Материаловедение

Магний и его сплавы

Магний —металл серебристо-белого цвета; удельный вес 1,74; температура плавления 650°; магний кристаллизуется в гексагональной системе. Чистый магний достаточно стоек в воздухе (почти не уступает алюминию). Раствор поваренной соли, морская вода, кислоты (кроме соляной) быстро разрушают магний; по отношению к щелочам магний стоек. При сгорании магний дает яркий белый свет; магний в 4 раза легче железа, поэтому его сплавы называют сверхлёгкими.

Магний

механические свойства магния

Вследствие того, что механические свойства чистого магния невысоки, поэтому в чистом виде его как конструкционный материал не применяют.

Химические свойства магния. Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, соды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 оС.

По плотности магниевые сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21, МА18), а к легким — все остальные. Сплавы магния с литием (МА21, МА18) — самые легкие конструкционные металлические материалы.

При классификации по возможным температурам эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:

  • предназначены для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);
  • жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200°С);
  • высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250 – 300°С)
  • предназначены для эксплуатации при криогенных температурах.

Различают термические упрочняемые и термически не упрочняемые сплавы.

Классификация и характеристика магниевых сплавов

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Сплавы магния характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью хорошо поглощать вибрации. Прочность сплавов при соответствующем легировании и термической обработке может достигать 350-400 МПа. Достоинством магниевых сплавов является их хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость.

Недостатками магниевых сплавов являются плохие литейные свойства и склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при литье. Для предотвращения дефектов при выплавке используют специальные флюсы, для уменьшения пористости применяют небольшие добавки кальция (0,2 %), а для снижения окисляемости – добавки бериллия (0,02-0,05 %). Кроме того, меньшая коррозионная стойкость, чем у алюминиевых сплавов, трудности при выплавке и литье и необходимость нагрева при обработке давлением.

С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий, цинк, титан улучшают коррозионную стойкость магния: при добавлении к магниевому сплаву нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличивается в 3 раза.

Основными упрочняющими легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий и цинк. Марганец слабо влияет на прочностные свойства. Его вводят главным образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна.

Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего. Это объясняется близкими температурами плавления и отсутствием полиморфных превращений.

Для повышения прочностных свойств магниевые сплавы подвергают закалке и старению. Из-за низкой скорости диффузии закалку обычно проводят на воздухе, применяют искусственное старение при сравнительно высоких температурах (до 200 – 250 °С) и более длительных выдержках (16 – 24 ч).

Прочностные характеристики магниевых сплавов существенно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением.

Магниевые сплавы обладают высокой пластичностью в горячем состоянии и хорошо деформируются при нагреве. Для деформированных сплавов диффузионный отжиг обычно совмещают с нагревом для обработки давлением. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой, которую рекомендуется проводить в защитной атмосфере (рис. 1).

Сварка магниевых сплавов

Рис. 1. Сварка магниевых сплавов

Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Это очень важное свойство при создании разнообразных транспортных средств.

Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельной жесткости и поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающим нагрузкам (продольным и поперечным). Магниевые сплавы немагнитны, совершенно не дают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием (в 6 – 7 раз легче, чем сталь, в 2 – 2,5 раза – чем алюминий).

Магний и его сплавы обладают очень высокой хладостойкостью.

Возможности применения магния еще далеко не исчерпаны, а если учитывать широкое распространение магния в природе, относительную простоту способов его производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно полагать, что дальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь определяться его общетехническим значением.

Магниевые сплавы обладают большей по сравнению с алюминиевыми и медными сплавами чувствительностью к скорости деформирования. Увеличение скорости деформирования при штамповке магниевых сплавов приводит существенному сужению допустимого температурного интервала. В связи с этим штамповку магниевых сплавов рекомендуется деформировать на гидравлических или кривошипных прессах при пониженных скоростях деформирования. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов приведены в табл.1, (рис. 2). Химический состав и механические свойства некоторых отечественных магниевых сплавов (табл.2).

Таблица 1. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов 

марки магниевых сплавов

Последовательность операций получения заготовки из магниева сплава

Рис. 2. Последовательность операций получения заготовки из магниева сплава

Таблица 2. Химический состав и механические свойства отечественных магниевых сплавов

состав и войства магниевых сплавов

В основном деформируемые магниевые сплавы применяют в виде прутков и фасонных профилей для изготовления деталей горячей штамповкой (рис. 3). Для улучшения их пластичности обработку давлением проводят при температурах 350-450 °С, так как гексагональная решетка магния затрудняет их деформацию при комнатной температуре.

