Закономерности влияния различных редкоземельных металлов в магниевых сплавах на их прочностные свойства

Проведенные в последние годы исследо­вания показали, что легирование магниевых сплавов с использованием редкоземельных ме­таллов (РЗМ) позволяет существенно повысить их прочностные свойства. При этом влияние на магний РЗМ различно [1][2][3]. Редкоземель­ные металлы располагаются в IIIB группе пе­риодической системы элементов Д.И. Мен­делеева. Отметим, что 15 металлов из них с атомными номерами от 57 до 71 находятся в одной ячейке системы, составляя так называе­мый ряд лантана. РЗМ по ряду свойств делятся на две группы: цериевую с атомными номера­ми от 57 (лантан) до 63 (европий) и иттриевую с атомными номерами от 64 (гадолиний) до 71 (лютеций). Иттриевая группа включает в себя также скандий (№ 21) и иттрий (№ 39).

Эффективное упрочнение магния при ле­гировании его РЗМ в основном определяется их растворимостью в твердом магнии, кото­рая уменьшается с понижением температуры. В результате этого путем применения терми­ческой обработки, включающей в себя нагрев до высокой температуры с последующей за­калкой, получают пересыщенный твердый раствор на основе магния, который затем рас­падается при старении (низкотемпературном отжиге), значительно повышая прочностные характеристики сплава. Чем выше концен­трация пересыщенного твердого раствора, тем выше, хотя и до определенных пределов, происходит упрочнение сплава за счет его распада. Различное влияние отдельных РЗМ на прочность магниевых сплавов обусловлено различной растворимостью их в твердом маг­нии, причем в широких пределах.

На рисунке 1 приведены типичные части диаграмм состояния бинарных сплавов магния с РЗМ в областях, примыкающих к магнию, на которых видно изменение растворимости РЗМ в твердом магнии с температурой и раз­личие в растворимости РЗМ в двух системах бинарных магниевых сплавов, с неодимом и гадолинием.

На рисунке 2 показано изменение раство­римости РЗМ в твердом магнии в зависимости от их атомного номера. Показаны максималь­ные значения растворимости и растворимости при различных температурах. В пределах ряда лантана с атомными номерами от 57 до 71 зна­чения растворимости последовательно увели­чиваются с двумя исключениями для европия и иттербия с аномально низкими значениями растворимости по сравнению с их соседями. При переходе от РЗМ цериевой группы к ме­таллам иттриевой группы растворимость их в твердом магнии возрастает особенно резко. Значения растворимости иттрия в твердом магнии являются промежуточными между растворимостями в нем РЗМ каждой из групп для всех температур.

Различное влияние отдельных РЗМ на магний проявляется также в кинетике рас­пада пересыщенного магниевого твердого раствора при старении и сопровождающего распад упрочнения сплавов. Об этом свиде­тельствуют представленные на рисунке 3 ре­зультаты измерения твердости бинарных спла­вов с различными РЗМ с увеличением времени изотермического старения. Содержание РЗМ было близким к максимальной растворимо­сти их в твердом магнии. Кривые изменения твердости в связи с большой разницей в зна­чениях представлены раздельно для иттриевой группы (а) и цериевой группы (б).

Из представленных данных видно, что эффект упрочнения при старении спла­вов магния с металлами иттриевой группы значительно больше, чем эффект упрочне­ния при старении сплавов магния с металла­ми цериевой группы. Это можно объяснить большей растворимостью в твердом магнии металлов иттриевой группы, по сравнению с металлами цериевой группы. Среди сплавов с РЗМ цериевой группы максимум упрочне­ния при старении последовательно возраста­ет с увеличением атомного номера металла и несколько смещается в сторону увеличения продолжительности старения. При этом за­метное упрочнение наблюдается уже при не­больших выдержках.

