CC BY
32
УДК 621.74:669.721
Канд. техн. наук В. А. Шаломеев, д-р техн. наук Э. И. Цивирко, д-р техн. наук Ю. Н. Внуков
Запорожский национальный технический университет
МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ С ПОВЫШЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Исследовано влияние Ш, Ое, , У, Бс, Хг, Т1, И/на структурообразование, механические свойства и жаропрочность сплава Мл-5. Проведен качественный и количественный анализ интерметаллидньх фаз. Показана роль интерметаллидов в структурообразовании магниевьх сплавов и их влияние на свойства отливок.
Ключевые слова: магниевый сплав, легирование, механические свойства, жаропрочность, интерметаллиды, микрозерно, морфология.
Магниевые сплавы, обладающие малым удельным весом, достаточно высокими свойствами и хорошей обрабатываемостью, находят все большее применение в различных областях машиностроения [1]. Применение отливок из магниевых сплавов позволяет существенно снизить массу агрегатов, что обеспечивает увеличение КПД, повышение скорости, полезной нагрузки, дальности пробега, снижение расхода топлива. Постоянно растущие требования к эксплуатационной надежности и долговечности машин и механизмов обусловливает необходимость повышения свойств отливок из магниевых сплавов [2]. Поэтому получение улучшенных магниевых сплавов с повышенным комплексом свойств является актуальной задачей.
Улучшение свойств магниевых сплавов достигается путем их легирования с образованием многокомпонентных твердых растворов, обеспечивая упрочнение кристаллической решетки растворителя атомами растворимых элементов [3,
4], и тугоплавких фаз, возникающих при взаимодействии элементов сплава с вводимыми элементами [5].
Образование сложнолегированных растворов обусловлено растворимостью элемента в основе сплава и определяется близостью их атомных диаметров, которые, согласно Юм-Розери [6], должны отличаться не более чем на 15 %.
Другим условием растворимости элемента в металле-основе по данным Даркена и Гурри [7] является небольшая разность их электроотрицательности, которая не должна превышать 0,4.
Важным условием повышения жаропрочности сплава при легировании является то, что температура плавления легирующих элементов должна быть выше температуры плавления основы сплава [8].
На основании вышеизложенных критериев, из всего многообразия химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева были опробованы Ш, Ое, Ля, Б1,У, Бе, 2г, Т1, ИТ (табл. 1).
Таблица 1 — Атомные радиусы (Аг), электроотрицательность (Э/О), соотношение их по отношению к магнию и температуры плавления (Тпл) элементов [9]
Элемент Ar Эл., пм (ArMg-Ar э„)/ AMg, % Э/Оэл. Э/OMg -Э/Оэ„. Т °С
Mg 160 - 0,56 - 650
Si 136 15,0 0,83 -0,27 1416
Sc 164 1,2 0,53 0,03 1539
Ti 146 8,8 0,61 -0,04 1668
Ge 139 13,1 0,84 -0,28 937
Y 181 -13,1 0,48 0,08 1495
Zr 160 0 0,57 -0,01 1860
Ag 144 10,0 0,56 0 961
Nd 182 -13,8 0,95 -0,39 1024
Hf 159 0,6 0,50 0,06 2220
© В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко, Ю. Н. Внуков, 2011
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения №1/2011 - 151 -
Исследовали влияние Кё, Ое, Аё, Б1,У, Бс, Т1, И на структурообразование, механические свойства и жаропрочность отливок из магниевого сплава Мл-5.
Магниевый сплав Мл-5 выплавляли в индукционной тигельной печи ИПМ-500 по серийной технологии. Расплав рафинировали флюсом ВИ-2 в раздаточной печи, из которой порционно отбирали ковшом расплав. В него вводили возрастающие присадки соответствующих элементов (0; 0,05; 0,1; 1,0 % — по расчету), подогревали до 790 ± 5 °С и выдерживали 15 мин. Полученным расплавом заливали песчано-глинистые формы для получения стандартных образцов с рабочим диаметром 12 мм (ГОСТ 2856-79). Образцы для механических испытаний проходили термическую обработку в печах типа Бельвью и ПАП-4М по режиму: гомогенизация при температуре 415 °С (выдержка 24 часа), охлаждение на воздухе + старение при температуре 215 °С (выдержка 10 часов), охлаждение на воздухе.
