CC BY
27
УДК 669.721.5
В. А. Шаломеев
ЖАРОПРОЧНОСТЬ МАГНИЕВОГО СПЛАВА МЛ-5, МОДИФИЦИРОВАННОГО СКАНДИЕМ
Модифицирование магниевого сплава Мл-5 скандием до 0,5 % упрочняет твердый раствор и положительно влияет на интерметаллидые фазы, что заметно улучшает механические и жаропрочные свойства отливок.
Оливки из магниевых сплавов все больше используются в автомобильной промышленности, авиации, космонавтике, машиностроении и приборостроении, наиболее интенсивный рост потребления магниевых сплавов наблюдается в автомобильной промышленности и авиации [1]. Это вызвано тем, что все более актуальной становится проблема уменьшения расхода топлива и сокращения количества вредных выбросов в атмосферу. Основным из направлений решения этой проблемы является снижение массы деталей.
В настоящее время ведется поиск путей повышения жаропрочности существующих магниевых сплавов для деталей. Стандартный магниевый сплав Мл-5 предназначен для работы при температурах до 150 °С [2]. При превышении данной температуры происходит резкое падение всех его свойств. Большая жаропрочность исследуемого сплава позволит расширить область его применения, повысит эксплуатационную надежность деталей.
Известно, что устойчивость интерметаллидов при высоких температурах в большинстве случав гарантирует повышение жаропрочности литья [3]. Так, при модифицировании алюминиевых сплавов скандием, образуется интерметаллиды, устойчивые при высоких температурах и повышающие жаропрочность металла [4]. Учитывая это, можно предположить образование этих интерметаллидов и в алюми-нийсодержащем магниевом сплаве, при модифицировании его скандием.
В настоящей работе изучали влияние модифицирования скандием 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. Рафинирование расплава проводили в раздаточной печи, из которой порционно отбирали ковшом расплав, в который вводили возрастающие присадки Mg-Sc-лигатуры (14 % Бе, 86 % Mg) и заливали стандартные образцы для механических испытаний в песчано-глинистую форму. Образцы проходили термическую обработку в печах типа Бельвью и ПАП-4М по режиму Т6: закалка от 415±5 °С, выдержка 15 ч, охлаждение на воздухе
© В. А. Шаломеев, 2008
и старение при 200±5 °С , выдержка 8 ч, охлаждение на воздухе).
Временное сопротивление разрыву (ств) и относительное удлинение (5) образцов с рабочим диаметром 12 мм. определяли на разрывной машине Р5 при комнатной температуре.
Длительную прочность (ст) при различных температурах 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 % эти-ленгликоля.
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.
Присадка скандия в сплав МЛ5 до 0,5 % способствовала некоторому повышению физико-механических характеристик, увеличение количества модификатора до 1,0 % приводило к снижению механических и жаропрочных свойств (таблица 1). При повышении температуры испытания на длительную прочность до 170 °С время до разрушения уменьшалось примерно в 10 раз. Дальнейшее повышение температуры испытания (при одинаковом напряжении) приводило к падению значений до 5......8 часов. При этом следует отметить, что в изломах испытанных образцов с присадкой 1,0 % Бс обнаружены дефекты, характерные для грубых мик-рорыхлот и пленочных загрязнений, что также явилось причиной снижения механических и, в особенности, жаропрочных свойств.
Микроструктура сплава Мл-5, отлитого по стандартной технологии, представляла собой 5-твердый раствор с наличием эвтектики типа 5+y(Mg4Alз), располагающейся по границам зерен, интерметал-лида Y(Mg4Al3) и марганцовистой фазы. После про-
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008
147
Таблица 1 - Механические свойства и длительная прочность сплава Мл-5
Количество модификатора (Бс), % Механические свойства Длительная прочность, = 80 МПа, час
а„, МПа 8, % Тисп. 1 50 С Тисп. 170 С Гт = 200 °С
- 218 5,2 29920 2050 500
0,2 247 6,8 39730 3530 630
0,5 226 5,9 22210 2530 715
1,0 182 4,6 2400 - -
ведения термической обработки в структуре исследуемых сплавов наблюдались белые пограничные выделения М£4А1з в форме вырожденной эвтектики, а также образование эвтектоида 5+y(Mg4A1з), имеющего вид чередующихся пластин (рис. 1, а). Интерметаллидная у фаза выделялась в виде частиц глобулярной формы. В процессе термической обработки уменьшалась химическая неоднородность сплава, границы зерен становились более четкими и выравнивались.
Модифицирование сплава скандием от 0,2 % до 0,5 % способствовало увеличению количества и размеров интерметаллидной фазы и уменьшению эвтектоида, а при введении 1,0 % Бс эвтектоидные выделения практически полностью отсутствовали (рис. 1).
Нагрев до температур 150......200 °С способствовал распаду эвтектоида во всех исследуемых вариантах (рис. 2), вследствие чего происходило упрочнение матрицы за счет дополнительного легирования твердого раствора интерметаллидами типа Y(Mg4A1з). Установлено, что более полному распаду эвтектоидной фазы также способствовало повышение напряжений. Так, для структуры рабочей части образцов после испытаний на длительную прочность при напряжении 80 МПа характерно большее
выделение интерметаллидов и измельчение зерна в сравнении с его нерабочей частью.
В микроструктуре образцов, прошедших испытания на длительную прочность, проявляются полосы скольжения, по которым наблюдалось более интенсивное выделение мелкодисперсных частиц интерметаллидной фазы (рис. 3). Данные области характеризуются повышением значений микротвердости.
