Влияние скандия на физико-химические свойства сплава АМг4 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.715. 620.193

ВЛИЯНИЕ СКАНДИЯ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА АМг4

© 2014 С.Ж. Иброхимов1, Б.Б. Эшов2, И.Н. Ганиев2, Н.Ф. Иброхимов1

'Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими, г. Душанбе 2 Институт химии им.В.И. Никитина АН Республики Таджикистан, г. Душанбе

Поступила в редакцию 15.04.2014

В работе изучено структура сплава АМг4 легированным скандием и методом термогравиметрии исследовано окисление твёрдого алюминиево-магниевого сплава АМг4, содержащего скандия в атмосфере воздуха. Установлено кинетические и энергетические параметры процесса окисления. Определено удельная теплоемкость исследуемых сплавов.

Ключевые слова: структура, твердость, кинетика окисления - сплав АМг4 - термогравиметрия -продукты окисления, теплоемкость, теплоотдача.

Главный недостаток алюминия как конструкционного материала - это малая прочность, поэтому для упрочнения его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния.

Сплавы системы Al-Mg характеризуются сочетанием удовлетворительной прочности, хорошей пластичности, очень хорошей свариваемости и коррозионной стойкости. В сплавах этой системы, содержащих до 6 % Mg, образуется эвтектика соединения Al3Mg2 c твердым раствором на основе алюминия. Согласно диаграмме состояния системы Al-Mg, при температуре эвтектики (4500С) в алюминии растворяется 17,4 % Mg. При понижении температуры растворимость уменьшается [1].

Наиболее широкое распространение в промышленности получили сплавы с содержанием магния от 1 до 5 %. Сплавы с содержанием магния до 3 % (по массе) структурно стабильны при комнатной и повышенной температуре. Увеличение содержания магния свыше 6 % приводит к ухудшению коррозионной стойкости сплава.

В рамках данной работы исследовано влияние скандия на структуру, окисляемость, теплоемкость и твердость сплава АМг4.

Для получения сплавов были использованы алюминий марки А7 и промышленная лигатура на основе алюминия, содержащая 2.0 масс. % скандия. Содержание скандия в сплаве АМг4 составляло 0.01; 0.05; 0.1 и 0.5 масс. %. Сплав АМг4 был

Иброхимов СухробЖанайдуллоевич, старший преподаватель. E-mail: suhrob-73@list.ru

Эшов Бахтиёр Бадалович, ведущий научный сотрудник. E-mail: ishov1967@mail.ru

Ганиев Изатулло Наврузович, академик АН Республики Таджикистан, доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией "Коррозионностойкие материалы". E-mail: E-mail: ganiev48@mail.ru

Иброхимов Насим Файзуллоевич, аспирант кафедры материаловедения ТТУ.

получен в вакуумной печи сопротивления типа СНВ-1.1.1/16ИЗ. Легирование сплава АМг4 лигатурой осуществляли в открытых шахтных печах типа СШОЛ.

Структуру сплавов изучали с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 при увеличениях 200 крат. Твердость сплавов по Бринеллю измерили согласно стандартной методике на приборе ТШ-2. Среднее значение определили по результатам 5 измерений.

Структура сплава АМг4, легированного скандием представляет собой - твердый раствор с включением эвтектики ( а-Al+Mg5Al8), количество и размер которой зависят от содержания скандия в сплаве. Сплавы с относительно малыми добавками скандия характеризуются довольно крупно зернистой микроструктурой. Дальнейшее повышение содержания скандия измельчает микроструктуру, и она становится однородной и мелкозернистой.

Кинетику окисления изучали методом термогравиметрии, основанной на непрерывном взвешивание образца подвешенного на откалибро-ванной молибденовой пружине с помощью катетометра КМ-8 при постоянной температуре [2,3]. Результаты исследования влияния скандия на кинетические параметры процесса окисления сплава АМг4 приведены в табл. 1.

Добавка скандия в количестве 0.01 масс. % незначительно снижает скорости окисления исходного сплава. Добавки скандия влияют на окис-ляемость алюминия таким же образом [3]. Дальнейшее повышение концентрации скандия в пределах исследованных составов также снижают скорости окисления. Если, при легировании сплава 0.05 масс. % скандием при температуре 773К скорость окисления составляет 4.6-10-3 кг/м2-сек, то при этой же температуре и увеличении концентрации легирующей добавки в два раза

Рис. 1. Микроструктура (X 200) сплава АМг4, легированного скандием (содержание скандия в сплавах указано на рисунке)

Таблица 1. Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого алюминиевого сплава АМг4, легированного скандием

Содержание скандия в Температура Истинная скорость Кажущаяся энергия

сплаве АМг4, масс. %. окисления, К окисления, К-10"3 активации, кДж/моль

кг/м2 -сек.