Изменение твердости сплавов магния с РЗМ иттриевой группы с увеличением вре­мени старения имеет другой характер, но оди­наковый для всех металлов. Вначале наблю­дается инкубационный период упрочнения с незначительным повышением твердости, и только затем следует резкое возрастание твердости и достижение ее максимума. С уве­личением атомного номера РЗМ ряда лантана распад магниевого твердого раствора замедля­ется и максимум твердости смещается в сторо­ну больших выдержек при старении. При этом при наибольшей выдержке 400 ч в случае спла­ва магния с эрбием он полностью не достига­ется, а в сплаве с туллием он не наблюдается вообще.

Максимальное упрочнение при старении с увеличением атомного номера РЗМ иттриевой группы ряда лантана имеет тенденцию к снижению. Поведение при старении сплава магния с иттрием близко к поведению сплава с гольмием. Сравнение по упрочнению при ста­рении сплавов магния с различными РЗМ по­казывает, что в случае иттриевой группы до­стигается наибольшее упрочнение, но при этом требуется большее время старения. Это отчет­ливо видно при сравнении крайних в группах сплавов систем Mg-Sm и Mg-Gd. Наибольшее упрочнение при старении достигается в спла­вах магния с Gd, Tb, Dy и Y.

Эффект упрочнения, достигаемый при старении сплавов магния с РЗМ иттри- евой группы, зависит от температур старения, уменьшаясь с повышением температуры. Это можно видеть на рисунке 4 в случае сплава магния с диспрозием. В сплавах магния с РЗМ цериевой группы зависимость упрочнения при старении от температуры незначительна.

Таким образом, сплавы с РЗМ цериевой и иттриевой группы имеют преимущества и недостатки, если сравнивать их друг с другом по свойствам. В сплавах с металлами цериевой группы достигаются меньшие прочностные свойства, но для достижения максимального упрочнения у них требуется меньшее время старения. В сплавах же с металлами иттриевой группы может достигаться большее упрочне­ние, но после более длительных выдержках при старении и при большем содержании до­рогих редкоземельных металлов. В ряде слу­чаев оказывается целесообразным использо­вать для легирования магния совместно РЗМ обеих групп. Взаимодействие совместно двух РЗМ с магнием характеризует примыкающая к магнию часть изотермического сечения од­ной из диаграмм состояния сплавов подобного типа, представленная на рисунке 5.

Представленная на рисунке 5 часть диа­граммы состояния Mg-Sm-Dy показывает, что в равновесии с магниевым твердым раство­ром находятся только две фазы, являющиеся соединениями магния с каждым из редкозе­мельных металлов, в которых в значительном количестве растворен другой редкоземель­ный металл. При этом растворение в соеди­нении одного из редкоземельных металлов в другом происходит путем замены атомов первого. Следует также отметить выпуклость границы области магниевого твердого раство­ра на диаграмме состояния, указывающую на то, что совместная растворимость обоих РЗМ в магниевом твердом растворе больше, чем сумма растворимостей каждого из них при тех же соотношениях.

Опыт проведения исследований сплавов магния с РЗМ показывает, что во многих слу­чаях целесообразно использовать некоторые из них совместно с тем, чтобы получить наи­лучшие свойства, и также с экономической точки зрения. При этом могут в составе сплава присутствовать как РЗМ различных групп, так и одной и той же группы.

В Институте металлургии и материалове­дения им. А.А. Байкова (ИМЕТ РАН) совмест­но с ВИАМ и ВИЛС был разработан дефор­мируемый магниевый сплав марки ИМВ7-1 с двумя редкоземельными металлами: иттри­ем и гадолинием, отличающийся высокими прочностными свойствами при близких к ком­натной и повышенных температурах. Харак­терные свойства этого сплава с составом Mg-4,7%Y-4,6%Gd-0,3%Zr представлены в та­блице 1. Как можно видеть, наиболее высокие прочностные свойства этого сплава при комнат­ной температуре достигаются после старения 200 °С, 64 ч. непосредственно после горячего прессования с пределом прочности 435 МПа и относительным удлинением 4,9 %. При тем­пературе испытаний 250 °С на этом сплаве по­лучили значения предела прочности 336 МПа при относительном удлинении 16 % [7].

