Корозійна стійкість магнієвого сплаву Мл-5 з титаном і цирконієм Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

10. Влияние тантала на структуру и прочностные характе- енко, С. В. Гайдук, В. В. Кононов] // Нові матеріали і

ристики литейного жаропрочного коррозионностойкого технології в металургії та машинобудуванні. - Запорі-

никелевого сплаваЖСЗЛС / [А. Д. Коваль, А. Г. Андри- жжя, ЗНТУ - 2011. - № 2. - С. 42-46.

Одержано 09.12.2011

Коваль А.Д., Андрієнко А.Г., Гайдук С.В., Кононов В.В. Вплив співвідношення вольфраму до молібдену на механічні властивості сплаву ЖСЗЛС, оптимально легованого гафнієм і танталом

Оцінено вплив співвідношення вольфраму до молібдену (W/Mo) в діапазоні від 1 до 7 на характеристики міцності ливарного жароміцного корозійностійкого сплаву ЖСЗЛС, оптимально легованого гафнієм і танталом. Наведено результати механічних випробувань на короткочасну і довготривалу міцність дослідного складу, порівняно з некорозійностійким промисловим сплавом ЖС6У.

Ключові слова: ливарні жароміцні корозійностійкі нікелеві сплави, багатокомпонентна система легування, оптимальне співвідношення, механічні випробування, короткочасна і довготривала міцність.

Koval A., Andrienko A., GaydukS., Kononov У. Influence of tungsten to molybdenum ratio on mechanical properties of alloy ЖСЗЛС which is optimally alloyed with hafnium and tantalum

The influence of tungsten to molybdenum ratio (W/Mo) on the strength parameters of cast high-temperature corrosion-resistant alloy ЖСЗЛС which is optimally alloyed with hafnium and tantalum has been estimated within the range from 1 to 7. The short-term and long-term mechanical strength testing results of experimental chemical compositions have been represented in comparison with non-corrosion-resistant commercial alloy ЖС6У.

Key words: cast high-temperature corrosion-resistant nickel-base alloys, multi-component system of alloying, optimum ratio, mechanical tests, short-term and long-term strength.

УДК 669.721.5 Ю. О. Зеленюк1, канд. мед. наук В. М. Чорний2, канд. техн. наук В. А. Шаломєєв1, д-р техн. наук Е. І. Цивірко1

1 Національний технічний університет, 2Державний медичний університет;

м. Запоріжжя

КОРОЗІЙНА СТІЙКІСТЬ МАГНІЄВОГО СПЛАВУ МЛ-5 З ТИТАНОМ І ЦИРКОНІЄМ

Досліджували вплив хімічного складу, структурних складових литого магнієвого сплаву Мл-5 на корозійну стійкість у водних розчинах з різним вмістом хлористого натрію. Встановлено, що корозійна стійкість сплавів залежить від вмісту титану та цирконію і зростає зі збільшенням кількості інтерметалідів у сплаві, а також зменшується з підвищенням концентрації хлористого натрію в розчині.

Ключові слова: магнієвий сплав, хімічний склад, мікролегування, інтерметалід, корозійна стійкість.

Збільшення ресурсу роботи деталей з магнієвих сплавів для авіа- та ракетодвигунів, електроніки та зменшення витрат на їх ремонт є актуальним завданням. Такі вироби експлуатуються в різних середовищах і умовах навантаження, а їх корозійна стійкість вивчена недостатньо. Дослідження корозійних властивостей магнієвих сплавів потребує проведення спеціальних експериментів.

Титан та цирконій елементи IV-а підгрупи, що мають бизькі значення атомних радіусів (<15 %), елект-ровід’ємності (< 0,4) та знаходяться поряд уряді електрохімічних напружень з металом-основою, тому можуть утворювати з магнієм тверді розчини, незначно спотворюючи їх кристалічну гратку, та певною мірою впливати на корозійну стійкість (табл. 1).

У цій роботі вивчали вплив титану на цирконію на структурні складові литого магнієвого сплаву Мл-5 та його корозійну стійкість у водних розчинах з різним вмістом хлористого натрію.

