Магний и сплавы на его основе

4. Магний  и  сплавы  на  его  основе

4.1. Свойства и применение магния

         Магний - металл серебристого цвета. Не имеет полиморфных превращений. Обладает гексагональной плотноупакованной (ГП) кристаллической решеткой с параметрами (периодами)  а=0,3202 нм,  с=0,5199 нм. Магний имеет низкую плотность  (1,74 г/см³), невысокую температуру плавления (649 °С), атомную массу 24,305 и порядковый номер 12 в периодической системе. Как следует из данных табл. 1.2, теплопроводность магния в 1,5, а электропроводность - в 1,6 раза ниже, чем у алюминия. Магний характеризуется также хорошей обрабатываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки.

         В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния:  Мг 96 (до 0,04% примесей),  Мг 95 (до 0,05% примесей),  Мг 90 (до 0,10% примесей). Примеси  Fe, Si, Ni, Cu  снижают и без того низкие пластичность и коррозионную стойкость. К недостаткам магния относятся его интенсивное окисление при нагреве и воспламенение на воздухе при температуре выше 623°С и даже самовоспламенение порошка, мелкой стружки, тонкой ленты на воздухе при обычных температурах, выделение при этом большого количества теплоты и излучение ослепительно яркого света, что представляет большую опасность.

         Чистый магний характеризуется невысокими механическими свойствами:

     Состояние                  s_в, Н/мм²         s_т, Н/мм²      d, %      Твердость, НВ

1. Литое                              110-120           20-30             6-8                   30

2. Холоднокатаное (лист)    260                    -                   9                     - 

3. Отожженное для

Рекомендуемые материалы

     снятия наклепа                  190                  98           15-17                 40

         Низкая пластичность магния при 20-25°С объясняется развитием процессов скольжения в кристаллах с ГП-решеткой преимущественно в плоскостях базиса. Повышение температуры деформации приводит к увеличению числа плоскостей скольжения и двойникования и повышению пластичности. Поэтому обработку давлением магния проводят при температуре 350-450°С.

         Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. основные области его применения: пиротехника, химическая промышленность (катализатор и компонент органического синтеза), металлургия (легирование, модифицирование, раскисление).

4.2. Общая характеристика и классификация магниевых сплавов

         Основным преимуществом сплавов магния является их низкая плотность и высокая удельная прочность: предел прочности ряда сплавов достигает 250-400 Н/мм²   при плотности до 2 г/см³.

         Основной недостаток сплавов магния - низкая коррозионная стойкость и склонность к окислению и самовозгоранию на воздухе даже при комнатной температуре. Это создает повышенную опасность в цехах по обработке и производству магниевых сплавов.

         Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются  Al, Zn, Mn, а дополнительными -  Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства сплавов магния при комнатной температуре улучшаются при легировании алюминием, циником, цирконием, при повышенной - добавками церия, ниодима и тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее влияние на структуру сплавов магния. Добавка 0,5-0,7 % Zr  уменьшает размер зерна магния в 80-100 раз,  Zr и Mn способствуют устранению отрицательного влияния примесей - железа и никеля.

         Сплавы магния могут быть упрочнены закалкой и искусственным старением (температура нагрева - до 200 °С, выдержка - до 16-24 ч). термическая обработка магниевых сплавов затруднена из-за замедления процессов диффузии в твердом растворе легирующих элементов в магнии. это требует большой выдержки не только при старении, но и в процессе нагрева под закалку (16-30 ч) для растворения соединений легирующих элементов. Пластическая деформация закаленного сплава магния перед его старением (ТМО) способствует его значительному упрочнению.

         Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, сплавы алюминия и меди), легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой.

         Недостатками магниевых сплавов являются: низкая коррозионная стойкость и малый модуль упругости, плохие литейные свойства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их изготовлении. Плавку и разливку сплавов магния ведут под специальными флюсами.

         Магниевые сплавы классифицируются:

1. По технологии изготовления - на литейные (маркируют буквами МЛ) и деформируемые (маркируют буквами МА);

2. По механическим свойствам - на сплавы невысокой и средней прочности, высокопрочные сплавы и жаропрочные сплавы;

3. По склонности к упрочнению с помощью термической обработки - на сплавы, упрочняемые термической обработкой и сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

4.3. Деформируемые магниевые сплавы

         Свойства ряда сплавов магния приведены в таблице 4.1. Среди этих сплавов наиболее высокими прочностными свойствами обладают сплавы магния с алюминием и магния с цинком, легированные дополнительно цирконием, кадмием, редкоземельными металлами.

