Деформівні титанові сплави

Деформівні a-сплави:

– Сплави системи Ti-Al. ВТ5 містить приблизно 5% Al, має більш високу міцність ніж чистий титан (s_в=750…950МПа, d=10%), технологічність невисока (деформується лише в гарячому стані). Температура експлуатації (t_екс) деталей з цього сплаву до 400°С.

– Сплави, що додатково леговані оловом та цирконієм (Ti-Al+нейтральні Sn, Zr). Сплави добре зварюються, здатні працювати від кріогенних температур до 450°С. Сплави термічно стійкі, термообробкою не зміцнюються. ВТ5-1 (5% Al, 2,5% Sn) має такі властивості: s_в=800…1000 МПа, d=10%. До цієї групи належить також ПТ7М (легований цирконієм), призначений для виготовлення труб.

Деформівні псевдо-a-сплави:

– Сплави титану, що містять крім алюмінію, евтектоїдоутворюючі b-стабілізатори. Типовими представниками є сплави системи Ti-Al-Mn (ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ4). Структура сплавів a+(1-5%)b. Сплави добре деформуються в гарячому та холодному стані, добре зварюються, робочі температури – до 350°С. Недоліки – відносно невисока міцність (s_в=600...750МПа, d=15% - ОТ4-1) та жароміцність.

– Сплави титану, що леговані Al та ізоморфними b-стабілізаторами (Ti-Al-V): ПТ-3В, ОТ4-1В. Сплави цієї групи добре деформується як в гарячому так і холодному стані, добре зварюються. До переваг системи Ti-Al-V слід віднести меншу схильність до водневої крихкості порівняно зі сплавами системи Ti-Al-Mn.

– Сплави титану, що містять Al, b-стабілізатори, нейтральні зміцнювачі. До цієї групи належать ВТ20 (містить цирконій, ванадій, молібден), ВТ18. ВТ20 – жароміцний листовий матеріал (експлуатується до 500°С), добре зварюється. ВТ18 – призначений для виготовлення прутків, поковок, штамповок, здатний тривало використовуватись при температурах 550-600°С.

– Сплави, леговані нейтральними зміцнювачами (Zr) та b-стабілізаторами (Nb, V, Mo), вміст яких не перевищує граничної розчинності в a-фазі. До цієї групи належать АТ2, АТ2-1, АТ2-2. Структура сплавів – a-твердий розчин (a + незначна кількість b-фази). Сплави характеризуються високою пластичністю та в’язкістю при кріогенних температурах (до –253°С).

Деформовні a-сплави та псевдо-a-сплави використовують, переважно, у відпаленому стані.

Деформівні (a+b) сплави титану:

– Сплави, що леговані Al та ізоморфними b-стабілізаторами (ВТ6, ВТ6С). Наведені сплави відповідають системі Ti-Al-V. Ванадій сприяє підвищенню міцності та пластичності. ВТ6 (6,25%Al, 4,0%V) може використовуватись після відпалення (900…950°С) або гартування та старіння. Перевагою сплаву ВТ6 є добра зварюваність, сплав має високу термічну стабільність (t_експл=400…450°С). До цієї ж групи належать ВТ14, ВТ16, що мають більший вміст b-стабілізаторів і, відповідно, містять 10% та 25…30% b-фази.

– Сплави, леговані алюмінієм, ізоморфними та евтектоїдоутворюючими b-стабілізаторами. До цієї групи належить сплав ВТ22, який має у відпаленому стані найбільшу міцність серед титанових сплавів (міцність така ж як у ВТ6, ВТ3-1, ВТ14 після гартування та старіння). Сплав призначений для виготовлення важконавантажених деталей та конструкцій, що тривало експлуатуються до 350…400°С.

Сплав ВТ8 (Ti-6…7%Al-Мо-Zr-Si) містить a-фазу, 10% b-фази та дисперсні силіциди. Термообробка ВТ8 – ізотермічне або подвійне відпалення, гартування та старіння; t_екс = 450…500°С. ВТ9 додатково легований цирконієм, що підвищує жароміцність, t_екс = 500…550°С.

Сплав ВТ3-1 (система Ti-Al-Cr-Mo-Fe-Si) призначений для тривалої експлуатації при 400…450°С. Ізотермічне відпалення (t₁=850…880°С; t₂=600…650°С) забезпечує отримання структури a+b, із вмістом b-фази – 15%. Після такої обробки сплав має максимальну пластичність та високу термічну стабільність. Також для сплаву застосовують подвійне відпалення та зміцнювальну обробку.