Магнієвий сплав Мл-5 (% мас.): (8,62 А1; 0,32 0,26 Мп; 0,030 Бі; 0,016 Ре; 0,02 Си; зал.Mg) виплавляли в індукційній тигельній печі ШМ-500 за серійною технологією. Розплав рафінували флюсом ВІ-2(40... 48 %М§02; ЗО... 40 %КС1; 5 % ВаС12; 3... 5 % СаР2) у роздавальній печі, з якої порційно відбирали ковшем розплав і вводили у нього магній - титанову та магній-цирконієву лігатури з розрахунком отримати у сплаві 0; 0,05; 0,1; 1,0 % (за масою) титану та цирконію. Розплав з температури 730±5 °С заливали в піщано-глинисті форми для одержання зразків з

© Ю. О. Зеленюк, В. М. Чорний, В. А. Шаломєєв, Е. І. Цивірко, 2012

Таблиця 1 - Атомні радіуси (Аг), електровід’ємність елементів (Е/В), нормальний електродний потенціал (Е°) та співвідношення їх відносно магнію [1-3]

Елемент АгЕл , пм (Аг^ - Аге^у Агм§, % Е/Вел Е/ВМё - Е/ВЕл Е°, В

Мё 160 - 0,56 - -2,37

Ъх 160 0,0 0,57 -0,01 -1,53

Ті 146 8,7 0,61 -0,05 -1,63

діаметром 12 мм, які проходили термічну обробку в печах типу Бельв’ю і ПАП-4М за режимом: нагрівання до 415±5 °С, витримка 15 годин, охолоджування на повітрі і старіння при 200±5 °С, витримка 8 годин, охолоджування на повітрі.

Якісним та кількісним («Л» ГОСТ 1778-70) методами вивчали структурні складові сплавів на оптичному мікроскопі «№орЬоІ 32» після травлення шліфів реактивом: 1 % азотної кислоти, 20 % оцтової кислоти, 19 % дистильованої води, 60 % етиленгліколю. Хімічний аналіз структурних складових магнієвих сплавів вивчали на електронному мікроскопі -мікроаналізаторі з енершдисперсійною приставкою РЕММА 202М і РЕМ 161.

Для корозійних досліджень виготовляли зразки розміром 0 10x6 мм на токарному верстаті, не допускаючи використання мастила, емульсії та місцевих перегрівів. Зразки після токарної обробки зачищали наждачним папером з дрібним зерном і одержували шорсткість поверхні не гірше И.а < 2,5 мкм (ГОСТ 9.019-74). Кожний зразок обмірювали штангенциркулем з точністю до 0,1 мм і зважували його на аналітичних вагах АДВ-200 з точністю до 0,0001 г

Корозійні випробування проводили у водних розчинах з вмістом 0,7, 0,9 та 3,0 % №С1 при температурі Зб±1,0 °С, стабільність якої забезпечувалась ультратермостатом У Т-15. Зразки перед розміщенням в розчини знежирювали етиловим спиртом. Через задану кількість діб (3, 5, 7, 10, 20, ЗО) зразки виймалися з розчину, з їх поверхні видаляли продукти корозії хромовим ангідридом, у якому зразки витримували при температурі 18-25 °С протягом 1-5 хв. Після видалення продуктів корозії зразки промивали у проточній та дистильованій воді, висушували та зважували на вагах АДВ-200.

Втрату маси Ат , г/м2 розраховували за формулою:

Ат = т° — , г/М2 (1)

де т0 - вага зразка до випробування, г;

т1 - вага зразка після випробування і видалення продуктів корозії, г;

£ - площа поверхні зразка до випробування, м2. Корозійна стійкість К , г/(м2-д) розраховували за формулою:

К = — , г/(м2-д), (2)

т

де т - тривалість випробування, діб.

Для кожного варіанту випробування визначали корозійну стійкість зразків, використовуючи вимірювання на базі 2... З зразків.

