RU2220221C2

RU2220221C2 - Alloy based on magnesium

Info

Publication number: RU2220221C2
Application number: RU2002104556A
Authority: RU
Inventors: В.В. Тетюхин; Н.С. Падерина; В.В. Агалаков
Original assignee: Открытое акционерное общество "АВИСМА титано-магниевый комбинат"
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2003-12-27
Also published as: WO2003072840A1; AU2002308818A1

Abstract

FIELD: alloys based on magnesium; particularly, composition of magnesium alloys and methods of production of these alloys which are widely used in automotive industry. SUBSTANCE: alloy based on magnesium is contrived which contains aluminum, zinc, manganese and calcium; in so doing the relationship among components is as follows, fraction of total mass, %: aluminum - 2.0-3.0; zinc - 7.0-11.0; manganese - 0.62- 1.0; calcium - 0.2-1.7, magnesium - the balance. Technical result is production of alloy with mechanical properties being good for pressure casting, and with low creeping coefficient, that, in particular, improves high-temperature strength. EFFECT: enhanced mechanical properties and high-temperature strength of alloy. 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к сплавам на основе магния, в частности к составу магниевых сплавов, которые находят широкое применение в автомобильной промышленности. The invention relates to magnesium-based alloys, in particular to the composition of magnesium alloys, which are widely used in the automotive industry.

Разработаны различные сплавы для специальных видов применения, включая, например, литье под давлением автомобильных деталей. Среди таких сплавов экономически выгодными и широко используемыми при изготовлении автомобильных деталей являются сплавы на основе магния-алюминия, например, сплавы марки АМ50А и АМ60В (AM означает, что сплав содержит алюминий и марганец), содержащие примерно от 5 до 6 вес.% алюминия и следы марганца, и сплавы на основе магния-алюминия-цинка, например сплав AZ91D (AZ означает, что сплав содержит алюминий и цинк), содержащий примерно 9 мас.% алюминия и примерно 1 мас.% цинка, 0,24 марганца и примесь кальция менее 0,05. Various alloys have been developed for special applications, including, for example, injection molding of automotive parts. Among these alloys, magnesium-aluminum alloys, for example, AM50A and AM60B alloys (AM means that the alloy contains aluminum and manganese), containing from about 5 to 6 wt.% Aluminum and are economically profitable and widely used in the manufacture of automotive parts traces of manganese and magnesium-aluminum-zinc alloys, for example, AZ91D alloy (AZ means that the alloy contains aluminum and zinc) containing about 9 wt.% aluminum and about 1 wt.% zinc, 0.24 manganese and calcium less than 0.05.

Недостатком таких сплавов является их низкая прочность и плохое сопротивление ползучести при повышенных рабочих температурах. Это приводит к тому, что указанные выше магниевые сплавы оказываются мало пригодными для автомобильных двигателей, в которых такие узлы, как картер коробки передач, во время срока службы испытывают температуры вплоть до 150^oС. Плохое сопротивление ползучести у таких узлов может привести к уменьшению усилия, затягивающего крепежную деталь в болтовом соединении, и, следовательно, к утечке масла в двигателе.The disadvantage of such alloys is their low strength and poor creep resistance at elevated operating temperatures. This leads to the fact that the above magnesium alloys are not very suitable for automobile engines in which components such as the transmission case undergo temperatures up to 150 ^o C. during their service life. Poor creep resistance of such nodes can lead to a decrease in force tightening the fastener in the bolted connection, and, consequently, to the leakage of oil in the engine.

Известен сплав на основе магния (РСТ/СА96/00091), который содержит в качестве легирующих компонентов алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий - 2-6,
Кальций - 0,1-0,8
Магний - Остальное
Недостатком данного сплава является то, что сплавы с высоким содержанием кальция склонны к образованию горячих трещин при литье под давлением.Known alloy based on magnesium (PCT / CA96 / 00091), which contains as alloying components aluminum and calcium in the following ratio, wt.%:
Aluminum - 2-6,
Calcium - 0.1-0.8
Magnesium - Else
The disadvantage of this alloy is that alloys with a high calcium content are prone to hot cracking during injection molding.

Известен сплав на основе магния (патент США 5855697), взятый как ближайший аналог-прототип, основными ингредиентами которого являются магний, алюминий, цинк и кальций при следующем соотношении компонентов: мас.%:
Алюминий - 2-9,
Цинк - 6-12,
Кальций - 0,1-2,0
Магний - Остальное
Сплав также может содержать другие ингредиенты, такие как марганец, в количестве от 0,2 до 0,5 мас.%, кремний до 0,05 мас.%, и примеси, такие как железо, от 0,01 до 0,008 мас.%.Known alloy based on magnesium (US patent 5855697), taken as the closest analogue of the prototype, the main ingredients of which are magnesium, aluminum, zinc and calcium in the following ratio of components: wt.%:
Aluminum - 2-9,
Zinc - 6-12,
Calcium - 0.1-2.0
Magnesium - Else
The alloy may also contain other ingredients, such as manganese, in an amount of from 0.2 to 0.5 wt.%, Silicon to 0.05 wt.%, And impurities, such as iron, from 0.01 to 0.008 wt.% .

