Влияние скандия на физико-химические свойства сплава АМГ4

получен в вакуумной печи сопротивления типа СНВ-1.1.1/16ИЗ. Легирование сплава АМг4 лигатурой осуществляли в открытых шахтных печах типа СШОЛ.

Структуру сплавов изучали с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 при увеличениях 200 крат. Твердость сплавов по Бринеллю измерили согласно стандартной методике на приборе ТШ-2. Среднее значение определили по результатам 5 измерений.

Структура сплава AMг4, легированного скандием представляет собой - твердый раствор с включением эвтектики ( a -Al+Mg 5 Al 8 ), количество и размер которой зависят от содержания скандия в сплаве. Сплавы с относительно малыми добавками скандия характеризуются довольно крупно зернистой микроструктурой. Дальнейшее повышение содержания скандия измельчает микроструктуру, и она становится однородной и мелкозернистой.

Кинетику окисления изучали методом термогравиметрии, основанной на непрерывном взвешивание образца подвешенного на откалиброванной молибденовой пружине с помощью катетометра КМ-8 при постоянной температуре [2,3]. Результаты исследования влияния скандия на кинетические параметры процесса окисления сплава АМг4 приведены в табл. 1.

Добавка скандия в количестве 0.01 масс. % незначительно снижает скорости окисления исходного сплава. Добавки скандия влияют на окис-ляемость алюминия таким же образом [3]. Дальнейшее повышение концентрации скандия в пределах исследованных составов также снижают скорости окисления. Если, при легировании сплава 0.05 масс. % скандием при температуре 773К скорость окисления составляет 4.6·10-3 кг/м2·сек, то при этой же температуре и увеличении концентрации легирующей добавки в два раза

Рис. 1. Микроструктура ( X 200) сплава АМг4, легированного скандием (содержание скандия в сплавах указано на рисунке)

Таблица 1. Кинетические и энергетические параметры процесса окисления твердого алюминиевого сплава АМг4, легированного скандием

Содержание скандия в сплаве АМг4, масс. %.	Температура окисления, К	Истинная скорость окисления, К∙10-3 кг/м2 ∙сек.	Кажущаяся энергия активации, кДж/моль
0.0	773	5,2	102,3
	673	5,9
	873	6,3
0.01	773	5,1	129,5
	673	5,6
	873	6,02
0.05	773	4,6	142,2
	673	5,2
	873	5,7
0.1	773	4,3	153,5
	673	4,9
	873	5,2
0.5	773	4,55	128,7
	673	5,05
	873	5,5

(до 0,1 масс.%) скорость окисления снижается до 4,3· 10-3 кг/м2·сек (табл. 1). Этот закономерность можно отслеживать и по величинам кажущейся энергии активации, так как она обратно пропорционально скорости окисления. Увеличение содержания скандия до 0,5 масс.% несколько увеличивает скорость окисления исходного сплава. Температурная зависимость теплоемкости, коэффициента теплоотдачи и термодинамические функции сплавов изучали в режиме “охлаждения” в интервале температур 300-800К. Измерения проводились на установке, описанной в работе [4]. Эксперимен- тально полученные зависимости температуры охлаждения образцов сплава АМг4, легированного скандием от времени описываются уравнением:

T = ae^{-b T} +pe^{-k T} . (1)

Дифференцируя уравнение (1) зависимости температуры охлаждения образцов (Т) от времени по т , получаем уравнение температурной зависимости скорости охлаждения сплава АМг4 со скандием в виде:

dT dT

- ab exp ( - Ь т ) - ркк exp( - к т ).

Рис. 2. Температурная зависимость скорости охлаждения сплава АМг4, легированного скандием

Значения коэффициентов a, b, p, k, ab, pk в уравнении (2) приведены в табл.2. Вся обработка результатов производилась на MS Exzell и графики строились с помощью программы Sigma Plot. Коэффициент регрессии составляет не менее 0,998.

Для расчета удельной теплоемкости исследованных сплавов был использован коэффициент теплоотдачи ( а ) сплава марки АМг4, которое вычислялось по уравнению:

|«амг 4 ( T )| = - 2.9820 - 0.0138 T + + 0.0001173 T ² - 8.8945 - 10 ⁸ T ³

По имеющимся в литературе данным по теплоемкости алюминия, магния и сплава АМг4 [5] и экспериментально полученным величинам скорости охлаждения вычислили температурную зависимость коэффициента теплоотдачи сплава по уравнению (4) Результаты расчёта представлены в табл. 3.

