CC BY
16
. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов
УДК: 669.721
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА В ВИЛСе СОВМЕСТНО С ИМЕТом РАН НОВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Л.Л.Рохлин, докт. техн. наук (ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН, e-mail:[email protected])
Представлен обзор совместных исследований ВИЛСа и ИМЕТ РАН сплавов магния с редкоземельными металлами, благодаря которым выявлена возможность существенного повышения служебных характеристик магниевых сплавов. На основе этих исследований предложены новые деформируемые магниевые сплавы и новые технологии, обеспечивающие получение материалов различного назначения с лучшими свойствами для промышленного использования. Приведены свойства новых разработанных сплавов.
Ключевые слова: магниевые сплавы, редкоземельные металлы, диаграмма состояния, распад пересыщенного твердого растворов, механические свойства, затухание ультразвука.
Investigation and Development of New Rare-Earth Metals-Bearing Wrought Magnesium Alloys at VILS in cooperation with IMET RAS. L.L. Rokhlin.
Co-operative investigations of VILS and IMET RAN on rare-earth metals-bearing magnesium alloys, which reveal the possibility of a noticeable improvement of their performance characteristics, are reviewed. Based on these investigations, new wrought magnesium alloys and new technologies for production of materials with better properties for different applications in the industry are offered. Properties of the new developed alloys are presented.
Key words: magnesium alloys, rare-earth metals, phase diagram, decomposition of supersaturated solid solution, mechanical properties, ultrasonic attenuation.
Начавшееся в начале второй половины XX века расширенное использование редкоземельных металлов для легирования магниевых сплавов позволило создать новые легкие материалы с лучшими свойствами для промышленного применения. Существенная роль в этом процессе в Советском Союзе принадлежит отмечающему 50-летие ВИЛСу, в котором были разработаны промышленные технологии и созданы условия для промышленного опробования и производства новых деформируемых магниевых сплавов с редкоземельными металлами. С этой целью были созданы и освоены специальные промышленные печи для плавки и литья сплавов в инертной атмос-
фере, установлены условия обработки давлением слитков с получением горячепрессован-ных и горячекатаных полуфабрикатов, а также штамповок и поковок, изучены структура и свойства сплавов в виде различных изделий в различном состоянии. Большую часть исследований в ВИЛСе по деформируемым магниевым сплавам с редкоземельными металлами проводили в тесном сотрудничестве с лабораторией цветных и легких металлов Института металлургии и материаловедения им. А.А. Бай-кова РАН (ИМЕТ РАН). В настоящей статье дан краткий обзор этих исследований и приведены некоторые новые сведения об исследованных сплавах.
Редкоземельные металлы образуют группу из 15 элементов с атомными номерами от 57 (лантан) до 71 (лютеций), которые размещены в одной клетке Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Кроме того, согласно рекомендациям Международного союза по общей и прикладной химии к ним относятся также иттрий и скандий с атомными номерами 39 и 21 соответственно, расположенные в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева в той же 111А группе, но в других периодах [1]. Все редкоземельные металлы имеют близкие химические свойства и встречаются в рудных месторождениях совместно. Однако при взаимодействии с магнием редкоземельные металлы, влияя на его свойства, хотя и проявляют общие черты, но демонстрируют также и существенные различия. Так, магний образует ограниченные твердые растворы с редкоземельными металлами, но протяженность этих твердых растворов различна и изменяется в очень широких пределах: практически отсутствует для европия и достигает около 41 % мас. для лютеция. При этом растворимость редкоземельных металлов в твердом магнии уменьшается с понижением температуры и в значительной степени определяет их различное влияние на прочностные и другие свойства сплавов. Редкоземельные металлы как легирующие добавки к магнию в большей степени проявляют общие черты и различия, если они принадлежат к одинаковым или к разным подгруппам: цериевой, включающей элементы первой половины ряда лантана - от лантана до европия, и иттриевой, включающей иттрий и элементы второй половины ряда лантана - от гадолиния до лютеция [2].