В таблице 2 приведены типичные свой­ства литых сплавов системы Mg-Y-Gd-Zr при содержании легирующих элементов, близ­ком к их содержанию в деформируемом спла­ве ИМВ7-1. Как и в случае деформируемого сплава ИМВ-7-1, наиболее высокие прочност­ные свойства литых сплавов системы Mg-Y- Gd-Zr были достигнуты после упрочняющего старения. Именно эти значения прочностных свойств литых сплавов приведены в табли­це 2. Можно видеть, что прочностные свойства литых сплавов существенно ниже, чем у де­формированного магниевого сплава ИМВ7-1. Однако по сравнению с литейными магние­выми сплавами без редкоземельных металлов, такими как широко применяемые при близ­ких к комнатной температуре стандартные сплавы МЛ5 и МЛ12, они близки по пределу прочности и превосходят по пределу текуче­сти. При температуре 250 °С сплав с иттрием и гадолинием превосходит стандартный жа­ропрочный магниевый сплав МЛ10 с неоди­мом по пределу прочности и близок по пре­делу текучести. Для указанных стандартных литейных магниевых сплавов в состаренном состоянии приводятся следующие значения прочностных свойств при испытаниях на рас­тяжение при комнатной температуре: для МЛ5 σ_β - 255 МПа, σ₀₂ - 120 МПа и для МЛ12 σ_β - 250 МПа, σ₀₂ - 150 МПа, а при 250 °С для спла­ва МЛ10 σ_β - 165 МПа, σ₀₂ - 130 МПа [8].

Сплавы системы Mg-Y-Gd-Zr показы­вают высокие прочностные свойства толь­ко в состаренном состоянии. При этом ре­жим старения, обеспечивающий наиболее высокие прочностные свойства, предусмат­ривает довольно продолжительное время старения при относительно низкой темпера­туре - 200 °С. Повышение температуры ста­рения выше 200 °С с целью ускорить распад магниевого твердого раствора ускоряет его. Однако при этом максимальное упрочнение снижается. Это является особенностью спла­вов магния с РЗМ иттриевой группы, к кото­рой принадлежат как иттрий, так и гадолиний.

В ИМЕТ РАН были проведены иссле­дования, которые показали, что распад маг­ниевого твердого раствора в сплавах системы Mg-Y-Gd-Z типа сплава ИМВ7-1 можно уско­рить, используя дополнительное легирование одним из металлов цериевой группы - сама­рием. Один из результатов таких исследова­ний представлен на рисунке 6, где приведены кривые изменения твердости при изотерми­ческом старении литых сплавов системы Mg- Y-Gd-Zr типа ИМВ7-1 как без добавки, так и с добавкой самария. Представленные кривые изменения твердости показывают, что добавка самария ускоряет упрочнение за счет распада магниевого твердого раствора и при этом по­вышается также максимальная твердость, до­стигаемая в состаренном состоянии сплавов.

Заключение

1. При легировании магния редкоземель­ными металлами (РЗМ) четко проявляются закономерности их влияния на прочностные свойства сплавов в зависимости от их поло­жения в периодической системе Д.И. Менде­леева.
2. Растворимость РЗМ в твердом магнии последовательно увеличивается в широких пределах с увеличением их атомного номера, хотя и с некоторыми исключениями (в случае европия и иттербия).
3. Увеличение растворимости РЗМ в твердом магнии способствует повышению прочностных свойств, но только в определенных пределах. Наиболее высокие прочностные свой­ства в двойных сплавах магния с РЗМ удалось получить в случае трех первых элементов иттри- евой группы ряда лантана: Gd, Tb, Dy, а также Y
4. Сходство в превращениях при распаде пересыщенного твердого раствора в сплавах магния с РЗМ открывает возможность допус­кать их использование в определенных преде­лах совместно, обеспечивая тем самым сниже­ние стоимости сплавов, а также улучшение тех или иных их свойств.