Ливарні алюмінієві сплави
Діючий у цей час стандарт на алюмінієві сплави (ГОСТ 1583-89) передбачає їхній розподіл на 5 груп:
І - сплави на основі системи А1 - Sі - Мg
ІІ - сплави на основі системи Al - Sі - Сu
ІІІ - сплави на основі системи Al - Сu
ІV - сплави на основі системи Al - Mg
V - сплави на основі системи алюміній - інші компоненти.
У таблиці 7 наведені деякі марки сплавів цієї групи і їх хімічний склад.
Характерним представником алюмінієвих ливарних сплавів є силуміни - це сплави алюмінію із кремнієм, що звичайно містять 10 - 13% Sі (AK12) (рис. 9).
Мікроструктура литих доевтектичних силумінів складається зі світлих дендритів a - твердого розчину кремнію в алюмінії й подвійний евтектики a + Sі голчастого типу, рис. 9в (тому що розчинність Al в Sі при кімнатній температурі становить 0,05% , припустимо вважати, що в структурі сплавів при низьких температурах присутня не b - твердий розчин, а кремній).
Пластинчаста форма кремнію в евтектиці визначає низькі механічні властивості силумінів. Подвійні силуміни мають невисокі механічні властивості, до того ж вони є термічно не зміцнюємими.
Рис. 9. Мікроструктура силумінів (праворуч - схематичне зображення): а) доевтектичний, б) евтектичний в) заевтектичний, г) модифікований.
Мікроструктура сплаву евтектичного складу складається з евтектики a + Sі. При звичайному способі лиття ця евтектики має груба будова (рис. 9б). Кремній у ній перебуває у вигляді грубих голок. У силумінах заевтектичного складу первинно кристалізуються багатогранні кристали Sі ясно-сірого кольору (рис. 9в). Кремній крихкий, тому силуміни мають низькі механічні властивості (ϭb = 120 - 160 МПа, δ = 1 - 2%). Щоб позбутися грубої евтектики й первинних кристалів, сплави модифікують, тобто перед розливанням у розплав уводять невелика кількість натрію (0,05 - 0,08% до маси сплаву) або кальцію, бору. У результаті модифікування (рис. 7 - пунктир) збільшується концентрація кремнію в евтектиці (з 11,7% до 15%) і сплави переохолоджуються відносно рівноважно евтектичною температури 577°С. Силуміни заевтектичного складу, що містять 11,7 - 15% Sі, стають доевтектичними, і в їхній структурі замість первинних тендітних кристалів кремнію є дендрити пластичного a - твердого розчину (рис. 9г). Переохолодження приводить до формування в структурі дрібнозернистої евтектики.
Модифікування поліпшує не тільки механічні властивості силумінів (ϭb = 170 - 200 МПа, δ = 3 - 5%), але й ливарні. Модифіковані силуміни добре зварюються й мають високу корозійну стійкість.
Для підвищення міцності подвійні силуміни легують магнієм, міддю й піддають термічній обробці.
По призначенню конструкційні ливарні алюмінієві сплави умовно діляться на наступні групи:
1) сплави, що відрізняються високою герметичністю (АК12, АК8);
2) високоміцні жароміцні сплави (АМ5, АК5М);
3) корозійно-стійкі сплави (Амг10; АЦ4Мг).
Магній і його сплави
Магній для поліпшення властивостей легують Al, Zn, Mn, Zr, Nd, La, Ce, Lі. Основні легуючі елементи магнієвих сплавів утворюють із боку магнію діаграми евтектичного типу - Al, Zn, Nd, La, Ce, Lі й перитектичного типу - Mn, Zr, які можуть значно розчинятися в магнії, що забезпечує твердосумішне зміцнення. Нікель, залізо й мідь ставляться до шкідливих домішок магнієвих сплавів, вони знижують корозійну стійкість виробів, тому їх зміст у сплавах обмежують.
Промислові магнієві сплави залежно від їхнього призначення діляться на дві групи: деформуємі, призначені для виробництва напівфабрикатів різними методами обробки тиском; ливарні, призначені для одержання деталей методами фасонного лиття. Ливарні магнієві сплави (ГОСТ 2856- 79) підрозділяються на сплави середньої й високої міцності системи Mg-Al-Zn (МЛ4, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6), високоміцні сплави на базі системи Mg-Zn-Zr (МЛ8, МЛ 12, МЛ 15, МЛ 18) і жароміцні сплави, леговані рідкісноземельними металами, системи Mg- РЗМ - Zr (МЛ 9, МЛ 10, МЛ11, МЛ 19).
Ливарні магнієві сплави першої групи МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ5пч, МЛ6 є найпоширенішими ливарними сплавами.
Вони ставляться до системи Mg-Al-Zn з невеликим легуванням марганцем. Алюміній у цих сплавах є основним зміцнювачем, цинк впливає на властивості. Марганець уводять до складу сплавів для підвищення корозійної стійкості.
