Термообработка магниевых отливок

       Термическая обработка магниевых и алюминиевых  сплавов имеет много общего, что  объясняется отсутствием полиморфных превращений в этих металлах и близостью температур плавления алюминия и магния. В то же время на режимы термической обработки магниевых сплавов существенно влияют пониженные коэффициенты диффузии большинства компонентов в твердых растворах магния. Низкие скорости диффузионных процессов в твердом магнии приводят в условиях неравновесной кристаллизации к сильному развитию дендритной ликвации (даже при малых скоростях охлаждения при затвердевании), облегчают фиксацию пересыщенных твердых растворов при закалке, затрудняют распад пересыщенных растворов при старении.

       Дендритная  ликвация вызывает снижение механических свойств и технологической пластичности слитков. Поэтому перед деформацией их подвергают гомогенизационному отжигу. Магниевые сплавы подвергают также и рекристаллизационному отжигу, при выборе режимов которого необходимо учитывать склонность к росту зерна при повышенных температурах .

       Рекристаллизационный отжиг снижает прочность, но повышает пластичность магниевых сплавов и в значительной мере устраняет анизотропию свойств полуфабрикатов в продольном и поперечном направлениях. Полуфабрикаты, подвергнутые рекристаллизационному отжигу, в маркировке после обозначения марки сплава содержат букву «М» (например, МА8М). Деформированные полуфабрикаты из магниевых сплавов отжигают также для снятия остаточных напряжений. Эту обработку проводят при температурах, более низких, чем используемые для рекристаллизационного отжига, сразу же после технологической обработки, создающей остаточные напряжения.

       Магниевые сплавы подвергают также закалке  и старению для повышения прочностных свойств. Критические скорости охлаждения невысоки,  и фиксация при закалке гомогенного состояния, соответствующего температуре нагрева под закалку, происходит уже при охлаждении на воздухе. Лишь для некоторых сплавов необходимо охлаждение струями воздуха или подогретой до 80—95° С водой.

       Закалка приводит к существенному повышению  прочностных, а иногда и пластических свойств сплавов особенно это относится к литейным сплавам. При нагреве литейных сплавов под закалку при достаточно высоких температурах сетка выделений по границам зерен рассасывается и происходит хотя бы частичная гомогенизация, вследствие чего возрастает пластичность.

       Естественного старения большинства магниевых  сплавов после закалки не происходит, и выдержка закаленных полуфабрикатов при комнатной температуре в течение длительного времени не изменяет структуры и свойств. Продолжительность  искусственного старения магниевых сплавов значительно больше, чем алюминиевых. Искусственное старение магниевых сплавов повышает прочностные свойства закаленного материала, но эффект упрочнения сравнительно невелик. Распад пересыщенных растворов при искусственном старении промышленных магниевых сплавов, не содержащих редкоземельных элементов (РЗМ), происходит без промежуточных стадий. Из пересыщенного: раствора сразу же выделяется стабильная фаза, имеющая с матрицей некогерентные границы. Именно этим в значительной мере объясняется невысокий прирост прочности при старении сплавов этой группы.

Распад  твердого раствора в сплавах систем Мg—Zn— Zr—РЗМ происходит по многостадийной схеме во многом аналогично процессам, происходящим при старении алюминиевых сплавов типа А1—Сu. Поэтому упрочнение при старении сплавов этой группы довольно велико.

       Характер  выделений при старении зависит  от скорости охлаждения после нагрева под закалку. При медленном охлаждении превалирует прерывистый распад, при котором образуется структура, аналогичная перлитной структуре стали. При больших скоростях охлаждения с закалочных температур последующее старение приводит к непрерывному распаду, когда выделяющиеся частички стабильной фазы равномерно распределяются по объему матрицы. В общем случае чем больше степень непрерывного распада по сравнению с прерывистым, тем выше прочностные и пластические свойства магниевых сплавов.

Магниевые сплавы применяют главным образом  как жаропрочные,   поэтому   температура   старения   должна быть выше рабочих температур   данного  сплава с тем, чтобы в  условиях эксплуатации не происходило  слишком быстрой коагуляции упрочняющих  фаз.

       Эффект  закалки и старения магниевых  сплавов с содержанием легирующих элементов, близким к максимальной растворимости, существенно зависит от температуры нагрева под закалку, в связи с чем их нагревают до температур, близких к температуре солидуса или нонвариантных реакций (на 5—10°С ниже ее). Вследствие этого перепад температур в различных зонах печи во избежание пережога должен быть не более ±5° С.

Поскольку повышение прочностных характеристик  магниевых сплавов при закалке  по сравнению со свойствами отожженного или литого металла весьма велико, а старение не вносит значительного дополнительного упрочнения, магниевые сплавы часто подвергают только закалке, а фасонные отливки — гомогенизации с охлаждением на воздухе. 
 
