Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
Сплав МЛ относится к системе Mg–Zn–Zr–Cd. Высокое содержание цинка и дополнительное легирование кадмием позволяет значи‑ 74 Глава2.Магнийиегосплавы тельно повысить прочность (в = 290 МПа) и улучшить технологические свойства сплава. Введение кадмия, растворяющегося в магниевом твердом растворе, не изменяет фазового состава сплава. Сплав МЛ подвергают термообработке по режиму Т (закалка с 490 °C, охлаждение сжатым воздухом и старение прич) или по режиму Т (закалка с 490 °C, охлаждение в горячей воде 90 °C, старение при 165 °C, 24 ч). При нагреве под закалку избыточные фазы переходят в Mg, и после закалки сплав МЛ содержит одну фазу — пересыщенный твердый раствор всех легирующих элементов в магнии. Максимальные свойства у сплава достигаются в результате старения после закалки в воде. Сплав МЛ в состоянии Т обладает высокими механическими свойствами, особенно пределом текучести (σ 0,2 = 205 МПа. Он превосходит сплав МЛ повременному сопротивлению на 25 % и по пределу текучести в 2 раза. Высокие механические свойства сплава МЛ позволяют получать из него отливки ответственного назначения кронштейны, фермы, детали приборов и аппаратов, требующих высокой усталостной прочности. Рабочие температуры — допри кратковременной эксплуатации — до 200 °C. Предел ползучести сплава МЛ составляет s 0 2 100 100 , / = 45 МПа, предел усталости σ –1 = 75 МПа. Сплав МЛ содержит 1 % La, который способствует повышению литейных свойств за счет увеличения количества эвтектики, повышает жаропрочность, улучшает свариваемость, уменьшает склонность к образованию микрорыхлот и горячих трещин. Сплав Мл обладает хорошими литейными свойствами. Он пригоден для получения сложных крупногабаритных и каркасных отливок, детали из которых могут работать под высоким внутренним давлением. Отличается повышенной герметичностью и хорошей свариваемостью. Обладает наиболее высокой жаропрочностью среди всех высокопрочных сплавов. Рабочие температуры — до 200 °C (кратковременно до 300–350 °C). 2.4.2. Жаропрочные литейные магниевые сплавы Легирование магния РЗМ и цирконием позволило повысить рабочие температуры на 150–200 °C по сравнению с высокопрочными литейными магниевыми сплавами. Жаропрочные литейные магни‑ 75 2.4.Литейныемагниевыесплавы евые сплавы пригодны для длительной эксплуатации при температурах 250–350 °C и кратковременной — до 400 °C. Влияние данных легирующих элементов на фазовый состав, содержащих РЗМ, обеспечивает) создание сложнолегированного термически стабильного твердого раствора именно введение трехвалентных РЗМ и иттрия приводит к повышению сил межатомной связи в Mg; 2) создание гетерогенной дисперсной структуры в процессе старения за счет выделения фазы Mg 9 Nd; 3) повышение термической стабильности и температуры коагуляции упрочняющих фаз) укрепление границ зерен, что достигается образованием тонкого каркаса частиц фаз, блокирующих границы зерен. Все жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе систем с ограниченной и переменной растворимостью элементов в твердом состоянии в зависимости от температуры. Поэтому литые детали из рассматриваемых сплавов обрабатывают в термически твердом состоянии, так как они значительно упрочняются с помощью закалки и старения. В сплав МЛ вместе си введена добавка Zn (до 0,7 %) для повышения эффективности термической обработки. В результате существенно увеличиваются предел текучести и сопротивление ползучести сплава. Сплав МЛ применяют в состоянии Т (закалка сна воздухе и старение прич. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, высокой механической стабильностью, а также хорошей коррозионной стойкостью. Из него получают отливки нагруженных деталей двигателей самолетов, различных корпусных деталей. Рабочие температуры допри кратковременной эксплуатации — до 350 Сплав МЛ дополнительно легирован 0,5 % In (см. табл. 2.3), который самостоятельной фазы не образует и находится в твердом растворена основе магния, способствуя его дополнительной стабилизации при длительных выдержках до 300 Сплав МЛ, также как и сплав МЛ, обладает хорошими литейными и механическими свойствами. Он имеет наибольшую жаропрочность среди сплавов этой группы и пригоден для длительной эксплуатации при температурах до 300 °C. 76 Глава2.