UA79971C2 - Creep-resistant magnesium-base alloy - Google Patents

Description

Опис винаходу

Даний винахід відноситься до магнієвих (Мао) сплавів, конкретніше - до магнієвих сплавів, стійких до 2 повзучості при високих температурах.

Магнієві сплави вже багато років використовують в областях, де матеріал конструкції повинен мати високу питому міцність. Як правило, розраховують, що виготовлена з магнієвого сплаву деталь становитиме 7090 ваги деталі з алюмінієвого (АЇ) сплаву аналогічного об'єму. Тому авіакосмічна промисловість є важливим споживачем магнієвих сплавів, які використовують для багатьох цілей в сучасних військових літаках та космічних кораблях. 70 Однак одним з обмежень, що заважають більш широкому використанню магнієвих сплавів, є те, що вони порівняно з алюмінієвими сплавами, як правило, мають гіршу стійкість до повзучості при високих температурах.

Із зростанням потреб контролювання міжнародного споживання палива та зменшення шкідливих викидів в атмосферу підприємства-виробники автомобілів змушені розробляти машини з більшою паливною економічністю. Одним із шляхів досягнення цієї мети є зменшення загальної ваги машини. Більшу частину ваги 19 будь-якої машини складає власне двигун, а найбільш значною частиною двигуна є блок циліндрів, який становить 20-2595 загальної ваги двигуна. У минулі роки значного зменшення ваги досягали шляхом заміни традиційного чавунного блока циліндрів на блок з алюмінієвого сплаву, а додаткового зменшення, приблизно на 40905, можна було досягти, використовуючи магнієвий сплав, здатний витримувати температури та напруження, що створюються під час роботи двигуна. Однак перед тим, як можна буде розглядати життєздатну лінію виробництва блоків циліндрів з магнієвого сплаву, необхідна розробка такого сплаву, який поєднує необхідні механічні властивості при високих температурах та економічно ефективний процес виробництва. В останні роки пошук жаростійкого магнієвого сплаву був сфокусований, головним чином, на технології лиття у постійні форми під високим тиском (ЛОПФВТ), і було розроблено декілька сплавів. ЛОФВТ розглядали як кращий варіант досягнення високих норм продуктивності, необхідних для компенсації можливої високої вартості основного с 29 магнієвого сплаву. ЛІПФВТ, однак, необов'язково є кращим способом для виготовлення блока циліндрів і, Ге) фактично, більшість блоків циліндрів й досі виготовляють методом точного лиття самопливом або литтям у піщані форми під низьким тиском.

Існують два основні класи магнієвих сплавів, які отримують литтям у піщані форми. (А) Сплави на основі бінарної системи магній-алюміній, часто з невеликими добавками цинку (7п) для -- поліпшення міцності та рідкотекучості. Ці сплави мають відповідні механічні властивості при кімнатній - температурі, але погані характеристики при високих температурах і не підходять для температур вище 150 20.

Ці сплави не містять дорогих легуючих домішок і їх широко застосовують в областях, де висока жароміцність не б є необхідною умовою. Ге») (Б) Сплави, в яких зерна можна подрібнювати, додаючи цирконій (77). Більшу частину легуючих домішок в цій

Зо групі складають цинк, ітрій (У), срібло (Ад), торій (ТИ) та рідкісноземельні елементи, наприклад неодим (Ма). т

В даному описі під визначенням "рідкісноземельний" слід розуміти будь-який елемент або комбінацію елементів з атомними номерами 57-71, тобто від лантану (І а) до лютецію (І 0). При правильному виборі легуючих домішок сплави в цій групі можуть виявляти відмінні механічні властивості при кімнатній та високих температурах. «

Однак легуючі домішки, за винятком цинку, в межах цієї групи, в тому числі добавка, що подрібнює зерна, є З7З 70 дорогими, в результаті чого використання згаданих сплавів обмежується авіаційною галуззю. с Розроблений в СРСР магнієвий сплав МІ 10 упродовж багатьох років використовували для литих деталей, "з застосовуваних у літаках при температурах до 2502 МІ 10 - це високоміцний магнієвий сплав, розроблений на основі системи Мад-Мма-2п-2т. Сплав МІ. 19 додатково містить ітрій.

В роботі "Іпмевіїдайоп ої (Ше Місговігпсійге апа Ргорепіез ої Савзіабіе Меодутішт апа МмЕгішт-Веагіпа - 15 Мадпезішт АПйШоуз аї ЕІемаеай Тетрегайшгевз" (МиКпіпа еї аї.), опублікованій в ж. "Зсіепсе апа Неаї Тгеаітепі" (моіІ.39, 1997)|, наведені типові композиції (у мас.9о) сплавів МІ. 10 та МІ. 19: се)

Міло Міло іш Ма 2,2-2,8 1,6-2,3 -1 50 мо 14-22 що 7г 0А-1,0 0-1, 7по 0,1-0,7 0,1-0,6

Ма решта решта 29 при рівнях домішок. о Бе «0,01 ю Ві «03

Си «0,03 60 Мі «0,005

А «0,02

Ве «0,01

Розробленими варіантами цих сплавів є відомі фахівцям сплави ОЕ22 (сплав на основі системи Ма-Ад-ма-2т) 65 та ЕН21 (сплав на основі системи Ма-мМа-21-ТН). Ці варіанти, однак, є дорогими для виготовлення, оскільки вони містять значні кількості срібла та торію, відповідно.