Деформівні псевдо-b сплави:

Сплав ВТ15 (3…4%Al, 7…8%Mo, 10…11,5%Cr) в загартованому стані (з 780…900°С на повітрі) має достатньо високу міцність (s_в=880…1000МПа) та високу пластичність (d=12-20%, y=35-55%). Зміцнення відбувається при подальшому старінні (480…550°С) завдяки виділенню з пересиченої b-фази частинок a-фази. Властивості сплаву ВТ15 після старіння: s_в=1300…1500МПа, d=6%.

Сплав ВТ30 (система Ti-Mo-Zr-Sn) має високу технологічну пластичність в загартованому стані, добре обробляється тиском в холодному стані. Міцність сплаву після гартування s_в=650…750 МПа, після старіння – 1400…1600 МПа. Особливість легування – відсутність алюмінію.

12.1.5 Ливарні титанові сплави. Ливарні титанові сплави призначені для фасоного литва. Маркуються: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л. За хімічним складом співпадають з деформівними, але містять більшу концентрацію домішок. Відливки мають меншу пластичність. Титанові сплави мають високі ливарні властивості: невелику усадку 2…3%, високу рідкотекучість. Складність отримання відливок пов’язана з високою швидкістю взаємодії з формою та газами (плавлення – у вакуумі).

Найбільш поширений сплав ВТ5Л (a-сплав). Завдяки алюмінію має задовільний рівень пластичності та ударну в’язкість відливок. Відливки ВТ5Л не відпалюють.

Для решти сплавів властивості можуть бути поліпшені проведенням відпалення, що забезпечує стабілізацію структури та зменшує рівень залишкових напружень. Температура відпалення залежить від хімічного складу сплавів. Для ВТ14Л t_відп.=850°С, швидкість охолодження 2…4°С/хвил. Відпалення сплаву ВТ3-1Л передбачає витримку при 650°С (1…2 год.).

12.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Надати характеристику титану, описати класифікацію легувальних елементів за впливом на його поліморфізм. Навести класифікацію титанових сплавів. Описати основні види термічної обробки титанових сплавів.

12.3 Контрольні запитання для самоперевірки

і контролю підготовленості до лабораторної роботи

12.3.1. Характеристика титану.

12.3.2. Розподіл легувальних елементів в залежності від впливу на поліморфізм титану.

12.3.3. Фазові перетворення в титанових сплавах при охолодженні зі швидкістю V>V_кр.

12.3.4. Термічна обробка титанових сплавів.

12.3.5. Класифікація титанових сплавів.

12.3.6. Які переваги та недоліки мають сплави титану порівняно із сталями та алюмінієвими сплавами?

12.4 Матеріали та обладнання

Робота виконується з використанням зразків сплаву ВТ3-1 після різних режимів термічної обробки та деталей з титанових сплавів. Для вивчення мікроструктури використовують мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7.

12.5 Вказівки з техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

12.6 Порядок виконання роботи

12.6.1 Переглянути мікроструктуру зразків сплаву ВТ3-1 та її схематично зарисувати.

12.6.2 Із використанням довідкових даних визначити хімічний склад, структуру, основну термічну обробку, властивості та призначення наведених титанових сплавів і заповнити таблицю 12.1.

Таблиця 12.1 – Хімічний склад та класифікація титанових сплавів за структурою у стабільному стані

12.7 Зміст звіту

Загальні відомості згідно завдання, рисунки 12.1, 12.2, мікроструктури, таблиця 12.1, висновки.

12.8 Рекомендована література

[5], с. 378–384; [6], с. 232–243; [11], с. 183–192, 218–225, 235–260.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 13

Магній та сплави на його основі

Мета роботи - дослідити структуру та властивості магнієвих сплавів. Ознайомитися з режимами термічної обробки та застосуванням сплавів.

13.1 Загальні відомості

Магній (Mg) – лужноземельний метал світло-сірого кольору, має ГЩП гратку. Температура плавлення 650°С, густина r=1,74 г/см³.

Магній має низькі показники теплопровідності та пластичності. Деформацію Mg переважно проводять в діапазоні температур 350…450°С. Рівень міцності Mg вищий за міцність Al (s_в»180 МПа).

Магній має низьку корозійну стійкість, плівка окислу MgO, яка утворюється при взаємодії з повітрям, не забезпечує захисних властивостей. При температурі вище 500-550°С магній здатний самодовільно спалахувати, горіння відбувається дуже швидко. Магнієві сплави задовільно зварюються, легко оброблюються різанням.

Технічно чистий магній маркують: Мг90, Мг95, Мг96. Магній чутливий до наявності домішок. Домішки в технічно чистому магнії та в магнієвих сплавах: Fe, Na, K, Si, Cu, Ni; найбільш шкідливими є Fe, Cu та Ni.

Більша частина магнію використовується при отриманні титану магнієтермічним способом, решта – для виготовлення сплавів.

Найбільш поширеними є сплави магнію на основі систем Mg–Al (£10% Al), Mg–Zn (£5-6% Zn), Mg–Mn (£2,5% Мn), Mg–Zr (£1,5% Zr), Mg–РЗМ (рідкоземельні метали).

Алюміній та цинк сприяють зміцненню a-твердого розчину (твердий розчин заміщення на основі Mg, має гратку ГЩП), при одночасному підвищенні показників пластичності. Також хімічні сполуки, що утворює Mg з Zn та Al (MgZn, Mg₁₇Al₁₂), підвищують міцність сплавів, яка зберігається лише до температур 150…200°С. Марганець підвищує опір корозії та поліпшує зварюваність. Цирконій та цинк подрібнюють зерно, поліпшують механічні властивості, підвищують опір корозії. Кремній зміцнює твердий розчин. РЗМ (Nd, Th, Ce) надають високу жароміцність.

За впливом на пластичність елементи поділяють на дві групи:

- Mn, Si зменшують пластичність;

- Li, Zn, Al, Ce до певних концентрацій підвищують пластичність.

13.1.1 Термічна обробка магнієвих сплавів. Термічна обробка магнієвих сплавів подібна до алюмінієвих сплавів.

В литому стані для сплавів характерна ліквація, що зменшує технологічність. Отже, виникає необхідність проведення гомогенізації. Досить часто гомогенізація відбувається при нагріванні сплавів під гарячу обробку тиском. В цьому випадку час витримки при підвищеній температурі менший за час гомогенізаційного відпалення, але більший за звичайне нагрівання під обробку тиском.

Для сплавів магнію використовують рекристалізаційне відпалення. Температура початку рекристалізації чистого магнію – приблизно 150°С. У випадку магнієвих сплавів температура початку рекристалізації складає приблизно 150…300°С. Найчастіше рекристалізаційне відпалення проводять при температурах 250…350°С, швидкість охолодження не має суттєвого впливу на механічні властивості.

Деформівні напівфабрикати відпалюють для зняття залишкових напружень. Операція проводиться безпосередньо після обробки, яка зумовлює появу напружень, і дозволяє уникати явище жолоблення виробів.

Магнієві сплави зміцнюють істиннимгартуванням та старінням. Особливість гартування – низька швидкість розпаду пересичених розчинів на основі магнію (окрім випадку легування рідкоземельними металами Nd, Th, Се). Магнієві сплави охолоджують при гартуванні на повітрі, або у киплячій воді. В сплавах не відбувається природне старіння (за винятком сплавів системи “магній-літій”). Проведення штучного старіння дозволяє збільшити міцність магнієвих сплавів. При старінні сплавів системи “магній-алюміній” розпад пересиченого твердого розчину відбувається без проміжних перетворень: a®Mg₁₇Al₁₂. При розпаді твердого розчину магнію, пересиченого неодимом, процес відбувається за схемою: a®зони ГП®b¢¢®b¢®b(Mg₄₁Nd₅)

Найбільшу жароміцність забезпечують сполуки Mg₁₂Ce, Mg₂₃Th₆ та марганець.

13.1.2 Класифікація магнієвих сплавів. За способом виготовлення напівфабрикатів та виробів магнієві сплави поділяють на дві основні групи:

- деформівні – для виготовлення напівфабрикатів тиском (МА5, МА6);

- ливарні – для отримання деталей методами фасонного лиття (МЛ5).

За температурою експлуатації сплави на основі магнію поділяють на групи:

- призначені для роботи при звичайних температурах (сплави загального призначення);

- жароміцні (призначені для тривалої експлуатації при температурах до 200°С);

- високожароміцні (для тривалої експлуатації при температурах до 250–300°С);

- призначені для роботи при кріогенних температурах.

