Сu
Эти литейные сплавы близки по составу к дуралюминам: они содержат около 4,5 % Си М, нов отличие от дуралюминов не содержат магния. Для измельчения зерна в них вводят небольшую добавку титана. Главное достоинство сплавов этой группы — высокая прочность и жаропрочность, а основной недостаток — худшие, по сравнению с силуминами, литейные свойства. По составу эти сплавы находятся вблизи точки предельной растворимости при эвтектической температуре (см. рис. 1.3, в, имеют широкий интервал кристаллизации и содержат очень мало эвтектики, в основном неравновесной. Поэтому они склонны к образованию усадочной пористости и горячих трещин.
Сплав АМ4,5 Кд (см. табл. 1.11 и 1.12) — самый прочный из всех литейных алюминиевых сплавов. По уровню прочности в состоянии Т при литье в кокиль (s в ≥ 500 МПа) он превосходит наиболее прочный ковочный сплав АК8 (см. табл. 1.3). Сплав подвергают двухступенчатому нагреву под закалку сначала прич для рассасывания наиболее легкоплавкой неравновесной эвтектики в массивных частях отливок, а затем прич для более полного растворения избыточных фаз. Исключительно важную роль играет добавка
0,07–0,25 % Cd, которая при старении по режиму Т (170 °C, 6–10 ч) способствует выделению фазы‑упрочнителя θў (Св очень дисперсной форме. Сплав без добавки кадмия имеет s в меньше примерно на 100 МПа. Следует отметить, что высокие механические свойства сплава достигаются только при весьма низком содержании примеси железа (не более 0,15 %).
52Глава1.Алюминийиегосплавы Сплавы на основе системы Типичные представители этой группы — сплавы АМг6л и АМг10 см. табл. 1.11 и 1.12), содержащие в среднем 6 и 10 % Mg и малые добавки титана, циркония и бериллия (буквой л в конце марки АМг6л этот литейный сплав отличается от деформируемого магналия АМг6).
Свойства сплавов определяются главным легирующим элементом — магнием, который упрочняет сплав, входя в твердый раствор на основе алюминия (см. рис. 1.3, б. Рассматриваемые сплавы подвергают только закалке (режим Т, так как старение дает небольшой прирост прочности, но значительно снижает пластичность и коррозионную стойкость.
В литом состоянии сплавы содержат неравновесную эвтектику, которая вырождена в фазу β (Mg
5
Al
8
), расположенную по границам дендритных ячеек. Из‑за хрупкости фазы литые сплавы с такой структурой малопластичны. При нагреве под закалку фаза полностью переходит в твердый раствори закаленные сплавы отличаются высокой пластичностью.
Малые добавки титана и циркония модифицируют литую структуру. Кроме того, эти элементы частично входят в твердый раствор, обусловливая твердорастворное упрочнение. Добавка бериллия, образующая плотную и прочную оксидную пленку, предохраняет сплавы свысоким содержанием магния от окисления при плавке, литье и тер‑
мообработке.
По стойкости против общей коррозии, в том числе в морской воде, сплавы на основе системы Al–Mg значительно превосходят все другие литейные алюминиевые сплавы, что и определяет области их применения. Однако следует учитывать, что нагрев сплава АМг10 выше 80 °C приводит к выделению по границам зерен тонких пленок фазы, обусловливающих склонность к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Органические недостатки сплавов на базе системы А — плохие литейные свойства из‑за широкого интервала кристаллизации, достигающего 100–120 °C, и очень низкая те‑
плопрочность. Так, при 300 °C предел сточасовой прочности s
100 300
сплава АМг10 в 2 раза меньше, чем силумина АК8 Мчи враз меньше, чем жаропрочного сплава АМ4,5 Кд. Для длительной работы при повышенной температуре сплавы Al–Mg непригодны 531.5.Областиприменения 1.5. Области примененияАлюминиевые сплавы являются доминирующим конструкционным материалом в авиации. Их применяют для изготовления силовых элементов самолета обшивки, шпангоутов, лонжеронов, нервюра также топливных и масляных баков. Алюминиевые сплавы, все более широко применяемые в судостроении, имеют существенное преимущество перед сталями. Алюминиевые корпуса не обрастают ракушками, что резко ухудшает обтекаемость корабля и снижает скорость его движения. На очистку стального корпуса от ракушек тратится очень много времени и средств. Поэтому, хотя первоначальная стоимость алюминиевого корпуса дороже стального, в эксплуатации он дешевле и первоначальные избыточные затраты быстро окупаются. Высокая электропроводность алюминия обусловливает широкое применение его для массивных проводников электрического тока (линии передач, оболочки высоковольтных кабелей, шины распределительных устройств, те. там, где наиболее ощутимы его преимущества по сравнению с другими материалами. Так, алюминиевые оболочки кабелей обладают меньшей плотностью и большей прочностью, чем