Поверхностное модифицирование магниевых отливок Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.2/.8-034.7

В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко, В. В. Лукинов

ПОВЕРХНОСТНОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ МАГНИЕВЫХ ОТЛИВОК

Поверхностное модифицирование магниевого сплава Мл-5 мелкодисперсным графитовым порошком позволяет измельчать структуру отливок, обеспечивая повышение их физико-механических свойств.

Магниевые сплавы, обладающие малым удель -ным весом и достаточно высокими прочностными характеристиками, находят в последние годы широкое применение в разнообразных областях техники, особенно в авиадвигателестроении [1]. Дальнейшее развитие и совершенствование производства авиадвигателей вы-двигает новые, более высокие требования к качеству магниевых отливок. Одним из перспективных направлений повышения качества магниевого литья является его модифицирование [2]. Учитывая, что в процессе эксплуатации отливок, как правило, механическим воздействиям подвергаются преимущественно рабочие поверхности изделий, представляет интерес целенаправленное улучшение структуры поверхностных слоев отливок.

Изучали влияние глубины поверхностного модифицирования в зависимости от величины слоя графитового порошка, нанесенного на внутреннюю полость песчано-глинистой формы.

Сплав Мл-5 выплавляли по стандартной технологии. Песчано-глинистые формы для заливки образцов готовили следующим образом: внутреннюю рабочую поверхность литейной формы припыливали мелкодисперсным (фракция 0,071 мм.) графитовым порошком, состоящим из 99,1 % углерода и 0,9 % золы. Литейные формы готовили по трем вариантам: в одном случае (вариант «1») - без применения графитового порошка, в других - с расходом графитового порошка Дс ~ 0,008 гр. на 1см2 поверхности формы (вариант «2») и Дс ~ 0,008 гр. на 1см2 поверхности формы (вариант «3»). В приготовленные литейные формы заливали магниевый сплав Мл-5 при температуре 750 °С и получали литые образцы диаметром 12 мм. На полученных литых образцах определяли химический состав, макро-, микроструктуру и механические свойства. Сплав различных вариантов модифицирования по содержанию основных элементов находился на одном уровне: 8,73 % А1, 0,25 % ги, 0,23 % Мп, 0,06 % 81, 0,022 % Бе,0,004 % Си. Термическую обработку литых образцов проводили по режиму: закалка с температуры 415±5 °С (время выдержки 15 часов) - охлаждение на воз-

духе; старение при температуре 200±5 °С (время выдержки 8 часов) - охлаждение на воздухе. Временное сопротивление разрыву (ств) и относительное удлинение (5) при комнатной температуре определяли до и после термической обработки на разрывной машине Р 5.

Макро- и микроструктуру образцов изучали методом оптической микроскопии («№оЮ 32») после термической обработки.

Изучение макроструктуры исследуемых вариантов показало, что поверхностное модифицирование графитом измельчало макрозерно (рис. 1). При этом, зона измельчения зерна в образцах, отлитых по 2-му варианту, составляла ~ 2,0 мм, а по 3-му - ~ 4,5 мм. На поверхности образцов из сплава Мл-5, модифицированного графитом, обнаружены пленки (рис. 2). Эти поверхностные пленки металлографическими методами исследования идентифицированы, как окисные соединения MgО и Mg(ОН). Известно [3], что увеличение толщины такой пленки улуч -шает антикоррозионные свойства сплава при эксплуатации.

Микроструктура сплава Мл-5 всех исследуемых вариантов была идентична и представляла собой 5-твердый раствор с наличием эвтектоида типа 5+Y(Mg4A13), располагающегося по границам зерен, марганцовистой фазы и интерметаллида Y(Mg4A1з) в виде частиц глобулярной формы.

В поверхностной зоне модифицированных образцов по сравнению с центральной, уменьшаются размеры микрозерна (рис. 3) и эвтектоида (табл. 1).

Микротвердость 5-твердого раствора исследуемых образцов составляла 761,8......894,1 МПа.

Эвтектоидные выделения были примерно в 1,5 раза тверже матрицы. Поверхностное модифицирование графитом повышало микротвердость структурных составляющих сплава (как матрицы, так и эвтектоида). Установлена тенденция, когда с увеличением толщины наносимого слоя графита на рабочую поверхность литейной формы, микротвердость структурных составляющих поверхностных зон отливок также повышалась.