Металографічні дослідження показали, що структура стандартного сплаву Мл-5 складалася з 8- твердого розчину, інтерметалідів (у- фази Mg17Al12) та евтектики типу 5 + y(Mg17Al12), яка розташовувалася по границях зерен (рис. 1, а). Зі збільшенням вмісту титану та цирконію у сплаві Мл-5 зменшувалися кількість евтектики, розмір мікрозерна та відбувалося подрібнення інгерметалідної фази При вмісгі 1,0 % (мас.) Ті кількість інгерметалідних включень збільшилася у 3 рази (та6л. 2). У зразках із вмістом 1,0 % (мас.) Zr спостерігалася дендритна ліквація (рис. 1, ж). Мікрорентгеноспект-ральним аналізом встановили, що Ті та Zr наявні у складі інгерметалідної фази. Так, привмісті 1,0%(мас) Ті у сплаві його вміст у інтерметаліді становив 21,8 %. При вмісті 1,0 % (мас.) Zr у сплаві його вміст у інтер-металіді становив 71,4 %.

Таблиця 2 - Кількісна оцінка інтерметалідів у зразках сплаву Мл-5 з титаном і цирконієм

Елемент Вміст розрахунковий, % мас. Кількість інтерметалідів на довжені 50 мм Середній розмір інтерметалідів, мкм

Загальна в т.ч. в розмірних групах, мкм

до 4 4,1-7,9 8-15 15,1-19

Ті 0 128/108* 24/54 36/30 60/24 18/0 9,23/5,73 7,70**

0,05 240/120 144/60 54/36 36/24 6/0 4,71/5,25 4,89

0,1 258/144 216/96 18/30 24/18 0/0 3,22/4,22 3,58

1,0 336/180 288/126 24/36 24/18 0/0 3,05/3,61 3,24

Ъ\ 0,05 156/120 66/48 54/30 24/42 12/0 5,83/6,01 5,91

0,1 180/156 90/102 60/30 18/24 12/0 4,95/4,38 4,68

1.0 264/180 120/144 126/24 18/12 0/0 4,47/3,18 3,95

Примітка. *) чисельник—пластинчасті інтерметаліди; знаменник— сферичні інтерметаліди; * середній розмір всіх інтерметалідів.

*"Р'

Ч» ЖА к *^>

‘ 1“

& •£ ' : к * - ... •

І*:

І •: <:

Ш- -

+ Г Щ ■■■ т

. %%■ .> і Л,ч% Щ

■: « .іч^-

б

Ш4'і‘Я

Л !...: ,ч>. / : ''л,< іЬ і,

уу -К ♦ . *л ♦ Ч * ♦ *1

‘"'V..'.’^1

»;ш :• =• ....

. ■ "„ЗІ

ІЯИ1

■

!*. 1

И

дра

ШїИІІііІіїЯ

як

і

іШ

іяшіа

Иі

ІИ!

■■■■Я

■1

■і®

Ші

•-;\. я ■ " *.

Л*>Чч' >

- • ■ *• V

» •• ' '-ЛҐ

'А..Ж х

л У _ _щ

" > >'' >

• '’і... ..• '.хп. їЯк

ік

ШШИ

511111

; **\

> * д; і.

ь ЧіуЯ.

% і- і ••"г

V

ш

ІМДїімд

М

« •’ -І'И • І

• "< Iу ~Ж І- '^!

ІНІ

Рис. 1. Мікроструктура зразків зі сплаву Мл-5 з Ті та Ъх (х 100): а - стандартний сплав, б - 0,05 % Ті, в - 0,1 % Ті, г - 1,0 % Ті, д - 0,05 % Ъх, е - 0,1 % Ъх, ж- 1,0 % Ъх

Зростання вмісту титану та цирконію збільшувало кількість пластинчастих інтерметалідів (рис. 2). Встановлено, що при вмісті 0,05 %(мас.) Ті в сплаві доля пластинчастих інтерметалідів з розмірами менше 4 мкм збільшувалася майже в б разів, а доля інтерметалідів з розмірами до 15 мкм, зменшувалася більше ніж у

