RU2781338C1 - Fire-resistant magnesium casting alloy - Google Patents

Fire-resistant magnesium casting alloy Download PDF

Info

Publication number
RU2781338C1
RU2781338C1 RU2021126472A RU2021126472A RU2781338C1 RU 2781338 C1 RU2781338 C1 RU 2781338C1 RU 2021126472 A RU2021126472 A RU 2021126472A RU 2021126472 A RU2021126472 A RU 2021126472A RU 2781338 C1 RU2781338 C1 RU 2781338C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
magnesium
fire
alloys
rest
Prior art date
Application number
RU2021126472A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Львович Мерсон
Алексей Юрьевич Виноградов
Сергей Васильевич Засыпкин
Иван Георгиевич Иртегов
Алексей Иванович Иртегов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ)
Общество с ограниченной ответственностью "Соликамский опытно-металлургический завод" (СОМЗ)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ), Общество с ограниченной ответственностью "Соликамский опытно-металлургический завод" (СОМЗ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тольяттинский государственный университет" (ТГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2781338C1 publication Critical patent/RU2781338C1/en

Links

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of metallurgy, namely, to magnesium-based casting alloys, and can be applied in manufacturing parts in the automotive, rocket and space, and aviation industries, as well as body parts of various electronic equipment operating in settings of high probability of a sudden temperature jump or direct impact of flame. Fire-resistant magnesium casting alloy contains, % wt.: yttrium 5 to 8, zinc 1.5 to 3, neodymium 0 to 2, zirconium 0.3 to 1, cerium, and/or ytterbium, and/or europium in total 0.2 to 1%, magnesium the rest, wherein the alloy has an ignition point of 1,000°C.
EFFECT: increase in the ignition point of the alloy with the maintained high strength and plasticity of the magnesium alloy.
1 cl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на магниевой основе, и может быть применено при изготовлении деталей в автомобилестроении, ракетно-космической и авиационной промышленности, а также корпусных деталей различной электронной аппаратуры и т.д., работающих в условиях повышенной вероятности внезапного скачка температуры или прямого воздействия пламени. Литейный сплав содержит, масс. %: иттрий 5-8, цинк 1,5-3, неодим 0-2, цирконий 0,3-1, РЗМ церий и/или иттербий и/или европий суммарно 0,2-1%, магний - остальное. Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами и повышенной температурой возгорания - на уровне 1000°С. Режим термообработки сплава включает в себя гомогенизационный отжиг при температурах от 450°С до 545°С, закалку под вентилятором или в горячую воду от температур от 450°С до 545°С, последующее старение при температуре 200°С в течение 8-100 часов.The invention relates to the field of metallurgy, namely to magnesium-based casting alloys, and can be used in the manufacture of parts in the automotive, space and aviation industries, as well as body parts of various electronic equipment, etc., operating in conditions of high probability sudden jump in temperature or direct exposure to a flame. Cast alloy contains, wt. %: yttrium 5-8, zinc 1.5-3, neodymium 0-2, zirconium 0.3-1, REM cerium and/or ytterbium and/or europium in total 0.2-1%, magnesium - the rest. The alloy is characterized by satisfactory mechanical properties and elevated ignition temperature - at the level of 1000°C. The alloy heat treatment mode includes homogenization annealing at temperatures from 450°C to 545°C, quenching under a fan or in hot water from temperatures from 450°C to 545°C, subsequent aging at a temperature of 200°C for 8-100 hours .

Магниевые сплавы, как одни из самых легких металлических материалов, наиболее востребованы в конструкциях, требующих снижения веса, главным образом, в транспортных системах: авиакосмическая, автомобильная, высокоскоростная железнодорожная техника. К числу наиболее металлоемких изделий указанной техники относятся корпуса двигателей, крышки, кронштейны и др., изготавливаемые с помощью литья, т.е. из литейных сплавов. Соответственно, к таким сплавам с каждым годом предъявляются все более высокие требования, как по прочностным характеристикам, так и по технологическим и функциональным свойствам. В частности, для корпусов двигателей выдвигаются особо высокие требования по температуре воспламенения. Существуют различные способы улучшения свойств материалов, многие из которых (в частности современные методы интенсивной пластической деформации) не применимы к литейным сплавам. Поэтому для литейных сплавов, по сути, есть только три основных способа улучшения их свойств: (1) модификация химического состава (система легирования), (2) оптимизация технологии литья и термической обработки и (3) модификация поверхности (обработка поверхности, нанесений покрытий и т.п.).Magnesium alloys, as one of the lightest metallic materials, are most in demand in structures that require weight reduction, mainly in transport systems: aerospace, automotive, high-speed rail technology. Among the most metal-intensive products of this technology are engine cases, covers, brackets, etc., manufactured using casting, i.e. from cast alloys. Accordingly, every year more and more stringent requirements are imposed on such alloys, both in terms of strength characteristics, and in terms of technological and functional properties. Particularly high demands are placed on the ignition temperature for motor housings. There are various ways to improve the properties of materials, many of which (in particular modern methods of severe plastic deformation) are not applicable to cast alloys. Therefore, for cast alloys, in fact, there are only three main ways to improve their properties: (1) modification of the chemical composition (alloying system), (2) optimization of casting technology and heat treatment, and (3) surface modification (surface treatment, coating and etc.).