Жаростійкі магнієві сплави з домішками, що подрібнюють зерна, можна зміцнювати шляхом термообробки 16, яка являє собою високотемпературну обробку з утворенням твердого розчину, далі - гартування і наступне штучне старіння при високій температурі. При нагріванні перед гартуванням надлишкові фази переходять у твердий розчин. В процесі старіння тугоплавкі фази у вигляді тонкодисперсних субмікроскопічних частинок сегрегують і утворюють мікронеоднорідності всередині зерен твердого розчину, блокуючи процеси дифузії та зсуву при високих температурах. Це поліпшує механічні властивості, а саме - границю міцності при довготривалому навантаженні та стійкість цих сплавів до повзучості при високій температурі.

До цього часу не було магнієвого сплаву, отриманого литтям у піщані форми, з необхідними властивостями 7/0 при високій температурі (наприклад, 150-2002С) по розумній ціні. Такий сплав описано принаймні у кращих варіантах даного винаходу, а сам винахід, зокрема, спрямований на застосування з методами точного лиття, але не тільки.

В першому аспекті даний винахід пропонує сплав на основі магнію, що містить (у мас.9б): 75 неодим 1,4-1,9; рідкісноземельний елемент (елементи) крім неодиму 0,8-1,2; цинк 0,4-0,7; цирконій 0,3-1; марганець 0-0,3 та елемент (елементи)-інгібітор окиснення /-«0-0,1 магній за винятком випадкових домішок решта.

В другому аспекті даний винахід пропонує магнієвий сплав, що містить (у мас 9б): сч 29 неодим 1,4-1,9; Ге) рідкісноземельний елемент (елементи) крім неодиму 0,8-1,2; цинк 0,4-0,7; «- зо цирконій 0,3-1; марганець 0-03; ї- елемент-інгібітор окиснення 0-01; Ге»! титан не більше 0,15; гафній не більше 0,15; (о) алюміній не більше 0,1; ча мідь не більше 0,1; нікель не більше 041, кремній не більше 0,1; срібло не більше 0,1; « ітрій не більше 0,1; шщ с торій не більше 0,1; и залізо не більше 0,01; п » стронцій не більше 0,005; магній за винятком випадкових домішок решта. -І У кращому варіанті сплави згідно з другим аспектом даного винаходу: а) містять титан у кількості менш ніж 0,Імас.мас.9о, краще - менш ніж О,О05мас.бо, ще краще - менш ніж о О,01мас.Оо, а найкраще - практично не містять титану;

Те) б) містять гафній у кількості менш ніж 0,їмас.9о, краще - менш ніж 0, 05мас.бо, ще краще - менш ніж 5р 0,01мас.Зб, а найкраще - практично не містять гафнію;

Ше в) містять алюміній у кількості менш ніж 0,О5мас.95, краще - менш ніж 0,02мас.9о, ще краще - менш ніж -«ЗМ 0,О01мас.о5, а найкраще - практично не містять алюмінію; г) містять мідь у кількості менш ніж О,05мас.бо, краще - менш ніж О0,02мас.уо, ще краще - менш ніж 0О,О1мас.об5, а найкраще - практично не містять міді; д) містять нікель у кількості менш ніж О,05мас.бою, краще - менш ніж 0,02мас.уо, ще краще - менш ніж 0О,О01мас.об5, а найкраще - практично не містять нікелю; іФ) е) містять кремній у кількості менш ніж 0,О05мас.95, краще - менш ніж 0,02мас.бо, ще краще - менш ніж ко О,01мас.Оо, а найкраще - практично не містять кремнію; є) містять срібло у кількості менш ніж О,05мас.бо, краще - менш ніж 0,02мас.бо, ще краще - менш ніж бо 9,01мас.9о, а найкраще - практично не містять срібла; ж) містять ітрій у кількості менш ніж 0,05мас.бо, краще - менш ніж 0,02мас.9Уо, ще краще - менш ніж

О,01мас.Оо, а найкраще - практично не містять ітрію; 3) містять торій у кількості менш ніж 0О,05мас.Ую, краще - менш ніж 0,02мас.9Уо, ще краще - менш ніж

О,01мас.9о, найкраще ж - практично не містять торію; 65 и) містять залізо у кількості менш ніж 0,005мас.оо, найкраще ж - практично не містять заліза; та ї) містять стронцій у кількості менш ніж 0,001мас.бо, найкраще ж - практично не містять стронцію.

У кращому варіанті запропоновані сплави містять магній у кількості принаймні ОБмас.9о, краще - 95,5-97мас.95, а найкраще - приблизно 96,Змас.9о.

