коля / u_course

Таблица 4.2

Режимы гомогенизации магниевых сплавов

Температуры начала и конца рекристаллизации деформируемых магниевых сплавов составляют, соответственно, 150–300 оС и 200–400 оС в зависимости от состава и чистоты сплавов и условий деформации. Величина рекристаллизованного зерна существенно возрастает с повышением температуры отжига, особенно при малых степенях деформации. Поэтому температура рекристаллизационного отжига не должна быть чрезмерно высокой.

Поскольку эффект упрочнения магниевых сплавов при старении невелик, то наиболее распространенными видами термической обработки полуфабрикатов из магниевых сплавов являются высокотемпературный (рекристаллизационный) и низкотемпературный (для снятия напряжений) отжиги, а также закалка [4].

К наиболее распространенным дефектам термической обработки

относят неполную закалку, рост зерна, окисление поверхности, пережог и коробление полуфабрикатов.

Неполная закалка вызывается либо пониженной температурой нагрева под закалку, либо недостаточной выдержкой при этой температуре. Проявляется она в снижении прочностных свойств.

Рост зерна при нагреве под закалку связан с неоднородностью структурного состояния полуфабрикатов после литья или деформации. Чтобы предотвратить возникновение роста зерна и вызываемого им снижения механических свойств, можно использовать отжиг для снятия напряжений перед закалкой либо ступенчатый нагрев под закалку.

Окисление поверхности при нагреве под закалку вызывается несоответствием защитных атмосфер требуемым условиям. Это может быть связано с недостаточной подачей сернистого газа, подсосом воздуха, содержащим водяные пары, и т.п.

170

Пережог возникает при превышении допустимых значений температуры нагрева под закалку или слишком высоких скоростей нагрева. При пережоге оплавляются легкоплавкие неравновесные или избыточные равновесные фазы, что приводит к резкому снижению механических свойств.

Коробление полуфабрикатов и деталей из магниевых сплавов при термической обработке определяется многими факторами, особенно неравномерным распределением температур по сечению изделия в процессах нагрева под закалку. Для предотвращения коробления необходимо применять специальные поддоны или приспособления для изделий сложной конфигурации [4].

4.3. Свойства магния и его взаимодействие с легирующими

элементами и примесями

По химическим свойствам магний относится к щелочноземельным металлам.

Физические свойства магния приведены в табл. 4.3. Магний плавится при 650 оС и кипит при 1107 оС. Магний относится к наиболее легким конструкционным металлам, его плотность равна ~1,74 г/см3 при 20 оС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную структуру. В чистом виде магний получил в 1829 г. французский химик А. Бюсси. В земной коре содержится 2,1 % магния.

171

Некоторые переходные металлы (Ti, Mn, Zr) частично растворяются и в жидком, и в твердом магнии, но в небольших количествах. Эти переходные элементы образуют с магнием диаграммы состояния перитектического типа (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Диаграммы состояния систем Mg–Mn (a) и Mg–Zr (б)

Бериллий, элемент той же группы, что и магний, не растворяется в нем даже в жидком состоянии. Литий, напротив, хорошо растворяется в магнии; растворимость лития в магнии достигает 5,7 % (рис. 4.4).

t, оС

Хорошо растворяются в магнии соседние с ним по таблице Д.И. Менделеева металлы, такие, как алюминий, индий, галлий, цинк. Так, например, в магнии при температуре нонвариантной реакции растворяется (% по массе): 12,6 % Al (по новым данным); 8,4 % Zn (рис. 4.5).

172

Со стороны магния в большинстве систем происходит эвтектическое превращение (рис. 4.6).

Рис. 4.5. Диаграммы состояния систем Mg–Al (a) и Mg–Zn (б)

t, оС

Рис. 4.6. Диаграмма состояния системы Mg–La

Растворимость лантана в магнии невелика и составляет 0,23 % (по массе) при температуре эвтектической реакции.

Помимо лантана, магний легируют церием и неодимом, которые образуют с магнием соединения Mg12Ce, и Mg41Nd5. Растворимость этих элементов в магнии несколько больше и равна 0,74 % Се и 3,6 % Nd при эвтектической температуре.

173

Различные элементы по-разному влияют на временное сопротивление разрыву и относительное удлинение магния (рис. 4.7). К числу сравнительно сильных упрочнителей магния относятся: иттрий, кремний, алюминий, цинк и марганец.

По влиянию на пластичность магния легирующие элементы можно разбить на две группы: а) элементы, уменьшающие пластичность (марганец, кремний); б) элементы, повышающие пластичность магния при их введении до определенной концентрации (Li, Zn, Al, Sc, Ce).