13.1.3 Деформівні магнієві сплави. Призначені для виготовлення прутків, смуг, профілю. За основними легувальними елементами деформівні сплави магнію поділяють на п’ять основних груп:

а) сплави системи Mg–Mn. Сплави не зміцнюються термообробкою. Основною метою легування є підвищення корозійної стійкості та зварюваності. Марганець очищує розплав від заліза. Представник групи – сплав МА1. Подвійні сплави майже не застосовуються, більше використання має сплав МА8, що містить 1,3% Mn, 0,2%Се. Сплав не зміцнюється термічною обробкою, структура представлена твердим розчином Mn в Mg, кристалами Mn, сполукою Mg₁₂Се. Церій утворює дисперсні частинки, подрібнює зерно, внаслідок чого зростає міцність, пластичність. МА8 має високу технологічну пластичність, середню міцність (s_в=240…260МПа, d=7…12%).

б) сплави системи Mg–Al–Zn–Mn. Сплави мають міцність s_в=260…280 МПа, яка вище за міцність сплаву МА8. Зміцнення сплавів пов’язано з утворенням таких сполук як g-фаза (Mg₁₇Al₁₂) та Т-фаза (Mg₃Zn₃Al). Сплави достатньо технологічні при деформуванні, добре зварюються, їх недоліком - схильність до корозійного розтріскування. До цієї групи належать сплави МА2-1, МА2-1пч (підвищеної чистоти).

в) сплави системи Mg–Zn–Zr. Представники групи – сплави МА14, МА15, МА19, МА20. Сплави мають високу міцність, що зумовлено впливом цирконію, який сприяє очищенню металу від заліза, подрібнює зерно, стримує ріст зерен при рекристалізації, підвищує опір корозії. Сплав МА19, що додатково легований неодимом та кадмієм, має найвищу міцність (s_в=380…400 МПа).

г) сплави системи Mg–Nd. Представники групи – сплави МА11, МА12. Основним легувальним елементом є неодим (2,5…3,5%). Неодим забезпечує високу жароміцність внаслідок стабільності твердого розчину та низької швидкості коагуляції фази Mg₄₁Nd₅. Додатково сплави легують марганцем та нікелем (МА11), цирконієм (МА12). Марганець та нікель підвищують опір повзучості, тривалу міцність. Недоліком є те, що нікель зменшує опір корозії. Цирконій сприяє подрібненню зерна, поліпшує технологічну пластичність. Сплави цієї групи зміцнюють термообробкою.

д) сплави системи Mg–Li. Легування магнію літієм (r_Li=0,53 г/см³) дозволяє отримувати сплави, густина яких менша за чистий магній. Сплави мають високу пластичність, технологічні при обробці тиском, але підвищення вмісту літію призводить до зниження показників міцності. Для збереження певного рівня міцності сплави додатково легують алюмінієм, цинком, кадмієм, рідкоземельними металами (РЗМ). До цієї групи належать сплави МА18, МА21.

13.1.4 Ливарні магнієві сплави. За хімічним складом ливарні сплави на основі магнію близькі до деформівних. Основні легувальні елементи такі як для деформівних (алюміній, цинк, марганець, кремній, цирконій, РЗМ). Рівень механічних властивостей ливарних сплавів нижчий, порівняно з магнієвими деформівними сплавами. Певне підвищення властивостей ливарних сплавів пов’язано з подрібненням зерна. Існують різні способи впливу на розміри зерен: перегрівання розплаву перед литвом, введення до розплаву спеціальних присадок (магнезит, хлорне залізо), введення цирконію.

Промислові ливарні сплави належать до трьох основних систем: Mg–Al–Zn, Mg–Zn–Zr, Mg–РЗМ–Zr.

