Термической обработки магниевых сплавов

Лабораторная работа 6

Металловедение и термическая
обработка магниевых сплавов

Цель работы: ознакомиться с технологией термической обработки магниевых сплавов; научиться самостоятельно разрабатывать оптимальный технологический процесс термической обработки магниевых сплавов; изучить влияние режимов термической обработки на структуру и свойства сплава ZK60A(отечественный аналог-сплав МА14).

Краткие теоретические сведения

Магний – очень легкий металл: его плотность при комнатной температуре равна 1,74 г/см³. Плотность же алюминия – 2,7 г/см³. По содержанию в земной коре магний (2,1 % мас.) находится на третьем месте после алюминия (8,8 %) и железа (5,1 %). Поэтому магний является основой легких и сверхлегких (с литием) сплавов.

Магниевые сплавы подвергают отжигам, закалке и старению.

Принципы выбора режимов

термической обработки магниевых сплавов

В термической обработке магниевых и алюминиевых сплавов имеется много общего, что объясняется отсутствием полиморфных превращений в этих металлах и близостью температур плавления.

Магниевые сплавы также, как и алюминиевые подвергают гомогенизационному и рекристализационному отжигам, отжигу для снятия остаточных напряжений, закалке и с тарению.

Низкие скорости диффузионных процессов в твердом магнии приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаждения), а дендритная ликвация – к снижению механических свойств и технологической пластичности. Поэтому перед деформацией сплавы подвергают гомогенизационному отжигу.

Рекристаллизационный отжиг понижает прочность, но повышает пластичность магниевых сплавов и в значительной мере устраняет анизотропию свойств полуфабрикатов в продольном и поперечном направлениях. При выборе режимов данного отжига необходимо учитывать склонность к росту зерна при повышенных температурах. Температура начала рекристаллизации чистого магния равна примерно 150 ^оС, а магниевых сплавов – 250–280 ^оС. Поэтому отжиг магниевых сплавов обычно проводят при температурах ~350 ^оС, т.к. при более высоких температурах происходит рост зерна.

Отжиг для снятия остаточных напряжений проводят при температурах, более низких, чем используемые для рекристаллизационного отжига, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные напряжения.

Закалка и старение проводятся для повышения прочностных свойств. Критические скорости охлаждения невысоки, и фиксация при закалке гомогенного состояния, соответствующего температуре нагрева под закалку, происходит уже при охлаждении на воздухе. Лишь для некоторых сплавов необходимо охлаждение струями воздуха или подогретой до 80–95 ^оС водой.

Закалка приводит к существенному повышению прочностных, а иногда и пластических свойств сплавов; особенно это относится к литейным сплавам (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Влияние температуры нагрева под закалку на механические свойства закаленного сплава МЛ5; продолжительность нагрева под закалку 16 ч (И.Ф. Ко- лобнев и др.)

Естественного старения большинства магниевых сплавов после закалки не происходит. Продолжительность искусственного старения магниевых сплавов значительно больше, чем алюминиевых. Искусственное старение магниевых сплавов повышает прочностные свойства закаленного материала, но эффект упрочнения, например сплава МЛ10, сравнительно невелик (рис. 6.2).

Эффект старения магниевых сплавов систем Mg–Al и Mg–Al–Zn также небольшой (25–35 %). Упрочнение при старении сплавов систем Mg–Nd и Mg–Nd–Mn–Ni, наоборот, весьма значительно.

Распад пересыщенного твердого раствора цинка в магнии происходит через ряд предварительных стадий выделения стабильной β-фазы (Mg–Zn):

α_пер → ЗГП → предвыделения β' → β" → β.

Распад пересыщенного раствора неодима в магнии происходит по схеме, аналогичной классическому распаду в сплавах системы Al–Cu:

α_пер → ЗГП → β" → β' → β (Mg₁₂Nd).

В достаточно обогащенных литием сплавах системы Mg–Li, дополнительно легированных алюминием или цинком, пересыщенные β-твердые растворы на основе лития с ОЦК решеткой распадаются по схемам [1]:

β → MgLi₂Al → AlLi;

β → MgLi₂Zn → ZnLi (или MgLiZn).

Рис.6.2.Влияние продолжительности старения при 205–230 оС на механические свойства сплава МЛ10 после закалки с 540 оС, выдержка 8 ч, охлаждение при закалке обдувкой воздухом (Н.М. Тихова)

Магниевые сплавы применяют главным образом как жаропрочные материалы, поэтому температура старения должна быть выше рабочих температур данного сплава с тем, чтобы в условиях эксплуатации не происходило слишком быстрой коагуляции упрочняющих фаз.

Поскольку повышение прочностных характеристик магниевых сплавов при закалке, по сравнению со свойствами отожженного или литого металла, весьма велико, а старение не вносит значительного дополнительного упрочнения, магниевые сплавы часто подвергают только закалке, а фасонные отливки – гомогенизации с охлаждением на воздухе.

В табл. 6.1 приведены условные обозначения видов термической обработки изделий и полуфабрикатов из магниевых сплавов.

При термической обработке магниевые сплавы взаимодействуют с газами, составляющими атмосферу печи. В результате взаимодействия с кислородом образуется окись магния MgO. Окись магния имеет существенно меньший объем, чем металл, поэтому магний должен сравнительно быстро окисляться. Тем не менее до температур 450–475 ^оС окисная пленка оказывает защитное действие. Это, по-видимому, связано с тем, что при небольшой толщине окисной пленки возникающие в ней растягивающие напряжения не нарушают ее целостности [2].

Наиболее сильно ускоряют окисление магния никель и медь. Галлий, цинк, олово и алюминий также повышают скорость окисления магния, но в меньшей степени, чем первые два элемента.

Таблица 6.1

Режимы термической обработки

в зависимости от назначений

В настоящее время установлен лишь один элемент, уменьшающий скорость окисления магния. Это бериллий. Он является по отношению к магнию поверхностно активным элементом и поэтому концентрируется в поверхностных слоях оксидной пленки. Окись бериллия образуется с увеличением объема (в отличие от окиси магния) и поэтому способствует увеличению защитных свойств пленки.

Интенсивность взаимодействия магниевых сплавов с кислородом при повышении влажности воздуха существенно уменьшается. В широком температурном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе примерно в два раза меньше, чем в сухом воздухе. Это связано с тем, что во влажном воздухе вместо пленки окиси магния растет пленка гидроокиси Mg(OH)₂, образующаяся с увеличением объема. При нагреве на воздухе до 623 ^оС магний воспламеняется. Влажная магниевая пыль воспламеняется при 360 ^оС. Поэтому для исключения возгорания отливок перед загрузкой в печь для термообработки их необходимо очищать от магниевой пыли, стружки и заусенцев [3].

При температурах термической обработки магниевые сплавы слабо реагируют с азотом. Значительные загрязнения азотом, приводящие к ухудшению механических свойств, возможны лишь при взаимодействии металла с азотом при температурах, близких к температуре плавления [2].

Поиск по сайту: