Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

Рис. 35. Изменение длины /, плотности d, .модуля упругости "для продольных воли /VI и времени задержки т при ступенчатом старении сплава Mg—9% AI. Про­ должительность старения при каждой температуре— 3 ч

шему закреплению дислокаций, затрудняя их колебания при про­ хождении ультразвука. По мере коагуляции выделившихся частиц степень закрепления дислокаций уменьшается и затухание ультра­ звука увеличивается. Такая точка зрения согласуется с тем, что минимум коэффициента затухания ультразвука при распаде твер­ дого раствора приблизительно соответствует максимуму твердости.

Изменение скорости ультразвука. Влияние распада твердого раствора на скорость ультразвука изучалось на сплаве Mg—9%А1. Образцы этого сплава закаливали с 415° охлаждением в воде и старили ступенчато с повышением температуры. Скорость ультра­ звука измеряли на продольных волнах с частотой 10 Мгц.

Результаты испытаний вместе с результатами измерения твер­ дости и удельного электросопротивления, характеризующими сте­ пень распада твердого раствора, показаны на рис. 34. Полученные данные свидетельствуют об увеличении скорости ультразвука по мере выделения из магниевого твердого раствора кристаллов бога­ той алюминием фазы Mg17Al12 [224, 234]. При высоких температурах старения начинается обратное растворение выделившихся из твер­ дого раствора частиц, о чем свидетельствует увеличение удельного электросопротивления, и скорость ультразвука несколько снижа­ ется. Увеличение скорости] ультразвука при выделении из магние­

71

вого твердого раствора кристаллов' фазы Mg17Al12 следовало ожи­ дать исходя из зависимости скорости ультразвука сплавов магнийалюминий от состава (см. рис. 27). Эта зависимость характери­ зуется снижением скорости ультразвука при растворении алюминия в твердом магнии и повышением скорости ультразвука при уве­ личении содержания фазы.

С практической точки зрения наиболее важно знать, как сказы­ вается изменение скорости ультразвука при распаде твердого раст­ вора на такой характеристике звукопроводов, как время задерж­ ки т. Время задержки определяется не только скоростью ультра­ звука, но и размерами звукопровода, так что на него должно влиять также изменение линейных размеров материала. Относительное из­ менение времени задержки при распаде твердого раствора сплава магния с 9% алюминия, соответствующее рассмотренному выше изменению скорости ультразвука и связанных с ней величин, пред­ ставлено на рис. 35.

Разработка сплавов на основе магния для звукопроводов ультразвуковых линий задержки

Исследование влияния на затухание ультразвука в магнии легирования показало, что в качестве материала с низким затуха­ нием ультразвука, который представляет интерес для использования в ультразвуковых линиях задержки, целесообразно применять не чистый магний, а его сплавы. Наиболее-низкие значения коэф­ фициента затухания при концентрациях, в случае которых сплавы сохраняют достаточно высокие технологические свойства, наблю­ даются при добавках редкоземельных металлов — церия и неодима. Учитывая это, системы магний—церий и магний—неодим были взяты в качестве основы при разработке сплавов для звукопроводов. Имея в виду производство сплавов в промышленном масштабе, вместо церия использовали мишметалл. Для мишметалла, обычно в основном состоящего из церия, характерна более низкая стои­ мость и большие производственные возможности.

Влияние на затухание ультразвука в сплавах магний-мишме­ талл и магний-неодим дополнительного легирования. О влиянии дополнительного легирования на затухание ультразвука в сплавах магния с мишметаллом можно судить по данным, приведенным в ра­ боте [235]. При проведении исследования [235] в качестве основы для дополнительного легирования был взят сплав МДЗ-1, содержащий 2% мишметалла; 0,2% Мп; основа Mg. Сплавы готовили в условиях, обеспечивающих получение наиболее низких значений коэффициен­ та затухания сплава МДЗ-1: отливку проводили путем погружения изложницы с расплавом в воду, затем следовало горячее прессование со степенью обжатия около 90% при температуре нагрева слитков до 410—430° и температуре контейнера и матрицы 370—390°.

