коля / u_course

Таблица 4.7

Механические свойства и предельные рабочие температуры литейных магниевых сплавов

*Режимы термической обработки: Т1 – искусственное старение без предварительной закалки; Т4 – закалка; Т6 – закалка на воздухе и старение; Т61 – закалка в воде и старение. **Сокращения: пч – повышенной чистоты; он – общего назначения.

Относительно лучшими литейными свойствами отличаются сплавы МЛ5 и МЛ6: малая линейная усадка, хорошая жидкотекучесть, меньшая склонность к образованию рыхлот, чем у других магниевых сплавов.

Литейные свойства сплава МЛ4 удовлетворительны, но он склонен к пористости и образованию темных оксидных включений (чернот).

Как и деформируемые, некоторые литейные сплавы (МЛ4пч, МЛ5пч) производят на чистейшем магнии, что приводит к повышению пластичности и коррозионной стойкости.

Сплавы МЛ5 и МЛ6 в литом состоянии хрупки из-за значительного количества эвтектических включений γ-фазы, образующейся в результате неравновесной кристаллизации. Эти включения могут быть переведены в твердый раствор гомогенизацией при 415–420 оС в течение 12–14 ч. Гомогенизация (закалка) приводит к повышению и прочностных, и пластических свойств фасонных отливок. Прочностные свойства сплавов МЛ4, МЛ5 и МЛ6 можно дополнительно повысить искусственным старением.

Сплавы второй группы, относящиеся к системе Mg–Zn–Zr, по сравнению со сплавами системы Mg–Al–Zn, обладают следующими преиму-

180

ществами: 1) более высокими прочностными характеристиками; 2) малой чувствительностью механических свойств отливок к толщине сечения; 3) более высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыву; 4) меньшей чувствительностью механических свойств к влиянию микрорыхлоты.

Типичный представитель этой группы сплавов – сплав МЛ12. Этот сплав отличается высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью, лучшими литейными свойствами; отливки из этого сплава обладают большой плотностью. Сплав термически упрочняется путем закалки с 400 оС и искусственного старения при 150 оС в течение 50 ч.

Сплав МЛ15 отличается от сплава МЛ12 дополнительным легированием лантаном, который повышает жаропрочные свойства, улучшает свариваемость, уменьшает склонность к образованию микрорыхлот и горячих трещин. Сплав термически упрочняется старением при 300 оС в течение 6 ч.

Сплавы этой группы МЛ8, МЛ17 и МЛ18 дополнительно легированы кадмием; кадмием и неодимом, кадмием и серебром соответственно. Кадмий повышает механические свойства и улучшает технологическую пластичность сплавов системы Mg–Zn–Zr, а неодим и серебро увеличивают прочностные характеристики.

Сплавы третьей группы МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19, относящиеся к системе Mg–P3M–Zr, отличаются высокой жаропрочностью.

Основной легирующий элемент в сплавах МЛ9, МЛ10 – неодим; в сплаве МЛ19 – неодим, иттрий, а в МЛ11 – цериевый мишметалл (75 % Се, остальное РЗМ). Сплавы на основе системы Mg–Nd (МЛ9, МЛ10) отличаются высокими механическими свойствами при комнатной температуре, высокой жаропрочностью, хорошими литейными и технологическими свойствами. Сплав МЛ19 этой системы относится к наиболее жаропрочным сплавам на основе магния (табл. 4.7).

Из всего производимого магния около половины идет на легирование алюминиевых сплавов. Остальной магний расходуют на производство магниевых сплавов. Чистый магний обладает недостаточно высоким комплексом механических свойств. Изделия из магния не изготавливают. Технический магний используют в пиротехнике; в качестве раскислителя и модификатора – в металлургии. В технике используют в основном магниевые сплавы. В самолетостроении из магниевых сплавов изготавливают колеса и вилки шасси, различные рычаги, корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин, детали планера самолета. Магниевые сплавы успешно используют в конструкциях вертолетов, в аэрокосмической промышленности.

Магниевые сплавы нашли применение в конструкции автомобилей, особенно гоночных (колеса, картеры, крышки, маслопомпы); в приборостроении (бинокли, кино- и фотоаппараты, мотопилы, пылесосы и др.).

