CC BY
29
УДК 669.2/.8-034.7
В. А. Шаломеев
МОДИФИЦИРОВАНИЕ МАГНИЕВОГО СПЛАВА МЛ-5
ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ЧЕРЕЗ УГЛЕРОД-СОДЕРЖАЩИЕ
МАТЕРИАЛЫ
Исследована структура и качество сплава Мл-5 в поверхностных слоях отливок после контакта металла с углерод-содержащими фильтрующими материалами - магнезит, графитовый бой, известняк. Установлено, что жидкий магниевый сплав взаимодействует с материалом фильтра и происходит его модифицирование. При этом, максимальное измельчение зерна металла наблюдается при взаимодействии с графитом и магнезитом.
Улучшение качества отливок из магниевых сплавов и повышение их механических свойств достигается путем модифицирования расплава. Наиболее дешевым и широко распространенным способом модифицирования магниевых сплавов системы М^-Л1-2и является обработка его углерод-содержащи-ми материалами.
При выплавке литья из магниевых сплавов, широко применяют флюс ВИ-2, однако, в этом случае возникает угроза загрязнения металла флюсом [1], приводящая к появлением очагов флюсовой коррозии и снижающая качество магниевых отливок. Для этого применяют фильтрацию расплава перед его заливкой в форму [2]. В качестве фильтра используют широко распространенные и недорогие материалы - магнезит, известняк и графит, обеспечивающие высокое качество металла и повышенные механические свойства [3]. При фильтрации, одновременно с очисткой расплава от флюса, происходит его модифицирование углеродом, входящим в состав фильтра. Так, при использовании в качестве фильтра магнезита и известняка, под воздействием температуры, происходит их разложение с образованием соответствующих оксидов и атомарного углерода, который, взаимодействуя с алюминием, входящим в состав сплава, приводит к образованию мелкодисперсных карбидов алюминия, являющихся центрами кристаллизации и измельчающими зерно. Графитовый бой ведет себя аналогичным образом, углерод которого, взаимодействуя с алюминием, также создает центры кристаллизации [4]. Очевидно, что разные углерод-содержащие материалы будут образовывать различное количество центров кристаллизации и соответственно, металл будет иметь отличающуюся структуру и свойства. Поэтому, правильный выбор материала фильтра, обеспечивающего максимальное измельчение зерна металла и, как следствие, повышенный комплекс свойств сплава, является актуальной задачей.
Изучали структуру металла при контакте с выбранными материалами на границе их взаимодействия. Для чистоты эксперимента, чтобы избежать влияния других факторов на процесс модифицирования (фракционность материала, площадь поверхности взаимодействия), использовали метод «лежачей капли» [5], заключающийся в расплавлении пробы металла на горизонтальных подкладках из исследуемых материалов в индукционной печи в атмосфере аргона.*
Образцы из сплава Мл-5 (Ш 7,5 х 7,5 мм) помещали в графитовый нагреватель, который располагался в печи из кварцевого стекла в середине индуктора, на подкладки (23 х 15 х 5 мм) из магнезита, известняка и графитового боя. После расплавления капли металла и последующей кристаллизации (рис. 1), ее разрезали пополам и изготавливали шлифы. Микроструктуру металла на границе раздела «металл-фильтр» изучали методом оптической микроскопии после травления 7-%-ном спиртовом растворе азотной кислоты.
Рис. 1. Капля из сплава Мл-5 после кристаллизации на графитовой подложке
Микротвердость определяли на микротвердомере фирмы «ВиеЫег» при нагрузке индентора равной 0,1Н.
Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих сплава осуществляли на электронном микроскопе «18М-6360ЬЛ».
* Исследование проводились совместно с к.т.н. Самойловым В.Е., инженером Самойловым Ю.В. © В. А. Шаломеев, 2008
Микроструктура исследуемых капель сплава Мл-5 представляла собой 5 -твердый раствор, упрочненный интерметаллидной фазой у(М£4А1з), с наличием эвтектики 5 + y(Mg4A1з) и марганцовистой фазы (рис. 2).
достигали 25 мкм, что в 3......4 раза больше, чем в
каплях при контакте с известняком и графитом.
Величина микрозерна в материале всех исследуемых капель находилась на одном уровне (табл. 1).
На поверхности капли, контактировавшей с подложкой из известняка, выявлена микропористость с характерными продуктами окисления, проникающая в глубь металла на ~ 175 мкм, (табл. 1). В поверхностной зоне также обнаружены интерметаллиды Y(Mg4A1з), выделившиеся в виде глобулярных частиц серого цвета размером 2,0......6,0 мкм (рис.
3, а).
При исследовании пограничных зон металла, взаимодействовавшего с подложками из графита и магнезита, на поверхности наблюдалось незначительное окисление глубиной до 10 и 6 мкм, соответственно (рис. 3, б-в). При этом, в поверхностной зоне исследуемых капель имелось повышенное (по сравнению с остальным объемом капли) количество интерметаллидов Y(Mg4A1з). Установлено, что большее количество выделений Y(Mg4A1з)-фазы выявлено в поверхностной зоне капли при контакте с магнезитовой подложкой. Размеры интерметаллидов
Таблица 1 - Величина микрозерна и структурных составляющих капель из сплава Мл-5
Материал подложки Глубина окисления, мкм Размер микрозерна, мкм Размер интерметаллидной фазы y(Mg4A13), мкм
известняк до 175 80... 150 2,0...6,0
графит до 10 80... 175 3,0...8,0
магнезит до 6 75.150 3,0...25,0
в
Рис. 3. Микроструктура поверхностной зоны капель из сплава МЛ-5, находившихся на различных подложках, х 500:
а - из известняка; б - из графита; в - из магнезита
Микротвердость 5 -твердого раствора в поверхностных зонах капель всех вариантов была несколько выше, чем в центре (табл. 2). Более высокие значения микротвердости матрицы, эвтектики и интер-металлида наблюдались в капле, находившейся на подложка из магнезита.
Таблица 2 - Микротвердость капель из сплава Мл-5
Материал подложки Микротвердость, НУ, МПа
матрица эвтектика 8 +7^4^) интерметаллидная фаза
край центр
известняк 858,0.973,5 733,4.932,5 1188,4.1368,9 2825,8
графит 792,0.894,1 761,8.792,0 1225,8.1891,6 2825,8
магнезит 894,1.1167,8 824,0.1017,3 1225,8.2288,9 2825,8.5150,0
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 199 -
Таблица 3 - Количественная оценка структурных составляющих в опытных образцах сплава Мл-5
Вариант фильтрации Количество и размер упрочняющей фазы
Единичные включения Скопления включений
Индекс, I Средний размер, d, мкм Кол-во на ед. дл., п, 1/мм Индекс, I Средний размер, d, мкм Кол-во на ед. дл., п, 1/мм.
магнезит 0,00701 3,895 1,81 0,00140 9,990 0,14
Эл. бой 0,00907 4,491 2,02 0,00125 8,910 0,14
известняк 0,01181 5,670 2,02 0,00272 17,10 0,16
5-!-! 20 [ЛТ! ¿.П К
Рис. 4. Результаты РСМА в режиме картирования участка микрошлифа в зоне контакта металла сплава Мл-5 с материалом фильтра. Большему содержанию элемента соответствует более интенсивная окраска
Количественный анализ структурных составляющих в исследуемых образцах из сплава Мл-5 показал, что при взаимодействии металла с материалами подложки образуются как единичные интер-металлиды, так и их скопления. Причем, их индекс (ГОСТ 1778-70), средний размер и количество на единицу длины - возрастают от магнезита к графиту и известняку (табл. 3).
Интерметаллидная фаза, образовавшаяся после контакта металла с материалами фильтра, отличатся от исходной. Заметно изменяется ее топография и морфология. Она приобретает несовершенную призматическую или пластинчато-призматическую форму. При этом, некоторые частицы несут следы «уле -та» газовой фазы, когда в образовавшихся порах наблюдаются новообразования - четко ограненные мелкие кристаллики золотисто-желтого цвета с яркой анизотропией, что позволяет их отнести к карбиду алюминия Al4Cз.
Микрорентгеноспектральный анализ всех исследуемых образцов металла показал, что в поверхностной зоне контакта «металл-фильтр» интерметаллид-ная фаза Y(Mg4A1з), кроме магния и алюминия также обогащена марганцем и углеродом (рис. 4), что подтверждает данные металлографического анализа и позволяет сделать вывод о комплексном строении интерметаллидной фазы.
Сравнение структуры поверхности литого металла после взаимодействия с фильтрами различного состава показало, что более приемлемыми, обеспечивающими низкое окисление расплава и, соответственно, более высокое его качество, являются электродный бой и магнезит.
Выводы
1. В результате взаимодействия магниевого сплава с материалом фильтра наблюдается повышенное количество интерметаллидной фазы Y(Mg4A1з). При-
чем больше всего ее обнаружено при использовании магнезита.
2. Повышенная микротвердость структурных составляющих сплава Мл-5 на границе раздела «металл-флюс» наблюдалась при взаимодействии металла с магнезитом.
3. Область контакта металла с материалом фильтра обогащена алюминием, марганцем и углеродом, что свидетельствует о комплексном составе интер-металлидной фазы.
4. Лучшими фильтрационными материалами для магниевых сплавов, обеспечиващими низкое окисление металла и высокую эффективность модифицирования, являются графит и магнезит.
Перечень ссылок
1. Магниевые сплавы: Справочник. Ч.1. Металловедение магния и его сплавов. Области применения. - М.: «Металлургия», 1978. - 232 с.
2. Альтман М.Б., Лебедев А. А., Чухров М.В. Плавка и литье легких сплавов. - М.: «Металлургия», 1969. - 680 с.
3. Шаломеев В. А., Цивирко Э.И., Лысенко Н.А., Клочихин В.В. Ресурсосберегающая технология рафинирования печных донных остатков магниевого сплава Мл-5 //Вестник двигателес-троения, 2007. - № 2. - С. 77-82.
4. Шаломеев В.А., Лысенко Н.А., Лукинов В.В., Быков И. Д., Цивирко Э.И. Рафинирование магниевого сплава Мл-5 для ответственного авиационного литья// Вестник двигателе-строения, 2006. - № 1. - С. 139-143.
5. Самойлов В. Е., Самойлов Ю.В. Методическая разработка актуальной проблемы рафинирования магниевого сплава Мл-5 методом фильтрования. / XI международная конференция «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах», тезисы докладов. - Запорожье, 1922 сентября 2006. - 183 с.
Поступила в редакцию 04.05.2008 До^джено структуру i яюсть сплаву Мл-5 у поверхневих шарах виливюв пiсля контакту метсту з вуглець-утримуючими фшьтруючими матерiалами - магнезит, графiтовий бш, вапняк. Установлено, що рiдкий магтевий сплав взаeмодie з матерiалом фыьтра й вiдбуваeться його модиф^вання. При цьому, максимальне здрiбнювання зерна металу спо-стерiгаeться при взаемодП iз графтом i магнезитом.
The summary: the structure and quality of alloy Ml-5 in superficial layers of cast details after contact of metal to carbon-containing by filtering materials - magnesite, graphite fight, limestone Is investigated. It is established, that the liquid magnesian alloy cooperates with a material of the filter and there is its modifying. Thus, the maximal crushing of grain of metal is observed at interaction with graphite and magnesite.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 201 -
