Магний и его сплавы

Технология термической обработки литейных сплавов Термической обработке магниевые литейные сплавы подвергают для повышения механических свойств и уменьшения остаточных напряжений. Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и последующего искусственного старения. Для уменьшения остаточных напряжений используют отжиг (режим Т2). Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут реагировать с атмосферой печи, то при нагреве используют только электрические печи. Для предотвращения перегревов и возгорания магния нагревательные элементы должны быть тщательно экранизированы. Экраны и кожух печи изготовляют из нержавеющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых сплавов в жидких селитровых ваннах запрещен во избежание взрыва и пожаров. Отливки загружают в печь в специальных ящиках или этажерках. Отливки сложной конфигурации следует загружать в специальных приспособлениях, предотвращающих коробление. Перед загрузкой в печь отливки очищают от магниевой стружки и тщательно просушивают во избежание окисления.

Взаимодействие магния и его сплавов с газами При термической обработке магниевые сплавы взаимодействуют с газами, составляющими атмосферу печи. При взаимодействии с кислородом образуется оксид магния MgO. Образование оксида происходит с существенным уменьшением объема; поэтому магний должен значительно окисляться. Тем не менее до температур 450—475 °С оксидная пленка оказывает защитное действие. Это, по-видимому, связано с тем, что при небольшой толщине оксидной пленки возникающие в ней растягивающие напряжения не нарушают ее целостности. Поэтому при термической обработке магниевые сплавы можно нагревать до указанных температур без применения защитных атмосфер, а сплавы МА11, МА12, ВМД9, МА14 даже до 490—535 °С. Образование достаточно толстой оксидной пленки при более высоких температурах нагрева вызывает увеличение напряжений до уровня, когда релаксация напряжений, связанная с образованием когерентных границ между оксидом и основным металлом, недостаточна для сплошности. Оксидная пленка разрушается и не защищает металл от окисления. Никель, медь, галлий, цинк, олово и алюминий увеличивают скорость окисления магния. В настоящее время установлен лишь один элемент, уменьшающий скорость окисления магния: это бериллий. Он является по отношению к магнию поверхностно-активным элементом и поэтому концентрируется в поверхностных слоях оксидной пленки. Оксид бериллия образуется с увеличением объема в отличие от оксида магния и поэтому способствует увеличению защитных свойств оксидной пленки. Интенсивность взаимодействия магниевых сплавов с кислородом при повышении влажности воздуха существенно уменьшается. В широком температурном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе примерно в два раза меньше, чем в сухом воздухе, поскольку во влажном воздухе пленки оксида магния образуется пленка Mg(OH)2 с большим удельным объемом. При температурах термической обработки магниевые сплавы слабо реагируют с азотом. Значительные загрязнения азотом, приводящие к ухудшению механических свойств, возможны лишь при температурах, близких к температуре плавления магния.

Выбор режимов термической обработки магниевых сплавов

У термической обработки магниевых и алюминиевых сплавов много общего, поскольку в этих металлах отсутствуют полиморфные превращения и они имеют близкие температуры плавления. На режимы термической обработки магниевых сплавов также существенно влияют пониженные коэффициенты диффузии большинства компонентов в твердых растворах магния. Низкие скорости диффузионных процессов в твердом магнии приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации, облегчают фиксацию пересыщенных твердых растворов при закалке, затрудняют распад пересыщенных растворов при старении.

Дендритная  ликвация  вызывает  снижение  механических свойств  и  технологической  пластичности  слитков.   Поэтому перед  деформацией   они подвергаются гомогенизационному отжигу. Часто гомогенизационный отжиг совмещают с нагревом под деформацию. Магниевые сплавы подвергают также рекристаллизацион-ному отжигу, при выборе режимов которого необходимо учитывать склонность к росту зерна при повышенных температурах. Рекристаллизационный отжиг снижает прочность, повышает пластичность магниевых сплавов и значительно устраняет анизотропию свойств полуфабрикатов в продольном и поперечном направлениях. Полуфабрикаты, подвергнутые рекристаллизационному отжигу, в маркировке после обозначения марки сплава содержат букву «М» (например, МА8М).

Деформированные полуфабрикаты из магниевых сплавов отжигают также для снятия остаточных напряжений. Эту обработку проводят при температурах более низких, чем используемые для рекристаллизационного отжига, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные напряжения. Магниевые сплавы подвергаются также закалке и старению для повышения прочностных свойств. Критические скорости охлаждения невысоки, и фиксация при закалке гомогенного состояния, соответствующего температуре нагрева под закалку, происходит уже при охлаждении в воздухе. Лишь для некоторых сплавов необходимо охлаждение струями воздуха или подогретой до температур 80—95 °С водой.