Вміст неодиму у кращому варіанті складає більш ніж 1,5мас.9о, краще - більш ніж 1,бмас.9о, ще краще - 1,6-1,вмас.9о, а найкраще - приблизно 1,7мас.95. Вміст неодиму може походити від чистого неодиму, неодиму, що міститься в суміші рідкісноземельних елементів, наприклад міш-металі, або в їх комбінації.

Вміст рідкісноземельного елементу (елементів) крім неодиму у кращому варіанті становить 0,9-1,1мас.9о, краще - приблизно Тмас.9о5. Краще, якщо рідкісноземельним елементом (елементами) є церій (Се), лантан (і а) або їх суміш. У кращому варіанті церій складає більше половини маси рідкісноземельних елементів крім 7/0 неодиму, краще - 60-8Омас.7о, особливо добре, коли приблизно 7Омас.9о, причому практично решту складає лантан. Рідкісноземельний елемент (елементи) крім неодиму може походити від чистих рідкісноземельних елементів, суміші рідкісноземельних елементів, наприклад міш-металу, або їх комбінації. У кращому варіанті ці рідкісноземельні елементи крім неодиму походять від міш-металу на основі церію, що містить церій, лантан, необов'язково неодим, невелику кількість празеодиму (Рг) та слідові кількості інших рідкісноземельних елементів.

Площина виділення фази, що виділяється, з пересиченого твердого розчину на матриці, у сплавах Ма-ма-7п пов'язана з вмістом цинку, причому вона призматична при дуже низьких рівнях 2п і базисна при рівнях більше 1мас.9о. Найкращі показники міцності отримують при рівнях цинку, які промотують комбінацію цих двох площин виділення. У кращому варіанті вміст цинку складає менше О0,б5мас.бо, краще - 0,4-0,бмас.бо, ще краще - 0,45-0,55мас.о, а найкраще - приблизно 0О,5мас.9б5.

Зменшення вмісту заліза можна досягати, додаючи цирконій, який виділяє залізо з розплавленого сплаву.

Відповідно, описувані тут вмісти цирконію є залишковими. Однак слід зауважити, що цирконій можна включати на двох різних стадіях. По-перше, при виготовленні сплаву і, по-друге, після розплавлення сплаву безпосередньо перед литтям.

Властивості запропонованих сплавів при високих температурах залежать від відповідного подрібнення зерен сч ов 1 тому необхідно підтримувати рівень цирконію в розплаві нижче за рівень, необхідний для видалення заліза.

Для таких необхідних характеристик як міцність на розтягання та стиск розмір зерен у кращому варіанті і) становить менше 200мкм, а краще - менше 150мкм. Залежність між стійкістю до повзучості та розміром зерен у запропонованих сплавах є контрінтуїтивною Традиційна теорія повзучості стверджує, що стійкість до повзучості зменшується із зменшенням розміру зерен. Однак запропоновані сплави показали мінімальну стійкість до «- зо повзучості при розмірі зерен 200мкм і поліпшення стійкості до повзучості при менших розмірах зерен. Для оптимальної стійкості до повзучості розмір зерен повинен бути менше 100мкм, а краще - приблизно 5Омкм. Вміст - цирконію у кращому варіанті буде мінімальною кількістю, необхідною для досягнення задовільного видалення Ге! заліза та відповідного подрібнення зерен для призначеної цілі Як правило, вміст цирконію становитиме більше

О,4мас.оо, краще - 0,4-0,бмас.95, а ще краще - приблизно О,5мас.9б5. Ме)

Марганець - необов'язковий компонент сплаву, який можна включати, якщо є необхідність у додатковому ча видаленні заліза крім того, якого досягли за допомогою цирконію, особливо якщо рівні цирконію відносно низькі, наприклад нижче 0,5мас.о

Елементи, що запобігають окисненню розплавленого сплаву або принаймні інгібують окиснення, наприклад берилій (Ве) та кальцій (Са), є необов'язковими компонентами, які, наприклад, можна включати за обставин, «

Коли неможливо забезпечити відповідний захист шляхом регулювання покривного газового середовища. Це, в с зокрема, той випадок, коли процес лиття не включає закритої системи.

В ідеалі вміст випадкових домішок повинен бути нульовим, але очевидно, що практично це неможливо. Тому з у кращому випадку вміст випадкових домішок повинен складати менше 0,15мас.9о, краще - менше 0,1мас.бо, ще краще - менше 0,01мас.9о, а найкраще - менше 0,001мас.оо.

В другому аспекті даний винахід пропонує сплав на основі магнію, що має мікроструктуру, яка включає -І рівновісні зерна твердого розчину на основі магнію, розділені по границях зерен зазвичай прилеглою міжзернистою фазою, причому зерна містять рівномірно розподілені нанорозмірні пластинки, що виділилися на ік більш ніж одній площині габітусу з пересиченого твердого розчину на матриці, яка (площина) містить магній та

Ге) неодим, причому згадана міжзерниста фаза складається майже повністю з рідкісноземельних елементів, магнію 5о та малої кількості цинку, а згаданими рідкісноземельними елементами є, головним чином, церій та/або лантан.

