CC BY
23
ных покрытий в условиях газоабразивного изнашивания и контакта с алюминиевыми сплавами.
Перечень ссылок
1. Мержанов А.Г. Процессы горения и синтеза материалов. Черноголовка: ИСМАН, 1998. - 512 с.
2. Коган Я.Д., Середа Б.П., Штессель Э.А. Высокоинтенсивный способ получения покрытий в условиях СВС // Металловедение и термическая обработка металлов. -1991. - № 6. - С. 39-40.
3. Середа Б .П., Палехова И.В. Получение многокомпонентных защитных покрытий методом газотранспортной
СВС-технологии // HoBi матерiали i технологи в металлурги та машинобудуванш. - 2006. - № 2. - С. 6669.
4. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: Справ. / Под. ред. Т. Я. Косолаповой - М.: Металлургия, 1986. - 928 с.
5. Термические константы веществ: Справ. / Под. ред. В.П. Глушко. - М.: Наука, 1978. - 274 с.
6. Яхнина В.Д., Козлов А.М., Лукьяненко А.И. Физико-химические особенности порошкового борирования // Порошковая металлургия. - 1973. - № 12. - С. 41-44.
Одержано 17.12.2007
Показано результати до^джень структури i властивостей комплексних noKpummie високовуглецевих маmеpiалiв, отриманих в умовах саморозповсюджувального високотемпературного синтезу.
The results of structure and properties investigation of complex coatings of high-carbon materials received by selfspreading hightemperature synthesis (SHS) were shown.
УДК 669.721.5
Канд. техн. наук В. А. Шаломеев Национальный технический университет, г. Запорожье
ВЛИЯНИЕ ЩЗМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА Мл-5
Исследовано влияние кальция и бария на структурообразование, механические свойства и жаропрочность магниевого сплава Мл-5. Установлено, что модифицирование магниевого сплава Мл-5 ЩЗМ способствует повышению жаропрочности и пластичности.
Магниевые сплавы представляют большой интерес в авиа- и автомобилестроении как легкие конструкционные материалы, применение которых позволяет снизить вес конструкций, что обеспечивает снижение расхода топлива и улучшение их динамических характеристик [1]. К отливкам, изготовленным из магниевых сплавов, предъявляется ряд требований, одним из которых является низкая стоимость сплавов, что исключает использование в качестве легирующих добавок дорогих и дефицитных редкоземельных металлов (№, Ьа, У), хорошо показавших себя для упрочнения магниевых сплавов при обычных и повышенных темпе-
ратурах [2]. Проведенный анализ диаграмм состояния двойных систем кальция и бария с магнием и алюминием, составляющих основу сплава Мл-5, показал, что при взаимодействии указанных компонентов могут образовываться новые фазы, находящиеся в равновесии с твердым раствором [3]. Основные характеристики и свойства этих фаз приведены в таблице 1. Эти фазы имеют температуры плавления выше, чем температура плавления фазы Mg17Al12 (460 °С), находящейся в равновесии с твердым раствором в двойной системе Mg-Al, и могут способствовать повышению жаропрочности сплава.
Таблица 1 - Основные характеристики фаз с участием кальция и бария в системе Mg-Al
Фаза Прототип Параметры решетки, нм Т оС 1 пл.} ^
а с
Mg17Ba2 Zn17Th2 1,0664 1,5593 707
Mg23Ba6 Mn23Th7 1,5263 - 598
Mg2Ba MgZn2 0,6663 1,0557 607
BaAl4 BaAl4 0,4566 1,1278 1104
Al2Ca MgCu2 0,8038 - 1079
Mg2Ca MgZn2 0,6230 1,0120 715
© В. А. Шаломеев, 2008
24
Кальций известен как элемент, повышающий механические свойства магниевых сплавов [4], хотя сведения о его влиянии на магниевые сплавы ограничены. Данные о влиянии бария на механические свойства магниевых сплавов практически отсутствуют. Магниевые сплавы, содержащие ЩЗМ, в свое время, не нашли практического применения, так как они уступают по механическим свойствам более дорогим сплавам, содержащим редкоземельные металлы [5]. Поэтому в настоящее время разработка магниевых сплавов без дорогостоящих легирующих компонентов и с повышенными механическими свойствами является актуальной задачей.
В настоящей работе изучали влияние кальция и бария на структуру и свойства отливок из магниевого сплава Мл-5.
