1.3 Фазовий склад, структура та властивості ливарних сплавів системи Аl–Mg з високим вмістом магнію та фактори впливу, що їх формують

Сплави АМг10, АМг10ч з високим вмістом магнію (9,5…10,5 %) у загартованому стані мають найбільш високі механічні властивості (табл. 1.2). Однак рівень механічних властивостей зразків, вирізаних безпосередньо з литих деталей, є дуже нерівномірним. Основна причина цього – ливарна неоднорідність, яка виявляється у виді усадочної рихлості та пористості, а також оксидних включень в масивних частинах виливок [1, 2, 23, 24].

Значний недолік сплавів з високим вмістом магнію – підвищена чутливість до природного старіння, що призводить до окрихчування, та зниження корозійної стійкості загартованих литих деталей в процесі їх експлуатації чи тривалого зберігання [2, 25, 26].

В табл. 1.12 наведено зміну механічних властивостей сплавів з різним вмістом магнію при тривалому природному старінні. Ці дані свідчать про те, що при вмісті магнію більш 10 % схильність до природного старіння зростає. Це призводить до росту межи плинності, тимчасового опору розриву і різкого зниження пластичності.

В результаті досліджень на міжкристалітну корозію зразків із сплавів, зістарених на протязі одинадцяти років, встановлено, що сплави, вміст магнію в яких менший за 8,8 %, не чутливі до цього виду корозії, а при більш високому вмісті магнію під впливом штучного старіння сплави набувають більш високу схильність до міжкристалітної корозії [1, 27–30].

Середня глибина осередків корозійно ураженої поверхні зразків, досліджених по стандартній методиці занурення на одну добу в 3 % розчин NaCl з добавкою 1 % HCl, склала: 0,11 мм при вмісті в сплаві 8,8 % Mg, 0,22 мм при 11,5 % Mg і 0,26 мм при 13,5 % Mg.

Сплави АМг10 і АМг10ч вміщують однакову кількість основних легуючих компонентів (магнію, берилію, титану, цирконію), але відрізняються по вмісту домішок заліза та кремнію, кількість яких, наприклад в сплаві АМг10ч, не повинна перевищувати 0,05 % кожного.

Таблиця 1.12 – Вплив природного старіння на механічні властивості сплавів

Вміст Mg, %	Механічні властивості
	після гартування			після гартування і природного старіння 11 років
	σ в Мпа	σ 0,2 МПа	δ, %	σ в Мпа	σ 0,2 МПа	δ, %
1,3	120	75	17	120	76	-
3,3	150	88	5	135	80	6,5
5,3	160	110	5	180	103	6,0
7,2	190	140	4	210	130	5,0
9,0	290	150	7	250	150	7,0
10,7	360	190	20	310	240	2,0
12,4	380	200	20	400	350	1,3
13,6	300	210	10	410	360	0,5
14,4	350	220	9	400	360	0.6

системи Al – Mg [2]

У табл.1.13 наведено залежність механічних властивостей сплавів системи Al–Mg від вмісту домішок заліза, кремнію при різному вмісті магнію.

З табл.1.13 видно, що сплав, який містить менше 9 % магнію (заліза та кремнію по 0,1 %), має порівняно низькі механічні властивості (σ_в = 285 МПа; δ = 12,5 %).

Таблиця 1.13 – Залежність механічних властивостей сплавів системи Al – Mg від вмісту заліза, кремнію та магнію [4]

Хімічний склад, % (по масі)			Механічні властивості
Fe	Si	Mg	σ в, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
0,10	0,10	8,90	285	154	12,5
0,10	0,12	12,20	383	194	21
0,11	0,10	14,80	234	-	17,5
0,10	0,07	10,50	380	178	26,5
0,37	0,22	10,30	337	179	17,5
0,38	0,07	10,50	380	180	24,5
0,10	0,34	11,30	295	174	13,0
0,37	0,37	10,40	276	167	10,5
0,11	0,26	10,80	312	172	16,5
0,22	0,29	10,70	310	173	15,6
0,21	0,11	10,40	383	178	26,0
0,17	0,36	10,20	282	170	11,25
0,54	0,15	10,70	368	188	20,5
0,55	0,29	10,40	328	174	17,0
0,52	0,37	11,10	301	176	15,5
0,54	0,47	10,90	284	186	10,0
0,39	0,49	11,10	272	170	9,75
0,25	0,48	10,60	251	162	7,5
0,12	0,47	10,70	251	166	7,0
0,75	0,14	11,70	350	192	13,5
0,77	0,52	11,10	214	161	2,5