Далее с помощью программы Sigma Plot обрабатывая имеющейся литературные и экспериментальные данные по теплоемкости сплава АМг4 и скандия [5] получили следующие уравнения температурной зависимости удельной теплоемкости для сплава АМг4 и скандия (в скобках указаны соответствующие коэффициенты регрессии) :

Таблица 2. Значения коэффициентов a, b, p, k, ab, pk в уравнение (2)

Содержание Scв сплаве АМг4,мас.%:	a, K	b, 10-3 c-1	P, K	k,10-n c-1	ab, Kc-1	pk, Kc-1
0,0	427,96	3,1	353,12	9,82∙10-5	1,32	0,03
0,01	542,99	4,57	346,83	1,29∙10-4	2,48	0,04
0,05	557,18	4,36	354,99	1,45∙10-4	2,41	0,05
0,1	522,33	4,03	354,94	1,30∙10-4	2,10	0,04
0,5	523,39	4,26	358,25	1,48∙10-4	2,22	0,05

Таблица 3. Температурная зависимость коэффициента теплоотдачи (Вт/К• м²) сплава АМг4 со скандием

Т,К	Содержание скандия в сплаве АМг4, мас.%
	0.0	0.01	0.05	0.1	0.5
300	3,43	7,31	7,4645	8,8878	12,642
350	6,56	12,64	12,84472	15,2472	21,2561
400	10,27	19,65	19,9696	23,6542	32,8716
450	14,56	28,33	28,83912	34,1088	47,4885
500	19,44	38,69	39,4533	46,611	65,1068
550	24,91	50,73	51,81212	61,1608	85,7265
600	30,97	64,44	65,9156	77,7582	109,3476
650	37,61	79,83	81,76372	96,4032	135,9701
700	44,83	96,90	99,3565	117,0958	165,594
750	52,65	115,64	118,6939	139,836	198,2193
800	61,05	136,06	139,776	164,6238	233,846

C P АМг ⁴ = 415 .2996 + 1.0233 t -

• - 0.00064973 T ² + 1.0236 ■ 10 ^-6 T ³ , (R=1,0000), (5)

0.01%Sc C P = 415.3071 + 1.0232 T +

+ 6.4962 ■Ю ^-4 T ² - 1.023 5 - 10 ^{- 6} T ³ 0.05%Sc C _P = 415.3369 + 1.0230 T +

C S = 489 .8333 + 0.3765 t +

^P                                , (R=1,0000). (6)

+ 4.7143 ■ 10 " ⁴ T ² + 3.0556 ■ 10 ^{- 7} T ³

Используя значения коэффициента теплоотдачи сплавов, была вычислена удельная теплоемкость сплавов со скандием по уравнению (7)

I«T ) =            .   (7)

Для сплава АМг4 легированного скандием, получены следующие уравнения:

+ 6.4917 - 10 ^-4 T ² - 1.0229 - 10 ^{- 6} T ³

0.1%Sc C_P = 415.3 741 + 1.0227 T +

+ 6.4861 ■ 10 ^-4 T ² - 1.0223 - 10 ^{- 6} T ³

0.5% Sc C P = 415.6723 + 1.0201 T +

+ 6.4412 " 10 ^-4 T ² - 1.0170 ■Ю ^{- 6} T ³ .(8)

Вычисленные значения Ср для сплавов АМг4 со скандием через 50 К представлены в табл. 4.

Приведенные в табл. 4 данные удельной теплоёмкости сплава АМг4, содержащего скандия характеризуются незначительным уменьшением величины удельной теплоёмкости с повышением концентрации скандия в сплаве. С повышением температуры независимо от состава сплава наблюдается заметный рост величины удельной теплоёмкости сплавов.

Влияние исследованных редкоземельных металлов на твердость сплава АМг4 характеризуется повышением твердости сплава, что можно объяснить образованием твердого раствора. Наиболее положительное влияние среды исследованных элементов оказывает скандий.