Магниевые сплавы отличаются своей пожароопасностью. Они способны воспламеняться даже при 400°С, что накладывает ряд ограничений на области их применения. Например, магниевые сплавы запрещено использовать в салоне пассажирских самолетов.Magnesium alloys are distinguished by their fire hazard. They are capable of igniting even at 400°C, which imposes a number of restrictions on their areas of application. For example, magnesium alloys are prohibited from being used in the cabin of passenger aircraft.

Проблемой снижения пожароопасности магниевых сплавов занимается множество различных научных групп, и предлагаемые ими способы значительно отличаются друг от друга. Тем не менее, можно выделить три основных направления, с помощью которых получается достичь некоторого результата: 1) нанесение покрытий на поверхность сплава; 2) легирование сплава кальцием; 3) легирование сплава РЗМ.The problem of reducing the fire hazard of magnesium alloys is dealt with by many different scientific groups, and the methods proposed by them differ significantly from each other. Nevertheless, three main directions can be distinguished, with the help of which it is possible to achieve a certain result: 1) deposition of coatings on the surface of the alloy; 2) doping of the alloy with calcium; 3) doping of the REM alloy.

Так, например, литейный магниевый сплав (RU 2506337 С1, МПК С22С 23/02, дата подачи заявки 13.11.2012) содержит, масс. %: алюминий 7,5-9,0, цинк 0,2-0,8, марганец 0,15-0,5 и кальций 0,1-0,4, магний - остальное. Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами: пределом прочности 246 МПа, пластичностью 2,5%, а также температурой воспламенения сплава - не ниже 650°С.So, for example, cast magnesium alloy (RU 2506337 C1, IPC C22C 23/02, application date 11/13/2012) contains, wt. %: aluminum 7.5-9.0, zinc 0.2-0.8, manganese 0.15-0.5 and calcium 0.1-0.4, magnesium - the rest. The alloy is characterized by satisfactory mechanical properties: tensile strength of 246 MPa, ductility of 2.5%, and ignition temperature of the alloy - not lower than 650°C.

Литейный магниевый сплав (CN 101787473 А, МПК B22D 21/04 дата подачи заявки 28.07.2010) содержит, масс. %: гадолиний 5,0-12,0, европий 0,5-3,0, марганец 0-0,8, цирконий 0-0,8, остальное - магний, - обладает следующими характеристиками: температура воспламенения 740°С, предел прочности 220 МПа, относительное удлинение 5%.Cast magnesium alloy (CN 101787473 A, IPC B22D 21/04 application date 07/28/2010) contains, wt. %: gadolinium 5.0-12.0, europium 0.5-3.0, manganese 0-0.8, zirconium 0-0.8, the rest is magnesium, has the following characteristics: ignition temperature 740 ° C, limit strength 220 MPa, elongation 5%.

В патенте CN 106435316 А, МПК С22С 1/03 дата подачи заявки 02.22.2017, описан сплав, содержащий, масс. %: цинк 0,2-0,7, цирконий 0,4-1,0, неодим 2,0-2,8, церий 0-3,0, лантан 0-3,0, остальное магний, который обладает еще более высокими физико-механическими характеристиками: температура воспламенения 754°С, предел прочности 233 МПа, относительное удлинение 5%.In the patent CN 106435316 A, IPC C22C 1/03, the filing date of the application is 02.22.2017, an alloy is described containing, wt. %: zinc 0.2-0.7, zirconium 0.4-1.0, neodymium 2.0-2.8, cerium 0-3.0, lanthanum 0-3.0, the rest is magnesium, which has even more high physical and mechanical characteristics: ignition temperature 754°C, tensile strength 233 MPa, relative elongation 5%.

