Прессование порошков магния и магниевых сплавов

24.01.2017

Потенциальные преимущества, прессованных изделий из порошков. К потенциальным преимуществам, которые могут иметь прессованные изделия из порошков магния, можно отнести следующие:
а) повышенную жаропрочность, по аналогии со спеченными алюминиевыми порошками (САП);
б) контроль величины зерна в прессованных изделиях должен приводить к высокому пределу текучести на сжатие по всему сечению, в том числе и сложному;
в) повышение модуля Юнга. Этому преимуществу, по-видимому, уделено мало внимания.
Ниже рассматриваются свойства порошков магния в соответствии со способом их изготовления.
Использование порошка, приготовленного путем истирания. Прессование порошка, полученного путем истирания щеткой, было изучено Брауном и Мозделом из MEL. Особенности использованных порошков приведены в табл. 45 Большую часть работы провели, используя порошок сортов 4 и 4F.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Условия прессования. Установлено различное влияние на механические свойства условий прессования в случае изделий, полученных из литой заготовки и из порошков. Так, увеличение скорости прессования не влияет на механические свойства в случае прессования порошков, хотя при этом внешний вид поверхности изделий улучшается. Более высокие степени обжатия улучшают механические свойства (рис 183). В случае малых степеней обжатия встречается растрескивание типа «хвойного дерева» («Ерш»). Прессование при более высоких температурах приводит к повышению механических свойств (рис. 184). Условиями для получения оптимальных механических свойств поэтому являются высокие степень обжатия, скорость прессования, температура прессования, близкая, насколько это возможно, к температуре солидуса.
Объяснить это, вероятно, можно тем. что в случае прессования порошков не возникает опасность снижения свойств вследствие роста зерен. Чем выше температура и скорость прессования, тем лучше оказывается связь между отдельными частицами.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Процесс спекания заготовок перед прессованием не дат каких либо преимуществ, и в большинстве случаев Браун брикетировал порошок в холодном состоянии, причем брикеты могли нагреваться в течение небольшого промежутка времени в контейнере пресса перед прессованием. Позднее была сконструирована машина для холодного брикетирования, способная производить брикеты длиной около 0,3 м. Эти брикеты быть удобны в обращении и даже могли обтачиваться в соответствии с раз мерами контейнера. Брикеты можно было прессовать с повышенной скоростью с целью получения более высокого качества поверхности.
Механические свойства, получаемые в случае чистого магния. Как и в случае алюминиевого порошка, максимальные механические свойства имеет наиболее дисперсный порошок. В табл. 46 приведены результаты некоторых испытаний, проведенных при использовании дисперсных порошков в сравнении с данными, полученными при использовании литой заготовки. Из данных табл. 46 следует, что присутствие бериллия (0,007%) приводит к повышению прочностных свойств и пластичности. Данный эффект может быть связан с модифицирующей природой окисной пленки в порошках.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Свойства при повышенных температурах. Кол нашел, что падение прочностных свойств чистого магния с повышением температуры в случае прессованного порошка меньше, чем в случае прессованной компактной заготовки. В случае обычных прессованных изделий жаропрочных деформируемых сплавов, таких, например, как ZTY, может быть получена более высокая жаропрочность.
Усталостные свойства. Ниже приведены данные по циклической прочности изделий, отпрессованных из порошка чистого магния. Эти данные аналогичны данным, полученным для сплава ZRE1, как в литом, так и прессованном состояниях (прессование литой заготовки проводилось в тех же условиях, что и прессование брикетов, приготовленных из порошков).
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Устойчивость против отжига. Хотя свойства при повышенных температурах прессованных изделий из магниевого порошка не были особенно высокими, однако оказалось необычным сохранение свойств при комнатной температуре после различной термической обработки (табл. 47).
Объясняется это, вероятно, тем, что нагрев прессованных изделий из порошков не приводит к росту зерен и процессы растворения упрочняющих фаз, выделившихся из твердого раствора, не происходят. С другой стороны, окисные пленки не упрочняют границы зерен в такой степени, чтобы повысить свойства при повышенных температурах. В этой связи следует иметь в виду, что алюминий, используемый в САПе, представляет собой значительно более дисперсные хлопья, которые содержат больше окислов, чем, по-видимому, это имеет место в случае магния. Распределение окислов также другое, причем они образуют скорее мелкие ромбовидные частицы, чем тонкую сетку.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Влияние добавок на магниевые прессованные порошки. Добавки тория, титана, ZrO2, MgO и порошка сплава Mg—Al оказали незначительное влияние на механические свойства.
