Жаропрочные магниевые литейные сплавы

17.07.2019

Наша страна располагает значительными ресурсами для получения магния. Объем производства магния позволяет обеспечить широкое применение сплавов на его основе во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время разработаны и успешно применяются в конструкциях высокопрочные и жаропрочные литейные магниевые сплавы, пригодные для длительной эксплуатации при температурах 250—350° С и кратковременной — до 400° С.

Максимальные рабочие температуры наиболее жаропрочных магниевых сплавов примерно в 2 раза (на 150—200° С) превосходят предельные рабочие температуры высокопрочных магниевых сплавов, таких, как МЛ5, МЛ12. Поэтому применение их дает возможность не только облегчить детали различных изделий при замене алюминиевых, а иногда и титановых сплавов, но и значительно увеличить надежность и ресурс работы магниевых деталей.

Отечественные промышленные жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе систем магний — редкоземельный металл — цирконий. Из редкоземельных металлов широко используется неодим и меньше цериевый мишметалл. Для легирования сплавов применяются также иттрий, цинк и другие металлы.

Сплавы на основе системы магний—неодим отличаются удачным сочетанием высоких механических свойств при комнатной температуре с высокой жаропрочностью, хорошими литейными и технологическими свойствами.

В зарубежной практике для работы при 300—350° С распространены сплавы на основе системы магний — торий — цирконий марок НК31 (3%Th; 0,7%Zr) и HZ32 (3%Th; 2%Zn; 0,7%Zr). В нашей стране эти сплавы не нашли применения в связи с радиологической токсичностью тория и созданием сплавов высокой жаропрочности, не содержащих в своем составе радиоактивных и токсичных добавок. Производство отечественных сплавов осуществляется в общих цехах, тогда как при производстве магниево-ториевых сплавов требуется создание специализированных цехов и участков, соответствующих жестким требованиям техники безопасности.

Все жаропрочные сплавы, помимо редкоземельных металлов, содержат в своем составе цирконий, который является эффективным измельчителем зерна и оказывает рафинирующее действие, очищая сплавы от вредных в коррозионном отношении примесей.

Редкоземельные металлы снижают окисляемость магниевых сплавов в жидком и твердом состояниях. Однако при литье металлоемких или тон костенных отливок с большими поверхностями сплавы иногда дополнительно легируют малыми количествами бериллия. Содержание бериллия в сплавах обычно не превышает 0,0001%.

Все жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе системы с ограниченной и переменной растворимостью элементов в твердом состоянии. Они значительно упрочняются с помощью термической обработки — закалки и последующего старения. Поэтому литые детали из жаропрочных магниевых сплавов, как правило, применяют в термически обработанном состоянии.

При комнатных температурах модуль упругости магниевых сплавов колеблется в пределах 4200—4500 кгс/мм2, и значения его мало зависят от химического состава и термической обработки сплавов. При повышенных температурах влияние химического состава возрастает, и жаропрочные магниевые сплавы при 200—300° С отличаются повышенным в 1,3—1,5 раза модулем упругости.

Механические свойства жаропрочных магниевых сплавов при комнатной температуре на отдельно отлитых образцах сведены в табл. 1. Для сравнения в таблицу включены механические свойства наиболее применяемого высокопрочного сплава MJI5 (8,8% Al; 0,5 %Zn; 0,15 %Мп).

Согласно табл. 1, жаропрочные магниевые сплавы по уровню механических свойств при комнатной температуре не уступают широко применяемым высокопрочным сплавам, например сплаву МЛ5, за исключением сплава МЛ11, имеющего пониженные прочностные характеристики. По пределу текучести жаропрочные сплавы, и особенно сплав МЛ10, в 1,5—1,7 раза превосходят сплав МЛ5, несколько уступая ему по пластичности. Стабильность структуры и механических свойств — одно из основных требований, предъявляемых к сплавам, длительно работающим при повышенных температурах.

На рис. 1 даны механические свойства сплавов МЛ9-Т6 и МЛ10-Т6 при 20° С после нагревов при 100—300° С в течение 1000 ч. Длительные нагревы не вызывают существенных изменений прочности и пластичности при комнатной температуре (не более 20%). Сопоставление свойств сплавов после нагревов при 200 и 250° С показывают, что восстановленная прочность сплава МЛ9 выше, чем сплава МЛ10.

