ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИЕВОГО СПЛАВА ZK51A (МЛ12)

Объектом исследования были образцы сплава ZK51A (МЛ12), содержащие от 3,5 до 5,5 мас.% Zn и 0,5–0,8 мас.% Zr. С помощью расчета диаграмм состояния в программе «Thermo-Calc» установлено влияние концентраций Zn и Zr на температуры фазовых превращений и фазовый состав в равновесных условиях и при использовании модели полностью неравновесной кристаллизации Шейла–Гулливера. Показано, что при доле циркония в сплаве более 0,8–0,9 мас.% происходит значительное повышение температуры ликвидуса сплава и требуется увеличение температуры плавки выше 800 °С, что нежелательно при использовании стальных плавильных тиглей. Рассчитано равновесное содержание легирующих компонентов в твердом растворе на основе магния при различных температурах. С помощью электронной микроскопии изучены микроструктуры сплавов с различными концентрациями легирующих компонентов в литом и термообработанном состояниях. Исследовано распределение Zn и Zr в дендритной ячейке сплава в литом и термо-обработанном состояниях. В литом состоянии цинк концентрируется по границам дендритных ячеек, однако после термообработки его концентрация в их центре становится выше, чем по границам. Цирконий концентрируется в центре дендритных ячеек. Установлено влияние режимов закалки сплавов на их твердость. Показано, что наибольший прирост этого показателя дает двухступенчатый режим закалки: 330 °С, 5 ч + 400 °С, 5 ч. Изучено влияние температуры старения (150 и 200 °C) на твердость образцов – выявлено, что она выше в случае старения при 200 °С, причем ее максимум наблюдался при выдержке 8–10 ч. Термообработка сплава, включающая изотермическую выдержку (330 °С, 5 ч + 400 °С, 5 ч) с последующей закалкой и старение (200 °С, 8 ч), позволила достичь предела прочности сплава 285 ± ± 13,5 МПа и относительного удлинения 11,4 ± 1 %.

литейные магниевые сплавы, ZK51A, МЛ12, Mg–Zn–Zr, кристаллизация, термообработка, фазовый состав, Thermo-Calc

1. Hussey B., Wilson J. Light Alloys. Boston: Springer US, 1998.

2. Avedesian M., Baker H. ASM specialty handbook: Magnesium and magnesium alloys. Ohio: ASM International, 1999.

3. Polmear I.J. Magnesium alloys and applications. Mater. Sci. Technol. 1994. Vol. 10. P. 1—16.

4. Campbell F.C. Elements of metallurgy and engineering alloys. Ohio: ASM International, 2008.

5. ASM International handbook committee. ASM Handbook. Vol. 2: Properties and selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials. Ohio: ASM International, 1990.

6. Chandler H. (Ed.) Heat treater’s guide: practices and procedures for nonferrous alloys. Ohio: ASM International, 1996.

7. Vinotha D., Raghukandan K., Pillai U.T.S., Pai B.C. Grain refining mechanisms in magnesium alloys: An overview. Trans. Indian Inst. Met. 2009. Vol. 62. P. 521—532.

8. Chang jiang S., Qingyou H., Qijie Z. Review of grain refinement methods for as-cast microstructure of magnesium alloy. China Foundry. 2009. Vol. 6. P. 93—103.

9. Arroyave R., Shin D., Liu Z.K. Modification of the thermodynamic model for the Mg—Zr system. CALPHAD. 2005. Vol. 29. P. 230—238.

10. Bamberger M. Structural refinement of cast magnesium alloys. Mater. Sci. Technol. 2001. Vol. 17. P. 15—24.

11. Lee Y.C., Dahle A.K., StJohn D.H. The role of solute in grain refinement of magnesium. Metall. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31. P. 2895—2906.

12. Qian M., Das A. Grain refinement of magnesium alloys by zirconium: Formation of equiaxed grains. Scr. Mater. 2006. Vol. 54. P. 881—886.

13. Vinotha D., Raghukandan K., Pillai U.T., Pai B.C. Grain refining mechanisms in magnesium alloys: An overview. Trans. Indian Inst. Met. 2009. Vol. 62. P. 521—532.

14. Yang W., Liu L., Zhang J., Ji S., Fan Z. Heterogeneous nucleation in Mg—Zr alloy under die casting condition. Mater. Lett. 2015. Vol. 160. P. 263—267.

15. St. John D.H., Qian M.A., Easton M.A., Cao P., Hildebrand Z. Grain refinement of magnesium alloys. Metall. Mater. Tr a n s. A . 2005. Vol. 36. P. 1669—1679.

16. Ren Y.P., Guo Y., Chen D., Li S., Pei W.L., Qin G.W. Isothermal section of Mg—Zn—Zr ternary system at 345 °C. CALPHAD. 2011. Vol. 35. P. 411—415.

17. Andersson J.O., Helander T., Höglund L., Shi P.F., Sundman B. Thermo-Calc and DICTR A: Computational tools for materials science. CALPHAD. 2002. Vol. 26. P. 273—312.

18. Thermo-Calc Software TTMG3. Magnesium alloys. Database version 3. URL: http://www.thermocalc.com/ products-services/databases/thermodynamic/ (accessed: 01.03.2017).

19. Gulliver G.H. The quantitative effect of rapid cooling upon the constitution of binary alloys. J. Inst. Met. 1913. Vol. 9. P. 1 2 0 —1 5 7.

20. Scheil E. Bemerkungen zur schichtkristallbildung. Z. Metallkd. 1942. Vol. 34. P. 70—72.

21. Liu S., Yang G., Xiao L., Luo S., Jie W. Effects of the growth rate on microstructures and room temperature mechanical properties of directionally solidified Mg—5.2Zn alloy. J. Miner., Met. Mater. Soc. 2016. Vol. 68. No. 12. P. 3 214 —3 2 2 3 .

22. Williams M.E., Boettinger W.J., Kattner U.R. Contribution to the Zr-rich part of the Zn—Zr phase diagram. J. Phase Equilib. Diffus. 2004. Vol. 25. No. 4. P. 355—363.