Химический состав магниевых сплавов и их жаропрочность

УДК 669.721.5

В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ИХ

ЖАРОПРОЧНОСТЬ

Теоретически обоснован выбор основных легирующих элементов для разработки новых магниевых сплавов с повышенной жаропрочностью. Показана взаимосвязь диаграмм состояния и температуры плавления легирующих элементов с жаропрочностью магниевых сплавов. Установлена связь структурных составляющих сплава с механическими свойствами и жаропрочностью.

Развитие современного авиадвигателестрое-ния, где наряду с обычными требованиями к конструкциям, работающим при повышенных температурах, требуется уменьшение их веса, делает применение легких материалов на основе магния очень перспективным. Широко применяемые магниевые сплавы системы Mg-Al-Zn (Мл-5) хорошо зарекомендовали себя для работы до 150 °С в качестве корпусных деталей авиадвигателей. Однако, при температурах, превышающих указанные, происходит разупрочнение магниевых сплавов. Поэтому разработка новых магниевых сплавов с повышенными механическими свойствами и жаропрочностью является очень актуальной, обеспечивающей надлежащие темпы развития авиадвигателестроения [1].

В последнее время проводится большое количество исследований по изучению влияния легирующих элементов на физико-механические и эксплуатационные свойства магниевых сплавов [2-4], однако, число работ, посвященных выяснению природы упрочнения таких сплавов при их легировании и модифицировании, взаимосвязи их со структурным состоянием металла очень ограничено.

Основные способы получения высокой прочности у литых сплавов при сохранении достаточной вязкости следующие [5-6]:

1. Образование сложнолегированных твердых растворов.

2. Создание оптимальной структуры термической обработкой.

3. Упрочнение металлов и сплавов дисперсными частицами.

Для обеспечения благоприятного сочетания механических и жаропрочных свойств литых магниевых сплавов, возможно использование всех трех направлений.

Магний не взаимодействует с тугоплавкими переходными металлами — хромом, молибденом, вольфрамом, железом и др., однако цирконий, иттрий, гафний, скандий способны растворяться в жидком и частично в твердом магнии.

Хорошо растворимы в магнии, как в жидком, так и в твердом состояниях металлы с полнос-

тью застроенной ^-оболочкой, к которым относятся цинк, свинец, олово и др. Эти металлы образуют с магнием ряд соединений, которые для металлов IV и V групп периодической системы Д.И. Менделеева подчиняются правилам валентности, в то время, как с элементами II и III групп магний образует фазы, не подчиняющиеся правилам валентности. Элементы III группы (8е, У, РЗМ) с недостроенными ^-оболочками образуют с магнием промежуточные фазы и хорошо растворяются в жидком состоянии, растворимость же их в твердом магнии невелика.

Образование сложнолегированных растворов обусловлено растворимостью элемента в основе. Растворимость элементов в магнии определяется близостью их атомных диаметров, которые, согласно Юм-Розери [7], должны отличаться не более чем на 15 %, в противном случае происходит понижение энергии связи атомов растворителя и легирующих элементов и вследствие искажения кристаллической решетки растворимость уменьшается.

Другим важным условием растворимости элемента в металле-основе по данным Даркена-Гур-ри [8], а также Гшнейднера [9] и Уоббера [10] является небольшая разность электроотрицательности, которая не должна превышать 0,2...0,4. Из анализа поведения магния при легировании большим количеством элементов видно, что образование сплавов на основе магния осложняется образованием металлических соединений вследствие электроположительной природы магния.

Таким образом, из всего многообразия элементов, лишь немногие из них, имеющие благоприятный фактор по соотношению атомного диаметра < 15 %) и электроотрицательности (< (04), способны образовывать твердые растворы с магнием, незначительно искажая его кристаллическую решетку и упрочняя его (таблица 1).

Непременным условием повышения жаропрочности сплава при легировании является то, что температура плавления легирующих элементов должна быть выше температуры плавления

© В. А. Шаломеев, Э. И. Цивирко, 2009 - 126 -

основы сплава [12]. На основании этого, более перспективными элементами для легирования магниевык сплавов с целью повышения не только физико-механических свойств, но и жаропроч-

ности, являются элементы: Мё, Ое, Л§, Si,Y, 8е, 2г, Ti, ИГ, попадающие в благоприятную зону элипса вращения по отношению к магнию по рассматриваемым факторам (рис. 1).

Таблица 1 — Атомные радиусы (Лг), электроотрицательность элементов (Э/О) и соотношение их по отношению к магнию [11]

Элемент Аг эл., пм (Агмв-Аг эл)/ Амв, % Э/Оэл. Э/Омв-Э/Оэл.

Мв 160 - 0,56 -

ы 155 3,1 0,40 0,16

А1 143 10,6 0,70 -0,14

136 15,0 0,83 -0,27

Бе 164 1,2 0,53 0,03

Т1 146 8,8 0,61 -0,04

2п 139 13,1 0,66 -0,10

ва 139 13,1 0,75 -0,19

ве 139 13,1 0,84 -0,28

У 181 -13,1 0,48 0,08

2г 160 0 0,57 -0,01

Ав 144 10,0 0,56 0

еа 156 2,5 0,62 -0,06

1п 166 -3,8 0,69 -0,13

Бп 158 1,3 0,75 -0,19

ш 182 -13,8 0,95 -0,39

Hf 159 0,6 0,50 0,06

РЬ 175 -9,4 0,78 -0,22

Генезис диаграмм состояния легирующих элементов (от германия к гафнию) с магнием (рис. 2) показал, что с повышением температуры плавления элемента, происходит трансформация диаграмм состояния от эвтектического типа к пере-тектическому, при этом с повышением температуры плавления элемента повышается и температура плавления промежуточных фаз, обеспечивая гетерогенную структуру, устойчивую к воздействию повышенный температур.

Исследовали влияние Ое, Л& Si, Y, Sc, Ъг, Ti, ИГ, на структурообразование, механические свойства и длительную прочность при повышенных температурах отливок из магниевого сплава Мл-5.

Магниевый сплав Мл-5 выплавляли в индукционной тигельной печи типа ИПМ-500 по серийной технологии. Расплав рафинировали флюсом ВИ-2 в раздаточной печи, из которой порционно отбирали ковшом расплав. В него вводили возрастающие присадки лигатур соответствующих элементов (0; 0,05; 0,1; 1,0 % — по расчету). После растворения лигатур, расплав вновь подогревали до 790±5 °С и выщерживали 15 мин, после чего им заливали песчано-глинистые формы для получения стандартных образцов с рабочим диаметром 12 мм. Образцы для механических испытаний проходили термическую обработку в печах типа Бельвью и ПАП-4М по режиму: (гомогенизация при температуре 415 °С (выщержка 24 часа), охлаждение на воздухе + старение при температуре 215 °С (выдержка 10 часов), охлаждение на воздухе).

Предел прочности и относительное удлинение образцов определяли на разрывной машине Р5 при комнатной температуре.

Длительную прочность при температуре 150 °С и напряжении 80 МПа 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, состоящим из 1 % азотной кислоты, 20 % уксусной кислоты, 19 % дистиллированной воды, 60 % этиленгликоля.

Химический состав сплава различных вариантов микролегирования удовлетворял требованиям ГОСТ 2856-79 и по содержанию основнык элементов находился примерно на одном уровне (8,6 % Л1; 0,28 % Мп; 0,35 % Ъп; 0,02 % Бе; 0,005 % Си; 0,04 % Si).

Макрофрактографическое исследование изломов исследуемых литых сплавов показало, что с повышением концентрации вводимых элементов в сплав, структура его измельчалась (рис. 3), характер ее меняется от крупнокристаллической к матовой мелкокристаллической.

Микроструктура сплава Мл-5 представляла собой д-твердый раствор с наличием эвтектики типа 8 + Y(Mg4A1з) и интерметаллидов Y(Mg4A1з) (рис. 5, а).

Введение присадок исследуемых элементов от 0,05 % до 1,0 % во всех случаях способствовало уменьшению размеров структурных составляющих и дроблению эвтектики (рис. 4, б-г).

Металлографический анализ исходного сплава Мл-5 показал, что интерметаллиды располагались, как внутри зерен, так и по границам, причем большая часть из них располагалась внутри зерен. Присадки легирующих элементов способствовали увеличению индекса интерметаллидов с сохранением тенденции преобладания их внутри зерна. Средний размер интерметаллидов практически не зависел от вида легирующего эле-

Рис. 2. Генезис диаграмм состояния благоприятных легирующих элементов с магнием

мента и возрастал с увеличением количества каждой из присадок. Легирование магниевого сплава Мл-5 исследуемыми элементами приводило к существенному измельчению зерна металла. При этом наблюдалась прямая зависимость размера зерна от количества интерметаллидов: с увеличением индекса интерметаллидов размер зерна уменьшался (рис. 5), при этом получены линейные уравнения, описывающие влияние размера зерна ^сп) от индекса интерметаллидов (I) в магниевых сплавах с содержанием легирующих элементов 0,05 % (1); 0,1 % (2); 1,0 % (3):

Ыт] = 22+0,49*[Ц, мкм г = 0,60 ± 0,05

Ср

ыг„] = 14+0,70*[Ц, мкм г = 0,69 ± 0,04

к„] = 42+0,84*[1], мкм г = 0,71 ± 0,03

ср

Механические испытания образцов исследуемых сплавов показали, что увеличение содержания легирующих элементов в сплаве приводило к повышению показателей прочности, что связано с увеличением индекса интерметаллидов и упрочнением твердого раствора. С другой стороны, с упрочнением сплава происходило и повышение его пластичности, что обусловлено измельчением зерна литого металла.

Жаропрочность металла исследуемых образцов заметно повышалась с увеличением количества каждого из элементов, с увеличением их температуры плавления от германия к гафнию (рис. 6, а) и размера зерна исследуемых сплавов (рис. 6, б).

Получены линейные уравнения, описывающие влияние жаропрочности (Г) от температуры плавления (Тпл) и размера зерна (^у в магниевых сплавах с содержанием легирующих элементов 0,05 % (4), (7); 0,1 % (5), (8); 1,0 % (6), (9):

[Г] = 62+0,093*[Тпл], мкм г = 0,97 ± 0,01

[Г] = 239+0,84*[^с„], мкм г = 0,72 ± 0,02

На основании проведенных исследований была разработана серия магниевых сплавов, обладающих высоким комплексом механических свойств с повышенной жаропрочностью [13-16], которые рекомендованы к производству.

Рис. 3. Влияние элементов (мас. доля 0,1 %) на макроструктуру сплава Мл-5, х 5

Y Ti ИГ

Рис. 5. Влияние индекса интерметаллидов на размер зерна магниевого сплава с различным содержанием легирующих элементов: 1 — 0,05 %, 2 — 0,1 %, 3 — 1,0 % каждого

Л

20 50 1D0 150 200

Индекс I , 10д

Рис. 4. Влияние элементов (мае. доля 0,1 %) на микроструктуру сплава Мл-5, х 200

Рис. 6. Влияние температуры плавления легирующего элемента (а) и размера зерна (б) на жаропрочность магниевого сплава с различным содержанием элементов: 1 — 0,05 %, 2 — 0,1 %, 3 — 1,0 %

а

Выводы

1. Использованы критерии, определяющие вид легирующего элемента для повышения жаропрочности магниевых сплавов:

- атомные радиусы легирующего элемента и магния не должны отличаться более 15%;

- разница электроотрицательности легирующего элемента и магния не должна превышать 0,4;

- температура плавления легирующего элемента должна быть выше, чем у магния.

2. Установлено, что Ое, Ag, Si, Y, Sc, Ъг, Т, ИГ являются перспективными легирующими элементами для магниевых сплавов, способные не толь-

ко упрочнять их, но и повышать жаропрочность.

3. Увеличение содержания исследуемык легирующих элементов (в пределах 0,051,0 % масс.) в магниевом сплаве Мл-5 повысило количество интерметаллидов, укрупнило их и измельчило микрозерно.

4. Жаропрочность исследуемых магниевых сплавов улучшалась с ростом температуры плавления легирующих элементов и с увеличением их содержания.

5. Жаропрочность сплава Мл-5, легированного Мё, Ое, Ag, Si, Y, Sc, Ъг, Т^ ИГ, повышалась с увеличением размера микрозерна.

