Polzimo atsparumo didinimas magnio lydinio liejiniuose

TRUMPAI

Polzimo atsparumas magnio lydiniais, gaunamais liejimu į formas, yra svarbi medžiagos savybė pasipriešinti lėtai deformacijai veikiant ilgalaikiam mechaniniam poveikiui aukštoje temperatūroje. Ši savybė yra pagrindinis apribojantis veiksnys jų naudojimui reikalaujančiose aplinkose, tokiomis kaip automobilių variklių sistemose. Ši savybė ženkliai pagerinama dviem pagrindiniais būdais: tikslus tam tikrų legiravimo elementų – tokie kaip gadolinis (Gd), stroncis (Sr) ir kiti retųjų žemių elementai – pridėjimas bei tikslus lydinio mikrostruktūros valdymas, siekiant susformuoti termiškai stabilias, tarpusavyje susijusias junginių sistemas, ypač grūdelių ribose.

Magnio lydinių, gaunamų liejimu į formas, polzimo pagrindai

Poliuvis yra laikui bėgant vykstantis kietojo medžiagos iškraipymas pastovia apkrova arba įtempiu, vykstantis temperatūrose, viršijančiose apie pusę medžiagos lydymosi taško. Magnio (Mg) lydalams, kurie vertinami dėl savo mažo tankio, šis reiškinys yra svarbi inžinerinė problema. Prasta poliuvinė atsparuma riboja jų naudojimą komponentuose, kuriems būdinga išlaikyti matmenų stabilumą veikiant terminei ir mechaninei apkrovai, pvz., variklio blokuose, perdavimo dėžėse ir kituose variklio agregatuose, kurių darbo temperatūros gali viršyti 150 °C.

Metalų slinkties reiškinį lemiantys mechanizmai yra sudėtingi ir apima dislokacijų judėjimą kristalinėje struktūroje bei grūdelių ribų slydimą. Didėjant temperatūrai, šie atomo lygio judesiai tampa ryškesni, dėl ko palaipsniui ištęsiamas, iškraipomas ir galiausiai sugenda komponentas. Magnio būdinga kristalinė struktūra daro jį ypač jautrų slinkčiai, ypač jei lyginama su aliuminiu ar plienu panašiose homologinėse temperatūrose. Šis netinkamas aukštoje temperatūroje elgesys yra gerai žinomas trūkumas, kurį tyrėjai nuolat stengiasi įveikti.

Svarbu suprasti skirtumą tarp temptinės ir suspaudimo plėvelės elgsenos konstruojant komponentus. Priklausomai nuo įtempimo pobūdžio, lydinys gali reaguoti skirtingai, kas turi poveikį jo tarnavimo laikui ir gedimo būdui. Todėl aukštą karščiui atsparią plėvelę turinčių lydinių kūrimas nėra tik akademinis užsiėmimas; tai būtina siekiant plėtoti lengvųjų magnio lydinių naudojimą pramonės šakose, kurios siekia didesnio kuro efektyvumo ir mažesnių išmetamųjų teršalų, neprarandant saugos ar ilgaamžiškumo.

Lydinio elementų vaidmuo, didinant plėvelės atsparumą

Veiksmingiausias būdas pagerinti magnio liejinių atsparumą slinkčiai yra metalurginis projektavimas, konkretus – atsargiai parinktų legiruojančiųjų elementų pridėjimas. Šie priedai keičia lydinio pagrindines savybes, suformuodami naujas fazines ir sustiprindami mikrostruktūrą prieš deformaciją aukštesnėse temperatūrose. Skirtingi elementai tai pasiekia įvairiais mechanizmais, todėl konkrečiam taikymui labai svarbu tinkamai parinkti lydinio sudėtį.