© В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко, В. В. Лукинов, 2008

в

Рис. 1. Макроструктура сплава Мл-5, х5:

а - исходный сплав (вариант «1»); б - поверхностное модифицирование, Ас = 0,008 гр. на 1 см2 поверхности формы - (вариант «2»);

в - поверхностное модифицирование, Ас = 0,08 гр. на 1 см2 поверхности формы - (вариант «3»)

Рис. 2. Пластинчатая пленка на поверхности излома модифицированного образца из сплава Мл-5, отлитого по варианту

«3», х12

Механические свойства в исследуемых сплавах определяли при комнатной температуре на образцах до и после термообработки. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Механические свойства (средние значения) образцов из сплава Мл-5 до и после стандартной термообработки

Вариант <т„, МПа 8, %

модифицирования

Исходный (вариант «1») 142 36

219 4,5

Поверхностное

модифицирование, 169 5,0

Дс = 0,008 г/см2 244 6,3

(вариант «2»)

Поверхностное

модифицирование, 172 33

Дс = 0,08 г/см2 243 6,0

(вариант «3»)

Примечание: в числителе приведены свойства образцов до термообработки, в знаменателе - после термообработки.

Таблица 1 - Размеры микрозерен, структурных составляющих и их микротвердость в термообрабо-танных образцах из сплава Мл-5

Вариант модифицирования Размер микрозерна по ГОСТ 21073.1-75 мм Размер эвтектоида типа a+Y(Mg4Al3), мкм Микротвердость, НУ, МПа

матрица эвтектоид a+y(Mg4Al3)

Исходный (вариант «1») 0,15...0,25 0,15...0,26 50.220 60.320 932,5.973,5 761,8.894,1 1017,3.1114,1 1017,3.1114,1

Поверхностное модифицирование Дс= 0,008 г/см2 (вариант «2») 0,05.0,15 0,12.0,25 30.150 60.200 1017,3.1187,5 818,3.894,1 1167,8.1287,5 1064,0.1114,1

Поверхностное модифицирование Дс= 0,08 г/см2 (вариант «3») 0,08.0,18 0,12.0,28 30.150 40.250 1225,5. 1354,4 818,3.894,1 1354,4.1504,7 1064,0.1114,1

Примечание: в числителе приведены значения для края образцов, в знаменателе - для центра.

а

д е

Рис. 3. Микроструктура краевой (а, в, д) и центральной (б, г, е) зон образцов из сплава Мл-5, х100:

а, б - исходный сплав (вариант «1»); в, г - поверхностное модифицирование, Дс = 0,008 гр. на 1 см2 поверхности формы - (вариант «2»); д, е - поверхностное модифицирование, Дс = 0,08 гр. на 1 см2 поверхности формы - (вариант «3»)

Из полученных данных видно, что поверхностное модифицирование отливок из сплава Мл-5 углеродом измельчало зерно и дополнительно упрочняло, как твердый раствор, так и структурные составляющие, что способствовало повышению комплекса механических свойств сплава. При этом, оптимальный расход графитового порошка при нанесении на литейную форму составляет ~ 0,008 гр. на 1 см2 поверхности. Это обеспечивает измельчение структуры отливок, повышение их комплекса свойств с минимальным расходом графитового модификатора.

Выводы

1. В результате нанесения мелкодисперсного графитового порошка на рабочую поверхность литей-

ной формы происходит поверхностное модифицирование отливок. В поверхностных зонах модифицированных образцов наблюдается измельчение макро- и микроструктуры. Увеличение толщины наносимого на внутреннюю полость литейной формы модификатора приводит к уменьшение размеров матрицы и эвтектоида.

2. При поверхностном модифицировании магниевых сплавов с избыточным количеством графита, на поверхности отливок образуется окисная пленка сложного состава, обеспечивающая повышение защитных свойств материала.

3. Рациональный расход графитового порошка при нанесении его на литейную форму составляет ~ 0,008 гр. на 1 см2 поверхности. Это обеспечивает повышение комплекса механических свойств

вследствие измельчения зерна и структурных составляющих сплава.

Перечень ссылок

1. Миклина Н. В. Исследования в области производства высокопрочных магниевых сплавов, легированных иттрием. //Технология легких сплавов. ВИЛС. - 1975, № 10, С. 81-86.

2. Гуляев Б.Б. Решенные и нерешенные задачи теории литейных процессов //Литейное производство. - 1990, № 9, С. 2-3.

3. Состав и структура оксидной пленки на отливках из магниевого сплава / Wei Bokang, Lin Hantong // Tezhjng zhuzao ji youse hejin = Spec. Cast. and Nonferrous Alloys. - 2001. - № 6. - C. 1112. - Кит.; рез. англ.

Поступила в редакцию 22.11.2007

Поверхневе модифiкування магтевого сплаву Мл-5 dpi6HoducnepcHUM графiтовим порошком дозволяе noдpiбнювати структуру виливюв, забезпечуючи niдвищeння ixHix фгзи-

ко-механгчних властивостеи.

Superficial modifying of magnesian alloy Mn-5 by a fine graphite powder allows to refine structure of cast rings, providing increase of their physicomechanical properties.