Магнийиегосплавы 2.5. Деформируемые магниевые сплавы Деформируемые магниевые сплавы предназначены для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением. Российские деформируемые магниевые сплавы маркируют буквами «МА». Так как основными легирующими элементами в деформируемых магниевых сплавах являются Al, Zn, Zr, Mn, Li, и РЗМ, тов данном случае сплавы рассмотрены как литейные — по группам, в зависимости от той системы, к которой они относятся по своему химическому составу. В целом структура слитков всех деформируемых магниевых сплавов аналогична структуре литейных сплавов, те. она состоит из первичных кристаллов Mg и неравновесной эвтектики. При нагреве под закалку и при старении происходят те же структурные изменения, что ив литейных сплавах. Деформируемые магниевые сплавы (ГОСТ 14957–76) подразделяют наследующие основные группы высокопрочные сплавы жаропрочные сплавы, легированные РЗМ; · ультралегкие сплавы, легированные литием. Состав основных деформируемых сплавов приведен в табл. Таблица Состав основных деформируемых магниевых сплавов (ГОСТ 14957–76) Система Марка Среднее содержание легирующих элементов — остальное, % Al Mn Zn Zr Cd РЗМ Прочие элементы высокопрочные деформируемые магниевые сплавы Mg–Al–Zn МА2‑1 4,5 0,5 МАМА МАМА МАМА МАМА 77 2.5.Деформируемыемагниевыесплавы Система Марка Среднее содержание легирующих элементов — остальное, % Al Mn Zn Zr Cd РЗМ Прочие элементы жаропрочные деформируемые магниевые сплавы МАМА Nd – ультралегкие деформируемые магниевые сплавы МАМА. Высокопрочные деформируемые магниевые сплавы Сплавы систем Mg –Al–Zn. Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии, которая сохраняется в тройной системе Mg–Al–Zn. Растворяясь в магнии, алюминий и цинк обеспечивают достаточно большой эффект растворного упрочнения. Промышленные сплавы системы Mg–Al–Zn обычно содержат 4–8 % Al; 0,2–1,5 % Zn; 0,15–0,5 % Mn. Чрезмерно большие концентрации алюминия приводят к пониженной пластичности сплавов в горячем и холодном состояниях. Цинк повышает не только прочность, но и относительное удлинение сплавов магния с алюминием. Однако при содержании > 1,5 % Zn ухудшает обрабатываемость давлением сплавов системы Сплавы системы Mg–Al–Zn склонны к коррозии под напряжением. Коррозионная стойкость сплавов тем ниже, чем больше содержание алюминия. Цинк не влияет на коррозионную стойкость магниевых сплавов, а марганец ее повышает. К наиболее распространенным сплавам системы Mg–Al–Zn–Mn относятся МА и МА пч. Менее распространенные сплавы данной системы — МАМА и МА Сплавы МАМА, МА пч и МА не подвергают закалке и старению. После горячей обработки давлением в состоянии поставки структура полуфабрикатов из этих сплавов состоит из рекристаллизованных зерен (раствора и остатков нерастворив‑ шихся при температуре горячей деформации частиц избыточных фаз (см. рис. Окончание табл. 2.5 78 Глава2.Магнийиегосплавы Рис. 2.12. Структура горячекатаной плиты сплава МА прокатка слитка за 8–10 проходов) Более высокопрочный сплав МА обычно подвергают закалке, а в отдельных случаях закалке и последующему старению. В промышленных условиях сплав МА деформируют при температурах 275–400 °C. Из него изготавливают прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки. Сплав сваривается аргонодуговой икон тактной сваркой, рекомендуется для длительной работы при 150 °C и кратковременной — при 200 Сплавы МА и МА пч деформируют вгорячую. Из них получают все виды полуфабрикатов. Сплавы свариваются аргонодуговой сваркой. Сплавы МА и МА деформируют вгорячую. Из них получают все виды полуфабрикатов. Свариваемость сплавов понижена, они склонны к образованию трещин при сварке. Сплавы систем Mg –Zn–Zr. Деформируемые сплавы МАМА, МАМА принадлежат к системе Mg–Zn–Zr (см. табл. Сплавы этой группы дополнительно легируют кадмием и РЗМ. Кадмий, неограниченно растворяющийся в магнии, повышает технологическую пластичность сплавов, их прочностные и пластические свойства. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных темпе‑ ратурах. Большинство магниевых сплавов применяют в отожженном или го‑ рячедеформированном состоянии 79 2.5.