В таблице патента-прототипа приведен состав сплава типа ZAC8502, ZAC8506 и ZAC8512, содержащий следующее соотношение компонентов, мас.%: алюминий 4,57-4,67, цинк 8,12-8,15, кальций 0,23-1,17 и марганец 0,25-0,27. С данным составом сплава были проведены механические испытания и проведено сравнение механических свойств со свойствами известных сплавов AZ91 и AE42. The table of the patent prototype shows the composition of the alloy type ZAC8502, ZAC8506 and ZAC8512, containing the following ratio of components, wt.%: Aluminum 4,57-4,67, zinc 8,12-8,15, calcium 0,23-1,17 and manganese 0.25-0.27. With this alloy composition, mechanical tests were carried out and the mechanical properties were compared with the properties of the known alloys AZ91 and AE42.

Недостатком данного сплава является то, что данный сплав содержит основными составляющими компонентами магний, алюминий, цинк и кальций, а марганец в сплаве содержится от 0,2 до 0,5 мас.%. Введение алюминия, цинка, кальция приводит к выделению интерметаллической фазы Mg-Al-Zn-Ca, расположенной вдоль границ зерна первичного магния. Полученная микроструктура данного сплава характеризуется более крупным размером зерна, что приводит к неоднородности структуры, и это не совсем благоприятно сказывается на механических свойствах сплава при литье под давлением, в частности сопротивление ползучести сплавов не соответствует требованиям при работе сплава при повышенных температурах. The disadvantage of this alloy is that this alloy contains the main constituent components of magnesium, aluminum, zinc and calcium, and manganese in the alloy contains from 0.2 to 0.5 wt.%. The introduction of aluminum, zinc, calcium leads to the release of the intermetallic phase Mg-Al-Zn-Ca, located along the grain boundaries of primary magnesium. The obtained microstructure of this alloy is characterized by a larger grain size, which leads to heterogeneity of the structure, and this does not have a favorable effect on the mechanical properties of the alloy during injection molding, in particular, the creep resistance of the alloys does not meet the requirements for operation of the alloy at elevated temperatures.

Задача изобретения направлена на получение сплава с более мелкой структурой зерна, что приведет к однородности структуры сплава и улучшит его механические свойства, в частности его сопротивление ползучести. The objective of the invention is directed to obtaining an alloy with a finer grain structure, which will lead to a uniform structure of the alloy and improve its mechanical properties, in particular its creep resistance.

Технический результат заключается в получении сплава с механическими свойствами, пригодными для литья под давлением, и к работе сплава при повышенных температурах. The technical result consists in obtaining an alloy with mechanical properties suitable for injection molding, and to work the alloy at elevated temperatures.

Для решения задачи предложен сплав на основе магния, содержащий алюминий, цинк, марганец и кальций, в котором новым является то, что он содержит ингредиенты при следующем соотношении, мас.%:
Алюминий - 2,0-3,0
Цинк - 7,0-11,0
Марганец - 0,62-1,0
Кальций - 0,2-1,7
Магний - Остальное
Добавки алюминия в магний способствуют прочности при комнатной температуре и жидкотекучести сплавов. Однако известно, что алюминий оказывает вредное влияние на сопротивление ползучести и прочность магниевых сплавов при повышенных температурах. Это происходит из-за того, что алюминий при его высоком содержании имеет тенденцию соединяться с магнием и образовывать значительные количества интерметаллического соединения Mg₁₇ Al₁₂ с низкой температурой плавления (437^oС), что неблагоприятно влияет на высокотемпературные свойства сплавов на основе алюминия. Подобранное содержание алюминия в предложенном сплаве на основе магния в размере 2,0-3,0 мас.% позволяет достичь улучшенных свойств сплава на основе магния, таких как сопротивление ползучести.To solve the problem, an alloy based on magnesium containing aluminum, zinc, manganese and calcium is proposed, in which it is new that it contains ingredients in the following ratio, wt.%:
Aluminum - 2.0-3.0
Zinc - 7.0-11.0
Manganese - 0.62-1.0
Calcium - 0.2-1.7
Magnesium - Else
Additives of aluminum to magnesium contribute to room temperature strength and fluidity of alloys. However, it is known that aluminum has a detrimental effect on creep resistance and strength of magnesium alloys at elevated temperatures. This is due to the fact that aluminum, with its high content, tends to combine with magnesium and form significant amounts of the intermetallic compound Mg ₁₇ Al ₁₂ with a low melting point (437 ^° C), which adversely affects the high temperature properties of aluminum-based alloys. The selected aluminum content in the proposed magnesium-based alloy in the amount of 2.0-3.0 wt.% Allows to achieve improved properties of the magnesium-based alloy, such as creep resistance.