Магниевый сплавов Мл-5 выплавляли в индукционной тигельной печи типа ИПМ-500 по серийной технологии. Расплав рафинировали флюсом ВИ-2 в раздаточной печи и из нее порционно отбирали ков -шом расплав. В последний вводили возрастающие присадки лигатуры Mg - 14 % Са, Mg - 10 % Ва и заливали им песчано-глинистые формы для получения стандартных образцов с рабочим диаметром 12 мм. Параллельно исследовали сплав Мл-5 без добавок ЩЗМ. Образцы для механических испытаний проходили термическую обработку в печах типа Бельвью и ПАП-4М по режиму: закалка от 415±5 °С, выдержка 15 ч, охлаждение на воздухе и старение при 200±5 °С, выдержка 8 ч, охлаждение на воздухе.
Предел прочности и относительное удлинение образцов определяли на разрывной машине Р5 при ком -натной температуре.
Длительную прочность при повышенной температуре определяли на разрывной машине АИМА 5-2 на образцах с рабочим диаметром 5 мм по ГОСТ 10145-81.
Микроструктуру отливок изучали методом световой 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.
Химический состав сплава различных вариантов модифицирования удовлетворял требованиям ГОСТ 2856-79 и по содержанию основных элементов находился примерно на одном уровне (8,8 % А1, 0,35 % Мп, 0,32 % ги, 0,01 % Бе, 0,007 % Си, 0,02 % 81).
Макрофрактографическое исследование изломов образцов показало, что присадки 0,05 % кальция и бария каждого в сплав Мл-5 приводили к измельчению структуры изломов литого металла (рис. 1, б; д). Металлографическими измерениями установили, что расстояние между осями второго порядка, а следовательно, и размер дендритной ячейки уменьшились в 1,5...2,0 раза (табл. 2). Дальнейшее увеличение присадок этих элементов влияло на структуру сплава незначительно. Увеличение присадок кальция незначительно огрубляло макроструктуру (рис. 1, в; д), но размеры дендритной ячейки практически не менялись. Дополнительные присадки бария до 1 % измельчали макроизлом (рис. 1, е; ж) и уменьшали размер дендритной ячейки сплава.
Рис. 1. Изломы образцов из сплава Мл-5, х 2,5: а - исходный сплав; б - 0,05 % Са; в - 0,1 % Са; г - 1,0 % Са; д - 0,05 % Ва; е - 0,1 % Ва; ж - 1,0 % Ва
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №2, 2008
25
Микроструктура немодифицированного сплава Мл-5 представляла собой д-твердый раствор с наличием эвтектики типа 5+у(М£17А112), интерметаллида у(М§17А112) и марганцовистой фазы, выделяющейся в виде мелкодисперсных частиц (рис. 2, а). Влияние кальция и бария на микрозерно подобно их влиянию на дендритную ячейку: присадки 0,05 % кальция и бария каждого в расплав измельчали микрозерно, рост величины присадки бария способствовал дополнительному измельчению зерна, а кальция - практически не влиял (рис. 2, б-ж).
При термической обработке происходило выделение эвтектоида 5+y(Mg17A112), имеющего вид чередующихся пластин. Наряду с этим в исследуемых сплавах выявлялись пограничные структуры Mg17A112 в форме вырожденной эвтектики белого цвета, количество которой увеличивалось с повышением содержания кальция и бария.
Присадки бария способствовали увеличению размеров и некоторого количества интерметаллидных частиц. Следует отметить, что присадка 1,0 % Ва приводила к образованию плен и неравномерному распределению интерметаллидной фазы в структуре. При введении в исследуемый сплав кальция пленообразо-вания в металле не обнаружено.
Анализ значений микротвердости осей дендритов исследуемых сплавов до и после термообработки (табл. 2) показал, что термическая обработка по стандартному режиму способствовала некоторому снижению микротвердости матрицы и разбросу между минимальными и максимальными значениями за счет повышения однородности металла. При модифицировании кальцием микротвердость повышалась, а с увеличением концентрации бария прослеживалась тенденция к снижению значений микротвердости. Микротвердость эвтектоида [8+y(Mg17A112)] и частиц вырожденной эв-
тектики была в 1,4 и 2,6 раза соответственно выше значений твердости матричного 5-твердого раствора.
Модифицирование сплава Мл-5 кальцием и барием способствовало повышению пластичности примерно в 2 раза при сохранении прочности на достаточно высоком уровне (табл. 3).
