in particular the tendency to hot cracks, and stabilize the fine-grained structure (alloy 5).

В ряде случаев при литье слитков и изготовлении отливок из предлагаемых сплавов было обнаружено, что измельченность зерна возрастает, т.е. эффект модифицирования усиливается в зависимости от соотношения содержания в сплаве малых добавок железа и кремния. В результате проведенных опытов было установлено, что для усиления эффекта модифицирования присутствующих в сплаве легирующих компонентов и стабилизации полученной в слитках и отливках мелкозернистой структуры отношение содержания железа к кремнию должно быть в пределах 2-6 к 1. In a number of cases, when casting ingots and manufacturing castings from the proposed alloys, it was found that grain fineness increases, i.e. the modification effect is enhanced depending on the ratio of the content of small iron and silicon additives in the alloy. As a result of the experiments, it was found that, in order to enhance the effect of modifying the alloying components present in the alloy and stabilizing the finely-grained structure obtained in ingots and castings, the ratio of iron to silicon should be in the range of 2-6 to 1.

Содержание марганца и алюминия в предлагаемых сплавах, содержащих цирконий, не должно превышать соответственно 0,1 и 0,02%. Эти данные были получены в результате анализа материалов исследования микроструктуры слитков и отливок, который показал, что при более высоких содержаниях указанных элементов в плаве, эффект модифицирования нестабилен и на некоторых видах слитков и отливок наблюдается разнозернистость и крупное зерно. The content of manganese and aluminum in the proposed alloys containing zirconium should not exceed 0.1 and 0.02%, respectively. These data were obtained as a result of analysis of materials on the microstructure of ingots and castings, which showed that at higher contents of these elements in the melt, the modification effect is unstable and some types of ingots and castings exhibit different grain sizes and coarse grains.

Опыт 5. Были отлиты слитки пяти составов с различным содержанием железа и кремния и как возможно близкими по содержанию с другими легирующими элементами. На отлитых слитках была исследована микроструктура. Результаты химического анализа сплавов и данные по исследованию микроструктуры приведены в табл.9. Experience 5. Ingots of five compositions were cast with different iron and silicon contents and as close as possible in content to other alloying elements. The microstructure was investigated on cast ingots. The results of chemical analysis of alloys and data on the study of the microstructure are given in table.9.

Анализ результатов исследования механических свойств большого числа полуфабрикатов, изготовленных из предлагаемых сплавов, показал, что наиболее высокие и стабильные значения пластичности и ударной вязкости материала, которые определяют повышенную энергопоглощающую способность материала, наблюдаются у сплавов, содержащих легирующие компоненты в следующих количествах, % (сплав 6):
Цинк - 0,1-2,0
ЛРЗМ (MM) - 0,05-0,2
Цирконий - 0,05-0,3
Иттрий - 0,01-0,5
Железо - 0,0001-0,01
Кремний - 0,0001-0,005
Марганец - 0,001-0,1
Алюминий - 0,001-0,02
Содержание летучих компонентов, как в сплаве 6, позволяют получить на отливках, изделиях и деформированных полуфабрикатах высокие пластические характеристики и ударную вязкость при сохранении достаточной прочности.An analysis of the results of the study of the mechanical properties of a large number of semi-finished products made from the proposed alloys showed that the highest and most stable values of ductility and toughness of the material, which determine the increased energy absorption capacity of the material, are observed in alloys containing alloying components in the following amounts,% (alloy 6 ):
Zinc - 0.1-2.0
LRZM (MM) - 0.05-0.2
Zirconium - 0.05-0.3
Yttrium - 0.01-0.5
Iron - 0.0001-0.01
Silicon - 0.0001-0.005
Manganese - 0.001-0.1
Aluminum - 0.001-0.02
The content of volatile components, as in alloy 6, allows to obtain high plastic characteristics and toughness on castings, products and deformed semi-finished products while maintaining sufficient strength.

Пластичность и ударная вязкость предлагаемого сплава в 2-4 раза выше соответствующих характеристик сплава-прототипа и других стандартных магниевых сплавов (табл.10 и 11). The ductility and toughness of the proposed alloy is 2-4 times higher than the corresponding characteristics of the prototype alloy and other standard magnesium alloys (tables 10 and 11).

Использование предлагаемого сплава состава 6 для изготовления деталей внутреннего интерьера автомобилей, самолетов и других транспортных средств позволяет существенно снизить вес изделий при соблюдении необходимых требований по безопасности материалов. The use of the proposed alloy composition 6 for the manufacture of parts for the interior of cars, airplanes and other vehicles can significantly reduce the weight of products while observing the necessary safety requirements for materials.

Кроме того, следует отметить, что содержание легирующих элементов практически на нижнем пределе позволяет иметь сплав с низкой плотностью (1,75-1,77 г/см³) и сравнительно дешевый, даже относительно традиционных стандартных магниевых сплавов.In addition, it should be noted that the content of alloying elements almost at the lower limit allows you to have an alloy with a low density (1.75-1.77 g / cm ³ ) and relatively cheap, even relative to traditional standard magnesium alloys.

Исследование механических свойств слитков, содержащих иттрий, показали, что более высокие значения прочности при повышенных температурах (150-250^oС) наблюдаются для сплавов, в которых содержание иттрия, ЛРЗМ (ММ) и циркония ближе к верхнему пределу, а содержание цинка при этом должно быть 0,1-1,0% (сплав 7).The study of the mechanical properties of yttrium-containing ingots showed that higher strength values at elevated temperatures (150-250 ^o C) are observed for alloys in which the yttrium, LRSM (MM) and zirconium contents are closer to the upper limit, while the zinc content is should be 0.1-1.0% (alloy 7).

Химический состав и механические свойства при комнатной температуре и температурах 150, 220 и 250^oС сплавов, отвечающих по составу требованиям сплава 7, приведены в табл.12 и 13.The chemical composition and mechanical properties at room temperature and temperatures of 150, 220 and 250 ^o C alloys that meet the composition requirements of alloy 7 are shown in tables 12 and 13.

Сопротивление ползучести при температуре 250^oС сплавов 7-2, 4 (max содержание) и сплава-прототипа при σ=2,5 кг/мм² (25 МПа) за 1000 ч, характеризуемая остаточной деформацией образца (ε), составила соответственно 0,5%; 0,8% и 2,5%. Пределы ползучести (σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{100}}{\text{0,2}}$ ) при 150^oС сплавов 7-2, 4 (max содержание) и сплава-прототипа равны соответственно 14, 12 и 3 кг/мм² (140, 120 и 30 МПа).The creep resistance at a temperature of 250 ^o With alloys 7-2, 4 (max content) and prototype alloy at σ = 2.5 kg / mm ² (25 MPa) for 1000 h, characterized by the residual deformation of the sample (ε), was respectively 0 ,5%; 0.8% and 2.5%. Creep Limits (σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{100}}{\text{0.2}}$ ) at 150 ^o With alloys 7-2, 4 (max content) and prototype alloy are respectively 14, 12 and 3 kg / mm ² (140, 120 and 30 MPa).

Наиболее высокие значения прочностных характеристик, в т.ч. предела текучести на сжатие, при нормальных и криогенных температурах достигаются у предлагаемого сплава, если содержание легирующих компонентов цинка, иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония находится ближе к верхнему пределу (сплав 8). При этом сохраняется высокий уровень прочностных свойств и при повышенных температурах. The highest values of strength characteristics, including the yield strength for compression, at normal and cryogenic temperatures, is achieved for the proposed alloy, if the content of the alloying components of zinc, yttrium, LRSM (MM), zirconium is closer to the upper limit (alloy 8). At the same time, a high level of strength properties is maintained at elevated temperatures.

Химический состав и механические свойства исследованных сплавов приведены в табл.14 и 15. The chemical composition and mechanical properties of the investigated alloys are given in tables 14 and 15.

Проведение опыта по изготовлению гранул (порошка) предлагаемого сплава показали, что возможность литья гранул с более высокими температурами и с высокими скоростями кристаллизации 10²-10⁶ град/с позволяют получить аномально пересыщенные твердые растворы иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония, цинка и марганца в твердом магнии, что дает возможность поддерживать содержание указанных легирующих элементов в сплаве на уровне, близком к верхнему пределу.Experiments on the manufacture of granules (powder) of the proposed alloy showed that the possibility of casting granules with higher temperatures and with high crystallization rates of 10 ² -10 ⁶ deg / s allows you to get anomalously supersaturated solid solutions of yttrium, LRSM (MM), zirconium, zinc and manganese in solid magnesium, which makes it possible to maintain the content of these alloying elements in the alloy at a level close to the upper limit.

На установке центробежного литья гранул были изготовлены гранулы предлагаемого сплава, из которых методом горячего компактирования и прессования изготовлены прутки диаметром 15 мм. At the centrifugal granule casting plant, granules of the proposed alloy were made, of which rods with a diameter of 15 mm were made by hot compaction and pressing.

Результаты исследования химического состава предлагаемого сплава и его механических свойств приведены в табл.16 и 17. The results of the study of the chemical composition of the proposed alloy and its mechanical properties are given in tables 16 and 17.