Ш- Зерна можуть містити кластери маленьких сферичних та кулястих фаз, що виділилися. Ці сферичні кластери як можуть включати фази у вигляді тонких дротиків. Кулясті фази можуть бути переважно з цирконію та цинку з атомним відношенням 2г:2п приблизно 2:1. Дротикоподібні фази, що виділилися, можуть складатися переважно з цирконію та цинку з атомним відношенням 2г:2п приблизно 2:11.

Застосований в даному описі вираз "зазвичай прилегла" означає, що принаймні більша частина згаданої міжзернистої фази є прилеглою, але можуть існувати деякі зазори між іншим чином прилеглими ділянками. (Ф, В четвертому аспекті даний винахід пропонує спосіб виготовлення виробу з магнієвого сплаву, який полягає ка у тому, що виріб, вилитий зі сплаву згідно з першим, другим або третім аспектом даного винаходу, піддають термообробці Т6. 60 У п'ятому аспекті даний винахід пропонує спосіб виготовлення виробу з магнієвого сплаву, який передбачає такі етапи: а) твердіння у пресформі відливка зі сплаву згідно з першим, другим або третім аспектом даного винаходу; б) нагрівання затверділого відливка при температурі 500-5502С упродовж першого періоду часу; в) гартування відливка; і 65 г) піддання відливка старінню при температурі 200-23 02С упродовж другого періоду часу.

У кращому варіанті перший період часу триває 6-24 години, другий період часу -3-24 години.

В шостому аспекті даний винахід пропонує спосіб виготовлення відливка з магнієвого сплаву, який передбачає такі етапи: її плавлення сплаву згідно з першим, другим або третім аспектом даного винаходу для отримання Дозплавленого сплаву; ії) введення цього розплавленого сплаву у піщану або постійну форму і надання йому можливості затвердіти; ії) витягання отриманого в результаті затверділого відливка з форми; і їм) витримування відливка в межах першого температурного діапазону впродовж першого періоду часу, за який частина міжзернистої фази відливка розчиняється, і наступне витримування відливка в межах другого 7/0 температурного діапазону, температура якого нижче, ніж у першому діапазоні, впродовж другого періоду часу, за який нанорозмірні фази, що виділилися, вимушені виділятися в зернах відливка та на границях зерен.

У кращому варіанті перший температурний діапазон становить 500-5502С, другий - 200-2302С; перший період часу триває 6-24 години, другий - 3-24 години.

В сьомому аспекті даний винахід пропонує блок циліндрів для двигуна внутрішнього згоряння, виготовлений 75 способом згідно з четвертим, п'ятим або шостим аспектом даного винаходу.

У восьмому аспекті даний винахід пропонує блок циліндрів для двигуна внутрішнього згоряння, виготовлений з магнієвого сплаву згідно з першим, другим або третім аспектом даного винаходу.

Вище наведено конкретне посилання на блоки циліндрів, але слід зазначити, що запропоновані сплави можна використовувати й в інших випадках, де застосовують і високі температури, і низькі.

Опис варіантів винаходу, яким віддається перевага

Приклад 1

Зразки виливали самопливом з шести композицій сплавів (див. Таблицю 1) у виливниці, яка мала форму пластини з уступами з товщиною уступів від 5мм до 25мм, щоб отримати відливки, як показані на Фіг.1. Крім неодиму додавали рідкісноземельні елементи у вигляді міш-металу на основі Се, який містив церій, лантан і с деяку кількість неодиму. Додаткові неодим та цинк додавали в їхній основній формі. Цирконій додавали через запатентовану лігатуру Ма-2т. В процесі виготовлення литих пластин застосовували стандартні методи о маніпулювання розплавом. Окремі зразки потім піддавали термообробці Т6, як зразок Мо3 Таблиці 2, який, як визначили, показав найкращі результати. Термообробку з утворенням твердого розчину здійснювали у регульованому газовому середовищі для запобігання окисненню поверхневих шарів під час термообробки. «--

Отримані термооброблені зразки потім досліджували і випробовували для визначення твердості, міцності на розтягання, характеристик повзучості, корозійної стійкості, угомних властивостей та утримувальної здатності - при кріпленні болтом. Деталі наведеш в Таблицях 1 і 2. Ф

Ф зв м мас. мас. мас. мас. мас. « й З

Запропонована -| 0,41 1,63 0,495 2,А3 с ваний Бай Бан НО поні НО » 2

З

-І

Ф

Ф я. їх 00веювнио 00000000 ббуюдо 0000000 иволеюдя а зв о 80 бвювюдио 00010000 Вбоуводтуводотлмерою во 160 хвилин т бо Після аналізу результатів зробили наступні висновки

Мікрознімки показали, що порівняльна композиція В мала найбільшу кількість інтерметалічної фази на границях зерен та потрійних точок (на діаграмі стану), що узгоджується з тим, що ця композиція мала найбільший загальний вміст рідкісноземельних елементів. Порівняльна композиція С та запропонована композиція 1 мали найменші кількості інтерметалічної фази, що також узгоджується з тим, що вони мали низький бо загальний вміст рідкісноземельних елементів. Мікрознімки запропонованої композиції 2 чітко показали значно більший і більш різноманітний розмір зерен, ніж будь-яка з інших композицій. Це може бути обумовлено трохи меншим вмістом цирконію в цій композиції. Всі шість композицій мали згущення з фаз, що виділилися, розміщені приблизно в центрі зерен, які скрізь в даному описі визначені як суміш 2г-2п.