В MEL были проведены опыты с порошками, полученными путем истирания некоторых сплавов, представляющих в то время интерес как возможные жаропрочные деформируемые сплавы. В табл. 48 сравниваются механические свойства, полученные для этих сплавов на прессованных изделиях из порошков и из обычной заготовки, а также приводятся данные о влиянии термической обработки, включающей отжиг при 580° С в течение 4 ч. Из табл. 48 следует, что прессованный порошок имеет преимущество в том случае, если свойства изделий, полученных прессованием компактной заготовки, низки и если желательно получить устойчивые свойства при отжиге. Испытания при повышенных температурах прессованных порошков этих сплавов проведены, однако, не были.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Металлография. Металлографическое исследование прессованных порошков показало присутствие вытянутых сеток, состоящих из оболочек окислов. Наличие этих сеток говорит о том, что пленки, окружающие каждую частицу порошка, повреждаются в незначительной степени во время прессования. Эти пленки, как можно видеть на рис. 185, ограничивают рост зерен при термообработке. Было установлено, что величина зерна прессованных порошков в 30 раз меньше, чем величина зерна в магнии, полученном прессованием литой заготовки. Без сомнения, это и является основной причиной получения более высоких свойств у прессованных порошков. В случае прессованных порошков, приведенных в табл. 48, отмечалось, что в то время, как пленки окислов эффективны в ограничении роста зерен в сплавах, содержащих цирконий, в сплавах, содержащих марганец, их эффективность значительно уменьшается. При быстром прессовании сплавов с марганцем наблюдается заметный рост зерен. Прессованные порошки сплавов, содержащих цирконий, оказались устойчивыми к росту зерен также при обработке на твердый раствор, в то время как у Mg—Th—Mn сплава наблюдается рост зерен до 0,03—3 мм в диаметре по сравнению с первоначальной величиной зерна 0,002—0,005 мм для прессованных изделий, полученных из обычной заготовки, и для прессованных порошков, полученных при малой скорости прессования.
Подводя итоги рассмотрения свойств прессованных изделий из порошков, полученных путем истирания, можно сказать, что в случае магния невозможно получить высокие механические свойства при повышенных температурах, подобно тому, как это имеет место в случае САПа. Следует иметь в виду, однако, что истинные дисперсные хлопьевидные порошки, по-видимому, пока не испытывались. Порошковая металлургия не приводит к повышению прочности высокопрочных сплавов, но, с другой стороны, она увеличивает прочность малопрочных сплавов и повышает устойчивость к потере свойств при комнатной температуре в результате отжига.
Использование сферических порошков или гранул, полученных путем распыления. Работа по прессованию сферических порошков началась в Америке в конце сороковых годов и вначале привела к публикации классической статьи Баска и Леонтиса, а затем — к разработке промышленного сплава, приготовляемого путем прессования гранул (P)ZR 60В. Следует напомнить, что этот сплав характеризуется очень высокими механическими свойствами и особенно высоким пределом текучести на сжатие (см. табл. 49), причем последняя характеристика не зависит от размеров прессованного изделия.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Преимущество порошков, полученных путем распыления. Можно отметить некоторые преимущества порошков, полученных путем распыления. Ввиду того что частицы являются круглыми, они имеют меньшую поверхность и поэтому более безопасны с точки зрения возможности загорания при данной величине частиц. Кроме того, порошок из круглых частиц более сыпучий.
Если использовать при распылении вращающееся колесо, предложенное Dow Chemical Co, можно контролировать величину частиц. Мелкая пыль при этом, естественно, отсутствует.
Если сплав распыляется из жидкости, то охлаждение приводит к образованию сильно выраженной неоднородности в частице и это, очевидно, усиливает влияние окисных пленок на ограничение роста зерна при окончательном прессовании.
В дополнение к тому, что использование частиц с сильно выраженной неоднородностью дает возможность получить прессованные изделия с контролируемой величиной зерна, Баск и Леонтис использовали возможность получения с помощью прессования порошков трех других эффектов, которые не могли быть осуществлены обычными путями:
а) упрочнение нерастворимыми частицами;
б) подавление склонности к коррозии под напряжением;
в) улучшение деформируемости путем прессования.
