Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

151

ходуют большое количество алюминия. В промышленно развитых странах

примерно 15% всего произведенного алюминия расходуется на электротех-

нические нужды.

Алюминиевые сплавы широко используют в строительстве и транс-

портном машиностроении.

Алюминий и некоторые его сплавы обладают свойством не терять пла-

стичности при криогенных температурах, поэтому из них изготавливают ре-

зервуары для хранения криогенных жидкостей, например, жидкого метана

(температура - 161 °С). Из чистого алюминия делают теплообменники для

снижения гелия, который, как известно, переходит в жидкое состояние при 4

К.

Алюминий и его сплавы применяют в промышленных и бытовых холо-

дильниках. Хорошо известно применение алюминия в пищевой промышлен-

ности. Тонкую алюминиевую фольгу толщиной 0,009 мм применяют для

упаковки различного вида продуктов. Из алюминиевой ленты толщиной

0,2...0,3 мм изготавливают консервные банки.

В заключении следует остановиться на еще одном специфическом

применении алюминиевых сплавов, а именно в атомных реакторах. Боль-

шинство атомных реакторов сейчас работает на тепловых нейтронах. Для

конструктивных элементов таких реакторов нужны металлы, слабо погло-

щающие нейтроны. Алюминий, относящийся к их числу, кроме того, облада-

ет хорошей коррозионной стойкостью в горячей воде и перегретом паре, СО

т.е. в тех средах, которые часто применяют в качестве теплоносителя в реак-

торах.

152

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте общую характеристику видов термической обработки алюминиевых

сплавов.

2. Поясните, для чего выбирают режим гомогенизации алюминиевых спла-

вов.

3. Объясните технологию отжига слитков для снятия напряжений.

4. Объясните цель и технологию рекристаллизационного отжига.

5. Объясните назначение и технологию отжига термически упрочняемых

сплавов с целью разупрочнения.

6. Объясните технологию отжига листов термически не

упрочняемых алю-

миниевых сплавов.

7. Объясните цель и технологию закалки алюминиевых сплавов.

8. Укажите условия распада твердого раствора и виды старения алюминие-

вых сплавов.

9. Объясните механизм старения алюминиевых сплавов.

10. Поясните, что такое “возврат при старении”, для чего и как его проводят.

Укажите недостатки.

11. Объясните, что такое “структурное упрочнение” алюминиевых сплавов

“прессэффект”.

12. Поясните технологию термической обработки прессованных изделий.

13. Поясните технологию термической обработки труб

14. Поясните технологию термической обработки поковок.

15. Поясните технологию термической обработки штамповок.

16. Поясните особенность термомеханической обработки алюминиевых

сплавов.

17. Объясните технологию термической обработки литейных алюминиевых

сплавов.

18. Поясните, какие защитные атмосферы используют при термической об-

работке алюминиевых сплавов

19. Перечислите виды брака при термической обработке алюминиевых спла-

вов и методы контроля.

20. Приведите основные свойства алюминия. Укажите, какие примеси встре-

чаются в алюминии.

21. Дайте классификацию алюминиевых сплавов.

22. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение дуралюминов.

23. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение “авиалей”.

24.

Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение сплавов на основе системы алюминий-магний-

кремний-медь.

153

25. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение высокопрочных сплавов.

26. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение жаропрочных сплавов.

27. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение сплавов системы алюминий-марганец.

28. Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение сплавов системы алюминий-магний.

29.

Укажите химический состав, структуру, свойства, маркировку, режим

термообработки, применение литейных алюминиевых сплавов.

30. Поясните, что такое специальные материалы САПы.

31. Поясните, что такое САС.

154

4 МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

4.1 Принципы выбора режимов термической обработки

магниевых сплавов

Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет мно-

го общего, что объясняется отсутствием полиморфных превращений в этих

металлах и близостью температур плавления.

Магниевые сплавы подвергают:

Гомогенизационному отжигу. Низкие скорости диффузионных процес-

сов в твердом магнии приводят в условиях

неравновесной кристаллизации к

сильному развитию дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаж-

дения), а дендритная ликвация снижение механических свойств и технологи-

ческой пластичности. Поэтому перед деформацией сплавы подвергают гомо-

генизационному отжигу.

Рекристаллизационному отжигу, он понижает прочность, но повышает

пластичность магниевых сплавов и в значительной мере устраняет анизотро-

пию свойств полуфабрикатов

в продольном и поперечном направлениях.

При выборе режимов данного отжига необходимо учитывать склонность к

росту зерна при повышенных температурах.

Отжигу для снятия остаточных напряжений. Эту обработку прово-

дят при температурах, при более низких, чем используемые для рекристал-

лизации, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные

напряжения (деформация).

Закалке и старению

для повышения

прочностных свойств. Критические скоро-

сти охлаждения невысоки, и фиксация го-

могенного состояния, соответствующего

температуре нагрева под закалку, проис-

ходит уже при охлаждении на воздухе.

Лишь для некоторых сплавов необходимо

охлаждение струями воздуха или подогре-

той до 80-95˚С водой.

Закалка приводит к существенному

повышению прочностных, а иногда и пла-

стических свойств сплавов; особенно это

относится к литейным сплавам (рис.4.1).

Естественного старения большинст-

ва магниевых сплавов после закалки не

происходит. Продолжительность искусст-

венного старения магниевых сплавов значительно больше, чем алюминие-

вых. Искусственное старение магниевых сплавов повышает прочностные

Рисунок 4.1. Влияние температуры

нагрева под закалку на механические

свойства закаленного сплава МЛ5;

продолжительность нагрева под за-

калку 16 ч

155

свойства закаленного материала, но эффект упрочнения значительно невелик

(рис 4.2).

Магниевые сплавы применяют главным

образом как жаропрочные материалы,

поэтому температура старения должна

быть выше рабочих температур данного

сплава с тем, чтобы в условиях экс-

плуатации не происходило слишком

быстрой коагуляции упрочняющих фаз.

Поскольку повышение прочност-

ных характеристик магниевых сплавов

при закалке

по сравнению со свойства-

ми отожженного или литого металла

весьма велико, а старение не вносит

значительного дополнительного упроч-

нения, магниевые сплавы часто подвер-

гают только закалке, а фасонные отлив-

ки – гомогенизации с охлаждением на воздухе В табл.4.1 приведены услов-

ные обозначения видов термической обработки изделий и обработки изделий

и полуфабрикатов из

магниевых сплавов.

Таблица 4.1.

Условные обозначения режимов термической обработки

Условное

обозначение

Вид термической

обработки

Назначение

Т1

Искусственное старение без

предварительной закалки

Повышение механических свойств сплавов

Т2 Отжиг Снятие остаточных напряжений и наклепа

Т4 Закалка Повышение прочностных характеристик

Т6 Закалка на воздухе и старение

Повышение прочности при некотором

снижении относительного удлинения

Т61 Закалка в воде и старение

Максимальное повышение прочности ли-

тых деталей

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, подвергают гомогенизации

для повышения технологичности при горячей обработке давлением.

Магниевые сплавы подвергают также рекристаллизационному отжигу.

Температура начала рекристаллизации чистого магния равна примерна 150

°С, а магниевых сплавов 250…280 °С. Поэтому отжиг магниевых сплавов

обычно проводят при температурах примерно 350 °С.

Рисунок 4.2. Влияние

продолжительности старения при 205-

230˚С на механические свойства сплава

МЛ10 после закалки с 540˚С, выдержка

8 ч, охлаждение при закалке обдувкой

156

Магниевые сплавы подвергают также закалке и старению. Их обычно

закаливают на воздухе и иногда в кипящей воде. Естественное старение в

магниевых сплавах не происходит.

После закалки сплавы подвергают искусственному старению. Эффект

старения магниевых сплавов систем Mg–Al и Mg–Al–Zn сравнительно неве-

лик (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. (MgZn):

αпер

→

ЗГП

→

предвыделения

βββ

′

′′

→→

Распад пересыщенного раствора неодима в магнии происходит по схе-

ме, аналогичной классическому распаду в сплавах системы Al–Cu: αпер

→

ЗГП

→

ЗГП

βββ

′′ ′

→→

(Mg

Nd).