Закалка существенно повышает прочностные свойства сплавов, а иногда и пластические; особенно это относится к литейным сплавам . При нагреве литейных сплавов под закалку при достаточно высоких температурах сетка выделений по границам зерен рассасывается и происходит частичная гомогенизация, поэтому и возрастает пластичность.

Естественное старение большинства магниевых сплавов после закалки не происходит, и выдержка закаленных полуфабрикатов при комнатной температуре в течение длительного времени не изменяет структуры и свойств. Продолжительность искусственного старения магниевых сплавов значительно больше, чем для алюминиевых. Искусственное старение магниевых сплавов повышает прочностные свойства закаленного материала, но эффект упрочнения сравнительно невелик. Характер выделений при старении зависит от скорости охлаждения после нагрева под закалку. При медленном охлаждении превалирует прерывистый распад, при котором образуется структура, аналогичная перлитной структуре стали. При больших скоростях охлаждения с закалочных температур последующее старение приводит к непрерывному распаду, когда выделяющиеся частицы стабильной фазы равномерно распределяются по объему матрицы. В общем случае, чем больше степень непрерывного распада по сравнению с прерывистым, тем выше прочностные и пластические свойства магниевых сплавов. Магниевые сплавы применяют главным образом как жаропрочные, поэтому температура старения должна быть выше рабочих температур данного сплава с тем, чтобы в условиях эксплуатации не произошло слишком быстрой коагуляции упрочняющих фаз. Эффект закалки и старения магниевых сплавов с содержанием легирующих элементов, близким к максимальной растворимости, существенно зависит от температуры нагрева под закалку, поэтому их нагревают до температур, близких к температуре солидуса или нонвариантных реакций  (на 5—10 °С ниже ее). Вследствие этого перепад температур в различных зонах печи во избежание пережога должен быть не более ±5 °С.Поскольку повышение прочностных характеристик магниевых сплавов при закалке по сравнению со свойствами отожженого или литого металла весьма велико, а старение не вносит значительного дополнительного упрочнения, магниевые сплавы часто подвергают только закалке, а фасонные отливки — гомогенизации с охлаждением на воздухе. НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ

Никель относится к семейству железа. Ат.№28, ГЦК, Е=196 ГПа, t⁰_пл = 1455⁰ С.

=8,9 г/см³

Химически неактивен, окисляется меньше железа, при комнатной t⁰ образуется оксидная пленка, стойкая в воде, растворах солей, щелочах.H₂SO₄ и HCl медленно растворяют Ni. В HNO₃ нестоек. При нагревании коррозионностоек до 800 С.

_в = 450 МПа, =30%.

Легирующие элементы.

Легирование основано на образовании твердых растворов. Л.Э. делятся на 3 группы по воздействию на структуру:

1. влияющие на твердый раствор Cr, Fe, W, Mo, Co

2. образующие упрочняющую фазу Al, Ti, Ta

3. влияющие на границы зерен Mg, B, Zr, C.

Структура:

• матрица (-фаза) – твердый раствор 1-й группы л.э. в никеле;

• упрочняющая ^/ -фаза – хим. Соединение типа Ni₃Al;

• карбиды типа МеС.

Хром создает защитные пленки и увеличивает жаростойкость.

Молибден и вольфрам увеличивают длительную прочность.

Титан и алюминий обеспечивают дисперсионное твердение и увеличивают жаропрочность.

Бор и проч. Повышают жаропрочность.

Вредными примесями являются сера(красноломкость), водород (водородная болезнь), висмут, свинец, сурьма (межкристаллитное растрескивание).

СПЛАВЫ

Основные требования – жаропрочность и жаростойкость.

Сплавы никеля делят на (как аустенитные стали):

1. гомогенные (нихромы, инконели)

2. стареющие (нимоники).

Также делят след. Образом:

Жаропрочные

1.1.деформируемые;

1.2. литейные

2. Жаростойкие.

Нихромы – это твердые растворы хрома или хрома + железа (min содержание др. л.э.) в никеле. For example Х20Н80, Х15Н60. Жаростойкие, используются как материалы для электрических нагревательных элементов сопротивления. Нежаропрочные, нельзя использовать для нагруженных деталей.

Нимоник – четверной сплав: Ni + 20%Cr + 2%Ti +1%Al - ХН77ТЮ. Высокожаропрочный.