Предел прочности и относительное удлинение образцов определяли на разрывной машине Р5 при комнатной температуре.
Длительную прочность при температуре 150 °С и напряжении 80 МПа определяли на разрывной машине АИМА 5-2 на образцах с рабочим диаметром 5 мм по ГОСТ 10145-81.
Микроструктуру отливок изучали методом оптической микроскопии («№орИо1 32») на термически обработанных образцах после травления реактивом, состоящем из 1 % азотной кислоты, 20 % уксусной кислоты, 19 % дистиллированной воды, 60 % этиленгликоля.
Микротвердость структурных составляющих сплава определяли на микротвердомере фирмы «ВиеЫег» при нагрузке 0,1 Н.
Фазовый анализ структурных составляющих магниевых сплавов изучали на электронном микроскопе — микроанализаторе с энергодисперсионной приставкой РЭММА 202М и РЭМ 16и.
Количественный подсчет интерметаллидной фазы и распределение ее по размерным группам проводился по ГОСТ 1778-70 [10].
Химический состав сплава Мл-5 исследуемых вариантов удовлетворял требованиям ГОСТ 2856-79 и по содержанию основных элементов находился примерно на одном уровне (8,6 % А1; 0,28 % Мп; 0,35 % 2п; 0,02 % Бе; 0,005 % Си; 0,04 % 81).
Анализ макроструктуры отливок из сплава Мл-5 показал, что все элементы, имеющие благоприятный фактор по отношению к магнию, измельчали макрозерно, при этом, расстояние между осями дендритов 2-го порядка уменьшалось с 20 до 16 мкм (табл. 2).
Содерж. элементов, % масс. Расст.между дендрит. 2-го порядка, мкм Размер микрозерна, мкм Микротверд. матрицы, НУ, МПа Мех. св-ва т80 ч
ав, МПа 8, %
- 20 140 1256,5 228,4 3,2 141,2
Ag 0,046 18 120 1270,2 235,6 3,8 141,9
0,12 18 100 1310,1 243,4 3,6 145,4
0,98 17 90 1355,9 261,2 3,4 190,5
Y 0,05 18 130 1465,7 254,4 4,4 180,5
0,1 17 130 1547,1 260,0 5,0 192,4
1,0 17 100 1675,0 278,2 4,5 272,5
Nd 0,05 18 120 1290,0 244,4 5,1 165,4
0,1 17 100 1390,5 235,0 6,0 186,5
1,0 17 90 1407,6 238,5 5,0 234,2
Sc 0,05 18 120 1358,6 269,0 5,9 208,5
0,1 17 100 1451,8 277,2 6,1 222,2
1,0 16 90 1630,0 280,4 4,6 283,4
Ge 0,05 19 125 1233,4 237,8 4,7 161,5
0,1 18 100 1244,6 246,4 4,1 182,2
1,0 17 90 1287,5 254,2 3,8 194,8
Si 0,05 19 130 1276,5 232,2 4,6 168,7
0,1 17 120 1313,5 241,4 4,5 190,9
1,0 16 100 1334,5 145,8 4,2 251,2
Ti 0,05 18 120 1270,6 229,2 3,8 216,5
0,1 16 100 1265,7 232,8 4,0 262,4
1,0 16 100 1283,3 240,1 3,6 295,4
Zr 0,05 17 105 1235,3 256,6 4,6 225,5
0,1 16 100 1265,6 236,5 4,8 274,2
1,0 16 70 1297,9 225,4 4,2 298,4
Hf 0,05 17 110 1256,6 233,3 4,0 230,5
0,1 16 100 1294,4 241,4 3,7 288,4
1,0 15 70 1321,1 249,8 3,6 422,2
Таблица 2 — Характеристики структуры, механические свойства и жаропрочность отливок из сплава Мл-5 с Ш, Ое, Аё, Б1,У, Бс, 2г, Т1, И"
Микроструктура отливок из опытных сплавов так же измельчалась. С увеличением содержания исследуемых элементов размер микрозерна уменьшался (табл. 2). Влияние элементов на измельчение зерна усиливалось с увеличением порядкового номера элементов в периодической системе и было обусловлено увеличением их главного квантового числа. При этом, интенсивнее измельчали зерно элементы подгруппы: Т1 (3й24ь2), 2г (4й25и?) и Ш (5#6ф.
