cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2017-6-20-30cvmet-651Research ArticleЛитейное производствоFoundryВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИЕВОГО СПЛАВА МЛ19The influence of composition and heat treatment on the phase composition and mechanical properties of ML19 magnesium alloyКолтыгинА. В.KoltyginA. V.

канд. техн. наук, доцент кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ) НИТУ «МИСиС»

119049, г. Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Tech.), Assistant prof., Department of foundry technologies and material art working (FT&MAW), National University of Science and Technology (NUST) «MISIS» 119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

misistlp@mail.ruБаженовВ. Е.BazhenovV. E.

канд. техн. наук, доцент кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ) НИТУ «МИСиС»

119049, г. Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Tech.), Assistant prof., Department of FT&MAW, NUST «MISIS»119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

V.E.Bagenov@gmail.comЛетягинН. В.LetyaginN. V.

магистрант кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ) НИТУ «МИСиС»

119049, г. Москва, Ленинский пр., 4

Student, Department of FT&MAW, NUST «MISIS»119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

n.v.letyagin@gmail.comБеловВ. Д.BelovV. D.

докт. техн. наук, заведующий кафедрой литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ) НИТУ «МИСиС»

119049, г. Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Tech.), Head of Department of FT&MAW, NUST «MISIS»119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

vdbelov@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology (NUST) «MISIS»Russian Federation201715122017062030Copyright © Колтыгин А.В., Баженов В.Е., Летягин Н.В., Белов В.Д., 20172017Колтыгин А.В., Баженов В.Е., Летягин Н.В., Белов В.Д.Koltygin A.V., Bazhenov V.E., Letyagin N.V., Belov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/651

Исследованы образцы сплава МЛ19, содержащие, мас.%: (0,1÷0,6)Zn–(0,4÷1,0)Zr–(1,6÷2,3)Nd–(1,4÷2,2)Y. По результатам расчета диаграмм состояния в программе Thermo-Calc установлено влияние содержаний Nd, Y, Zn и Zr на температуры фазовых превращений и фазовый состав в равновесных условиях и при использовании модели полностью неравновесной кристаллизации Шейла–Гулливера. Показано, что при концентрации циркония в сплаве более 0,8–0,9 мас.% происходит значительное повышение температуры ликвидуса сплава и требуется увеличение температуры плавки выше 800 °С, что нежелательно при использовании стальных плавильных тиглей. Рассчитано изменение массовой доли равновесных фаз в сплаве МЛ19 с минимальным и максимальным количествами легирующих компонентов при различных температурах.С помощью сканирующей электронной микроскопии исследованы микроструктуры сплавов с различным содержанием легирующих компонентов в литом и термообработанном состояниях. Изучено распределение Nd, Y, Zn и Zr в дендритной ячейке сплава в литом состоянии. Выявлено повышенное содержание неодима и цинка по границам дендритных ячеек, а иттрия – как в центре дендритной ячейки, так и по ее границам. Цирконий концентрируется в основном в центре дендритных ячеек. Его частицы, в которых также присутствует иттрий, служат центрами кристаллизации магниевого твердого раствора (Mg). Рассмотрено влияние температуры старения (200 и 250 °C) на твердость закаленных образцов и показано, что старение при 200 °С позволяет получить более высокую твердость. Термообработка сплава, включающая в себя двухступенчатую изотермическую выдержку в режиме 400 °С, 2 ч + 500 °С, 8 ч с последующей закалкой в воде и старение при 200 °С в течение 16 ч, позволила достичь прочности сплава 306±8 МПа и предела текучести 161±1 МПа при относительном удлинении 8,7±1,6 %.

