Ķīpšanas izturības uzlabošana magnija materiālu liešanā

TL;DR

Čīstīgspēja magnija diešanas sakausējumos ir materiāla būtiska spēja pretestoties lēnam deformēšanās procesam ilgstošas mehāniskās slodzes ietekmē augstās temperatūrās. Šī īpašība ir galvenais ierobežojošais faktors to izmantošanai prasīgos apstākļos, piemēram, automašīnu piedziņas sistēmās. To ievērojami uzlabo divi galvenie pasākumi: konkrētu leģēšanas elementu — piemēram, gadolinija (Gd), stroncija (Sr) un citu retzemju elementu — mērķtiecīga pievienošana un sakausējuma mikrostruktūras precīza regulēšana, lai veidotu termiski stabili savstarpēji saistītas vielas, jo īpaši graudu robežās.

Diešanas magnija sakausējumu čīstības pamati

Polzēšana ir laikā atkarīga cietvielas materiāla deformācija pastāvīgā slodzē vai spriegumā, kas rodas temperatūrās, kuras pārsniedz aptuveni pusi no materiāla kušanas punkta. Magnija (Mg) sakausējumiem, kurus vērtē par zemo blīvumu, šis fenomens rada ievērojamu inženierijas izaicinājumu. Vāja pretestība polzēšanai ierobežo to izmantošanu sastāvdaļās, kurām jāsaglabā dimensiju stabilitāte termiskās un mehāniskās slodzes apstākļos, piemēram, dzinēju korpusos, transmisijas kārbās un citās piedziņas sistēmas daļās, kur darba temperatūras var pārsniegt 150°C.

Mehānismi, kas izraisa lēnu deformāciju metālos, ir sarežģīti un ietver dislokāciju kustību kristālstruktūrā un graudu robežu slīdēšanu. Palielinoties temperatūrai, šie atomārā līmeņa procesi kļūst izteiktāki, izraisot pakāpenisku komponenta pagarināšanos, izkropļojumu un galu galā tā sabrukšanu. Magnija raksturīgā kristālstruktūra to padara īpaši jutīgu pret lēnu deformāciju, īpaši salīdzinājumā ar alumīniju vai tēraudu līdzīgās homoloģiskās temperatūrās. Šī nepietiekamā veiktspēja augstās temperatūrās ir labi zināms trūkums, kuru pētnieki nepārtraukti cenšas novērst.

Svarīgi ir arī izprast atšķirību starp stiepšanas un spiedes čīkstēšanas uzvedību komponentu dizainā. Atkarībā no slodzes rakstura sakausējums var reaģēt atšķirīgi, ietekmējot tā kalpošanas laiku un bojājumu veidu. Tādēļ sakausējumu attīstība ar augstu čīkstēšanas pretestību nav vienkārši akadēmisks uzdevums; tas ir būtiski, lai paplašinātu vieglo magnija izmantošanu rūpniecībās, kas tiecas pēc lielākas degvielas efektivitātes un samazinātām emisijām, nekompromitējot drošību vai izturību.

Sakausējuma elementu loma čīkstēšanas pretestības uzlabošanā

Efektīvākais veids, kā uzlabot magnija liešanas sakausējumu pretestību lēzenai, ir metalurģiskais dizains, īpaši rūpīgi izvēlētu leģējošo elementu ieviešana. Šie pievienojumi maina sakausējuma pamatīgās īpašības, veidojot jaunas fāzes un nostiprinot mikrostruktūru pret deformāciju paaugstinātās temperatūrās. Dažādi elementi to sasniedz ar dažādiem mehānismiem, tādējādi sakausējuma sastāva izvēle ir būtiska konkrētām lietojumprogrammām.

Retie zemes (RE) elementi, īpaši gadolinījs (Gd), ir parādījuši izcilu spēju uzlabot lēzenas deformācijas (creep) veiktspēju. Tie veicina termiski stabila nogulšņu fāžu veidošanos magnija matricā un gar graudu robežām. Šīs nogulšņi darbojas kā stipri šķēršļi dislokāciju kustībai, efektīvi fiksējot mikrostruktūru noteiktā vietā. Piemēram, tika parādīts, ka litāžas Mg-RE-Gd-Mn-Al sakausējums sasniedz ļoti zemu stacionāro lēzenas deformācijas ātrumu, kas uzsvērtu šīs kombinācijas lielo iedarbību.