Как было сказано выше, используемые в предлагаемом сплаве легирующие элементы в рекомендуемых количествах образуют с основой сплава магнием в большинстве случаев твердые растворы с незначительной пересыщенностью легирующими компонентами, в связи с чем применение упрочняющей термообработки (закалка + искусственное старение) для повышения прочностных свойств нецелесообразно. Однако в том случае, когда предлагаемый сплав рекомендуется как конструкционный материал с повышенной прочностью, возможно применение упрочняющей термообработки для сплавов с содержанием легирующих элементов на уровне, близком к верхнему пределу. Учитывая, что для магниевых сплавов характерна пониженная диффузионная активность атомов в твердом состоянии при охлаждении с высоких температур, упрочнение при распаде пересыщенного твердого раствора может происходить без ускоренного охлаждения с высоких температур (закалки), а только при искусственном старении отливок (изделий) и горячедеформированных полуфабрикатов. As mentioned above, the alloying elements used in the proposed alloy in the recommended amounts form with the magnesium alloy base in most cases solid solutions with a slight supersaturation with the alloying components, and therefore the use of hardening heat treatment (hardening + artificial aging) to increase the strength properties is impractical. However, in the case where the proposed alloy is recommended as a structural material with increased strength, it is possible to use hardening heat treatment for alloys containing alloying elements at a level close to the upper limit. Given that magnesium alloys are characterized by reduced diffusion activity of atoms in the solid state upon cooling from high temperatures, hardening during the decomposition of a supersaturated solid solution can occur without accelerated cooling from high temperatures (quenching), but only during artificial aging of castings (products) and hot-deformed semi-finished products .

Проведенные опыты показали, что наиболее высокие прочностные свойства в сочетании с оптимальной пластичностью предлагаемого сплава с высоким содержанием легирующих элементом цинка, иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония (сплавы 7 и 8) достигаются после искусственного старения по режиму:
Температура нагрева - (180±20)^oC
Продолжительность нагрева при указанных температурах - 50-150 ч
Охлаждение - На воздухе
В табл.18 приведены механические свойства предлагаемого сплава в горячедеформированном и термически обработанном состоянии.The experiments showed that the highest strength properties in combination with the optimal ductility of the proposed alloy with a high content of alloying elements of zinc, yttrium, LRSM (MM), zirconium (alloys 7 and 8) are achieved after artificial aging according to the regime:
Heating temperature - (180 ± 20) ^o C
Duration of heating at specified temperatures - 50-150 h
Cooling - In the Air
Table 18 shows the mechanical properties of the proposed alloy in a hot-deformed and heat-treated state.

Предлагаемый сплав может быть изготовлен в виде слитков, отливок, деформированных полуфабрикатов и изделий различными способами его обработки. Необходимым условием для используемого способа обработки предлагаемого сплава является обеспечение (сохранение) однородной мелкозернистой (или близкой к таковой) структуры сплава, которая наряду с упрочняющим действием легирующих элементов определяет высокий уровень физико-механических и служебных свойств. The proposed alloy can be made in the form of ingots, castings, deformed semi-finished products and products by various methods of its processing. A necessary condition for the used method of processing the proposed alloy is to ensure (preservation) a homogeneous fine-grained (or close to that) alloy structure, which, along with the hardening action of alloying elements, determines a high level of physical, mechanical and service properties.

Способ производства предлагаемого сплава включает приготовление шихты, плавку сплава, рафинирование, выстаивание расплава, литье отливок, гранул, слитков, обточку слитков и горячую деформацию слитков для изготовления полуфабрикатов. The method of production of the proposed alloy includes the preparation of the mixture, melting of the alloy, refining, melt aging, casting of castings, granules, ingots, turning of ingots and hot deformation of ingots for the manufacture of semi-finished products.

Проведенные исследования и анализ опыта работы с предлагаемым сплавом показали, что с целью уменьшения потерь дорогостоящих легирующих компонентов при плавке и повышения эффективности процесса их вводят в расплав в виде лигатур. Лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ), магний-иттрий, магний-цирконий, магний-марганец перед введением в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры. Лигатуры магний-ЛРЗМ (ММ) и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 мин до начала процесса литья слитков, отливок, гранул (порошков).Studies and analysis of the experience with the proposed alloy showed that in order to reduce the loss of expensive alloying components during melting and increase the efficiency of the process, they are introduced into the melt in the form of ligatures. Ligatures magnesium-LRZM (MM), magnesium-yttrium, magnesium-zirconium, magnesium-manganese are heated to a temperature of 20-50 ^o C below the temperature of the nonequilibrium solidus of the corresponding ligature before being introduced into the melt. Ligatures magnesium-LRZM (MM) and magnesium-yttrium are introduced into the melt 30-60 minutes before the start of the process of casting ingots, castings, granules (powders).

Процессом, благоприятно сказывающимся на получении гомогенной структуры сплавов, является высокотемпературная обработка слитков - гомогенизация. The process that favorably affects the preparation of a homogeneous structure of alloys is the high-temperature processing of ingots — homogenization.

При гомогенизации создаются условия для выравнивающей диффузии, под действием которой растворяются неравновесные эвтектики и интерметаллидные соединения, выравнивается химический состав и свойства твердого раствора по всему объему зерна. Гомогенизация способствует созданию и стабилизации однородной зеренной и внутризеренной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах, уменьшая и облагораживая избыточные выделения в сплаве. During homogenization, conditions are created for equalizing diffusion, under the influence of which nonequilibrium eutectics and intermetallic compounds are dissolved, the chemical composition and properties of the solid solution are leveled over the entire grain volume. Homogenization contributes to the creation and stabilization of a homogeneous grain and intragranular structure in hot-deformed semi-finished products, reducing and ennoblement of excess precipitates in the alloy.

