Магний в промышленности: уникальные характеристики и сплавы

Магний — это очень лёгкий металл, который широко используется в промышленности благодаря своей малой плотности и хорошей прочности. Он легко поддаётся обработке, хорошо отливается в формы и используется в производстве сплавов с улучшенными свойствами. Благодаря этим качествам магний применяется в автомобильной, авиационной, электронной и других отраслях, где важно уменьшить вес изделий. В этом тексте рассмотрим, какие свойства имеет магний, как его можно улучшать с помощью легирования и термообработки, где применяются его сплавы и в чём их преимущества по сравнению с другими материалами.

Несмотря на ряд ограничений — таких как низкая коррозионная стойкость и пожароопасность в определённых условиях — магний и его сплавы всё активнее находят применение в инженерной практике благодаря постоянному совершенствованию технологий легирования, обработки и литья.

Магний был открыт в начале XIX века английским химиком Хемфри Дэви, который в 1808 году выделил его в виде амальгамы. В чистом виде магний впервые получен в 1828 году французом Антуаном Бюсси. Широкое промышленное применение магний начал получать лишь в XX веке, когда были разработаны методы электролитического получения металла из природных соединений, таких как магнезит и доломит.

Во времена Второй мировой войны магниевые сплавы использовались в авиационной промышленности, где каждый грамм массы имел значение. С тех пор интерес к магнию возрастал с развитием технологий в сферах, где требуется высокая удельная прочность при минимальном весе конструкции.

Магний (Mg) представляет собой металл светлого оттенка, обладающий небольшой плотностью и низкой температурой плавления — около 650 °С. Содержание этого элемента в земной коре достигает 2,4 %. Предел прочности магния при растяжении составляет σ_в = 80…100 МПа, а его твердость, определяемая по методу Бринелля для литого состояния, достигает 294 МПа.

Одной из характерных особенностей магния и его сплавов является их крайне малая плотность — всего ρ = 1,74 г/см³. Благодаря этому свойству, а также высокой способности поглощать и рассеивать вибрации и ударные импульсы, эти материалы находят применение в ответственных узлах техники. К положительным характеристикам также можно отнести отличную обрабатываемость резанием. Однако теплопроводность у магния примерно в 1,5 раза ниже, чем у алюминия, а электрическая проводимость уступает алюминию примерно в два раза. Модуль упругости нормального направления у магния также ниже алюминиевого почти на 50 %, но по удельной жесткости оба материала близки.

По стандарту ГОСТ 804—72 выделяются следующие марки магния в зависимости от доли примесей:

• Мг96 (содержит 99,96 % чистого магния);
• Мг95 (99,95 % основного вещества);
• Мг90 (99,90 % Mg).

Среди вредных примесей, негативно влияющих на характеристики пластичности и сопротивляемости к коррозии, можно выделить железо, ниобий, медь и кремний. Магний имеет склонность к быстрой и интенсивной окисляемости при нагревании. При температуре выше 623 °С, находясь в воздушной среде, он легко воспламеняется. Поэтому плавление и литье магния требуют строгих мер предосторожности. Особенно опасны порошкообразные формы, мелкая стружка и лента: при обычной температуре они способны самопроизвольно воспламеняться, создавая сильный тепловой поток и ослепительное свечение.

Литой магний характеризуется крупнозернистой структурой и довольно низкими механическими характеристиками: предел прочности составляет σ_в = 110…120 МПа, предел текучести σ₀₂ = 20…30 МПа, относительное удлинение δ = 6…8 %, а твердость НВ может достигать 300. Чтобы улучшить эти свойства, прибегают к модифицированию цирконием и проводят пластическую деформацию, что приводит к измельчению зерен и увеличению прочности до σ_в = 260 МПа и δ = 9 %.

Для снятия остаточных напряжений от пластической деформации проводят отжиг при температуре 330…350 °С. После термообработки металл демонстрирует улучшенные показатели:

• σ_в = 190 МПа;
• σ₀₂ = 98 МПа;
• δ = 15…17 %; НВ 400.

Следует отметить, что наклеп как метод упрочнения применяется редко, так как вызывает выраженную анизотропию механических свойств магния.

Пониженная пластичность магния при комнатной температуре (20…25 °С) обусловлена гексагональной кристаллической решеткой, в которой скольжение протекает только в базисных плоскостях. При увеличении температуры пластичность возрастает, что связано с активацией дополнительных плоскостей скольжения и механизмов двойникования. Поэтому процессы обработки магния давлением осуществляют при температурах 350…450 °С, когда достигается оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Из-за низких механических характеристик чистый магний практически не используется в качестве конструкционного материала. Однако магниевые сплавы, напротив, обладают высокой удельной прочностью. При плотности менее 2 г/см³ временное сопротивление сплавов может достигать 250…400 МПа. Основными легирующими элементами являются алюминий, марганец и цинк. Для улучшения эксплуатационных свойств также применяют цирконий, неодим, кадмий и церий. Легирование магниевых сплавов алюминием, цинком и цирконием повышает их прочность при комнатной температуре, а добавки церия, тория и неодима способствуют улучшению термостойкости.

