Магний и его сплавы

Магний (Mg) — это легкий цветной металл с невысокой температурой плавления (650 °С). В земной коре содержится 2,4 % Mg. Его предел прочности при растяжении σ_в = 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 (σ_в = 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 (σ_в = 260 МПа; δ = 9 %). Отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 330…350 °С, в результате чего магний имеет следующие свойства: σ_в = 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)

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 σ_в 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

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:

1. в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т. д.),
2. в ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), в конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и проч.),
3. 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.).