181

Из-за высокой демпфирующей способности из магниевых сплавов изготавливают кожуха для размещения электронной аппаратуры управляемых снарядов.

Магниевые сплавы применяют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов в атомных реакторах, так как магний имеет малую способность поглощать тепловые нейтроны и не взаимодействует с ураном.

Магниевые сплавы используют в текстильной промышленности (например, бобины, шпульки, катушки и др.).

Магний идет также на получение титана магнийтермическим спо-

собом.

Фазы Mg2Si, Mg2Sn, MgZn, Mg3Sb2 являются полупроводниками, поэтому их применяют в радиоэлектронике [1–5, 13, 17].

Контрольные вопросы

изадания

1.Перечислите виды термической обработки магниевых сплавов.

2.С какой целью проводят гомогенизацию магниевых сплавов?

3.С какой целью выбирают технологию рекристаллизационного отжига и отжига для снятия напряжений?

4.Каковы особенности закалки и старения магниевых сплавов?

5.Каков механизм старения магниевых сплавов?

6.Перечислите дефекты термической обработки магниевых сплавов.

7.Каковы основные свойства магния?

8.Как магний взаимодействует с примесями и газами?

9.Как магний взаимодействует с легирующими элементами?

10.Дайте классификацию магниевых сплавов.

11.Приведите химический состав, маркировку, структуру, свойства, термообработку. Где применяют деформируемые магниевые сплавы общего назначения?

12.Охарактеризуйте химический состав, маркировку, структуру, свойства, термообработку, применение высокопрочных сплавов.

13.Дайте описание химического состава, маркировки, структуры, свойств, термообработки, применения жаропрочных сплавов.

14.Охарактеризуйте химический состав, маркировку, структуру, свойства, термообработку, применение сверхлегких сплавов.

15.Каковы химический состав, маркировка, структура, свойства, термообработка, применение литейных магниевых сплавов?

182

5. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

При разработке технологии термической обработки титана и его сплавов необходимо учитывать следующие их способности: полиморфное превращение титана, низкую теплопроводность, высокую химическую активность, склонность к наводороживанию.

Титановые сплавы чаще подвергают отжигу, закалке, старению, реже – химико-термической и термической обработке.

5.1. Принципы выбора режимов отжига

Гомогенизационный отжиг для титановых сплавов не применяют, так как гомогенизация слитков не вносит существенного изменения в характер микроструктуры и уровень механических свойств исследованных полуфабрикатов.

Дорекристаллизационный, рекристаллизационный отжиг, а также отжиг для уменьшения остаточных напряжений применяют лишь для α-

и β-сплавов с термодинамически устойчивой β-фазой. Фактические температуры начала и конца рекристаллизации в сопоставлении с температурами полиморфного превращения, а также режимы отжига полуфабрикатов из сплава ВТ6 даны в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Температуры полного полиморфного превращения (t п.п), начала (tPн) и конца (tPк) рекристаллизации,

режимы простого отжига сплава ВТ6

Температура рекристаллизационного отжига должна быть выше температуры начала рекристаллизации. Но она не должна быть чрезмерно высокой, если необходимо получить достаточно мелкозернистый материал. Кроме того, при высоких температурах отжига образуется значительный альфированный слой (слой, обогащенный кислородом).

183

Свойства α-сплавов после до- и рекристаллизационного отжига не зависят от скорости охлаждения.

Отжиг (α + β)-сплавов сочетает элементы отжига первого рода, основанного на рекристаллизационных процессах, и отжига второго рода, основанного на фазовой перекристаллизации.

Кроме приведенного выше разделения видов отжига по процессам, протекающим в металле при нагреве (до- и рекристаллизационный отжиг; отжиг для уменьшения остаточных напряжений; отжиг, включающий фазовую перекристаллизацию), отжиг (α + β)-сплавов еще классифицируют по технологии. Различают простой, изотермический и двойной отжиг.

