CC BY
18ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВО-МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Обитов Насриддин Мехриевич - старший преподаватель Навоийского государственного горного института
Аннотация. Термическая обработка является одним из инструментов повышения эксплуатационных свойств деталей, конструкций, изготовленных, в частности, из сплавов на основе алюминия. Современная классификация алюминиевых сплавов делит их на термически упрочняемые и не упрочняемые. Разница между двумя группами сплавов заключается в степени их упрочнения в закаленном состоянии. Эффект упрочнения достигается за счет образования пересыщенных твердых растворов за счет второй фазы-растворителя на основе легирующего элемента. Изучение фазового состава и наноструктуры вторичных алюминиевых сплавов показал новый эффект упрочнения алюминиевых сплавов. Экспериментально доказана возможность упрочнения сплавов на основе алюминия после закалки и последующего старения, в том числе, термически не упрочняемых алюминиевых сплавов, содержащих повышенное количество примесей. В работе приведены результаты экспериментов по повышению прочностных свойств модельных сплавов типа литейных магналиев, приготовленных из лома и отходов. Показаны механические свойства в литом и термическом обработанном состояниях, а также фазовый состав исследованных сплавов.
Ключевые слова: старения, механические свойства, сплавы, концентрации примесей, эффект старения, структура, контраст
Аннотация. Термик ишлов бериш, хусусан, алюминий асосидаги котишмалардан тайёрланган деталлар ва тузилмаларнинг ишлаш хусусиятларини яхшилаш воситаларидан биридир. Алюминий к;отишмаларининг замонавий таснифи уларни термик ишлов бериш билан мустадкамланадиган ва мустадкамланмайдиган турларга ажратади. Котишмаларнинг икки гуруди уртасидаги фар; уларнинг тоблангандан кейинги долатда мустадкамланиши даражасидадир. Мустадкамланиш эффекти котишма элементга асосланган иккинчи дал килувчи фаза туфайли ута туйинган ;атти; котишмалар досил булиши туфайли эришилади. Иккиламчи алюминий котишмаларининг фазавий таркиби ва наноструктурасини урганиш алюминий котишмаларининг мустадкамланишининг янги таъсирини курсатди. Алюминий асосидаги ;отишмаларни тоблаш ва кейинчалик ;аритишдан кейин мустадкамланиш эдтимоли шу жумладан, куп микдорда аралашмалар булган термик ишлов берилмайдиган алюминий котишмаларида дам экспериментал равишда исботланган. Ма;олада булаклар ва чи;индилардан тайёрланган куйма магналиялар каби модель котишмаларининг мустадкамлик хусусиятларини яхшилаш буйича тажрибалар натижалари келтирилган. Тад;и; килинган котишмаларнинг куйилган ва термик ишлов берилган долатлардаги механик хусусиятлари кушимчалар микдори, шунингдек, фазавий таркиби келтирилган.
Калит сузлар: ;ариш, механик хусусиятлар, котишмалар, аралашмалар контсентрацияси, ;ариш эффекти, тузилиш, контраст.
Annotation. Heat treatment is one of the tools for improving the performance properties of parts and structures made, in particular, from aluminum-based alloys. The modern classification of aluminum alloys divides them into heat-hardenable and non-hardenable. The difference between the two groups of alloys lies in the degree of their hardening in the hardened state. The hardening effect is achieved due to the formation of supersaturated solid
84
solutions due to the second solvent phase based on the alloying element. The study of the phase composition and nanostructure of secondary aluminum alloys showed a new effect of hardening of aluminum alloys. The possibility of hardening alloys based on aluminum after quenching and subsequent aging has been experimentally proved, including non-thermally hardened aluminum alloys containing an increased amount of impurities. The paper presents the results of experiments to improve the strength properties of model alloys such as foundry magnals, prepared from scrap and waste. Shown are the mechanical properties in the cast and heat treated states, as well as the phase composition of the investigated alloys.
Key words: aging, mechanical properties, alloys, impurity concentrations, aging effect, structure, contrast.
ВВЕДЕНИЕ
В зависимости от изменения механических свойств после закалки и старения сплавы делят на термически упрочняемые, например, сплавы на основе системы Al - Cu [1 - 3], и термически не упрочняемые, например, сплавы на основе системы Al - Mg [4 -
5].
Прирост прочностных свойств у термически упрочняемых сплавов происходит в силу образования пересыщенного твердого раствора после закалки и последующего распада этого раствора в процессе естественного или искусственного старения, что обеспечивается химическим составом. Так, например, в сплавах системы Al - Cu основной фазой, обеспечивающей упрочнения сплавов, является CuAh, которая легко растворяется в алюминиевом твердом растворе [6 - 8]. При старении пересыщенныи твердыи раствор распадается на когерентную 6'-, затем на полукогерентную 6" - фазы [9 - 11].
Для обеспечения эффекта термического упрочнения алюминиевые сплавы легируют, в т.ч. малыми добавками.
В термически не упрочняемых, например, в алюминиево-магниевых сплавах в (Mg2Ah) - фаза не обеспечивает значимого эффекта упрочнения [12 - 15].
Приведенные утверждения справедливы, когда речь идет о первичных сплавах. Другой эффект наблюдается в этих же сплавах, но, приготовленных из лома и отходов.
Вторичные сплавы отличаются сложным химическим составом [16 - 18]. В состав вторичных магналиев входят: железо, кремний, медь, цинк, марганец, олово, свинец, никель, хром. Кроме того, «по наследству», в их состав могут входить один или несколько элементов ряда: Ti, B, Zr, Be, Y и др. [19 - 21]. Естественно, многокомпонентные сплавы имеют сложный фазовый состав, который точно не определен и имеет разные трактовки в опубликованных работах.
Цель настоящей работы - на основе изучения фазового состава с повышенным содержанием примесей, определить влияние термической обработки на структуру и свойства алюминиево-магниевых сплавов.
Для достижения цели, в работе решены следующие задачи:
- определен фазовый состав сплавов системы Al - Mg (магналии) в диапазоне содержания магния от 4 до 8 масс. %, а также повышенным содержанием примесей;
- апробированы режимы нагрева и охлаждения магналиев, приготовленных из лома и отходов;
- разработан двухступенчатый режим термической обработки, обеспечивающий повышенный уровень механических свойств термически не упрочняемых исследованных сплавов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования старения на механические свойства были выбраны сплавы, отличающиеся друг от друга содержанием магния (4, 6, 8%Mg) при одинаковой
концентрации примесей. Чтобы выяснить, насколько эффект старения зависит от примесей (в частности цинка и меди), для сплава с 6%М§ определение механических свойств проводили на трех уровнях содержания примесей. Старение проводили на закаленных по режиму 520°С, 10 ч сплавах.
На основании анализа литературных данных по сплавам А1 - М§ - [17 - 19] старение на первой ступени проводили при 100°С 4ч. Режим второй ступени являлся объектом оптимизации. Об эффекте старения судили по приросту твердости НУ в сравнении с закаленным состоянием.
Структурный и микрорентгеноспектральный фазовый анализ проведен на оптическом микроскопе <ШеорЬо1>21» и растровом электронном микроскопе фирмы «[ео1».
В процессе исследования использованы методики, которые применяли в работах [19 - 23].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для определения фазового состава вторичных сплавов были приготовлены сплавы на основе системы А1 - М§ с примесями, введенными порознь, попарно и вместе. Составы фаз были определены методами микрорентгеноспектрального анализа на микрошлифах, закристаллизованных в условиях, обеспечивающих равновесную кристаллизацию.
Фрагменты исследований фазового состава вторичных сплавов представлены ниже. Установлено, что магний, кремний, олово и свинец образуют сложную эвтектику (М§,51,5п,РЬ), которая может быть описана в виде: (М§2Б1+5п+РЬ) или М§2(51,5п,РЬ). Микроструктура фазы представлена на рис.1а. На рис. 1б представлена сложная фаза эвтектического происхождения А1(Си, N1, Мп, Mg). Здесь видно, как две колонии срослись в одной точке и, возможно, наличие третей колонии вертикально плоскости фотографии. На рис. 1в показаны сросшиеся фазы (Ре, Мп, Си, N1) А1з и Б (А1, Си, М§, N1).
Л
в)
Рис. 1. Микроструктура алюминиевых сплавов а и б - растровый электронный микроскоп; в - световой микроскоп увеличение х 800
В целом микроструктура алюминиевого сплава из лома и отходов с примесями, введенными вместе, представлена на рис. 2.