Вимірювали твердість, і постійно запропоновані композиції 1 і 2 були таким ж добрими як і запропонована композиція З, або кращими за неї, що свідчило про те, що рівні 7п 0,4-0,695 є прийнятними. Порівняльна композиція С постійно показувала низьку твердість, що вказувало на те, що поєднання високого рівня 7п та низького рівня рідкісноземельних елементів є менш прийнятним. Порівняльні композиції А і В були дуже схожими на запропоновані композиції, що могло свідчити про те, що шкідливий вплив високого вмісту 7п може бути 70 нейтралізований дуже високими вмістами рідкісноземельних елементів. Однак з комерційної точки зору це не дуже привабливо через високу вартість рідкісноземельних елементів.

Характеристики розтягання визначали при кімнатній температурі, 100 С, 1509С та 1772С. Варіанти композицій вибирали так, щоб можна було дослідити вплив кількох взаємодій, і зробили наступні спостереження.

Запропонована композиція 1, аналогічна запропонованій композиції З за вмістом Ма, але з меншим вмістом 75 йп та інших рідкісноземельних елементів, має такі ж добрі механічні властивості, як і запропонована композиція З, або навіть кращі, що свідчить про те, що низький вміст 7п та/або рідкісноземельних елементів необов'язково погано впливає на механічні властивості.

Порівняльна композиція А та запропонована композиція 1 мають дуже схожі низькі вмісти 2п, тоді як порівняльна композиція А має більш низький вміст Ма, більший вміст інших рідкісноземельних елементів та більший загальний вміст рідкісноземельних елементів. При кімнатній температурі запропонована композиція 1 мала кращу умовну границю текучості і трохи більше видовження, що узгоджується з наявністю додаткового Ма для забезпечення зміцнення і меншої інтерметалічної фази на границі зерен Се/і а. При підвищеній температурі тенденція, виявлена при кімнатній температурі, зберігається.

Запропоновані композиції 1 і 2 та порівняльна композиція С за складом були дуже схожі, з тією різницею, с

Що в останній композиції вміст 7п був більший. Порівняльна композиція С мала трохи вищий вміст Ма та інших рідкісноземельних елементів, ніж запропоновані композиції 1 або 2. | при кімнатній, і при підвищеній о температурі було виявлено, що при збільшенні вмісту 2п умовна границя текучості зменшується, а видовження збільшується Найбільш значне зниження умовної границі текучості відбувалось при вмісті 7п 0,4-0,67мас.об.

Порівняльні композиції В і С мали дуже схожі (високі) вмісти 7п, при цьому порівняльна композиція В мала «-- більший загальний вміст рідкісноземельних елементів (від більшого Ма та більшого Се/І а), ніж порівняльна композиція С. Порівняльна композиція В постійно показувала кращі, ніж порівняльна композиція С, показники і - умовної границі текучості, і видовження при всіх температурах - дві характеристики, які значною мірою Ф впливають на повзучість.

Всі композиції випробували на повзучість при постійному навантаженні 90МпПа і при температурах 1502С та іа 17726. Швидкості повзучості при динамічній рівновазі наведені в Таблиці 3. ч- 00000000 кявкл» дивина текчкя пнена 87) « є ні - г» з -

При порівнянні різних стійких до повзучості магнієвих сплавів часто посилаються на механічне напруження, (се) яке викликає величину деформації повзучості 0,195 після 100 годин. Жодна з вищезгаданих шести композицій не -1 50 мала такої величини повзучості після 100 годин при 1502С та навантаженні 90МПа. Аналогічним чином, при 1772С жодна з композицій не перевищила цієї величини після 100 годин, хоча при значно триваліших періодах "-ь часу випробувань відбувалися деформації повзучості, більші за цю. При 1502 з точки зору повзучості всі шість композицій були прийнятними.

Вплив цинку, помічений по результатах випробувань на розтягання, був також очевидний і по результатах 22 випробувань на повзучість при 1502С, що особливо стосується початкового видовження при повзучості, де

ГФ) запропонована композиція 1 була кращою, ніж запропонована композиція 2, яка, в свою чергу, виявилась кращою за порівняльну композицію С. Вторинні швидкості повзучості були аналогічними в цих трьох композиціях. о Порівняльна композиція В, яка мала найбільший вміст 7п і високий вміст рідкісноземельних елементів, була також прийнятною, що знову-таки вказувало на те, що шкідливий вплив високого вмісту 7п можна нейтралізувати 60 високим вмістом рідкісноземельних елементів.

Порівняльна композиція А мала більш високу початкову повзучість і трохи більшу швидкість повзучості при динамічній рівновазі, що вказувало на те, що, хоча рівень Ма 1,4мас.9о5 є прийнятним, кращим був би мінімум 1,5мас.9о, а 1,б6мас.9о - навіть кращим.