свинцовые. Для этих целей расходуют большое количество алюминия. В промышленно развитых странах примерно 15 % всего произведенного алюминия расходуется на электротехнические нужды. Алюминиевые сплавы широко используют в строительстве и транспортном машиностроении. Алюминий и некоторые его сплавы обладают свойством не терять пластичности при криогенных температурах, поэтому из них изготавливают резервуары для хранения криогенных жидкостей, например, жидкого метана (температура –161 °C). Из чистого алюминия делают теплообменники для снижения гелия, который, как известно, переходит в жидкое состояние при 4 К. Алюминий и его сплавы применяют в промышленных и бытовых холодильниках. Хорошо известно применение алюминия в пищевой промышленности. Тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,009 мм применяют для упаковки различного вида продуктов. Из алюминиевой ленты толщиной 0,2–0,3 мм изготавливают консервные банки 54Глава1.Алюминийиегосплавы Остановимся еще на одном специфическом применении алюминиевых сплавов, а именно в атомных реакторах. Большинство атомных реакторов сейчас работает на тепловых нейтронах. Для конструктивных элементов таких реакторов нужны металлы, слабо поглощающие нейтроны. Алюминий, относящийся к их числу, кроме того, обладает хорошей коррозионной стойкостью в горячей воде и перегретом паре, СО, те. в тех средах, которые часто применяют в качестве теплоносителя в реакторах Глава 2. Магний и его сплавы М агний — двухвалентный элемент, имеющий ГП решетку с соотношением осей с = 1,62 (с = 0,02 нм, a = 0,32 нм, почти равным теоретическому значению (1,633). По химическим свойства магний относится к щелочноземельным металлам. Температура плавления магния чистотой 99,99 % составляет 651 °C. Плотность магния при 20 °C — 1,738 г/см³. Значения тепло и электропроводности составляют 1/3 от соответствующих значений для меди. Модули Юнга и сдвига невелики и составляют всего 44,1 ГПа и 17,85 ГПа соответственно. Однако удельные значения этих характеристик почти такие же, как у алюминия. Модули упругости магния анизотропны. Магний при низких температурах обладает невысокой пластичностью (s в = 180 МПа) выше, чему алюминия (s в = 70 МПа). Магний — химически активный металл. Свежая поверхность металла быстро тускнеет из‑за окисления на воздухе с образованием на поверхности оксидной пленки из MgO, которая защищает от окисления до температуры 450 °C. При более высоких температурах резко возрастает скорость окисления магния, оксидная пленка становится рыхлой, пористой, вследствие чего облегчается доступ кислорода к поверхности металла. При нагреве на воздухе до температур выше 623 °C магний воспламеняется и горит, излучая ослепительный яркий свет. Таким образом, оксидная пленка на магнии не обладает достаточными защитными свойствами при повышенных температурах 56Глава2.Магнийиегосплавы 2.1. Общие особенности структуры и свойств магния и его сплавовВлияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства магниевых сплавовПромышленность выпускает несколько марок первичного магния табл. 2.1). По ГОСТ 8040150–93 первичный магний маркируется буквами Мг (содержание магния не менее 99,00 %), а цифры — сотые доли. Таблица Химический состав стандартных марок первичного магния
Марка
Mg, %, не менее
Всего примесей, %
Мг80
Мг90
Мг95
Мг98 99,80 99,90 99,95 99,98 0,20 0,10 0,05 Кроме производства сплавов на его основе, магний используется для получения титана магниетермическим способом и легирования алюминиевых сплавов, а изделия из чистого магния не производят. В последние десятилетия увеличилась доля использования магниевых сплавов в виде легких конструкционных материалов в автомобильной промышленности, в качестве конструкционных материалов в изделиях электроники и оптических приборах.
Все компоненты, входящие в состав магниевых сплавов, можно, как ив алюминиевых, разделить натри группы основные легирующие элементы, малые добавки и примеси. Одни и те же элементы могут относиться к разным группам в зависимости от их количества и состава сплава. Однако такие химические элементы, как никель, железо и медь, являются наиболее вредными примесями в деформируемых и литейных магниевых сплавах, так как они снижают коррозионную стойкость изделий и их содержание строго контролируется и ограничивается.
В качестве основных легирующих элементов в большинстве промышленных литейных и деформируемых сплавов используют алюминий, цинк, неодим и литий. Основными легирующими элементами их
57
2.1.Общиеособенностиструктурыисвойствмагнияиегосплавов
называют потому, что они вводятся в магний в относительно больших количествах (проценты) и определяют главные особенности структуры и свойств сплавов.
