Марганцево-медные сплавы

1

УДК 669.017.118: [669.74.055:669.3]

Е. М. Гринберг, д-р техн. наук, проф., (4872)35-05-81, fmm@tsu.tula.ru,

Г. В. Маркова, д-р техн. наук, проф., (4872)35-05-81, fmm@tsu.tula.ru,

Е. С. Клюева, асп., (4872)35-05-81, klueva.ekaterina@mail.ru,

H. Н. Бакулина, студ., (4872)35-05-81, fmm@tsu.tula.ru

Е. М. Серегина, студ., (4872)35-05-81, genek7chertenok@yandex.ru

(Россия, Тула, ТулГУ)

ИССЛЕДОВАНИЕ СПИНОДАЛЬНОГО РАСПАДА И КИНЕТИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ α-Mn ПРИ СТАРЕНИИ ЗАКАЛЕННОГО

СПЛАВА Mn-25Cu

Дюрометрическим и рентгеноструктурным анализами исследовали кинетику выделения α-Mn при старении закаленного Mn-25Cu сплава, полученного методами порошковой металлургии. Определили, что процесс выделения α-Mn по границам зерен является диффузионно-контролируемым. И рост частиц α-фазы, в зависимости от температуры старения  идет по разным механизмам.

Ключевые слова: Mn-Cu сплавы, порошковая металлургия, спинодальный распад, закалка, старение, микротвердость, рентгеноструктурный анализ, кинетика.

Сплавы системы Mn-Cu наиболее известны как сплавы высокого демпфирования. По соотношению прочностных и демпфирующих характеристик марганцево-медные сплавы не имеют равных среди металлических материалов. Однако литые марганцево-медные сплавы вследствие ликвационной неоднородности плохо штампуются и прокатываются. Применение порошковой технологии для получения сплавов системы Mn-Cu, обеспечивающей высокую степень однородности материала, представляется весьма перспективным.

В закаленном состоянии Mn-Cu-сплавы с содержанием марганца более 40 % имеют структуру γ-фазы, представляющей собой однородный твердый раствор с ГЦК решеткой. В ходе последующего старения при температурах 673...873 К происходит метастабильное расслоение γ-фазы по спинодальному механизму на две изоморфные высокодисперсные ГЦК-фазы: обедненную марганцем и обогащенную им. Это метастабильное расслоение по времени предшествует выделению из γ-фазы равновесной фазы α-Мn.

Обычно рекомендуемая термическая обработка, обеспечивающая максимальную демпфирующую способность, состоит из закалки и последующего старения в области спинодального распада. Известно, что выделение стабильной α-фазы из исходного γ-твердого раствора приводит к росту твердости и уменьшению демпфирующей способности сплавов системы Мn-Сu [1, 2, 3], поэтому возникает необходимость выявления связи кинетики и механизма распада с составом сплава.

Для литых сплавов системы Mn-Cu границы области расслоения исследовали дюрометрическим, нейтронографическим и рентгеновским методами анализа [4, 5]. Для порошковых сплавов, отличающихся более высокой однородностью структуры и распределения легирующих элементов, количество подобных исследований невелико [6, 7, 8].

В связи с этим в данной работе исследовали механизм и кинетику распада закаленного сплава Mn-25Cu, полученного методами порошковой металлургии, при помощи дюрометрического, металлографического и рентгеноструктурного анализа.

Материалы и методики исследований

Исходные порошки получали распылением расплава на основе марганца с добавкой катодной меди. Спекание полученного порошка производили в капсулах с одновременным рафинированием, далее следовала горячая экструзия. Химический состав сплава Mn-25Cu приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав сплава Mn-25Cu [6]

Из заготовок сплава изготавливали токарной обработкой образцы для испытаний.

Термическую обработку образцов проводили в лабораторной трубчатой электропечи «СУОЛ 0,4.4/12» с вакуумируемой кварцевой трубкой. Образцы помещали в заранее нагретую до заданной температуры печь. Температуру измеряли хромель-алюмелевой термопарой с точностью ± 5 °С. Закалку проводили с температуры 830 °С в 10 %-ом водном растворе NaCl.

Режимы старения выбирали, исходя из диаграммы состояния Mn-Cu (рис. 1), вблизи границы метастабильной области расслоения в температурном интервале от 440 до 595 °С, время выдержки варьировали от 0,17 до 30 ч в зависимости от температуры старения, охлаждение производили на воздухе.

