CC BY
43
при плавке на воздухе. HoBi матерiали i технологи в металургй та машинoбудуваннi № 2, 2002. - С. 111-113. Mazur A.V., Gasik M.M. Low-temperature Phase transformations phenomena in the Al-21,5 % Si alloy. Kovove Mater. 43, 2005, p. 389-403.
Одержано 21.09.2007
На nidcmaei даних дилатометра та диференщалъног сканувалъног калориметра cmonie Al-(1,4... 21,5)% Si запропоновано розрахункову вер^ю дiаграми стану, що метить прoмiжну гцк-фазу.
The design version of the phase diagram Al-Si which includes an intermediate fcc-phase is offered on the basis of a dilatometry and different scanning calorimetry of alloys Al-(1,4... 21,5)%Si data.
УДК 669.721.5
Канд. техн. наук В. А. Шаломеев Национальный технический университет, г. Запорожье
ЖАРОПРОЧНЫЙ МАГНИЕВЫЙ СПЛАВ Мл-10 СО СКАНДИЕМ
Исследовано влияние скандия на структурообразование и фазовый состав жаропрочного магниевого сплава Мл-10. Показано его положительное влияние (до 0,07 %) на механические свойства и жаропрочность отливок из магниевых сплавов.
Перечень ссылок
Donlon W.T. Precipitation of Aluminium in theSilicon phase contained in W319 and 356 Aluminium Alloys. Metallurgical and Materials Transactions, A,v. 34A, 2003, p. 523-529.
Е. Береза, М. М. Гасик, А. В. Мазур, В. И. Мазур, Ю.Н.Таран. Внутреннее окисление сплава Al-21,5 % Si
1
3
Для производства жаропрочного магниевого литья в авиадвигателестроении широко применяют сплав Мл-10, содержащий цирконий и неодим. Эти элементы, образуя жаропрочные интерметаллидные фазы, обеспечивают достаточные служебные характеристики сплава при повышенных температурах [1].
Однако современные технические требования, предъявляемые к авиационным изделиям, ужесточают условия их эксплуатации и требуют постоянного повышения их характеристик. Наиболее рациональным решением данной задачи является совершенствование применяемых материалов за счет управления их структурой и свойствами [2].
Известно положительное влияние скандия на механические и жаропрочные свойства алюминийсодер-жащего магниевого сплава Мл-5 за счет образования жаропрочных интерметаллидных фаз [3, 4]. Поэтому представляет интерес изучение влияния скандия на структуру и свойства жаропрочного сплава Мл-10, уже имеющего в своем составе жаропрочные фазы (М£2г)12№, что позволит повысить эксплуатационную надежность и долговечность изготовленных из него изделий и расширит область его применения.
Исследовали влияние скандия на механические свойства и жаропрочность магниевого сплава Мл-10.
Магниевый сплав Мл-10 выплавляли в индукционной тигельной печи типа ИПМ-500 по серийной технологии. Рафинирование сплава проводили в раздаточной печи с порционным отбором расплава, в ко-
торый вводили возрастающие присадки Mg-Sc-лига-туры (10 % Бс, 90 % Mg) и заливали стандартные образцы для механических испытаний в песчано-глини-стую 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 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 на микроскопие «№орИо1 32» после травления реактивом, состоящим из 1 % азотной кислоты, 20 % уксусной кислоты, 19 % дистиллированной воды, 60 % этиленгликоля.
Микротвердость структурных составляющих сплава определяли на микротвердомере фирмы «ВиеЫег» при нагрузке 0,1 Н.
Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих осуществляли на электронном микроскопе «1БМ-6360ЬЛ».
Химический состав сплава различных вариантов модифицирования удовлетворял требованиям ГОСТ 2856-79 и по содержанию основных элементов нахо-
© В. А. Шаломеев, 2008
ISSN 1607-6885 Нов1 матер1али i технологи в металургй та машинобудувант №1, 2008
15
дился примерно на одном уровне.
Проведенный макрофрактографический анализ образцов с различным содержанием скандия показал, что уже при содержании скандия 0,7 % и более в изломах металла были обнаружены дефекты, характерные для грубых микрорыхлот и пленочных загрязнений (рис. 1).
Рис. 1. Грубые плены в образцах из сплава Мл-10 с присадкой 1,0 % Sc, х 100
Микроструктура термообработанного сплава Мл-10, отлитого по стандартной технологии, представляла собой д-твердый раствор с наличием эвтектоида 5+(MgZr)12Nd в виде областей сферической формы. С повышением концентрации модификатора (Sc) в сплаве наблюдалось увеличение размеров сферических областей выделения эвтектоида (рис. 2, а-в). Так, при введении в расплав более 0,07 % Sc размер эвтектоидных областей увеличивался примерно в 4 раза в сравнении со стандартным сплавом, в то время как размер 5- фазы находился приблизительно на одном уровне (рис. 3).