72

резкое повышение коэффициента затухания наблюдается в случае введения кремния и алюминия. Коэффициент затухания при 10 Мгц возрастает с 5 дб/м до значений более 50 дб/м. К значительному возрастанию коэффициента затухания ультразвука (также свыше 50 дб/м) приводят добавки олова, однако в этом случае небольшие концентрации сказываются в меньшей степени. Добавки висмута, цинка и кадмия повышают коэффициент затухания сплава МДЗ-1, но в меньшей степени, чем кремний, алюминий и олово. Увеличение содержания марганца в сплаве МДЗ-1 до концентрации более 1 % приводит также к повышению коэффициента затухания. В наимень­ шей степени отрицательное влияние дополнительного легирования на звукопроводность сплава МДЗ-1 сказывается в случае добавок кальция. При введении этого элемента в количестве около 0,1% имеет место даже некоторое снижение коэффициента затухания.

Одной из легирующих добавок к магниевым сплавам, которой в последние годы уделяется большое внимание, является цирконий. Он известен как эффективный измельчитель зерна магниевых сплавов в литом состоянии [222]. Поскольку структура слитка оказывает влияние на структуру, образующуюся после обработки давлением, можно было ожидать, что в сплавах с цирконием будет иметь место достаточно мелкое зерно и малое затухание ультра­ звука. Тем не менее исследования влияния циркония на звуко-

- проводность магниевых сплавов не дали положительных результа­ тов, во всяком случае в лабораторных условиях. Цирконий приво­ дил к измельчению зерна слитков сплавов магния с мишметаллом, однако после горячего прессования величина зерна и коэффициент затухания ультразвука сплавов с цирконием и без него оказыва­ лись на одном уровне.

При исследовании влияния дополнительного легирования на затухание ультразвука в сплавах магний-неодим были получены результаты, аналогичные полученным в случае сплавов магниймишметалл .

Изменение звукопроводности сплавов магний-мишметалл и маг­ ний-неодим при дополнительном легировании имеет различные причины, и в случае каждой легирующей добавки необходимо специальное рассмотрение этого вопроса. Можно лишь высказать некоторые соображения, которые в основном носят предположи­ тельный характер. Так, резкое повышение коэффициента затухания при введении в сплавы магний-мишметалл и магний-неодим алюми­ ния и олова, по-видимому, связано с уменьшением растворимости редкоземельных металлов в твердом магнии [236, 237].

Образование твердых растворов и способность к дисперсионному распаду оказывают сильное влияние на процессы рекристаллизации [238—240], так что снижение растворимости редкоземельных ме­ таллов в твердом магнии должно сказаться на размерах и форме зерен, образующихся при обработке давлением и термической обра­ ботке. Уменьшение растворимости неодима и церия в твердом маг­ нии может также привести к увеличению затухания ультразвука,

73

связанного с колебанием дислокаций. В случае добавок марганца, кремния и висмута увеличение затухания ультразвука можно объя­ снить образованием в структуре фаз: Мп, Mg2Si и Mg3Bi2, кото­ рые имеют модули упругости и плотность, значительно отличающиеся от модулей упругости и плотности магниевого твердого раствора (см. табл. 2). В определенной степени повышению коэффициента затухания должна способствовать не полностью рекрнсталлнзованная структу­ ра, образующаяся в некоторых сплавах.

На основании исследования влияния дополнительного легиро­ вания на затухание ультразвука в сплавах магний-мишметалл и магний-неодим были определены две системы, которые были при­ няты для сплавов с низким затуханием ультразвука. Первая си­ стема — магний—мишметалл—марганец. Сплав этой системы полу­ чил название МДЗ-1 и имел состав 0,5—2,0% ММ; 0,15—0,6% Мп;. основа Mg [241]. Содержание мишметалла в сплаве было установлено на основании исследования двойной системы таким образом, чтобы обеспечить достаточно устойчивые низкие значения коэффициента затухания и в то же время не снизить технологические характери­ стики за счет образования в структуре значительного содержания хрупкой фазы, богатой мишметаллом.

Добавка марганца должна была способствовать повышению коррозионной стойкости. В связи с отрицательным влиянием мар­ ганца на звукопроводность сплавов магния с мишметаллом жела­ тельно поддержание его на нижнем пределе, т. е. 0,2—0,3%. В спла­ ве должно быть ограничено содержание элементов, отрицательно влияющих на звукопроводность: кремния, алюминия и олова.

звукопроводность. Марганец должен был способствовать повыше­ нию коррозионной стойкости. Сплав этой системы получил название МДЗ-2 и имел состав: 2—4% Nd; 1,0—1,5% Са; 0,15—0,4% Мп;

основа Mg [242]. Содержание алюминия в сплаве, как случайной примеси, должно быть не более 0,05%.