The samples of ML19 magnesium alloy with composition, wt. %: (0,1÷0,6)Zn–(0,4÷1,0)Zr–(1,6÷2,3)Nd–(1,4÷2,2)Y was investigated. The influence of Nd, Y, Zn and Zr on the equilibrium phase transitions temperatures and phase composition using the Thermo-Calc software is established. The Scheil–Gulliver solidification model was also used. We show the significant liquidus temperature increase if zirconium content in alloy is higher than (0,8–0,9) wt.%. Thus, the higher temperature of melting is required (more than 800 °C).This is undesirable if melting in a steel crucibles. The change of equilibrium fractions of phases at different temperatures in ML19 magnesium alloy with a minimum and maximum amount of alloying elements are calculated. A microstructures of the alloys with different amount of the alloying elements in as-cast and heat-treated condition has been studied using scanning electron microscopy (SEM). We investigate the concentration profile of Nd, Y, Zn and Zr in the dendritic cell of as-cast alloy. An amount of neodymium and zinc on the dendritic cell boundaries is increased. High concentration of yttrium is observed both in center and on the boundaries of the dendritic cell. High zirconium concentration mainly observed in the center of the dendritic cells. A small amount of yttrium is also present in a zirconium particles. These particles acting as the nucleation sites for the magnesium solid solution (Mg) during the solidification.The effect of aging temperature (200 and 250 °C) on the hardness of a samples after quenching was studied. Aging at 200 °C provides a higher hardness. Investigated the change of the hardness quenched samples during the aging at 200 °C. The maximum hardness is observed in samples aged for 16-20 hours. The two-stage solution heat treatment for 2 h at 400 °C and 8 h at 500 °C with water quenching and aging at 200 °C for 16 h was performed. This heat treatment enable us to get tensile strength 306 ± 8 MPa and yield strength 161 ± ± 1 MPa with elongation 8,7 ± 1,6 %.