Увеличение температуры способствует росту растворимости легирующих компонентов, что позволяет проводить термическое упрочнение — закалку и искусственное старение. Однако из-за низкой скорости диффузии в твердом растворе магния требуется длительное выдерживание при высоких температурах (до 30 ч при нагреве для закалки), что усложняет процесс. Тем не менее, медленная диффузия обеспечивает устойчивость к естественному старению и допускает воздушное охлаждение. Искусственное старение выполняется при 200 °С с выдержками до 24 часов, что позволяет получить максимально возможное упрочнение, особенно в сплавах, содержащих неодим.

Существенное увеличение прочности и особенно предела текучести достигается путем термомеханической обработки, включающей предварительную деформацию после закалки и перед старением. Кроме того, к магниевым сплавам применяются различные виды отжига, направленные на стабилизацию структуры.

Обрабатываемость магниевых сплавов резанием превосходит таковую у стали, алюминиевых и медных сплавов. Это проявляется в высоких скоростях обработки, меньшем энергопотреблении и, как следствие, снижении себестоимости. Кроме того, такие сплавы легко полируются и шлифуются. Сварка (в том числе шовная и дуговая) применима, но требует инертной газовой защиты. Прочность сварных соединений составляет до 90 % от прочности основного материала.

Наряду с преимуществами, магниевые сплавы обладают рядом недостатков: низкая коррозионная устойчивость, малый модуль упругости, склонность к насыщению газами, повышенная реактивность при расплавлении, ограниченные литейные свойства. Плавку и разливку производят в присутствии специальных защитных флюсов.

По способу производства магниевые сплавы делятся на:

• литейные (МЛ);
• деформируемые (МА).

По уровню прочности различают:

• сплавы средней и пониженной прочности,
• высокопрочные,
• жаропрочные сплавы.

По способности к упрочнению термической обработкой сплавы классифицируют на:

• сплавы, упрочняемые термически,
• сплавы, не подвергающиеся упрочнению термической обработкой.

Для улучшения пластических свойств изготавливаются сплавы повышенной чистоты с минимальным содержанием вредных примесей. Такие материалы маркируются добавлением индекса «пч» (например, МЛ5пч или МА2пч).

Деформируемые магниевые сплавы

Типовые значения механических свойств и химический состав деформируемых магниевых сплавов согласно ГОСТ 14957—76 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства деформируемых магниевых сплавов (после закалки и старения)

Среди обрабатываемых давлением магниевых сплавов наивысшие прочностные характеристики демонстрируют системы на основе магния с добавлением алюминия, а также сплавы магния с цинком, обогащённые цирконием, серебром, кадмием и элементами из группы редкоземельных металлов.

Магниевые сплавы с алюминием, в частности марка МА5, в своём составе содержат цинк в количестве от 0,2 до 1,5 %. Эти легирующие компоненты, а именно цинк и алюминий, характеризуются хорошей растворимостью в магниевой матрице, что обеспечивает им высокую совместимость. За счёт этого обеспечивается отличная технологичность при обработке, включая деформирование и штамповку, что позволяет создавать детали сложных геометрических конфигураций — таких, как капотные жалюзи и крыльчатки воздушных винтов, используемые в авиационной технике.

Магниевые сплавы с высоким содержанием цинка, в сочетании с цирконием в качестве дополнительного легирующего элемента, отличаются повышенными пределами временного сопротивления (σ_в) и текучести (σ₀₂). Существенное увеличение прочностных характеристик достигается при проведении процесса искусственного старения непосредственно после горячего деформирования, такого как штамповка или прессование. Эти материалы востребованы в производстве деталей, не подлежащих сварке, но рассчитанных на эксплуатацию в условиях значительных механических нагрузок. Их применяют при создании конструктивных элементов обшивки авиационных машин, в компонентах подъёмных механизмов, автомобильных узлах, а также в деталях промышленного текстильного оборудования, включая ткацкие машины.

Литейные магниевые сплавы

По своему химическому составу большинство магниевых сплавов, предназначенных для литья, во многом аналогичны сплавам, используемым для пластической деформации (см. табл. 2).

Таблица 2. Состав по элементам и механические характеристики литейных магниевых сплавов

Главным достоинством литейных магниевых сплавов по сравнению с деформируемыми аналогами является возможность значительного снижения расхода металла на изготовление деталей. Это обеспечивается за счет высокой точности геометрии и отличного качества поверхности отливок, что зачастую позволяет исключить необходимость механической обработки. Однако наличие крупнозернистой структуры, формирующейся при кристаллизации, обуславливает относительно низкий уровень прочности и особенно пластичности.

Повышение характеристик прочности достигается за счет комплекса мер: от теплового перегрева и модификации до гомогенизации и использования чистых исходных компонентов при плавке. Так, перегрев эффективен для сплавов с высоким содержанием алюминия, особенно если плавка производится в железных тиглях. При этом взаимодействие железа с алюминием ведет к образованию частиц FeAl₃, которые играют роль дополнительных зародышей кристаллов.