При этом получены линейные зависимости механических свойств сплава Мл-5 от характеристик его структурных составляющих (рис. 3). Получены уравнения 1-го порядка, описывающие влияние величины микрозерна (й) и расстояния между осями дендритов 2-го порядка (К) на предел прочности и относительное удлинение в сплаве Мл-5 с добавками кальция (1, 2) и бария (3, 4):
Ств = 238,5 + 0,03*[й], МПа г = 0,02; (1)
5 = 5,86 - 0,05*[К], % г = -0,65; (2)
ств = 218,4 + 0,096*[ й], МПа г = 0,99; (3)
5 = 4,75 - 0,04*[К], % г = -0,53. (4)
Полученные зависимости для кальция и бария почти идентичны: прочность исследуемых сплавов растет, а пластичность падает с увеличением размера структурных составляющих.
Жаропрочные свойства сплавов, модифицированных кальцием и барием, превышали свойства немоди-фицированного металла (табл. 3). Максимальные значения жаропрочности получены на образцах с присадкой 0,1 % кальция и бария. Дальнейшее повышение количества присадок приводило к снижению значений длительной прочности сплава.
Таким образом, добавки кальция и бария положительно влияли на пластичность и жаропрочность магниевого сплава Мл-5.
Таблица 2 - Размеры структурных составляющих и микротвердость в образцах из сплава Мл-5 *
Модификатор Присадка, % расч. Величина микро- Расстояние между Микротвердость матрицы, НУ, МПа
зерна (после термообработки), мкм осями дендритов 2го порядка, мкм до термообработки после термообработки
200...380 30.40 706,4.1167,8 824,0.894,1
(280) (35) (937,1) (859,1)
0,05 200.300 18.20 656,9.1008,3 858,0.894,1
(250) (19) (855,5) (876,1)
Са 0,1 190.290 20.22 656,9.1008,3 858,0.894,1
(240) (21) (855,5) (876,1)
1,0 200.300 18.20 743,9.1115,9 973,5.1064,0
(250) (19) (976,2) (1018,8)
0,05 210.310 22.30 973,5.1287,8 894,1.973,5
(260) (26) (1130,7) (933,8)
Ва 0,1 150.250 20.22 824,0.1064,0 824,0.858,0
(200) (21) (963,8) (841,0)
1,0 120.240 18.20 761,8.973,5 733,4.761,8
(180) (19) (867,7) (747,6)
Примечание. — в скобках представлены средние значения.
Таблица 3 - Механические свойства и жаропрочность сплава Мл-5 с присадками Са и Ва
Модификатор Присадка, % расч. Механические свойства Время до разрушения, тр,ч (Тисп.=150 °С;а = 80 МПа)
без термообработки после термообработки
а„, МПа 8, % а„, МПа 8, %
- - 154,0 1,6 229,7 4,1 11915
Са 0,05 161,0 4,1 229,4 4,4 12745
0,1 177,0 3,6 236,0 4,7 20820
1,0 98,0 4,4 230,0 5,5 19000
Ва 0,05 158,0 1,6 236,0 3,8 12535
0,1 188,0 4,6 237,0 4,2 17715
1,0 188,0 4,8 253,0 5,3 12910
« 270
^ 260
250
? 240 и
о 230 о 220 с 210
5 200
щ 100 200 300 400 о.
с Величина микрозерна, мкм
✓ ✓ Са
фу
у* у • • Ва
1*" •
• •
„ 5,75 " 5>5
« 5,25 | 5,0 = 4,75 5: 4,5 н 4,23 | 4,0
= 10 20 30 40 ° Расстояние между осями 2 порядка, мкм
^ \ Са • ф Ва
14 \ •
ч\ \ \
\
• \\ * *
4 У.
Рис. 3. Зависимость прочности (а) и пластичности (б) от величины микрозерна и расстояния между осями дендритов 2 порядка для сплава Мл-5, модифицированного кальцием и барием
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №2, 2008 27
Выводы
1. Введение в магниевый сплав Мл-5 кальция и бария уменьшает размер его структурных составляющих.
2. Термообработка сплава Мл-5 по стандартному режиму приводит к снижению химической неоднородности металла и стабилизации его механических свойств.
3. Оптимальные присадки кальция и бария в сплав Мл-5 составляют до 0,1 % каждого, обеспечивая повышение жаропрочности и пластичности сплава при сохранении прочностных характеристик.