Учитывая, что предлагаемый сплав является многокомпонентным и легирующие элементы в системах с магнием имеют существенно различающиеся температуры физико-химических превращений, следует принимать это во внимание при выборе режимов гомогенизации сплава. Given that the proposed alloy is multicomponent and alloying elements in systems with magnesium have significantly different temperatures of physicochemical transformations, this should be taken into account when choosing alloy homogenization modes.

Так как система магний-цинк имеет температуру равновесной эвтектики 343^oС, а система магний-иттрий и магний-ЛРЗМ (ММ) соответственно в интервале температур 550-610^oС ±3^oС, а магний-цирконий - температуру перетектики 654^oС, то для предлагаемого сплава предпочтительно рекомендовать двухступенчатый режим гомогенизирующего отжига.Since the magnesium-zinc system has a temperature of equilibrium eutectic of 343 ^o С, and the magnesium-yttrium and magnesium-LRZM (MM) system, respectively, in the temperature range 550-610 ^o С ± 3 ^o С, and magnesium-zirconium has a temperature of overflow of 654 ^o С , for the proposed alloy, it is preferable to recommend a two-stage mode of homogenizing annealing.

I ступень - растворение легкоплавких избыточных фаз, содержащих цинк. I stage - the dissolution of fusible excess phases containing zinc.

II ступень - растворение избыточных фаз, содержащих иттрий, ЛРЗМ (ММ), цирконий и марганец. II stage - the dissolution of excess phases containing yttrium, LRSM (MM), zirconium and manganese.

На основе проведенных исследований и с учетом химического, фазового и структурного состава предлагаемого сплава, температуры его неравновесного солидуса в зависимости от состава сплава, а также температуры начала интенсивного процесса коагуляции хрупких скелетообразных составляющих (выделений) сплава были разработаны и предложены режимы гомогенизации слитков и крупногабаритных толстостенных отливок. Based on the studies and taking into account the chemical, phase and structural composition of the proposed alloy, the temperature of its nonequilibrium solidus depending on the composition of the alloy, as well as the temperature of the beginning of the intensive coagulation process of brittle skeletal components (precipitates) of the alloy, the modes of homogenization of ingots and large-sized thick-walled were developed and proposed castings.

I. 320-340^oС - 8-12 ч + 400-420^oС - 10-12 ч.I. 320-340 ^o С - 8-12 h + 400-420 ^o С - 10-12 h.

II. Для сплавов с повышенным содержанием иттрия, ЛРЗМ (ММ), циркония и марганца - 320-340^oС - 8-12 ч + 480-500^oС - 10-12 ч.II. For alloys with a high content of yttrium, LRSM (MM), zirconium and manganese - 320-340 ^o С - 8-12 hours + 480-500 ^o С - 10-12 hours.

Охлаждение слитков после гомогенизации на воздухе. Cooling ingots after homogenization in air.

В табл. 19 приведены результаты исследования микроструктуры и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов после проведения гомогенизирующей обработки слитков. In the table. 19 shows the results of a study of the microstructure and mechanical properties of ingots and deformed semi-finished products after homogenizing treatment of ingots.

Анализ результатов исследований влияния степени, температуры и скорости деформации на структуру и механические свойства предлагаемого сплава показал, что стабильная однородная мелкозернистая (полигонизованная) структура при горячей деформации может быть получена только за счет полной и спонтанной рекристаллизации. Температурно-скоростные условия горячей деформации зависят от содержания легирующих элементов в сплаве и состояния структуры исходной заготовки. An analysis of the results of studies of the influence of the degree, temperature, and strain rate on the structure and mechanical properties of the proposed alloy showed that a stable homogeneous fine-grained (polygonized) structure during hot deformation can be obtained only through complete and spontaneous recrystallization. The temperature and speed conditions of hot deformation depend on the content of alloying elements in the alloy and the state of the structure of the initial billet.

Для улучшения зеренной структуры конечного полуфабриката и изделия в нашем случае необходимо использовать предварительно деформированную заготовку из гомогенизированного слитка. To improve the grain structure of the final semi-finished product and product in our case, it is necessary to use a pre-deformed billet of a homogenized ingot.

Как было сказано выше, зеренная (полигонизованная) структура в горячедеформированном полуфабрикате формируется либо в процессе деформации при высоких температурах с участием динамической рекристаллизации, либо после окончания горячей деформации за счет спонтанной рекристаллизации, происходящей в сплавах на основе магния практически мгновенно, менее чем за 1-2 с. As mentioned above, a grain (polygonized) structure in a hot-deformed semi-finished product is formed either in the process of deformation at high temperatures with the participation of dynamic recrystallization, or after the end of hot deformation due to spontaneous recrystallization that occurs in magnesium-based alloys almost instantly, in less than 1- 2 sec

Динамическая рекристаллизация проходит в процессе динамического воздействия (деформации) на структуру при высоких температурах, а спонтанная - в процессе остывания металла после горячей деформации за счет энергии, накопленной при деформации. Dynamic recrystallization occurs during the dynamic influence (deformation) on the structure at high temperatures, and spontaneous crystallization occurs during the cooling of the metal after hot deformation due to the energy accumulated during deformation.

Зеренная структура, образовавшаяся в результате горячей деформации сплавов на основе магния, является устойчивой (стабильной) и длительное время заметно не меняется при температурах не выше температуры последней деформации, обычно не ниже 350-400^oС.The grain structure formed as a result of hot deformation of magnesium-based alloys is stable (stable) and does not noticeably change for a long time at temperatures not higher than the temperature of the last deformation, usually not lower than 350-400 ^o C.

Проведенные исследования позволили получить необходимые данные по температуре, скорости и степени деформации предлагаемого сплава, которые позволяют создать в деформированном полуфабрикате (изделии) однородную мелкозернистую (полигонизованную) структуру, обеспечивающую повышенные механические и служебные свойства полуфабриката. The conducted studies made it possible to obtain the necessary data on the temperature, speed, and degree of deformation of the proposed alloy, which make it possible to create a homogeneous fine-grained (polygonized) structure in the deformed semi-finished product (product), which provides enhanced mechanical and service properties of the semi-finished product.

Ниже приводятся технологические параметры изготовления промежуточной (горячепрессованной) заготовки, ковки (осадки) и штамповки изделия применительно к изготовлению штампованного диска автомобильного колеса из предлагаемого сплава с регламентированной однородной мелкозернистой (полигонизованной) структурой. The following are the technological parameters for the manufacture of an intermediate (hot-pressed) billet, forging (draft) and stamping of the product as applied to the manufacture of a stamped disk of a car wheel from the proposed alloy with a regulated homogeneous fine-grained (polygonized) structure.

Механические свойства диска автомобильного колеса, полученного по предлагаемому способу обработки предлагаемого сплава, в 1,2-1,5 раза выше, чем свойства диска колеса, изготовленного по известной традиционной технологии. The mechanical properties of the wheel of a car wheel, obtained by the proposed method for processing the proposed alloy, are 1.2-1.5 times higher than the properties of a wheel disk made by known traditional technology.

Следует отметить, что предлагаемый сплав в отличие от других известных деформированных стандартных магниевых сплавов, используемых для изготовления дисков колес, - сплавы МА14 (Россия), ZK60A (США) и др., благодаря своей высокой технологичности при горячей деформации позволяет применять большие суммарные деформации при ковке и штамповке за один переход. It should be noted that the proposed alloy, unlike other well-known deformed standard magnesium alloys used for the manufacture of wheel disks, alloys MA14 (Russia), ZK60A (USA), etc., due to their high processability in hot deformation, allows the use of large total deformations at forging and stamping in one transition.

Технологические параметры предлагаемого способа получения (горячей деформации) предлагаемого сплава, обеспечивающие создание регламентированной структуры, приведены ниже:
I. Прессование промежуточной заготовки из гомогенизированного слитка:
- Температура нагрева слитка и контейнера - 450-480^oС, но так, чтобы в конце деформации температура заготовки была не более 500^oС.The technological parameters of the proposed method for producing (hot deformation) of the proposed alloy, providing the creation of a regulated structure, are given below:
I. Compaction of an intermediate billet from a homogenized ingot:
- The heating temperature of the ingot and container is 450-480 ^o C, but so that at the end of the deformation the temperature of the workpiece is not more than 500 ^o C.

- Коэффициент вытяжки - более 10. - The extraction ratio is more than 10.

- Скорость истечения металла - максимально возможная на прессе, не менее 0,1 ¹/с.- The flow rate of the metal is the maximum possible in the press, not less than 0.1 ¹ / s.

Предлагаемый состав сплава и предварительная гомогенизация слитков позволяют прессовать заготовки с допустимой скоростью истечения металла при прессовании до 20 м/мин, для сравнения прототип - сплав МА15 - допускает скорости истечения до 2 м/мин, сплав МА14 - до 3 м/мин. The proposed alloy composition and preliminary homogenization of the ingots allow pressing the workpieces with an allowable flow rate of the metal during pressing up to 20 m / min, for comparison, the prototype - MA15 alloy - allows the flow rate up to 2 m / min, MA14 alloy - up to 3 m / min.

II. Ковку (осадку) прессованной заготовки можно совмещать с первой штамповкой заготовки по режиму:
- Использовать выпукло-вогнутые бойки.II. Forging (upsetting) of the pressed billet can be combined with the first stamping of the billet according to the mode:
- Use convex-concave strikers.

- Температура нагрева заготовок и бойков - 450-480^oС, но так, чтобы в конце деформации была не более 500^oС.- The heating temperature of the workpieces and strikers is 450-480 ^o C, but so that at the end of the deformation was not more than 500 ^o C.

- Степень деформации - более 50%. - Deformation degree - more than 50%.

- Скорость деформации - максимально возможная, не менее 0,1 ¹/с.- The strain rate is the maximum possible, not less than 0.1 ¹ / s.