Самый простой режим отжига (α + β)-сплавов заключается в их нагреве при наинизших температурах, достаточных для довольно полного разупрочнения, с последующим охлаждением на воздухе или по заданному режиму. Простой отжиг (α + β)-сплавов является дорекристаллизационым, так как проводится при температурах ниже начала рекристаллизации (табл. 5.1). Охлаждение на воздухе после простого отжига приемлемо не для всех сплавов. Механические свойства (α + β)-сплавов с большим содержанием β-стабилизаторов и β-сплавов существенно зависят от скорости охлаждения после отжига.

Изотермический отжиг применяют для (α + β)-сплавов. Он состоит из нагрева сплава при сравнительно высоких температурах, достаточных для полигонизации или рекристаллизации, охлаждения до температур, обеспечивающих высокую стабильность β-фазы, выдержки при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе. Для перехода от первой ступени ко второй полуфабрикаты и изделия или охлаждают с печью до температуры второй ступени, или переносят в другую печь. Изотермический отжиг обеспечивает более высокие пластичность, термическую стабильность и длительную прочность, чем простой отжиг. Применяют изотермический отжиг для жаропрочных сплавов.

Двойной ступенчатый отжиг отличается от изотермического тем, что после отжига на первой ступени сплав охлаждают до комнатной температуры на воздухе, а затем снова нагревают до температуры второй ступени – она ниже, чем на первой ступени.

В отличие от простого и изотермического отжига, приводящих к разупрочнению сплавов, двойной отжиг, наоборот, вызывает повышение прочностных характеристик при некотором снижении пластичности.

Продолжительность простого отжига и первой ступени изотермического и двойного отжига определяется сечением детали или полуфабриката: при максимальном сечении, мм – 1,5; 1,6–2,0; 2,1–6,0; 6,1–50 время выдержки, мин, составит 15, 20, 25, 60 соответственно. При сечениях более 50 мм рекомендуют увеличивать выдержку до 2 ч.

184

Для уменьшения остаточных напряжений применяет неполный отжиг при температурах ниже температуры начала рекристаллизации продолжительностью 0,5–2 ч с последующим охлаждением на воздухе. Чтобы снять напряжения, возникшие при сварке, продолжительность неполного отжига должна составлять 2–12 ч.

Крупнозернистую структуру титана и его сплавов исправляют двойной фазовой перекристаллизацией. Зерно при такой термообработке измельчается вследствие внутрифазового наклепа при фазовых превращениях и последующей рекристаллизации при повторном нагреве.

В однофазных α-сплавах при литье не возникает высоких остаточных напряжений, поэтому отжиг не требуется. Отливки из литейных (α + β)-сплавов отжигают для уменьшения остаточных напряжений и стабилизации структуры. Отжиг литейных сплавов проводят по тем же режимам, что и для деформируемых титановых сплавов.

5.2. Принципы выбора режимов закалки и старения

Упрочнение титановых сплавов при закалке и старении определяется их фазовым составом после закалки и количеством метастабильных фаз. При этом поведение сплавов при закалке и старении существенно зависит от того, какие элементы (β-эвтектоидообразующие или β-изоморфные) определяют фазовый состав закаленных сплавов.

Закалка

Закалка титановых сплавов может быть двух видов: с полиморфным превращением и без него. Закалку без полиморфного превращения можно проводить как из β-, так и из (α + β)-области. Результатом ее является фиксация метастабильной β-фазы. Закалку с полиморфным превращением также осуществляют как из β-, так и из (α + β)-области, но результатом ее будут метастабильные мартенситные фазы α' и α". Практика показала, что лучшее сочетание прочностных, пластических и эксплуатационных свойств получается при закалке без полиморфного превращения, т.е. в случае, когда мартенситные фазы не образуются.

Возможность фиксировать различные фазы при закалке определяют концентрацией β-стабилизаторов в сплаве (рис. 5.1). При закалке с темпе-

185

ратур, соответствующих β-области, сплавы, лежащие левее т. С1, закаливают на α'-фазу (мартенсит). Сплавы, находящиеся между т. С1 и т. С'кр, закаливают на α"-фазу. В сплавах, расположенных между тт. С'кр – С"кр, фик-

сируют фазы (α"+ β + ω). В сплавах, лежащих между тт. С"кр – С"'кр, после закалки образуются (β + ω)-фазы. При концентрациях легирующего эле-

мента больше т. С"'кр при закалке фиксируют однофазную β-структуру. Некоторые легирующие элементы (алюминий, цирконий, олово) подавляют образование ω-фазы в сплавах титана с изоморфными β-стабилизаторами при закалке, поэтому у этих сплавов нет третьей критической концентрации С"' кр.