Механические свойства сплавов при кратковременном растяжении при повышенных температурах приведены на рис. 2. По сравнению с высокопрочным сплавом МЛ5 пределы прочности и текучести жаропрочных сплавов при рассматриваемых температурах на 5—8 кгс/мм2 выше соответствующих свойств сплава МЛ5. Самый высокий предел прочности в интервале температур 200—400° С имеет МЛ19 (ВМЛ7), за ним следуют сплавы MЛ9 и MЛ10. Наилучший предел текучести при температурах до 250° С имеет сплав МЛ10, при температурах выше 300° С — сплав MЛ19 (ВМЛ7).

Длительные нагревы перед испытаниями при 125, 150° С (рис. 3) практически не изменяют прочностных характеристик сплава MЛ10 при этих температурах. Повышение температуры предварительного нагрева и соответственно температуры испытания до 200, 250° С для сплавов MJI9 и МЛ10 приводит к снижению предела текучести и несколько большему снижению предела прочности сплава. Пластичность сплавов возрастает.

Если проследить кинетику изменения свойств сплавов, можно заметить, что с повышением температуры сокращается длительность термоэкспозиции, после проведения которой дальнейшее увеличение времени нагрева не вызывает существенных изменений механических свойств сплавов. Так, увеличение длительности нагревов сплава MЛ10 от 2500 до 30 000 ч при 125 и 150° С и от 1000 до 2500 ч при 200 и 250° С не вызывает изменений прочностных характеристик. Это объясняется достижением определенной степени стабильности структуры при данной температуре в исследованном интервале выдержек.

Из рис. 3 следует, что длительные термоэкспозиции вызывают большее снижение прочности при температуре выдержки, нежели при комнатной температуре. Следовательно, механические свойства сплавов при комнатной температуре менее чувствительны к изменению структуры.

Опыты, проведенные на сплаве MЛ10, показали удовлетворительную сходимость результатов испытаний механических свойств после длительных нагревов при 150° С и эквивалентных им (согласно параметрическим зависимостям Ларсена-Миллера) сокращенных нагревов при 175° С (табл. 2).

Как показало исследование микроструктуры, изменение механических свойств после длительных нагревов вызвано в первую очередь распадом я обеднением твердого раствора, укрупнением продуктов распада твердого раствора и перераспределением их в структуре сплавов.

Данные по жаропрочности литейных магниевых сплавов в условиях длительного нагружения приведены на рис. 4. Самый жаропрочный отечественный магниевый сплав — МЛ19 (ВМЛ7). По сопротивлению ползучести он в 1,5—2,5 раза превосходит ранее разработанные магниевые жаропрочные сплавы, не содержащие радиоактивных и токсичных добавок. Например, по пределу длительной прочности за 100 ч сплав МЛ19 (ВМЛ7) превосходит сплав МЛ10 при 250° в 1,5 раза, а при 300° — в 2,5 раза, сплав MЛ9 при 300° — в 2 раза. Сплав MЛ10 по пределу ползучести превосходит сплав MЛ5 при 150° в 6 раз и при 200° в 11 раз.

Согласно проведенным нами исследованиям, основной механизм получения литейных магниевых сплавов высокой жаропрочности сводится к следующему.

1. Создание сложнолегированного термически стабильного твердого раствора. При легировании магния РЗМ и иттрием, повышении термически стабильного твердого раствора значительную роль играет, по-видимому, увеличение электронной концентрации при введении в магний трехвалентных элементов, а следовательно, повышение сил межатомной связи. Судя по низким значениям коэффициента термического расширения, для самих РЗМ и особенно для иттрия характерны большие силы межатомной связи.

2. Упрочнение дисперсными частицами, выпадающими из твердого раствора в процессе старения и играющими роль препятствий, тормозящих движение и переползание дислокаций в условиях ползучести. Высокая жаропрочность достигается при условии создания гетерофазной высокодисперсной тонкой структуры зерен. При одинаковом легировании твердого раствора повышение дисперсности упрочняющих фаз, их количества способствует повышению свойств.

3. Повышение термической стабильности и температуры коагуляции упрочняющих фаз. Торможение диффузионных процессов (массопереноса) на границе раздела твердый раствор — упрочняющая фаза способствует уменьшению в составе фаз содержания основы сплава — магния.

4. Укрепление границ зерен выделениями термически стабильных фаз. Значение этого фактора возрастает с повышением температуры эксплуатации сплавов.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна