Автор: Шаломеев В. А., Цивирко Э. И., Внуков Ю. Н., Морозов Д. А.

Категории: металловедение и термическая обработка

Исследовано влияние скандия на структурообразование и фазовый состав жаропрочного магниевого сплава МЛ10. Показано его положительное влияние (до 0,07%) на механические свойства и длительную прочность при повышенных температурах литых деталей из магниевых сплавов для автомобилестроения.

Ключевые слова: магниевый сплав, структура, механические свойства, жаропрочность, интерметаллидная фаза.

Шаломеев Вадим Анатольевич

Профессор кафедры "Физическое материаловедение", д.т.н.

Запорожского национального университета

Цивирко Эдуард Иванович
профессор кафедры «Машины и технология литейного производства»
Запорожского национального технического университета, д.т.н.

Внуков Юрий Николаевич
проректор по научнойработе,
заведующий кафедрой«Технология машиностроения» 
Запорожского национального технического университета, д.т.н.

Морозов Дмитрий Анатольевич
студент   Запорожского национального технического университета

Новый магниевый сплав с повышенным уровнем свойств для автомобилестроения

 Снижение массы автомобильного транспорта является приоритетной задачей производителей, так как позволяет увеличить их коэффициент полезного действия, снизить расход топлива, повысить надежность и долговечность эксплуатации /1/.  Однако, несмотря на все усилия, масса конструкций автомобилей имеет тенденцию к возрастанию из-за введения многочисленных дополнительных устройств и механизмов, повышающих комфорт и безопасность движения. Решение данной проблемы возможно за счет разработки новых легких материалов, в частности, магниевых сплавов.
Магниевые сплавы обладают многими преимуществами по сравнению с другими сплавами на основе цветных металлов: малым удельным весом, высокой удельной прочностью и удельной жесткостью, способностью поглощать энергию удара и вибрационных колебаний, поэтому они очень привлекательны для автомобильной промышленности. В настоящее время усилия мировой транспортной промышленности направлены на расширение применения отливок из магниевых сплавов /2/.
Для производства ряда комплектующих двигателей внутреннего сгорания и трансмиссии транспортных средств применяют сплав МЛ10 (% мас.: 0,1…0,7 Zn, 2,2…2,8 Nd, 0,1…1,0 Zr, остальное Mg). Его основные элементы, образуя жаропрочные интерметаллидные фазы, обеспечивают достаточные служебные характеристики сплава при повышенных температурах [3].
Однако, технические требования, предъявляемые к современным агрегатам и механизмам, ужесточают условия их эксплуатации и требуют постоянного повышения их характеристик. Наиболее рациональным решением данной задачи является совершенствование применяемых материалов за счет управления их структурой и свойствами [4, 5, 6].  
Известно положительное влияние скандия на механические и жаропрочные свойства алюминий-содержащих сплавов за счет образования комплексних жаропрочных интерметаллидов [7]. Потому, представляет интерес изучение влияния скандия на структуру и свойства жаропрочного сплава МЛ10, уже имеющего в своем составе жаропрочные интерметаллидные фазы (MgZr)12Nd, что позволит повысить эксплуатационную надежность и долговечность изготовленных из него изделий и расширит область его применения.
Исследовали влияние скандия на механические свойства и жаропрочность магниевого сплава МЛ10.
Магниевый сплав МЛ10 выплавляли в индукционной тигельной печи ИПМ-500  по серийной технологии. Рафинирование сплава проводили в раздаточной печи с порционным  отбиром  расплава, в который вводили возрастающие присадки лигатуры
(10 % Sc, 90 % Mg) и заливали стандартные образцы для механических испытаний в песчано-глинистую форму. Образцы проходили термическую обработку в печах Бельвью и  ПАП-4М по режиму: закалка от 415±5 оС, выдержка 15 часов, охлаждение на воздухе и  старение при 200±5 оС , выдержка 8 часов, охлаждение на воздухе.
Временное сопротивление разрыву (σв) и относительное удлинение (δ)  образцов с рабочим диаметром 12 мм. определяли на разрывной машине Р5 при комнатной температуре.
Длительную прочность (σ) при различных температурах определяли на разрывной машине АИМА 5-2 на образцах c рабочим  диаметром 5 мм.
Микроструктуру отливок изучали на микроскопе «Neophot 32»  после травления  реактивом, состоящем из 1% азотной кислоты, 20%  уксусной кислоты, 19 % дистиллированной воды и 60 % этиленгликоля.
Микротвердость структурных составляющих сплава определяли на микротвердомере  фирмы «Buehler» при нагрузке 0,1 Н.
Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих проводили на электронном микроскопе «JSM-6360LA».
Проведенный макрофрактографический анализ изломов образцов исследуемого металла показал, что с увеличением содержания скандия в сплаве макрозерно измельчалось, характер излома становился матовым мелкокристаллическим (рис.1). Однако, уже при содержании скандия более 0,7% в изломах металла были    обнаружены дефекты, характерные для грубых микрорыхлот и пленочных загрязнений (рис.2).