Інтервал кристалізації цієї групи сплавів буває більше, ніж алюмінієвих сплавів. Він становить 180-250°С, тому магнієві сплави мають знижену текучість. Недоліком ливарних сплавів системи Mg-Al-Zn є схильність до утвору мікрорихлот, тобто скупченню пор по границях зерен і дендритних гнізд твердого розчину, що мають в основному усадочне походження, що приводить до зниження механічних властивостей і порушенню герметичності. Міждендритна пористість може підсилюватися при виділенні водню під час кристалізації.
Сплави першої групи МЛ5 і МЛ6 мають відносно кращі ливарні властивості: мають гарну текучість, менш схильні до утвору мікрорихлот і пористості, внаслідок чого придатні до виливка складних по конфігурації деталей. Вони мають задовільну корозійну стійкість після оксидування, добре обробляються різанням. Сплав МЛ5 використовують для виготовлення виливків відповідальних деталей при литті в землю й у кокіль, які працюють в умовах значних навантажень.
Наявність змінної розчинності алюмінію й цинку в магнії зі зміною температури забезпечує можливість зміцнення сплавів системи Mg-Al-Zn при загартуванні й старінні. Частіше застосовується загартування, рідше загартування й старіння. При нагріванні під загартування до температури 415°С з витримкою 12-24 год нерівновагі фази ливарного походження переходять у твердий розчин. Характерною рисою всіх магнієвих сплавів є мала швидкість дифузійних процесів, пов'язаних з розчиненням і виділенням інтерметалічних фаз. Це дозволяє робити загартування виробів на повітрі. Під час охолодження на повітрі фаза
Mg17Al12 не встигає виділитися із твердого розчину, тому після загартування, що підвищує міцність і пластичність, сплав МЛ5 складається з пересиченого розчину алюмінію й цинку в магнії. Магнієві сплави не завжди піддають старінню. Це пов'язане з тим, що в зістареному стані для багатьох сплавів характерна знижена пластичність і слабке зміцнення, як у сплавах системи Mg-Al-Zn.
Більш значне зміцнення при старінні відбувається в сплавах систем Mg-Zn-Zr і Mg-РЗМ- Zr. При старінні відбувається розпад твердого розчину, що супроводжується виділенням дисперсних інтерметалідів.
Ливарні сплави другої групи МЛ 12, МЛ 15, що ставляться до системи Mg-zn-zr, у порівнянні зі сплавами системи Mg-Al-zn, мають наступні переваги: більш високими міцнісними характеристиками; малою чутливістю механічних властивостей виливків до товщини перетину й усадочної пористості.
Сплави третьої групи, що ставляться до системи Mg - РЗМ - Zr (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19), відрізняються високою жароміцністю. При тривалій експлуатації вони можуть працювати до 250-300 °С, а при короткочасних - до 400 °С. Ливарні жароміцні сплави системи Mg - РЗМ - Zr при кімнатній температурі малопластичні, мають середню міцність (ϭв = 160-250 МПа). Однак міцність цих сплавів при температурах 200-300 °С виявляється в 3-4 рази вище, чим сплавів системи Mg-Al-zn. Це пояснюється утвором у структурі сплавів, стійких до розпаду інтерметалічних фаз і евтектичних включень із високою темnературою плавлення. Ливарний сплав МЛ 10 використовується до темnератур 250 °С, він термічно обробляється по режиму Т6 (загартування й старіння). Сплав має вузький інтервал кристалізації, тому має гарні ливарні властивості.
Міцність і пластичність ливарних магнієвих сплавів суттєво поліпшується при здрібнюванні зерна. Це досягається різними способами: перегрівом розплаву перед розливанням, уведенням у розплав невеликих кількостей (до 1% від маси шихти) спеціальних присадок, уведенням цирконію. У структурі ливарних сплавів присутній значна кількість надлишкових інтерметалідних фаз, які погіршують пластичність сплавів. Умови охолодження литих сплавів впливають на структурні складові, у тому числі на розміри й форму виділень інтерметалідів. При застосуванні підвищених швидкостей охолодження (наприклад, при литті в кокіль) кількість і розмір цих часток помітно зменшується.
Деформуємі магнієві сплави (ГОСТ 14957-76) залежно від властивостей і легуючих елементів діляться на кілька груп: корозійностійкі сплави системи Mg-mn (МА1, МА8); сплави середньої й високої міцності системи Mg-Al-zn-mn (МА2, МА2-1, МА3, МА5); високоміцні сплави системи Mg-zn- Zr (МА14, МА15, МА19); жароміцні сплави системи Mg- РЗМ (МА11, МА12); надлегкі сплави системи Mg- Lі (МА18, МА21).