Кальций является наиболее экономичным элементом для сплава магния и позволяет улучшить высокотемпературную прочность и сопротивление ползучести магниевых сплавов. Однако когда кальций входит в состав сплава на основе магния-алюминия, жидкотекучесть сплава значительно ухудшается до такой степени, что сплав уже не может использоваться для традиционного процесса литья под давлением. Содержание кальция в больших количествах приводит к трещинообразованию при литье. Поэтому подобранное содержание кальция в количестве 0,2-1,7 мас.% позволяет снизить вероятность группировки в крупные комплексы, которые могут снизить пластичность сплава и не достичь требуемых свойств магниевого сплава. Calcium is the most economical element for a magnesium alloy and can improve the high temperature strength and creep resistance of magnesium alloys. However, when calcium is included in the magnesium-aluminum alloy, the fluidity of the alloy is significantly impaired to such an extent that the alloy can no longer be used for the traditional injection molding process. The high calcium content leads to cracking during casting. Therefore, the selected calcium content in the amount of 0.2-1.7 wt.% Allows to reduce the likelihood of grouping into large complexes, which can reduce the ductility of the alloy and not achieve the required properties of the magnesium alloy.

Влияние на свойства сплава оказывает присутствие цинка и такое свойство, как жидкотекучесть магний-алюминий-кальциевого сплава, может возникнуть при высоком содержании цинка. Поэтому предложенная граница диапазона содержания цинка в сплаве на основе магния будет оптимальной в пределах 7,0-11,0 мас.%. The presence of zinc has an effect on the properties of the alloy, and a property such as the fluidity of a magnesium-aluminum-calcium alloy can occur at a high zinc content. Therefore, the proposed boundary of the range of zinc content in the magnesium-based alloy will be optimal in the range of 7.0-11.0 wt.%.

Для придания сплаву жаропрочности и коррозиестойкости введен марганец в количестве 0,62-1,0 мас.%. To give the alloy heat resistance and corrosion resistance, manganese was introduced in an amount of 0.62-1.0 wt.%.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного сплава как для объекта - вещества, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам вещества заявленного сплава. Определение из перечня выявленных аналога-прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues of the claimed alloy as an object-substance, allowed to establish that the applicant did not find analogues characterized by signs identical to all the essential features of the substance of the claimed alloy. The definition from the list of identified analogue of the prototype as the closest in the totality of features made it possible to identify the set of essential distinguishing features set forth in the claims in relation to the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, предложенный сплав соответствует условию "новизна". Therefore, the proposed alloy meets the condition of "novelty."

Для проверки соответствия изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранного прототипа признаками изобретения. Результаты поиска показали, что заявленный состав сплава не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Изобретение основано на новой совокупности количественного содержания ингредиентов в сплаве. Новая совокупность количественного содержания ингредиентов в сплаве на основе магния позволяет достичь уменьшения гранул в микроструктуре сплава, что приведет к улучшению механических свойств сплава при литье под давлением. To verify compliance of the invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the features of the invention that are distinctive from the selected prototype. The search results showed that the claimed alloy composition does not follow explicitly from the prior art for a specialist. The invention is based on a new combination of the quantitative content of ingredients in the alloy. A new set of quantitative content of ingredients in a magnesium-based alloy allows to reduce the granules in the microstructure of the alloy, which will lead to an improvement in the mechanical properties of the alloy during injection molding.

Следовательно, заявленный сплав соответствует условию "изобретательский уровень"
Приготовление лигатуры Al-Mn-Zn
Состав: Алюминий - основа, марганец - 28 мас.%, цинк - 17,0-20,0 мас.%, примеси, мас.%: железо - 0,4, никель - 0,005, медь - 0,1, титан - 0,1. Лигатура изготавливалась в виде чушек.Therefore, the claimed alloy meets the condition of "inventive step"
Preparation of Al-Mn-Zn Ligatures
Composition: Aluminum - base, manganese - 28 wt.%, Zinc - 17.0-20.0 wt.%, Impurities, wt.%: Iron - 0.4, nickel - 0.005, copper - 0.1, titanium - 0.1. The ligature was made in the form of ingots.

