Магниевые сплавы
Определение «Магниевые сплавы» по БСЭ:
Магниевые сплавы - сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний - металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования М. с., сравнительно невелик. М. с. разделяются на 2 основные группы: литейные - для производства фасонных отливок и деформируемые - для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.
Историческая справка. Первые М. с. появились в начале 20 века (под названием «электрон», теперь мало употребляемым). Значение конструкционных промышленных материалов М. с. приобрели в конце 20-х - начале 30-х годов 20 века, то есть почти через 100 лет после того как французский химик А. Бюсси впервые выделил магний в чистом виде (1828). До конца 40-х годов применялись главным образом сплавы на основе систем Mg - Al - Zn и Mg - Mn. Дальнейшему прогрессу в области создания М. с. способствовало открытие модифицирующего и рафинирующего действия циркония. В 50-х годах начали применяться сплавы на основе систем Mg - Zn - Zr, Mg - p. з. м. (редкоземельный металл) - Zr (или Mn), Mg - Th, а также сверхлёгкие сплавы на основе системы Mg - Li. Производство и потребление магния и М. с. возрастает. Мировое производство магния к началу 2-й мировой войны 1939-45 составило около 50 тысяч т, в 1969 ∼ 2 млн.т, из них ∼ 40-50% расходуется на производство отливок и деформированных полуфабрикатов.
Химический состав наиболее широко применяемых в СССР М. с. дан в таблице 1. В промышленных М. с. содержатся добавки Al, Zn, Mn, Zr и редкоземельных металлов (цериевый мишметалл, La, Nd, Y), Th, Ag, Cd, Li, Be и др. Общее количество добавок в наиболее легированных М. с. достигает 10-14%. Вредными примесями являются Ni, Fe, Si и Cu, которые снижают коррозионную стойкость М. с. В М. с. с Zr ограничивают содержание примесей Al и Si, так как в присутствии этих элементов Zr не растворяется в расплавленном магнии, образуя с ними тугоплавкие нерастворимые соединения. Растворимость циркония в магнии уменьшают также примеси Fe, Mn и Н. Малые количества Be (иногда Ca) используют в качестве технологических добавок для снижения окисляемости М. с. в расплавленном состоянии.
Таблица 1. - Химический состав наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов
Тип сплава | Химический состав, % |
основные компоненты | примеси, не более |
Al | Zn | Mn | Zr | Nd | Al | Si | F |
Ni | Сu | Мn | Be | Са |
Литейные сплавы |
Mg - Al - Zn | 8 | 0,5 | 0,2 | - | - | - | 0,25 | 0,06 | 0,01 | 0,1 | - | 0,002 | 0,1 |
| 8 | 0,5 | 0,2 | - | - | - | 0,08 | 0,007 | 0,001 | 0,004 | - | 0,002 | - |
Mg - Zn - Zr | - | 4,5 | - | 0,7 | - | 0,02 | 0,03 | 0,01 | 0,005 | 0,03 | - | 0,001 | - |
Mg - Nd - Zr | - | 0,4 | - | 0,7 | 2,5 | 0,02 |
0,03 | 0,01 | 0,005 | 0,03 | - | 0,001 | - |
Дeфоpмируемые сплавы |
Mg - Al - Zn | 4 | 0,5 | 0,5 | - | - | - | 0,15 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | - | 0,02 | 0,1 |
Mg - Zn - Zr | - | - | - | 0,5 | - | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | 0,1 | 0,02 | - |
Продолжение таблицы 1. - Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/мІ = 0,1 кгс/ммІ)
Тип сплава | Сумма опреде- ляемых примесей | Механические свойства при 20°C |
Вид термической обработки | Предельные рабочие температуры, °C | Назначение |
Мн/мІ | δ, % | длительно | кратко- временно |
σ0,2 | σb |
Литейные сплавы |
Mg - Al - Zn | 0,5 | 90 | 280 | 9 | Закалка; закалка и старение |
150 | 250 | Сплав общего назначения |
0,14 | 90 | 280 | 9 | То же | 150 | 250 | То же, имеет повышенную коррозионную стойкость |
Mg - Zn - Zr | 0,2 | 150 | 300 | 6 | Отпуск | 200 | 250 | Нагруженные детали (барабаны колёс, реборды и др.) |
Mg- Nd - Zr | 0,2 | 150 | 280 | 5 | Закалка и старение |
250 | 350 | Жаропрочный сплав. Нагруженные детали; детали, требующие высокой герметичности, стабильности размеров |
Деформируемые сплавы |
Mg - Al - Zn | 0,31 | 180 . | 290 | 100 | Отжиг | 150 | 200 | Панели, штамповки сложной конструкции, сварные конструкции |
Mg - Zn - Zr | 0,31 | 250-3002 | 310- 3502 | 100-140 | Старение |
100 | 150 | Высоконагруженные детали из прессованных полуфабрикатов, штамповок и поковок |
1 Для деформируемых сплавов указано содержание прочих примесей.