Žemės retųjų elementų (RE), ypač gadolinio (Gd), buvo parodyta išskirtinė gebėjimo pagerinti lėtinį deformavimąsi. Jie prisideda prie terminiai stabilios nuosėdų fazės susidarymo magnio matricoje ir palei grūdelių ribas. Šios nuosėdos veikia kaip stiprūs kliūtys dislokacijų judėjimui, efektyviai fiksuodamos mikrostruktūrą vietoje. Pavyzdžiui, liejiniame Mg-RE-Gd-Mn-Al lydyje buvo pasiekta superžema pastovi lėtinio deformavimosi greitis, kas parodo šio derinio didelį poveikį.

Taip pat svarbų vaidmenį atlieka ir kiti elementai. Nustatyta, kad stroncis (Sr) žymiai pagerina slinkimo atsparumą, ypač Mg-Al sistemose, todėl šios lydinys konkuruoja ar net pranoksta įprastus Mg-Al-RE lydinius temperatūrose, tokiomis kaip 150 °C ir 175 °C. Nedidelės cinko (Zn) priemaišos Mg-Gd pagrindu sukurtiems lydiniams gali dar labiau padidinti našumą, sukuriant naujas, sudėtingas Zn turinčias nuosėdas, kurios suteikia papildomą mikrostruktūrinę stabilumą. Priešingai, nors aliuminis (Al) yra dažnai naudojamas legiravimo elementas magnyje, daugelis aukšto našumo, slinkimui atsparių liejinių sąmoningai nenaudoja aliuminio, vietoj to pasitelkia tokius elementus kaip cirkonis, kuris smulkins grūdelius ir sustiprina medžiagą.

Apibendrinant šių pagrindinių elementų poveikį, lentelėje pateikiamas jų bendras poveikis:

Mikrostruktūros įtaka slinkimo charakteristikoms

Nors lydinio sudėtis sukuria pagrindą, galutinė medžiagos mikrostruktūra lemia jos tikrąją iluminę atsparumą. Grūdelių dydis, forma ir pasiskirstymas, taip pat fazių prie jų ribų savybės yra kritiniai veiksniai. Siekiant geresnio iluminio atsparumo, tiksas yra sukurti mikrostruktūrą, kuri būtų iš esmės stabilus ir atsparus pokyčiams esant šiluminiam bei mechaniniam poveikiui. Tokia idealioji struktūra veiksmingai trukdo dislokacijų judėjimui ir grūdelių ribų slydimui – tai pagrindiniai iluminės deformacijos mechanizmai.

Tyrimai nuolat rodo, kad termiškai stabilios ir tarpusavyje susijusios junginių formavimas tarp grūdelių ribų (GB) yra pagrindinė strategija. Šie junginiai veikia kaip stiprinanti tinklas visame medžiagoje, fiksuodami grūdelius vietoje ir neleisdami jiems slysti vienam pro kitą aukštose temperatūrose. Mikrostruktūros ir slinkimo atsparumo ryšys ypač akivaizdus presuotuose magnio–retųjų žemių lydiniuose, kuriuose fazių išdėstymas nulemia medžiagos stiprumą.

Tačiau greitas aušinimas, būdingas liejimui į formas, dažnai sukelia nevienodą liejinių mikrostruktūrą, kuri gali pakenkti prognozuojamam slinkimo elgesiui. Ši nevienalykiškumas sukuria lokalizuotus silpnus taškus, kuriuose gali prasidėti slinkimas. Viena iš mikrostruktūrų, žinoma dėl puikios atsparumo slinkimui savybių, yra visiškai lamelinė struktūra, pasižyminti pakaitomis esančiomis skirtingų fazės sluoksniais. Nors tokia konfigūracija labai veiksminga trukdant slinkimui, ji dažnai turi kompromisą: sumažėjusią plastiškumą ir atsparumą trūkinėjimui kambario temperatūroje dėl didelių, stambiagrūdžių struktūrų.

Projektavimo aspektai ir ateities vystymasis

Tampriai atsparių magnio lydinių tobulinimas yra dinamiška sritis, kuriai veda nuolatinis poreikis lengvosioms medžiagoms aukštos našumo pramonės šakose. Dabartinė pažanga koncentruojasi tiek į naujus lydinių sudėties sprendimus, tiek į pažangias apdorojimo technologijas, siekiant optimizuoti mikrostruktūrą ir savybes. Mokslininkai jau nebesiremia bandymų ir klaidų metodu, o naudoja šiuolaikines priemones, kad pagreitintų kūrimo ciklą ir pasiektų tiksliai numatytas našumo charakteristikas.