К числу первых магниевых сплавов с редкоземельными металлами, разработанных в ВИЛСе совместно с ИМЕТ РАН, следует отнес-
ти сплавы с низким затуханием ультразвука, предназначенные для использования в качестве звукопроводов ультразвуковых линий задержки. Ультразвуковые линии задержки - это устройства, используемые в различных радиотехнических системах для обработки электрических сигналов путем преобразования их в ультразвук, в результате чего происходит задержка распространения сигнала по времени. Магниевые сплавы наиболее пригодны как металлические материалы для звукопроводов, так как при их использовании ультразвук поглощается в меньшей степени [3]. Основным фактором, определяющим затухание ультразвука в магниевых сплавах, является его рассеяние на границах зерен, так что для получения материала с низким затуханием ультразвука следует стремиться к получению структуры, состоящей из как можно более мелких рекрис-таллизованных зерен [4]. Такого рода структуру удалось получить в горячекатаных плитах из специально разработанных сплавов магния с редкоземельными металлами при определенных условиях прокатки.
Первый разработанный сплав для звукопроводов МДЗ-1 имел состав: 0,7-1,5 % Се, 0,2-0,7 % Мп, основа М^. В качестве церия использовали мишметалл, представляющий из себя сплав редкоземельных металлов, в основном цериевой подгруппы, в котором содержание церия составляло ~50 % и более. Сплав МДЗ-1 нашел широкое применение в радиотехнической промышленности и был включен в ГОСТ СССР под маркой МА17 [4, 5]. В табл. 1 приведены основные свойства этого сплава. Они свидетельствуют о том, что помимо низкого затухания ультразвука, который указан для продольных волн, сплав обладает довольно высокой пластичностью при средних значениях предела прочности и пре-
Таблица 1
Свойства горячекатаных плит толщиной 30 мм из сплава МА17
Коэффициент затухания ультразвука, дБ/м, на различных частотах Механические свойства
10 МГц 15 МГц 20 МГц о , МПа в' о02, МПа 8, % V, %
2-3 3-5 5-8 190-210 110-140 12-14 14-22
дела текучести, так что в определенной мере может представлять интерес и как легкий конструкционный материал.
Помимо сплава МА17, в качестве материалов для звукопроводов с низким затуханием ультразвука были разработаны и опробованы еще два сплава. Это сплав МДЗ-2, имеющий состав: 2-4 % ЫС, 1,0-1,5 % Са, 0,150,4 % Мп, основа [4], и сплав МДЗ-3 состава: 0,5-1,5 % Се, 0,3-0,8 % гг, 0,030,1 % У, основа Mg [6]. В качестве церия в сплаве МДЗ-3 использовали мишметалл, содержащий Се+1_а>70 %. Сплав МДЗ-2 не нашел применения, так как показал лишь незначительное преимущество по сравнению со сплавом МА17. Сплав МДЗ-3 разрабатывался специально для ультразвуковых линий задержки, работающих на поперечных волнах, и в этом отношении показал существенное преимущество в более низком затухании ультразвука, чем сплав МА17.
Следующая группа работ включала в себя использование термомеханической обработки применительно к магниевым сплавам с редкоземельными металлами. Наибольший упрочняющий эффект был получен при этом в сплавах, содержащих в качестве основной легирующей добавки неодим, - МА11 и МА12, предназначенных для использования в качестве конструкционных материалов при повышенных температурах. Термомеханическая обработка этих сплавов, включающая холодную деформацию, горячую деформацию или определенное их сочетание совместно со старением, позволила существенно повысить прочностные свойства этих сплавов. Так, в случае прутков из сплава МА11 (2,48 % ЫС; 1,77 % Мп; 0,13-0,17 % основа М^ проведение холодной деформации на 6,5 % между закалкой и старением позволило по-
высить предел текучести более чем в два раза при комнатной температуре, при 250 °С - на 68 %, при 300 °С - на 62 % и при 350 °С - на 16 %. Относительное удлинение в результате термомеханической обработки снижалось, но даже при комнатной температуре оно оставалось на достаточно высоком уровне 8-14 % [7].
В дальнейшем наибольшее внимание уделяли конструкционным магниевым сплавам, содержащим в качестве основной легирующей добавки иттрий. Был опробован ряд композиций этих сплавов, среди которых наибольшее внимание было уделено сплавам ИМВ5, ИМВ6, ИМВ7, ИМВ8. Состав сплавов приведен в табл. 2 [8]. Эти сплавы, помимо иттрия, содержали также другие редкоземельные металлы: церий (ИМВ6), неодим (ИМВ8), гадолиний (ИМВ7) и скандий (ИМВ5). Из сплавов были получены различного вида полуфабрикаты: листы, плиты, прессованные изделия, поковки, штамповки, испытания которых позволили оценить уровень их механических свойств и влияние на них различных технологических параметров.
