Керування структуроутворенням та рівнем механічних властивостей ливарних сплавів системи al-mg-zn

Дослідні плавки проводили в електричних печах опору типу СШОЛ, з використанням графіто-шамотного тигля. Зразки для механічних випробувань виливали в підігріту до температури 473 К стандартну металеву форму, діаметр робочої частини зразків 0, 010 м. Термічну обробку сплавів здійснювали в модернізованій автором печі опору, в якій встановлено перемішувач атмосфери та три термопари ХА, в різних зонах печі під'єднаних до терморегуляторів.

Хімічний аналіз зразків досліджуємих сплавів проводили використовуючи метод оптичної спектроскопії випаровуючим розрядом за допомогою спектрометра SDP 750 фірми LECO TECHNIK. Якісний та кількісний металографічний аналіз виконано на мікроскопі ММР-2Р та на мікроскопі NEOFOT-31, що був підключений до електронно-обчислювальної машини для можливості автоматичного розрахунку розміру та кількості фазових та структурних складових. Розмір зерна та об’ємну долю нерівноважної евтектики вимірювали з відносною похибкою не більшою ніж 10%. Вимірювання макротвердості проводили на спеціальному пресі Бринелля.

Мікрорентгеноспектральний аналіз досліджуємих сплавів та лігатури АlС0, 8Tі0, 7 здійснювали на мікроскопі DSM-950, оснащеному системою локального мікрорентгеноспектрального аналізу, а також на рентгеноспектральному мікроаналізаторі JXA-8900RL фірми JEOL. Рентгенографічне дослідження проводилось в монохроматичному випромінюванні Cu – K з застосуванням дифрактометрів XRD-7 системи Seifert-FRM та ДРОН – УМ1. Зміну структури досліджуємих сплавів спостерігали за допомогою скануючого растрового електронного мікроскопу TESLA BS340 та растрового мікроскопу LEO1500 GEMINI.

Механічні властивості, а саме, міцність на розрив (σв), границю текучості (σ0, 2), відносне подовження (δ) та твердість (HRB) визначали на зразках, відлитих у кокіль. Випробування механічних властивостей проводились на розривній машині TIRA – TEST за стандартними методиками. Середні квадратичні відхилення значень механічних властивостей знаходились в межах: σв –  20 МПа, σ0, 2 – 10 МПа, δ – 15%, НВ – 5.

У третьому розділі досліджено закономірності зміни механічних властивостей ливарних сплавів системи Al-Mg-Zn в залежності від сумарного вмісту в них магнію та цинку з метою пошуку сплавів з більш високим рівнем механічних властивостей (порівняно зі сплавом АЦ4Мг) та одночасно з пониженим, відносно сплаву ВАЛ11, cумарним вмістом головних легуючих елементів. Актуальність даних досліджень полягає в наступному. На даний час в промисловості України використовують наступні ливарні сплави системи Al-Mg-Zn: ВАЛ11 та АЦ4Мг (ДСТУ 2839-94). Порівняно зі сплавом ВАЛ11, що містить% Mg = (6-7) та% Zn= (2-2, 5), сплав АЦ4Мг більш економно легован по вмісту головних легуючих елементів. Хімічний склад сплаву АЦ4Мг (АЛ24) наступний: % Mg= (1, 5-2, 0), % Zn= (3, 5-4, 5), % Mn= (0, 2-0, 5), % Ti= (0, 1-0, 2), вміст домішок не більше: % Cu=0, 2, % Be=0, 1, % Zr=0, 1, % Si=0, 3. Фазовий склад цих сплавів після термічної обробки на зміцнення однаковий: алюмінієвий твердий розчин магнію та цинку в алюмінії та Т-фаза (Al2Mg3Zn3). Проте комплекс механічних властивостей сплаву АЦ4Мг суттєво поступається сплаву ВАЛ11. Для сплаву ВАЛ11: *b =350 МПА, * = 6, 0%, а для сплаву АЦ4Мг: *b =270 МПА, * = 2, 0%. Це пояснюється тим, що сумарний вміст головних легуючих елементів в сплаві АЦ4Мг суттєво нижчий ніж в сплаві ВАЛ11, а тому, відповідно, буде менша кількість зміцнюючої Т-фази, що видиляється під час штучного старіння.

Об’єктами досліджень були ливарні сплави системи Al-Mg-Zn з наступним вмістом головних легуючих елементів: Mg = 1-7%, Zn = 1-7%. Сумарний вміст магнію та цинку в досліджуємих сплавах змінювався від 2 до 8%. В сплави додатково вводили титан, цирконій, хром, марганць, берилій з розрахунку їх отримання в сплавах відповідно 0, 1-0, 3% Ti, 0, 1-0, 3% Zr, 0, 1-0, 2% Cr, 0, 1-0, 2% Mn, 0, 07-0, 15% Be. Отримані стандартні зразки діаметром 10 мм підвергали термічній обробці (гартуванню та штучному старінню) і після цього вимірювали їх механічні властивості (міцність на розрив, границю текучості, відносне подовження).

В роботі поверхню відгуку при визначенні залежності між механічними властивостями сплаву та вмістом головних легуючих елементів описували полiномами четвертого ступеня:

 

*в = 361 • X1 + 299 • X2 + 150 • X3 + 48•X1 • X2 + 298 • X1 • X3 + 102 • X2 • X3 + 80•X1 • X2 • (X1 – X2) + 104 • X1 • X3 • (X1 – X3) + 24 • X2 • X3 • (X2 – X3) + 8 • X1 • X3 • (X1 – X3) 2 + 13, 3 • X2 • X3 • (X2 – X3) 2 + 626 •X1 2• X2 • X3 + 690, 6 • X1 • X2 2 • X3 + 661, 3 • X1 • X2 • X3 2;

*0, 2 = 263 • X1 + 140 • X2 + 85 • X3 + 62 • X1 • X2 + 108 • X1 • X3 + 14 • X2 • X3 + 200 • X1 • X2 • (X1 – X2) + 58, 6 • X1 • X3 • (X1 – X3) + 8