III. Предварительная штамповка:
- Температура нагрева заготовки и штампов - 400-450^oС.III. Pre-stamping:
- The temperature of the workpiece and dies - 400-450 ^o C.

- Скорость деформации - не более 0,5 ¹/с.- The strain rate is not more than 0.5 ¹ / s.

- Степень деформации - не менее 15-20%. - The degree of deformation is not less than 15-20%.

Предварительный штамп должен быть сконструирован таким образом, чтобы при окончательной штамповке по всему сечению заготовки не было бы объемов металла со степенью деформации менее 20%. The preliminary stamp must be designed so that during the final stamping, there would be no metal volumes with a degree of deformation of less than 20% over the entire cross section of the workpiece.

IV. Окончательная штамповка диска автомобильного колеса:
- Окончательный штамп должен обеспечить максимально точную штамповку, чтобы, по возможности, уменьшить механическую обработку поверхности изделия (диска колеса).IV. Final stamping of a wheel of a car wheel:
- The final stamp should provide the most accurate stamping in order to possibly reduce the mechanical treatment of the surface of the product (wheel disk).

- Температура нагрева заготовки - (400±20)^oС.- The temperature of the workpiece - (400 ± 20) ^o C.

- Температура штампа - (380±20)^oС.- The temperature of the stamp - (380 ± 20) ^o C.

- Скорость деформации - минимальная на прессе, не более 0,01 ¹/с, т.е. время деформации около 1 мин при степени деформации 50%.- The strain rate is the minimum on the press, not more than 0.01 ¹ / s, i.e. the deformation time is about 1 min with a degree of deformation of 50%.

- Ориентировочные данные по требуемым усилиям (давлениям) при штамповке - 10 кг/см². Истинное напряжение течения, необходимое для заполнения формы металлом, в данном случае составляет приблизительно 3-4 кг/мм².- Approximate data on the required efforts (pressures) during stamping - 10 kg / cm ² . The true flow stress required to fill the mold with metal, in this case, is approximately 3-4 kg / mm ² .

В табл. 20 приведены механические свойства образцов, изготовленных указанным выше способом и по традиционной технологии из предлагаемого сплава. In the table. 20 shows the mechanical properties of samples made by the above method and according to traditional technology from the proposed alloy.

В последнее десятилетие все большее распространение получают технологии изготовления изделий из магниевых и других сплавов из твердо-жидкого состояния, причем в качестве исходного материала (шихты) используются измельченные твердые заготовки в виде гранул, тиксочипсов, порошка. Одной из таких технологий является Thixomoulding процесс (Т.М. процесс). In the last decade, technologies for manufacturing products from magnesium and other alloys from a solid-liquid state have become more widespread, with crushed solid billets in the form of granules, thixochips, and powder being used as a starting material (charge). One such technology is the Thixomoulding process (TM process).

Проведенные исследования показали, что предлагаемый сплав в виде гранул, тиксочипсов, порошка может быть использован для изготовления изделий, в том числе тонкостенных, с толщиной стенки 0,5-3 мм, с высоким уровнем механических и служебных свойств, герметичности и качества поверхности. Studies have shown that the proposed alloy in the form of granules, thixochips, powder can be used for the manufacture of products, including thin-walled ones, with a wall thickness of 0.5-3 mm, with a high level of mechanical and service properties, tightness and surface quality.

Получение высоких физико-механических свойств и качества возможно, если изготовление изделий производят из твердожидкого или жидкого состояний при температурах, близких (+10^oС) к температуре неравновесного солидуса сплава.Obtaining high physical and mechanical properties and quality is possible if the manufacture of products is carried out from solid-liquid or liquid states at temperatures close to (+ 10 ^o C) to the temperature of the nonequilibrium solidus of the alloy.

Обработку твердых заготовок предлагаемого сплава производят способом, при котором пластикация твердых заготовок на стадии подачи к форме осуществляет их измельчение в процессе трения скольжения, в т.ч. с участием сдвиговой деформации, облегчающих переход в твердожидкое или жидкое состояние с вязкостью и текучестью, обеспечивающих подачу однородного сплава (расплава) в полость формы со скоростью (скорость впрыска), исключающей захват газов и создающей возможность ее заполнения для получения герметичного изделия с минимальной пористостью, хорошей поверхностью и точностью размеров, высоким уровнем физико-механических и служебных свойств. The processing of solid billets of the proposed alloy is carried out by a method in which the plasticization of solid billets at the stage of feeding to the mold carries out their grinding during sliding friction, incl. with the participation of shear deformation, facilitating the transition to a solid-liquid or liquid state with viscosity and fluidity, ensuring the supply of a homogeneous alloy (melt) into the mold cavity at a speed (injection rate), which prevents capture of gases and makes it possible to fill it to obtain a sealed product with minimal porosity, good surface and dimensional accuracy, a high level of physical, mechanical and service properties.

В табл. 21 приведены механические свойства образцов из предлагаемого сплава, полученного методом Т.М. процесса. In the table. 21 shows the mechanical properties of samples of the proposed alloy obtained by the method of T.M. process.

