Закономерности взаимодействия легирующих компонентов и их влияние на структуру, фазовый состав и свойства литейных магниевых сплавов системы Mg - Zn - Zr Уридия, Зинаида Петровна

Введение к работе

1. 1.1 Актуальность работы

Проблема создания новых высокопрочных конструкционных литейных магниевых сплавов с минимально возможной плотностью (> 1860 кг/м ) и высокой удельной прочностью 16-17 (усл. ед.), против 13,0 (усл. ед.), является актуальной для изделий техники нового поколения для авиационной, космической и оборонной промышленности, транспортного машиностроения. Решение этой проблемы позволит обеспечить эксплуатационную надежность и ресурс изделий, повысить весовую эффективность и долговечность деталей ответственного назначения благодаря повышению прочностных свойств в сочетании с высокими коррозионными характеристиками.

1.2 Цель работы

Целью работы является:

1. Изучение общих закономерностей взаимодействия магния с легирующими компонентами и влияния легирования на фазовый состав, структуру и свойства литейных магниевых сплавов.

2.Повышение удельной прочности и обеспечение коррозионной стойкости литейных магниевых сплавов системы Mg-Zn-Zr.

1.3 Задачи работы

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние легирования на структуру, фазовый состав и
свойства новых композиций литейных магниевых сплавов системы Mg-Zn-Zr.

1. Изучить влияние легирующих элементов на чистоту по металлическим примесям, неметаллическим включениям и коррозионную стойкость композиций сплавов системы Mg-Zn-Zr.

2. Разработать литейные магниевые сплавы и режимы термообработки, обеспечивающие более высокие прочностные характеристики: а_в=300-330 МПа, а₀д=200-240 МПа - по сравнению с серийными промышленными сплавами и зарубежными аналогами с уровнем прочностных характеристик: а_в=230-264 МПа, а_0Д=120-165 МПа.

1.4 Научная новизна работы

1. Теоретически обоснован выбор легирующих компонентов, способствующих упрочнению твердого раствора и образованию ультрадисперсных частиц, вызывающих появление микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора. Полученные значения критерия Гильдебранда и Скотта, числа Мотта, металлохимические свойства сплавляемых компонентов использованы при разработке составов сплавов с целью повышения уровня прочностных свойств системы Mg-Zn-Zr.

2. Исследовано влияние легирования на механические и коррозионные свойства композиций системы Mg-Zn-Zr. При легировании магния цинком,

цирконием, кадмием, висмутом, индием, и, возможно, микродобавками ниобия, титана и бора с большими и меньшими размерами атомов, чем атомы магния, создается устойчивое состояние кристаллической решетки. При этом, мелкодисперсные фазы, образующиеся в процессе распада твердого раствора, затрудняют сдвиговые и диффузионные процессы и, тем самым, достигается эффект упрочнения твердого раствора магния, что хорошо согласуется с теорией упрочнения твердого раствора.

3. Установлено (методами электронной микроскопии и рентгенострук-турного фазового анализа) формирование субзёренной структуры с размером зерен 0,15-0,2 мкм и образование наноразмерной 15-20 нм фазы Лавеса Zn₂Zr, что является определяющим фактором упрочнения литейных магниевых сплавов на основе системы Mg-Zn-Zr с содержанием цинка в пределах 7,0-8,5% и циркония 0,65-0,8%.

4. Установлено, что разработанные двухступенчатые режимы термической обработки Т6 и Т61 обеспечивают твердорастворное упрочнение сплава, легированного цинком, кадмием, индием, висмутом, а также создание гетеро-фазной структуры сплавов с высокодисперсными выделениями упрочняющей фазы внутри зерен твердого раствора.

5. Установлено позитивное влияние переходных металлов (ПМ) на снижение содержания примесей. Наибольший эффект наблюдается при введении ПМ в сочетании: цирконий + гафний либо цирконий + ниобий, тогда содержание примесей (железа и кремния) снижается в 2 раза.