Интересен магниевый литейный сплав (CN 109881068 А, МПК С22С 1/03 дата подачи заявки 14.06.2019) содержит, масс. %: неодим 5,0-7,0, церий 3,0-3,5, алюминий 2,0-2,5, кремний 0,5-0,8, серебро 1,5-2,0, ниобий 0,8-1,0, остальное магний, температура воспламенения которого порядка 800°С, предел прочности 280 МПа.An interesting magnesium casting alloy (CN 109881068 A, IPC C22C 1/03 application date 06/14/2019) contains, wt. %: neodymium 5.0-7.0, cerium 3.0-3.5, aluminum 2.0-2.5, silicon 0.5-0.8, silver 1.5-2.0, niobium 0, 8-1.0, the rest is magnesium, the ignition temperature of which is about 800 ° C, the tensile strength is 280 MPa.

Все упомянутые сплавы обладают недостаточно высокой температурой воспламенения для широкого применения в промышленности.All of the alloys mentioned do not have an ignition temperature that is high enough to be widely used in industry.

Задачей изобретения является создание литейного магниевого сплава, обладающего повышенным значением температуры воспламенения и, в то же время, удовлетворительными механическими характеристиками.The objective of the invention is to provide a cast magnesium alloy having an increased ignition temperature and, at the same time, satisfactory mechanical characteristics.

Техническим результатом изобретения является существенное увеличение температуры воспламенения с сохранением достаточно высоких значений прочности и пластичности литейного магниевого сплава.The technical result of the invention is a significant increase in the ignition temperature while maintaining sufficiently high values of strength and ductility of the cast magnesium alloy.

Технический результат достигается тем, что, согласно изобретению, пожаробезопасный магниевый литейный сплав содержит, масс. %: иттрий 5-8, цинк 1,5-3, неодим 0-2, цирконий 0,3-1, РЗМ церий и/или иттербий и/или европий суммарно 0,2-1%, магний - остальное.The technical result is achieved by the fact that, according to the invention, the fireproof magnesium cast alloy contains, wt. %: yttrium 5-8, zinc 1.5-3, neodymium 0-2, zirconium 0.3-1, REM cerium and/or ytterbium and/or europium in total 0.2-1%, magnesium - the rest.

Сплав характеризуется удовлетворительными механическими свойствами и повышенной температурой возгорания - на уровне 1000°С. Термообработка сплава проводится по следующему режиму: гомогенизационный отжиг при температурах от 450°С до 545°С, закалку под вентилятором или в горячую воду от температур от 450°С до 545°С, последующее старение при температуре 200°С в течение 8-100 часов.The alloy is characterized by satisfactory mechanical properties and elevated ignition temperature - at the level of 1000°C. Heat treatment of the alloy is carried out according to the following regime: homogenization annealing at temperatures from 450°C to 545°C, quenching under a fan or in hot water from temperatures from 450°C to 545°C, subsequent aging at a temperature of 200°C for 8-100 hours.

В качестве конкретного примера реализации предлагаемого изобретения приведем результаты исследования двух сплавов следующего химического состава:As a specific example of the implementation of the proposed invention, we present the results of a study of two alloys of the following chemical composition:

1) 6.8Y+2.5Zn+0.6Zr+0.4Yb+0.2Eu, остальное Mg (все в масс. %)1) 6.8Y+2.5Zn+0.6Zr+0.4Yb+0.2Eu, the rest is Mg (all in mass %)

2) 6.8Y+3.0Zn+2.0Nd+0.6Zr+0.3Yb+0.3Ce, остальное Mg (все в масс. %).2) 6.8Y+3.0Zn+2.0Nd+0.6Zr+0.3Yb+0.3Ce, the rest is Mg (all in mass %).

Сплавы заданного состава были выплавлены по следующей процедуре. Расчетное количество чушкового магния Мг95В расплавляли в тигле при 740°С. После охлаждения расплава до 720°С в тигель помещали механическую мешалку и осуществляли перемешивание в течение 5-10 минут при средних оборотах. Далее, не отключая перемешивание, в перфорированную корзину добавляли необходимые металлические компоненты и лигатуру MgZr (для измельчения зеренной структуры). После добавления последнего компонента мешалку отключали, отстаивали расплав в течение 10-15 минут и брали из него пробу на химический анализ. Далее расплав заливали в предварительно прогретый до 300-350°С и покрытый разделительным покрытием стальной кокиль. В процессе кристаллизации отливки в ее прибыльную часть доливали горячий металл. Полученные отливки представляли собой слитки в виде цилиндрических чушек диаметром d≈60 мм и длиной l≈250 ммAlloys of a given composition were melted according to the following procedure. The calculated amount of pig magnesium Mg95V was melted in a crucible at 740°C. After cooling the melt to 720°C, a mechanical stirrer was placed in the crucible and stirring was carried out for 5–10 minutes at medium speed. Next, without turning off the stirring, the necessary metal components and the MgZr ligature (to refine the grain structure) were added to the perforated basket. After adding the last component, the stirrer was turned off, the melt was allowed to stand for 10–15 minutes, and a sample was taken from it for chemical analysis. Next, the melt was poured into a steel mold preheated to 300-350°C and covered with a separating coating. In the process of casting crystallization, hot metal was added to its profitable part. The resulting castings were ingots in the form of cylindrical ingots with a diameter of d≈60 mm and a length of l≈250 mm