(Mg,Si,Sn,Pb) (Fe,Mn,Cu,Ni)Al3 S(Al,Cu,Mg,Ni) a(Al) ßßhMgz)
86
Journal of Advances in
Engineering Technology Vol.2(4) 2021 elibrary
Рис.2. Микроструктура сплава с примесями, введёнными вместе - световой
микроскоп, х 1000
Фазовый состав сплава следующий: а- алюминиевый твердый раствор, обогащенный цинком, медью, марганцем, никелем, магнием; в (AlзMg2) - фаза, которая может содержать цинк, медь, марганец; эвтектические колонии S (А1, Си, Mg) - фазы; железистая фаза эвтектического происхождения (А1 ^е, Mn, Ш, Си); кремнийсодержащая, сложная фаза (М& Si, Sn, РЬ). Естественно, при наличии титана, иттрия возможно образование фаз на основе этих элементов также эвтектического происхождения [Мондольфо].
При таком сложном фазовом составе сплава, можно, ожидать при нагреве под закалку растворения некоторых фаз в твердом растворе на основе алюминия.
Известно [18 - 23], что сплавы алюминия и магния, содержащие в качестве основных легирующих элементов цинк, кремний, медь, существенно упрочняются при старении. В связи с этим, исследуемые сплавы, содержащие принеси меди и цинка в количестве 0,3...0,6% (каждой), решили подвергнуть старению с целью их дополнительного упрочнения.
Более высокий уровень прочностных и коррозионных свойств, по-видимому, должен обеспечить двухступенчатый режим старения, при котором наблюдается более высокая плотность и однородность распределения выделений [19 - 23].
На первом этапе были получены зависимости твердости сплавов от температуры Т старения при времени выдержки 2ч. У сплавов с 6 и 8%Mg максимальный прирост НУ наблюдали при 160°С, а у сплава с 4%Mg значения твердости после старения при различных температурах оставалась практически неизменными (~НУ 95).
У сплавов Al + 6% Mg с разным уровнем содержания примесей наибольшая твердость была получена после старения при температуре второй ступени 140°С для сплава с 0,6%Si, Fe, Си, Zn, Mn; 0,3%Sn и Pb; 0,5%№ (верхний уровень) и при 160°С с примесями на нижнем и среднем уровнях.
На следующем этапе установили зависимость твердости от времени выдержки на второй ступени старения при 140°С и при 160°С.
Из анализа кривых старения следует, что оптимальным режимом второй ступени является: температура 160°С, время выдержки 2ч. Такой режим обеспечивает прирост твердости ДНУ10...15.
87
Таблица 1. Твердость ^ сплавов, состаренных по одно- и двухступенчатому
режимам
Сплав Уровень Режим старения Твердость
примесеи HV
Al + 4%Mg средний одноступенчатый 89 ± 2
двухступенчатый 96 ± 3
Al + 6%Mg нижний одноступенчатый 89 ± 2
двухступенчатый 96 ± 2
Al + 6%Mg средний одноступенчатый 96 ± 2
двухступенчатый 103 ± 2
Al + 6%Mg верхний одноступенчатый 100 ± 2
двухступенчатый 110 ± 2
Al + 8%Mg средний одноступенчатый 103 ± 2
двухступенчатый 111 ± 2
Для доказательства того, что двухступенчатый режим старения дает больший прирост НУ чем одноступенчатый, была определена твердость сплавов состаренных по одноступенчатому режиму, обеспечивающим максимальную твердость: 160°С, 2ч. Значения твердости НУ сплавов системы Л1-М§ с различным уровнем примесей представлены в табл.1.
Результаты исследования, представленные в табл.1 подтверждают, что для всех сплавов двухступенчатый режим старения оказался более эффективным.
'а) Ш ■
б)
^Хв)
Рис.3. Тонкая структура сплава Al + 6%Mg с примесями на верхнем уровне: а -дислокационная структура в литом состоянии, х18000; б, в - тонкая структура в
состаренном состоянии , х34000
Электронно-микроскопические исследования сплава Л1 + 6%М§ с наибольшим содержанием примесей (для более легкого обнаружения продуктов распада), состаренного по режиму 100°С, 4ч + 160°С, 2ч, не позволили обнаружить продукты распада, вероятно из-за их дисперсности и малой объемной доли.