β

αα + β

α' α'' α''+β+ω β+ω β

Рис. 5.1. Фазовый состав титановых сплавов с изоморфными β-стабилизаторам и после закалки из β-области

На рис. 5.1 представлена низкотемпературная часть диаграммы состояния сплавов титана с изоморфными β-стабилизаторами. На эту диаграмму нанесены линии начала Мн и конца Мк мартенситного превращения, а также линии начала (β → ω)-превращения (Тω). Линии Мк и Тω смещаются к более низким температурам с увеличением содержания β-стабилизатора и достигают комнатной температуры при концентрациях С'кр и С"'кр. Температуру Мн также снижают с увеличением содержания β-стабилизатора.

α' – мартенсит (фаза игольчатого строения), который представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в Ti–α (имеет ГПУ решетку).

186

α" – мартенсит, который образуется при большей степени легированности (имеет ромбическую решетку). Переход от α'- к α"-структуре сопровождается уменьшением прочности и твердости сплавов и повышением их пластичности.

Метастабильная промежуточная фаза ω трудно обнаруживается металлографически, так как когерентна решетке β-твердого раствора (имеет гексагональную решетку с периодами a = 0,46 нм; с = 0,282 нм). Появление этой фазы вызывает повышение твердости и хрупкости титановых сплавов.

β-твердыйрастворлегирующихэлементоввTiβ имеетрешетку ОЦК. Если содержание легирующего элемента не превышает концентрацию С2 (рис. 5.1), то зафиксированная закалкой β-фаза распадается при

приложении напряжений, потому ее называют механически нестабильной. При содержании легирующих элементов, превышающих т. С2, полученная закалкой β-фаза не испытывает превращений под действием напряжений, ее называют механически стабильной.

При закалке с температур, соответствующих (α + β)-области, α-фаза не испытывает фазовых превращений, а в β-фазе развиваются те же превращения, что и в сплавах равного с β-фазой состава при закалке из β-области. Если сплав I (рис. 5.1) нагреть под закалку до температуры t1, то его структура будет представлена α-фазой состава a1 и β-фазой состава b1. Сплав состава т. b1 при закалке из β-области приобретает структуру (α" + β + ω). Структура сплава I после закалки с температуры t1 будет (α + α" + β + ω). Соответственно, структура сплава I после закалки с температуры t2 будет α + α".

Температуру, при которой в титановых сплавах (α + β)-структура сменяется β-структурой, называют температурой (α + β/β)-перехода, или применяют термин: температура конца (α → β)-превращения при нагреве. Температуру, разделяющую фазовые области (α + β) и β, обозначают А3, добавляя букву «С» (нагрев) или «r» (охлаждение). Температуру эвтектоидного превращения обозначают А1.

Критическая концентрация (С"кр) соответствует наименьшему содержании β-стабилизаторов, при котором закалкой фиксируется β-фаза с ω-фазой внутри нее, а мартенситное превращение подавляется (рис. 5.1). В титановых сплавах важна также критическая температура tкр, соответствующая второй критической концентрации С"кр. При закалке сплавов с температур выше tкр образуется мартенситная фаза; при закалке с более низких температур превращение β-фазы в мартенсит исключено.

Втабл. 5.2. приведен режим термической обработки сплава ВТ6.

Втитановых (α + β)-сплавах после закалки с температур, близких

кtкр, наблюдают провал предела текучести σ0,2, связанный с распадом метастабильной β-фазы и мартенсита α" под действием напряжений. В ряде

187

случаев наблюдают также провал временного сопротивления σв. После закалки сплавы подвергают старению. Оптимальное сочетание механических свойств состаренных (α + β)-сплавов наблюдают после закалки с температур между tкр и Ас3.