         Таблица 4.1 - Химический состав и механические свойства некоторых

                                    магниевых сплавов

         Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии (соответственно до 12,1 % при 436 °С для алюминия и до 8,4 % при 340 °С для цинка). Повышение их содержания приводит к упрочнению сплава как за счет легирования твердого раствора, так и в результате появления вторичных упрочняющих фаз - Mg₄Al₃  и  Mg₃Zn₃Al₂ . Однако, в промышленные сплавы не вводят больше 10 % алюминия и 6 % цинка из-за снижения их пластичности в результате появления большого количества промежуточных фаз. Уменьшение растворимости легирующих элементов с понижением температуры (в 6-8 раз для  Al и Zn) дает возможность упрочнять такие сплавы закалкой и старением. Эффект упрочнения оказывается сравнительно небольшим (около 30 %) вследствие образования при старении сразу стабильных фаз с относительно большим расстоянием между их частицами, кроме того, склонных к коагуляции.

         Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготавливать из них кованые и штампованные детали сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета). Сплавы с низким содержанием алюминия применяются в горячепрессованном или отожженном состояниях, поскольку незначительно упрочняются в результате закалки и старения. Сплавы с высоким  содержанием алюминия, дополнительно легированные серебром и кадмием (МА10), обладают самой высокой прочностью (предел прочности  - 430 Н/мм²) и удельной прочностью среди магниевых сплавов.

         Кадмий, легируя твердый раствор, повышает механические свойства и технологическую пластичность сплавов. Серебро также легирует твердый раствор, поскольку имеет высокую растворимость (до 15,5%) в магнии. Наличие высоколегированного  Al, Ag и Cd твердого раствора и большого количества упрочняющей фазы Mg₄Al₃  обеспечивает высокую прочность таких сплавов.

         Высокопрочные сплавы магния с цинком дополнительно легируют цирконием  (МА14), кадмием, РЗМ (МА15, МА19). Увеличение содержания цинка приводит к упрочнению магниевых деформируемых сплавов в результате легирования твердого раствора и появления интерметаллидной фазы MgZn₂, но для сохранения достаточной технологической пластичности содержание цинка ограничивают 5-6 %. Цинк способствует упрочнению и повышению пластичности сплавов непосредственно в деформированном состоянии, что делает нецелесообразным проведение термической обработки таких сплавов. Из данных таблицы 4.1 следует, что дополнительному упрочнению деформируемых магниевых сплавов с цинком способствует их легирование кадмием (легирование твердого раствора) и редкоземельными металлами (образование промежуточных интерметаллидных фаз).

4.4. Литейные магниевые сплавы

         Литейные магниевые сплавы, упрочняемые термической обработкой, как и деформируемые, также чаще всего являются сплавами системы  Mg - Al,  Mg - Zn, Mg - Al - Zn  с дополнительным их легированием другими элементами (табл. 4.1).

         Отливки из магниевых сплавов характеризуются высокой точностью размеров и хорошей чистотой поверхности, что почти исключает их обработку резанием. Однако, из-за наличия грубозернистой литой структуры литейные сплавы в сравнении с деформируемыми имеют более низкие  как прочностные, так и пластические свойства (см. табл. 4.1).

         Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами:

- перегревом сплавов, выплавляемых в железных тиглях, когда образующиеся частицы  FeAl₃ являются дополнительными центрами кристаллизации;

17 Становление византийской православной государственности - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

- гомогенизацией отливок, когда происходит растворение грубых частиц интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы;

- применением особо чистых шихтовых материалов для приготовления сплавов.

         Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном близки к таковым у литейных алюминиевых сплавов. Но магниевые сплавы имеют меньшую плотность и, следовательно, более высокую удельную прочность.

         Наиболее распространенные сплавы системы  Mg - Al - Zn,  особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия, обладают пониженной жидкотекучестью, усадочной пористостью (рыхлостью) и низкой герметичностью, повышенной склонностью к образованию горячих трещин в сравнении, например, с алюминиевыми сплавами. С увеличением содержания алюминия литейные свойства магниевых сплавов сначала ухудшаются вследствие увеличения интервала кристаллизации, а затем, при появлении неравновесной эвтектики - улучшаются. При этом повышается прочность и снижается пластичность сплавов из-за увеличения количества интерметаллидных фаз. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5-10 % алюминия (МЛ5, МЛ6). Небольшие добавки цинка улучшают технологические свойства таких сплавов. Повышению прочности и пластичности сплавов способствует термическая обработка: гомогенизация при 420°С (12-24 ч), закалка от этой температуры (охлаждающая среда - воздух). Дополнительное упрочнение происходит в результате старения при 170-190 °С.

         Магниевые сплавы широко используются в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, двери кабин и др.), ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), конструкциях автомобилей, прежде всего, спортивных (корпуса, колеса и др.), в приборостроении (корпуса и детали) как материалы с высокой удельной прочностью и низкой плотностью, а также в атомной технике - как материалы с малой способностью к поглощению тепловых нейтронов.

         Более высокими технологическими и механическими свойствами при комнатной и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ12, МЛ15), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), РЗМ (МЛ9, МЛ10). Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей: корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.