Составы и свойства сплавов системы Mg - Al - Zn

С учетом сохранения высокой удельной прочности алюминий является наиболее приемлемым легирующим элементом, особенно с учетом значительной и переменной его растворимости в твердом магнии.

Диаграмма состояния Mg - Al приведена на рис. 1.1.

 

 

Рис. 1.1. Диаграмма состояния Mg - Al (содержание Al указано в % по массе).

Показанный на рис. 1.1 участок диаграммы состояния представляет собой систему  эвтектического типа с температурой эвтектики 437⁰ С и содержанием алюминия 32,3%. Растворимость алюминия в твердом растворе уменьшается с 12,6% при температуре эвтектики до примерно 2% при 100⁰ С.

Вследствие медленности протекания диффузионных процессов равновесие в сплавах Mg - Al при реальных скоростях охлаждения отливок недостижимо, и в твердом растворе в литом состоянии может содержаться до 6% алюминия. Поэтому и эффективное упрочнение за счет термической обработки будет наблюдаться для сплавов, содержащих более 6% Al.

В области, богатой алюминием (чуть более 40%), образуется γ-фаза. Расплывчатый максимум на температуре ликвидуса и широкая область гомогенности этой фазы допускали различную трактовку в отношении ее состава (Mg₃Al₂, Mg₄Al₃, Mg₁₇Al₁₂). В последнее время предпочтение отдается соединению Mg₁₇Al₁₂.

Для того, чтобы магниевые сплавы могли конкурировать с алюминиевыми в части удельной прочности, они должны иметь механические свойства не ниже:

- условный предел текучести более 90 мПа;

- временное сопротивление разрыву более 200 мПа;

- относительное удлинение более 5%.

Из двойных сплавов Mg - Al в литом состоянии этим условиям частично удовлетворяют сплавы в достаточно узкой области составов (7-8% Al). По мере снижения Al можно вводить цинк.

Наиболее приемлемый уровень свойств в литом состоянии (σ_0,1 > 60 мПа, σ_l > 200 мПа, δ > 9%) обеспечивают сплавы, содержащие примерно 4-5,5% алюминия и не более 2-3% цинка.

Структура литых сплавов состоит из δ — твердого раствора с включениями по границам зерен γ-фазы (Mg₁₇Al₁₂), количество которой увеличивается по мере увеличения содержания алюминия и цинка. При отношениях цинка к алюминию более одной трети может появиться тройная фаза:

Mg₃₂(Al, Zn)₄₉.

Применение термической обработки позволяет существенно расширить область составов и повысить механические  свойства.

Сплавы, имеющие в литом состоянии гетерогенное строение, после закалки приобретают более высокие значения предела прочности и относительного удлинения. Условный предел текучести возрастает в меньшей степени. Повышение относительного удлинения, достигаемое в результате закалки, создает предпосылки для расширения возможных составов сплавов, которые путем дальнейшего дисперсионного твердения могут обеспечить требуемый уровень свойств. Расширение области составов позволяет подойти к выбору сплавов с учетом технологических свойств.

В соответствии с ГОСТ 2856-79 «Сплавы магниевые литейные» марочный состав сплавов Мл 3, Мл 4, Мл 5, Мл 6 охватывает диапазон концентраций по алюминию — (2,5-10,2%), по цинку — (0,2-3,5%), по марганцу — (0,15-0,5%); магний — остальное.

К числу примесей, которые присутствуют во все литейных магниевых сплавах, относятся кремний, железо, никель, медь, цирконий, бериллий. Первые четыре отрицательно сказываются на коррозионной стойкости. В зависимости от их содержания сплавы Мл 4, Мл 5 и Мл 6 могут быть сплавами обычной чистоты с суммарным содержанием примесей, равным 0,5%, и сплавами повышенной чистоты Мл 4пч, Мл 5пч, Мл 6пч с содержанием примесей не более 0,13%. Марганец вводится в основном для повышения коррозионной стойкости. Возможно, что марганец образует с примесями, которые снижают коррозионную стойкость (особенно с железом) интерметаллиды, осаждающиеся при плавке и выдержке расплава на дно тигля. Кроме того, могут образовываться окислы марганца, которые уплотняют рыхлую пленку окиси магния.

Наиболее широкое применение находит сплав Мл 5, который на отдельно отлитых образцах имеет в состоянии Т4  σ_0,2 ≥ 90 мПа, σ_в ≥ 235 мПа, δ ≥ 5%, а в состоянии Т6 σ_0,2 ≥ 110 мПа, σ_в ≥ 235 мПа, δ ≥ 2%.

Детали из сплавов системы магний - алюминий - цинк могут работать при температурах не выше 150⁰ С.

Сплавы Mg - Al - Zn имеют особенности, одни из которых свойственны всем магниевым сплавам (медленность протекания диффузионных процессов, окисляемость и способность к самовозгоранию при плавке и литье), другие (склонность к образованию грубозернистой структуры) характерны только для сплавов этой группы. Поэтому сплавы системы Mg - Al - Zn необходимо модифицировать.

Медленность протекания диффузионных процессов способствует дендритной ликвации и существенному, относительно равновесного состояния, снижению температуры солидуса. Это обстоятельство приходится учитывать при выборе режима нагрева до температуры закалки и продолжительности выдержки при этой температуре. Необходимо, начиная с температуры 200-250⁰ С, производить очень медленный (не более 30-40⁰/час) нагрев до температур закалки (415⁰ С для сплава Мл 5). Время гомогенизации при температуре закалки составляет 8-16 часов и зависит от толщины отливки и вида литья (кокиль или песчаная форма). Чем выше скорость охлаждения отливки, тем больше разветвленность дендритов, тем меньше размеры избыточных фаз, выделяющихся в литой структуре в междендритных пространствах. Медленность протекания диффузионных процессов не требует высоких скоростей закалки. Охлаждение отливок производится на воздухе.

К существенным недостаткам сплавов Mg - Al - Zn следует отнести склонность их к развитию газоусадочной пористости, которая может проявляться в виде микрорыхлоты по границам зерен. Чем толще отливка, тем большая пористость развивается в ней, тем ниже механические свойства в стенке отливки.