Алюминий
и цинк — наиболее распространенные основные легирующие элементы в магниевых сплавах общего назначения, поскольку они более доступны и менее дороги, чем остальные. В равновесии св системе Mg–Zn находится промежуточная фаза MgZn (73 % Zn), образующаяся по перитектической реакции L + Mg
2
Zn
3
→ MgZn при температуре 349 °C (рис. 2.1). Максимальная растворимость цинка в твердом магнии составляет примерно 8 % и с понижением температуры уменьшается допри Рис. 2.1. Фазовая диаграмма системы В системе Mg–Al ближайший к магнию является конгруэнтно‑пла‑
вящаяся промежуточная фаза переменного состава на основе интерметаллида Mg
17
Al
12
(46 % Al). При температуре 437 °C эта фаза совместно с (Mg) участвует в эвтектическом равновесии L → Mg + Максимальная растворимость алюминия в магнии при температуре эвтектики составляет 12,7 % и уменьшается при понижении температуры (см. рис. В трехкомпонентной системе Mg–Al–Zn кроме перечисленных фаз, в равновесии с магниевым твердым раствором может присутствовать тройная фаза T (Al
2
Zn
2
Mg
2
), которая при температуре 380 °C участвует в эвтектическом равновесии L → Mg + Al
2
Zn
3
Mg
3
+ Mg
17
Al
12
(см. рис. 2.3).
58
Глава2.Магнийиегосплавы
Mg
10 20 30 40
Al, %
(Mg)
200
T, °C
651°
437°
12,7
L+(Mg)
L
(Mg)+
+γ(Mg Al )
17 12 300 400 500 600
γ(Mg Al )
17 Рис. 2.2. Фазовая диаграмма системы Mg–Al
Mg
2 4 6 8 10 12 Al, %
4
a
6 8
Zn
, %
2 6
10
(Mg)
651°
a
7
a
8
a
9
a
10 341°
a
1
a
2
a
3
a
4
a
5 437°
200°
380°
200
°
405°
338°
200
°
200
°
Mg
Zn
2 3
(Mg)+Mg
Zn
2 3
(Mg)+
T
T
T
T
Zn
:Mg=2,5
:1
(Mg)+
T+Mg
Zn
2 Рис. 2.3. Магниевый угол системы В сплавах системы Mg–Al–Zn основным упрочнителем является алюминий. Цинк повышает механические свойства в меньшей сте‑
592.1.Общиеособенностиструктурыисвойствмагнияиегосплавов пени. Большая переменная растворимость данных элементов в магнии (см. рис. 2.3) позволяет применять закалку и старение. Практически наибольший эффект закалки наблюдается у сплавов, содержащих суммарно > 7 %Al и Zn. При этом максимальное значение предела прочности достигается в сплавах, где содержание цинка составляет 1–4 % , но его упрочняющее действие сохраняется лишь до температур 150–200 °C. Введение цинка измельчает зерно, однако его количество необходимо ограничивать во избежание повышенной пористости сплавов.
В системе Mg–Ce ближайшей к магнию является инконгруэнтно‑
плавящаяся промежуточная фаза, которая совместно c Mg участвует в эвтектическом равновесии L → Mg + Mg
9
Ce. Максимальная растворимость церия в магнии при температуре эвтетики составляет 0,74 % и уменьшается при понижении температуры (рис. 2.4). Дисперсные включения фазы Mg
9
Ce способствуют измельчению зерна магниевого раствора, повышению прочности и пластичности
10 20 30 40
Ce, %
(Mg)
T, °C
651°
0,74
L+(Mg)
L
(Mg)+Mg Ce
9 300 400 500 600 Рис. 2.4. Фазовая диаграмма системы Неодим с магнием образует промежуточную фазу Mg
9
Nd (39,5 % Nd), которая способствует повышению сопротивления ползучести сплавов (см. рис. 2.5). Ее образование при старении повышает прочность за счет создания дисперсной гетерогенной структуры
60
Глава2.Магнийиегосплавы
Mg
5 10 15 20
Nb, %
(Mg)
T, °C
651°
L+(Mg)
L
(Mg)+Mg Nb
9 200 400 600 Рис. 2.5. Фазовая диаграмма системы При литье крупных слитков и отливок с большими поверхностями сплавы, содержащие церий и неодим, легируют малым количеством бериллия для защиты от окисления. Содержание данного элемента обычно не превышает 0,0001 % во избежание роста зерна.
Легирование магния литием, имеющим плотность 0,53 г/см
3
, приводит к значительному снижению плотности полученных сплавов
(1,3–1,6 г/см
3
) и, следовательно, к повышению удельных характеристик их механических свойств. Плотность магниево‑литиевых сплавов на 10–25 % меньше плотности магниевых сплавов других систем и почти на 50 % — алюминиевых сплавов. Жесткость конструкций из магниево‑литиевых сплавов выше жесткости конструкций из других материалов, включая сталь и титан. К тому же в системе Mg–Li с увеличением содержания лития происходит смена фазового состава от фазы с ГП структурой к фазе с ОЦК решеткой (см. рис. 2.6), что способствует резкому росту пластичности. Это связано с появлением фазы в структуре сплавов, имеющей большее число систем скольжения, свойственных кубический структуре.