а) сплави системи Mg–Al–Zn. Представники цієї групи – МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6. Основний легувальний елемент Al. Додатково сплави легують Mn для поліпшення корозійної стійкості. Магнієві сплави, порівняно з алюмінієвими, мають меншу рідкотекучість, в об’ємі зливку значну усадкову пористість, герметичність зливків погіршується; схильні до утворення гарячих тріщин. Такі недоліки мають безпосередній вплив на рівень механічних властивостей. Найвищій рівень ливарних властивостей серед сплавів цієї групи мають сплави МЛ5 та МЛ6, які використовуються для відповідальних складних відливок (литво в земляні форми або в металевий кокіль). В залежності від вмісту домішок сплави позначають “пч” - підвищеної чистоти, “он” – загального призначення. МЛ5пч (вміст домішок – 0,14%), МЛ5 – (0,5%), МЛ5он – (0,7%). Із збільшенням вмісту домішок зменшується корозійна стійкість та пластичність сплавів. Після литва структура сплавів складається з a– твердого розчину та частинок інтерметалідів, які виділяються по межах зерен: g-фаза (Mg₁₇Al₁₂) в сплавах МЛ5 та МЛ6, g-фаза (Mg₁₇Al₁₂) та T-фаза (Mg₄Al₂Zn₃) в сплаві МЛ4. Термообробка: гомогенізаційне відпалювання (415…420°С, 12…24 год.) та старіння. Гомогенізацію проводять з метою усунення ліквації та одержання після охолодження на повітрі однорідного пересиченого твердого розчину. Міцність та пластичність відливок підвищується. Додаткове збільшення міцності досягають штучним старінням при температурах 175°С (16 год.) – для сплавів МЛ4, МЛ5, 190°С (4…8 год.) – для МЛ6.

б) сплави системи Mg–Zn–Zr. Сплави цієї групи мають більш високу міцність порівняно зі сплавами 1 групи, їх властивості менш чутливі до товщини відливки та наявності пор. До цієї групи належать МЛ8, МЛ12, МЛ15, МЛ17, МЛ18. МЛ12 має високу рідкотекучість, відливки щільні, сплав корозійностійкий. Зміцнення сплаву передбачає істинне гартування (400°С) та старіння (150°С, 50 год.). Сплав має підвищену жароміцність завдяки цирконію. Недоліки – схильний до утворення тріщин при кристалізації, погано зварюється. Сплав МЛ15 додатково легований лантаном, що дозволяє підвищити жароміцність, поліпшити зварюваність. За міцністю та пластичністю МЛ15 (s_в=210 МПа, d=3%) поступається МЛ12 (s_в=230 МПа, d=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 s_в=340 МПа, d=6%).

в) сплави системи Mg–РЗМ–Zr. Представники цієї групи - сплави МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19 які мають високу жароміцність. Тривала експлуатація сплавів є можливою при температурах 250-350°С, короткочасна – при температурах до 400°С. Основним легувальним елементом в МЛ9, МЛ10, МЛ19 є неодим, в МЛ11 – церій. Всі сплави містять цирконій, він вводиться з метою рафінування розплаву та сприяє подрібненню зерна. Сплави зміцнюються термообробкою (істинне гартування та старіння).

13.2 Завдання на підготовку до лабораторної роботи

Надати характеристику магнію, вказати основні легувальні елементи та системи. Навести класифікацію магнієвих сплавів. Описати основні види термічної обробки магнієвих сплавів.

13.3 Контрольні запитання для самоперевірки

і контролю підготовленості до лабораторної роботи

13.3.1. Характеристика магнію.

13.3.2. Основні легувальні елементи та їх вплив на властивості магнієвих сплавів.

13.3.3. Термічна обробка магнієвих сплавів.

13.3.4. Класифікація магнієвих сплавів та їх маркування.

13.3.5. Які переваги та недоліки мають сплави магнію порівняно із титановими та алюмінієвими сплавами?

13.4 Матеріали та обладнання

Робота виконується з використанням зразків сплаву МЛ5після різних режимів термічної обробки та деталей з магнієвих сплавів. Для вивчення мікроструктури використовують мікроскопи МІМ-5 та МІМ-7.

13.5 Вказівки з техніки безпеки

Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А).

13.6 Порядок виконання роботи

13.6.1 Переглянути мікроструктуру зразків сплаву МЛ5 та її схематично зарисувати.

13.6.2 Із використанням довідкових даних визначити хімічний склад, структуру, основну термічну обробку, властивості та призначення наведених магнієвих сплавів і заповнити таблицю 13.1.

Таблиця 13.1 – Хімічний склад та класифікація титанових сплавів за структурою у стабільному стані

13.7 Зміст звіту

Загальні відомості згідно завдання, мікроструктури, табл. 13.1, висновки.

13.8 Рекомендована література

[5], с. 401–406; [6], с. 218–223; [11], с. 152–164.