» » Сплавы, легированные магнием и цинком
08.02.2017

Сплавы, расположенные в алюминиевом углу системы Al—Mg—Zn (рис. 32), являются в основном твердыми растворами магния и цинка в алюминии и обладают довольно высокими механическими свойствами (табл. 24). На приведенной на рис. 32 диаграмме состояния видно, что при содержании цинка до 1% сплав лежит в двухфазной области a-β. При содержании цинка до 9% сплавы расположены в трехфазной области α+Al3Mg2+Al2Mg3Zn3 и, наконец, при содержании цинка 9—10% структура сплавов содержит две фазы α+Al2Alg3Zn3.
Сплавы, легированные магнием и цинком

В табл. 25, 26, 28 приведены свойства сплавов системы Al—Mg—Zn после различных режимов старения и коррозионных испытаний.
Сплавы, легированные магнием и цинком
Сплавы, легированные магнием и цинком

Как показывают приведенные данные, сплавы системы Al—Mg—Zn с содержанием цинка около 1% склонны к длительному естественному старению, в результате которого наблюдается резкое ухудшение механических и коррозионных свойств.
Искусственное старение при 60° С значительно ухудшает коррозионные свойства сплава, причем по мере увеличения времени старения процент снижения механических свойств в результате коррозии увеличивается. Например, после старения при 60° С в течение 3 ч снижение предела прочности после коррозии составляет 30,4%. а удлинение 76%. При увеличении времени старения до 1 мес потери механических свойств в результате коррозии сохраняются примерно на том же уровне.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Более длительное старение (60° С, 45 сут) значительно усиливает коррозию, что приводит к снижению прочности на 65,9% и удлинения на 89,2% (см. табл. 27).
Если сплавы системы Al—Mg и Al—Mg—Zn применяются только в термически обработанном состоянии, то сплавы системы Al—Zn—Mg способны упрочняться без термической обработки.
Сплавы системы Al—Zn—Mg получили название «самозакаливающихся» в результате их способности упрочняться при заливке в формы (особенно в металлические) в процессе охлаждения и последующего естественного старения. Этой особенностью сплавы обладают благодаря высокой растворимости цинка и его соединений с магнием в алюминии. При эвтектической температуре 382° С растворимость цинка равна 84%, а при 450°С максимальная растворимость магния и цинка в сумме составляет 16,47%.
Система Al—Zn—Mg изучена многими исследователями. К более полным можно отнести исследования В.И. Михеевой. При построении диаграммы Al—Zn—Mg В. И. Михеева исследовала двойные системы Al—Mg, Al—Zn и Mg—Zn. На рис. 32 показаны фазовые области диаграммы Al—Zn—Mg при комнатной температуре, а на рис. 33 — расположение фазовых областей в алюминиевом углу системы Al—Zn—Mg при 200 и 440° С.
Сплавы, легированные магнием и цинком
Сплавы, легированные магнием и цинком

Анализ этих диаграмм показывает, что в структуре сплавов в большой концентрационной области присутствует тройная фаза Т. Наличие этой фазы оказывает существенное влияние на свойства сплавов. Другой фазой, играющей большую роль в упрочнении сплавов этой системы, является MgZn2. Как показывают квазибинарные разрезы Al—T и Al—MgZn2, растворимость фаз T и MgZn2 в алюминии резко уменьшается с понижением температуры (рис. 34, 35).
Это указывает на способность сплавов системы Al—Zn—Mg упрочняться при термической обработке. Однако сплавы системы Al—Zn—Mg имеют сравнительно высокие механические свойства и без термической обработки. Промышленные сплавы этой системы можно разделить на две группы: к первой группе относятся сплавы, в которых упрочняющей фазой является MgZn2, и ко второй группе — сплавы, где упрочнителем служит фаза Т. Сплавы первой группы содержат 5—6% Zn и до 1% Mg, а сплавы второй группы — до 3,5—4,5% Zn и до 1,5—2% Mg. Ко второй группе относится сплав АЛ24, структура которого без термической обработки состоит из зерен твердого раствора, по границам которых располагается фаза T и примеси. Наилучшее сочетание предела прочности и пластичности имеет место при содержании в сплаве 7,5% фазы Г, что соответствует 4,55%) Zn и 1,7%) Mg.
Химические составы исследованных сплавов и их механические свойства приведены в табл. 28.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Добавка марганца в этом сплаве улучшает сопротивление коррозии и повышает механическую прочность. Кроме того, марганец в количествах до 0,5%) способствует измельчению зерна и усиливает эффект старения сплавов этой системы. Увеличение содержания марганца до ≥1% вызывает охрупчивание сплава, поэтому содержание марганца в сплаве исследуемого состава установлено 0,2—0,5%.
Добавка титана в пределах 0,1—0,2% способствует улучшению механических свойств сплава, измельчая зерна твердого раствора.
Таким образом, в состав сплава АЛ24 входят: 3,5—4,5% Zn; 1,5—2,0% Mg; 0,2—0,5% Mn и 0,1—0,2% Ti. При этой композиции можно получить оптимальные механические и другие свойства.
Кремний является вредной примесью, снижающей механические характеристики сплава, очевидно, за счет образования хрупкой фазы Mg2Si. Кроме того, на образование этой фазы расходуется магний, необходимый для получения упрочняющих фаз.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Влияние кремния на механические свойства сплавов системы Al—Zn—Mg представлено в табл. 29.
На диаграмме изотермического разреза Al—T (см. рис. 34) видно, что сплав АЛ24 имеет критические точки при 592° С (солидус) и при 623° С (ликвидус). Поэтому температура нагрева перед закалкой 580° С. Поскольку в сложных деталях может иметь место выделение двойной эвтектики α—T с температурой плавления 489° С, целесообразно применять двухступенчатый нагрев перед закалкой по режиму: 475° С, 2 ч + 580°С, 3 ч. Если детали тонкостенные и без местных утолщений, то нагрев при 475° С можно исключить и осуществлять его только при 580° С в течение 5 ч.
Старение закаленных образцов при 120° С в течение 8 ч приводит к дальнейшему увеличению прочности. С целью ускорения технологического процесса изготовления деталей была исследована возможность искусственного старения без предварительной закалки: нагрев до 200° С, выдержка 8—10 ч и охлаждение на воздухе.
Механические свойства сплава АЛ24 в зависимости от режимов термической обработки приведены в табл. 30.
Сплавы, легированные магнием и цинком