Для сравнения на рисунке приведены механические свойства сплавов при комнатной температуре [8]. Испытания проводили на полученных горячим прессованием прутках диаметром 20 мм в состояниях, обеспечивающих достижение максимальной прочности. Для сплавов ИМВ6, ИМВ7 и ИМВ8 это было старение после горячего прессования (режим Т5). Прутки из сплава ИМВ5 испытывали в рекомендованном горячепрессованном состоянии без старения. Как можно видеть из рисунка, все указанные сплавы показали высокие прочностные свойства при комнатной температуре с пределом прочности более 300 МПа и пределом текучести на сжатие,
Таблица 2
Химический состав деформируемых магниевых сплавов, содержащих иттрий, % мас.
Сплав Mg У Мп гг 7п, СС Другие РЗМ
ИМВ5 Основа 4,0-7,0 0,4-0,8 - - 7,0-11,0 Бе
ИМВ6 То же 7,8-9,0 0,4-0,6 - 0,2-0,5 СС 0,05-0,15 Се
ИМВ7 // 3,0-5,0 0,4-0,8 - - 7,0-10,0 СС
ИМВ8 // 7,5-8,5 - 0,3-0,8 0,7-1,1 7п 0,2-0,5 ЫС
близким к пределу текучести на растяжение. Из этих сплавов сплав ИМВ5 характеризовался заметно меньшей прочностью по сравнению с остальными сплавами, но более высокой пластичностью. Более высокий предел прочности остальных сплавов находился на уровне 400 МПа при меньшей пластичности и, очевидно, был обусловлен тем, что они, в отличие от ИМВ5, значительно упрочняются при старении. Сплав ИМВ5, с точки зрения практического использования, уступал остальным сплавам, так как имел более высокую стоимость, обусловленную присутствием большого количества очень дорогого скандия. Среди сплавов ИМВ6, ИМВ7 и ИМВ8 первые два сплава показали более высокую прочность и, с этой точки зрения, могли рассматриваться как более предпочтительные для использования. Однако один из них, сплав ИМВ6, имел недостаток - высокую анизотропию механических свойств. Прочностные характеристики в прессованных полуфабрикатах из этого сплава в поперечном направлении оказывались в 1,5-2 раза ниже, чем в продольном направлении [8]. Таким образом, сплав ИМВ7 мог рассматриваться как лучший сплав, с точки зрения прочностных свойств. При сравнении прочностных свойств сплавов ИМВ5, ИМВ6, ИМВ7 и ИМВ8 при повышенных температурах можно было сделать такие же выводы, как и при сравнении их при комнатной температуре (см. рисунок).
Механические свойства прутков из сплавов, содержащих неодим при комнатной температуре
Рассматривая сплав ИМВ7 как наиболее перспективный, провели исследования, направленные на совершенствование его состава. В соответствии с этим был предложен сплав ИМВ7-1, также содержащий редкоземельные металлы: иттрий и гадолиний, но в другом соотношении: меньше содержание более дорогого гадолиния. В состав сплава ИМВ7-1 с целью измельчения зерна слитков был введен цирконий, а марганец, присутствующий в сплаве ИМВ7, был исключен [9].
Проведенными в последнее время исследованиями установлены высокие прочностные свойства сплава ИМВ7-1 как при комнатной, так и повышенных температурах. Результаты определения свойств при растяжении на полученной горячим прессованием плите с поперечным сечением 200x40 мм2 представлены в табл. 3. Из приведенных данных видно, что сплав обладает высокой прочностью при комнатной температуре с пределом прочности около 400 МПа. С повышением температуры испытаний прочностные свойства сплава снижаются, но вплоть до 300 °С они остаются на высоком для магниевых сплавов уровне. При 250 °С предел прочности составляет около 300 МПа, а при 300 °С - около 150 МПа. Для сплава характерна определенная анизотропия прочностных свойств: предел прочности и предел текучести в продольном направлении плиты (вдоль направления прессования) больше, чем в поперечном направлении при всех температурах. Однако разница в прочностных свойствах в обоих направлениях невелика. В возможном рабочем диапазоне температур: от комнатной до 300 °С, предел прочности и предел текучести плиты сплава в поперечном направлении оказались на 8-15 % ниже, чем в продольном направлении. Это значительно меньше, чем в случае анизотропии сплава ИМВ6, указанной выше.
