Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
64 Глава2.Магнийиегосплавы и твердом состояниях. Высокая жаропрочность сплавов с РЗМ объясняется с высокой дисперсностью продуктов распада при старении. В частности, лантан способствует увеличению механических свойств при комнатной и повышенных температурах. Кадмий обладает неограниченной растворимостью в твердом магнии. Он повышает технологическую пластичность сплавов, обеспечивая условия для более высоких степеней деформации, что приводит к повышению механических свойств. Несмотря на то, что в последние годы увеличен спроси расширены области применения магниевых сплавов, современной литературы на данную тему, особенно отечественной, недостаточно. Поэтому при выборе или разработке сплава, удовлетворяющего заданному уровню свойств, приходится обращаться к ранее опубликованной литературе, учитывать технологию получения детали и влияния состава. Поскольку магниевые сплавы, как правило, имеют три или четыре легирующих элемента, то их фазовый состав необходимо изучать с помощью многокомпонентных диаграмм состояния. Термическая обработка магниевых сплавов Слитки деформируемых магниевых сплавов подвергают гомогенизации для повышения технологичности при горячей обработке давлением. Гомогенизацию слитков магниевых сплавов часто совмещают сих нагревом под обработку давлением. Нагрев металла при такой совмещенной операции бывает достаточно длительным, но меньшим, чем при гомогенизации, и большим, чем при нагреве под обработку давлением. Температура начала рекристаллизации чистого магния равна — 150 °C, а магниевых сплавов — 250–280 °C. Поэтому рекристаллиза‑ ционный отжиг магниевых сплавов обычно проводят при температуре — 350 °C. Отжиг при более высоких температурах приводит к росту зерна, что снижает механические свойства магниевых сплавов. Рекри‑ сталлизационный отжиг существенно уменьшает различия в свойствах полуфабрикатов вдоль и поперек волокна. Для деформированных полуфабрикатов после технологической обработки (прокатки, создающей остаточные напряжения, проводят отжиг для снятия этих напряжений во избежание коробления 65 2.2.Термическаяобработкамагниевыхсплавов Магниевые сплавы подвергают также закалке и старению. Особенность этих видов термической обработки обусловлена небольшой скоростью диффузионных процессов. Нагрев под закалку способствует частичному или полному растворению избыточных фаз литейного происхождения, а также тех, которые образуются при горячей деформации. Последующее охлаждение полуфабриката при закалке формирует пересыщенный твердый раствор, который затем распадается при старении. Пересыщенные растворы на основе магния, за исключением сплавов магния РЗМ, фиксируются при сравнительно небольших скоростях охлаждения. Поэтому магниевые сплавы обычно закаливают на воздухе, иногда — в кипящей воде. Естественного старения в магниевых сплавах не происходит, те. выдержка закаленных сплавов при комнатной температуре не вызывает практически никаких изменений структуры и свойств (исключение составляют сплавы на основе системы Mg–Li). После закалки магниевые сплавы подвергают искусственному старению, которое по продолжительности процесса значительно дольше, чему алюминиевых сплавов. Следует отметить, что магниевые сплавы нечасто подвергают старению. Связано это стем, что в состаренном состоянии для многих сплавов характерна пониженная пластичность и слабое упрочнение в результате прерывистого распада раствора, идущего по границам зерен. Термически упрочняемые деформируемые магниевые сплавы после горячей обработки давлением подвергают закалке без старения, часто с охлаждением на воздухе в струе теплого воздуха, или закалке с последующим старением.Виды термической обработки и их обозначение представлены в табл. Таблица Обозначение видов термической обработки для магниевых сплавов Вид термообработки Обозначение (ГОСТ Искусственное старение после литья Т1 Отжиг Т2 Закалка на воздухе Т4 Закалка на воздухе и старение Т6 Закалка вводу и старение Т61 66 Глава2.Магнийиегосплавы 2.3. Закономерности структурных изменений при деформации магниевых сплавов Структура после холодной деформации При комнатной и более низких температурах пластичность магния и его сплавов, за исключением сплавов Mg и Li, мала. Поэтому их обработка давлением проводится при повышенных температурах. К холодной деформации могут быть отнесены только правка листов на многовалковых правильных машинах, правка растяжением прессованных изделий и прокатка тонких толщиной < 3 мм) листов. При растяжении магниевых сплавов заметных изменений в микроструктуре не происходит. Можно отметить только появление небольшого количества двойников, распространяющихся от границ внутрь зерна. В таких образцах по мере нарастания деформации наблюдается увеличение плотности дислокаций с последующим образованием дислокационных петель. Для холоднокатаных листов наиболее характерно образование полосчатой структуры. При холодной и теплой прокатке с обжатиями 1–3 % за проход узкие и короткие полосы (полосы сжатия) расположены равномерно по сечению листа, наклонены под углами 40–50° к направлению прокатки и параллельны поперечному направлению, те. в направлении действия максимальных касательных напряжений. Эти полосы сжатия представляют собой полосы интенсивного двойникования и сдвига. Строение полос и их ширина различны в разных сплавах. Так, в сплаве Mg–Li они представляют собой отдельные двойники, переходящие из зерна в зерно в сплаве MA 2–1 полоса захватывает несколько двойникованных зерен в сплавах МА и МФ15 полосы узкие, и отдельные двойники можно наблюдать только при исследованиях в электронном микроскопе. Полосы деформации являются концентраторами напряжений. Излом таких образцов происходит всегда вдоль полос деформации. В поперечных образцах полосы параллельны направлению испытания и не сказываются на механических свойствах. Охрупчивающее действие полос деформации проявляется при ковке и штамповке при пониженных температурах, когда пытаются получить повышенные прочностные свойства нагартовкой. Увеличить пластичность можно, подняв температуру деформации до температуры начала рекристаллизации 67 2.3.Закономерностиструктурныхизмененийпридеформациимагниевыхсплавов Структура после горячей деформации. Обработка давлением промышленных деформируемых магниевых сплавов проводится обычно при температурах 350–450 °C, превышающих температуру начала рекристаллизации. Поэтому их структура после горячей деформации полностью или частично рекристаллизованна. Прессованные полуфабрикаты из сплавов, не содержащих циркония, имеют полностью рекристаллизованную структуру. Она характеризуется равноосным зерном размером 10–30 мкм. В сплавах с цирконием почти всегда наблюдается ярко выраженная строчечность вдоль направления прессования кристаллизованные зерна имеют специфичную прямоугольную форму. Такая форма зерна определяется тем, что рост зерен в поперечном направлении тормозится гидридами циркония, образующимися при гомогенизации или непосредственно в процессе деформации при взаимодействии растворенного циркония с водородом. Гидриды несклонны к коагуляции, поэтому тормозящее действие их сохраняется до высоких температур. Структура плит и листов толщиной > 3 мм после горячей или холодной прокатки характеризуется локализацией деформации в полосах. Различие только в том, что при горячей деформации частично или полностью происходит рекристаллизация и наблюдается большая разнозерни‑ стость. Области мелкозернистой структуры расположены аналогично полосам деформации в холоднокатаных листах (под углом 40–50° к направлению прокатки) и чередуются с крупнозернистыми областями. При этом в плитах, несмотря на высокую температуру обработки (380–480 °C), могут оставаться участки нерекристаллизован‑ ной структуры. Аналогичная структура может быть получена при отжиге листов после теплой прокатки. Различие в структуре горяче‑ и холоднокатаных листов проявляется в том, что в первом случае полосы более редкие и шире, чем при холодной прокатке. Форма и расположение полос в сильной степени зависят от режимов прокатки, главным образом от величины обжатия за проход чем больше величина обжатия, тем реже полосы деформации. Большая степень обжатия за проход на толстых (> 3 мм) листах приводит к тому, что полосы здесь расположены реже. Кроме того, если при холодной прокатке четко выражены две системы полос деформации (наклоненные на ± 40–50° к направлению прокатки, то при горячей прокатке часто сильно выражена только одна система 68 Глава2.Магнийиегосплавы Влияние горячей деформации на температурный интервал рекристаллизации Нерекристаллизованная структура в полуфабрикатах магниевых сплавов дает возможность повысить прочностные свойства на 20–30 %. Для получения такой структуры деформацию необходимо проводить ниже температуры начала рекристаллизации (п н ). Необходимо выделить общие закономерности влияния различных факторов на п н в случае деформации при повышенных температурах. Степень деформации влияет на п н только в области малых деформаций (10–15 %); чем выше степень деформации, тем ниже п н. Температура деформации начинает заметно повышать п нс температур 200–250 °C. 3. Повышение скорости деформации снижает п н Деформация при повышенных температурах способствует расширению интервала рекристаллизации магниевых сплавов, особенно содержащих цирконий. Это происходит из‑за повышения температуры конца рекристаллизации (р к Т определяется началом рекристалли‑ цазии в полосах деформации, те. в местах максимальной деформации, а п н — рекристаллизацией в объеме между полосами, где степень деформации намного ниже. В случае деформации при пониженных температурах, когда структура полностью нерекристаллизована, отжигом удается получить по‑ лигонизованную структуру в полосах деформации. Однако эта структура очень нестабильна, и при увеличении времени выдержки в полосе начинается рекристаллизация, в то время как в объеме между полосами структура остается деформированной. Литейные магниевые сплавы Литейные магниевые сплавы предназначены для получения деталей методом фасонного литья. Российские литейные магниевые сплавы маркируют буквами МЛ. Литейные магниевые сплавы (ГОСТ 2856–79) подразделяют наследующие основные группы высокопрочные сплавы жаропрочные сплавы, легированные РЗМ. 69 2.4.Литейныемагниевыесплавы В целом структура всех литейных магниевых сплавов влитом состоянии в результате неравновесной кристаллизации имеет две структурные составляющие первичные кристаллы Mg и неравновесную эвтектику, которая в результате вырождения представлена выделениями отдельных фаз по границам дендритных ячеек магниевого твердого раствора. При нагреве под закалку неравновесные фазы кристаллизованного происхождения переходят в твердый раствори после закалки структура сплавов состоит из пересыщенного раствора легирующих элементов в магнии. В отдельных случаях структура этого сплава может состоять из зерен (раствора на базе магния и остатков частиц фаз, не растворившихся при нагреве под закалку. После закалки вводе границы зерен (раствора, как правило, металлографически очень трудно выявить. При этом после закалки на воздухе они выявляются травлением гораздо легче из‑за того, что около них при медленном охлаждении частично успевает пройти распад раствора с выделением дисперсных фаз. Старение сплавов после закалки проходит также с выделением дисперсных интерметаллидов, и распад пересыщенного раствора при этом начинается по границам зерен. Как литейные материалы, магниевые сплавы хуже алюминиевых, так каких технологичность при литье значительно ниже, в первую очередь из‑за сильной окисляемости. 2.4.1. Высокопрочные литейные магниевые сплавы К высокопрочным литейным магниевым сплавам относят сплавы, предназначенные для длительной эксплуатации при температурах до 150–200 При выборе легирующих элементов в целях создания высокопрочных литейных магниевых сплавов необходимо обратить внимание наследующие условия. Основной легирующий элемент должен достаточно хорошо растворяться в магнии, а величина растворимости — уменьшаться с понижением температуры, что допускает применение термической обработки — закалки и старения. Наиболее важный фактор — размеренный, связанный с разным атомным радиусом магния и добавки. К числу хороших упрочнителей относятся алюминий, цинк, цирконий, РМЗ. 70 Глава2.Магнийиегосплавы 3. Количество основного легирующего элемента должно быть близко к пределу растворимости. Структура должна быть мелкозернистой, что достигается модифицированием сплавов (например, цирконием) или путем перегрева расплава перед разливкой. Легирующие элементы должны после старения образовывать ультрадисперсные частицы стабильных фаз сложного состава, вызывающие появление микрогетерогенности внутри зерен твердого раствора. Сплавы систем Mg–Al–Zn. Литейные магниевые сплавы этой системы имеют широкий интервал кристаллизации (180–250 °C), поэтому их литейные свойства невысоки. По этой же причине объемная усадка в отливках из магниевых сплавов проявляется в основном в виде усадочной пористости, что приводит к снижению механических свойств и нарушению герметичности отливок. Широкий интервал кристаллизации служит также причиной образования горячих трещин. Состав основных литейных магниевых сплавов приведен в табл. Таблица Состав основных литейных магниевых сплавов (ГОСТ 2856–79) Система Марка Среднее содержание легирующих элементов — остальное, % Al Mn Zn Zr Cd РЗМ Прочие элементы высокопрочные литейные магниевые сплавы МЛ 8,5 0,35 МЛ 9,5 0,35 МЛ 6,0 0,35 МЛ МЛ 0,9 МЛ 0,8 – 1 жаропрочные литейные магниевые сплавы Mg–Nd МЛ9 – – 0,7 – 2,2 Nd 0,5 МЛ 0,5 – 2,4 Сплав МЛ — самый широко используемый литейный магниевый сплав системы Mg–Al–Zn. Согласно фазовой диаграмме (см. рис. 2.3) в результате неравновесной кристаллизации структура сплава будет состоять из двух структурных составляющих первичных кристаллов Mg 71 2.4.