Термическая обработка способствовала повышению однородности сплава вследствие перераспределения элементов между осями и межосными пространствами дендритов, а также дополнительного легирования матрицы за счет диффузии элементов из пограничных выделений фазы (MgZr)12Nd.
Микрорентгеноспектральный анализ, проведенный на электронном микроскопе «JSM-6360LA», показал, что сферические области обогащены, в основном, цирконием , неодимом и скандием (рис. 4). В модифицированных сплавах содержание скандия в сферических областях выделений эвтектоида 5+(MgZr)12Nd в ~ 1,5.. .2,0 раза выше, чем в 5-твердом растворе.
т*
л
т
«.г
а
/г
Рис. 2. Микроструктура сплава Мл-10 без присадки (а, г), с присадкой 0,05 % (б, д) и 1,0 % (в, е), х 500: а, б, в - после стандартной термообработки, г, д, е - после испытаний при 150 °С (1252 ч) + 250 °С (напряжение 80 МПа)
г
А.мкм
О 0,02 0,05 0,07 0,1 0,3 0,5
а
Sc. 14
0 0,02 0 05 0 07 0,1 0 3 0 5
б
Рис. 3. Размеры структурных составляющих сплава Мл-10(Т6) с различным содержанием скандия:
а- 8 + (MgZr)i2Nd - фаза; б- 8- фаза
№ точки Содержание элементов, % * Всего, %
Mg Al Si Sc Zr Nd
007 97,39 - 0,1 0,39 0,1 2,02 100
008 93,07 0,45 0,08 0,57 1,83 4 100
009 92,36 - 0,17 0,54 4,03 2,9 100
010 96,1 - 0,17 0,24 0,53 2,96 100
* — данные носят оценочный характер
Рис. 4. Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих сплава Мл-10 с присадкой 0,5 % Sc ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургй та машинобудувант №1, 2008
При повышении концентрации скандия в сплаве до 0,3 % наблюдалось измельчение зерен. Дальнейшее увеличение присадок модификатора (до 1,0 % Бе) приводило к увеличению размера микрозерен до 160 мкм (при 0,02.. .0,3 % Бе величина микрозерна составляет ~ 75 мкм).
В образцах, нагретых до температур 150.250 °С, наблюдался распад эвтектоида (рис. 2, г-е). Анализ микроструктур показал, что в процессе воздействия температуры и длительных выдержек наряду с распадом эвтектоида происходило его растворение в матрице с последующим выделением интерметаллидной фазы типа (М#2г)12№ в виде мелкодисперсных частиц (рис. 5). При этом замечено, что мелкодисперсные интерметал-лидные частицы выделялись неравномерно, образуя области полосчатой структуры, характеризующиеся повышением значений микротвердости.
Установлено, что более полному распаду эвтекто-идной фазы способствовало время выдержки при заданной температуре, а также напряжения. При температуре 270 °С наблюдалось огрубление структуры вследствие интенсивного выделения интерметаллидов, в особенности по границам зерен, чем и объясняется резкое падение жаропрочности материала. Наиболее грубые пограничные выделения были обнаружены в структуре образцов, содержащих более 0,07 % Бе, которые приводили к быстрому разрушению образцов в процессе испытания на длительную прочность.
Микротвердость 5-твердого раствора стандартного сплава (до термообработки) более чем в 3 раза ниже микротвердости выделений в сферических эвтектоид-ных областях. После проведения термообработки наблюдалось увеличение микротвердости матрицы и снижение значений твердости эвтектоида, что свидетельствует о повышении однородности термообрабо-танного сплава (табл. 1).
Показано, что повышение концентрации скандия в сплаве приводило к увеличению значений микротвердости структурных составляющих как до- , так и после термической обработки.
Таблица 1 - Микротвердость структурных составляющих в образцах из сплава Мл-10 после испытаний на длительную прочность
Кол-во модиф (Бе), % масс. Микротвердость после испытаний на длительную прочность (ав=80 МПа), НУ, МПа
матрица эвтектоид
Тисп. 1 50 С Тисп. 250 С Тисп. 270 С Тисп. 150 С Тисп. 250 С Тисп. 270 С
- 824,0.894,1 824,0.1064,0 894,1.1354,4 1026,6.1114,1 1225,5.1504,7 1589,5.2011,7
0,02 894,1.1064,0 894,1.1017,3 681,0.824,0 1114,1.1167,8 1167,8.1225,5 733,4.857,3
0,05 894,1.1017,3 894,1.1017,3 733,4.857,3 1114,1.1167,8 1167,8.1225,5 824,0.949,5
0,07 894,1.973,5 1064,0.1114,1 894,1.914,1 1114,1.1167,8 1167,8.1225,5 973,5.1167,8
0,10 894,1.973,5 1064,0.1114,1 894,1.914,1 1114,1.1167,8 1167,8.1225,5 973,5.1167,8
0,30 894,1.973,5 1064,0.1114,1 894,1.914,1 1114,1.1167,8 1167,8.1225,5 973,5.1167,8
0,50 894,1.973,5 894,1.1064,0 933,4.973,5 1114,1.1167,8 1167,8.1354,4 1167,8.1225,5
0,70 824,0.894,1 994,1.1164,8 923,1.932,5 1064,0.1167,5 1225,5.1354,4 1167,8.1649,5
1,00 967,8.1114,5 1044,1.1184,3 923,1.932,5 1167,8.1354,4 1225,5.1504,7 1167,8.1649,5
С увеличением длительности выдержки при температурах 150.250 °С происходило снижение микротвердости исследуемых сплавов за счет более полного распада эвтектоида типа 5 + (MgZr)12Nd.