Цирконий с магнием промежуточных фаз не образует. При концентрациях Zr > 0,4–0,5 % из жидкости первично кристаллизуется твердый раствор на основе циркония (см. рис. При температуре 654 °C имеется нонвариантное перитектическое превращение. Растворимость циркония в жидком магнии при этой
61
2.1.Общиеособенностиструктурыисвойствмагнияиегосплавов
температуре составляет 0,6 %, а в твердом магнии — 3,6 %. Растворимость циркония в твердом магнии резко уменьшается при понижении температуры и при 300 °C составляет — 0,3 %.
Mg
20 40 60 80
Li, %
T, °C
651°
L
200 400 600 604°
588°
5,7 Рис. 2.6. Фазовая диаграмма системы Mg–Li
Mg
1 2 3
Zr, %
(Mg)
T, °C
L+(Zr)
L
(Mg)+(Zr)
800 400 600 654°
3,6 Рис. 2.7. Фазовая диаграмма системы Выделение частиц циркониевого раствора способствует увеличению числа центров кристаллизации в расплаве и, следовательно, измельчению зерна основной фазы магниевого твердого раствора.
В сплавах системы Mg–Al–Zn цирконий оказывает демодифици‑
рующее действие. Поэтому его количество ограничивают до 0,0002 %. В тоже время в сплавах системы Mg–Zn–Zr (см. рис. 2.8) последний
62Глава2.Магнийиегосплавы элемент применяется как легирующий. Его вводят в магний совместно с цинком для измельчения зерна 4 8 Zr, % 4 a6 8 Zn , % (Mg) 651° a7 a8 340° a1 a2 a3 a4 a5 300° Mg Zn 2 3 (Mg)+Mg Zn 2 3 P4 300 ° 300 ° 300 ° (Mg)+ZrZn +Mg Zn 2 2 3 ZrZn 2 (Mg)+ZrZn 2 E2 (Mg)+Mg Zr 2 (Mg)+ZrZn +Mg Zr 2 2 Mg Рис. 2.8. Фазовая диаграмма системы Слитки и отливки имеют однородную мелкозернистую структуру, мало зависящую от толщины сечения, и, как следствие, высокие и однородные механические свойства. Помимо эффективного измельчения зерна он оказывает рафинирующее действие, очищая сплавы от вредных примесей Fe и Si. Цирконий препятствует также росту зерна при рекристаллизации и является незаменимым элементом в жаропрочных магниевых сплавах, работающих при температурах 250–300 °C. Кроме того, цирконий связывает водород, препятствуя тем самым развитию пористости и повышая коррозионную стойкость магниевых сплавов. Марганец используется как основной легирующий элемент в деформируемых магниевых сплавах. Он не образует с магнием промежуточных соединений (см. рис. 2.9) и выделяется почтив чистом виде
63
2.1.Общиеособенностиструктурыисвойствмагнияиегосплавов
Mg
2 4 6 8
Mn, %
T, °C
651°
L
200 400 600 652°
3,4 Рис. 2.9. Фазовая диаграмма системы При температуре 652 °C Mn участвует св перитектической реакции L + Mn → Mg; при этом максимальная растворимость Mn в Mg составляет 3,4 % при 652 °C допри. При 200 °C она практически равна нулю. Однако сплавы систем Mg–Mn термической обработкой не упрочняются из‑за невысокой концентрации марганца в твердом растворе и недостаточной дисперсности выделений фазы Mn. Основная цель легирования магния марганцем — улучшение коррозионной стойкости и свариваемости. Повышение коррозионной стойкости объясняется образованием нерастворимых в расплаве соединений марганца с железом, которые при плавке оседают на дно тигля из‑за большей их плотности, и тем самым нейтрализуется вредное влияние железа.
Некоторые магниевые сплавы приготавливают из чистейшего магния, что приводит к повышению пластичности и коррозионной стойкости. Например, используют литейные сплавы МЛ4пч (пч — повышенная чистота сплава. Сплав МЛ применяют также для общего назначения, в этом случае его маркируют МЛ5он. Сплавы марок МЛ5пч, МЛ, МЛ5он имеют один и тот же химический состав, но различаются по чистоте. Суммарное содержание примесей в сплавах МЛ5пч, МЛ и МЛ5он составляет 0,14; 0,5 и 0,7 % соответственно.
Редкоземельные металлы (РЗМ) образуют с магнием химические соединения, которые повышают жаропрочность и технологические свойства, а также позволяют снизить окисляемость сплавов в жидком
|
Скачать 7.2 Mb.