Литейныемагниевыесплавы и неравновесной двойной эвтектики Mg + Mg 17 Al 12 , которая в результате вырождения представлена выделениями фазы Mg 17 Al 12 (точнее, (Mg, Zn) 17 (Al, Zn) 12 ). Этот интерметаллид хорошо выделяется на светлом фоне магниевого твердого раствора в виде четко очерченных светлых включений по границам дендритных ячеек (рис. Рис. 2.10. Структура сплава МЛ влитом состоянии Марганец в сплаве МЛ частично входит в твердый раствор на базе магния, а частично — в состав алюминидов типа (AlMn) и (AlMn). В алюминидах марганца растворена вся примесь железа. Таким образом, как уже отмечалось выше, марганец предотвращает образование самостоятельных железосодержащих фаз, резко снижающих стойкость против коррозии магниевых сплавов. При медленной кристаллизации в песчаной форме алюминиды марганца довольно крупные, извилистые и вытянуты по границам зерен. При быстрой кристаллизации в кокиле (металлической форме) они более мелкие и округлые. Вокруг включений интерметаллида эвтектического происхождения часто встречаются темные участки твердого (раствора, в которых при замедленном охлаждении в литейной форме, особенно в песчаной, успел произойти распад пересыщенного раствора с выделением Сплав МЛ используют в состоянии после закалки си реже после закалки и старения прич) или прич. Благодаря высокой устойчивости переохлажденного раствора сплав Мл можно закаливать с охлаждением на воздухе. Старение сплава МЛ 72 Глава2.Магнийиегосплавы после закалки проходит также с выделением дисперсного интерметаллида Рис. 2.11. Структура сплава МЛ после закалки си старения при 180 °C в течение 20 ч Прерывистый распад пересыщенного (раствора начинается по границам зерен (рис. 2.11). При больших увеличениях видно, что выделения фазы Mg 17 Al 12 имеют пластичную форму. С увеличением продолжительности старения распад охватывает все большую площадь шлифа. Сплав МЛ — литейные свойства удовлетворительны, но он склонен к пористости и образованию темных оксидных включений (черноты. Из‑за значительной усадки и малой жидкотекучести сплав Мл рекомендуется для литья в песчаные формы. Сплав МЛ — наиболее легированный, имеет наилучшие литейные свойства, обладает более высокими упругими свойствами. Механические свойства перечисленных сплавов представлены в табл. Отличительной особенностью и несомненным недостатком литейных сплавов системы Mg–Al–Zn является склонность к образованию микрорыхлот, те. скоплению пор по границам зерен и дендритных ячеек Mg. Принято считать, что микрорыхлоты имеют в основном усадочное происхождение, но это явление может усиливаться в случае выделения водорода вовремя кристаллизации 73 2.4.Литейныемагниевыесплавы Таблица Механические свойства отливок сплавов на базе Mg–Al–Zn, полученных различными способами литья, после закалки и старения Марка сплава Способ литья Режим термо‑ обработки Механические свойства σ В , МПа, МПа d , % МЛ4 З, ОТ Т 230 – 2 МЛ5 З, О, К Т4 230 85 Т 230 – 2 МЛ6 З, О, К Т4 220 110 Т 220 140 З — литье в землю, О — в оболочковые формы, Кв кокиль. Сплавы систем Mg –Zn–Zr. Сплавы данной системы по сравнению со сплавами системы Mg–Al–Zn обладают следующими преимуществами) более высокие прочностные характеристики) малая чувствительность механических свойств отливок к толщине сечения) более высокое отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву) меньшая чувствительность механических свойств к влиянию ми‑ крорыхлоты. Кроме цинка и циркония, сплавы настоящей системы содержат РЗМ и кадмий, а также серебро (см. табл. 2.3). Серебро, входя в твердый раствор на основе магния, повышает прочность и пластичность сплавов. Сплав МЛ обладает удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими применять его для литья крупных сложных отливок в песчаные формы и кокиль. У него высокие прочностные свойства как влитом (в = 220 МПа, σ 0,2 = 120 МПа, таки в состаренном состоянии (в = 250 МПа, σ 0,2 = 150 МПа. Благодаря легированию цирконием сплав отличается повышенной жаропрочностью, его применяют для получения отливок прочных и герметичных деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. К недостаткам сплава МЛ можно отнести плохую свариваемость и склонность к образованию трещин кристаллизационного проис‑ хождения. |