Viena iš perspektyviausių krypčių – skaičiavimais paremta termodinamika ir modeliavimas. Šios priemonės leidžia mokslininkams prognozuoti, kaip skirtingi legiruojantys elementai sąveikaus ir kokios mikrostruktūros susidarys tam tikromis sąlygomis, žymiai sumažinant eksperimentinio darbo laiką ir išlaidas. Toks projektavimu grindžiamas požiūris yra būtinas, norint įveikti iššūkius, kuriuos sukelia sudėtingos, nevienodos struktūros, dažnai randamos presformėmis liejant gaminamuose komponentuose.

Pagrindinė šio tyrimo taikymo sritis išlieka automobilių pramonė, ypač variklių komponentams. Kadangi automobilių gamintojai toliau siekia ryžtingų lengvų konstrukcijų strategijų, kad padidintų efektyvumą ir sumažintų išmetamų teršalų kiekį, vis svarbesnė tampa būtinybė naudoti magnio lydinius, kurie patikimai veiktų aukštesnėse temperatūrose. Šių pažangios technologijos medžiagų sėkmingas sukūrimas priklauso nuo viso tiekimo grandinės – nuo lydinio kūrimo iki galutinio komponento gamybos. Pavyzdžiui, įmonės, tokios kaip Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , kurios specializuojasi tiksliai suprojektuotose automobilių koviniuose dalių gamybose, atstovauja paskutinį šio proceso etapą, transformuodamos pažangius lydinius į tvirtus, patikimus komponentus karštojo kovavimo procesais, užtikrindamos, kad medžiagos projektiniai savybių parametrai būtų realizuoti praktinėje naudojimo veikloje.

Ateities perspektyvos apima nuolatinio atsparumo, stiprumo, lankstumo ir kritinės sąnaudų pusiausvyrą. Kai tobulės naujos lydinių sistemos, jų plačiai taikymas priklausys nuo skaliuojamų ir ekonomiškai efektyvių gamybos procesų, kurie galėtų užtikrinti laboratorijoje demonstruotą išskirtinį veiksmingumą masinės gamybos pramoniniams komponentams, kūrimo.

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Koks magnio lydinio trūkumas?

Nors magnio lydiniai yra labai vertinami dėl mažo svorio ir didelio stiprumo ir svorio santykis, jie turi keletą trūkumų, kurie gali apriboti jų naudojimą. Tai yra palyginti mažas absoliutus tvirtumas ir prastas lankstumas, palyginti su kitais metalais, nepakankamas atsparumas korozijai ir deginimui ir, svarbiausia tam tikroms reikmėms, nepakankamas veikimas aukštose temperatūrose, įskaitant prastą nusileidimo atsparumą.

2. Išmokyti Kokios yra liejamos magnio lydinio savybės?

Lydiniai magnio lydiniai paprastai turi 75-200 MPa stiprumo ir 135-285 MPa traukos stiprumą. Jų išilginimas paprastai yra nuo 2% iki 10%. Pagrindinė jų savybė yra mažas tankis, apie 1,8 g/cm3, o Jango modulis yra maždaug 42 GPa, o tai yra mažesnis nei aliuminio ar plieno.

3. Išmokyti. Kuri medžiagos mikrostruktūra turi didžiausią nusileidimo atsparumą?

Apskritai laikoma, kad visiškai lamelinės mikrostruktūros, kurios sudaro pakaitiniai skirtingų fazės plokštės formos sluoksniai, drėgmės atsparumas yra labai didelis. Ši struktūra veiksmingai trukdo iškylimų judėjimui. Tačiau šis privalumas yra labai svarbus: visiškai lamelinės struktūros dažnai dėl didelio grūdų dydžio kambario temperatūroje turi mažą lankstumą.