6. Разработанные методы рафинирования расплава от металлических
примесей и неметаллических включений специальным флюсом в совокупности
повышают коррозионную стойкость по выделению водорода в 3%-ном раство
ре хлористого натрия до уровня коррозионной стойкости сплава МЛ5п.ч. при
сохранении высоких прочностных характеристик: а_в= 300-330 МПа, аод=200-
240 МПа.

7. Установлена причина низкого качества лигатуры магний-цирконий и неудовлетворительной вводимости из нее циркония в сплавы, вызванная присутствием в лигатуре нерастворимых интерметаллидов циркония и гафния с кремнием, железом, алюминием и сложных соединений типа гидрид-нитридов, оксихлоридов, соединений циркония с кислородом и водородом.

8. Установлено, что для обеспечения заданного химического состава сплавов системы Mg-Zn-Zr лигатура должна иметь мелкодисперсные включения элементарного циркония, способного частично растворяться в твердом растворе магния, и небольшое количество интерметаллических фаз (не более 20%).

1.5 Практическая значимость работы

Практическая значимость исследования заключается в том, что: 1. Разработаны высокопрочные литейные магниевые сплавы системы Mg-Zn-Zr:

- сплав ВМЛ20, содержащий Cd, №>, Ві, Ті (патент №2243279); а_в= 300 МПа, аод=200 МПа, ojd=\6,0 (усл. ед.); коррозионная стойкость по выделению водорода 4,5 см³/см² - на уровне сплава МЛ5п.ч.;

- сплав ВМЛ24, содержащий In, Cd, РЗЭ, В (патент № 2425903); а_в= 330 МПа,
аод=240 МПа, (усл. ед.); коррозионная стойкость по выделению водо
рода 2,0 см³/см² - в 4 раза ниже уровня сплава МЛ5п.ч.

2. Разработаны двухступенчатые режимы термической обработки Т6 и Т61, обеспечивающие упрочнение твердого раствора сплавов и требуемый уровень свойств.

3. Оптимизирован состав и внедрена в промышленность совместно с Соликамским магниевым заводом магниево-циркониевая лигатура марок Л2 и Л4 (А.с. №1078950), содержащая гафний, что позволило обеспечить химический состав высокопрочных магниевых сплавов системы Mg-Zn-Zr;

По результатам проведенных исследований:

- получены

1. авторское свидетельство А.с. №1078950 «Лигатура»;

2. 4 патента РФ:

№2230814 «Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него»; №2243279 «Сплав на основе магния и изделие, выполненное из него»; №2283887 «Флюс для плавки магниевых сплавов»; № 2425903 «Сплав на основе магния»;

- выпущена следующая научно-техническая документация

3. Паспорт №1742 «Высокопрочный литейный магниевый сплав ВМЛ20»;

4. ТР 1.595-24-237-2002 «Режимы термической обработки высокопрочного литейного магниевого сплава системы Mg-Zn-Zr-Cd с повышенным содержанием цинка»;

3) ТР 1.595-24-359-2003 «Технология плавки и литья высокопрочного ли
тейного магниевого сплава с повышенными прочностными характеристика
ми»;

4. ТР 1.595-24-540-2004 «Технология рафинирования высокопрочного литейного магниевого сплава ВМЛ20»;

5. Дополнительные сведения в паспорт №1742 по коррозионной стойкости, механическим свойствам при температуре минус 70С и свойствам отливок из сплава ВМЛ20;

6. Паспорт №1834 «Высокопрочный литейный магниевый сплав ВМЛ24»;

7. ТР 1.595-24-764-2007 «Режимы плавки нового высокопрочного литейного магниевого сплава»;

8. ТР 1.595-24-814-2008 «Режимы термической обработки нового высокопрочного литейного магниевого сплава системы Mg-Zn-Zr-In-B»;

9. ТР 1-595-24-878-2009 «Технология плавки литейного высокопрочного Магниевого сплава марки ВМЛ24».

