Исследование фазового состава сложнолегированных магниевых сплавов

При изыскании новых композиций более высокопрочных магниевых сплавов наблюдается стремление к увеличению количества легирующих элементов и повышению содержания их в сплаве, т. е. к усложнению химического состава новых сплавов. Большое внимание уделяется исследованию сплавов на основе магния, содержащих цинк, иттрий, неодим, кадмий и цирконий. Стремление получить от сложнолегированных сплавов высокие прочностные характеристики привело к разработке сплавов, содержащих в сумме около 18—20% легирующих элементов.

Помимо взаимодействия легирующих элементов с магнием в соответствии с двойными диаграммами состояния, возможно взаимодействие их между собой, усложняющее структуру и фазовый состав сплавов. Характер взаимодействия в двойных системах (Mg—Zn, Mg—Y, Mg—Nd, Mg—Cd, Mg—Zr, Y—Nd, Y—Zn, Y—Cd, Y—Zr) и в некоторых тройных системах (Mg—Zn—Zr, Mg—Zn—Nd, Mg—Zn —Y, Mg—Y—Nd) в той или иной мере описан в литературе. Состав интерметаллических соединений некоторых магниевых сплавов определен путем исследования высаженных из раствора и изолированных фаз методами химического и рентгеноструктурного анализов. Однако в литературе отсутствует описание распределения легирующих элементов по структурным составляющим и характера взаимодействия компонентов в более сложных системах.

В настоящей работе исследована группа сплавов с содержанием цинка от 2,0 до 7,5%, неодима от 0,83 до 2,9%, иттрия от 3,8 до 12%, кадмия от 0,3 до 2,4% и циркония от 0,11 до 0,7%. Сплавы готовили в железных тиглях емкостью 6 кг в газовом горне. Шихтовыми материалами служили металлы: магний марки Мг96, цинк марки Ц1, кадмий марки КдО и лигатуры: магниево-циркониевая, магниево-неодимовая и магниево-иттриевая.

Во избежание взаимодействия иттрия и неодима с хлористым магнием (основной составляющей стандартных флюсов) в качестве защитного и рафинирующего флюса применялся новый флюс, не содержащий хлористого магния. С целью изучения влияния скорости отвода тепла в процессе кристаллизации на формирование структуры заливку образцов производили в землю и в кокиль. Температура заливки образцов в пределах 730—760° С,

В процессе исследования изучали:

1) содержание легирующих элементов в сплаве — методом спектрального анализа;

2) микроструктуру — как в оптическом микроскопе, так и в потоке отраженных электронов;

3) качественное распределение легирующих элементов по структурным составляющим и количественное содержание легирующих элементов в них — методом локального рентгеноспектрального анализа и методом характеристического излучения на приборе «Намека» MS-43.

Исследование распределения элементов по сечению образцов проводили перемещением исследуемого образца под электронным зондом с синхрон ной записью интенсивностей характеристического рентгеновского излуче ния определяемых элементов: МgKа1, ZnКa1, NdLа1, YLа1, ZrLа1, CdLа1. Анализ выполнялся при ускоряющем напряжении 20 кВ. В качестве эталонов использовались чистые металлы магний, цинк и синтезированные гомогенные соединения NdF3, Y2SiO5, CdS, ZrSiO4. Состав исследуемых сплавов приведен в табл. 1.

Исследование микроструктуры сплавов в оптическом микроскопе (рис. 1, 2) и в потоке отраженных электронов показало, что структура сплавов состоит в большинстве случаев из зерен твердого раствора, интерметаллических соединений и эвтектик. При малых содержаниях цинка структура ставов состоит из твердого раствора и интерметаллического соединения, так как при малом содержании цинка эвтектика не образуется.

Изображение микроструктуры в характеристическом излучении для одного из сплавов показано на рис. 3. Результаты локального рентгеноспектрального анализа этого же сплава в виде кривых интенсивностей приведены на рис. 4.

При пересчете на ЭВМ измеренных значений относительных интенсивностей в весовые концентрации получено количественное содержание легирующих элементов в основных фазах сплавов (табл. 2). Формульное значение интерметаллического соединения Mg30Zn15Y15Nd2. Распределение легирующих элементов по структурным составляющим при литье в землю характеризуется следующими значениями, %:

Основная масса магния содержится в твердом растворе (96,3—97,6%), в интерметаллическом соединении (72,2—75,5%) и в эвтектике (28,5— 60,0%).

Характерная особенность сложнолегированных магниевых сплавов — малое содержание легирующих элементов в твердом растворе, поскольку цинк, иттрий и неодим при совместном их введении в магний понижают взаимную растворимость в магнии.

Основная масса легирующих элементов входит в состав интерметаллических соединений и эвтектик. Характерным является более высокое содержание цинка в эвтектике, чем в интерметаллическом соединении, и, наоборот, более высокое содержание иттрия в интерметаллическом соединении по сравнению с эвтектикой.

Кадмий и цирконий присутствуют во всех трех структурных составляющих. Содержание кадмия возрастает от 0,4—0,5% в твердом растворе до 0,6—0,7% в интерметаллическом соединении и до 1,0% в эвтектике. Содержание циркония убывает от 0,2—0,5% в твердом растворе до 0,2—0,31% в эвтектике и до 0,16—0,23 в интерметаллическом соединении. Введение циркония приводит к подавлению дендритной формы кристаллов и появлению равноосных кристаллов независимо от системы сплавов.

В интерметаллическом соединении системы Mg—Zn—Nd—Cd содержится 44,0% цинка, 18,0% неодима и 12,5% магния. Следует отметить устойчивость интерметаллического соединения в процессе гомогенизации сложнолегированных сплавов. Под воздействием термообработки сложное интерметаллическое соединение, входящее в состав эвтектики, коагулирует и из пластинчатой формы переходит в глобулярную, сохраняя свой химсостав (см. рис. 2).

Указанный выше фазовый состав исследованных сплавов осложняет процессы гомогенизации и пластической деформации при обработке давлением.

Проведенное исследование показало, что фазовый состав интерметаллического соединения сложнолегированных магниевых сплавов при исследованных соотношениях между цинком и иттрием и между цинком и иттрием в сумме с неодимом не зависит от общей суммы легирующих элементов и скорости отвода тепла в процессе кристаллизации.

ВЫВОДЫ

1. Методом локального рентгеноспектрального анализа исследовано качественное и количественное распределение легирующих элементов сложнолегированных магниевых сплавов.

2. Показано, что химичегжийй состав интерметаллического соединения этих сплавов при исследованных соотношениях Zn:Y = 1:1 и 1,6:1 и Zn: (Y + Nd) = 1:1,4 и 1,6 :1 не зависит от общей суммы легирующих элементов.

3. С увеличением степени легирования возрастает гетерогенность структуры сплавов.