Качественный анализ структуры сплавов, содержащих различные элементы, показал наличие как вытянутых, так и округлых комплексных интерметаллидных фаз, содержащих соответствующие легирующие элементы (табл. 3).
Количественный анализ показал, что с повышением содержания исследуемых элементов в сплаве увеличивалось количество интерметаллид-ной фазы (рис. 1).
При содержании в сплаве 0,05—0,1 % легирующего элемента интенсивно увеличивалось количество округлых интерметаллидов и незначительно — вытянутых. Дальнейшее повышение содержания элементов в сплаве приводило к незначительному росту количества округлых включений, находящихся внутри зерна, и интенсив-
ному — вытянутых. Большее количество округлых включений внутри зерна приводило к его измельчению и некоторому повышению пластичности исследуемых сплавов. Увеличение суммарного количества интерметаллидов с ростом содержания элементов в сплавах положительно влияло на прочностные характеристики металла. Анализ распределения интерметаллидов по размерным группам показал, что в исходном сплаве Мл-5 преобладали вытянутые интерметаллиды, большинство из которых находились в размерной группе 4...15 мкм. Округлые интерметаллиды, в основном, представлены размерной группой 2.7,9 мкм. Легирование магниевого сплава исследуемыми элементами приводило к измельчению интер-металлидной фазы, их распределение по размерным группам смещалось в сторону меньших размеров (до 2.11,5 — для округлых и < 2.7,9 — для вытянутых). С повышением содержания исследуемых элементов в сплаве увеличивалось количество интерметаллидов с размерами меньше 2 мкм и уменьшалось число крупных интерметаллидов ( > 11,6 мкм). Последнее способствовало измельчению зерна. При этом установлена зависимость уменьшения размера микрозерна с увеличением количества интерметаллидов (рис. 2).
Таблица 3 — Химический состав интерметаллидных фаз в сплаве Мл-5, легированного различными элементами
Легир. э„-т Состав интерметаллидов, % масс.
Mg Al Si Mn C O Fe Э„-т
Ag 15,70 1,88 1,09 0,24 4,02 7,10 - 69,90
Y 2,79 32,11 0,54 43,42 3,58 2,85 - 14,71
Nd 22,13 42,61 0,61 1,32 1,59 2,06 - 30,12
Sc 33,02 26,87 - 7,46 - - - 32,65
Ge 59,68 2,63 16,65 - 0,46 1,32 - 19,25
Si 45,85 1,21 51,85 0,02 0,69 0,37 - -
Ti 20,72 12,89 16,21 - - 32,76 - 13,38
Zr 13,71 9,73 1,45 1,30 1,22 4,37 - 68,59
Hf 0,90 34,54 1,98 34,17 1,07 - 25,38 1,06
и сходны и 0,1014 [мае.)
0Г05% (мае.) 1,0 % (мае.)
Рис. 1. Влияние содержания элементов на количество интерметаллидов в отливках из сплава Мл-5
аь МПа 6, It
50 1 00 1 50 200 250 Количество интерметаллцпов, шт
[с!ср} = 212,52 - 0,47 [N1, г = - 0,82
Рис. 2. Влияние количества интерметаллидов на размер зерна в отливках из сплава Мл-5
Влияние количества интерметаллидов на прочность и жаропрочность магниевого сплава также имеет линейный характер (рис. 3, 4, 5). Интер-металлиды, образующиеся при введении того или иного элемента и располагающиеся как внутри зерна, так и по его границам, упрочняли его и повышали жаропрочность сплава. Пластичность же сплава в зависимости от количества интерметаллидов имеет нелинейную зависимость.