литейные магниевые сплавыМЛ19Mg–Zr–РЗМMg–Zr–Nd–Y–Znкристаллизациятермообработкафазовый составThermo-Calcmagnesium cast alloysML19Mg–Zr–REMg–Zr–Nd–Y–Znsolidificationheat treatmentphase compositionThermo-CalcReferencesFriedrich H.E., Mordike B.L. Magnesium technology: metallurgy, design data, applications. New York: Springer, 2006.Friedrich H.E., Mordike B.L. Magnesium technology: metallurgy, design data, applications. New York: Springer, 2006.Mordike B.L., Ebert T. Magnesium: properties—applications—potential. Mater. Sci. Eng.: A. 2001. Vol. 302. No. 1. P. 37—45.Mordike B.L., Ebert T. Magnesium: properties—applications—potential. Mater. Sci. Eng.: A. 2001. Vol. 302. No. 1. P. 37—45.Rokhlin L.L. Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. London: Taylor & Francis, 2003.Rokhlin L.L. Magnesium alloys containing rare earth metals: structure and properties. London: Taylor & Francis, 2003.Antion C., Donnadieu. P., Deschamps A., Tassin C., Pisch A. Hardening precipitation in a Mg—4Y—3RE alloy. Acta Mater. 2003. Vol. 51. No. 18. P. 5335—5348.Antion C., Donnadieu. P., Deschamps A., Tassin C., Pisch A. Hardening precipitation in a Mg—4Y—3RE alloy. Acta Mater. 2003. Vol. 51. No. 18. P. 5335—5348.Polmear I.J. Magnesium alloys and applications. Mater. Sci. Technol. 1994. Vol. 10. No. 1. P. 1—16.Polmear I.J. Magnesium alloys and applications. Mater. Sci. Technol. 1994. Vol. 10. No. 1. P. 1—16.Penghuai F., Liming P., Haiyan J., Jianwei C., Chunquan Z. Effects of heat treatments on the microstructures and mechanical properties of Mg—3Nd—0.2Zn—0.4Zr (wt.%) alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2008. Vol. 486. No. 1-2. P. 183—192.Penghuai F., Liming P., Haiyan J., Jianwei C., Chunquan Z. Effects of heat treatments on the microstructures and mechanical properties of Mg—3Nd—0.2Zn—0.4Zr (wt.%) alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2008. Vol. 486. No. 1-2. P. 183—192.Nie J. F., Muddle B. C. Characterisation of strengthening precipitate phases in a Mg—Y—Nd alloy. Acta Mater. 2000. Vol. 48. P. 1691—1703.Nie J. F., Muddle B. C. Characterisation of strengthening precipitate phases in a Mg—Y—Nd alloy. Acta Mater. 2000. Vol. 48. P. 1691—1703.Zhao H.D., Qin G.W., Ren Y.P., Pei W.L., Chen D., Guo Y. The maximum solubility of Y in α-Mg and composition ranges of Mg24Y5–x and Mg2Y1–x intermetallic phases in Mg—Y binary system. J. Alloys and Compnd. 2011. Vol. 509. No. 3. P. 627—631.Zhao H.D., Qin G.W., Ren Y.P., Pei W.L., Chen D., Guo Y. The maximum solubility of Y in α-Mg and composition ranges of Mg24Y5–x and Mg2Y1–x intermetallic phases in Mg—Y binary system. J. Alloys and Compnd. 2011. Vol. 509. No. 3. P. 627—631.Chia T.L., Easton M.A., Zhu S.M., Gibson M.A., Birbilis N., Nie J.F. The effect of alloy composition on the microstructure and tensile properties of binary Mg-rare earth alloys. Intermetallics. 2009. Vol. 17. No. 7. P. 481—490.Chia T.L., Easton M.A., Zhu S.M., Gibson M.A., Birbilis N., Nie J.F. The effect of alloy composition on the microstructure and tensile properties of binary Mg-rare earth alloys. Intermetallics. 2009. Vol. 17. No. 7. P. 481—490.Rokhlin L.L., Dobatkina T.V., Tarytina I.E., Timofeev V.N., Balakhchi E.E. Peculiarities of the phase relations in Mg-rich alloys of the Mg—Nd—Y system. J. Alloys and Compnd. 2004. Vol. 367. No. 1-2. P. 17—19.Rokhlin L.L., Dobatkina T.V., Tarytina I.E., Timofeev V.N., Balakhchi E.E. Peculiarities of the phase relations in Mg-rich alloys of the Mg—Nd—Y system. J. Alloys and Compnd. 2004. Vol. 367. No. 1-2. P. 17—19.Мухина И.Ю., Дуюнова В.А., Фролов А.В., Уридия З.П. Влияние легирования РЗМ на жаропрочность литейных магниевых сплавов. Металлургия машиностроения. 2014. No. 5. C. 34—38; Mukhina I.Yu., Duyunova V.A., Frolov A.V., Uridiya Z.P. Vliyanie legirovaniya RZM na zharoprochnost’ liteinykh magnievykh splavov [Effect of RE alloying on the high-temperature strength of casting magnesium alloys]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2014. No. 5. C. 34—38.Мухина И.Ю., Дуюнова В.А., Фролов А.В., Уридия З.П. Влияние легирования РЗМ на жаропрочность литейных магниевых сплавов. Металлургия машиностроения. 2014. No. 5. C. 34—38; Mukhina I.Yu., Duyunova V.A., Frolov A.V., Uridiya Z.P. Vliyanie legirovaniya RZM na zharoprochnost’ liteinykh magnievykh splavov [Effect of RE alloying on the high-temperature strength of casting magnesium alloys]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2014. No. 5. C. 34—38.Vinotha D., Raghukandan K., Pillai U.T.S., Pai B.C. Grain refining mechanisms in magnesium alloys-An overview. Trans. Indian Inst. of Metals. 2009. Vol. 62. P. 521—532.Vinotha D., Raghukandan K., Pillai U.T.S., Pai B.C. Grain refining mechanisms in magnesium alloys-An overview. Trans. Indian Inst. of Metals. 