2 рази. При вмісті 1,0 %(мас.) Ті в сплаві доля пластинчастих інтерметалідів з розмірами менше 4 мкм збільшувалася майже в 12 разів, а доля інтерметалідів

3 розмірами до 15 мкм зменшувалася більше ніж в 5 разів, а інтерметаліди з розмірами більше 15 мкм не спостерігалися (табл. 2). При збільшенні вмісту титану з 0 до 1,0 %(мас.) середній розмір пластинчастих інтерметалідів зменшувався з 7,7 до 3,05 мкм, а сферичних з 5,73 до 3,61 мкм.

Зростання вмісту цирконію з Одо 1,0 %(мас.) у зразках зі сплаву Мл-5 приводило до зменшення середнього розміру пластинчастих інтерметалідів з 7,7 до 4,47 мкм, а сферичних - з 5,73 до 3,18 мкм. Кількість інтерметалідів з розмірами менше 4 мкм при наявності цирконію у сплаві збільшувалася меншою мірою, ніж при

мікролегуванні титаном. Так, при вмісті 0,05 %(мас.) Ъх у сплаві їх кількість збільшилася майже у 3 рази. При мікролегуванні цирконієм були відсутні сферичні інтер металіди з розмірами до 15 і більше мкм.

Порівняльний аналіз корозійної стійкості зразків варіантів магнієвого сплаву, що вивчаються (табл. 3), показав, що вміст титану та цирконію суттєво впливає на його корозію у водних розчинах з хлористим натрієм (рис. 3). Так, зразки сплаву Мл-5 з титаном порівняно зі сплавом з цирконієм у середньому майже в 1,5 раза повільніше розчинялися в розчинах з 0,7 та 0,9 %№С1, але при збільшенні в розчині хлористого натрію з 0,7 до 3,0 % помітно зростає швидкість корозії сплаву (табл. 3).

З підвищенням вмісту титану у сплаві Мл-5 з 0 до 0,1 % (мас.) корозійна стійкість у розчині з 0,7 % №С1 збільшувалася з 85,4 до 11,03 г/(м2-д) (табл. 3). Подальше зростання вмісту Ті до 1,0 % (мас.) приводило до зниження корозійної стійкості (25,96 г/(м2-д)). Більшу корозійну стійкість у розчині з 0,7.% №С1 мали зразки сплаву Мл-5 з 0,1 % (мас.) Ті, що можна пов’язати з

суттєвою зміною хімічного складу інтерметалідів, зменшенням (на 50 %) їх середнього розміру за рахунок відсутності включень з розмірами >15 мкм і збільшенням майже в 9 разів частки інтерметалідів з розмірами < 4 мкм (табл. 2).

Присутність цирконію у сплаві Мл-5 підвищила корозійну стійкість зразків у 2 рази. Корозійна стійкість у розчині з 0,7% №С1 сплаву Мл-5 з 0 та 0,1 %(мас.)2г підвищувалася з 85,4 до 37,2 г/(м2-д)

І 400 -і

350 ----------------------------------------------

■| 300 ------------------------------------------------

■ТС

к 250 -----------------=----------Г“|--------- ------

| 200 ---------------------------- ----------- —-

ц 150----------------------------- ----- _

* юо -ЧПгп— П— — “

о

50 — ---- ----- ----- —

.в 0 ..................»..........І...........»........

0 0,05 0,1 1

Вміст титану, %(мас.)

□ Пластинчасті н Сферичні

Рис. 2. Кількість інтерметалідних включень у зрао

(табл. 3). Подальше зростання вмісту Ъх до 1,0 %(мас.) майже не вплинуло на корозійну стійкість (40,4 г/(м2-д)).