Деформируемыемагниевыесплавы Сплав МА отличается самым высоким пределом текучести — 300 МПа. Его подвергают искусственному старению после горячей обработки давлением, что позволяет повысить временное сопротивление разрыву на 20–40 МПа, а предел текучести 40–50 МПа относительное удлинение при этом падает в 1,5–2 раза. Закалка прессованных и штампованных полуфабрикатов из сплава МА с нерекристалли‑ зованной структурой не дает положительных результатов, так как эффект разупрочнения при рекристаллизации в результате нагрева под закалку не компенсируется в достаточной степени упрочнением при последующем искусственном старении. Из сплава МА изготавливают прессованные и кованые полуфабрикаты. Детали из этого сплава могут работать длительно при температурах до 120 °C, кратковременно — до 200 Недостатком сплава является его неудовлетворительная свариваемость и склонность к образованию трещин в процессе горячей де‑ формации. Сплав МА относится к сплавам средней прочности, кроме цинка и циркония он содержит церий. Из‑за высокой пластичности хорошо прокатывается методом рулонной прокатки. Из него получают любые полуфабрикаты, в том числе штамповкой — детали сложной формы. Сплав хорошо сваривается, обладает хорошей коррозионной стойкостью Сплав МА содержит кадмий, а также лантан, который повышает прочностные свойства и свариваемость. Из него получают все виды полуфабрикатов. Сплав МА — самый прочный сплав. Дополнительно содержит кадмий и неодим. Из него делают прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки. Сплав отличается плохой свариваемостью при аргонодуговой сварке и хорошей — приконтактной роликовой и точечной сварке. Сплавы системы Mg–Mn. Сплав МА относится к деформируемым сплавам системы Mg–Mn, которые термической обработке не подвергаются. Он предназначен для изготовления листовых деталей внутренней обшивки самолетов, плит и штамповок сложной конфигурации, профилей и труб для деталей топливной арматуры. Сплав обладает высокими технологическими свойствами, хорошо прокатывается, прессуется и штампуется, имеет высокие значения предела прочности и длительной прочности 80 Глава2.Магнийиегосплавы 2.5.2. Жаропрочные деформируемые магниевые сплавы, легированные РЗМ Чаще всего основным легирующим элементом в этих сплавах является неодим. Для легирования сплавов применяют также иттрий, цинк, индий и другие металлы. Сплав МА (3 % Nd) дополнительно легирован марганцем и никелем и при этом не содержит циркония. Из‑за присутствия никеля коррозионная стойкость сплава МА низкая, и поэтому он не нашел широкого применения. В сплаве МА (3 % Nd и 0,5 % Zr) неодим образует фазу Mg 9 Nd, которая расположена в виде сетки по границам зерен. Эта сетка их тугоплавкого соединения образует жесткий каркас, затрудняющий прохождение пластической деформации в сплаве при повышенных температурах. Именно благодаря этому обеспечивается высокая жаропрочность влитом состоянии. При обработке давлением сетка частиц соединения Mg 9 Nd дробится, и включения этой фазы выстраиваются вдоль направления деформации, в результате чего образуется анизотропная строчечная структура. Сплав МА относится к термически упрочняемым сплавам. Его подвергают закалке с последующим старением по режиму Т (закалка с 530 °C, охлаждение в горячей воде и старение при 200 °C в течение 16 ч). После термообработки строчечная структура полностью исчезает или остается слабовыраженной. В процессе старения происходит выделение дисперсных частиц тугоплавкой фазы Mg 9 Nd. Благодаря этому затрудняется пластическая деформация сплава как при комнатной, таки при повышенных температурах, растут механические свойства, в том числе и пределы длительной прочности и ползучести. Из сплава МА изготавливают листы, прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки для сварных конструкций, долгое время работающих при температурах до 200 °C. 2.5.3 Ультралегкие деформируемые магниевые сплавы на базе системы Mg–Li Магниево‑литиевые сплавы являются одними из самых легких конструкционных металлических материалов. В зависимости от содержания лития и структуры эти сплавы подразделяют натри группы 81 2.5.Деформируемыемагниевыесплавы 1. Сплавы с концентрацией Li дона основе твердого раствора лития в магнии с ГП решеткой. Сплавы имеют прочностные свойства на уровне стандартных деформируемых сплавов (плотность на 5–10 % ниже. Сплавы с концентрацией Li 5,7–10,3 %, имеющие двухфазную структуру. С ростом концентрации лития возрастает пластичность, но падает прочность. Сплавы с концентрацией Li > 10,3 % на основе твердого раствора магния влитии с ОЦК решеткой являются самыми легкими конструкционными сплавами. К сплавам настоящей системы могут быть отнесены сплавы ИВМ1 сплав, МА (сплав) и МА (β‑сплав). Наиболее легкими и перспективными считаются сплавы МА и МА18. Сплав МА влитом состоянии содержит чередующиеся один относительно другого светлые области твердого раствора лития и темные — твердого раствора магния влитии (рис. Рис. 2.13. Структура сплава МА влитом состоянии травитель 0,5 % HNO 3 в спирте) Сплав МА подвергают холодной и горячей деформации. После обработки давлением структура сплава ИА21 состоит из вытянутых зерен твердых α‑ и растворов и дисперсных выделений избыточных фаз (см. рис. 2.14). 