Получение высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах магния

24.01.2017

Исследования устойчивых против ползучести деформируемых и литейных сплавов обычно проходили параллельно. Исключение составляет английская работа по деформируемым сплавам с торием, начатая приблизительно в конце 1953 г. В это время было опубликовано обстоятельное исследование Леонтиса по свойствам Mg—Th и Mg—Th—Zr сплавов как в литом, так и деформированном состояниях.
Однако ранее Меллор и Ридли в Национальной Физической лаборатории показали, что прокатка Mg—РЗМ сплавов при 500° С приводит к значительной потере сопротивления ползучести по сравнению с литыми сплавами. С другой стороны, нагрев при температуре 550—580° С с последующей закалкой путем охлаждения в воде полностью восстанавливает и даже повышает сопротивление ползучести. Так как сопротивление ползучести обусловлено ориентированным распадом, а также в связи с тем, что при температурах, обычно используемых при горячей ковке, выделившиеся из твердого раствора частицы являются слишком грубыми, чтобы проявилось их положительное влияние, оказалось, что наилучший путь получения высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах — это использование полной термической обработки.
Mg—РЗМ сплавы. Работа Леонтиса по прессованным Mg—РЗМ сплавам уже упоминалась в связи с исследованием механических свойств в обычных условиях. Результаты этой работы позволяют сделать следующие выводы для случая полной термической обработки (Т6):
а) сплавы, содержащие дидимиум, показывают максимальный, а сплавы, содержащие лантан, — минимальный предел текучести и предел прочности при всех температурах от 150 до 315° С (рис. 176);
б) при 250 и 315° С сопротивление ползучести максимально при 1,5—2,5% РЗМ. за исключением сплавов, содержащих лантан, у которых сопротивление ползучести возрастает с возрастанием содержания редкоземельного металла, по крайней мере, до 6%.
Получение высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах магния

в) сплавы, содержащие дидимиум, являются лучшими с точки зрения сопротивления ползучести при 200° С, однако при 250—315° С более высокие результаты были получены для «мишметалла без церия» (мишметалла, из которого был удален церий). Из приведенных результатов следует, что повышению сопротивления ползучести сплавов способствует не только выделение дисперсных фаз при распаде твердого раствора, но и присутствие крупных кристаллов β-фазы, образовавшихся в результате дробления сетки фаз в литом состоянии. Последнее подтверждается результатами, полученными на сплавах с лантаном. Последний фактор имеет значение при использовании более высоких температур, при которых, как можно было предполагать, выделения богатой неодимом фазы имеют тенденцию коагулировать или растворяться.
Mg—РЗМ—Mn сплавы. Перед второй мировой войной в Германии была проведена исследовательская работа по изучению двух композиций этих систем. В соответствии с этой работой высокими механическими свойствами при повышенных температурах обладают сплавы АМ537 (Mg—2% Mn—0,5% РЗМ) и АМ6 (Mg—2% Mn—6% РЗМ).
В своей ранней работе Меллор и Ридли получили наилучшее сопротивление ползучести при 200° С в сплавах с добавками марганца, подвергнутых обработке на твердый раствор. Хорошие результаты были получены также несколько позже при 300° С с аналогичным тройным сплавом состава: Mg—2,25% РЗМ—0,5% Mn. Грубе, Дэвис и Иствуд разработали оптимальный состав: Mg—2% РЗМ—1,25% Mn—0,2% Ni. Для этого сплава рекомендуются обработка на твердый раствор и старение при 200 и 340° С.
Никель — нежелательный элемент в магниевых сплавах с точки зрения коррозионной стойкости, однако его присутствие, по-видимому, в этом случае снижает разброс в результатах испытаний на ползучесть.
Грубе, Дэвис и Иствуд сделали вывод, что при 315° С на повышение сопротивления ползучести в первую очередь влияет марганец, входящий в состав твердого раствора, редкоземельные же металлы влияют на кратковременные механические свойства. Работа Леонтиса показывает, как при этой температуре сопротивление ползучести бинарных Mg—Mn сплавов становится сравнимым с сопротивлением ползучести Mg—РЗМ—Mn тройных сплавов. При еще более высоких температурах, применяемых в атомной энергетике (400—500°С), Mg—Mn сплавы выделяются своими свойствами и фактически ни один из сплавов, содержащих редкоземельные металлы не превосходит их при 450° С, хотя некоторые из них сохраняют еще полезное сопротивление ползучести при 400° С.
Меллор определил влияние марганца на микроструктуру полностью термически обработанных Mg—РЗМ сплавов. Основные особенности этих сплавов состоят в значительном увеличении количества мелких дисперсных выделений, образовавшихся при 300° С, и менее крупных выделений вместе с большим числом более мелких выделений, образовавшихся при 350° С.
Марганец в соответствии с этим, по-видимому, увеличивает количество и уменьшает величину способствующих сопротивленик) ползучести выделений, особенно при более высоких температурах. He изучено, присутствуют ли выделения и марганца, и богатой редкоземельными металлами фазы одновременно, но, по-видимому, это весьма вероятно.
Сопротивление ползучести, достигаемое в Mg—РЗМ—Mn сплавах. Различия в условиях испытаний делают сравнение результатов Меллора и Ридли, Грубе, Дэвиса и Иствуда и Леонтиса несколько затруднительным, однако в общем можно считать, что эти сплавы будут удлиняться за 100 ч при 300—315° С и нагрузке около 1,5 кГ/мм2 на 0,1% удлинения ползучести или на 0,5% полного удлинения. Это сравнимо с сопротивлением ползучести, наблюдаемым в полностью термически обработанных Mg—Th—Zr сплавах.
Другие добавки к Mg — РЗМ сплавам. Меллор и Ридли установили, что при определенных условиях в некоторой степени положительное влияние оказывают добавки цинка и циркония, однако эти элементы не так эффективны, как марганец. Добавки серебра, лития или кремния вызывали небольшое улучшение или вообще не улучшали свойств сплавов. Алюминий и кадмий снижали сопротивление ползучести. Пэшэк и Леонтис также не обнаружили положительного влияния добавок циркония к деформируемым Mg—РЗМ сплавам; фактически цирконий оказался вредным как с точки зрения сопротивления ползучести, так и с точки зрения кратковременных свойств при повышенных температурах.
Mg—Th и Mg—Th—Zr сплавы. Из работы Леонтиса по прессованным Mg — Th сплавам могут быть сделаны следующие выводы:
а) кратковременные свойства на растяжение сплавов Mg—Th ниже, чем кратковременные свойства сплавов Mg—РЗМ, а сопротивление ползучести при 250 и 315° С выше;
б) цирконии не оказывает заметного влияния на кратковременные свойства прессованных Mg—Th сплавов при повышенных температурах (рис. 177);
в) цирконий заметно увеличивает сопротивление ползучести при 250 и 315°С в состаренном (Т5) состоянии и оказывает некоторое влияние в полностью термически обработанном состоянии при 200 и 250° С (рис. 178);
г) при 250°С полная термическая обработка оказывает положительное влияние на сопротивление ползучести, однако при 315° С Mg—Th—Zr сплавы показывают одинаковое сопротивление ползучести в состаренном (Т5) и полностью термически обработанном состояниях (Т6);
д) добавки чистого церия к Mg—Th—Zr сплавам не оказывают положительного влияния на кратковременные свойства и сопротивление ползучести;
е) прессование Mg—Th—Zr сплавов при низких температурах (340° С) обеспечивает более высокие кратковременные свойства при температурах вплоть до 250° С и лучшее сопротивление ползучести при 200° С, но не при 250 или 315° С.
Получение высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах магния