При випробуванні зразків сплаву Мл-5 у розчині з

0,7 % №С1 встановлена достовірна прямопропорцій-на лінійна залежність між загальною кількістю інтерметалідів (КГ) та корозійною стійкістю (К) (рис. 4):

К = 125,5 - 0,23ІчГ, (г = 0,82), г/(м2-д). (3)

. 300 і

ш

250 ----------------------------------Г~ -

Р 200 -------------------------------------

^ —

g- 150-------------------------------------

І- ____________

~ 100 — “1------------ “1-------- ---------

І— о

50 -------------- ---------- ---------

_й

^ 0 -Н——“--і—1——і-г-1——*““1—^—

0 0,05 0,1 1

Вміст цирконію,%(мас.)

□ Пластинчасті в Сферичні

зі сплаву Мл-5 з різним вмістом титану та цирконію

Таблиця 3 - Корозійна стійкість магнієвих сплавів у розчинах з різним вмістом хлористою натрію

Легувальний елемент Вміст легувального (розрахунковий), % мас. Середня корозійна стійкість у розчинах з NaCl, К, г/( м2*д)

Вміст NaCl у розчині, %

0,7 0,9 3,0

Ті 0 85,40 219,4 472,9

0,05 37,55 125,93 178,7

0,1 11,04 59,13 111,5

1,0 25,96 65,6 89,4

Zr 0 85,40 219,4 472,9

0,05 47,93 66,47 105,1

0,1 37,2 - 73,8

1,0 40,40 60,1 250,8

+ЛО ■

І_

^0-О 3QO ■

’Е so ■

І- і

ЗІС ■

05

^ 150-

ЇЇ 1QQ ■

О -t

0,4- 0,8 0,3

Вміст Ті. %мас.

foe

400 Ll

- шз _й

0 ЗОО

V

250

1-

о ICO

о.

о

Ьс;

0,4 0,ь ОД!

Вміст Zr. %мас.

Рис. 3. Вплив вмісту титану та цирконію на корозійну стійкість зразків

Кількість інтерметалідів, шт

Рис. 4. Вплив кількості інтерметалідів (Ы) на корозійну стійкість (К) сплаву Мл-5 (+ - Ті, * - Ъи)

Вивчали вплив морфології інтерметалідів на корозійну стійкість сплаву Мл-5. Встановили, що зі збільшенням кількості як пластинчастих, так і сферичних інтерметалідів корозійна стійкість підвищується. Були встановлені достовірні залежності (рис. 5):

К = 110,1 - 0,30*Г, (г = 0,84), г/(м2-д); (4)

К = 140,3 - 0,67Т\Г, (г = 0,65), г/(м2-д). (5)

Вивчали залежність корозійної стійкості сплаву Мл-5 від розміру інтерметалідів (рис. 6). Встановили, що зі збільшенням кількості інтерметалідів у розмірних групах до 4 мкм та від 4 до 8 мкм корозійна стійкість сплаву підвищувалася (рис. 6). Інтерметалі-ди розмірних груп від 8 до 19 мкм зменшували корозійну стійкість (рис. 6).

Таким чином, наявність крупних інтерметалідів та зростання їх кількості знижували корозійну стійкість.

При випробуванні зразків сплаву Мл-5 у розчині з

0,7 % №С1 встановлені достовірні прямопропорційні лінійні залежності між кількістю пластинчастих інтерметалідів (ТХГ) та швидкістю корозії (К) (рис. 6):

К = 91,8 - 0,261ХГ, (г = 0,88), г/(м2-д); (6)

К= -4,27 + 1,23Н (г = 0,95), г/(м2-д). (7)

Висновки

1. На корозійну стійкість зразків сплаву Мл-5 у водних розчинах хлористого натрію суттєво впливає вміст титану та цирконію, які обумовлюють певну мікроструктуру металу.

2. Зі збільшенням вмісту хлористою натрію у водних розчинах з 0,7 до 3,0 %(мас.) корозійна стійкість знижується.