Изделия из магниевых сплавов Изделия из магниевых сплавов Изделия из магниевых сплавов

Рис. 3. Изделия из магниевых сплавов

магниевые сплавы Mg-Mn

магниевые сплавы Mg-Al-Zn

магниевые сплавы Mg-Zn-Zr

магниевые сплавы Mg-Li

Наиболее прочными деформируемыми сплавами являются сплавы магния с алюминием (МА5) и магния с цинком, дополнительно легированные цирконием (МА14, аналог американского сплава ZK60A), кадмием, РЗМ и другими элементами (МА15, МА19 и др.).

Алюминий и цинк являются эффективными упрочнителями твердого раствора. Однако их концентрация не должна превышать 10 и 6 % соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко снижается. Появление при старении в структуре упрочняющих фаз Mg4Al3 и MgZn2 осуществляет дополнительное упрочнение. Цирконий измельчает зерно, а кадмий и редкоземельные элементы одновременно повышают и прочность, и пластичность.

Временное сопротивление высокопрочных магниевых сплавов после термической обработки составляет около 350 МПа. Сравнительно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада твердого раствора.

Сплав МА1, содержащий около 2 % Мц без других компонентов, характеризуется высокой пластичностью и применяется как листовой материал. Самыми легкими конструкционными материалами являются сплавы магния с литием (МА18, МА21). Плотность сплава МА18 (аналог американского сплава LA91) составляет 1,3-1,65 г/см3. Магниеволитиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением в холодном состоянии. Эти сплавы хорошо свариваются и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы по химическому и фазовому составу близки к деформируемым.

По сравнению с деформируемыми литые детали позволяют существенно экономить металл. Высокая точность размеров и хорошее качество поверхности позволяют практически исключить операции механической обработки. Недостатком литейных магниевых сплавов являются более низкие механические свойства из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости, связанной со сравнительно широким интервалом кристаллизации.

Для повышения прочности и модифицирования вводят кальций и цирконий. Дополнительное легирование кадмием повышает уровень механических и технологических свойств.

Наиболее распространенным магниевым литейным сплавом является MJI5, характеризующийся хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к пористости и хорошей обрабатываемостью резанием. Отливки из этого сплава получают литьем в землю, в металлические формы и под давлением. Он идет на изготовление крупногабаритных отливок картеров двигателей, корпусов приборов, насосов, коробок передач для автомобилей и самолетов (рис. 4).

Для снижения массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12-13 % лития. Их жидкотекучесть находится на уровне сплава MЛ5. Сплавы Mg — Li не имеют склонности к образованию горячих трещин.

Изделия из литейного магниева сплава

Рис. 4. Изделия из литейного магниева сплава

Применение магниевых сплавов

(рис. 5)

Благодаря малой плотности и высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяются в авиастроении. Из них изготавливают корпуса приборов, насосов, фонари и двери кабин. Фюзеляжи вертолетов фирмы Сикорского (США) почти полностью изготовлены из магниевых сплавов. В ракетной технике магниевые сплавы идут на изготовление корпусов ракет, обтекателей, стабилизаторов, топливных баков. Теплоемкость магния примерно в 2,5 раза больше, чем у стали. Поглотив одинаковое количество тепла, он нагреется в 2,5 раза меньше. В кратковременном полете магниевые сплавы не успевают перегреться, несмотря на низкую температуру плавления. В кратковременно работающих ракетах типа «воздух — воздух» и управляемых снарядах магниевые сплавы составляют основную массу конструкции. Применение магниевых сплавов позволило снизить массу ракет на 20-30 %.

Из литейных сплавов изготавливают кронштейны, элементы крепления, элероны, детали хвостового оперения, из деформируемых — обшивки корпусов, стрингеры, лонжероны, опорные конструкции тормозов, волноводов и другие детали.

Магниевые сплавы находят применение в транспортном машиностроении для изготовления картеров двигателей и коробок передач автомобилей.

Магниевые сплавы применяют в конструкциях переносных ручных и механизированных инструментов и машин (сверлильные и шлифовальные машины, пилы для лесной промышленности, газонные косилки, пневматические инструменты и др.).

Их используют в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, электродвигателей), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки и др.) и других отраслях.

В связи с малой устойчивостью против коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию. На оксидированную поверхность дополнительно наносят лакокрасочные покрытия.

Важной областью применения магния является ядерная энергетика. Благодаря способности поглощать тепловые нейтроны, отсутствию взаимодействия с ураном и хорошей теплопроводности магниевые сплавы используют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов в атомных реакторах.

Высокий электроотрицательный потенциал магниевых сплавов позволяет применять их для протекторной защиты от морской коррозии судов и сооружений, эксплуатирующихся в морской воде, и для защиты от подземной коррозии находящихся в грунте газопроводов, нефтепроводов и т. п.

Изделия из магниевых сплавов Изделия из магниевых сплавов Изделия из магниевых сплавов

Рис. 5. Изделия из магниевых сплавов

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *