4.5 Ливарні магнієві сплави

За хімічним складом ливарні магнієві сплави близькі до деформівних для відповідних систем. Призначення легувальних елементів таке саме як у деформівних сплавах. Основні легувальні елементи: Al, Zn, Mn, Zn, Ce, Zr, La, Nd, Y, Cd, In. Перевагою ливарних сплавів порівняно із деформівними є економія матеріалу, висока точність розмірів деталей та чистота поверхні відливок інколи без обробки різанням. Проте механічні властивості ливарних сплавів порівняно з деформівними більш низькі. Певне підвищення властивостей відбувається внаслідок подрібнення зерна. Існують різні способи впливу на розмір зерна:

– перегрівання розплаву перед литвом. Використовують для сплавів легованих Al;

– введення до розплаву спеціальних присадок (магнезит, хлорне залізо) та цирконію.

Промислові ливарні магнієві сплави належать до трьох основних систем: Mg-Al-Zn (рис.4.7), Mg-Zn-Zr, Mg-РЗМ-Zr.

1. Сплави системи Mg-Al-Zn. Представники цієї групи – МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6. Основним легувальним елементом є алюміній. Для поліпшення корозійної стійкості додатково легують марганцем. Порівняно з алюмінієвими сплавами сплави МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6 мають більш широкий інтервал кристалізації (180…250С), гіршу рідкотекучість, в об’ємі зливка утворюється значна усадкова пористість, герметичність зливків порушується. Крім того, сплави схильні до утворення гарячих тріщин. Такі недоліки негативно впливають на рівень механічних властивостей. Найкращі ливарні властивостей мають сплави МЛ5 та МЛ6, які використовують для відповідальних складних відливок (литво в земляні форми або в металевий кокіль). Із збільшенням вмісту домішок зменшується корозійна стійкість та пластичність сплавів. В литому стані структура сплавів складається з –твердого розчину та частинок інтерметалідів, що виділяються по межам зерен: -фаза (Mg₁₇Al₁₂) в сплавах МЛ5, МЛ6 (рис.4.15); -фаза (Mg₁₇Al₁₂) та -фаза (Mg₃₂(Al,Zn)₄₉) в сплаві МЛ4, рис.4.16. Сплави МЛ5 та МЛ6 при нерівноважній кристалізації сильно окрихчуються, що пов’язано з утворення евтектики, до складу якої входить -фаз. З метою усунення цього недоліку сплави піддають гомогенізаційному відпалу при температурі 415…420С (12…24 год.). Охолодження на повітрі фіксує однорідний пересичений твердий розчин. Міцність та пластичність відливок зростає. Наступне штучне старіння додатково підвищує міцність.

-твердий розчин +-фаза (Mn) + Mg₁₇Al₁₂ (литий стан), 340

Рисунок 4.15 – Мікроструктура сплаву МЛ5

2. Сплави системи Mg-Zn-Zr (МЛ12, МЛ15, МЛ8, МЛ17). Сплави мають більш високу міцність, порівняно із сплавами 1 групи, властивості менш чутливі до товщини відливки та до наявності пор. Сплав МЛ12 корозійностійкий, має високу рідкотекучість, відливки щільні. Зміцнення сплаву передбачає гартування (400С – 0,6…1,1 год.) та старіння (150С – 50 год.). Жароміцність сплаву підвищується внаслідок легування цирконієм. До недоліків слід віднести схильність до утворення тріщин при кристалізації та незадовільну зварюваність.