Найбільш високі властивості має сплав з 10,5 % Mg (σ_в = 380 МПа; δ = 26,5 %). При вмісті 12,2 % Mg тимчасовий опір знаходиться також на високому рівні (383 МПа), але відносне видовження дещо знижується (21 %).

Для сплаву з 10,5 % Mg збільшення вмісту заліза до 0,38 %, при тому ж вмісті кремнію (0,07 %), змін тимчасового опору розриву не спостерігається, а відносне видовження трохи зменшується. Зі збільшенням в цьому сплаві кремнію до 0,22 % значно знижується і σ_в (до 337 МПа) і δ (17,5 %). Збільшення вмісту кремнію до 0,34 % навіть при малому вмісті заліза (0,10 %) значно знижує механічні властивості: σ_в до 295 МПа, а δ до 13 %. Якщо, крім цього, збільшити вміст заліза в цьому сплаві до 0,37 %, то механічні властивості додатково зменшуються, але в меншій мірі, ніж при збільшенні вмісту кремнію: σ_в = 276 МПа; δ = 10,5 %.

Причиною негативного впливу навіть невеликої кількості кремнію на рівень механічних властивостей можно, очевидно, вважати утворення фази Mg₂Si внаслідок значної спорідненості кремнію до магнію. Кількість даної фази буде тим більше, чим більше в сплаві кремнію. Фаза Mg₂Si, розташовується по границям зерен, порушує зв'язок зерен твердого розчину і, крім цього, зв’язує деяку кількість магнію [1, 17, 31].

Різке обмеження шкідливих домішок заліза і кремнію, а також введення добавок берилію, титану і цирконію в сплави АМг10 і АМг10ч сприяє значному підвищенню корозійної стійкості і механічних властивостей даних сплавів [4].

Іншим істотним недоліком сплавів системи Al – Mg з високим вмістом магнію (АМг10 і АМг10ч) є чутливість до міжкристалітної корозії і корозії під напругою, яка проявляється в результаті тривалого нагріву при температурах вище 60 °С [1, 2]. Наведені в табл. 1.14 дані корозійних досліджень свідчать про негативний вплив нагрівів при температурі 60 °С на корозійну стійкість сплаву АЛ8.

У свіжозагартованому стані після корозійних досліджень сплаву АЛ8 відбувається деяке збільшення міцності, що є результатом природного старіння. Після природного старіння протягом 2 місяців і корозійних досліджень механічні властивості, особливо пластичність, значно знижуються. Після нагрівів при температурі 60 °С від 5 до 1440 год до корозійних випробувань механічні властивості змінюються не в значній мірі. Однак у результаті впливу корозійного середовища відбувається різке падіння механічних властивостей. Через 240 год сплав АЛ8 практично повністю знеміцнюється. Такий вплив на корозійну стійкість сплаву АЛ8 пояснюється процесами релаксації, які привзодять до гетерогенізації загартованої структури сплаву і, як наслідок, до інтенсивного розвитку міжкристалітної корозії. Тому сплави з високим вмістом магнію можно використовувати для виготовлення деталей, які працюють при температурах від – 60 °С до + 60 °С при експлуатації в умовах морського середовища.