На защиту выносится:

1. Теоретическое обоснование выбора легирующих компонентов, способствующих упрочнению твердого раствора и образованию ультрадисперсных частиц, вызывающих появление микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора.

2. Разработка на основе общих закономерностей взаимодействия компонентов двухступенчатых режимов термической обработки Т6 и Т61, обеспечи-

вающих упрочнение твердого раствора и создание гетеро фазной структуры с высоко дисперсными 15-20 нм выделениями упрочняющей фазы Лавеса Zn₂Zr внутри зерен твердого раствора сплавов системы Mg-Zn-Zr, легированных кадмием, индием, висмутом, микродобавками ниобия, титана и бора.

3. Исследование влияния легирования на структуру, изменение фазового состава и свойства литейных магниевых сплавов.

4. Исследование и оптимизация состава магниево-циркониевой лигатуры для обеспечения заданного химического состава сплавов системы Mg-Zn-Zr.

Личный вклад автора состоит в выполнении теоретических исследований в части изыскания и выбора легирующих компонентов и составов новых высокопрочных литейных магниевых сплавов; проведении исследований, обобщении результатов экспериментов и разработке научно-технической документации для внедрения результатов разработок в производство.

1.7 Апробация работы

По материалам диссертации сделано 2 доклада: на П-ом Всесоюзном совещании по исследованию, разработке и применению магниевых сплавов в народном хозяйстве «Магниевые сплавы для современной техники», Москва ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 1988 г.; на международной научно-технической конференции «Современные проблемы металловедения сплавов цветных металлов», посвященной 100-летию кафедры металловедения цветных металлов МИСиС, 2009г.

1.8 Публикации

По результатам исследований опубликовано 13 печатных работ, их них 4 в журналах из перечня ВАК.

1.9 Объем работы

Диссертация содержит 145 страниц текста, 50 рисунков, 35 таблиц, состоит из введения, 4 глав, выводов, перечня литературы из 106 наименований и 7 приложений.

Похожие диссертации на Закономерности взаимодействия легирующих компонентов и их влияние на структуру, фазовый состав и свойства литейных магниевых сплавов системы Mg - Zn - Zr

Исследование сверхпластичности высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Sc-ZrХан, Григорий Михайлович

Закономерности влияния химического состава и структуры на анизотропию механических свойств полуфабрикатов из a- и (a + b)-сплавов титанаТаранишин Александр Алексеевич

Влияние термической и термомеханической обработки на фазовый состав, структуру и механические свойства полуфабрикатов из титанового сплава ВТ16Степанов, Степан Игоревич

Исследование влияния режимов деформации и термической обработки на структуру, фазовый состав и комплекс механических свойств нового жаропрочного титанового сплава BTIBVОП и разработка металловедческих основ производства штамповок дисков из этого плава для новых авиационных двигателейЛех, Геннадий Иосифович

Влияние содержания алюминия и параметров термомеханической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства полуфабрикатов из интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4Алексеев Евгений Борисович

Формирование структуры, фазового состава и свойств плазменных покрытий из сплава системы Fe-Si-Al-CКовалевская Жанна Геннадьевна

Влияние эвтектикообразующих элементов на структуру и свойства высокопрочных сплавов системы Al - Zn - MgЧеверикин Владимир Викторович

Анализ влияния легирования и параметров процесса на структуру и свойства азотированных слоев сталей с целью оптимизации состава стали и технологии азотированияБудзыновский Томаш

Формирование фазового состава, структуры и свойств жаропрочных титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением при термоводородной обработкеКусакина, Юлия Николаевна

Управление посредством термического воздействия и ультразвуковых колебаний структурой, фазовым составом и свойствами наплавленных покрытий из сплавов Н73Х16С3Р3, 10Р6М5Гаврилова Татьяна Михайловна