При ВЫСОКИХ температурах сплав АЛ24 имеет различную степень разупрочнения в зависимости от исходного состояния. Наиболее высокие показатели имеет сплав без термической обработки.
Механические свойства сплава АЛ24 при кратковременных испытаниях, после 100-ч стабилизации при 150° С снижаются незначительно. Наибольшее уменьшение прочности имеет место в интервале температур 200—300° С. При 300°С потеря прочности составляет 65% (табл. 31).
При низких температурах сплав АЛ24 ведет себя так же, как и другие литейные алюминиевые сплавы, т. е. с понижением температуры до -196° С предел прочности возрастает; относительное удлинение и удельная ударная вязкость снижаются.
Механические свойства сплава АЛ24 в естественно состаренном состоянии при низких температурах приведены в табл. 32.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Приведенные в табл. 32 данные показывают, что сплав АЛ24 практически не чувствителен к надрезу как при 20° С, так и пониженных температурах. К особенностям сплава АЛ24 следует также отнести хорошую свариваемость и возможность пайки.
При сварке литых деталей прочность сварного шва в результате естественного старения повышается до прочности основного материала. Сплав хорошо обрабатывается резанием, хорошо полируется. Его рекомендуется применять для отливки в песчаные, оболочковые формы и по выплавляемым моделям свариваемых деталей, требующих сохранения стабильности размеров.
Структура сплава АЛ24 состоит из зерен твердого раствора а, по границам которых располагается фаза T и примеси. В некоторых случаях можно обнаружить также небольшое количество фазы MgZn2 (рис. 36).
Сплавы, легированные магнием и цинком
Сплавы, легированные магнием и цинком

Ниже приведены некоторые физические и технологические свойства сплава АЛ24:
Сплавы, легированные магнием и цинком

Сплав АЛ24 в литом и естественно состаренном состоянии обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью. Потеря прочности после трехмесячной выдержки при переменном погружении в 3%-ный раствор хлористого натрия составляет около 1 %.
Необходимо остановиться также на роли железа в сплавах системы Al—Zn—Mg.
В табл. 33 показано влияние железа на механические и технологические свойства сплава системы Al—Zn—Mg. Приведенные данные показывают, что железо практически не повышает прочности сплава, но уменьшает удлинение. Поэтому большой интерес представляет влияние железа на технологические свойства, важнейшие из которых — жидкотекучесть и склонность к горячеломкости.
Улучшение технологических характеристик сплава от добавки железа объясняется изменением структуры сплава, Согласно имеющимся диаграммам состояния Al— Zn—Mg в этой системе тройных фаз не образуется. На рис. 37 показаны поля первичной кристаллизации, а на рис. 38 — распределение фаз в твердом состоянии в системе Al—Zn—Fe.
Сплавы, легированные магнием и цинком

