Магний (Mg) — это легкий цветной металл с невысокой температурой плавления (650 °С). В земной коре содержится 2,4 % Mg. Его предел прочности при растяжении σв = 80…100 МПа; твердость по Бринеллю литого магния составляет 294 МПа.
У магния и его сплавов низкая плотность (ρ = 1,74 г/см3), они отличаются хорошей обрабатываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Теплопроводность магния в 1,5, а электропроводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза меньше, чем у алюминия и модуль нормальной упругости магния. Однако эти металлы близки по удельной жесткости. В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния (ГОСТ 804—72): Мг96 (99,96 % Мg), Мг95 (99,95 % Мg), Мг90 (99,90 % Мg). Примеси Fe, Nb, Cu, Si понижают и без того низкие пластичность и коррозионную стойкость. При нагреве магний активно окисляется и на воздухе (при температуре выше 623 °С) воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Порошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляют большую опасность, поскольку самовозгораются на воздухе при обычных температурах и горят с выделением большого количества теплоты, излучая ослепительно яркий свет.
Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства (σв = 110…120 МПа; σ02 = 20…30 МПа; δ = 6…8 %; НВ 300). Модифицирование цирконием и пластическая деформация, приводящие к измельчению структуры, несколько улучшают механические свойства литого магния (σв = 260 МПа; δ = 9 %). Отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 330…350 °С, в результате чего магний имеет следующие свойства: σв = 190 МПа; σ02 = 98 МПа; δ = 15…17%; НВ 400. Наклеп для упрочнения магния применяют редко, поскольку он вызывает анизотропию свойств.
Низкая пластичность магния при температуре 20…25 °С объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникования и, как следствие, к увеличению пластичности. В связи с этим обработку магния давлением проводят при температуре 350…450 °С в состоянии наибольшей пластичности.
Чистый магний из-за его низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется.
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность. Временное сопротивление отдельных сплавов при их плотности менее 2 г/см3 достигает 250…400 МПа. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Аl, Zn, Mn. Для дополнительного легирования используют цирконий, кадмий, церий, неодим и др. Механические свойства сплавов магния улучшаются при легировании алюминием, цинком, цирконием (при температуре 20…25 °С), при повышенной температуре — добавкой церия, неодима и особенно тория.
Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16…30 ч) для растворения вторичных фаз. Благодаря этому такие сплавы можно закаливать на воздухе, они не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200 °С) и большие выдержки (до 16…24 ч). Наибольшее упрочнение достигается термической обработкой сплавов магния, легированных неодимом.
Временное сопротивление и особенно предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью термомеханической обработки, которая состоит в пластической деформации закаленного сплава перед его старением. Из других видов термической обработки к магниевым сплавам применимы различные виды отжига.
Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Высокие скорости резания и небольшой расход энергии способствуют снижению стоимости обработки резанием деталей из магниевых сплавов по сравнению с другими сплавами. Они удовлетворительно свариваются сваркой (шовной и дуговой). Дуговую сварку рекомендуется проводить в защитной среде из инертных газов. Прочность сварных швов деформируемых сплавов составляет 90 % от прочности основного металла.
К недостаткам магниевых сплавов, наряду с низкой коррозионной стойкостью и малым модулем упругости, следует отнести плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при приготовлении. Плавку и разливку магниевых сплавов ведут под специальными флюсами.
По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам — на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки — на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой. Для повышения пластичности магниевых сплавов их производят с пониженным содержанием вредных примесей (повышенной чистоты). В этом случае к марке сплава добавляют строчные буквы «пч» (например, МЛ5пч или МА2пч).
Деформируемые магниевые сплавы. Химический состав (ГОСТ 14957—76) и типичные механические свойства некоторых деформируемых сплавов представлены в таблице 2.13.
Таблица 1. Свойства деформируемых магниевых сплавов (после закалки и старения)
| Марка сплава | Содержание элементов (остальное Mg), % | Механические свойства | |||||
| σв | σ02 | δ, % | |||||
| Mn | Zn | Al | прочие | МПа | |||
| МА5 | 0,15…0,5 | 0,2…0,8 | 7,8…9,2 | – | 320 | 220 | 14 |
| МА11 | 1,5…2,5 | – | – | 2,5…4,0 Nd 0,1…0,25 Ni | 280 | 140 | 10 |
| МА14 | – | 5,0…6,0 | – | 0,3…0,9 Zr | 350 | 300 | 9 |
| МА19 | – | 5,5…7,0 | – | 0,5…1,0 Zr 0,2…1,0 Cd 1,4…2,0 Nd | 380 | 330 | 5 |
Среди деформируемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы магния с алюминием и сплавы магния с цинком, легированные цирконием, кадмием, серебром, редкоземельными металлами.