В качестве модифицирующих добавок применяются такие вещества, как магнезит, мел и цирконий. Проведение гомогенизации способствует растворению крупных интерметаллидных образований, отрицательно влияющих на пластичность и прочность. По уровню прочности литейные магниевые сплавы сопоставимы с литейными алюминиевыми, но благодаря меньшей плотности обеспечивают более высокую удельную прочность.

Наиболее широко применяются сплавы на основе системы Mg—Al—Zn, особенно те, что характеризуются повышенной концентрацией алюминия. Для данной системы типичен довольно широкий температурный диапазон кристаллизации, что отличает их от алюминиевых аналогов. Вместе с тем это обуславливает склонность к пористости, горячим трещинам и сниженной жидкотекучести.

При росте содержания Al литейные качества вначале ухудшаются из-за увеличенного интервала кристаллизации, но с достижением неравновесной эвтектики улучшаются: повышается прочность, хотя пластичность может снижаться из-за формирования множества интерметаллидных фаз. Наиболее сбалансированными по прочности и литейным характеристикам являются сплавы, содержащие 7,5…10 % Al (например, МЛ5, МЛ6).

Добавки цинка оказывают благотворное влияние на технологичность. Проведение гомогенизационной термообработки при температуре 420 °C в течение 12…24 часов с последующей закалкой повышает прочность и пластические свойства. Закалку проводят на воздухе, так как алюминий медленно диффундирует в структуре магния. После закалки дополнительное старение при 170…190 °С способствует увеличению как временного сопротивления разрыву, так и предела текучести.

Благодаря небольшой плотности и высокой удельной прочности, магниевые сплавы широко используются в различных отраслях:

1. в авиационной промышленности (корпуса насосов, редукторов, приборов, дверные и фонарные конструкции кабин и др.),
2. в ракетных системах (обтекатели, баки под топливо и кислород, элементы стабилизации, корпусные узлы), а также в автомобилестроении — в частности, в гоночных авто (детали колес, насосы, корпусные элементы),
3. в производстве приборов (корпусные компоненты, конструктивные элементы).

Кроме того, магниевые сплавы востребованы в атомной энергетике — за счет низкой способности к захвату тепловых нейтронов. Их высокое внутреннее демпфирование делает их подходящими для изготовления кожухов и корпусов в электронной аппаратуре.

Более высокие показатели технологичности и прочности при комнатной температуре (20…25 °С), а также при нагреве демонстрируют сплавы на основе магния с цинком и цирконием. Добавки кадмия и редкоземельных элементов (РЗЭ) способствуют улучшению литейных характеристик, понижению склонности к трещинам и порообразованию, увеличивают термостойкость и предел прочности при высоких температурах.

Цирконий выполняет важную роль в структуре: он значительно измельчает зерно, способствует удалению вредных примесей и стабилизирует твердорастворенное состояние, повышая температуру начала рекристаллизации. Кадмий, в свою очередь, усиливает как технологические, так и прочностные параметры. Высокопрочные литейные магниевые сплавы незаменимы при производстве ответственных деталей летательных аппаратов и двигателей: таких как фермы шасси, корпуса компрессоров, элементы картеров, стойки управления и другие нагруженные части.

Интересные факты о магнии:

• Магний — восьмой по распространённости элемент в земной коре, а его соединения содержатся в морской воде, из которой он также может быть извлечён.

• Свет, излучаемый при горении магния, настолько яркий, что используется в пиротехнике и сигнальных устройствах, а раньше — даже в фотоспышках.

• Магниевые сплавы применяются в конструкциях спутников и космических аппаратов из-за их минимальной массы и приемлемой прочности.

• Из-за высокой демпфирующей способности магний используется в деталях, где важна виброустойчивость: в аудиотехнике, электронике, автомобильных двигателях.

• Цирконий в магниевых сплавах играет роль модификатора структуры, способствуя очистке расплава и улучшению кристаллической решетки, что повышает механические свойства.

Магний и его сплавы продолжают оставаться предметом активных инженерных исследований и технических разработок. Их выдающаяся легкость, высокая удельная прочность, а также возможность улучшения свойств за счёт легирования и термической обработки делают их незаменимыми в ряде современных и перспективных отраслей машиностроения, особенно там, где критично соотношение массы и прочности.

• Об авторе
• Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в НПФ 'Современные технологии производства'

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 12-летним опытом в машиностроении и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.

Иван работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.
В свободное время Александр увлекается промышленным дизайном, консультирует стартапы и читает лекции на профильных конференциях. Он стремится сделать передовые производственные технологии более доступными и понятными для широкой инженерной аудитории.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)

• Получение электроэнергии из биогаза: технологии и перспективы - 23.06.2025
• Типы и технологии солнечных электростанций: от фотомодулей до аэростатов - 23.06.2025
• Электроэнергия из ветра: плюсы, минусы и перспективы - 22.06.2025