Из данных, представленных в таблице 2 , видно, что присадка скандия в сплав Мл-10 до 0, 07 % способствовала некоторому повышению как механических, так и жаропрочных свойств. Далее наблюдалась тенденция к снижению физико-механических характеристик материала.
Повышение температуры испытания длительной прочности до 270 °С уменьшило время до разрушения в ~ 6 раз. Образцы с присадкой 1,0 % Бе разрушились при их нагружении уже при температуре 250 °С из-за образования микрорыхлот и пленочных загрязнений.
Рис. 5. Неравномерное выделение вторичной интерметаллидной фазы в образце из сплава Мл-10 после длительной выдержки (1252 часа, ств = 80 МПа) при температуре 150 °С, х750
Таблица 2 - Механические свойства и длительная прочность*' сплава Мл-10
Количество модификатора (Sc), % масс. Механические свойства Длительная прочность, ав = 80 МПа, час.
ав, МПа 5, % Т"')ысп.=150/250 °С Тисп. 250 С Тисп. 270 С
- 235,0 3,6 125130/2615 4730 900
0,02 253,0 4,6 1252uu/56üü 5310 1110
0,05 245,0 6,3 125200/4845 7130 16™
0,07 240,0 4,0 125230/64m 6140 1220
0,10 232,0 3,5 125230/48™ 3630 1320
0,50 235,0 4,0 125130/3410 24™ 645
1,00 169,0 3,3 1252^/8™ - -
Примечание: *) — средние значения; **) — испытание образцов на длительную прочность проводили ступенчатым образом: при 150 °С (числитель), затем при 250 °С (знаменатель)
Выводы
1. Модифицирование сплава Мл-10 скандием приводит к увеличению размеров эвтектоида 5+(MgZr)12Nd, при этом размер 5- фазы практически не изменяется.
2. Микротвердость сферических областей эвтектоида 5+(MgZr)12Nd выше, чем матрицы за счет повышенной в них концентрации циркония и неодима, а в сплавах, модифицированных скандием, и скандия.
3. При длительных выдержках в интервале температур 150...250 °С происходит распад эвтектоида, вследствие чего микротвердость исследуемых сплавов снижается.
4. Модифицирование сплава Мл-10 скандием до 0,07 % способствует повышению механических и жаропрочных свойств вследствие дополнительного упрочнения как твердого раствора, так и эвтектоида 5+(MgZr)12Nd.
5. Термообработка сплава Мл-10 по стандартному
режиму приводит к выравниванию свойств по сечению металла.
6. Падение жаропрочности сплавов при температуре 270 °С обусловлено огрублением структуры вследствие выделения интерметаллидов по границам зерен.
Перечень ссылок
1. Альтман М.Б., Белов А.Ф., Добаткин В.И. и др./ Магниевые сплавы. Справочник ч. 2. - М.: Металлургия, 1978. - 294 с.
2. Гуляев Б. Б./ Решенные и нерешенные задачи теории литейных процессов // Литейное производство. - 1990. -№ «9. - C. 2-3.
3. Шаломеев В.А., Цивирко Э.И., Лисенко Н.А., Клочи-хин В.В. Качество оливок из сплава сплава Мл-5, модифицированного скандием // Нове материалы и технологи в металлургии и машиностроении. - 2007. -№ 2. - С. 77-82.
4. Патент № 25055 Украина. Литейный сплав на основе магния / Шаломеев В.А., Цивирко Э.И., Жеманюк П.Д. и др. - заявл. 12.03.2007; опубл. 25.07.2007, Бюл. № 11.
Одержано 21.01.2008
До^джено вплив скандю на структуроутворення i фазовий склад жаромщного магтевого сплаву Мл-10. Показано його позитивний вплив на механiчнi властивостi (до 0,07 %) й жаромiцнiсть виливюв i3 магнiевих сплавiв.
Researched is the influence of scandium on structure formation and phase composition of heat resistant magnesium alloy Мл-10. It's positive effect on mechanical properties and heat resistance of magnesium alloys castings has been shown.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2008
19
