2.2.2. Выбор основы и легирующих элементов

Решение задачи синтеза технических сплавов по приведенной методике рассмотрим на примере магниевых сплавов, которые можно отнести к числу «молодых» литейных материалов. Широкое промышленное производство магния и его сплавов развернулось только в 40–х годах прошлого века.

Сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем были получены в начале прошлого века сначала как литейные, а позднее деформируемые. Создавались сплавы традиционным путем, т.е. методом проб и ошибок.

Характерной положительной чертой магниевых сплавов является низкая плотность, при сравнительно высокой прочности (особенно удельной прочности, т.е. прочности, приходящейся на единицу массы). Сегодня магниевые сплавы применяют в автомобильной промышленности, авиации, космонавтике, машиностроении и приборостроении. Магниевые детали можно встретить во многих бытовых изделиях, электроинструментах и т.д.

При помощи вышеописанной методики, т.е. путем анализа начальных участков двойных диаграмм состояния магния с другими элементами, можно сделать прогноз о их поведении в магниевом сплаве. Для этого необходимо обобщить все имеющиеся диаграммы состояния магния с другими элементами. В таблице 11 приведены параметры начальных участков двойных диаграмм состояния магния лишь с некоторыми элементами, которые можно обнаружить в магниевых сплавах. Полная таблица, содержащая данные по 89 элементам, приведена в работе //.

Если проанализировать полную таблицу, то можно обнаружить, что магний образует непрерывный раствор только с кадмием. 23 элемента имеют растворимость в магнии равную или большую, чем 1 % (ат). В том числе: Li, Al, Cr, Mn, Zn, Cd, Sn, Ti, 7 лантаноидов и др. Некоторые из них имеют растворимость больше 10 % (ат) (смотри параметр С_р в таблице). Эвтектику с

Таблица 11

Параметры начальных участков двойных диаграмм состояния магния с некоторыми элементами

Элемент	Тип превраще-ния	Температура превращения, ^оС	Ср, % (ат)	Сэ, % (ат)	Кр
Li	Эвтектика (Э)	588	17,0	24,5	0,69
Be	Э	(540)	0,014	1,0	0,014
Mg	Раствор (Р)	650	100	1,00	1,00
Al	Э	437	11,6	30,1	0,39
Si	Э	637	(0,1)	1,16	0,025
Ca	Э	517	0,6	10,5	0,057
Ti	Перитекти-ка восходящая (Пв)	650	210^-2	210^-3	10
V	Пв	(651)	(0,3)	0,006	5
Cr	Пв	(658)	(1)	(0,55)	1,82
Mn	Пв	652	2,46	1	2,46
Fe	Э	650	4,310^-4	8,610^-3	0,05
Cu	Э	485	0,6	14,5	0.041
Zn	Э	340	2,4	28,1	0,085
Y	Э	565	3,6	7,3	0,48
Zr	Пв	654	0,99	0,16	6,2
Nb	Пв	651	0,50	0,12	4,0
Ag	Э	471	4	17,5	0,23
Cd	Р	321	100,0	100,0	1,0
Sn	Э	561	3,45	11,0	0,31
Sb	Э	629	0,04	10,0	0,004
La	Э	612	0,040	3,4	0,012
Nd	Э	548	0,61	7,6	0,08
Th	Э	582	0,49	7,05	0,07

магнием образуют 40 элементов, 13 – восходящую перитектику, индий - нисходящую перитектику. С 16 элементами образуются монотектики (блок 6 на рис.1 – сочетание на диаграмме состояния непрерывного раствора и непрерывного расслоения сверху)

Легирующие элементы. Условием выбора основных легирующих добавок для конструкционных сплавов магния, работающих при температурах не более 150 ^оС, являются параметры  1 и   0,05. Этому условию удовлетворяют 15 обычных элементов и 7 элементов – лантаноидов (от Gd до Lu, исключая Yb). Вспомогательными добавками могут быть элементы с  0,1 и   0,05. Этому условию удовлетворяют 13 обычных элементов и 5 лантаноидов и торий.

Примечание: Лантаноиды – семейство из 14 металлов, имеющих атомные номера от 58 по 71. Они следуют в таблице элементов за лантаном. Это Ce - церий, Pr - празеодим, Nd - неодим, Pm - прометий, Sm - самарий, Eu -европий, Gd -гадолиний, Tb -тербий, Dy- диспрозий, Ho -гольмий, Er -эрбий, Tu -тулий, Yb -иттербий, Lu -лютеций. Все они входят в группу редкоземельных металлов.