а	б	в
г

Рис.1  Макроструктура сплава МЛ10 с различным содержанием скандия: а-без Sc, б-0,05 % Sc,

б-0,1 % Sc, б-0,3 % Sc  ( х 3).

Рис. 2. Грубые плены   в образцах из  сплава МЛ10  с присадкой 1,0 % Sc,   х100.

Микроструктура  термообработанного сплава МЛ10, отлитого по стандартной технологии, представляла собой δ-твердый раствор с наличием эвтектоида δ+(MgZr)12Nd в виде областей сферической формы. С повышением содержания скандия в сплаве наблюдалось увеличение  размеров сферических областей выделения  эвтектоида
(рис.3, а…в).  Так, при введении в расплав более 0,07 % Sc размер эвтектоидных областей увеличивался примерно в 4 раза в сравнении со стандартным сплавом в то время как размер δ - фазы находился приблизительно на одном уровне (рис.4).

а	б	в
г	д	е

Рис. 3. Микроструктура   сплава  МЛ10  без  присадки  Sc (а, г),   с   присадкой   0,05 %  Sc    
(б, д) и 1,0 % Sc (в, е), х 500:     а, б, в -   после  стандартной   термообработки, 
г, д, е  –  после  испытаний  при 150 оС (1252 ч.) + 250 оС  (напряжение 80 МПа)

а

б

Рис.4. Размеры структурных составляющих (А) термообработанного сплава МЛ10 с различным содержанием скандия:
а -  δ+(MgZr)12Nd – фаза,
б -  δ – фаза.

Термическая обработка способствовала повышению однородности сплава вследствие  перераспределения элементов между осями и межосными пространствами дендритов, а также дополнительного легирования матрицы за счет диффузии элементов из пограничных выделений фазы (MgZr)12Nd.
Микрорентгеноспектральный анализ, проведенный на электронном микроскопе
«JSM-6360LA», показал, что сферические области обогащены, в основном, цирконием, неодимом и скандием (рис.5). В модифицированных  сплавах содержание скандия в  сферических областях выделений эвтектоида δ+(MgZr)12Nd   в ~ 1,5…2,0  раза выше, чем в δ-твердом растворе.

                  * - данные носят оценочный характер

 Рис. 5.  Микрорентгеноспектральный анализ структурных составляющих  сплава МЛ10 с присадкой 0,5 %  Sc.

        При повышении концентрации скандия в сплаве до 0,3 % наблюдалось измельчение зерен. Дальнейшее увеличение  присадок скандия (до 1,0%) приводило к увеличению размера микрозерен до 160 мкм (при 0,02…0,3 % Sc величина микрозерна составляет ~
75 мкм).
В образцах, нагретых до температур 150…250оС,  наблюдался распад эвтектоида (рис. 3 г-е).  Анализ микроструктур показал, что в процессе воздействия температуры и  длительных выдержек наряду с распадом эвтектоида происходило его растворение в матрице с последующим выделением комплексной интерметаллидной фазы типа (MgZr)12Nd со скандием в виде мелкодисперсных частиц (рис. 6). При этом, мелкодисперсные интерметаллидные частицы выделялись неравномерно, образуя области полосчатой структуры,  характеризующиеся повышением значений микротвердости. 

