Актуальность работы. Магниевые сплавы обладают многими преимуществами по сравнению с другими сплавами на основе цветных металлов: очень малым удельным весом, высокой удельной прочностью и удельной жесткостью, высокой способностью поглощать энергию удара и вибрационных колебаний. Поэтому они широко используются во многих отраслях промышленности.
В настоящее время почти 90 % выпускаемых магниевых сплавов потребляется автомобильной промышленностью. Причем, в течение последних 15 лет ежегодный рост потребления составлял в среднем 12 %. Если указанная тенденция не изменится, то в ближайшем будущем автомобильная промышленность по объему использования магния выйдет на первое место. Повышенный интерес к магниевым сплавам вызван стремлением автомобилестроителей уменьшить массу выпускаемых автомобилей за счет применения более легких конструкционных материалов.
Из всех частей автомобиля двигатель и трансмиссия являются наиболее перспективными и самыми проблемными узлами для применения сплавов на основе магния. В настоящий момент для литья под давлением, являющимся основным способом массового производства магниевых автокомпонентов, используется очень небольшая номенклатура стандартных сплавов систем Мд-А1-/п (Л291, МЛ5) и Мд-А1 (АМ60, АМ50). Свойства данных сплавов не соответствуют требованиям автомобилестроения, предъявляемым к свойствам материалов литых деталей двигателя и трансмиссии, работающих при повышенных температурах. Низкое сопротивление ползучести сплавов систем Мд-А1-2п и Мд-А1 при температуре эксплуатации до 150 оС приводит к ослаблению болтовых соединений корпусных деталей, что в свою очередь приводит к утечке смазочных материалов, появлению шума и вибрации.
Для повышения сопротивления ползучести в состав магниевых сплавов вводят тугоплавкие и редкоземельные легирующие элементы. Известные жаропрочные и теплостойкие сплавы, разработанные для авиационной промышленности, являются дорогими и нетехнологичными для литья под давлением.
Одной из наиболее перспективных систем для разработки сплавов, обладающих большим сопротивлением ползучести, чем сплавы систем Мд-А1-2п, Мд-А1 и пригодных для литья под давлением является система Мд-А1-81. Сегодня известны два недорогих зарубежных сплава данной системы А841 и А821. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Сплав А821 обладает хорошим сопротивлением ползучести, но низкими литейными свойствами. Сплав А841 наоборот - хорошими литейными свойствами и невысоким сопротивлением ползучести. Выявленные недостатки сплавов ограничивают их применение в производстве крупногабаритных деталей трансмиссии, таких как картер коробки передач и картер сцепления. Для изготовления данных деталей требуются магниевые сплавы, сочетающие хорошие литейные свойства и приемлемый уровень сопротивления ползучести при температуре до 150 оС.
Необходимо отметить, что особенности формирования структуры и свойств сплавов системы Мд-А1-81 при литье под давлением исследованы недостаточно. Установленный факт повышенной теплостойкости данных сплавов не имеет убедительного теоретического подтверждения. В литературе не освещены вопросы о технологии приготовления магниевых сплавов, легированных кремнием.
Недостаток вышеуказанных данных и большая потребность автомобильной промышленности в новых теплостойких магниевых сплавах для литья под давлением, имеющих невысокую стоимость обуславливают важность и актуальность проблемы в области создания новых композиций сплавов системы Мд-А1-81 для нужд автомобилестроения.
Цель работы.Изучение закономерностей изменения структуры и свойств магниевых сплавов системы Мд-А1-81, предназначенных для литья под давлением крупногабаритных отливок деталей и обладающих повышенным сопротивлением ползучести при температуре до 150 оС. Разработка технологии получения магниевых сплавов системы Мд-А1-81 с заданными свойствами.
Основное внимание было уделено решению следующих задач:
- обоснованному выбору состава нового теплостойкого сплава системы Мд-А1-81 для литья крупногабаритных отливок на основе анализа теплофизических и других свойств с учетом современных достижений в области технологии литья под давлением;
- построению политермических, изотермических разрезов тройной диаграммы состояния Mg-Al-Si в области концентраций основных компонентов нового сплава с целью изучения процесса кристаллизации при литье под давлением;
- исследованию формирования структуры и основных свойств нового сплава;
- изучению роли легирующих элементов и температуры испытания на изменение механических свойств магния при повышенных температурах;
- созданию ресурсосберегающей технологии приготовления сплавов системы Mg-Al-Si.
Научная новизна работы.
1. Построены политермические разрезы тройной диаграммы состояния Mg-Al-Si в области магниевого угла при постоянном содержании кремния 1 % и алюминия 3 %, а также изотермические разрезы при температурах 600, 450 и 300 оС.
2. Установлены и расширены представления о механизме формирования микроструктуры и свойств отливок из магниевых сплавов системы Mg-Al-Si в условиях литья под давлением.
3. Установлены условия обеспечения повышенного сопротивления ползучести отливок из сплавов системы Mg-Al-Si при повышенных температурах эксплуатации.
Практическая значимость.
1. Разработан новый сплав AS31HP системы Mg-Al-Si для изготовления круп-ногабаритных отливок деталей трансмиссии автомобиля литьем под давлением, обладающий хорошими литейными свойствами и повышенным сопротивлением ползучести при температуре эксплуатации до 150 оС. Химический состав сплава AS31HP и способ его приготовления защищен патентами РФ и США.
2. Разработана и внедрена на предприятии ОАО «Корпорация ВСМПО - АВИСМА» технология приготовления нового сплава AS31HP с использованием специальной лигатуры Al-Si-Mn. Сплав AS31HP успешно апробирован и внедрен в производство отливок картеров автоматических коробок передач методом литья под давлением автомобилестроительной компанией DaimlerChrysler.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на семинаре «Состояние и перспективы производства магния и магниевых сплавов в России», г. Березники, 2001г.; Международной научно - технической конференции молодых специалистов и ученых алюминиевой, магниевой и электродной промышленности, г. Санкт - Петербург, 2002 г.; областной научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов, г. Пермь, 2002 г.; ежегодных (2002 - 2009 г.г.) отчетных научно - технических советах ОАО «Корпорация ВСМПО - АВИСМА».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных статей и тезисов докладов, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, библиографического списка из 115 наименований, изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 39 рисунков.
1. Предложен состав нового сплава AS31HP системы Mg-Al-Si для литья под давлением отливок крупногабаритных деталей, обладающий хорошими литейными свойствами и повышенным сопротивлением ползучести при температуре до 150 оС. Сплав имеет следующий состав: магний - основа; алюминий - 2,5 - 3,4 %; кремний - 0,8 - 1,1 %; цинк - 0,11 - 0,25 %; марганец -0,24 - 0,34 %; бериллий - 0,0005 - 0,0015 %; железо не более 0,004 %; медь не более 0,008 %; никель не более 0,001 %.
2. Для изучения процесса кристаллизации и формирования фазового состава сплавов системы Mg-Al-Si путем анализа тройной диаграммы состояния Mg-Al-Si впервые построены политермические разрезы данной диаграммы при постоянном содержании кремния 1 % и алюминия 3 %, а также изотермические разрезы при температурах 600, 450 и 300 оС. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что при литье под давлением в отливках из сплавов системы Mg-Al-Si формируется специфическая структура, характеризующаяся образованием непрерывного “каркаса”, состоящего из двойной эвтектики (Mg)+Mg2Si вокруг зерен твердого раствора на основе магния и изолированных включений тройной эвтектики (Mg)+Mg2Si+y-Mg17Al12.