В достаточно обогащенных литием сплавах системы Mg–Li, дополни-

тельно легированных алюминием или цинком, пересыщенные β-твердые рас-

творы на основе лития с ОЦК решеткой распадаются по схеме:

β →

MgLi

→

AlLi;

→

MgLi

→

ZnLi (или MgLiZn).

4.2 Взаимодействие магния и его сплавов с газами

При термической обработке магниевые сплавы взаимодействуют с га-

зами, составляющими атмосферу печи. В результате взаимодействия с ки-

слородом 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 °С окисная пленка оказыва-

ет защитное действие. Это по-видимому связано

с тем, что при небольшой

толщине окисной пленки возникающие в ней растягивающие напряжения не

нарушают ее целостности.

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.

В настоящее время установлен лишь один элемент,

уменьшающий ско-

рость окисления магния. Это бериллий. Он является по отношению к магнию

поверхностно активным элементом и поэтому концентрируется в поверхно-

стных слоях оксидной пленки. Окись бериллия образуется с увеличением

объема в отличие от окиси магния, и поэтому способствует увеличению за-

щитных свойств пленки.

Интенсивность взаимодействия магниевых сплавов с кислородом при

повышении влажности воздуха существенно уменьшается. В широком тем-

пературном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе при-

157

мерно в два раза меньше чем в сухом воздухе. Это связано с тем, что во

влажном воздухе вместо окиси магния растет планка гидроокиси Mg(OH)

образующаяся с увеличением объема.

При температурах термической обработки магниевые сплавы слабо

реагируют с азотом. Значительные загрязнения азотом, приводящие к ухуд-

шению механических свойств, возможны лишь при взаимодействии металла

с азотом при температурах, близких к температуре плавления.

4.3 Технология термической обработки

литейных и деформируемых магниевых сплавов

Литейные магниевые сплавы подвергают термической обработке для

повышения механических свойств (закалка и старение) и уменьшения оста-

точных напряжений (отжиг Т2).

Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут всту-

пать в реакцию с составляющими атмосферы печи, при нагреве используют

только электрические печи. Нагревательные элементы должны быть тща-

тельно экранированы, экраны и

внутренний кожух изготавливают из нержа-

веющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых сплавов в жидких се-

литровых ваннах запрещен во избежание взрыва и пожаров.

Для уменьшения окисления нагрев проводят в нейтральной атмосфере

углекислого газа, аргона и т.п. или в воздушной атмосфере с добавкой 0,5-1

% SO

Время выдержки при температуре нагрева под закалку колеблется в

широких пределах и зависит от состава сплава и структуры отливок. Величи-

на зерна в отливках в значительной мере определяется толщиной стенки се-

чения и применяемым способом литья. Чем массивнее отливка и меньше

скорость охлаждения при затвердевании, тем грубее зерно. Поэтому время

выдержки при нагреве под закалку в зависимости от этих факторов может

изменяться в широких пределах.

Закалка литейных магниевых сплавов приводит к существенному по-

вышению механических свойств, особенно в сплавах системы Mg – Al – Zn.

Поэтому ее часто проводят без последующего старения (режим Т4). Охлаж-

дение после нагрева под закалку проводят в спокойном воздухе. Для интен

сификации охлаждения при закалке некоторых сплавов применяют также об-

дувку струями воздуха или охлаждение в подогретой до 80-95˚С воде.

Искусственное старение проводят в печах с воздушной атмосферой, а охлаж-

дение на спокойном воздухе. Процессы распада при старении сопровожда-

ются объемными эффектами, вызывающими размеров отливок.