Получение лигатуры ведут в индукционных печах типа "АЯКС". В печь загружают алюминий марки А97 (ГОСТ 11069), прогревают до температуры 1000-1050^oС, плавление лигатуры осуществляют по слоем флюса из криолита массой 1-1,5% от массы навески. Затем в полученный состав вводят марганец металлический марки Мн95 (ГОСТ 6008) в виде кусков размером 100 мм, перемешивают, при введении марганца лигатура охлаждается до температуры 800-850^oС, при этой температуре добавляют цинк марки Ц1 (ГОСТ 3640) при непрерывном перемешивании. Литье в чушки массой до 16 кг осуществляют в лигатурных изложницах.Getting ligatures lead in induction furnaces of the type "AJAKS". A97 grade aluminum (GOST 11069) is loaded into the furnace, heated to a temperature of 1000-1050 ^o C, the ligature is melted using a cryolite flux layer weighing 1-1.5% by weight of the sample. Then, manganese metal grade Mn95 (GOST 6008) is introduced into the resulting composition in the form of pieces 100 mm in size, mixed, with the introduction of manganese, the ligature is cooled to a temperature of 800-850 ^o С, zinc grade C1 (GOST 3640) is added at this temperature with continuous stirring. Casting in ingots weighing up to 16 kg is carried out in master alloy molds.

Пример 1
В предварительно нагретый тигель печи СМТ-2 загрузили предварительно подогретые чушки ранее приготовленной лигатуры типа Al-Mn-Zn при соотношении лигатура : магний, равном 1 : 136, залили из вакуум-ковша магний-сырец марки МГ90 (ГОСТ 804-93) в количестве 1,8 тонн, подогрели магний. При достижении температуры металла 730-740^oC в тигель установили нагретую мешалку, выдержали до начала перемешивания 1-1,5 часа, перемешали не более 40-50 минут, ввели навеску титанового плава (ТУ 39-008) при соотношении в смеси с бариевым флюсом в соотношении 1:1, снова перемешали, понизили температуру расплава до 700-710^oC. После этого загрузили кальций металлический в виде измельченных кусков при соотношении 1: (500-700) к 1 тонне расплавленного магния. Для этого кусочки кальция помещают в колокол и опускают на дно тигля при температуре расплавленного магния 700^oС. Полученный сплав отстаивали не менее 60 мин и отобрали пробу на полный хим. анализ Al, Mn, Zn, Si и примеси. Состав сплава получили, мас.%: Аl 2,3, Mn 0,6, Zn 7,3, Ca 0,46.Example 1
The preheated crucible of the SMT-2 furnace was loaded with preheated ingots of a previously prepared Al-Mn-Zn type ligature with a ligature: magnesium ratio of 1: 136; Mg90 raw magnesium was poured from a vacuum ladle (GOST 804-93) in an amount 1.8 tons, warmed up magnesium. Upon reaching a metal temperature of 730-740 ^o C, a heated stirrer was installed in the crucible, kept for 1-1.5 hours before stirring, stirred for no more than 40-50 minutes, a weighed portion of titanium melt was introduced (TU 39-008) with a ratio in the mixture with barium flux in a ratio of 1: 1, mixed again, lowered the melt temperature to 700-710 ^o C. After that, calcium metal was loaded in the form of crushed pieces at a ratio of 1: (500-700) to 1 ton of molten magnesium. To do this, pieces of calcium are placed in a bell and lowered to the bottom of the crucible at a temperature of molten magnesium of 700 ^o C. The resulting alloy was defended for at least 60 minutes and a sample was taken for full chemical. analysis of Al, Mn, Zn, Si and impurities. The alloy composition was obtained, wt.%: Al 2.3, Mn 0.6, Zn 7.3, Ca 0.46.

Как видно из таблицы, свойства заявленного сплава на растяжение при температуре 150^oС имеют примерно одинаковый порядок, однако сплав по настоящему изобретению имеет сопротивление ползучести значительно ниже, чем у прототипа и сплава по стандарту, что позволяет получить сплав с улучшенными механическими свойствами - жаропрочностью и стойкостью при повышенной температуре применения этого сплава.As can be seen from the table, the tensile properties of the claimed alloy at a temperature of 150 ^o C are approximately the same order, however, the alloy of the present invention has a creep resistance much lower than that of the prototype and the alloy according to the standard, which allows to obtain an alloy with improved mechanical properties - heat resistance and resistance to high temperature application of this alloy.

Claims

A magnesium-based alloy containing aluminum, zinc, manganese and calcium, characterized in that it contains ingredients in the following ratio, wt.%:

Aluminum 2.0-3.0

Zinc 7.0-11.0

Manganese 0.62-1.0

Calcium 0.2-1.70

Magnesium Else