Структура пере старенного сплава в течение 10ч при температуре второй ступени 160°С, которую изучали с целью обнаружения продуктов распада, показана на рис.3.
Из сравнения тонкой структуры сплава в литом состоянии (рис.За) и в состаренном следует, что в сплаве, подвергнутом старению, на дислокациях видны гетерогенно зародившееся и уже грубые к этому времени старения частицы Р(Л1эМ§) -фазы (рис.Зб). На рис. 3в показаны толщенные контуры экстинкции с продуктами распада. Контраст в этом случае получается из-за наличия сильного поля упругих напряжений вокруг выделяющихся мелких частиц. Поле упругих напряжений сохраняется лишь вокруг когерентных или полуногерентных частиц [9 - 15]. Вокруг же грубых частиц они отсутствуют. Вероятно, в сплаве идет распад с образованием фазы-упрочнителя, объемная доля которой мала и, соответственно, она не оказывает заметного влияния на механические свойства. Идентифицировать эту фазу не удалось в виду малочисленности ее выделений.
88
> »
Изучение кинетических кривых зависимости твердости от времени выдержки показали, что режимом старения на максимальную прочность для вторичного сплава АМг5К является: 1000С, 4 ч + 2000С, 3 ч. На образцах, обработанных, по этому режиму определяли механические свойства. Установлено, что при таком режиме старения обеспечивается повышение предела текучести по сравнению с закаленными сплавами в среднем на 85 МПа и снижение относительного удлинения на 2,4%. Такое изменение свойств, свидетельствует о распаде пересыщенного твердого раствора. Анализ
электронограмм после старения сплавов позволяет предположить, что основной фазой (фазами), определяющей характер структуры, является медьсодержащая фаза S.
ВЫВОДЫ
Изменение твердости, предела текучести, относительного удлинения при старении сплавов системы А1 - Mg с повышенным содержанием примесей (в том числе меди и цинка до 0,6%) показывает, что сплавы этой группы возможно термически упрочнять.
ЛИТЕРАТУРА
1. Zolotorevskii, V.S., Istomin-Kastrovskii, V.V., Mansurov, Yu.N., Tynishbaeva, A.K. Effect of Impurities on the Structure and Mechanical Properties of Casting Magnaliums. | [O VLIYANII PRIMESEI NA STRUKTURU I MEKHANICHESKIE SVOISTVA LITEINYKH MAGNALIEV.]. // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenij. Tsvetnaya Metallurgiya. 1986 (1), pp. 94 -100.
2. Zolotorevsky, V.S., Belov, N.A., Mansurov, Yu.N. Morphology and Composition of Iron-Containing Phases in Foundry Magnaliums. | [MORFOLOGIYA I SOSTAV ZHELEZOSODERZHASHCHIKH FAZ V LITEINYKH MAGNALIYAKH.]. // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenij. Tsvetnaya Metallurgiya. 1986. (4), pp. 85 - 90.
3. Reva, V.P., Filatenkov, A.E., Mansurov, Y.N., Kuryavyi, V.G. Thermal stability of multilayer carbon nanotubes produced by the mechanical activation of amorphous carbon. // Coke and Chemistry. 2014. 57(11), pp. 444 - 447.
4. Andreeva, A.A., Mansurov, S.Yu., Miklushevskiy, D.V., Mansurov, Yu.N. Model of formation of innovation process for large industrial enterprises. // Tsvetnye Metally, 2015(3), pp. 74 - 77.
5. Miklushevskiy, D.V., Mansurov, S.Y., Piterskaya, T.N., Mansurov, Y.N. International review of market of non-ferrous metals. // Tsvetnye Metally, 2015(9), pp. 4 - 6.
6. Miklushevskiy, D.V., Mansurov, S.Y., Piterskaya, T.N., Mansurov, Yu.N. Economy and innovation management of universities. // Tsvetnye Metally, 2015(9), pp. 6 - 12.
7. Mansurov, Yu.N., Belov, N.A., Sannikov, A.V., Buravlev, I.Yu. Optimization of composition and properties of heatresistant complex-alloyed aluminum alloy castings. // Non-ferrous Metals. 2015, 39(2), pp. 48 - 55.