Микротвердость 5-твердого раствора стандартного сплава (до термообработки) составляла 765,7 МПа. Эвтектика примерно в 2,5 раза тверже матрицы. После проведения термообработки наблюдалось увеличение микротвердости матрицы и снижение значений твердости эвтектоида типа 5+Y(Mg4A1з) (таблица 2), что свидетельствует о повышении однородности термообработанного сплава.
Микротвердость пограничных выделений белого цвета составляла 2011,7......2825,8 МПа. Значения микротвердости глобулярных включений интер-металлидной фазы типа Y(Mg4A1з) составляла ~ 4256,2 МПа, что в 1,5.. .2 раза выше твердости эвтектики и в ~ 5 раз выше твердости матрицы.
в
Рис. 1. Микроструктура сплава Мл-5 после стандартной термообработки: а - без присадки Бс, б - с присадкой 0,2 % Бс, в - с присадкой 1,0 % Бс, х 500
Рис. 2. Микроструктура сплава Мл-5 без присадки Бс (а-в), с присадкой 0,2 % Бс (г-е) и 1,0 % Бс (ж-и), х500:
а б, в - после испытаний при температуре 150 °С и напряжении 80МПа; г, д, е - после испытаний при температуре 170 °С и напряжении 80 МПа; ж, з, и - после испытаний при температуре 200 °С и напряжении 80 МПа
Рис. 3. Полосы скольжения в микроструктуре образцов из сплава МЛ5 после испытаний на длительную прочность,
х 750
ШЗИ1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008
- 149 -
Таблица 2 - Микротвердость матрицы и эвтектоида 5+Y(Mg4A1з) в образцах из сплава Мл-5 до и после термической обработки
Количество модификатора Sc, % Микротвердость, HV, МПа
мат рица эвтектоид a+y(Mg4Al3)
до термообработки после термообработки до термообработки после термообработки
- 706,4... 824,0 824,0.932,5 1782,0.2288,9 1426,6.1589,5
0,2 761,8... 894,1 1114,1.1189,0 1782,0.2627,6 1681,6.1891,6
0,5 858,0. 1017,3 1167,8.1225,5 1891,6.2649,5 1681,6.2011,7
1,0 656,9.706,4 1167,8.1287,5 - -
Таблица 3 - Микротвердость матрицы и эвтектоида 5+Y(Mg4A1з) в образцах из сплава Мл-5 после испытаний на длительную прочность
Количество Микротвердость после испытаний на длительную прочность ( а„ = 80 МПа), HV, МПа
модификатора матрица эвтектоид a+y(Mg4Al3)
Sc, % Тисп. 1 50 С Тисп. 170 С Тип = 200 ° С Тисп. 150 С Тисп. 170 С Тисп.= 200 ° С
- 1017,3. 1114,1. 1225,5. 1891,6. 1426,6. 1354,4.
1225,5 1287,5 1354,4 2011,7 1799,5 1782,0
0,2 733,4. 894,1. 1017,3. 1167,8. 1287,5. 1354,4.
761,8 1017,3 1167,8 1504,7 1726,6 1782,0
При повышении температуры и длительности выдержки значения микротвердости матрицы немо-дифицированного сплава увеличивались, а эвтек-тоида - уменьшались.
Введение скандия от 0,2 % до 1,0 % приводило к снижению микротвердости матрицы и эвтектоида, (таблица 3). Это объясняется тем, что концентрируясь, в основном, в глобулярных интерметаллидах типа Y(Mg4A1з), скандий тормозит эвтектоидное превращение. Таким образом, с повышением содержания скандия в сплаве размеры эвтектоидных выделений уменьшались и в процессе последующей термической обработки матрица в меньшей степени упрочнялась дисперсными интерметаллидными частицами.
Выводы
1. Модифицирование сплава Мл-5 скандием до 0,5 % способствует повышению механических и жаропрочных свойств вследствие дополнительного упрочнения как твердого раствора, так и структурных составляющих.
2. Нагрев немодифицированного сплава до температур 150......200 °С способствует распаду эвтек-
тоида, вследствие чего происходит упрочнение матрицы за счет дополнительного легирования твердого раствора интерметаллидами типа г(Mg4A1з). Ус -
тановлено, что более полному распаду эвтектоид-ной фазы также способствует повышение напряжений.
3. Введение скандия до 1,0 % приводит к снижению микротвердости матрицы и эвтектоида вследствие того, что, концентрируясь, в основном, в глобулярных интерметаллидах типа у(М£4А1з), скандий тормозит эвтектоидное превращение и, тем самым, способствует снижению степени легированности твердого раствора дисперсными частицами интер-металлидной фазы [ продукта распада 5+y(Mg4Al3)].
Перечень ссылок
1. Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2007 г. Юбилейный научно-технический сборник, ред. Каблова Е.Н. - М.: ВИАМ, 2007.
- 354 с.
2. Альтман М.Б., Белов А.Ф., Добаткин В.И. и др. Магниевые сплавы. Справочник ч. 2. - М.: Металлургия, 1978. - 294 с.
3. Дриц М.Е., Бочвар Н.Р. Структура и свойства сплавов магния, содержащих неодим, марганец и никель. Известия ВУЗов. Цветная металлургия, № 4. - 1969. - С. 90-102.
4. Ищенко А.Я., Лабур Т.М. Свариваемые алюминиевые сплавы со скандием. Киев: КВИЦ, 1999.
- 113 с.
Поступила в редакцию 12.11.2007 Модиф^вання магтевого сплаву Мл-5 CKmdieM до 0,5% змщнюе твердий розчин i позитивно впливае на iнтерметалiднi фази, що значно полiпшуе механiчнi й жаромщт вла-стивостi виливюв.
Modifying of magnesian alloy Ml-5 by scandium up to 0,5 % strengthens a solid solution and positively influences on intermetallid phases that improves significantly mechanical and heat resisting properties of cast castings.