С целью повышения технологической пластичности при

обработке

давлением слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизационному от-

158

жигу. Рекомендуемые режимы гомогенизации для некоторых промышленных

сплавов приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Режимы гомогенизации магниевых сплавов

Марка сплава

I ступень нагрева II ступень нагрева

температура,

˚С

время выдержки,

температура,

˚С

время

выдержки, ч

МА1 490 12 - -

МА2 400 18 - -

МА2-3 390 10 420 8

МА3 340 4 400 12

МА8 490 12 - -

МА11 490 24 - -

МА12 530 24 - -

Температуры начала и конца рекристаллизации деформируемых маг-

ниевых сплавов составляет соответственно 150 - 300˚С и 200 - 400˚С в зави-

симости от состава и чистоты сплавов и условий деформации. Величина рек-

ристаллизованного зерна существенно возрастает с повышением температу-

ры отжига, особенно при малых степенях деформации. Поэтому температура

рекристаллизационного отжига не должна быть чрезмерно

высокой

Поскольку эффект упрочнения магниевых сплавов при старении неве-

лик, то наиболее распространенными видами термической обработки полу-

фабрикатов из магниевых сплавов являются высокотемпературный (рекри-

сталлизационный) и низкотемпературный (для снятия напряжений) отжиги, а

также закалка.

4.4 Дефекты термической обработки

Наиболее распространенные дефекты:

1 Неполная закалка вызывается либо пониженной температурой нагре-

ва под закалку, либо недостаточной выдержкой при этой температуре. Про-

является в снижении прочностных свойств.

2 Рост зерна при нагреве под закалку связан с неоднородностью струк-

турного состояния полуфабрикатов после литья или деформации. Чтобы пре-

дотвратить возникновение роста зерна и вызываемого им снижения механи-

ческих свойств, можно использовать отжиг для снятия напряжений перед за-

калкой, либо ступенчатый нагрев под закалку.

3 Окисление поверхности при нагреве под закалку вызывается несоот-

ветствием защитных атмосфер требуемым условиям. Это может быть связано

159

с недостаточной подачей сернистого газа, подсосом воздуха, содержащим

водяные пары, и т. п.

4 Пережог возникает при превышении допустимых значений темпера-

туры нагрева под закалку или слишком высоких скоростей нагрева. При пе-

режоге оплавляются легкоплавкие, неравновесные или избыточные равно-

весные фазы, что приводит к резкому снижению механических свойств.

5 Коробление полуфабрикатов и деталей из магниевых сплавов при

термической обработке определяется многими факторами, особенно нерав-

номерным распределением температур по сечению изделия в процессах на-

грева. Для предотвращения коробления необходимо применять специальные

поддоны или приспособления для изделий сложной конфигурации.

4.5 Свойства магния

Магний относится ко II группе периодической системы Д.И. Менделее-

ва. Атомная масса магния 24,32. По химическим свойствам магний относится

к щелочно-земельным металлам.

Физические свойства магния приведены в табл. 4.3. Магний плавится

при 650 °С и кипит при 1107 °С. Магний относится к наиболее легким конст-

рукционным металлам, его плотность равна 1,74 г/см

при 20 °С.

Таблица 4.3

Основные физические свойства магния

Свойства Магний

Атомный номер 12

Атомная масса 24,32

Плотность при 20°С, г/см

1,737

Температура плавления, °С 650

Температура кипения, °С 1107

Удельная теплоемкость при 20°С, Дж/(кг · К) 1047,6

Удельная теплопроводность при 20°С, Вт/(м · К) 167

Коэффициент линейного расширения при 25°С, 10

, К

–

Удельное электросопротивление при 20°С, мкОм м 0,045

4.6 Взаимодействие магния

с легирующими элементами и примесями

Некоторые переходные металлы (Ti, Mn, Zr) частично растворяются не

только в жидком, но и твердом магнии, но в небольших количествах. Эти пе-

реходные элементы образуют с магнием диаграммы состояния перитектиче-

ского типа (рис. 4.3).

160

а б

Рис. 4.3 Диаграммы состояния систем Mg–Mn (a) и Mg–Zr (б)

Бериллий, элемент той же группы, что и магний, не растворяется в нем

даже в жидком состоянии. Литий, напротив, хорошо растворяется в магнии;

растворимость лития в магнии достигает 17,5% (рис. 4.4)

Рис. 4.4 Диаграмма состояния системы Mg–Li

Хорошо растворяются в магнии соседние с ним по таблице Д.И. Мен-

делеева металлы, такие как алюминий, индий, галлий, цинк. Так, например, в

магнии при температуре нонвариантной реакции растворяется (% по массе):

12,6% Al по новым данным), 8,4% Zn (рис 4.5).