Таблица 5.2

Режим упрочняющей термической обработки сплава ВТ6

Закалку титановых сплавов чаще проводят в воде (ВТ6, ВТ14, ВТ16) или в масле. Некоторые сплавы (ВТ15, ВТ22) закаливают при охлаждении на воздухе.

Продолжительность нагрева под закалку выбирают такой же, как и при простом отжиге.

Время переноса деталей после нагрева под закалку в закалочный бак должно быть минимальным. Это требование менее жестко для сплавов ВТ22, ВТ15, ВТ30. Перерыв между закалкой и старением для всех сплавов не регламентирован.

Титановые сплавы не нашли широкого практического применения в закаленном состоянии. Вместе с тем от температуры нагрева под закалку и от других параметров этого процесса в значительной мере зависит состав и количество фиксируемых метастабильных фаз, что в свою очередь оказывает решающее влияние на уровень механических свойств титановых сплавов при последующем старении.

Старение (отпуск)

Старение (или отпуск) применимы только для материалов, находящихся в закаленном состоянии, и главным процессом, протекающим при этом, является распад метастабильного твердого раствора. При закалке без полиморфного превращения распадается пересыщенный твердый раствор (этот процесс принято называть старением). А при закалке с полиморфным превращением распадается мартенситная фаза (процесс распада мартенсита называют отпуском). Основными параметрами процесса старения и отпуска являются температура нагрева и время выдержки. Скорость нагрева и охлаждения, как правило, играют второстепенную роль.

188

На практике для титановых сплавов в основном применяют закалку без полиморфного превращения, поэтому наиболее распространенным является процесс старения.

Старение применяют с целью повышения прочности титановых сплавов, которая может увеличиваться от 10 до 90–100 %. Уровень прочностных и пластических свойств полностью зависит от фазовых и структурных превращений, происходящих в сплаве как при закалке, так и при последующем старении.

Максимальное упрочнение можно получить в сплавах так называемого «критического состава», в которых сочетается высокая метастабильность β-фазы с достаточно большой концентрацией β-стабилизирующих элементов. К этому классу можно отнести сплавы, находящиеся между точками С"кр и С2 (рис. 5.1). В сплавах, расположенных правее т. С2, распад β-фазы проходит вяло и упрочнение невелико.

Упрочнение при старении обусловлено процессами распада β и α"-фаз. Повышение прочностных характеристик из-за распада α'-фазы невелико. Упрочнение, обусловленное ω-фазой, в настоящее время практически не используют из-за хрупкости сплавов, получаемых при этом способе упрочнения. Чтобы избежать такой хрупкости титановые сплавы подвергают старению по режимам, не приводящим к ее образованию, чаще всего при 500–600 оС. При этих температурах из β-твердого раствора выделяется дисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость. Если β-фаза распадается без образования ω-фазы или объем ее невелик, то сплавы можно подвергать старению и при более низких температурах. При низкотемпературном старении выделения α-фазы более дисперсны и поэтому обеспечивают большее упрочнение.

Старение в (α + β)-сплавах протекает во времени тем более интенсивно, чем меньше в них β-стабилизаторов. Например, в сплаве ВТ6 уже после старения в течение 1-2 ч при 400–600 оС достигается максимум прочности, а затем следует разупрочнение. Продолжительность старения обычно выбирают большей, чем время, необходимое для достижения максимальной прочности. Это обусловлено тем, что при максимальной прочности слишком низки пластические свойства, чтобы обеспечить надежную, безаварийную эксплуатацию изделий и конструкций, т.е. титановые сплавы, по существу, применяют в состоянии небольшого перестаривания.

Титановые сплавы подвергают старению по одно- и двухступенчатому режимам. Чаще применяют одноступенчатое старение. При двухступенчатом старении температуру старения на второй ступени выбирают более высокой, чем на первой. Двухступенчатый режим старения обеспечивает более высокий комплекс механических свойств по сравнению с одноступенчатым. Отливки из титановых (α + β)-сплавов не подвергают упрочняющей термической обработке, так как при пластинчатой структуре, ха-

189