Химический состав сплава исследовали непосредственно перед разливкой с помощью оптического спектрометра SPECTROMAX, а после разливки - высокоточного оптико-эмиссионного спектрометра ARL 4460-1632.The chemical composition of the alloy was studied immediately before casting using a SPECTROMAX optical spectrometer, and after casting, a high-precision optical emission spectrometer ARL 4460-1632.

Термообработку проводили в муфельной печи электросопротивления в среде защитного газа. Материал помещали в разогретую до 540°С печь и выдерживался в течение 12 часов, по истечении времени выдержки материал доставали из печи и охлаждали под вентилятором. Спустя 8-12 часов закаленный сплав помещали в разогретую до 200°С муфельную печь и выдерживали еще в течение 12 часов. По прошествии 12 часов старения сплав охлаждался вместе с печью.Heat treatment was carried out in an electrical resistance muffle furnace in a protective gas environment. The material was placed in an oven preheated to 540°C and kept for 12 hours; after the holding time, the material was taken out of the oven and cooled under a fan. After 8-12 hours, the hardened alloy was placed in a muffle furnace heated to 200°C and kept for another 12 hours. After 12 hours of aging, the alloy was cooled together with the furnace.

Образцы для испытаний на растяжение вырезали непосредственно из термообработанных слитков с применением смазочно-охлаждающей жидкости. Пятикратные пропорциональные цилиндрические образцы диаметром 6 мм изготавливали методом токарной обработки. Испытания на растяжение проводили на универсальной испытательной машине Н50КТ в соответствии с «ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение». Длина рабочей части и базы экстензометра составляла 30 мм, а скорость перемещения траверсы - 5 мм/мин.Tensile test specimens were cut directly from the heat treated ingots using a cutting fluid. Five-fold proportional cylindrical samples with a diameter of 6 mm were made by turning. Tensile tests were carried out on a universal testing machine H50KT in accordance with GOST 1497-84. Metals. Tensile test methods. The length of the working part and base of the extensometer was 30 mm, and the speed of the traverse was 5 mm/min.

Для испытаний на воспламеняемость из сплавов, прошедших термообработку, изготавливали кубические образцы со сторонами ≈15 мм. Такой образец помещался в муфельную печь комнатной температуры и производился нагрев со скоростью 200°С/час. Параллельно с нагревом осуществляли видеофиксацию контроллера печи с показаниями термопары и ежеминутную фотофиксацию образца через глазок печи. Температуру воспламенения определяли как расчетную температуру, которая должна быть в печи по прошествии того количества минут, которое соответствует порядковому номеру фотографии образца, на которой фиксировалось резкое изменение интенсивности его свечения.For flammability tests, heat-treated alloys were used to make cubic specimens with sides of ≈15 mm. Such a sample was placed in a muffle furnace at room temperature and heated at a rate of 200°C/h. In parallel with heating, video recording of the furnace controller with thermocouple readings and every minute photographic recording of the sample through the furnace eye was carried out. The ignition temperature was determined as the calculated temperature that should be in the oven after the number of minutes that corresponds to the serial number of the photograph of the sample, which recorded a sharp change in the intensity of its glow.

Фактические характеристики сплавов указанных составов после термообработки по режиму Т6 составили, соответственно: предел прочности 245 и 250 МПа; относительное удлинение 8 и 3%, температура воспламенения 1020 и 1040°С.The actual characteristics of the alloys of these compositions after heat treatment according to the T6 mode were, respectively: ultimate strength 245 and 250 MPa; relative elongation 8 and 3%, ignition temperature 1020 and 1040°C.

