Влияние термообработки на морфологию эвтектики сплавов системы Mg

Кафедра технологии литейных процессов
Национального исследовательского
технологического университета «МИСиС»
ОБ ИЗМЕНЕНИИ МОРФОЛОГИИ ЭВТЕКТИКИ
В СПЛАВАХ СИСТЕМЫ Mg-Al-Ca В ПРОЦЕССЕ
ТЕРМООБРАБОТКИ
Никитина Анна Андреевна, аспирант
Колтыгин Андрей Вадимович, доцент, к.т.н.
Актуальность
1. Наилучшими литейными свойствами среди магниевых сплавов
обладают сплавы системы Mg-Al-Zn, такие как МЛ5. Они обладают
плохим сопротивлением ползучести при повышенных температурах
вследствие размягчения γ-Mg17Al12 фазы по границам зерен;
2. В последние годы значительные усилия прикладываются учеными
для повышения сопротивления ползучести сплавов системы Mg-Al.
В настоящее время ведется большое количество разработок
сплавов на основе системы Mg-Al-РЗМ.
3. Поведение кальция в магниевых сплавов схоже с РЗМ, и система
Mg-Al-Ca привлекает большое количество ученых;
4. Эвтектика в сплавах системы Mg–Al–Ca может быть представлена
четырьмя фазами Лавеса: Mg2Ca (C14, MgZn2 структура типа
MgZn2), Al2Ca (C15, структура типа Cu2Mg), (Al,Mg)2Ca (C36,
структура типа MgNi2) и Al2(Mg,Ca) (C36, структура типа MgNi2).
5. Наиболее термически-стабильной фазой из них является Al2Ca с
которой в системе Mg-Al-Са существует квазибинарный разрез MgAl2Ca
2
Цель работы: Разработка литейного магниевого сплава
предназначенного для использования при повышенных
температурах и технологии изготовления из него фасонных отливок.
Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:
1. Изучение фазового состава системы Mg-Al-Ca и
многокомпонентных систем Mg-Al-Ca-X и выбор составов,
потенциально подходящих в качестве литейного сплава;
2. Изучение механических и литейных свойств сплавов системы
Mg-Al-Ca-X и выбор сплава/группы сплавов для последующего
детального исследования;
3. Детальное исследование сплава(ов) выбранного состава и его
сравнение с ближайшими промышленными аналогами;
4. Изучение влияния технологических параметров на структуру,
механические свойства и выбор оптимальных параметров
технологического процесса получения фасонных отливок;
5. Опытное опробование разработанного сплава.
3
Материалы и методика экспериментов
Шихтовые материалы: магний Мг90, алюминий А7Е, лигатура
Mg-28,8%Ca, лигатура Al-10%Mn
Плавка: печь сопротивления, температура заливки 740 С
Изучение механических свойств: литые образцы ГОСТ 1497-84,
универсальная испытательная машина Zwick/Roell Z250. Скорость
испытаний: 4 мм/мин.
Изучение литейных свойств: песчаная форма на жидкотекучесть
ГОСТ 16438-70, проба на горячеломкость "Лира".
Термообработка: отжиг в печи SNOL 8,2/1100 в защитной
атмосфере SO2, закалка на воздухе.
Травление: раствор 4% HNO3 в спирте, 2 минуты
Изучение микроструктуры: Металлографические исследования
проводились с использованием электронный сканирующий
микроскоп TESCAN VEGA 3 SBH.
Контроль химического состава сплава: оптический
эмиссионный спектрометр ARL 4460.
4
Изучение сплавов системы Mg-Al-Ca-Mn, находящихся на
квазибинарном разрезе Mg-Al2Ca
1. Были выбраны два состава :
б
Температура, °С
Температура, °С
a
Mg-5%Al-2.3%Ca-0.5%Mn (С1) и Mg-7%Al-4%Ca-0.5%Mn (С2)
Mn, масс. %
Mn, масс. %
Политермические разрезы системы Mg-Al-Ca-Mn
Mg-5%Al-2.3%Ca-(0-1)%Mn (a) и Mg-7%Al-4%Ca-(0-1)%Mn (б).
5
Изучение сплавов системы Mg-Al-Ca-Mn, находящихся на
квазибинарном разрезе Mg-Al2Ca (продолжение)
Результаты
механических
испытаний сплавов
С1 и С2
Типичная микроструктура
сплава находящегося на
квазибинарном разрезе
Mg-Al2Ca
τотжига, ч
20
30
Сплав
С1
С2
С1
С2
Rp 0,2,
MПa
77
76
78
76
Rm, MПa
143
152
150
146
Пластичность,
%
2,8
3,7
3,1
3,2
1. Жидкотекучесть по спиральной пробе
составила 475 мм для сплава С1, 550 мм для сплава С2.
2. Показатель горячеломкости по пробе «лира» составил
100 мм для обоих сплавов
6
Влияние термообработки на морфологию эвтектических
выделений сплавов системы Al-Si-Mg
отжиг, 538 °С
Литое
состояние
0,5 ч
1,5 ч
4ч
10 ч
Al-7%Si
Al-7%Si
мод.
Al-13%Si
Al-13%Si
мод.
Источник: D.A. Lados, D. ApeSolution Treatment Effects on Microstructure and Mechanical
Properties of Al-(1 to 13 Pct)Si-Mg. – Cast Alloys Metallurgical and Materials Transactions BProcess Metallurgy and Materials Processing Science, 42(1), 171-180
7
Схема изменения морфологии эвтектических выделений в
процессе отжига
Исходное состояние – Фрагментирование - Компактирование
8
Влияние термообработки на морфологию эвтектики сплавов
системы Mg-Al-Ca
Cплав 1 (Mg - 4,52% Al - 2,05% Ca - 0,48% Mn), отжиг, 490 °С
литое состояние
20 ч
30 ч
50 ч
100 ч
литое состояние
20 ч
30 ч
50 ч
100 ч
Сплав 2 (Mg - 6,31% Al - 3,67% Ca - 0,32% Mn), отжиг, 500 °С
9
Выводы
1. Сплав состава Mg–7%Al–4%Ca–0,5%Mn может быть
использован в качестве модельного для дальнейшей разработки
2. Исследованы свойства литейного сплава состава Mg–6,3%Al–
3,7%Ca–0,3%Mn. Сплав обладает малой склонностью к
горячеломкости, жидкотекучестью 550 миллиметров, пределом
прочности после ТО по режиму Т4 150 MПa и относительным
удлинением 3%.
3. В процессе термообработки сплавов системы Mg-Al-Ca-Mn
происходит изменение формы эвтектических включений с
пластинчатой на компактную, в пределе - шаровидную. Данный
процесс достаточно длителен и требует больших затрат
времени и энергии.
4. При разработке промышленного сплава на основе системы MgAl-Ca-Mn и технологии получения отливок из него необходимо
применение дополнительных мероприятий, связанных с
необходимостью измельчения выделений интерметаллической
фазы в эвтектике с целью облагораживания ее формы и
снижения времени термической обработки сплава.
10