Stopy magnezu o dobrych własnościach mechanicznych w podwyższonych temperaturach

Stopy magnezu zyskują coraz większe zainteresowanie ze względu na dobry stosunek własności wytrzymałościowych do ciężaru właściwego. Czysty magnez jest miękkim metalem, nieodpornym na korozję i aby poprawić jego własności mechaniczne i antykorozyjne, stosuje się wiele różnych dodatków stopowych. Jednym z głównych dodatków
stopowych w stopach magnezu jest aluminium.

Magnez i aluminium tworzą układ równowagi o ograniczonej rozpuszczalności w stanie stałym do zawartości aluminium 11,8%. Al jest pierwiastkiem, który pozwala umacniać roztworowo stopy magnezu. Aluminium powoduje również rozdrobnienie ziarna, poprawę własności korozyjnych oraz polepsza plastyczność.

Stopy magnezu z cynkiem i manganem

Drugim bardzo ważnym dodatkiem stopowym w stopach magnezu jest cynk. Cynk rozpuszcza się w niewielkim zakresie w Mg, do zawartości ok. 4%, ale mimo to znacząco poprawia wytrzymałość stopów magnezu. Wadą stosowania cynku jest pogorszenie własności plastycznych. Do stopów magnezu najczęściej dodaje się również mangan, w ilości około 0,3%. Dodatek Mn poprawia własności wytrzymałościowe, plastyczne, korozyjne, zwiększa odporność na pełzanie i pękanie. W stopach o większej zawartości Al, powyżej 6%, powstaje dodatkowa faza umacniająca Mg₁₇Al₁₂, ale duża ilość Al w stopach magnezu powoduje kruchość na gorąco oraz znacząco obniża własności plastyczne. Dodatki Al, Zn i Mn tworzą grupę stopów magnezu serii AZ (A – dodatek Al, Z – dodatek Zn).

Do najczęściej stosowanych stopów z tej grupy można zaliczyć stopy: AZ31, AZ61 oraz AZ91. Stop AZ31 zawiera Al w ilości około 3%, Zn – 1%, oraz Mn – 0,3%. Jest to stop o dobrych własnościach mechanicznych, ale jego głównymi atutami są dobra spawalność i odkształcalność. Lepsze własności mechaniczne posiada stop AZ61, w którym zawartość aluminium jest na poziomie do 6,5%. Ten stop jest również dobrze spawalny, ale niestety ma gorsze własności plastyczne. Stop AZ91 jest najczęściej stosowanym stopem w przemyśle ze względu na dobre własności mechaniczne. Zawartość aluminium w tym stopie jest na poziomie do 9,5%. Ze względu na gorsze własności plastyczne tego stopu, w porównaniu ze stopami AZ31 i AZ61, stop AZ91 jest głównie stosowany na odlewy. Duża zawartość Al w tym stopie powoduje wzrost własności antykorozyjnych.

Dodatki poprawiające własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach

Magnez, ze względu na temperaturę topnienia wynoszącą 650°C, jest metalem niskotopliwym. Własności mechaniczne jego stopów bardzo szybko pogarszają się wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku stopu AZ91, który ma granicę plastyczności wy­noszącą w temperaturze pokojowej około 250 MPa, w temperaturze 100°C, niestety, ta wartość spada już do 140 MPa, a w temperaturze 300°C – do 50 MPa. Podobnie jest w przypadku stopów AZ31 i AZ61. Szybki spadek własności mechanicznych wraz ze wzrostem temperatury wyklucza stopy magnezu serii AZ w wielu zastosowaniach. Okazuje się jednak, że pewne dodatki stopowe powodują utrzymanie dobrych własności mechanicznych w podwyższonych temperaturach, nawet do 300°C. Takimi dodatkami stopowymi są: srebro, metale ziem rzadkich, cyrkon, wapń, itr oraz gadolin.

Srebro rozpuszcza się w magnezie nawet do 15%, wpływa na poprawę własności wytrzymałościowych oraz znacząco poprawia odporność na pełzanie. Bardzo ważnym składnikiem w stopach magnezu o dobrych własnościach mechanicznych w podwyższonych temperaturach są metale ziem rzadkich (RE), takie jak: neodym, holm, lutet, iterb, cer, europ.

Stopy z metalami ziem rzadkich

Metale ziem rzadkich wpływają korzystnie na własności mechaniczne, odporność na pełzanie oraz odporność na korozję. Metale te dobrze rozpuszczają się w magnezie oraz wykazują słabą dyfuzyjność, stąd poprawiają odporność na pełzanie. Generalnie, metale ziem rzadkich dodaje się do około 2,5% stopów magnezu. Dodatki RE korzystnie wpływają na siebie nawzajem, powodując efekt synergii. Przez to stopy magnezu z metalami ziem rzadkich mają bardzo dobre własności w podwyższonych temperaturach. Przykładowymi stopami magnezu z dodatkiem srebra oraz metali ziem rzadkich są stopy QE22 oraz EQ21. Stop QE22 jest to stop, który zawiera: 2,5% srebra, 0,7% cyrkonu oraz 2,5% neodymu. Dodatek cyrkonu poprawia plastyczność oraz wytrzymałość i dodatkowo powoduje rozdrobnienie ziarna. Z powodu tworzenia kruchych faz międzymetalicznych z aluminium i manganem nie powinno się dodawać cyrkonu do stopów zawierających Al i Mn.

Neodym

Neodym zalicza się do pierwiastków RE i wpływa korzystnie na własności mechanicznie oraz na odporność na pełzanie. Stop QE22 wykazuje granicę plastyczności na poziomie 200 MPa i generalnie ta wartość utrzymuje się w podwyższonych temperaturach. W temperaturze 200°C wartość granicy plastyczności dla stopu QE22 wynosi 150 MPa. Niestety spada do wartości około 75 MPa w temperaturze 300°C. Dużo lepiej przedstawia się stop EQ21. Dodatki stopowe w tym stopie to: cyrkon na poziomie 0,7%, neodym w przedziale 1,75-2,5% oraz srebro w ilości 1,5%. EQ21 ma granicę plastyczności wynoszącą w temperaturze pokojowej około 200 MPa, a w temperaturze 300°C wartość ta spada do około 125 MPa.

Itr

Innymi stopami charakteryzującymi się dobrymi własnościami mechanicznymi w podwyższonych temperaturach są stopy z dodatkiem itru. Dodatek itru poprawia własności mechaniczne, rozdrabnia ziarno, wpływa korzystnie na odporność na korozję oraz odporność na pełzanie. Niestety itr pogarsza odporność na pękanie stopów magnezu. W nazewnictwie stopów magnezu dodatek itru oznacza się literą W. Stopami, które zawierają itr, są na przykład WE43 i WE54. Stop WE43 zawiera: cyrkon w ilości 0,5%, neodym w ilości 3,25% oraz itr w ilości 4%. Granica plastyczności dla stopu WE43 wynosi 190 MPa w temperaturze pokojowej i spada do wartości 160 MPa w temperaturze 200°C. W temperaturze 300°C spada do wartości 120 MPa. Biorąc pod uwagę granicę wytrzymałości dla tego stopu, R_m wynosi 260 MPa w temperaturze otoczenia i spada do wartości 240 MPa w temperaturze 200°C, a w temperaturze 300°C wynosi już 150 MPa. Jest to bardzo dobry wynik jak dla materiałów o niskiej temperaturze topnienia.

Cyrkon

Jeszcze lepsze własności mechaniczne ma stop WE54.  Dodatki stopowe dla tego stopu to cyrkon i neodym w podobnych ilościach co stop WE43, ale zawartość itru sięga już 5,1%. Duża zawartość itru powoduje, że ten stop ma bardzo dobre własności mechaniczne. Granica plastyczności jest na poziomie 205 MPa i praktycznie utrzymuje się na tym poziomie aż do temperatury 200°C, spadając do wartości 160 MPa w temperaturze 300°C. Podobnie rzecz się ma do granicy wytrzymałości na rozciąganie. W temperaturze pokojowej R_m wynosi aż prawie 300 MPa, a  w temperaturze 300°C spada do wartości 240 MPa. Jest to tylko spadek o 20% w porównaniu z temperaturą pokojową! Poza tym stop WE54 jest stopem, który charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję oraz dobrą spawalnością.

Gadolin

Bardzo ciekawym stopem, który również charakteryzuje się dobrymi własnościami w podwyższonych temperaturach, jest stop z dodatkiem gadolinu. Stop, o którym mowa, to EV31 zawierający Zn w ilości 0,4%, neodym w ilości 2,7% oraz gadolin w ilości 1,5%. Granica plastyczności tego stopu w temperaturze otoczenia wynosi 170 MPa i spada do wartości 100 MPa w temperaturze 300°C. Nie jest to rezultat imponujący w porównaniu do stopów WE43 lub WE54. Stop EV21 charakteryzuje się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi oraz plastycznymi. Stąd trwają intensywne prace naukowe nad dalszą poprawą własności mechanicznych tego stopu w podwyższonych temperaturach.

Bardzo ciekawym dodatkiem stopowym w stopach magnezu jest Ca. Można go dodawać w ilości do 1%. Stopy te wykazują bardzo wysoką odporność na pełzanie. Niestety ze względu na całkowity brak rozpuszczalności Ca w magnezie, stopy z wapniem są bardzo kruche i nie nadają się do przeróbki plastycznej. Ich plastyczność jest na poziomie 1-2%.

Zastosowanie

Stopy magnezu mające dobre własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach są głównie stosowane w przemyśle samochodowym i lotniczym. Pozwalają znacząco zredukować masę elementu, a przy tym mogą pracować w temperaturze do 300°C. Głównymi zastosowaniami stopów, np. WE43, WE54 czy QE22, są: elementy konstrukcyjne silnika, odlewy na elementy skrzyń biegów, koła samochodów wyścigowych, elementy podwozia. Są to stopy o dobrych własnościach odlewniczych, ale z drugiej strony, niestety, ich wadą jest mała plastyczność. Powoduje to, że nie nadają się do przeróbki plastycznej. Ciekawym zagadnieniem byłoby uzyskanie stopów magnezu, które mogą pracować w podwyższonych temperaturach, ale nadają się do przeróbki plastycznej w procesie walcowania lub wyciskania. Bardzo obiecującym procesem wydaje się proces wyciskania hydrostatycznego, w którym wysokie ciśnienie hydrostatyczne przeciwdziała pękaniu podczas odkształcenia plastycznego.

Opisane wyżej stopy są doskonałymi kandydatami do pracy w podwyższonych temperaturach. Ich własności mechaniczne utrzymują się na dobrym poziomie nawet do temperatury 300°C. Niestety są to stopy bardzo drogie, ze względu na dużą procentową zawartość kosztownych i dość rzadkich metali, takich jak: srebro, cyrkon, neodym, itr. Te metale są również trudne w pozyskaniu ze względu na skomplikowane procesy metalurgiczne.

Może Cię również zainteresować >>