Редкоземельные металлы – исторически сложившееся название химических элементов редко распространеных в земной коре. К ним относятся лантан и лантаноиды, а также Y –иттрий и Sc –скандий. Обычно в рудных месторождениях присутствуют вместе и производятся металлургической промышленностью в виде так называемого мишметалла с переменным составом.

Вредные примеси в магниевых сплавах определяются из условия  0,001 и  < 0,05. Особо вредными для магниевых сплавов являются: K, Sr, Ba, Ni, Cu, Si, Sb. Нежелательны Н и О, но из-за малой растворимости кислорода и малого значения коэффициента перенасыщения водорода они менее вредны, чем в других сплавах. На рис. 19 показаны результаты анализа возможных компонентов для магниевого сплава.

Легирующие элементы сплавов магния не должны их утяжелять, так как главное преимущество этих сплавов перед алюминиевыми – малая плотность. Из-за высокой плотности из числа возможных основных легирующих элементов должны быть исключены: Tl (11,87), Pb (11,3), Bi (9,8).

Магниевые сплавы имеют массовое применение, поэтому необходимо учитывать и стоимость добавок. По этой причине из числа основных легирующих нужно исключить такие элементы, как (Sc, Y, Ga, Ag, In) и все лантаноиды. Литий, хотя и дорогой, но применяется как добавка к сверхлегким сплавам. Таким образом, ряд основных легирующих добавок для конструкционных магниевых сплавов выглядит так: Cd, Li, Al, Mn, Zn.

Из числа вспомогательных добавок, после исключения дорогостоящих, остаются Ca и Zr. Можно использовать ниобий и др. РЗМ в количествах, которые оставят сплав в ряду экономически целесообразных. Кстати эти элементы по стоимости относятся к разряду дешевеющих. По мере совершенствования технологии и расширения объемов добычи они становятся дешевле. Таким образом, для магниевых сплавов можно использовать в качестве вспомогательных легирующих элементов: Ca, Zr, Nd, Gd и др. РЗМ. Изучению диаграмм состояния РЗМ с магнием сейчас уделяется повышенное внимание. При выборе легирующего комплекса следует учитывать взаимодействие элементов не только с основой (в данном случае с магнием), но и между собой. Сведения о взаимной растворимости возможных легирующих элементов приведены в табл. 12.

Таблица 12

Взаимные растворимости основных легирующих элементов для магния

Растворитель	Растворимость элементов, % (ат)
	Cd	Al	Mn	Zn
Mg Cd Al Mn Zn	100 100 0,14 0,001 1,3	11,6 0,1 100 35 2,4	2,46 1 0,9 100 0,6	2,4 5 16 1,4 100

Наиболее благоприятной для комплексного легирования является комбинация элементов: Al + Zn + Mn, а наибольшие возможности для совместного ввода с другими элементами дают Al и Mn. Менее благоприятны в этом отношении Zn и Cd. При совместном вводе в сплав может измениться и поведение элемента в магнии. Так при введении с Аl кремний может превратиться из вредной примеси во вспомогательную легирующую добавку. Эффект от совместного введения добавок может быть большим, чем сумма эффектов от введения каждой добавки по отдельности.

Определение количества вводимых добавок наиболее рационально проводить методами математического планирования экспериментов. Построение математической модели сплава достигается при минимальных затратах времени и средств на проведение опытных плавок. Только после нахождения оптимального состава сплава и выбора допусков на химический состав проводится производственная проверка сплава.

Рассмотренная методика синтеза сплавов относится только к конструкционным материалам, от которых требуются высокие механические свойства. Если задача синтеза состоит в разработке сплавов с другими свойствами, то в качестве критериев отбора элементов надо будет выбирать другие параметры. Так при разработке жаропрочных сплавов необходимо

Рис. 19. Легирующие добавки и примеси для сплавов на основе магния

руководствоваться соотношением температур превращения и плавления основы сплава по шкале Кельвина. Это отношение должно быть больше единицы. Желательно выбирать элементы, удовлетворяющие и требованию повышения прочности. У элементов, которые могут быть использованы в магниевых сплавах, эти соотношения имеют следующие значения:

Zr	Mn	La	Ce	Th	Nd	Ni	Al	Zn	Cd
1,005	1,002	0,958	0,930	0,926	0,891	0,844	0,768	0,668	0.642

Отсюда следует, что нецелесообразно использовать: Cd, Al, Ni. Хороших результатов следует ожидать от Zr, Mn, La, Ce, Th и Nd.

Сравните сделанные выводы по анализу возможных легирующих элементов для магниевых сплавов с химическим составом современных сплавов, применяемых в промышленности в настоящее время.