Рис. 4.7. Влияние легирующих элементов на временное сопротивление разрыву и относительное удлинение магния при 20 оС (прессованные прутки)

Легирующий элемент, % (по массе)

Рис. 4.8. Влияние легирующих элементов на твердость магния при температурах 150 оС (а) и 250 оС (б) (М.Е. Дриц)

Упрочняющее действие алюминия и цинка сохраняется лишь до температур 150–200 оС (рис. 4.8).

174

При температурах 150–200 оC наиболее сильно повышает жаропрочные свойства неодим и в меньшей степени – торий. При температурах 250–300 оC, наоборот, торий обеспечивает более высокую твердость, чем неодим.

Для достижения высокой жаропрочности необходимо, чтобы интерметаллидные дисперсные фазы слабо разупрочнялись с повышением температуры, медленно коагулировали.

Фазы Mg4Al3, MgZn, Mg2Ca при нагреве до 300°C теряют более 70–90 % исходной твердости. Фазы, которые магний образует с переходными и редкоземельными элементами, жаропрочны. Наиболее жаропрочными являются фазы Mg4Th, Mg9Nd, Mg9Cе – при нагреве до 300 оC они теряют менее 50 % исходной твердости.

4.4. Магниевые сплавы

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по способу производства из них полуфабрикатов и изделий разделяют на две основные группы:

▪деформируемые сплавы (табл. 4.4) – для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением;

▪литейные сплавы (табл. 4.5) – для получения деталей методами фасонного литья.

По уровню прочности магниевые сплавы разделяют на малопрочные, средней прочности и высокопрочные сплавы. В зависимости от плотности выделяют легкие и сверхлегкие магниевые сплавы. К сверхлегким относятся сплавы, легированные литием (МА21, МА18), а к легким – все остальные. Сплавы магния с литием (МА18, МА21) – самые легкие конструкционные металлические материалы.

По возможным температурам эксплуатации магниевые сплавы делят на следующие группы:

1) сплавы общегоназначения(дляработыприобычныхтемпературах); 2) жаропрочные (для длительной работы при температурах до 200 оС); 3) высокожаропрочные (для работы до 250–300 оС); 4) сплавы для эксплуатации при криогенных температурах.

По чувствительности к упрочняющей термической обработке раз-

личают термически упрочняемые и термически не упрочняемые сплавы. Магниевые сплавы разделяют также на группы в зависимости от той сис-

темы, к которой они относятся по своему химическому составу.

175

Таблица 4.4

Химический состав магниевых деформируемых сплавов, % (по массе)

*РМЗ – редкоземельные металлы.

Таблица 4.5

Химический состав литейных магниевых сплавов, % (по массе)

176

Деформируемые магниевые сплавы

По основным легирующим элементам деформируемые магниевые сплавы подразделяют на несколько групп (табл. 4.6).

К первой группе относятся сплавы, в которых основным легирующим элементом является марганец. Марганец не образует с магнием соединений (см. рис. 4.3, а) и выделяется в чистом виде. Сплавы системы Mg–Mn термической обработкой не упрочняются, как и сплавы системы Аl–Мn.

Основная цель легирования магния марганцем – улучшение коррозионной стойкости и свариваемости.

Таблица 4.6

Механические свойства прессованных полуфабрикатов

*Свойства в продольном направлении.

**Сплав МА18 может работать при нормальной и криогенной температурах.

Двойной сплав системы Mg–Mn (MA1) в настоящее время почти не производится. Большее распространение получил сплав МА8, относящийся к системе Mg–Mn–Ce (табл. 4.4). Сплав МА8 отличается высокой технологической пластичностью, средней прочностью (табл. 4.6), высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Из него получают плиты, листы, штамповки, профили и трубы. Сплав не упрочняется термической обработкой.

Вторая группа деформируемых магниевых сплавов относится к системе Mg–Al–Zn–Mn. Алюминий и цинк обладают высокой растворимо-

177

стью в магнии. Растворяясь в магнии, они обеспечивают достаточно большой эффект растворного упрочнения (см. рис. 4.7).

Сплавы системы Mg–Al–Zn–Mn склонны к коррозии под напряжением. Коррозионная стойкость сплавов системы Mg–Al–Zn–Mn тем ниже, чем больше содержание алюминия. Цинк не влияет на коррозионную стойкость магниевых сплавов, а марганец ее повышает.

Кнаиболее распространенным сплавам системы Mg–Al–Zn–Mn относятся МА2-1 и МА2-1пч (повышенной чистоты).

Сплав МА2-1 отличается от сплава МА8 большей прочностью; в то же время он обладает высокой технологичностью. Сплав легко прокатывается, поддается всем видам листовой штамповки. В отличие от других сплавов системы Mg–Al–Zn–Mn, сплав МА2-1 хорошо сваривается. Он термически не упрочняется и поставляется в отожженном, полунагартованном или горячекатаном состоянии. Сплав МА2-1пч отличается от МА2-1 более высокой коррозионной стойкостью и лучшей свариваемостью.

Третья группа деформируемых магниевых сплавов МА14, МА15, МА19, МА20 принадлежит к системе Mg–Zn–Zr (табл. 4.4, 4.6). Сплавы этой группы отличаются высокими механическими свойствами, что обусловлено упрочняющим влиянием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Введение циркония очищает сплав от железа, т.к. об-

разуются тугоплавкие интерметаллиды Zr2Fe3 и ZrFe, оседающие на дно расплава. Цирконий связывает водород и тем самым препятствует развитию пористости. Оставшийся в растворе цирконий взаимодействует с магнием по перитектической реакции, что обеспечивает увеличение числа центров кристаллизации и измельчение зерна. Цирконий повышает прочность и пластичность магния, улучшает также коррозионную стойкость. Введение циркония в магниевые сплавы связано с большими технологическими трудностями из-за малой растворимости циркония в жидком магнии

(см. рис. 4.3, б).

Крассматриваемой системе принадлежит наиболее прочный промышленный сплав МА19. Технологичность этого сплава невысока, он плохо сваривается аргоно-дуговой сваркой и хорошо – контактной.

Сплав МА14 подвергают искусственному старению после горячей обработки давлением, что позволяет повысить временное сопротивление разрыву на 20–40 МПа, а предел текучести на 40–50 МПа; относительное удлинение при этом падает в 1,5–2 раза.

Четвертая группа представлена магниевыми сплавами, в которых главными легирующими элементами являются редкоземельные металлы (РЗМ). К сплавам рассматриваемой группы принадлежит МА12 (табл. 4.4, 4.6). Основной легирующий элемент в этом сплаве – неодим (2,5–3,5 %). Неодим обеспечивает высокую жаропрочность. В сплавах магния с РЗМ марганец и никель существенно повышают их сопротивление ползучести, дли-

178

тельную прочность и в меньшей степени временное сопротивление разрыву. Основная цель легирования цирконием – измельчение зерна, что вызывает улучшение технологической пластичности.

По временному сопротивлению разрыву при комнатной температуре сплав МА12 относится к сплавам средней прочности (табл. 4.6), но его прочностные свойства с повышением температуры снижаются менее интенсивно, чем у других деформируемых магниевых сплавов. Сплав МА12 термически упрочняется. Механические свойства сплава МА12 повышают методами ТМО.

К пятой группе относятся сплавы, легированные иттрием, в частности ВМД10. Сплав ВМД10 относится к системе Mg–Y–Cd (табл. 4.4). Он относится к высокопрочным магниевым сплавам. Полуфабрикаты из этого сплава по уровню механических свойств превосходят широко распространенные серийные магниевые сплавы (табл. 4.6).

Шестую группу деформируемых магниевых сплавов составляют сплавы системы Mg–Li (табл. 4.4, 4.6). Легирование магния еще более легким металлом литием с плотностью всего 0,53 г/см3 приводит к значительному уменьшению их плотности. Легирование магния литием позволяет создать сплавы с плотностью 1,3–1,6 г/см3, что значительно увеличивает удельные характеристики механических свойств.

Сплавы системы Mg–Li в зависимости от фазового состава делят на три группы: α (до 5,7 % Li), α + β (5,7–10,3 % Li) и β (Li > 10,3 %).

Из сплавов этой группы наибольший интерес представляют β-сплав МА18 и (α + β)-сплав МА21. Сплав МА18 отличается самой малой плотностью (1,5 г/см3) среди магниевых сплавов. Он обладает высокой пластичностью и ударной вязкостью, превосходной технологичностью; листовая штамповка, гибка, вытяжка могут производиться в холодном состоянии. Сплав МА21 отличается от сплава МА18 более высокими прочностными характеристиками, большей коррозионной стойкостью.

Литейные магниевые сплавы

Основными легирующими элементами в литейных сплавах являются алюминий, цинк, марганец, кремний, церий, цирконий, торий. Механические свойства наиболее распространенных литейных магниевых сплавов приведены в табл. 4.7, а химический состав дан в табл. 4.5.

Промышленные магниевые литейные сплавы принадлежат в основ-

ном к трем системам: Mg–Al–Zn, Mg–Zn–Zr и Mg–РМЗ–Zr (табл. 4.7).

Наиболее распространены сплавы первой группы, относящиеся к системе Mg–Al–Zn: МЛ4, МЛ5, МЛ6.

179