Сплави на базі системи Mg-Mn ставляться до термічно незміцнюваним. Типовими представниками даної групи є сплави МА1 і МА8. Легування марганцем поліпшує корозійну стійкість сплавів через утворення нерозчинних з'єднань марганцю із залізом і підвищує зварюваність. Велике поширення одержав сплав МА8 на базі системи Mg-Mn-Ce. Уведення церію зміцнює сплав при легуванні твердого розчину на основі магнію й здрібнюванні зерна. Сплав МА8 має високі значення тимчасового опору, границі текучості й відносного подовження; добре обробляється в холодному стані.
Сплав МА8 призначений для виготовлення листових деталей, плит і штампувань складної конфігурації, профілів і труб.
Друга група деформованих магнієвих сплавів МА2, МА2-1, МА3, МА5 ставиться до системи Mg-Al-zn. Вплив легуючих елементів на структуру й властивості даної групи сплавів аналогічно впливу легуючих елементів на ливарні алюмінієві сплави тієї ж системи. Найпоширенішим сплавом є сплав МА2-1. Він відрізняється від сплаву МА8 більшим опором розриву й має високу технологічність, гарну зварюваність. Сплав легко прокочується й піддається всім видам листового штамnування, термічно не зміцнюється.
Третя група сплавів МА14, МА15, МА19, МА20 належить до системи Mg-zn-zr. Сплави цієї групи так само, як і ливарні, відрізняються високими механічними властивостями, що обумовлене зміцнюючим впливом цинку й цирконію. При введенні цирконію утворюються нерозчинні інтерметалідні фази із залізом, які осідають на дно, і сплав очищається від заліза, шкідливої домішки магнієвих сплавів. Цирконій сприяє збільшенню центрів кристалізації при литті, перешкоджає росту зерна при рекристалізації й поліпшує корозійну стійкість.
Сплави додатково легують кадмієм і РЗМ. Кадмій, що необмежено розчиняється в магнії, підвищує міцнісні й пластичні властивості сплавів. Рідкісноземельні елементи, утворюючи інтерметаліди, поліпшують механічні властивості сплавів, особливо при підвищених температурах.
Сплав МА14 піддають термічній обробці по режиму Т1 (старінню при 170 °С протягом 16 год без попереднього загартування) після гарячої обробки тиском. Недоліком сплаву є його незадовільна зварюваність і схильність до утвору тріщин у процесі гарячої деформації.
Четверта група представлена жароміцними сплавами, на базі системи Mg- РЗМ (МА11, МА12). Основний легуючий елемент у цих сплавах - неодим (2,5-3,5%), причому сплав МА11 додатково легований марганцем і нікелем, а сплав МА12 - цирконієм. Неодим забезпечує високу жароміцність, яка обумовлена достатньою стабільністю твердого розчину й невеликою швидкістю коагуляції зміцнюючої фази Mg9Nd при температурі експлуатації. Основна мета легування цирконієм - це здрібнювання зерна, що викликає поліпшення технологічної пластичності.
Сплав МА12 піддають загартуванню з наступним старінням по режиму Т6 (загартуванню з 530°С, охолодженню в гарячій воді й старінню при 200°С протягом 16 год). Зі сплаву МА12 виготовляють аркуші, пресовані напівфабрикати, кування й штамnування для зварених конструкцій, тривалий час працюючих при температурах до 200 °С.
П'яту групу становлять сплави МА18, МА21 системи Mg- Lі. Легування магнію ще більш легким металом - літієм приводить до значного зменшення їх щільності. Залежно від змісту літію й структури ці сплави підрозділяють на три групи: сплави (< 5,7% Lі) на основі а- твердого розчину літію в магнії із ГПУ ґратами; сплави (5,7-10,3% Lі), що мають двофазну (а + γ)-структуру; сплави (> 10,3% Lі) на основі в- в- твердого розчину магнію в літії з ОЦК ґратами. Зі сплавів цієї групи найбільший інтерес представляють γ - сплав МА18 і (а + в)- сплав МА21. Сплав МА18 відрізняється найменшою щільністю серед магнієвих сплавів і високою пластичністю. Сплав МА21 має більш високу міцність і корозійну стійкість.
Термічно зміцнюємі деформуємі магнієві сплави після гарячої обробки тиском піддають загартуванню без старіння, часто з охолодженням на повітрі в струмені теплого повітря, або загартуванню
с наступним старінням. Нагрівання під загартування сприяє розчиненню надлишкових фаз ливарного походження, а також фаз, що виділилися при гарячій деформації. Наступне охолодження напівфабрикату при загартуванні формує пересичений твердий розчин, який потім розпадається при старінні.
Маркування магнієвих сплавів Магнієві сплави підрозділяють на деформуємі (ГОСТ 14957-76) і ливарні (ГОСТ 2856-79). Перші маркіруються буквами "МА", другі "МЛ". Після букв вказується порядковий номер сплаву у відповідному ДСТ.
Хімічний склад і механічні властивості найважливіших магнієвих сплавів наведені в табл. 7.