0.0 773 5,2 102,3

673 5,9

873 6,3

0.01 773 5,1 129,5

673 5,6

873 6,02

0.05 773 4,6 142,2

673 5,2

873 5,7

0.1 773 4,3 153,5

673 4,9

873 5,2

0.5 773 4,55 128,7

673 5,05

873 5,5

(до 0,1 масс.%) скорость окисления снижается до 4,3- 10-3 кг/м2-сек (табл. 1). Этот закономерность можно отслеживать и по величинам кажущейся энергии активации, так как она обратно пропорционально скорости окисления. Увеличение содержания скандия до 0,5 масс.% несколько увеличивает скорость окисления исходного сплава. Температурная зависимость теплоемкости, коэффициента теплоотдачи и термодинамические функции сплавов изучали в режиме "охлаждения" в интервале температур 300-800К. Измерения проводились на установке, описанной в работе [4]. Эксперимен-

тально полученные зависимости температуры охлаждения образцов сплава АМг4, легированного скандием от времени описываются уравнением: Т = ае-ьт+ре-кт. (1)

Дифференцируя уравнение (1) зависимости температуры охлаждения образцов (Т) от времени по т , получаем уравнение температурной зависимости скорости охлаждения сплава АМг4 со скандием в виде:

(Т

-= - аЬехр(-Ьт) - ркк ехр(-кт). (2)

(т

Для расчета удельной теплоемкости исследованных сплавов был использован коэффициент теплоотдачи (а) сплава марки АМг4, которое вычислялось по уравнению:

4 (T)| = -2.9820 - 0.0138 T +

(3)

+ 0.0001173 T2 - 8.8945 • 10 -8 T3

По имеющимся в литературе данным по теплоемкости алюминия, магния и сплава АМг4 [5] и экспериментально полученным величинам скорости охлаждения вычислили температурную зависимость коэффициента теплоотдачи сплава по уравнению (4) Результаты расчёта представлены в табл. 3.

Далее с помощью программы Sigma Plot обрабатывая имеющейся литературные и экспериментальные данные по теплоемкости сплава АМг4 и скандия [5] получили следующие уравнения температурной зависимости удельной теплоемкости для сплава АМг4 и скандия (в скобках указаны соответствующие коэффициенты регрессии) :

нее 0,998.

Таблица 2. Значения коэффициентов a, b, p, k, ab, pk в уравнение (2)

Содержание Sc в сплаве АМг4,мас.%: a, K b, 10-3 с1 P, K k,10-n с-1 ab, Kc-1 pk, Kc-1

0,0 427,96 3,1 353,12 9,82-10-5 1,32 0,03

0,01 542,99 4,57 346,83 1,29-10"4 2,48 0,04

0,05 557,18 4,36 354,99 1,45-10"4 2,41 0,05

0,1 522,33 4,03 354,94 1,30-10"4 2,10 0,04

0,5 523,39 4,26 358,25 1,48-10"4 2,22 0,05

Таблица 3. Температурная зависимость коэффициента теплоотдачи (Вт/К^м2)

сплава АМг4 со скандием

Т,К Содержание скандия в сплаве АМг4, мас.%

0.0 0.01 0.05 0.1 0.5

300 3,43 7,31 7,4645 8,8878 12,642

350 6,56 12,64 12,84472 15,2472 21,2561

400 10,27 19,65 19,9696 23,6542 32,8716

450 14,56 28,33 28,83912 34,1088 47,4885

500 19,44 38,69 39,4533 46,611 65,1068

550 24,91 50,73 51,81212 61,1608 85,7265

600 30,97 64,44 65,9156 77,7582 109,3476

650 37,61 79,83 81,76372 96,4032 135,9701

700 44,83 96,90 99,3565 117,0958 165,594

750 52,65 115,64 118,6939 139,836 198,2193

800 61,05 136,06 139,776 164,6238 233,846

Рис. 2. Температурная зависимость скорости охлаждения сплава АМг4, легированного скандием

Значения коэффициентов a, b, p, k, ab, pk в уравнении (2) приведены в табл.2. Вся обработка результатов производилась на MS Exzell и графики строились с помощью программы Sigma Plot. Коэффициент регрессии составляет не ме-

- 0.00064973 Т 2 + 1.0236 • 10-6 Т 3 ,(Я=1,0000), (5) С* = 489 .8333 + 0.3765 Т +

Р 4 2 7 3 , (я=1,0000). (6)

+ 4.7143 •10"4Т2 + 3.0556 •10 -7Т3

Используя значения коэффициента теплоотдачи сплавов, была вычислена удельная теплоемкость сплавов со скандием по уравнению (7)

СР (Т )т (?/ат)

(Т - Т0 ) •

\а

(Т ) =

(7)

Для сплава АМг4 легированного скандием, получены следующие уравнения:

0.01%8е СР = 415.3071 + 1.0232 Т + + 6.4962 •Ю-4Т2 -1.0235 -10-6Т3 0.05%8е СР = 415.3369 + 1.0230Т +

6 гр3

+ 6.4917-10-4Т2 -1.0229•10"6Т 0.1%8е СР = 415.3741 +1.0227Т + + 6.4861 • 10-4Т2 -1.0223-10-6Т3 0.5% 8е СР = 415.6723 + 1.0201Т + + 6.4412 •Ю-4Т2 -1.0170 •Ю-6Т3 .(8)

Вычисленные значения Ср для сплавов АМг4 со скандием через 50 К представлены в табл. 4.