Приклад 2 бо Експериментальний метод

Зразки сплаву СІ (96,3мас.9о Ма, 1,7мас.бю Ма, 1,0мас.бо рідкісноземельних елементів (Се: а-70:30),

О,5мас.Уо 2п з О,5мас.бо 2) виготовляли з відлитих вільною заливкою пластин з уступами, як показано на Фіг.1.

Се та Га додавали у вигляді мішметалу на основі Се, який також містив деяку кількість Ма. Додаткові Ма і 7п додавали в їхній основній формі. Цирконій додавали через запатентовану лігатуру Мо-2т. Наведені в даному описі механічні властивості визначали на зразках, відрізаних від уступу товщиною 15мм, де розмір зерен був приблизно 4О0мкм. Під час виготовлення литих пластин застосовували стандартні методи маніпулювання розплавом та режим термообробки в регульованому оточуючому середовищі.

Мікроструктура. Зразки для металографічного дослідження полірували алмазними пастами до шорсткості 70 мкм, потім - колоїдним кремнеземом до шорсткості О,05мкм. Потім здійснювали травлення у розчині азотної кислоти в етиленгліколі та воді впродовж приблизно 12 секунд.

Випробування на розтягання та стиск. Характеристики розтягання визначали згідно з АЗТМ Е8 при 20 2с, 1002С, 150922 та 1772С у повітрі за допомогою універсальної машини Інстрон для випробування механічних властивостей матеріалів. Перед випробуванням зразки 10 хвилин витримували при підвищеній температурі. 75 Випробуваний зразок мав прямокутний переріз (бмм хЗмм) і базову довжину 25мм (Фіг.2а). Границю текучості при стиску визначали згідно з АТМ ЕЗ9У при таких самих температурах, використовуючи циліндричні зразки діаметром 15мм і довжиною ЗОмм. Модуль пружності сплаву визначали при кімнатній і підвищених температурах за допомогою комбінованого кварцевого ультразвукового генератора |Кобіпзоп, МУН апа Еддаг А ІЕЕЕ

Тгапзасіопе оп Бопісв апа ОПгазопісв, БО-21(2) 1974 98-105).

Випробування на повзучість. Характеристику повзучості визначали на установках постійного навантаження при температурах 150920 і 1776 та напруженнях 46, 60, 75 і 90МПа у ваннах з силіконовим маслом з регульованою температурою. Випробувані зразки мали таку саму геометрію, що і зразки, застосовані для випробування на розтягання, а видовження при повзучості виміряли безпосередньо по базовій довжині зразків.

Випробування на межу втомленості. Межу втомленості при 109 та 107 циклах визначали у повітрі при 259С..СМ 29 та 1205С. Зразки мали круглий переріз діаметром 5мм і базову довжину 1Омм (Фіг.25), були відполіровані до (3 шорсткості їмкм, що приблизно відповідає класу обробки поверхні на корінному підшипнику - найбільш навантаженій деталі блока циліндрів. Зразки навантажували аксіально при повністю оборотному розтяганні-стиску (тобто при нульовому середньому напруженні) і випробувальній частоті бОГц, що відповідало номінальному режиму експлуатації. Існує декілька методів оцінювання меже втомленості міцності при заданому -- ресурсі стійкості, і в даному випадку застосовували метод сходів (В5 3518 Рагі 5). ч-

Випробування на утримання навантаження при кріпленні болтом. Випробування на утримання навантаження при кріпленні болтом можна застосовувати для моделювання релаксації, яка може виникнути при експлуатації б під стискальним навантаженням. Цей метод випробування |РеКегзеп К апа Раїгспій 5 5АЕ Тесппіса! Рарег Ге») 970326| передбачає прикладання початкового навантаження (в даному випадку 8кН) до конструкції, що 3о складається з двох ідентичних деталей товщиною 15мм і з зовнішнім діаметром 1бмм, виготовлених з в випробуваного матеріалу, і високоміцного болта М8, оснащеного тензодатчиками (Фіг.3). Зміну в навантаженні упродовж 100 годин при підвищеній температурі (1502С і 17722) вимірюють постійно. При визначенні здатності утримувати навантаження при кріпленні болтом двома основними видами навантаження є початкове « й навантаження при температурі оточуючого середовища, Ру, та навантаження при завершенні випробування після -о повернення до умов оточуючого середовища, Р р. Співвідношення цих двох величин (Ру/Ррг) і є критерієм с здатності сплаву утримувати навантаження при кріпленні болтом. При нагріванні скріпленої болтом конструкції з до температури випробування часто відбувається початкове збільшення навантаження. Це результат комбінованого термічного розширення скріпленої болтом конструкції та деформації текучості в деталях зі сплаву.