 

Таблица 1 - Термические обработки и их назначения

       При термической обработке магниевые  сплавы взаимодействуют с газами, составляющими атмосферу печи. В результате взаимодействия с кислородом образуется окись магния МgО. Окись магния имеет существенно меньший объем, чем металл, поэтому магний должен сравнительно быстро окисляться. Тем не менее до температур 450—475° С окисная пленка оказывает защитное действие. Это, по-видимому, связано с тем, что при небольшой толщине окисной пленки возникающие в ней растягивающие напряжения не нарушают ее целостности. Поэтому при термической обработке магниевые сплавы можно нагревать до указанных температур без применения защитных атмосфер, а сплавы МАП, МА12, ВМД9, МА14 даже до 490—535° С.

       Образование достаточно толстой окисной пленки при более высоких температурах нагрева вызывает увеличение напряжений до уровня, когда релаксация напряжений, связанная с образованием когерентных границ между окислом и основным металлом, недостаточна для сплошности. Окисная пленка разрушается и больше неможет защищать металл от окисления. Кислород атмосферы печи имеет свободный доступ к поверхности металла, и окисление металла интенсифицируется.

       Наиболее  сильно ускоряют окисление магния никель и медь. Галлий, цинк, олово и алюминий также повышают скорость окисления магни,  но в меньшей степени, чем два первых элемента. В настоящее время

установлен  лишь один элемент, уменьшающий скорость окисления магния. Это бериллий. Он является по отношению к магнию поверхностно активным элементом и поэтому концентрируется в поверхностных слоях окисной пленки. Окись бериллия образуется с увеличением объема в отличие от окиси магния и поэтому способствует увеличению защитных свойств пленки.

       Интенсивность     взаимодействия магниевых сплавов с кислородом   при   повышении  влажности воздуха  существенно уменьшается. В широком температурном интервале скорость окисления магния во влажном воздухе примерно в два раза меньше, чем в сухом воздухе. Это связано с тем, что во влажном воздухе вместо пленки окиси магния растет пленка гидроокиси Мg(ОН)₂, образующаяся с увеличением объема.

     При температурах термической обработки  магниевые сплавы слабо реагируют  с азотом. Значительные загрязнения азотом, приводящие к ухудшению механических свойств, возможны лишь при взаимодействии металла с азотом при температурах, близких к температуре плавления.

       Литейные  магниевые сплавы подвергают термической обработке для повышения механических свойств и уменьшения остаточных напряжений. Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и последующего искусственного старения. Для уменьшения остаточных напряжений используют отжиг (режим Т2). Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут вступать в реакцию с составляющими атмосферы печи, при нагреве используют только электрические печи. Для предотвращения перегревов и возгорания нагревательные элементы должны быть тщательно экранированы. Экраны и внутренний кожух печи изготавливают из нержавеющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых сплавов в жидких селитровых ваннах запрещен во избежание взрыва и пожаров.

       Отливки загружают в печь в специальных  ящиках или на этажерках. Отливки  сложной конфигурации следует загружать на специальных приспособлениях, предотвращающих коробление. Перед загрузкой в печь отливки очищают от магниевой пыли, стружки и тщательно просушивают во избежание загорания.

       Для уменьшения окисления нагрев рекомендуют  проводить в нейтральной атмосфере углекислого газа, аргона и т. п. или в воздушной атмосфере с добавкой 0,5—1% S0₂. Сернистый газ, создающий в рассматриваемом случае защитную атмосферу, вводят в печь по трубе; иногда его получают в самой печи разложением серного колчедана, загружаемого в печь в специальных ящиках. Количество серного колчедана берут из расчета 0,5-—1 кг на 1 м³ рабочего пространства печи. Детали до сравнительно невысоких температур можно нагревать и без применения специальных атмосфер.

       В структуре отливок из магниевых  сплавов всегда имеются неравновесные  фазы. Это затрудняет выбор эффективных температур закалки из-за возможности расплавления этих фаз при нагреве. Для предотвращения этого явления для ряда сплавов разработаны ступенчатые режимы нагрева под закалку. На первой низкотемпературной ступени растворяются неравновесные фазы в матрице твердого раствора, и температура неравновесного солидуса сплава повышается. Это позволяет поднять температуру на второй ступени и получить твердый раствор с необходимой концентрацией легирующих элементов.

       Время выдержки при температуре нагрева  под закалку для магниевых сплавов колеблется в широких пределах и зависит от состава сплава и структуры отливок. Величина зерна в отливках из магниевых сплавов в значительной мере определяется толщиной стенки сечения и применяемым способом литья. Чем массивнее отливка и меньше скорость охлаждения при затвердевании, тем грубее зерно. Поэтому время выдержки при нагреве под закалку в зависимости от этих факторов может изменяться в широких пределах.

       Закалка магниевых сплавов приводит к  существенному повышению механических свойств, особенно в сплавах системы Мg—Аl—Zn. Поэтому ее часто используют без последующего старения (режим Т4). Критическая скорость охлаждения при закалке магниевых сплавов невелика, и поэтому охлаждение после нагрева под закалку проводят в спокойном воздухе. Для интенсификации охлаждения при закалке некоторых сплавов применяют также обдувку струями воздуха или охлаждение в подогретой до 80—95° С воде.

     Искусственное старение магниевых сплавов проводят в печах с воздушной атмосферой, а охлаждение после старения —  в спокойном воздухе. Процессы распада  при старении сопровождаются объемными  эффектами, вызывающими изменение размеров отливок.