І
Максимальные значения - для пресcованных полуфабрикатов.
Физические свойства М. с. даны в таблице 2. М. с. являются самым лёгким металлическим конструкционным материалом.
Плотность (d) М. с. в
зависимости от состава колеблется в пределах 1360-2000 кг/мі. Наименьшую
плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых М. с. равна 1760-1810 кг/мі, то есть
примерно в 4 раза
меньше плотности стали и в 1,5 раза меньше плотности алюминиевых сплавов.
Благодаря малой плотности детали из М. с. обладают высокой жёсткостью: относительная
жёсткость при изгибе двутавровых
балок одинаковой массы и ширины для стали равна 1, для алюминия 8,9, для магния 18,9. М. с. имеют высокую удельную
теплоёмкость. Температура поверхности детали из М. с. при одинаковом количестве поглощённого тепла в 2 раза ниже по
сравнению с температурой детали из малоуглеродистой стали и на 15-20% ниже, чем детали из алюминиевого сплава.
Коэффициент термического
расширения М. с. в среднем на 10-15%
больше, чем у алюминиевых сплавов.
Таблица 2. - Физические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов
Тип сплава | Плотность, кг/мі | Коэффициент линейного расширения при 20-100°C α·106, 1/°C | Коэффициент теплопроводности, вт/м ·K | Удельная теплоёмкость, кдж/кг·K | Удельное электро- сопротивление r·106, ом ·см |
Литейные сплавы |
Mg - Al - Zn | 1810 | 26,8 | 65 | 1,05 | 13,4 |
Mg - Zn - Zr | 1810 | 26,2 | 134 | 0,98 | 6,6 |
Mg - Nd - Zr | 1780 | 27,7 | 113 | 0,963 | 8,4 |
Деформируемые сплавы |
Mg - Al - Zn | 1790 | 26 | 83,8 | 1,05 | 12 |
Mg - Zn - Zr | 1800 | 20,9 | 117 | 1,03 | 5,65 |
Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР промышленных М. с. представлены в таблице 1. Максимальный
уровень механических свойств литейных М. с. достигнут на высокопрочных сплавах системы Mg - Zn - Ag - Zr:
предел текучести σ
0,2 = 260-280 Мн/мІ (26-28 кгс/ммІ), предел прочности σ
b = 340-360 Мн/мІ (34-36 кгс/ммІ),
относительное удлинение δ = 5%.
Специальные
технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют
увеличить σ
b до 400-420 Мн/мІ (40-42 кгс/ммІ).
Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: σ
0,2 = 350 Мн/мІ (35 кгс/ммІ), σ
b = 420 Мн/мІ (42 кгс/ммІ), δ = 5%. Предельная
рабочая температура высокопрочных сплавов 150 °С. Самые жаропрочные М. с. (литейные и деформируемые) систем Mg - р. з. м. и Mg - Th пригодны для
длительной эксплуатации при 300-350 °С и
кратковременной - до 400 °С.
По удельной прочности (σ
b/d)
высокопрочные литейные М. с. имеют преимущества по сравнению с алюминиевыми сплавами, самые высокопрочные деформируемые находятся на одном уровне с наиболее высокопрочными деформируемыми алюминиевыми сплавами (или
несколько уступают им).
Модуль упругости М. с.
равен 41-45 Гн/мІ (4100-4500 кгс/ммІ) (і/
5 модуля алюминиевых сплавов,
1/
5 модуля сталей),
модуль сдвига составляет 16-16,5 Гн/мІ (1600-1650 кгс/ммІ). При низких температурах модуль упругости,
пределы текучести и прочности М. с. увеличиваются, а удлинение и ударная
вязкость снижаются; резкого падения пластичности, характерного для низколегированных конструкционных сталей, у М. с. не наблюдается.
Технология. Вследствие большого сродства магния с кислородом при плавке М. с. в
воздушной атмосфере поверхность расплавленного металла защищают
слоем флюса; в качестве флюсов применяют
различные смеси фтористых и хлористых солей щелочных и щёлочноземельных металлов.
Чтобы избежать горения металла при
литье, в состав формовочных земель вводят защитные
присадки, кокили окрашивают специальными красками, в состав которых входит, например, борная
кислота. Отливки получают всеми известными способами литья, в том числе литьём в песчаные, оболочковые, стержневые, гипсовые
формы, литьём в
кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям, полужидкой штамповкой. Для
получения качественных отливок литниковая
система строится по
принципу расширяющегося потока. При
затвердевании М. с. дают большую усадку (1,1-1,5). Благодаря
мелкозернистой структуре отливки из М. с. с цирконием имеют более однородные и высокие
механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Детали и узлы различных конструкций из деформируемых М. с. изготовляют механической обработкой, сваркой и клёпкой, объёмной и листовой штамповкой.