Питома теплопровідність. Питому теплопровідність вимірювали на зразках діаметром ЗОмм і довжиною ЗОмм. -1 395 Корозійна стійкість. Корозійну стійкість сплаву 5СІ порівнювали з корозійною стійкістю сплаву А791, застосовуючи стандартні методи занурення у сольовий розчин при кімнатній температурі. Випробування (се) проводили 7 днів у сольовому середовищі (3,596-ному розчині Масі) при рН, стабілізованому до 11,0 за с допомогою 1М розчину МасонН. Продукти корозії видаляли з випробуваних зразків, промиваючи хромовою кислотою і потім етаноловим промивальним розчином. - І 50 Результати та обговорення що Мікроструктура. Оскільки ЗСІ є сплавом, який виливають у піщані форми, він потребує обробки 1761 (термообробка з утворенням твердого розчину в регульованому газовому середовищі, гартування в холодній або теплій воді та відпал при підвищеній температурі) для повного розвинення своїх механічних властивостей.

Рекомендований режим термообробки - це баланс між вимогами до механічних властивостей і прийнятною для 59 промисловості тривалістю витримування після лиття. Мікроструктура сплаву 5СІ після обробки Т6 (Фіг.4)

ГФ) складається з зерен фази о-Ма (А), блокованих інтерметалічною фазою (В) рідкісноземельних елементів по з границях зерен, і потрійних точок В центральних зонах більшості зерен присутні кластери дротикоподібних фаз, що виділилися (С). Стехіометрія інтерметалічної фази В близька до Мао45(І ао4зСео 5т).

Міцність на розтягання та стиск. На Фіг.5а показані і характеристики розтягання (умовна границя текучості бо 0,296 і границя міцності при розтяганні), і границя міцності при стиску в залежності від температури. На

Фіг.5Б показане видовження при розтяганні, також в залежності від температури. Важливо зазначити, що ці механічні характеристики ЗСІ надзвичайно стабільні при підвищених температурах, причому умовні границі текучості і при розтяганні, і при стиску є відносно незмінними при температурі між кімнатною та 177 96. 65 Характеристики ЗСІ при кімнатній температурі далеко не такі високі, як у більшості інших магнієвих сплавів, які виливають у піщані форми, але саме стабільність цих характеристик при температурах до 1772С робить цей сплав особливо привабливим для застосування в блоках циліндрів.

Результати визначення модуля пружності наведені в Таблиці 4, і слід зазначити, що цей модуль зменшується менш ніж на 1095 при 1772С порівняно з його величиною при кімнатній температурі. визначений за допомогою комбінованого кварцового ультразвукового генератора й

Повзучість та утримання навантаження при кріпленні болтом. Мікроструктура ЗСІ надзвичайно стабільна при температурах до 1772С, і це є важливим фактором, разом з формою та розподілом інтерметалічної фази по /5 границях зерен, для досягнення необхідної стійкості до повзучості. Використання напруження, що викликає повзучість, тобто напруження, що викликає деформацію повзучості 0,190 після 100 годин при підвищеній температурі як критерію стійкості до повзучості є умовним, але тим не менш корисним методом для порівняння характеристик сплавів. На підставі цього факту характеристику ЗСІ можна порівняти з характеристикою АЗ19 (Фіг.б), і стає очевидним, що характеристики повзучості цих двох сплавів дуже схожі в температурному діапазоні 150-1772С. Однак слід зауважити, що більш важливим є те, що напруження, необхідні для створення деформації повзучості 0,195, в ЗСІ після 100 годин і при 1502С, і при 17723 наближуються до границь міцності при розтяганні (0,290 зсуву) цього матеріалу.

На Фіг.7а показані типові криві, що характеризують утримання навантаження при кріпленні болтом, для сплавів ЗСІ, АЗ19 та АЕ42 при 1502С та навантаженні 8КкН. СІ - сплав у стані після обробки Т6, АЗ19 - сплав, сч

Відлитий у піщану форму, і АЕ42 - сплав, відлитий у постійну форму під високим тиском (тобто всі три сплави о перебувають у нормальному робочому стані). Збільшення у навантаженні, яке відбувається напочатку випробування, - це сумарний результат термічного розширення скріпленої болтом конструкції, меншого, ніж деформація текучості в деталях, виготовлених з випробуваного сплаву. Двома основними навантаженнями є початкове навантаження при температурі оточуючого середовища, Ру (в даному випадку 8КН), і навантаження «-- зо при завершенні випробування після повернення до умов оточуючого середовища, Р г. Співвідношення цих двох величин приймають як критерій здатності сплаву утримувати навантаження при кріпленні болтом і в даному в випадку використовують для порівняння сплаву 5СІ з відлитим у постійну форму сплавом АЕ42 при 150 «С та Ф 1772С (Фіг.75). Ця здатність утримувати навантаження при кріпленні болтом при підвищених температурах знову демонструє стабільність цього сплаву при високій температурі і очевидно, що в цьому відношенні сплав СІ є Ф таким же добрим, як і алюмінієвий сплав АЗ19, і навіть перевершує сплав АЕ42. ч-

Властивості межі втомленості. Блок циліндрів постійно зазнає циклічних напружень під час експлуатації і тому необхідно гарантувати, що матеріал, вибраний для блока, зможе витримати таке утомне навантаження.