90 -і

80 -

ґГ 70 -

1— о ЬО -

50 -

1- о 40 -

03 І 30 -

20 -

О О. О 10 -0 -

00 150 200 250 300 350

Кількість пластинчастих інтерметалідів, шт

Кількість сферичних інтерметалідів, шт

Рис. 5. Вплив кількості пластинчастих та сферичних інтерметалідів у сплаві Мл-5 на його корозійну стійкість (+ - Ті, * - &)

Кількість інтерметалідів розміром Кількість інтерметалідів розміром

менше 8 мкм, шт 8-19 мкм, шт

Рис. 6. Вплив розміру пластинчастих інтерметалідів у сплаві Мл-5 на корозійну стійкість (# - Ті, * - 7Ї)

3. Уведення в сплав Мл-5 титану помітно збільшує корозійну стійкість у водних розчинах хлористого натрію. При вмісті в розчині 0,7 % №С1 більшу корозійну стійкість мав метал з 0,1 %(мас.) Ті. Встановлено, що зміна корозійної стійкості зразків зі сплаву Мл-5 з Ті пов’язана зі зміною складу, розмірів та розподілу за розмірними групами інтерметалідів.

4. Уведення в сплав Мл-5 цирконію до 0,1%(мас.) підвищує корозійну стійкість у розчині з 0,% №С1 у 2 рази, а при вмісті 1,0%(мас.) Ъх корозійна стійкість зменшується.

5. Установлено, що збільшення вмісту дрібних (розміром не більше 8 мкм) інтерметалідів призводило до

помітного зростання корозійної стійкості магнієвого сплаву. У той же час інтерметаліди більшого розміру (до 19 мкм) погіршували корозійну стійкість металу.

Список літератури

1. Юм-Розери. Структура металлов и сплавов / Юм-Розе-ри, В. Рейнор. - М. : Металлургиздат, 1959. - 391 с.

2. Гпшейднер К. А. Сплавы редкоземельных ме-таллов / К. А. Гпшейднер. - М. : «Мир», 1965. - 185 с.

3. Уоббер Дж. Металлургия и металловедение плутония и его сплавов / Дж. Уоббер. - Гос-атомиздат, 1962. -102 с.

Одержано 05.09.2011

Зеленюк Ю.А., Черный В.Н., Шаломеев В.А., Цивирко Э.И. Коррозионная стойкость магниевого сплава МЛ-5 с титаном и цирконием

Исследовали влияние химического состава, структурных составляющих литого магниевого сплава Мл-5 на коррозионную стойкость в водных растворах с разным содержанием хлористого натрия Установили, что коррозионная стойкость сплавов зависит от содержания титана и циркония и повышается с увеличением количества интерметалидов в сплаве, а также уменьшается с повышением концентрации хлористого натрия в растворе.

Ключевые слова: магниевый сплав, химический состав, микролегирование, интерметалид, коррозионная стойкость.

Zelenyuk J., Cherny V., Shalomeyev V., Tsivirko E. Corrosion resistance of magnesium alloy ML-5 with titanium and zirconium

Influence of chemical composition, structural constituents of the cast magnesium alloy Ml-5 on corrosion resistance in aqueous solutions with different content of sodium chloride was researched. Corrosion resistance of alloys depends on content of titanium and zirconium and rises with the increase of intermetallic amount in alloy, and also decreases with sodium chloride concentration increase in solution.

Key words: magnesium alloy, chemical composition, microalloying, intermetalid, inoxidizability.

УДК 669.715.018:621.745 Д-р техн. наук В. 3. Куцова, канд. техн. наук О. А. Носко, канд. техн. наук Т. А. Аюпова, А. О. Купчинская

Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРШНЕВОГО СИЛУМИНА АК18 ПОСЛЕ ВОДОРОДНОЙ ОБРАБОТКИ

В работе изучена структура, фазовый состав, микротвердость, количественное соотношение и линейные размеры структурных составляющих, плотность сплава АК18(В-Зп) в исходном состоянии и после водородной обработки. Установлено, что водородная обработка сплава АК18 обеспечивает более благоприятные параметры структуры, за счет чего существенно повышается комплекс механических свойств.

Ключевые слова: силумин, модифицирование, водородная обработка, /?-&' твердый раствор, эвтектика а-А1 + /3-8г.

© В. 3. Куцова, О. А. Носко, Т. А. Аюпова, А. О. Купчинская, 2012 40