8. Mansurov, Yu.N., Kurbatkina, E.I., Buravlev, I.Yu., Reva, V.P. Features of structure's formation and properties of composite aluminum alloy ingots. // Non-ferrous Metals. 2015, 39(2), pp. 40 - 47.
9. Mansurov, Yu.N., Reva, V.P., Mansurov, S.Yu., Beloborodov, M.V. Economic and social basis of material science development in the far east. // Tsvetnye Metally. 2016, (11), pp. 88 - 93.
10. Rudnev, V.S., Nedozorov, P.M., Yarovaya, T.P., Mansurov, Yu.N. Local plasma and electrochemical oxygenating on the example of AMg5 (AMr5) alloy. / / Tsvetnye Metally. 2017, (1), pp. 59 - 64.
11. Aksenov, A.A., Mansurov, Yu.N., Ivanov, D.O., Kadyrova, D.S. Foam aluminium for small business in the far east. // Tsvetnye Metally. 2017, (4), pp. 81-85.
12. Rudnev, V.S., Yarovaya, T.P., Nedozorov, P.M., Mansurov, Y.N. Wear-resistant oxide coatings on aluminum alloy formed in borate and silicate aqueous electrolytes by plasma electrolytic oxidation. // Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2017, 53(3), pp. 466 - 474.
13. Aksenov, A.A., Mansurov, Y.N., Ivanov, D.O., Reva, V.P., Kadyrova, D.S., Shuvatkin, R.K., Kim, E.D. // Metallurgist. 2017, 61(5-6), pp. 475 - 484.
14. Sergeeva, A.M., Lovizin, N.S., Sosnin, A.A., Mansurov, Yu.N. Influence of continuous casting on the structure and properties of 1013 (AD1) alloy castings. // Tsvetnye Metally. 2018, (5), pp. 64 - 68.
15. Mansurov, Yu.N., Aksenov, A.A., Reva, V.P. Influence of the chill-mold casting process on the structure and properties of aluminum alloys with eutectic constituents. // Tsvetnye Metally. 2018, (5), pp. 77 - 81.
16. Mansurov, Yu.N., Rakhmonov, J.U., Letyagin, N.V., Finogeyev, A.S. Influence of impurity elements on the casting properties of Al-Mg based alloys. // Non-ferrous Metals. 2018, 44(1), pp. 24 - 29.
89
- -
17. Mamadzhanov, K.A., Sergeeva, A.M., Mansurov, S.Y., Mansurov, Y.N. Continuous casting of aluminium alloys and cost effectiveness analysis. // Tsvetnye Metally. 2018, (16), pp. 6 - 13.
18. Mansurov, Y.N., Rakhmonov, J.U. Analysis of the phase composition and the structure of aluminum alloys with increased content of impurities. // Non-ferrous Metals. 2018, 45(2), pp. 37 - 42.
19. Mansurov, Y.N., Kadyrova, D.S., Rakhmonov, J. Dependence of Corrosion Resistance for Aluminum Alloys with Composition Increased Impurity Content. // Metallurgist. 2019, 62(11-12), pp. 1181 - 1186.
20. Mansurov, Y.N., Rakhmonov, J.U., Aksyonov, A.A. Modified aluminum alloys of Al - Zr system for power transmission lines of Uzbekistan. // Non-ferrous Metals. 2020, 49(2), pp. 51 - 55.
21. Mansurov, Y.N., Rakhmonov, J.U., Aksyonov, A.A. Metal-based systems allowing the use of scrap to
prepare aluminum alloys // Non-ferrous Metals. 2020, 49(2), pp. 56 - 62.
22. Mansurov, Y.N., Rikhsiboev, A.R., Mansurov, S.Y. Features of Multicomponent Secondary Aluminium Alloy Structure Formation. // Metallurgist. 2020, 63(11-12), pp. 1303 - 1312.
S. B. Sidelnikov, D. S. Voroshilov, M. M. Motkov, V. N. Timofeev, I. L. Konstantinov, N. N. Dovzhenko, E. S. Lopatina, V. M. Bespalov, R. E. Sokolov, Y. N. Mansurov, M. V. Voroshilova. Investigation structure and properties of wire from the alloy of AL-REM system obtained with the application of casting in the electromagnetic mold, combined rolling-extruding, and drawing. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021, 114(9-10), pp. 2633 - 2649.
90