Claims (1)

Пожаробезопасный магниевый литейный сплав, содержащий иттрий, цинк, неодим, цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит иттрий, церий, и/или иттербий, и/или европий при следующем соотношении компонентов, мас. %: иттрий 5-8, цинк 1,5-3, неодим 0-2, цирконий 0,3-1, церий, и/или иттербий, и/или европий суммарно 0,2-1%, магний - остальное, при этом сплав имеет температуру воспламенения на уровне 1000°С.Fireproof magnesium casting alloy containing yttrium, zinc, neodymium, zirconium, characterized in that it additionally contains yttrium, cerium, and/or ytterbium, and/or europium in the following ratio, wt. %: yttrium 5-8, zinc 1.5-3, neodymium 0-2, zirconium 0.3-1, cerium and / or ytterbium and / or europium in total 0.2-1%, magnesium - the rest, with This alloy has an ignition temperature of 1000°C.
RU2021126472A 2021-09-07 Fire-resistant magnesium casting alloy RU2781338C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2781338C1 true RU2781338C1 (en) 2022-10-11

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004099940A (en) * 2002-09-05 2004-04-02 Japan Science & Technology Corp Method for producing magnesium based alloy
WO2010038016A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-08 Magnesium Elektron Limited Magnesium alloys containing rare earths
WO2011117630A1 (en) * 2010-03-25 2011-09-29 Magnesium Elektron Limited Magnesium alloy containing heavy rare earths
RU2753660C1 (en) * 2020-11-02 2021-08-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Fireproof high-strength cast magnesium alloy

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004099940A (en) * 2002-09-05 2004-04-02 Japan Science & Technology Corp Method for producing magnesium based alloy
WO2010038016A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-08 Magnesium Elektron Limited Magnesium alloys containing rare earths
RU2513323C2 (en) * 2008-09-30 2014-04-20 Магнезиум Электрон Лимитед Magnesium alloy, containing rare earth metals
WO2011117630A1 (en) * 2010-03-25 2011-09-29 Magnesium Elektron Limited Magnesium alloy containing heavy rare earths
RU2753660C1 (en) * 2020-11-02 2021-08-19 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Fireproof high-strength cast magnesium alloy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5236948B2 (en) Heat treatment of aluminum alloy high pressure die castings.
US10851442B2 (en) Magnesium-lithium alloy, rolled stock made of magnesium-lithium alloy, and processed product including magnesium-lithium alloy as material
CA3165733C (en) Method of manufacturing an aluminium alloy rolled product
JP2000119786A (en) Aluminum alloy forging material for high speed motion part
KR20150132604A (en) Aluminum alloy having excellent high-temperature characteristics
KR20150144593A (en) High ignition-resistance with high-strength magnesium alloy and method of manufacturing the same
RU2781338C1 (en) Fire-resistant magnesium casting alloy
Garza Elizondo et al. Effects of alloying elements additions on ambient temperature performance of Al–Si–Cu–Mg base alloys
Pezda Effect of the T6 heat treatment on change of mechanical properties of the AlSi12CuNiMg alloy modified with strontium
JP4088546B2 (en) Manufacturing method of aluminum alloy forging with excellent high temperature characteristics
US11180839B2 (en) Heat treatments for high temperature cast aluminum alloys
RU2687359C1 (en) Magnesium casting alloy
Lichý et al. Microstructure and thermomechanical properties of magnesium alloys castings
RU2809612C2 (en) Fire resistant casting magnesium alloy
Hossain et al. Effects of strain rate on tensile properties and fracture behavior of Al-Si-Mg cast alloys with Cu contents
Zhan et al. Effect of Gd addition on mechanical and microstructural properties of Mg-x Gd-2.6 Nd-0.5 Zn-0.5 Zr cast alloys
EP1522600B1 (en) Forged aluminium alloy material having excellent high temperature fatigue strength
RU2741022C1 (en) Powdered aluminium material
Jeong et al. Effect of microstructure on mechanical properties for A356 casting alloy
Kantoríková et al. Heat treatment of AlSi7Mg0. 3 Aluminium alloys with increased zirconium and titanium content
SE467878B (en) MEASURING ALLOY OF ALUMINUM AND PROCEDURAL BETY TYPE TO BRING THIS A NICE CORRECT STRUCTURE
KR102012952B1 (en) Aluminium alloy and manufacturing method thereof
Ceschini et al. The influence of cooling rate on microstructure, tensile and fatigue behavior of heat-treated Al-Si-Cu-Mg alloys
JP4058398B2 (en) Aluminum alloy forging with excellent high-temperature fatigue strength
Hren et al. Influence of Al 5 FeSi Phases on the Cracking of Castings at Al-Si Alloys