Величина зерна при образовании неоднородности в частицах. Чтобы продемонстрировать, что структура с выраженной неоднородностью действительно препятствует росту зерна, Баск и Леонтис прессовали AZ31 из порошков, полученных путем распыления, без и с предварительной обработкой на твердый раствор в течение 3 ч при 450° С.
В результате обработки на твердый раствор неоднородность рассасывалась путем диффузии без изменения величины зерна. Однако после прессования зерна были значительно крупнее в случае порошка, подвергнутого обработке на твердый раствор, чем в случае порошка, не подвергавшегося термообработке. Снижение свойств, связанное с исчезновением неоднородности для прутка диаметром 19 мм, иллюстрируется в табл. 49 по результатам Баска и Леонтиса.
Упрочнение нерастворимыми частицами. Баск и Леонтис попытались прессовать совместно порошок сплава Mg—Zr и порошок, содержащий алюминий, надеясь, что прочность прессованного изделия будет повышена при термообработке, способствующей диффузии растворенных атомов и выделению соединения циркония с алюминием. Величину найденного ими эффекта характеризуют данные табл. 50. Учитывая, что Баск и Леонтис приводят значения σ0,2, и сравнивая данные, приведенные в табл. 46, можно считать, что наилучшие механические свойства при использовании полученных распылением или истиранием легированных порошков одинаковы.
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Подавление чувствительности к коррозионному растрескиванию под напряжением. Так как сплав Mg—1,5% Mn (ЛМ503) нечувствителен к коррозии под напряжением и является анодом по отношению к сплаву AZ31, то предположим, что совместное прессование AZ31 и АМ503 позволит получить материал, в котором присутствие волокон АМ503 будет подавлять коррозию соседних волокон AZ31 подобно катодной защите. Действительно, при равных количествах порошков обоих сплавов было получено заметное увеличение сопротивления коррозии под напряжением без потери механических свойств. Так. напряжение для средней продолжительности выдержки без разрушения в один месяц увеличилось с 16 до 24 кГ/мм2, а продолжительность выдержки без разрушения для 16 кГ/мм2 возросла с одного месяца до приблизительно двух лет. Так как в последних экспериментах было установлено, что при равном количестве порошка сплава АМ503 склонность к коррозии под напряжением высокопрочного сплава AZ61 подавляется до такого же низкого уровня, как и в случае сплава AZ31, представляется очевидным, что положительное влияние сплавов АМ503 обусловлено просто разбавлением.
Обрабатываемость прессованием. Следует напомнить, что сплавы, содержащие значительные количества легирующих элементов и имеющие относительно низкую температуру солидуса, нельзя быстро прессовать, избежав при этом образования горячих трещин. Однако при совместном прессовании с порошками АМ503 или AMZ210 (Mg—2% Al—1% Mn—0,5%Zn) Баску и Леонтису удалось достигнуть заметного улучшения в способности к прессованию некоторых высоколегированных порошковых материалов (табл. 51).
Прессование порошков магния и магниевых сплавов

Контроль величины зерна в случае прессованных изделий крупных сечений. Как установил Баск, высокие свойства прессованных изделий, полученных из распыленных порошков, поддерживаются при условии, что температура и время выдержки, которым подвергается материал, не вызывают значительную диффузию в структурах с выраженной неоднородностью. Опыт показывает также, что в крупных изделиях, отпрессованных из порошков сплава ZK60B, более низкие значения предела текучести получаются со стороны прессостатка. Этот недостаток может быть устранен путем добавки редкоземельных металлов к сплаву. При этом получают сплав состава (P) ZK62 (Mg—6%Zn—2% РЗМ—0,5%Zr). Прессованные порошки из сплава такого состава имеют дисперсную сетку соединения Mg—РЗМ, которая препятствует росту зерен.
Добавки окислов к прессованным распыленным порошкам. Баск установил, что, хотя добавки окислов могут повысить прочность прессованных изделий при повышенных температурах, однако эффект от этого меньше эффекта, который может быть получен в случае использования обычных прессованных изделий из сплавов, содержащих редкоземельные металлы и торий. Это подтверждает опыт с порошками, полученными путем истирания.
Особые материалы, изготовленные путем прессования распыленных порошков. Баск обратил внимание на два особых магниевых материала, которые могут быть изготовлены методами порошковой металлургии: пенистый магний и магниевую шерсть. Совместное прессование с соединениями, которые могут претерпевать термическое разложение, позволяет получить при нагреве пенистый магний. При включении веществ, предотвращающих соединение отдельных частиц, получаются в большом количестве магниевые волокна сравнительно однородных размеров.