Из предлагаемого сплава по предлагаемому способу могут быть, в частности, изготовлены детали автомобиля с требуемыми энергопоглощающими свойствами, как например панели приборов, решетки радиаторов, бамперы. Of the alloy according to the proposed method, in particular, automobile parts with the required energy-absorbing properties, such as dashboards, radiator grilles, bumpers, can be made.

Claims (11)

1. Сплав на основе магния, содержащий цинк, марганец, алюминий, железо, кремний и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один легкий редкоземельный металл (ЛРЗМ), выбранный из группы, содержащей церий, лантан, неодим, празеодим при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Цинк - 0,1 - 3,0
ЛРЗМ - 0,05 - 1,0
Марганец - 0,001 - 0,5
Алюминий - 0,001 - 0,1
Железо - 0,0001 - 0,05
Кремний - 0,0001 - 0,05
Магний - Остальное
2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит модификатор в виде одной из добавок, содержащей 0,01-1,0% циркония, кальция или стронция.1. Magnesium-based alloy containing zinc, manganese, aluminum, iron, silicon and magnesium, characterized in that it further comprises at least one light rare earth metal (LRS) selected from the group consisting of cerium, lanthanum, neodymium, praseodymium in the following ratio of components, weight. %:
Zinc - 0.1 - 3.0
LRZM - 0.05 - 1.0
Manganese - 0.001 - 0.5
Aluminum - 0.001 - 0.1
Iron - 0.0001 - 0.05
Silicon - 0.0001 - 0.05
Magnesium - Else
2. The alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises a modifier in the form of one of the additives containing 0.01-1.0% zirconium, calcium or strontium. 3. Сплав по п. 2, отличающийся тем, что содержит смесь ЛЗРМ, содержащую 55% церия, 25% лантана, 15% неодима, 5% празеодима (смесь ММ) или смесь ЛРЗМ, содержащую 85 % неодима и 15% празеодима (смесь Д). 3. The alloy according to claim 2, characterized in that it contains a mixture of LZRM containing 55% cerium, 25% lanthanum, 15% neodymium, 5% praseodymium (mixture MM) or a mixture of LZRM containing 85% neodymium and 15% praseodymium (mixture D). 4. Сплав по п. 2 или 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,5-5,0% иттрия. 4. The alloy according to claim 2 or 3, characterized in that it additionally contains 0.5-5.0% yttrium. 5. Сплав по п. 2 или 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 0,01-0,5% иттрия. 5. The alloy according to claim 2 or 3, characterized in that it additionally contains 0.01-0.5% yttrium. 6. Сплав по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что соотношение железа к кремнию составляет (2-6): 1, а содержание марганца и алюминия, соответственно, менее 0,1 и 0,02%. 6. Alloy according to any one of paragraphs. 2-5, characterized in that the ratio of iron to silicon is (2-6): 1, and the content of manganese and aluminum, respectively, less than 0.1 and 0.02%. 7. Сплав по п. 5, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес. %:
Цинк - 0,1 - 2,0
ЛРЗМ (ММ) - 0,05 - 0,2
Цирконий - 0,05 - 0,3
Иттрий - 0,01 - 0,5
Марганец - 0,001 - 0,1
Алюминий - 0,001 - 0,02
Железо - 0,0001 - 0,01
Кремний - 0,0001 - 0,005
Магний - Остальное
8. Сплав по п. 4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес. %:
Цинк - 0,1-1,0
ЛРЗМ (ММ) - 0,84 - 0,92
Цирконий - 0,69 - 0,81
Иттрий - 4,76 - 4,89
Марганец - 0,08 - 0,09
Алюминий - 0,012 - 0,018
Железо - 0,009 - 0,025
Кремний - 0,005 - 0,007
Магний - Остальное
9. Сплав по п. 4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес. %:
Цинк - 2,90
ЛРЗМ (ММ) - 0,84
Цирконий - 0,76
Иттрий - 4,88
Марганец - 0,09
Алюминий - 0,018
Железо - 0,003
Кремний - 0,008
Магний - Остальное
10. Сплав по п. 4, отличающийся тем, что содержит компоненты при следующем соотношении, вес. %:
Цинк - 2,94
ЛРЗМ (ММ) - 0,87
Цирконий - 0,72
Иттрий - 4,93
Марганец - 0,08
Алюминий - 0,015
Железо - 0,01
Кремний - 0,006
Магний - Остальное
11. Способ обработки сплава на основе магния, включающий приготовление шихты, приготовление расплава, введение в расплав лигатур магний-марганец, магний-цирконий, магний-иттрий и магний-ЛРЗМ, рафинирование расплава, его выстаивание и последующее литье, отличающийся тем, что получают сплав в соответствии с любым из пп. 4-10 формулы, лигатуры перед введением в расплав подогревают до температуры на 20-50^oС ниже температуры неравновесного солидуса соответствующей лигатуры, при этом лигатуры магний-ЛРЗМ и магний-иттрий вводят в расплав за 30-60 мин до начала процесса литья.7. The alloy according to claim 5, characterized in that it contains components in the following ratio, weight. %:
Zinc - 0.1 - 2.0
LRZM (MM) - 0.05 - 0.2
Zirconium - 0.05 - 0.3
Yttrium - 0.01 - 0.5