Сплавы МДЗ-1 и МДЗ-2 были исследованы с точки зрения влияния на; их свойства условий литья, обработки давлением

и термической обработки. Были проведены опытные плавки сплавов

впромышленных условиях и изготовлены полуфабрикаты в виде полос и плит, которые были испытаны в качестве материалов для звукопроводов ультразвуковых линий задержки.

Влияние на звукопроводность магниевых сплавов гомогениза­ ции слитков. Влияние гомогенизации слитков на коэффициент затухания ультразвука наиболее подробно изучали на сплаве МДЗ-2. Сплав МДЗ-2 содержит в качестве основной легирующей добавки неодим, который обладает довольно высокой раствори­ мостью в твердом магнии при повышенных температурах. Вследст­ вие этого в сплаве влияние гомогенизации на структуру и свойства должно было проявляться более отчетливо.

74

Измерения показали, что с увеличением температуры гомоге­ низации до 500’ коэффициент затухания ультразвука практически не изменяется. Гомогенизация при 520° приводит к заметному воз­ растанию затухания ультразвука.

ккакому-либо заметному снижению коэффициента затухания. Влияние на звукопроводность сплавов МДЗ-1 и МДЗ-2 темпе­

ратуры прессования. Учитывая зависимость коэффициента затуха­ ния ультразвука от величины зерна и завершенности процесса рекристаллизации, температура деформации сплавов для звукопроводов должна выбираться таким образом, чтобы получить структуру с мелким рекристаллнзованным зерном. Для сплава МДЗ-1 в случае горячего прессования со степенью обжатия около 90% такая структура получается при нагреве слитков до температу­ ры порядка 400'. Для сплава МДЗ-2 — до температуры, несколько большей, чем для сплава МДЗ-1. При повышении или понижении температуры прессования на 50’ по сравнению с оптимальной темпе­ ратурой несколько повышается коэффициент затухания ультра­ звука в случае обоих сплавов. Однако в общем зависимость затуха­ ния от температуры прессования довольно слабая, так что низкие значения коэффициента затухания могут быть достигнуты в сравни­ тельно широком диапазоне температур деформации. Это облегчает производство полуфабрикатов из сплавов МДЗ-1 и МДЗ-2 с низкими значениями коэффициента затухания ультразвука в производствен­ ных условиях.

Обычно принят режим прессования для сплавов МДЗ-1 и МДЗ-2 при степени обжатия около 90%: температура нагрева слитков 410—430' при температуре контейнера на 20—40' ниже. При зна­ чительно более низкой температуре прессования (порядка 350е) структура оказывалась не полностью рекристаллизованной. При температуре прессования порядка 450’ и выше наблюдалось обычно более крупное рекристаллизованное зерно.

Влияние термической обработки. В связи с малым изменением коэффициента затухания ультразвука при распаде пересыщенного твердого раствора проведение обработки на твердый раствор и ста­ рения для магниевых сплавов, предназначенных для изготовления звукопроводов, нецелесообразно. Термическая обработка может оказаться, однако, полезной для завершения процесса рекристал­ лизации в том случае, когда при обработке давлением она пол­ ностью не проходит.

На рис. 36 показано влияние отжига на затухание ультразвука в отдельных образцах сплава МДЗ-2, которые после горячего прес­ сования имели не полностью рекристаллизованную структуру. Мож­ но видеть, что минимум затухания ультразвука, связанный с завер­

75

К. , ди/дд. путь

Рис. 36. Влияние ступен­ чатого отжига (8 ч при каждой температуре) на затухание ультразвука в частично рекрпсталлизованных образцах сплава МДЗ-2; продольные волны

Если после горячего прессования или прокатки сплавы имеют полностью рекристаллизованную структуру, дополнительный от­ жиг при температуре порядка 400° не приводит к существенному снижению коэффициента затухания. При более высоких темпера­ турах отжига, когда наблюдается рост зерен, коэффициент затуха­ ния резко возрастает.

Свойства сплава МДЗ-1, выпускаемого промышленностью. Сплав МДЗ-1 был внедрен в промышленность и нашел широкое применение для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки. Он включен в ГОСТ под названием МА17 [243]. На полученных прокаткой плитах сплава МА17, выпускаемых промышленностью, достигаются значения коэффициента затухания ультразвука, ука­ занные ниже:

76