ОПТИМІЗАЦІЯ РЕЖИМУ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НОВОГО БІОДЕГРАДУЮЧОГО СПЛАВУ Mg-Zr-Nd З ПІДВИЩЕНИМИ МЕХАНІЧНИМИ ВЛАСТИВОСТЯМИ
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-3-5Ключові слова:
біодеградуючий магнієвий сплав, система Mg-Zr-Nd, термічна обробка, температура гартування, механічні властивості, мікроструктура, псевдоевтектична фаза.Анотація
Мета. Розробити раціональний режим термічної обробки нового біодеградуючого магнієвого сплаву системи Mg-Zr-Nd для забезпечення підвищених механічних властивостей протягом всього періоду обробки.
Методи дослідження. Диференціально-термічний аналіз (ДТА) використовувався для визначення температур фазових перетворень. Аналіз мікроструктури проводився за допомогою оптичної мікроскопії («Neophot 32» та «OLYMPUS IX 70») та скануючої електронної мікроскопії з енергодисперсійною рентгенівською спектроскопією (SELMI РЕМ-106I). Механічні властивості визначалися на випробувальній машині INSTRON 2801. Вплив швидкості охолодження на мікроструктуру та властивості вивчався за допомогою програмного забезпечення ProCAST. Термічна обробка проводилася в шахтній печі типу Bellevue та печі ПAП-4M. Рентгенівський аналіз використовувався для виявлення внутрішніх дефектів у зразках.
Результати. Розроблено новий режим термічної обробки для біодеградуючого сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%). За допомогою диференціально-термічного аналізу та дослідження мікроструктури при різних температурах гартування встановлено оптимальну температуру гартування 560°C. Розраховано емпіричні залежності, що описують вплив параметрів термічної обробки на мікроструктуру сплаву. Новий режим термічної обробки (гартування від 560°C протягом 8 годин, охолодження на повітрі + старіння при 200°C протягом 16 годин) призвів до покращення механічних властивостей (σB = 276-282 МПа, δ = 5,2–5,8%) порівняно зі стандартним режимом T6.
Наукова новизна. Вперше проведено комплексне дослідження впливу параметрів термічної обробки на структуру та властивості нового сплаву Mg-3,15Nd-1,25Zr-0,6Zn (мас.%) з підвищеним вмістом легуючих елементів. Встановлено нові залежності, що описують вплив температури гартування на розмір зерна сплаву.
Практична цінність. Розроблено новий режим термічної обробки біодеградуючого магнієвого сплаву, який забезпечує повне розчинення псевдоевтектичної фази та формування зміцнюючих фаз, що призводить до покращення механічних властивостей порівняно зі стандартним сплавом Mg-2,5Nd-0,4Zn-0,5Zr (мас.%) та стандартним режимом T6.
Посилання
Shalomeev, V.A., Tsyvirko, E.I., Aikin, M.D., Chornyy, V.V. (2017). Perspektyvy vykorystannya biorozchynnykh mahniyevykh splaviv dlya osteosyntezu [Prospects for using biodegradable magnesium alloys for osteosynthesis]. Metaloznavstvo ta obrobka metaliv, 1, 39–44.
Aikin, M.D., Shalomeev, V.A., Tsyvirko, E.I. (2019). Biorozchynnyy lyvarnyy splav medychnoho pryznachennya na osnovi mahniyu [Biodegradable cast magnesium-based alloy for medical purposes]. Metaloz-navstvo ta obrobka metaliv, 25(92), 38–46.
Shalomeev, V.A., Tsivirko, E.I., Aikin, N.D. (2019). High-quality magnesium-based alloys with im-proved properties for engineering. Innovative materials and technologies in metallurgy and mechanical engineer-ing, 1, 56–61.
DSTU EN 1753:2022 (EN 1753:2019, IDT). (2022). Mahniy ta mahniyevi splavy. Zlyvky ta vylyvky iz mahniyevykh splaviv [Magnesium and magnesium alloys. Magnesium alloy ingots and castings]. Kyiv:
DP “UkrNDNTS”.
DSTU ISO 16220:2008. (2013). Mahniy i mahni-yevi splavy. Zlyvky ta vylyvky z mahniyevykh splaviv. Tekhnichni umovy [Magnesium and magnesium alloys. Magnesium alloy ingots and castings. Specifications] (ISO 16220:2005, IDT). Kyiv: Derzhspozhyvstandart Ukrayiny.
Wu, D., Ma, Y.Q., Chen, R.S., Ke, W. (2014). Ef-fect of heat treatment on the microstructures and me-chanical properties of the sand-cast Mg-2.7Nd-0.6Zn-0.5Zr alloy. Journal of Magnesium and Alloys, 2, 20–26.
Waizy, H., Diekmann, J., et al. (2014). In vivo study of a biodegradable orthopedic screw (MgYREZr-alloy) in a rabbit model for up to 12 months. Journal of Biomaterials Applications, 28(5), 667-675.
Feyerabend, F., Fischer, J., et al. (2010). Evalua-tion of short-term effects of rare earth and other elements used in magnesium alloys on primary cells and cell lines. Acta Biomaterialia, 6, 1834–1842.
Zhang, X., Yuan, G., et al. (2012). Effects of ex-trusion and heat treatment on the mechanical properties and biocorrosion behaviors of a Mg-Zn-Zn-Zr alloy. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Mate-rials, 7, 77–86.
Marukawa, E., Tamai, M., et al. (2015). Com-parison of magnesium alloys and poly-L-lactide screws as degradable implants in a canine fracture model. Journal of Biomedical Materials Research B: Applied Biomateri-als, 1–8.
Zheng, X., Luo, P., Dong, J., Wang, S. (2019). The effect of casting speed on microstructure, mi-crosegregation, and mechanical properties of high-strength Mg-Nd-Zn-Zr alloy. Journal of Materials Engi-neering and Performance, 1–9. https://doi.org/10.1007/s11665-019-3878-0
Liu, S.J., Yang, G.Y., Luo, S.F., Jie, W.Q. (2015). Microstructure evolution during heat treatment and me-chanical properties of Mg-2.49Nd-1.82Gd-0.19Zn-0.4Zr cast alloy. Materials Characterization, 107, 334–342.
Fu, P.H., Peng, L.M., Jiang, H.Y., Ma, L., Zhai, C.Q. (2008). Chemical composition optimization of gravi-ty cast Mg-yNd-xZn-Zr alloy. Materials Science and En-gineering: A, 496(1-2), 177–188.
Jie, W., Qudong, W., Bing, Y., Haiyan, J., Wen-jiang, D. (2019). Effect of heat treatment on the micro-structure and mechanical property of vacuum die-casting NZ30K Mg-alloy. Chinese Journal of Materials Research, 33(1), 1–8.
Shi, W., Ma, Y. (2013). Microstructure of ZM6 magnesium alloy with different Nd content. Rare Metals, 32(3), 234–240.
Penghuai, F., Liming, P., Haiyan, J., Jianwei, C., Chunquan, Z. (2008). Effects of heat treatments on the microstructures and mechanical properties of Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr (wt. %) alloy. Materials Science and Engi-neering: A, 486, 183–192.
Zhu, S., Eastom, M.A., Abbot, T.B., Gibson, M.A., Nie, J. (2016). The influence of individual rare earth elements (La, Ce, of Nd) on creep resistance of die-cast magnesium aloe AE44. Advanced Engineering Materials, 18(6), 932–937.
Li, J., Chen, R., Ma, Y., Ke, W. (2013). Effect of Zr modification on solidification behavior and mechani-cal properties of Mg-Y-Re (WE54) alloy. Journal of Mag-nesium and Alloys, 1, 346–351.
DSTU ISO 6892-1:2019 (ISO 6892-1:2016, IDT). (2019). Metalevi materialy. Vyprobuvannya na roztyah. Chastyna 1. Metod vyprobuvannya za kimnatnoyi temperatury [Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature]. Kyiv: DP “UkrNDNTS”.
DSTU 8972:2019. (2021). Stali ta splavy. Meto-dy vyyavlennya ta vyznachennya velychyny zerna [Steels and alloys. Methods for detecting and determining grain size]. Kyiv: DP “UkrNDNTS”.
Avedesian, M., & Baker, H. (Eds.). (1999). ASM Specialty Handbook: Magnesium and Magnesium Al-loys. Materials Park, OH: ASM International.
Wu, D., Chen, R.S., Ke, W. (2014). Microstruc-ture and mechanical properties of a sand-cast Mg-Nd-Zn alloy. Materials and Design, 58, 324–331.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