4. Получены линейные зависимости механических свойств от величины структурных составляющих сплава Мл-5 с присадками ЩЗМ.
5. Избыточные присадки бария могут приводить к образованию плен и неравномерному распределению интерметаллидной фазы по сечению металла.
Перечень ссылок
1. Edgar R. L. / Magnesium Alloys and their Applications // Ed. Kainer K.U. Wiley-Weinheim-New York-Chichester-Brisbane-Singapore-Toronto. Verlag GmBh. - 2000. -P. 3-8.
2. Бондарев Б.И., Рохлин Л. Л. / Фундоментальные проблемы Российской металлургии на пороге 21 века. Т. 2 // М.: Российская Академия Естественных Наук. - 1998. -С. 118-156.
3. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник под ред. Н.П. Лякишева. Т. 1 / М.: Машиностроение. - 1996. - 991 с.
4. Дриц М.Е. / Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах // М.: Наука. - 1964. - 232 с.
5. Рохлин Л. Л., Никитина Н.И. / Влияние кальция на свойства сплавов системы Mg -Al // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - № 5. - С. 14-17.
Одержано 15.10.2008
Дослiджено вплив кальцЮ й барiю на структуроутворення, MexaHi4Hi властивостi й жаромiцнiсть магтевого сплаву Мл-5. Установлено, що модифiкування магтевого сплаву Мл-5 ЩЗМ сприяе пiдвищенню жаромiцностi й пластичностi при збережент мiцностi на досить високомурiвнi.
Influence of calcium and barium on structure, mechanical properties and thermal stability of magnesian alloy Ml-5 is investigated. It is established, that modifying of magnesium alloy Ml-5 alkali-earth metals promote increase of thermal stability and plasticity keeping strength characteristics at considerably high level.
УДК 669.721.5
Канд. техн. наук В. А. Шаломеев, канд. техн. наук А. В. Пархоменко,
д-р техн. наук Е. I. Цивiрко Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя
ОПТИМ1ЗАЦ1Я Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ МАГНЮВОГО СПЛАВУ Мл-5 ДЛЯ В1ДПОВ1ДАЛЬНОГО ЛИТТЯ
Показано, що в межах марочного складу структура й властивостi сплаву Мл-5 можуть мiнятися. Для вивчення вплыву основнихлегуючих елементiв сплаву (А1, Мп, 2п) намехатчт властивостi, побудованаматриця планування експерименту за планом 23 з використанням спецiалiзованоi програми для розрахунюв. Проведена математична оптимiзацiя хiмiчного складу сплаву для одержання пiдвищеногорiвня властивостей.
Магнieвi ливарш сплави, що мають малу питому вагу й досить висош мехашчш властивосп, в останш роки знаходять усе бшьше застосування в машинобу-дуванш. При цьому, вимоги до них, у зв'язку з розвит-ком i вдосконалюванням техшки, постшно ростуть [1]. Тому ведуться штенсивш дослщження з шдвищення мехашчних властивостей вилившв з магшевих сплавiв.
Вщомо, що окремi легукш елементи змщнюють магнiевi сплави, знижуючи 1х пластичшсть, i навпаки, при цьому стльний 1хтй вплив може тдвишувати весь комплекс мехашчних властивостей сплаву [2]. Рiзний вмет елеменпв у межах марочного складу може змiни-ти структуру й фiзико-механiчнi властивосп сплаву. Тому ошгашзащя хiмiчного складу магшевих сплавiв
для покращення мехашчних властивостей е досить актуальним, що дозволяе без додаткових витрат одер-жувати сплави з тдвищеним рiвнем мехашчних характеристик.
Вивчали вплив основних легуючих елеменпв (А1, Мп, 2п) сплаву Мл-5 у межах вимог ГОСТ 2858-79 ( А1 - 7,5.9,0 %; Мп - 0,15.0,5 %; 2п - 0,2.0,8 %) на його мехашчш властивосп. Дослщження мжрост-руктур вилившв з магшевих сплавiв iз граничним вмютом елеменпв ( при дотриманш однаковими вах iнших технологiчних режимiв) показало, що в межах марочного складу мжроструктура сплаву змiнюеться (рис. 1) за рахунок розмiру зерна, шлькосп евтектики й iнтерметалiдноl фази, топографи включень. При цьо-
© В. А. Шаломеев, А. В. Пархоменко, Е. I. Ц^рко, 2008 28