Manganese - 0.001 - 0.1
Aluminum - 0.001 - 0.02
Iron - 0.0001 - 0.01
Silicon - 0.0001 - 0.005
Magnesium - Else
8. The alloy according to claim 4, characterized in that it contains components in the following ratio, weight. %:
Zinc - 0.1-1.0
LRZM (MM) - 0.84 - 0.92
Zirconium - 0.69 - 0.81
Yttrium - 4.76 - 4.89
Manganese - 0.08 - 0.09
Aluminum - 0.012 - 0.018
Iron - 0.009 - 0.025
Silicon - 0.005 - 0.007
Magnesium - Else
9. The alloy according to claim 4, characterized in that it contains components in the following ratio, weight. %:
Zinc - 2.90
LRZM (MM) - 0.84
Zirconium - 0.76
Yttrium - 4.88
Manganese - 0.09
Aluminum - 0.018
Iron - 0.003
Silicon - 0.008
Magnesium - Else
10. The alloy according to claim 4, characterized in that it contains components in the following ratio, weight. %:
Zinc - 2.94
LRZM (MM) - 0.87
Zirconium - 0.72
Yttrium - 4.93
Manganese - 0.08
Aluminum - 0.015
Iron - 0.01
Silicon - 0.006
Magnesium - Else
11. A method of processing a magnesium-based alloy, including the preparation of a charge, the preparation of a melt, the introduction of magnesium-manganese, magnesium-zirconium, magnesium-yttrium and magnesium-LRM alloys into the melt, refining of the melt, its aging and subsequent casting, characterized in that it is obtained alloy in accordance with any one of paragraphs. 4-10 formulas, ligatures before being introduced into the melt are heated to a temperature of 20-50 ^o C below the temperature of the nonequilibrium solidus of the corresponding ligature, while the ligatures magnesium-LRSM and magnesium-yttrium are introduced into the melt 30-60 minutes before the start of the casting process. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что проводят литье с получением слитков, отливок, гранул, тиксочипсов и порошков. 12. The method according to p. 11, characterized in that the casting is performed to obtain ingots, castings, granules, thixochips and powders. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что полученные слитки гомогенизируют по двухступенчатому режиму: на первой ступени - при 320-340^oС в течение 8-12 ч, на второй при - 400-420^oС в течение 10-12 ч.13. The method according to p. 12, characterized in that the obtained ingots are homogenized in a two-stage mode: at the first stage - at 320-340 ^o C for 8-12 hours, at the second at - 400-420 ^o C for 10-12 h 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что полученные слитки из сплавов в соответствии с п. 9 или 10 формулы гомогенизируют по двухступенчатому режиму: на первой ступени - при 320-340^oС в течение 8-12 ч, на второй - при 480-500^oС в течение 10-12 ч.14. The method according to p. 12, characterized in that the obtained ingots from alloys in accordance with p. 9 or 10 of the formula are homogenized in a two-stage mode: in the first stage - at 320-340 ^o C for 8-12 hours, in the second - at 480-500 ^o C for 10-12 hours 15. Способ по любому из пп. 13 и 14, отличающийся тем, что проводят горячую деформацию гомогенизированного слитка путем прессования, ковки и штамповки в закрытом штампе по меньшей мере в два этапа, при этом предварительный этап проводят при температуре нагрева заготовки и инструмента 450-480^oС, температуре металла в конце деформации - не более 500^oС, скорости деформации - не менее 0,1 с^-1, степени деформации - не менее 50% или коэффициенте вытяжки более 10, а второй этап - при температуре нагрева заготовки и инструмента 380-400^oС, скорости деформации - не более 0,01 с^-1, степени деформации - не менее 25%.15. The method according to any one of paragraphs. 13 and 14, characterized in that the hot deformation of the homogenized ingot is carried out by pressing, forging and stamping in a closed die in at least two stages, the preliminary stage being carried out at a heating temperature of the workpiece and tool 450-480 ^o C, the metal temperature at the end deformation - not more than 500 ^o C, deformation rate - not less than 0.1 s ^-1 , degree of deformation - not less than 50% or drawing ratio more than 10, and the second stage - at a heating temperature of the workpiece and tool 380-400 ^o C, speed deformation - not more than 0.01 s ^-1 , degree of deformation shares - at least 25%. 16. Способ по любому из пп. 11-15, отличающийся тем, что дополнительно проводят окончательную упрочняющую термическую обработку, включающую нагрев до (180±20)^oС с продолжительностью 50-150 ч и охлаждение на воздухе.16. The method according to any one of paragraphs. 11-15, characterized in that it additionally carry out the final hardening heat treatment, including heating to (180 ± 20) ^o With a duration of 50-150 hours and cooling in air.

Images