Arī citi elementi spēlē būtisku lomu. Konstatēts, ka stroncijs (Sr) ievērojami uzlabo plaisas izturību, īpaši Mg-Al sistēmās, padarot tās konkurētspējīgas vai pat pārākas par pastāvīgajām Mg-Al-RE saknēm temperatūrās kā 150°C un 175°C. Nelielas cinka (Zn) pievienošana Mg-Gd pamata saknēm var vēl vairāk uzlabot veiktspēju, veidojot jaunas, sarežģītas cinku saturošas nogulsnēšanās fāzes, kas pievieno vēl vienu mikrostruktūras stabilitātes slāni. Savukārt, lai gan alumīnijs (Al) ir parasts leģēšanas elements magnijā, daudzas augstas veiktspējas, plaisas izturīgas smaguma liešanas saknes apzināti nesatur alumīniju, balstoties uz elementiem, piemēram, cirkoniju, graudu sasmalcināšanai un stiprināšanai.

Lai apkopotu šo galveno elementu ietekmi, turpmākajā tabulā izklāstītas to vispārējās ietekmes:

Mikrostruktūras ietekme uz rāpošanas veiktspēju

Kaut arī sakausējuma sastāvs veido pamatu, materiāla beigu mikrostruktūra nosaka tā reālās izturības pret lēnu plūstamību īpašības. Kritiski svarīgi ir graudu izmērs, forma un sadalījums, kā arī fāžu raksturs to robežās. Lai nodrošinātu augstāku izturību pret lēnu plūstamību, mērķis ir izveidot mikrostruktūru, kas pēc būtības ir stabila un pretojas izmaiņām termiskas un mehāniskas slodzes ietekmē. Ideāla struktūra efektīvi kavē dislokāciju kustību un graudu robežu slīdēšanu, kas ir galvenie mehānismi lēnas plūstamības deformācijām.

Pētījumi pastāvīgi parāda, ka termiski stabilo un savstarpēji saistīto savienojumu veidošanās graudu robežās (GB) ir galvena stratēģija. Šie savienojumi darbojas kā pastiprinoša tīkla struktūra visā materiālā, fiksējot graudus vietā un novēršot to pārbīdi vienu gar otru augstās temperatūrās. Mikrostruktūras un lēzenas pretestības attiecība ir jo īpaši redzama liešanas metode izgatavotos magnija-retzemetalu sakausējumos, kuros fāžu specifiskais izkārtojums nosaka materiāla izturību.

Tomēr ātra dzesēšana, kas raksturīga liešanas procesam, bieži izraisa nevienmērīgu litu mikrostruktūru, kas var negatīvi ietekmēt prognozējamu plūsumdarbību. Šāda heterogenitāte rada lokalizētas vājās vietas, kurās var sākties plūsuma process. Viens no mikrostruktūras veidiem, kas pazīstams ar lielisku pretestību pret plūsmu, ir pilnībā lamelāra struktūra, ko raksturo dažādu fāžu maiņīgi slāņi. Lai gan šāda kārtība ir ļoti efektīva, lai traucētu plūsmu, tai bieži piemīt kompromisa raksturs: samazināta plastiskums un izturība istabas temperatūrā lielu, rupju graudu dēļ.

Projektēšanas aspekti un nākotnes attīstība

Slīdēšanai izturīgu magnija sakausējumu attīstība ir dinamisks lauks, ko virza pastāvīgā pieprasījuma pēc vieglām materiāliem augsta veiktspējas nozarēs. Pašreizējais progress koncentrējas gan uz jaunām sakausējuma sastāvdaļām, gan uz attīstītām apstrādes metodēm, lai optimizētu mikrostruktūru un īpašības. Pētnieki pāriet pāri mēģinājumu un kļūdu metodei, izmantojot modernas rīkus, lai paātrinātu dizaina ciklu un sasniegtu vēlamos veiktspējas raksturlielumus.

Viens no perspektīvākajiem virzieniem ir datoru termodinamikas un modelēšanas izmantošana. Šie rīki ļauj zinātniekiem prognozēt, kā dažādi leģēšanas elementi tiks mijiedarboties un kādas mikrostruktūras veidosies noteiktos apstākļos, ievērojami samazinot eksperimentālā darba saistīto laiku un izmaksas. Šis dizainam balstītais pieeja ir būtiska, lai pāvarētu sarežģītās, nevienmērīgās struktūras, kas bieži sastopamas die-cast komponentos.

Galvenais pētījumu mērķis joprojām ir automobiļu rūpniecība, jo īpaši dzinēju komponentu ražošana. Tā kā transportlīdzekļu ražotāji turpina izmantot agresīvas vieglās svars metodes, lai uzlabotu efektivitāti un samazinātu emisijas, arvien svarīgāks kļūst vajadzība pēc magnija sakausējumiem, kas var uzticami darboties paaugstinātajās temperatūrās. Šādu progresējošu materiālu sekmīga attīstība ir atkarīga no pilnīgas piegādes ķēdes, sākot ar sakausējumu izstrādi līdz galakomponentu ražošanai. Piemēram, tādas sabiedrības kā Shaoyi (Ningbo) Metal Technology , kas specializējas precīzas konstrukcijas automobiļu lūzumu detaļās, ir pēdējais posms šajā procesā, pārveidojot progresīvas sakausējumus par izturīgām un uzticamām sastāvdaļām, izmantojot tādus procesus kā karsta lūzums, nodrošinot, ka materiāla inženierbūves īpašības tiek pārvērstas reālajā pasaulē.

Nākamnes perspektīvas ietver līdzsvaru pastāvīgajā kompromisa starp krekļu izturību, stiprumu, elastību un kritiski dārgumu. Tā kā jaunās sakausējumu sistēmas tiks pilnveidotas, to plaša izmantošana būs atkarīga no skaļājamu un rentablu ražošanas procesu izveides, kas labvēlīgi ietekmētu masveida ražošanas rūpniecības komponentus un nodrošinātu laboratorijā demonstrēto ārkārtēju darbību.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāds ir magnija sakausējuma trūkums?

Lai gan magnija sakausējumi ir ļoti vērtēti par savu zemu svaru un augstu stiprības un svara attiecību, tiem ir vairāki trūkumi, kas var ierobežot to izmantošanu. Tie ietver relatīvi zemu absolūtu izturību un sliktu ductilitāti salīdzinājumā ar citiem metāliem, nepietiekamu izturību pret koroziju un sadedzināšanu un, viskritiskāko, dažām lietojumiem, nepietiekamu darbību augstas temperatūras apstākļos, tostarp sliktu krekļu izturību.

2. Kādas ir liešanas magnija sakausējuma īpašības?

Galētie magnija sakausējumi parasti ir izturīgi pret spriegumu 75-200 MPa un izturīgi pret vilcienu 135-285 MPa. To garums parasti ir no 2% līdz 10%. Galvenais īpašums ir to maza blīvums, aptuveni 1,8 g/cm3, un tiem ir Junga moduluss aptuveni 42 GPa, kas ir zemāks nekā alumīnija vai tērauda.

3. Kāda materiāla mikrostruktūra ir vislielākā notīrīšanās pretestība?

Vispār, uzskatāms, ka pilnībā lamellarā mikrostruktūrā, kas sastāv no maiņāsām, plāksnes veida slāņiem ar dažādām fāzēm, ir ļoti augsta slīpēšanas izturība. Šī struktūra ir efektīva, ka tā traucē izsitumu kustību. Tomēr šis ieguvums ir saistīts ar ievērojamu kompromisu: pilnībā lamelārās struktūras bieži ir mazas elastības istabas temperatūrā, jo tās ir lielākas.