Сплавы магния с алюминием содержат 0,2…1,5 % Zn (МА5). Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии. Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованые и штампованные детали сложной формы (например, крыльчатки и жалюзи капота самолета).
Сплавы магния с цинком, легированные цирконием, имеют высокие значения σв и σ02. Большой эффект дает старение, проведенное непосредственно после прессования (штамповки). Такие сплавы применяют для изготовления несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др.).
Литейные магниевые сплавы. По химическому составу многие литейные сплавы магния близки к деформируемым (табл. 2).
Таблица 2. Химический состав и механические свойства литейных магниевых сплавов
| Марка сплава | Содержание элементов (остальное Мg), % | Механические свойства | |||||
| σв | σ02 | δ, % | |||||
| Mn | Zn | Al | прочие | МПа | |||
| МЛ5* | 0,15… 0,5 | 0,2… 0,8 | 7,5…. 9,0 | – | 255 | 120 | 6 |
| МЛ8* | – | 5,5… 6,6 | – | 0,7…1,1 Zr 0,2…0,8 Cd | 255 | 155 | 5 |
| МЛ12* | – | 4,0… 5,0 | – | 0,6…1,1 Zr | 270 | 160 | 6 |
| МЛ9 | – | – | – | 0,4…1,0 Zr 0,2…0,8 Y 1,9…2,6 Nd | 200 | 95 | 8 |
| МЛ10 | – | 0,1… 0,7 | – | 0,4…1,0 Zr 2,2…2,8 Nd | 200 | 95 | 6 |
| МЛ15 | – | 4,0… 5,0 | – | 0,7…1,1 Zr 0,6…1,2 La | 210 | 130 | 3 |
| * Свойства приведены после закалки и старения | |||||||
Преимуществом литейных сплавов перед деформируемыми является значительная экономия металла при производстве деталей, поскольку высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности
отливок почти исключают их обработку резанием. Однако из-за грубозернистой литой структуры они имеют более низкие механические свойства (особенно пластичность). Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизацией отливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов. Перегрев дает хорошие результаты в сплавах с алюминием, выплавленных в железных тиглях. В результате взаимодействия алюминия с железом образуются частицы соединения FeAl3, которые являются дополнительными центрами кристаллизации.
Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогенизации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы. Механические свойства литейных магниевых сплавов, в основном, находятся на уровне свойств литейных алюминиевых сплавов, но, обладая меньшей плотностью, магниевые сплавы превосходят их по удельной прочности.
Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg—Al—Zn, особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия. Для сплавов этой системы характерен более широкий, чем у алюминиевых сплавов, интервал кристаллизации. В результате сплавам этой системы присущи пониженная жидкотекучесть, усадочная пористость, склонность к образованию горячих трещин. С увеличением содержания алюминия литейные свойства сплава сначала ухудшаются, поскольку увеличивается интервал кристаллизации, а затем (при проявлении неравновесной эвтектики) — улучшаются; повышаются прочностные характеристики. Однако из-за большого количества интерметаллидных фаз (в том числе и эвтектических) сплавы с большим содержанием алюминия обладают пониженной пластичностью. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5…10 % Аl (МЛ5, МЛ6). Небольшие добавки цинка способствуют улучшению технологических свойств. Гомогенизация при температуре 420 °С (продолжительностью 12…24 ч) и закалка от этой температуры способствуют повышению прочности и пластичности. Из-за малой скорости диффузии алюминия в магнии сплавы закаливаются при охлаждении на воздухе. Последующее старение при температуре 170…190 °С дополнительно повышает временное сопротивление и особенно предел текучести сплавов. Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях и высокая удельная прочность этих сплавов способствуют их широкому применению. Они применяются:
- в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т. д.),
- в ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), в конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и проч.),
- в приборостроении (корпуса и детали приборов).
Из-за малой способности к поглощению тепловых нейтронов эти сплавы используют в атомной технике, а учитывая их высокую демпфирующую способность, — при производстве кожухов для электронной аппаратуры.
Более высокими технологическими и механическими свойствами при температуре 20…25 °С и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием, а также сплавы, дополнительно легированные кадмием, редкоземельными элементами. Редкоземельные элементы улучшают литейные свойства сплавов. Они снижают склонность сплавов к образованию горячих трещин и пористости, увеличивают прочность при обычных и повышенных температурах. Цирконий значительно измельчает крупнозернистую структуру отливок, способствует очистке сплавов от вредных примесей, а также благоприятно влияет на свойства твердого раствора, повышает температуру рекристаллизации. Кадмий улучшает механические и технологические свойства сплавов. Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).