82 Глава2.Магнийиегосплавы Рис. 2.14. Структура сплава МА в горячедеформированном состоянии Сплав МА подвергают отжигу при температурах 150–170 °C в течение 6–16 ч. Сплав МА отличается высокими прочностными характеристиками (в = 200–280 МПа) и высокой коррозионной стойкостью. Он предназначен для средненагруженных конструкций, работающих при температурах до 100 Сплав МА, также как и сплав МА, подвергают горячей и холодной деформации. Температура горячей деформации сплава МА (150–300 °C) значительно ниже, чему других деформируемых магниевых сплавов. Сплав МА применяют после отжига при температуре 150 °C в течение 16 ч без предварительной закалки. Сплав МА является сверхлегким конструкционным сплавом, обладающим высокой пластичностью, технологичностью при обработке давлением, достаточной прочностью (в = 150–220 МПа, коррозионной стойкостью. Он может применяться для малонагруженных конструкций, работающих при нормальных и криогенных температурах Глава 3. Титан и его сплавы Т итан — переходный металл IV группы Периодической системы, атомный номер 22, температура плавления — 1670 °C, плотность — 4,505 г/см 3. При температурах до 882,5 °C устойчива низкотемпературная модификация титана с ГП решеткой (α = 0,29503 нм, с = 0,46831 нм, с = 1,5873), при более высоких температурах, вплоть до плавления, существует высокотемпературная модификация с ОЦК решеткой (α = 0,3282 нм. Титан имеет очень низкую теплопроводность — в 4 раза меньшую, чему железа. Модули упругости титана невелики и анизотропны в направлении оси модуль Юнга равен 146 ГПа, а в перпендикулярном направлении — 106 ГПа. Чистейший иодидный титан (99,9–99,9 % Ti) обладает высокой пластичностью при сравнительно низкой прочности (в = 220–260 МПа σ 0,2 = 100–125 МПа d = 50–270 %), что объясняют отношением периодов кристаллической решетки с = 1,587, которое меньше, чему идеальной ГП решетки, поэтому скольжение идет в небазисных плоскостях. В β‑Ti механизм скольжения такой же, как ив других металлах с ОЦК решеткой. Титан благодаря защитной пленке из рутила (TiO 2 ) обладает при комнатной температуре очень высокой коррозионной стойкостью в воздушной атмосфере, морской воде и во многих агрессивных средах. При повышенных температурах титан активно взаимодействует с кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода, водяным паром, аммиаком. При нагреве на воздухе в основном происходит окисление. По этой причине плавка и заливка титановых сплавов ведется в вакуумных печах. В расплавленном состоянии титан реагирует со всеми известными формовочными и огнеупорными материалами, поэтому его плавят в гарнисаже — своеобразной скорлупе из того же металла, помещенной в охлаждаемый графитовый тигель. Водород из металла можно удалить вакуумным отжигом 84 Глава3.Титаниегосплавы Титановый сплав имеет достаточно высокие литейные свойства вследствие малого интервала кристаллизации и высокую жидкотекучесть, что обеспечивает получение плотных отливок. Для изготовления тонкостенных деталей из титановых сплавов применяют центробежное литье, при котором заполнение формы расплавом и его кристаллизация происходят под воздействием центробежных сил. Сочетание высокой удельной прочности (выше, чему большинства сталей) и коррозионной стойкости определяет главную область применения титановых сплавов аэрокосмическая техника. Титановые сплавы применяют в авиации и ракетостроении для деталей, работающих до температур — 500 °C, когда алюминиевые и магниевые сплавы использовать нельзя. Другие важные области применения титана и его сплавов — химическое машиностроение и судостроение. Общие структуры и свойства титана и его сплавов. Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов Технически чистый титан получают магниетермическим способом в виде титановой губки — пористого вещества серого цвета. В обозначении марки титановой губки (ГОСТ 17746–96) после букв «ТГ» следует число твердости по Бринеллю, измеренное на выплавленных из губки эталонных образцах ТГ90, ТГ100, ТГ110, ТГ120, ТГ 130, ТГ150. Чем выше твердость, тем больше примесей содержит титановая губка (табл. Таблица Химический состав губчатого титана (ГОСТ Марка Максимальная твердость HB Примеси, % не более Fe Si C Cl N O ТГ90 90 0,06 0,01 0,02 0,08 0,02 0,04 ТГ100 100 0,07 0,02 0,03 0,08 0,02 0,04 ТГ110 110 0,09 0,03 0,03 0,08 0,02 0,05 ТГ120 120 0,11 0,03 0,04 0,08 0,03 0,06 ТГ130 130 0,13 0,04 0,04 0,10 0,03 0,08 ТГ150 150 0,20 0,04 0,05 0,12 0,04 0,10 |