Перечень ссылок

1. Дриц М. Е. Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах / М. Е. Дриц. — М. : «Наука»,1964. - 229 с.

1. Rourke D. J. Magnesium- current status and future prospects / D. J. Rourke // Proc. Intern. Magnesium Conf. in conjuction with METER 2000: Magnesium New Business Opportunies. — Brescia, 2000. — C. 14—23.

3. Сон К. Е. Исследования и разработки применения магниевых сплавов в Южной Корее / К. Е. Сон, М. Ч. Канг, К. X. Ким //Литейное производство, 2006. — № 1. — С. 8—10.

4. Настоящее и будущее магниевых сплавов в нашей цивилизации / [X. Диринга, П. Майер, Д. Фехнер и др.] // Литейное производство, 2006. — № 1. —С. 4—7.

5. Корнилов И. И. Физико-химические основы жаропрочности сплавов / И. И. Корнилов.— М.: Изд-во АН СССР, 1961. — 214 с.

6. Осипов К. А. Вопросы теории жаропрочности металлов и сплавов / К. А. Осипов. — М. : Изд-во АН СССР, 1960. — 323 с.

7. Юм-Розери. Структура металлов и сплавов / Юм-Розери, В. Рейнор. — М. : Металлургиздат, 1959. — 391 с.

8. Даркен Л. С. Физическая химия металлов / Л. С. Даркен, Р.В. Гурри. — М.: «Металлургиз-дат», 1960. — 245 с.

9. Гшнейднер К. А. Сплавы редкоземельных металлов / К. А. Гшнейднер. — М.: «Мир», 1965. — 185 с.

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

11. Гороновский И. Т. Краткий справочник по химии / И. Т. Гороновский, Ю. П. Назарен-ко, Е. Ф. Некряч. — К. : «Наукова думка», 1987.— 829 с.

12. Григорович В. К. Жаропрочность и диаграммы состояния / В. К. Григорович. — М. : «Металлургия», 1969. — 323 с.

13. Пат. 39357 Украина, МПКС22С 23/00. Ли-варний сплав на основ! магн!ю з пщвище-ною р!динотекуч!стю / Шаломеев В.А., Ци-в!рко ЕЛ., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О.; заявитель и патентообладатель Запорожск. нац. техн. ун-т. ; заявл. 28.08.08 ; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4.

14. Пат. 39358 Украина, МПКС22С 23/00. Ливар-ний сплав на основ! магшю / Шаломеев В.А., Цив!рко ЕЛ., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О., Пархоменко А.В.; заявитель и патентообладатель Запорожск. нац. техн. ун-т.; заявл. 28.08.08; опубл. 25.02.09, Бюл. № 4.

15. Пат. 25055 Украина, МПКС22С 23/00. Сплав на основ! магшю / Шаломеев В.А., Цив!рко ЕЛ., Лукшов В.В., Лисенко Н.О., Жеманюк П.Д., Клочих!н В.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Мотор Сич»; заявл. 25.06.07; опубл. 20.12.07, Бюл. №6.

16. Пат. 25056 Украина, МПКС22С 23/00. Ливар-ний сплав на основ! магн!ю / Шаломеев В.А., Цив!рко ЕЛ., Лук!нов В.В., Лисенко Н.О., Жеманюк П.Д., Клочихш В.В; заявитель и патентообладатель ОАО «Мотор Сич» ; заявл. 25.06.07 ; опубл. 20.12.07, Бюл. № 6.

Поступила в редакцию 26.05.2009

Теоретично обгрунтовано eu6ip основних легувалъних елемент1в для розробки нових магтевих сnлавiв з тдвищеною жаромщтстю. Показано взаемозвязок дiагpам стану й температури плавлення легуючих елементiв з жаромщтстю магтевих сnлавiв. Установлено зв'язок структурних складових сплаву з мехатчними властивостями й жаромщтстю.

The theoretical analysis is given and the choice of the basic alloying elements for development of new magnesian alloys with the raised thermal stability is proved. Communication of diagrams of a condition and temperatures offusion of alloying elements with thermal stability of magnesian alloys is shown. Communication of structural components of an alloy with mechanical properties and thermal stability is established.