Разработка новых магниевых сплавов для литья под давлением

17.07.2019

Ключевым моментом при выборе композиции сплава для литья под давлением служит учет неравновесности процесса кристаллизации. Высокая скорость охлаждения и действие давления при заполнении формы, усадке и затвердевании металла вызывают заметный сдвиг критических точек на диаграмме состояния относительно их равновесного местоположения. Вследствие этого наилучшим сочетанием литейных и механических свойств при литье под давлением обладают сплавы иных составов, нежели те, которые обеспечивают максимальный эффект при литье в кокиль с последующей закалкой.

Формирование структуры и свойств сплавов системы Mg—Al рассмотрено в работе. Наиболее существенные особенности структуры: образование сетки фазы Mgl7Al12 эвтектического происхождения по границам зерна, начиная с концентрации алюминия в сплаве 1% (рис. 1, а); меньшее насыщение b-твердого раствора алюминием по сравнению с его средним содержанием в сплаве; резкое измельчение зерна. Главной особенностью проявления литейных свойств служит соответствие минимума жидкотекучести и максимума горячеломкости наибольшему неравновесному интервалу кристаллизации, который совпадает с концентрационной границей появления в структуре неравновесной составляющей и, следовательно, смещен в область с 1—2% алюминия. Комплекс структурных, литейных, прочностных и пластических характеристик в двойной системе всецело определяется содержанием алюминия (табл. 1).

Основываясь на системе Mg—Al, как наиболее изученной и широко применяющейся, рассмотрим подход к выбору композиции сплава в зависимости от его назначения.

Для сплава широкого назначения в качестве базы следует принять группу сплавов с 8—10% алюминия. Свойства сплава можно дополнительно улучшить введением кремния и меди. В системе Mg — Al — Si эвтектическая точка лежит при 1,4% кремния, и присутствие 0,3—0,4% кремния увеличивает количество эвтектики, повышая жидкотекучесть и снижая горячеломкость. Медь способствует повышению прочности и жидкотекучести.

Практическое применение изложенные выше соображения нашли при разработке сплава МЛ5-1, имеющего состав: Al 8,5—9,5%; Zn — 0,4— 0,9%; Mn — 0,15—0,5%; до 0,5% Si; до 0,35% Cu; примесь Fe до 0,06%; Mg — основа. Сплав МЛ5-1 при одинаковых со сплавом МЛ5 механических свойствах обнаруживает жидкотекучесть, на 15% большую, а горячеломкость, почти вдвое меньшую, чем стандартный сплав. На заводе, внедрившем сплав МЛ5-1, литейный брак на большинстве отливок снизился в 2—2.5 раза по сравнению с МЛ5. Химический состав MЛ5-1 открывает возможность реализации вторичных шихтовых материалов, поскольку в ломах и отходах магниевых сплавов всегда содержатся силуминовые детали и бронзовые втулки. Нa чушковый сплав МА9ЦМК, поставляемый машиностроительным заводам для выплавки литейного сплава МЛ5-1, благодаря использованию отходов и упрощению металлургической технологии снижена цена за тонну. Замена сплава MЛ5 в цехах литья под давлением сплавом МЛ5-1 имеет большое народнохозяйственное значение ввиду значительной экономии в металлургическом производстве на стоимости шихты и снижении потерь от брака на машиностроительных заводах.

При литье под давлением отрицательная роль примесей, выражающаяся в некотором ухудшении коррозионной стойкости, сводится к минимуму из-за особенностей неравновесной структуры. Например, несмотря на то что растворимость меди в системе Mg—Al—Cu при эвтектической температуре равна 0,55%. а в твердом состоянии растворимость ничтожна, при кристаллизации под давлением медь не образует самостоятельной фазы Mg2Cu по границам зерен, а входит в состав тройной эвтектики b + Mg17Al12 + Mg2Al2Cu3. Количество интерметаллида Mg2Al2Cu3 невелико и его влияние на фоне определяющего влияния сетки фазы Mgl7A12 несущественно.