В алюминиевом углу образуется фаза FeAls и α-твердый раствор цинка в алюминии, которые дают эвтектику с температурой плавления 380° С. В сплавах системы Al—Zn—Mg в исследованных пределах железо также не образует соединений с магнием и цинком, а кристаллизуется в виде фазы FeAb, давая эвтектику α-FeAl3, что, очевидно, и способствует увеличению жидкотекучести сплава и снижению склонности к образованию горячих трещин.
Содержание железа в сплавах ограничивается 1%, так как большее количество железа приводит к снижению удлинения и жидкотекучести, что, вероятно, можно объяснить изменением характера кристаллизации. При введении в сплав железа до 1,2% происходит увеличение эвтектической составляющей (рис. 39). Одновременно изменяется и форма ее кристаллизации. При содержании железа более 1% эвтектика кристаллизуется в грубой игольчатой форме, которая, располагаясь по границам зерен, приводит к снижению пластичности. Кроме того, возможно образование фазы FeAl3, не входящей в состав эвтектики, так как согласно диаграмме состояния эвтектика может содержать 1,8% Fe, а в неравновесных условиях кристаллизации это количество будет еще меньшим, что также способствует охрупчиванию сплава.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Анализ кривых естественного старения сплавов системы Al—Zn—Mg—Fe (рис. 40) показывает, что изменение механических свойств, особенно пластичности, происходит в основном в течение первых двух месяцев. В дальнейшем же механические свойства стабилизируются. Так, имея в свежелитом состоянии прочность 23,5 кгс/мм2 и удлинение 5,3%, после месяца вылеживания сплав приобрел следующие значения прочности и пластичности: σв=24,8 кгс/мм2, δ5=3,8%, а после двух месяцев прочность возросла до 25,6 кгс/мм2 и удлинение снизилось до 3,3%. В дальнейшем механические свойства изменялись незначительно.
Изменение механических свойств в процессе естественного старения связано с распадом твердого раствора и образованием вторых фаз.
Как уже отмечалось, цинк и магний обладают высокой растворимостью в алюминии. Скорость охлаждения при кристаллизации, особенно в металлические формы, достаточна для того, чтобы задержать значительное количество цинка и магния в твердом растворе; происходит так называемая закалка из жидкого состояния. В то же время высокая диффузионная подвижность цинка и магния приводит к распаду пересыщенного твердого раствора и образованию по границам зерен вторых фаз даже при комнатной температуре.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Выделившиеся фазы искажают кристаллическую решетку алюминия и приводят к возникновению больших внутренних напряжений. Это и является причиной повышения прочности. В то же время, располагаясь в основном по границам зерен, выделившиеся фазы приводят к снижению пластичности.
Интенсивное изменение механических свойств в начале естественного старения, по-видимому, можно объяснить тем, что периферийные области зерен твердого раствора обогащены цинком и магнием и возможность образования фаз Т, а частично и MgZri2, в начальный период большая. При обеднении периферийных областей эта возможность уменьшается, и для дальнейшего образования вторых фаз требуется значительное время, которое затрачивается на диффузионное выравнивание концентрации цинка и магния по зерну.
Общая коррозионная стойкость исследовалась на литых образцах диаметром 8 мм (с литейной коркой и механически обработанных) в тропической камере в течение 9 мес (35—50° С, влажность 85—96%).
Результаты испытаний образцов до и после коррозии приведены в табл. 34.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Из данных табл. 34 следует, что прочность сплавов в результате коррозии практически не изменяется; снижение же пластичности в значительной степени объясняется старением сплавов, находящихся по условиям испытания длительное время при повышенной температуре.
Поверхность образцов после испытания находится в удовлетворительном состоянии; отмечаются точечные очаги коррозии, равномерно распределенные по всему образцу (рис. 41).
Сплавы, легированные магнием и цинком

Из литературных источников известно, что сплавы системы Al—Zn—Mg склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением. Это обусловлено выделением продуктов распада твердого раствора, так как магний и цинк обладают высокой диффузионной подвижностью преимущественно по границам зерен. В водных растворах хлоридов эти выделения оказываются анодными по отношению к пограничным областям зерен твердого раствора. Совместное воздействие электрохимического коррозионного процесса и растягивающих напряжений приводит к развитию коррозионного растрескивания.
Сплавы, легированные магнием и цинком

Исследования проводились на специальных кольцевых образцах с фланцем. Напряжения создавались сближением концов фланца с помощью болта (с 9 до 4,5 мм); болт изолировался лаком АК-20.
Испытания проводились в 3%-ном растворе NaCl при переменном погружении по следующему циклу; 10 мин в растворе +50 мин на воздухе. Критерием оценки коррозионной стойкости служило время до разрушения образца.
Сплавы проходили испытание в литом состоянии. Результаты испытаний приведены в табл. 35.