Межу втомленості міцність сплаву ЗСІ при 109 та 107 циклах визначали при 24 С і 1202С, і цифри, наведені в «

Таблиці 5, є напруженнями, що дають 5090-ну вірогідність руйнування. Граничні значення відповідають напруженням для 1095-ної та 9095-ної вірогідності руйнування. Слід зазначити, що ці показники є результатами З с для максимум 10 циклів, а не 5х107, визначених у розрахункових критеріях. Тим не менш ці показники міцності з» є достатньо високими для сплаву, який розглядають як такий, що відповідає промисловому орієнтиру. 5 о 110000 о м - сен, цо витровивню лише о рек, з не 16, пк винне син щ - означає, що випробувано лише 12 зразків, а не 15, як вимагає стандарт.

Корозія. Характеристика корозії сплаву, і внутрішньої, і зовнішньої, має першочергове значення. Корозію на внутрішніх поверхнях можна регулювати за допомогою відповідного охолоджувача для двигуна у поєднанні з ретельним розрахунком, що гарантує сумісність всіх контактуючих металевих компонентів з охолоджувальною о рідиною. Корозійна стійкість зовнішніх поверхонь буде значною мірою залежати від композиції сплаву. Не існує жодного випробування, яке може визначити корозійну стійкість сплаву в усіх середовищах, і тому СІ о порівнювали з А791, застосовуючи стандартний метод занурення у сольовий розчин, Обидва сплави були у стані після термообробки Т6, і середні швидкості втрати ваги за цей період складали 0,864мг/см 2Ідень - для 5СІ їі 60 О443Змг/см/день - для А791Е.

Питома теплопровідність. Питома теплопровідність ЗСІ склала 102Вт/мК, що трохи менше, ніж питома теплопровідність, первинно описана в розрахункових показниках Маючи цю інформацію, однак, не важко модифікувати розрахунок блока циліндрів, щоб привести у відповідність цю величину питомої теплопровідності.

Висновок бо Сплав 5СІ здатний задовольняти наступним технічним вимогам.

- 0,295 умовна границя текучості при 120МпПа при кімнатній температурі та 110МПа при 17726. - Стійкість до повзучості, порівняна зі стійкістю до повзучості сплаву АЗ19 при температурах 1502С та 17720. - Границя утоми - більше 50МпПа при кімнатній температурі.

Таке поєднання відмінних механічних властивостей при підвищених температурах та підрахованої економічної ефективності дає можливість припустити, що ЗСІ міг би стати промислово життєздатним варіантом матеріалу для блока циліндрів.

У наступній формулі винаходу та у попередньому описі, за винятком тих місць, де контекст потребує іншого тлумачення, обумовленого точним мовним або необхідним змістом, слова "містить", "має", "включає", 70 застосовано у значенні, яке не виключає наявності або додавання додаткових ознак в різних варіантах даного винаходу

Слід чітко розуміти, що, хоча в даному описі є посилання на публікацію(публікації), що становлять рівень техніки, ці посилання не є визнанням того, що будь-який з цих документів утворює базу загальних знань в цій галузі в Австралії або в будь-якій іншій країні.

Claims (11)

Формула винаходу

1. Сплав на основі магнію, який містить, мас. 90: неодим 1,4 - 1,9 рідкісноземельний елемент або елементи, крім неодиму 0,8 - 1,2 цинк 0,4 - 0,7 цирконій 0,3 - 1 с магній решта, за винятком о випадкових домішок.

2. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він додатково містить марганець в кількості не більше 0,3 мас. 95.

З. Сплав за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що він додатково містить елемент-інгібітор або елементи-інгібітори окислення в кількості не більше 0,1 мас. 905. «--

4. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить магній у кількості 95,5 - 97 мас. 95.

5. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить неодим у кількості 1,6 - 1,8 мас. 905. -

б. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить рідкісноземельний елемент або елементи, крім Ге»! неодиму, у кількості 0,9 - 1,1 мас. 9о.

7. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить ряд рідкісноземельних елементів з атомними числами Ме 91 - 11, крім неодиму, причому церій складає більше половини маси рідкісноземельних елементів, крім неодиму. че

8. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить цирконій у кількості більше 0,4 мас. 95.

9. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він містить цинк у кількості 0,4 - 0,6 мас. 95.

10. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що він має мікроструктуру, яка включає рівноважні зерна твердого розчину на основі магнію, розділені по границях прилеглою міжзерновою фазою, причому ці зерна містять на « більше ніж одній площині габітусу рівномірно розподілений осад у вигляді нанорозмірних пластинок, який шщ с містить магній та неодим, при цьому згадана міжзернова фаза складається майже повністю з рідкісноземельних . елементів, магнію і невеликої кількості цинку, причому рідкісноземельними елементами є головним чином церій «» та/або лантан.

11. Спосіб виготовлення виробу з магнієвого сплаву, при якому виріб, що відливають зі сплаву за одним з 450 п.1 - З, піддають термообробці Т6, де термообробка Т6 - це високотемпературна термообробка, з подальшим -і гартуванням та штучним старінням при високій температурі. се) се) - 50 - Ф) іме) 60 б5