<Ть. МПа %
г- 600 и
280
270 260
250 _ 240
230
5.5 5.0 4,5 4,0 3,5 3,0
• у 1- J I
•
if >
i 6
— \
- 500 _ 400
- 300 _ 200
- 100
50 100 1 50 20 0 250
Количество интерметаллидов. шт
оь МПа 5, %
280
270 260
250 _ 240
230
5.5 5,0 4,54,0 3,5 3,0
I
•V'
Оь • \ 6
— м
,- 600 500
- 400
- 300
- 200
_ 100
50 100 150 200 250
Количество интерметаллидов, шт
<ть ИТ1а В, %
280
270 260
250 _ 240
230
5,55.0 4,54.0 3,5 3.0
6 V- ■Sj/i ob
4 T
f •/'
—
600
- 500 _ 400
- 300 _ 200
_ 100
50 100 150 200 250
Количество интерметаллццо в , шт
в
Рис. 3. Влияние количества интерметаллидов на свойства отливок из сплава Мл-5, легированного: а - Zr, б - Hf, в - Sc
280
270 260
250 240
5.5 5.0 4,5 4.0 3,5 " 3,0
• 6 Ob
/ •
I
—"S •
50
100
150
200
250
Количество интерметэллидоЕ, шт
оь МПа 6,%
280
270 260
250 240
230
5 5 5 О 4 54 О 3,5 3 О
4 Ob / T
--' ••
!_ 600
- 500
- 400
- 300
- 200
- 100
г 600 _ 500
- 400
- 300 _ 200
- 100
50 100 150 200 250
Количество интерметаллидов, шт
Оь WTla 6, г
280
270 260
250 240
230
5 5 5 0 4 о-4,0 3,5 3 о
i Ob
/
/ I
--
Г 600
- 500
- 400
- 300
- 200
- 100
50 100 150 200 250
Количество интерметаллидов , шт
Рис. 4. Влияние количества интерметаллидов на свойства отливок из сплава Мл-5, легированного: а - Ш, б - И, в - У
<гь. ГЛПа Б, %
600 и
270 260
250 240
5,55,04,54,0 3.5 -J 3.0
/ оь
G
_____т
----
500 400
300 200
50 100 150 200 250 Количество интерметаллидов , шт
а
Сь МПа 6, %
280 П 5,5
270 260
250 240
5,0 4.5 4.0 3 5 " 3.0
<Tb
5
/*
•______ T
600
500
400
300 200
Количество интерметаллидов , шт
б
Рис. 5. Влияние количества интерметаллидов на свойства отливок из сплава Мл-5, легированного: а - Б!, б - Ое
а
б
в
а
д е
Рис. 6. Взаимосвязь морфологии и прочности отливок из сплава Мл-5, легированного: а, б — Т1, в, г — Бе, д, е — Щ а, в, г — вытянутые интерметаллиды, б, г, е — округлые
Установлено, что на свойства магниевого сплава влияет не только количество выделившейся ин-терметаллидной фазы, но и ее топография и морфология. Вытянутые интерметаллиды (до 8,0 мкм) положительно влияли на свойства сплава, округлые же — до 11,6. Это говорит о том, что округлая форма интерметаллидов является более предпочтительной для повышения свойств сплава. Решающее значение в упрочнении сплава играют округлые интерметаллиды меньших размерных групп (рис. 6). Повышение пластичности при модифицировании металла происходит за счет того, что при введении присадок в количестве 0,05—1,0 % увеличивается доля округлых интерметаллидов, измельчающих зерно. При дальнейшем увеличении содержания элементов в сплаве происходит резкий рост количества интерметаллидов, что приводит к снижению его относительного удлинения.
Упрочнение сплава Мл-5 происходило при введении всех исследуемых элементов. Однако, более заметное упрочнение достигалось при малых содержаниях элементов в сплавах (0,05.0,1%). По-видимому, такие содержания элементов были достаточными для улучшения прочности металла (табл. 2).
При содержании легирующих элементов в пределах 0,05.0,1 % повышалась пластичность сплава. Однако, дальнейшее увеличение их ко-
личества приводило к снижению показателей пластичности (табл. 2). Лучшая пластичность сплава обеспечивалась У, Т1, Эс, Кё, Ш, меньшая — Э1, Ое, Ля.
Жаропрочность отливок из сплава Мл-5 изменялась в зависимости от температуры плавления вводимого элемента. Так, Ш (Тт = 2230 °С), гг (Тпл = 1850 °С) , Т1 (Тпл = 1660 °С), Эс (Тпл = = 1540 °С) значительно повышали жаропрочность сплава Мл-5. Получены однозначные зависимости влияния температуры плавления вводимых элементов на жаропрочность сплава Мл-5 (рис. 7).
Таким образом, повышение жаропрочности магниевых сплавов обеспечивается за счет двух факторов: получения сложнололегированного твердого раствора с более высокой температурой плавления, чем основа сплава, и образования интерметаллидных фаз с более высокой термостойкостью.
Выводы
1. Определены легирующие элементы (Кё, Ое, Ля, Э1, У, Эс, гг, Т1, Ш), улучшающие свойства отливок из магниевых сплавов.
2. Установлена возможность образования комплексных интерметаллидных фаз в магниевых сплавах при легировании Кё, Ое, Ля, Э1, У, Эс, гг, Т1, Ш. При этом, решающее значение для измельчения макро- и микро-
т, час
1000 2000 Тпл,,, °С
0, 05%, масс. [т] = 128,72+0,015[Гия]+1,65*10"5 [Тпл]2, г = 0,92 0,1%, масс. [т] = 113,43+0,033[Т„л]+2,34*10"5 [Тш]2, г = 0,93 1,0%, масс. [т] = 62,96+0,117[Т„л]+1,59*10"5 [Тпл]2, г = 0,98
Рис. 7. Зависимость жаропрочности отливок из сплава Мл-5 от температуры плавления легирующих элементов
структуры литого сплава имеет форма ин-терметаллидов.
3. Легирование сплава Мл-5 исследуемыми элементами повышает его прочность и жаропрочность. При содержании исследуемых элементов в металле в пределах 0,050,1 %, обеспечивается рост пластичности сплава.
4. Установлено, что жаропрочность магниевых сплавов зависит от температуры плавления легирующих элементов и определяется в первую очередь количеством термостойкой ин-терметаллидной фазы.
Перечень ссылок
1. Магниевые сплавы : справочник, т. 2 / [М. Б. Альтман, А. Ф. Белов, В. И. Добат-кин и др.]. — М. : Металлургия, 1978. — 294 с.
2. Диринга X. Настоящее и будущее магниевых сплавов в нашей цивилизации / [X. Диринга, П. Майер, Д. Фехнер и др.] // Литейное производство, 2006. — № 1. — С. 4—7.
3. Корнилов И. И. Физико-химические осно-
вы жаропрочности сплавов / И. И. Корнилов. —М. : Изд-во АН СССР, 1961. — 296 с.
4. Осипов К. А. Вопросы теории жаропрочности металлов и сплавов / К. А. Осипов — М. : Изд-во АН СССР, 1960. — 341 с.
5. Альтман М. Б. Плавка и литье легких сплавов / М. Б. Альтман, А. А. Лебедев, М. В. Чух-ров. — М. : Металлургия, 1969. — 680 с.
6. Юм-Розери Структура металлов и сплавов / Юм-Розери, В. Рейнор. — М. : Металлур-гиздат, 1959. — 391 с.
7. Даркен Л. С. Физическая химия металлов / Л. С. Даркен, Р. В. Гурри. — М. : Металлур-гиздат, 1960. — 245 с.
8. Корнилов И. И. Физико-химические основы жаропрочности сплавов / И. И. Корнилов, М. : Изд-во АН СССР, 1961. — 214 с.
9. Гороновский И. Т. Краткий справочник по химии / И. Т. Гороновский, Ю. П. Назарен-ко, Е. Ф. Некряч. — К. : Наукова думка, 1987. — 829 с.
Поступила в редакцию 10.09.2010
Шаломеев В.А., Цив1рко Е. ., Внуков Ю.М. MarmeBi сплави з пщвищеними властиво-стями
Досл^джено вплив Nd, Ge, Ag, Si ,Y, Sc, Zr, Ti, Hf на структуроутворення, мехашчш властивост^ i жаромщшсть сплаву Мл-5.Проведено яксний i кыькюний анализ ттерме-тал^дних фаз. Показано роль iнтерметалiдiв в структуроутворенш магшевих сnлавiв i ¿х вплив на властивостi вилив^в.
Ключов1 слова: магшевий сплав, легування, мехашчш властивостi, жаромщшсть, ттер-металiди, мкрозерно, морфологЯ.
Shalomeev V., Tsivirko E., Vnukov Yu. Magnesium alloys with enhanced properties
Influence Nd, Ge, Ag, Si, Y, Sc, Zr, Ti, Hf on structurization, mechanical properties and thermal stability of alloy Мл-5 is researched. The qualitative and quantitative analysis intermetallics phases is lead. The role intermetallics in structurization of magnesian alloys and their influence on properties castings is shown.
Key words: magnesium alloy, alloying, mechanical properties, heat resistance, intermetallics, micrograin, morphology.