-твердий розчин + -фаза (Mg₁₇Al₁₂) + Т-фаза (Mg₃₂(Al,Zn)₄₉), литий стан, 250

Рисунок 4.16 – Мікроструктура сплаву МЛ4 [2]

-твердий розчин +-фаза (Mn) + Mg₁₇Al₁₂, 340

Рисунок 4.17 – Мікроструктура сплаву МЛ5 після гартування та старіння

Сплав МЛ15 додатково легований лантаном (0,6…1,2%), що дозволило підвищити жароміцність, поліпшити зварюваність. Після термічної обробки за міцністю та пластичністю сплав МЛ15 (_в = 210 МПа,  = 3%) поступається МЛ12 (_в = 230 МПа,  = 5%). Для легування МЛ8 використовують кадмій, МЛ17 – кадмій та неодим, МЛ18 – кадмій та срібло. Кадмій підвищує механічні та технологічні властивості, неодим та срібло підвищують міцність (для МЛ18 _в = 340 МПа,  = 6%).

3. Сплави системи Mg-РЗМ-Zr (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19). Сплави мають високу жароміцність і можуть тривало експлуатуватися при температурах 250…350С та короткотривало при температурах до 400С. Висока жароміцність сплавів пояснюється малою схильністю зміцнювальних фаз до коагуляції в інтервалі робочих температур. Основним легувальним елементом в сплавах МЛ9, МЛ10, МЛ19 є неодим, в МЛ11 – церій. Мікроструктура сплаву МЛ9 наведена на рис.4.18. Всі сплави містять цирконій, що суттєво сприяє подрібненню зерна. Сплави зміцнюються термічною обробкою.

Рисунок 18 – Мікроструктура сплаву МЛ9 (литий стан), 250.

По межах зерен -твердого розчину помітні виділення евтектики (+Mg₉Nd).

Крім того, в структурі присутні включення частинок -Zr та Mg₉Nd,

які утворюються при розпаді -твердого розчину [2]

Високоміцні ливарні Mg-сплави використовують при температурах до 150…200°С. Фактори, що сприяють підвищенню міцності при температурах експлуатації:

1. Використання зміцнювальної термічної обробки.

2. Спотворення кристалічної гратки Mg та зміцнення твердого розчину (об’ємний фактор). Найбільшу різницю в атомних діаметрах відносно магнію мають елементи, які утворюють значну область обмежених твердих розчинів: алюміній, цинк, ітрій. Найбільш розповсюджені ливарні Mg-сплави з високою міцністю – це сплави системи Mg-Al-Zn, Mg-Al-Zr.

3. Найбільш високе значення міцності (_в) при задовільній пластичності спостерігається в сплавах систем Mg-Al-Zn (МЛ4, МЛ5, МЛ6), Mg-Al-Zr (МЛ8, МЛ12, МЛ15, МЛ17, МЛ18), коли концентрація основного легувального елемента наближена до граничної розчинності в гратці Mg.

4. Більш високу міцність та пластичність мають сплави з дрібнозернистою структурою, що досягається модифікуванням.

5. Підвищення механічних властивостей сплавів системи Mg-Zn, Mg-Al при додатковому легуванні можливе лише у випадку, коли легувальні елементи утворюють складні ультрадисперсні частинки стабільних фаз, що приводить до мікрогетерогеності всередині зерен -твердого розчину. Ці елементи повинні розчинятися в твердому розчині, а їх атомні радіуси відповідати сприятливому значенню об’ємного фактору.

Жароміцні ливарні Mg-сплави (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19). Деталі з цих сплавів можуть тривало експлуатуватися при температурах 250…300°С та короткотривало до 400°С. Максимальні робочі температури жароміцних Mg-сплавів приблизно на 150…200°С вищі за робочі температури високоміцних Mg-сплавів. Промислові магнієві сплави розроблені на основи систем Mg-РЗМ-Zr. З РЗМ широко використовують неодим та меншою мірою церієвий мішметал (75% Се та РЗМ церієвої групи). Механізми підвищення жароміцності:

1. Підвищення сил міжатомного зв’язку та створення складнолегованого термічно стабільного твердого розчину.

2. Створення гетерофазної дрібнодисперсної тонкої структури.

3. Підвищення термічної стабільності та температури коагуляції зміцнювальних фаз.

4. Зміцнення меж зерен внаслідок виділення термічно стабільних фаз.