Приведенные в табл. 4 данные удельной теплоёмкости сплава АМг4, содержащего скандия

характеризуются незначительным уменьшением величины удельной теплоёмкости с повышением концентрации скандия в сплаве. С повышением температуры независимо от состава сплава наблюдается заметный рост величины удельной теплоёмкости сплавов.

Влияние исследованных редкоземельных металлов на твердость сплава АМг4 характеризуется повышением твердости сплава, что можно объяснить образованием твердого раствора. Наиболее положительное влияние среды исследованных элементов оказывает скандий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Диаграмма состояния двойных металлических систем. Справочник: в 3-х т.: Т.1. Под. общ. ред. Н.П Лякишева. М.: Машиностроение,1996. 992 с.

2. Лепинских Б.М., Киселев В.И. Об окисление жидких металлов и сплавов кислородом из газовой фазы // Изв. АН СССР. Металлы, 1974.№5.с.51-54.

3. Ганиев И.Н. Высокотемпературная и электрохимическая коррозия алюминиево-скандиевых сплавов// Защита металлов, 1995. Т.31. №6. С.597-600.

4. Низомов З, Гулов Б.Н. и др. Исследование температурной зависимости удельной теплоемкости алюминия марок ОСЧ и А7 // Доклады АН РТ, 2010. Т. 53. №8 .

5. Теплофизические и термодинамические свойства сплавов свинца с ЩЗМ. Германия / Н.М. Муллоева, Ганиев И.Н., Х.А. Махмадуллоев. LAPLAMBERT А^аетк РиЬ^Ьшя, 2013. 6 с.

6. Теплофизические свойства металлов высоких температур .В.Е.Зиновьев. 1989Л]уи

С лмг 4 = 415 .2996 + 1.0233 т

р

Таблица 4. Температурная зависимость удельной теплоёмкости (Ср, Дж/кг-К)

сплава АМг4 со скандием

Т,К Содержание скандия в сплаве АМг 4, мас.%

0,0 0,01 0,05 0,1 0,5

300 753,13 753,10 752,88 752,96 751,21

350 809,16 809,12 808,79 808,94 807,01

400 863,07 863,02 862,55 862,80 860,68

450 914,08 914,03 913,38 913,78 911,48

500 961,43 961,37 960,50 961,09 958,63

550 1 004,36 1 004,29 1 003,16 1 003,98 1 001,37

600 1 042,08 1 042,01 1 040,57 1 041,68 1 038,94

650 1 073,85 1 073,77 1 071,97 1 073,42 1 070,58

700 1 098,88 1 098,80 1 096,58 1 098,43 1 095,53

750 1 116,42 1 116,33 1 113,64 1 115,96 1 113,02

800 1 125,68 1 125,59 1 122,36 1 125,23 1 122,28

INFLUENCE SCANDIUM ON THE PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF THE ALLOY AMG4

© 2014 S.Zh. Ibrohimov1, B.B. Eshov2, I.N. Ganiev2, N.F. Ibrohimov1

1 Tajik Technical University after named acad. M.S.Osimi, Dushanbe, Republic Tadzhikistan 2 Institute of chemistries named after V.I. Nikitin, Academy of Sciences of Republic Tadzhikistan, Dushanbe

In this paper we studied the structure of the alloy doped with scandium AMg4 and investigated by thermogravimetric oxidation of solid aluminum-magnesium alloy AMg4 containing scandium in air. The kinetic and energetic parameters of the oxidation process. Determined the specific heat of the alloys. Keywords: structure, hardness, oxidation kinetics - alloy AMg4 - thermogravimetry - products of oxidation, heat, heat.

Suhrob Ibrohimov, Senior Lecturer. E-mail: suhrob-73@list.ru Bakhtiar Eshov, Leading Research Fellow. E-mail: ishov1967@mail.ru

Izatullo Ganiev, Academician of Sciences of the Republic of Tajikistan, Doctor of Chemistry, Professor, Head of the Laboratory "Corrosion-Resistant Materials". E-mail: ganiev48@mail.ru

Naseem Ibrohimov Fayzlloevich, Graduate Student.