Представленные в табл. 3 данные о механических свойствах плиты из сплава ИМВ7 были получены при режиме старения, близком к максимальному упрочнению, но при несколько меньшей выдержке, чем та, при которой упрочнение становится максимальным. После старения по режиму 200 °С, 64 ч, соответствующему большему упрочнению
Таблица 3
Механические свойства горячепрессованной плиты из сплава 1^-4,71 % У-4,58 % 0С_0,31 % 2г после старения 200 °С, 24 ч
Температура испытаний, °C Направление испытания о , МПа в' а0,2, МПа S, % V, %
20 Продольное Поперечное 399 371 316 281 6,0 5,1 6,4 7,7
200 Продольное Поперечное 371 338 297 259 8,9 10,0 33,7 36,4
250 Продольное Поперечное 314 283 272 247 6,5 8,0 39,7 45,1
300 Продольное Поперечное 165 145 141 122 11,1 13,1 47,1 49,4
350 Продольное Поперечное 82 66 73 57 23,5 29,4 81,5 91,8
сплава за счет распада магниевого твердого раствора, были получены механические свойства с более высокими значениями предела прочности и предела текучести, хотя и при меньшей пластичности: в продольном направлении при комнатной температуре ав=435 МПа, а0,2=338 МПа, 8=4,9 %. Определение предела текучести на сжатие при этом режиме старения (200 °С, 64 ч) дало значение а_02=344 МПа. Таким образом, предел текучести на сжатие оказался близким к пределу текучести на растяжение, что характерно для сплавов на основе системы М^_У.
Результаты проведенной работы позволяют рассматривать сплав ИМВ7-1 как наилучший из исследованных магниевых сплавов для использования в конструкциях, предназначенных для работы при близких к комнатной и повышенных до 300 °С температурах.
Заключение
В течение 50 лет со времени своего основания в ВИЛСе были проведены обшир-
ные работы по разработке и освоению промышленного производства новых магниевых сплавов, содержащих в качестве основных легирующих добавок различные редкоземельные металлы. Большая часть этих работ была проведена совместно с лабораторией металловедения цветных и легких металлов ИМЕТ РАН. В ходе этих работ были предложены и освоены не имеющие аналогов за рубежом магниевые сплавы с низким затуханием ультразвука для звукопроводов ультразвуковых линий задержки, технология термомеханической обработки магниевых сплавов, содержащих в качестве основной легирующей добавки редкоземельный металл _ неодим, существенно повышающая их прочностные свойства; новые магниевые сплавы, содержащие в качестве основной легирующей добавки иттрий, из которых установлен как наилучший, с точки зрения прочностных свойств при комнатной и повышенных температурах, сплав ИМВ7-1 системы М^_У_0С_7г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Amer J.//Chem. Soc., 1960. V. 82. № 21. P. 55235544.
2. Рохлин Л.Л. Магниевые сплавы, содержащие редкоземельные металлы. - М.: Наука, 1980. - 192 с.
3. Соколинский А.Г., Сухаревский Ю.М. Магниевые ультразвуковые линии задержки. - М.: Советское радио, 1966. - 232 с.
4. Дриц М.Е., Рохлин Л.Л. Магниевые сплавы с
особыми акустическими свойствами. _ М.: Металлургия, 1983. _ 128 с.
5. ГОСТ 14957-76. Сплавы магниевые деформируемые. Марки.
6. Авт. св. СССР № 456027. Кл. С 22с 23/00. Сплав на основе магния/Дриц М.Е., Рохлин Л.Л., Гурьев И.И.и др.//Бюллетень изобретений. 1975. № 1.
7. Дриц М.Е., Гурьев И.И., Васильева Н.И., Ан-сютина А.Е. Использование метода термомеханической обработки для упрочнения полуфабрикатов из сплава МА11//В кн.: Металловедение легких сплавов. - М.: Наука, 1965. С. 217-227.
8. Дриц М.Е., Рохлин Л.Л., Падежнова Е.М.и др.
Магниевые сплавы с иттрием. - М.: Наука, 1979. - 164 с. 9. Рохлин Л.Л., Добаткина Т.В., Эскин Д.Г. и др.
Физико-химические исследования новых алюминиевых и магниевых сплавов//В кн.: Институту металлургии и материаловедения им. А.А. Бай-кова 60 лет. - М.: ЭЛИЗ, 1998. С. 235-242.