При комнатной температуре технологическая
пластичность М. с. низкая, что объясняется гексагональным строением кристаллической решётки магния
(скольжение происходит по одной плоскости базиса). При высоких температурах (200-450 °С) возникает скольжение по дополнительным плоскостям и технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой.
Поэтому все
операции обработки давлением М. с. проводятся в нагретом
состоянии при
малых скоростях деформации.
Исключение составляют М. с. с 10-14% Li, которые имеют объёмно центрированную кубическую решётку и допускают обработку в холодном состоянии. При
конструировании деталей из М. с. избегают острых надрезов и резких переходов сечений. Для соединения деталей применяют различные виды сварки, а также клёпку, пайку твёрдыми и мягкими припоями,
склеивание. Сваркой исправляют
дефекты литых деталей.
Только сплавы с высоким содержанием цинка не подвергаются сварке.
Большинство литых и деформированных полуфабрикатов из М. с. подвергается упрочняющей термической обработке (закалке,
старению) или отжигу для снятия внутренних
напряжений (литейных, сварочных и других). М. с.
легко обрабатываются резанием -
вдвое быстрее, чем алюминиевые сплавы, и в 10 раз быстрее, чем углеродистые стали. При работе с М. с. следует
соблюдать правила пожарной безопасности.
Методы защиты от физико-химических
воздействий. М. с. обладают пониженной коррозионной стойкостью
из-за высокого электроотрицательного потенциала и недостаточных защитных свойств
естественной окисной плёнки.
Защита М. с. от коррозии осуществляется искусственно создаваемыми химическими или электрохимическими неорганическими плёнками в
сочетании с лакокрасочными покрытиями.
Покрытие состоит из грунтовочного пассивирующего слоя и внешних лаковых или эмалевых слоев. Надлежащая
защита обеспечивает надёжную работу деталей из М. с. в атмосферных условиях, щелочных средах, минеральных маслах, бензине,
керосине. М. с.
повышенной чистоты,
особенно по содержанию
железа и никеля, пригодны для эксплуатации в морском воздухе. М. с. неприемлемы для
работы в
морской воде, в соляных растворах, кислотах, их растворах и парах. Коррозионная стойкость магниевых деталей в
значительной степени зависит от выбора
правильной конструктивной формы (исключающей
скопление влаги) и
такого сочетания контактирующих материалов в изделиях, которое не вызывает контактной коррозии.
Некоторые высокопрочные деформируемые М. с. склонны к коррозии под напряжением и могут применяться при условии
ограничения величины
длительно действующих растягивающих напряжений.
Консервация деталей и полуфабрикатов из М. с. осуществляется с помощью хроматных плёнок, жидких нейтральных обезвоженных масел,
специальной смазки и другими способами в зависимости от
длительности и условий хранения.
Длительное хранение собранных изделий и запасных частей из М. с. с лакокрасочным покрытием в нормальных складских условиях производится в чехлах из полихлорвиниловой или полиэтиленовой плёнки с силикагелевым осушителем.
Применение. М. с. пригодны для работы при криогенных, нормальных и повышенных температурах. Благодаря малой плотности, высокой удельной прочности,
способности поглощения энергии удара и вибрационных
колебаний, отличной обрабатываемости резанием М. с. широко используются в
промышленности, прежде всего для снижения массы изделий,
повышения их
жёсткости. М. с. применяются в автомобильной, тракторной промышленности (картеры двигателей,
коробки передач, барабаны колёс и другие детали), в
электротехнике и
радиотехнике (корпуса приборов, детали электродвигателей), в оптической промышленности (корпуса
биноклей, фотоаппаратов), в текстильной промышленности (бобины, шпульки,
катушки), в
полиграфии (матрицы,
клише, валики), в
судостроении (протекторы), в авиационной и ракетной технике (детали колёс, детали
управления и крыла самолёта,
корпусные детали двигателей) и во многих других отраслях техники.
Промышленностью используются главным образом литые детали из М. с. Основное ограничение в
применении М. с. - пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах.
Лит.: Конструкционные материалы, т. 2, М., 1964
(Энциклопедия современной техники); Рейнор Г. В.,
Металловедение магния и его сплавов,
перевод с английского, [М.], 1964;
Альтман М. Б.,
Лебедев А. А, и
Чухров М. В.,
Плавка и литье легких сплавов, 2 изд., М., 1969.
Н. М.
Тихова.
Магниевые руды
Магниевые сплавы
Магниевые удобрения