3. В результате анализа свойств фаз и структурных составляющих микроструктуры сплавов системы Mg-Al-Si установлено, что повышенное сопротивление ползучести данных сплавов при температурах 140 - 170 оС обусловлено наличием в их микроструктуре теплостойкого непрерывного “каркаса” из двойной эвтектики (Mg)+Mg2Si с температурой плавления 638 оС.
4. В результате механических испытаний образцов сплава AS31HP при температурах 20, 150 и 250 оС в литом состоянии (литье под давлением) и после отжига (1 час - 150 оС; 30 мин. - 250 оС) установлено, что различное содержание легирующих компонентов Al, Si, Zn и Mn в пределах границ сплава существенно не влияет на его прочностные свойства: у = 200... 206 МПа; у =150..155 МПа; у 80...88 МПа; у002=148.155 МПа; УВ5°=104.114 МПа; у = 66.72 МПа.
Сравнительный анализ механических свойств образцов сплавов AS21, AS31HP, AS41 и AZ91, а также типа AS31HP с содержанием кремния 0,44 %, изготовленных литьем под давлением и испытанных при температурах 20, 150 и 250 оС показал, что чем меньше содержится алюминия и больше кремния в сплаве, тем в меньшей степени он разупрочняется при повышении температуры испытаний.
5. С целью оценки теплостойкости нового сплава в условиях эксплуатации корпусных деталей трансмиссии автомобиля провели ряд сравнительных испытаний на ползучесть образцов, отлитых под давлением из сплавов AS21, AS41, AZ91 и AS31HP. Установлено, что при температуре 150 оС, нагрузке 35 МПа и времени испытаний в интервале 25 - 100 часов сплав AS31HP, имеющий деформацию 8100 ч = 0,15 % превосходит по сопротивлению ползучести сплавы AZ91 (8100 ч = 0,26 %), AS41 (8100 ч = 0,18 %) и уступает по данному показателю сплаву AS21 (8100 ч = 0,13 %). Деформация образцов сплавов AS21, AS31HP и AS41 с течением времени затухает. Вид экспериментальных кривых указанных сплавов совпадают по характеру с теоретической кривой низкотемпературной ползучести. В результате обработки экспериментальных данных установлена закономерность ползучести сплава AS31HP, которая имеет вид: б = 3,57* ln t - 3,4.
Также в результате испытаний выявлено, что деформация ползучести сплавов AS21, AS41, AZ91 и AS31HP при повышении величины приложенного напряжения в диапазоне 35 - 55 МПа при температуре 150 оС в течение 100 часов увеличивается. Причем, чем меньше алюминия и больше кремния содержится в сплаве, тем в меньшей степени он деформируется при увеличении нагрузки.
6. В ходе оценки литейных свойств экспериментально установлено, что сплав AS31HP имеет меньшую жидкотекучесть (длина спирали L= 324 мм), чем сплавы AZ91 (L = 394 мм) и AS41 (L = 342 мм), но большую, чем сплав AS21 (L = 285 мм). Это объясняется тем, что при литье под давлением, чем больше содержание алюминия в сплаве, тем выше его жидкотекучесть. Сплав AS31HP более стоек к горячим трещинам, чем сплавы AZ91 и AS21. Наличие достаточного количества легкоплавкой тройной эвтектики в сплаве способствует залечиванию горячих трещин в отливках, несмотря на низкое содержание алюминия.
7. По результатам экспериментальных исследований разработана и освоена в промышленном масштабе технология приготовления сплава AS31HP с введением легирующих компонентов в расплав с помощью специальной лигатуры Al-Si-Mn следующего состава: Al - основа; Si 20,9 - 23,6 %; Mn 6,6 - 9,4 %. Даная технология обеспечивает хорошее качество сплава и относительно высокую степень усвоения кремния до 92,5 %, марганца до 73,3 %. Промышленное испытание сплава AS 31 HP успешно проведено в Германии в цехе литья под давлением автомобильного концерна DaimlerChrysler. Из сплава изготовлена партия отливок картеров автоматической коробки передач.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