 Рис. 6. Неравномерное выделение вторичной интерметаллидной фазы в образце из    
сплава МЛ10 после длительной выдержки (1252 часа, σв=80 МПа) при  
температуре 150оС,    х750.

Установлено, что более полному распаду эвтектоидной фазы способствовало время выдержки при заданной температуре, а также напряжения. При температуре 270 оС наблюдалось огрубление структуры вследствие интенсивного выделения интерметаллидов, в особенности,  по границам зерен, чем и объясняется резкое падение жаропрочности материала. Грубые пограничные выделения были обнаружены в структуре  образцов, содержащих  более 0,07% Sc,  которые приводили к быстрому разрушению образцов в процессе испытания на длительную прочность.
Микротвердость  δ-твердого раствора стандартного сплава (до термообработки) более чем  в 3 раза ниже микротвердости выделений в  сферических эвтектоидных областях. После проведения термообработки наблюдалось увеличение микротвердости матрицы и снижение значений твердости эвтектоида, что свидетельствует о повышении однородности термообработанного сплава (табл. 1).

Таблица 1 - Микротвердость   структурных составляющих    в   образцах  из   сплава     
МЛ10 после испытаний на длительную прочность.

         Показано, что повышение концентрации скандия  в сплаве МЛ10 приводило к увеличению значений микротвердости структурных составляющих как до- , так и после термической обработки.
С увеличением длительности выдержки при температурах 150…250 оС  происходило снижение микротвердости  исследуемых сплавов за счет более полного распада эвтектоида  типа δ+(MgZr)12Nd.
Присадка скандия в  сплав МЛ10 до 0,07 % способствовала повышению как механических, так и жаропрочных свойств (табл. 2). Дальнейшее повышение содержания скандия в сплаве приводило к некоторому снижению механических характеристик материала.
Повышение температуры испытания длительной прочности до 270оС уменьшило время до разрушения  в ~ 6 раз.  Образцы  с присадкой 1,0 % Sc  разрушились  при нагружении  уже при температуре 250 оС из-за образования микрорыхлот и пленочных загрязнений.

 Таблица 2     -      Механические свойства и длительная прочность*)  сплава  МЛ10

Примечание: *) - средние значения;
**) - испытание образцов на длительную прочность проводили ступенчатым образом: при 150 оС (числитель), затем при 250 оС (знаменатель).

Выводы:

Модифицирование сплава МЛ10 скандием в количестве 0,05…0,07 % улучшает макро- и микроструктуру металла, что способствует повышению механических свойств и жаропрочности магниевого литья.

Литература:

1.Альтман М.Б. Магниевые сплавы / М.Б. Альтман, А.Ф. Белов, В.И. Добаткин.-   М.:Металлургия, 1978. – 294 с.
2. Каmbe H. Application of alloys of magnesium for details of cars [Текст] / Н. Каmbe // Metals and Technol. - 2001. - 71, № 6. - С. 51-54.
3. Kraus J. Richtig kombiniert : Leichtbaukonzepte bei Automobilen sind nur uber Verbundsysteme realisierbar [Текст] / J. Kraus // Maschinenmarkt. - 1998. - Sonderausg. - С. 152-154.
4. Гуляев Б. Б. Решенные и нерешенные задачи теории литейных процессов [Текст] /
Б.Б. Гуляев // Литейное  производство. - 1990, № 9, C.2 - 3.
5. Дриц М.Е. Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах /
М.Е. Дриц. - М.: Наука, 1964. - 229 с.
6. Wang Q. Effects of RE microstructure and properties of AZ91 magnesium alloy [Теxt] / Wang Qu-dong, Lu Yi-zhen, Zeng Xiao-qin // Trans. Nonferrous metals Soc. China. - 2000. - 10. - №2. - Р. 235-239.
7. Шаломеев В.А. Качество отливок из сплава сплава МЛ5, модифицированного      скандием [Текст] | // В.А. Шаломеев, Є.И. Цивирко, Н.А. Лисенко  // Новые материалы и технологи в металлургии и машиностроении. - 2007, № 2, С. 34-40.