2009. Vol. 62. P. 521—532.Changjiang S., Qingyou H., Qijie Z. Review of grain refinement methods for as-cast microstructure of magnesium alloy. China Foundry. 2009. Vol. 6. P. 93—103.Changjiang S., Qingyou H., Qijie Z. Review of grain refinement methods for as-cast microstructure of magnesium alloy. China Foundry. 2009. Vol. 6. P. 93—103.Polmear I.J. Light Alloys, fourth ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2005.Polmear I.J. Light Alloys, fourth ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2005.Chandler H. (Ed.) Heat treater’s guide: practices and procedures for nonferrous alloys. Ohio: ASM International, 1996.Chandler H. (Ed.) Heat treater’s guide: practices and procedures for nonferrous alloys. Ohio: ASM International, 1996.Nie J.F., Muddle B.C. Precipitation in magnesium alloy WE54 during isothermal ageing at 250 °С. Scripta Mater. 1999. Vol. 40. No. 10, Р. 1089—1094.Nie J.F., Muddle B.C. Precipitation in magnesium alloy WE54 during isothermal ageing at 250 °С. Scripta Mater. 1999. Vol. 40. No. 10, Р. 1089—1094.Nie J.F. Effects of precipitate shape and orientation on dispersion strengthening in magnesium alloys. Scripta Mater. 2003. Vol. 48. No. 8. P. 1009—1015.Nie J.F. Effects of precipitate shape and orientation on dispersion strengthening in magnesium alloys. Scripta Mater. 2003. Vol. 48. No. 8. P. 1009—1015.Mengucci P., Barucca G., Riontino G., Lussana D., Massazza M., Ferragut R., Hassan Aly E. Structure evolution of a WE43 Mg alloy submitted to different thermal treatments. Mater. Sci. Eng.: A. 2008. Vol. 479. No. 1-2. P. 37—44.Mengucci P., Barucca G., Riontino G., Lussana D., Massazza M., Ferragut R., Hassan Aly E. Structure evolution of a WE43 Mg alloy submitted to different thermal treatments. Mater. Sci. Eng.: A. 2008. Vol. 479. No. 1-2. P. 37—44.Kumar N., Choudhuri D., Banerjee R., Mishra R.S. Strength and ductility optimization of Mg—Y—Nd—Zr alloy by microstructural design. Int. J. Plasticity. 2015. Vol. 68. P. 77—97.Kumar N., Choudhuri D., Banerjee R., Mishra R.S. Strength and ductility optimization of Mg—Y—Nd—Zr alloy by microstructural design. Int. J. Plasticity. 2015. Vol. 68. P. 77—97.Feng H., Liu H., Cao H., Yang Y., Xu Y., Guan J. Effect of precipitates on mechanical and damping properties of Mg—Zn—Y—Nd alloys. Mater. Sci. Eng.: A. 2015. Vol. 639. P. 1—7.Feng H., Liu H., Cao H., Yang Y., Xu Y., Guan J. Effect of precipitates on mechanical and damping properties of Mg—Zn—Y—Nd alloys. Mater. Sci. Eng.: A. 2015. Vol. 639. P. 1—7.Suzuki M., Kimura T., Koike J., Maruyama K. Effects of zinc on creep strength and deformation substructures in Mg—Y alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2004. Vol. 387-389. P. 706—709.Suzuki M., Kimura T., Koike J., Maruyama K. Effects of zinc on creep strength and deformation substructures in Mg—Y alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2004. Vol. 387-389. P. 706—709.Andersson J.O., Helander T., Höglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-Calc and DICTRA, Computational tools for materials science. CALPHAD. 2002. Vol. 26. P. 273—312.Andersson J.O., Helander T., Höglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-Calc and DICTRA, Computational tools for materials science. CALPHAD. 2002. Vol. 26. P. 273—312.Thermo-Calc Software TTMG3 Magnesium alloys database version 3 (accessed 1 June 2017).Thermo-Calc Software TTMG3 Magnesium alloys database version 3 (accessed 1 June 2017).Gulliver G.H. The quantitative effect of rapid cooling upon the constitution of binary alloys. J. Inst. of Metals. 1913. Vol. 9. P. 120—157.Gulliver G.H. The quantitative effect of rapid cooling upon the constitution of binary alloys. J. Inst. of Metals. 1913. Vol. 9. P. 120—157.Scheil E. Bemerkungen zur Schichtkristallbildung. Zeitschrift für Metallkunde. 1942. Bd. 34. S. 70—72.Scheil E. Bemerkungen zur Schichtkristallbildung. Zeitschrift für Metallkunde. 1942. Bd. 34. S. 70—72.Zhang H., Fan J., Zhang L. Wu G., Liu W., Cui W., Feng S. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical properties and fracture behaviors of sand-cast Mg—4Y—3Nd—1Gd—0.2Zn—0.5Zr alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2016. Vol. 677. P. 411—420.Zhang H., Fan J., Zhang L. Wu G., Liu W., Cui W., Feng S. Effect of heat treatment on microstructure, mechanical properties and fracture behaviors of sand-cast Mg—4Y—3Nd—1Gd—0.2Zn—0.5Zr alloy. Mater. Sci. Eng.: A. 2016. Vol. 677. P. 411—420.Rzychoń T., Kiełbus A. Microstructure of WE43 casting magnesium alloys. J. Achievements Mater. Manufactur. Eng. 2007. Vol. 21. P. 31—34.Rzychoń T., Kiełbus A. Microstructure of WE43 casting magnesium alloys. J. Achievements Mater. Manufactur. Eng. 2007. Vol. 21. P. 31—34.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.