Mg—Th—Mn сплавы. Заметное улучшение кратковременных свойств и сопротивления ползучести при более высоких температурах наблюдается в случае промышленных Mg—Th—Mn сплавов, что иллюстрируется диаграммами.
Следует отметить, что листовой сплав НМ21 (Mg—2% Th—1% Mn) приобретает указанные свойства при термообработке, включающей нагрев под закалку перед завершением прокатки (Т8). Более ранний листовой сплав НК31 требует потной термической обработки после прокатки для обеспечения длительного сопротивления ползучести. Такая термическая обработка нежелательна в случае листов.
Ниже рассматривается метод получения высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах без использования полной термической обработки.
Получение высокого сопротивления ползучести без обработки на твердый раствор. Если обработка на твердый раствор не проводится, то нет надобности исключать цинк, который, вероятно, должен оказывать положительное влияние, если его использовать вместе с цирконием. Добавки цинка и циркония позволят получить мелкозернистую деформированную структуру со значительным сопротивлением росту зерен. Измельчение зерна цирконием желательно для облегчения обработки и особенно прокатываемости. Однако измельчение зерна несовместимо с высоким сопротивлением ползучести, как свидетельствуют данные, полученные на литейных жаропрочных сплавах. Значения характеристик прочности при повышенных температурах для сплавов Mg—Th—Zn нанесены на магниевый угол концентрационного треугольника, согласно МЕL (рис. 179, 180). Следует отметить низкие значения прочностных свойств при повышенных температурах в сплавах с высоким содержанием цинка, например в сплавах TZ6. Приведенные результаты свидетельствуют о наличии «хребта» высокого сопротивления ползучести в прокатанном состоянии, идущего приблизительно параллельно стороне Mg—Th при содержании цинка около 1%. Кроме того, сплав Mg—0,75% Th—0,5% Zn—0,6% Zr показал очень высокие значения кратковременных свойств при повышенных температурах. Это дает возможность предполагать, что состав данного сплава также может лежать на «хребте», который, очевидно, «изгибается» при низких содержаниях легирующих элементов. В результате этого исследования были предложены сплавы ZTX (Mg—2,75% Th—1% Zn—0,6% Zr) и ZTY (Mg—0,75% Th—0,5% Zn—0,6% Zr), у каждого из которых сопротивление ползучести в прокатанном состоянии может быть сравнимо с сопротивлением ползучести полностью термически обработанного сплава НК31 вплоть, по крайней мере, до 250° С.
Получение высокого сопротивления ползучести в деформируемых сплавах магния

Для того чтобы сопротивление ползучести сплава в прокатанном состоянии было максимальным, температура прокатки, естественно, должна быть высокой.
Обработка на твердый раствор листов сплава ZTX дает дальнейшее заметное улучшение сопротивления ползучести, однако это улучшение может быть в значительной степени достигнуто более простым процессом обработки на твердый раствор слябов перед прокаткой.
После обработки сплав ZTX сравним со сплавом НМ21 по сопротивлению ползучести при температурах до -300° С, в случае же сопротивления ползучести при 300° С и выше высокотемпературная термическая обработка и добавка марганца, по-видимому, необходимы.