Рис. 1 – Часть диаграммы состояния системы Mn-Cu: 1 – метастабильная область расслоения; 2 – химическая спинодаль; 3 – когерентная спинодаль; 4 – температуры мартенситного превращения в закаленных сплавах; 5 – температуры мартенситного превращения в состаренных сплавах [5]

Выявление структуры проводили реактивом следующего состава: 5 г FeCl3 + 30 мл HCl + 100 мл Н2О [9]. Перед измерениями микротвердости и металлографическим анализом осуществлялось трехкратное травление, чередующееся с переполированием травленого слоя. Полученную микроструктуру анализировали на оптическом микроскопе «Observer D. 1 m» фирмы «ZEISS» при различных увеличениях. Количественную оценку, выделившейся при старении фазы, проводили с помощью специального модуля «Automattic Measurement Programs».

Измерения микротвердости проводились на твердомере ПМТ-3 в соответствии с ГОСТ 9450-76. В качестве результата измерений принимали среднее значение из 50 измерений, распределенных случайным образом по поверхности шлифа. Погрешность измерений не превышала 3 %.

Рентгеноструктурные исследования производили на дифрактометре «ДРОН-2.0». Съемку дифрактограмм производили в кобальтовом Кα-излучении непрерывно в интервале углов 2θ от 46° до 53°, шаг сканирования составлял 1°, интенсивность излучения – 100 имп/с.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Для определения однородности структуры закаленного сплава Mn-25Cu проводили измерения микротвердости при нагрузке на индентор 0,1; 0,2; 0,5 и 1 Н. Данные статистической обработки результатов 50 измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты статистической обработки измерений микротвердости

закаленного сплава Mn-25Cu

В таблице 2 - среднее значение длины диагонали отпечатков микротвердости, а - среднее значение микротвердости для данной величины выборки. Видно, что значение микротвердости с увеличением нагрузки возрастает, тогда как разброс единичных результатов измерений уменьшается.

Типичная гистограмма распределения диагоналей отпечатков при измерениях микротвердости на закаленном образце сплава показана на рисунке 2. Видно, что это распределение хорошо согласуется с нормальным законом распределения, что, в свою очередь, указывает на высокую однородность материала.

Рис. 2 - Гистограмма распределения длин диагоналей отпечатков микротвердости для закаленного образца сплава Mn-25Cu

В качестве сравнительной оценки однородности структуры закаленного марганец-медного сплава можно использовать результаты аналогичных измерений, выполненных на стандартной мере твердости при нагрузке на индентор 1 Н. Коэффициент вариации для меры твердости больше, чем для сплава (2,0 и 1,7 %, соответственно), что свидетельствует о высокой однородности исследуемого сплава в закаленном состоянии.

Периодические измерения микротвердости, проводимые в ходе вылеживания закаленного образца сплава при комнатной температуре на протяжении 5 месяцев, с высокой степенью надежности показали, что в течение указанного времени твердость в пределах погрешности измерений не изменяется.

В работе [4] с использованием анализа измерения микротвердости определено положение спинодали для литых сплавов системы Mn-Cu с 20, 30, 40, 50 и 60 % Cu. Для сплава с 25 % Cu начало распада наблюдалось при температуре старения ~ 585 °С.

Для определения верхней границы области спинодального распада исследуемого сплава Mn-25Cu проводили измерения микротвердости на закаленных образцах, подвергнутых старению при различных температурно-временных режимах (таб. 3).

За оценку изменения микротвердости после старения принимали ее относительное изменение по сравнению с закаленным состоянием:  %.

Как видно из таблицы 3, значения микротвердости и коэффициента вариации после закалки колеблются в узких пределах. На рисунке 3 представлен характер изменения микротвердости и коэффициента вариации после старения при различных температурах в течение 0,3 ч (20 минут).

При принятой продолжительности старения в интервале 595...575 °С (выдержка 0,3 ч) и микротвердость в пределах погрешности измерений, и коэффициент вариации не изменяются. Следовательно, при указанных режимах старения распад еще не наблюдается.

Таблица 3

Результаты статистической обработки измерений микротвердости закаленных и состаренных образцов сплава Mn-25Cu