Таблиця 1.14 – Результати корозійних досліджень сплаву АЛ8 у розчині 3 % NaCl + 0,1 % H₂O₂

Номер	Час нагріву після гартування*, год	Механічні властивості				Втрата механічних властивостей
		до корозії		після корозії
		σв, МПа	δ, %	σв, МПа	δ, %	σв	δ
1	-	339	15,6	358	13,3	-	14,1
2	Природнє старіння 2 міс.	375	10,6	314	5,9	16,2	44,3
3	60 – 5	352	7,8	295	4,2	16,4	46,8
4	60 – 24	373	11,6	303	4,8	18,5	58,7
5	60 – 120	369	12,7	284	5,9	23,1	54,1
6	60 – 240	370	14,1	95	0,8	74,1	94,3
7	60 – 360	354	14,1	90	0,84	71,7	94,1
8	60 – 720	325	12,1	52	0,35	80,7	97,9
9	60 – 1080	335	12,7	56	1,45	83,0	88,5
10	60 – 1440	339	11,9	52	0,47	84,3	96,0

*Температура нагріву після гартування 60 °С

Однак корозійну стійкість алюмінієвих сплавів з високим і середнім вмістом магнію, призначених для тривалої експлуатації при підвищених температурах, можно істотно збільшити. Для цього литі загартовані деталі перед нагрівом необхідно піддати короткотривалому термостабілізуючому відпалу (ТСВ) при температурі, близькій до температури гартування.

Нижче наведено дані по корозійній стійкості під напруженням зразків сплавів системи Al–Mg в залежності від температури і часу нагріву після гартування:

Таблиця 1.15 – Вплив режимів нагріву під гартування на корозійну стійкість під напругою ливарного сплаву системи Al – Mg

Режим нагріву	КПН, діб	Режим нагріву	КПН, діб
-	> 90	100°С, 1000 год.	10 – 16
120°С,100 год.	8 – 25	ТСО (400°С,1 год.)	> 90
140°С,10 год.	5 – 25	ТСО +100°С, 100 год.	> 90
100°С,100 год.	10 - 70	ТСО +140°С, 20 год.	> 90
100°С,500 год.	7 - 66	-	-

З наведених в табл. 1.15 даних слідує, що нагріви при 100…140 °С негативно впливають на стійкість до корозії під напруженням сплавів системи Al–Mg. Однак термостабілізуючий відпал перед нагрівами усуває їх шкідливий вплив.

Сплави АМг10 і АМг10ч мають достатньо високі технологічні властивості. За заповнюванністю ливарних форм вони практично мало відрізняються від силумінів, про що можна судити по величині рідкотекучості, яка визначається за допомогою пруткової проби. Вказані сплави значно менше, ніж сплав АЛ8, схильні до утворення кристалізаційних тріщин при литті і зварюванні, про що свідчать дані, наведені у табл. 1.16. Схильність до утворення тріщин визначали по ширині кільця, при якій в стандартній кільцевій пробі виникали перші тріщини.

Таблиця 1.16 – Ливарні властивості сплавів системи Al–Mg при температурі заливання 650…750 °С

Сплав	Рідкотекучість, мм			Гарячеламкість (ширина кільця),мм		Лінійна усадка, %
	650	700	750	700	750
АМг10ч	175	269	355	12,5	12,5	1,1 – 1,2
АМг10	175	269	355	15,0	16,5	1,1 – 1,2
АЛ8	171	279	314	17,5	30,0	1,3

Для лиття під тиском розроблений високотехнологічний сплав АМг11, який знайшов застосування для виготовлення деталей, які працюють в установках і агрегатах при підвищених температурах [15]. Сплав АМг11 вміщує 10,5…12 % Mg, що дозволяє застосовувати виливки з нього в литому і загартованому стані. Легування сплаву необхідними добавками титану та берилію сприяє покращенню його ливарних властивостей та характеристик міцності. Сплав АМг11 перевершує сплав АМг5К за технологічними властивостями, характеристиками міцності і жароміцності. Для забезпечення максимальної міцності вміст магнію в сплаві повинен складати до 13 %, а кремнію до 1,2 %. Недоліком сплаву АМг11 є невисокі значення відносного видовження. Сплав АМг11 застосовують для лиття складних за конфігурацією деталей, які працюють за умов середніх статичних навантажень (деталі агрегатного і приборного типу) в умовах корозійного впливу атмосфери і морського середовища. Деталі зі сплаву АМг11 можуть довгостроково працювати при температурах до 200 °С.