Число сплавов общего назначения может быть увеличено за счет использования вторичных шихтовых материалов с содержанием цинка 2,5—4%. За рубежом опробованы сплавы с высоким содержанием цинка ZAI24, AZ88 и AZ55 для литья под давлением. Изучение литейных и механических свойств этих сплавов показало, что зарубежный опыт не может быть использован непосредственно. Причиной служит низкое относительное удлинение сплавов ZA124 и AZ88, недостаточная технологичность сплава AZ55 и большое отличие по химическому составу от имеющихся вторичных шихтовых материалов. Введение чистых металлов для значительной корректировки состава переплавленных ломов и отходов резко снизило бы экономический эффект при приготовлении вторичного сплава. Изучение механических и литейных свойств тройных композиций в пределах концентраций 1—10% Al и 1—10% Zn показало, что удовлетворительным сочетанием свойств обладает ряд составов, близких по содержанию основных компонентов к шихте (рис. 2). Так, сплав с 7,7—8,0% Al и 2,3—3,0% Zn обнаруживает прочность 22,3 кгс/мм2 и относительное удлинение — 2,4% на отдельно отлитых под давлением образцах и 19,9 кгс/мм2 и 1,83% на образцах, вырезанных из отливок картера коленвала автомобиля «Запорожец».

Для создания сплавов специального назначения более перспективной базой является группа сплавов с 4—7% алюминия. Благодаря меньшему количеству хрупкой фазы Mgl7Al12 в структуре она обеспечивает более высокую пластичность, что позволяет полнее реализовать прочностные возможности сплава. Однако литейные свойства таких сплавов заметно уступают свойствам сплавов первой группы. Поэтому, определяя легирующий комплекс, наряду с приданием сплаву специальных свойств необходимо решать задачу улучшения технологичности и в первую очередь снижения горячеломкости. Примером решения такой задачи является разработка высокопрочного сплава, условно названного MЛK7-3. К сплаву предъявлялись требования лучшей пластичности и меньшей горячеломкости, нежели у сплава MЛ5.

В качестве базы был принят двойной сплав Mg — 7% Al, обеспечивающий относительное удлинение не менее 5%. Выбор легирующих элементов должен основываться на анализе тройной диаграммы магний — алюминий — добавка. Однако неравновесных диаграмм тройных сплавов на основе магния в настоящее время практически нет, а равновесные диаграммы не дают необходимой информации о структурах, складывающихся в реальных процессах литья. Использовали данные о механических свойствах двойных магниевых сплавов при литье под давлением (рис. 3). Наиболее перспективные добавки: цирконий, кадмий и иттрий. Цирконий неприменим в сплавах, содержащих алюминий, особенно если сплав длительное время выдерживается в раздаточных печах, поэтому как улучшающая добавка цирконий не использовался.

Кадмий, не образующий хрупких фаз, не снижает пластичности двойного сплава и в то же время существенно снижает горячеломкость. Как кристаллографический аналог магния кадмий хорошо растворяется в 6-фазе и фазе Mg17Al12. Образование твердого раствора кадмия в интерметаллиде снижает его твердость, склонность к хрупкому растрескиванию и придает пластичность интерметаллиду при температуре 380°, близкой к неравновесному солидусу (табл. 2).
Разработка новых магниевых сплавов для литья под давлением

Фаза Mg17Al12 образует в структуре межзеренные прослойки (сетку), поэтому увеличение ее пластичности улучшает деформируемость сплава в целом и, следовательно, повышает его трещиноустойчивость.

Иттрий, обладая растворимостью, упрочняет твердый раствор. Кроме этого, введение иттрия измельчило зерно с 20—30 до 7—10 мкм, что при общей мелкозернистости структуры заметно повышает прочность сплава. В результате совместного легирования базы Mg — 7% Al кадмием и иттрием получен негорячеломкий сплав с хорошей пластичностью (табл. 3). Прочность нового сплава в литом под давлением состоянии на 25—30% выше, чем у МЛ5 (близкая к прочности сплава МЛ5 в состоянии Т4 или TB), при хорошей пластичности и невысокой горячеломкости. Сплав опробован при литье под давлением крупногабаритных тонкостенных деталей приборов, обеспечивает снижение брака на 20—40% по сравнению со сплавом МЛ5. Образцы, вырезанные из отливок, обнаружили прочность 18—22 кгс/мм2 и пластичность 5—7%.

Выводы

1. Разработан сплав для отливок общего назначения МЛ5-1, обеспечивающий при одинаковых с МЛ5 механических свойствах лучшую технологичность. Для выплавки МЛ5-1 служит чушковый сплав МА9ЦМК, выпускаемый металлургической промышленностью.

2. Разработан сплав с прочностью 24—26 кгс/мм2, пластичностью 5—7% и горячеломкостью меньшей, чем у MЛ5, в 2—2,5 раза. Сплав предназначен для крупногабаритных тонкостенных отливок ответственного назначения.



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