книги / Сварка магниевых сплавов
..pdfВ. И. МАКАРОВ, Ю. Н. СКАЧКОВ
СВАРКА
МАГНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
М осква 1972
УДК 621.791.75:669.721.5 М 15
М а к а р о в В. |
И., С к а ч к о в Ю. |
Н. Сварка: |
магниевых сплавов. |
М., «Машиностроение», 1972,. |
|
стр. 120. |
|
сварки плав |
В книге впервые обобщены вопросы |
лением деформируемых магниевых сплавов, приме няемых в авиационной, автомобильной промышлен ности и других областях народного хозяйства; си стематизированы данные в области аргоно-дуговой сварки неплавящймися и плавящимися электродами.
Рассмотрены вопросы свариваемости деформи руемых магниевых сплавов, применяемых в СССР
и за рубежом. Показано влияние различных элемен тов на свариваемость некоторых магниевых спла вов, исследованы механические свойства сварных соединений. Описано оборудование и технологиче ские приемы электросварки этих сплавов в среде инертных газов.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, применяющих магниевые сплавы в свар ных конструкциях.
Илл. 72, табл. 52, библ. 26 назв. Рецензенты: д-р техн. наук Д. М. Рабкин
и канд. техн. наук Н. М. Воропай
3-12-6
G9—72
Макаров Виктор Илларионович, Скачков Юрий Николаевич
СВАРКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Редактор издательства Т. Е. Черешнева. |
Технический редактор Н. В. Тимофеенко |
Обложка художника Л. С. Вендрова |
Корректор А. П. Озерова |
Сдано в набор 4/1 1972 г. Подписано к печати I9/V 1972 г. Т-08258. Формат бОХЭО'/ю- Бумага типографская № 1 Печ. л. 7,5. Уч.-изд. л. 7,6. Тираж 6700. Заказ 34 Цена 42 кон.
Издательство «Машиностроение» Москва, Б-66, 1-й Басманный пер., 3
Типография № 32 Главполиграфпрома. Москва, Цветной бульвар, 26.
ВВЕДЕНИЕ
Магниевые сплавы -начали применять б промышленности 35—40 лет 'назад. Основным потребителем их стала авиацион ная промышленность, так как в ряде случаев эти сплавы оказа лись способными успешно конкурировать с алюминиевыми.- Магниевые сплавы, являясь самым легким конструкционным ма'^ териалом и обладая сравнительно высокими механическими свойствами, имеют высокую химическую стойкость по отноше нию к ряду агрессивных сред, способны воспринимать большие ударные нагрузки благодаря низкому модулю упругости, а так же хорошо обрабатываются режущим инструментом. •
По сравнению с алюминиевыми сплавами -магниевые более стойки в водных растворах карбонатов, на них не действуют бензин, керосин, бензол, толуол, фенол, резина, жиры и масла, не содержащие кислоты и воду.
Однако магниевые сплавы уступают алюминиевым по кор розионной стойкости 1против действия минеральных кислот и их солей (за исключением фторидов) *органических кислот, водных
испиртовых растворов некоторых органических галоидов (хлорметила, хлорэтила), метилового спирта. Магниевые сплавы не пригодны для применения их в обычной и морской воде, а так же в атмосфере водяных паров. Специальные меры защиты от коррозии (нанесение на поверхность защитной оксидной пленки
илакокрасочных покрытий) позволяют увеличить продолжи тельность и область использования этих сплавов.
Магниевые сплавы используют для производства изделий, работающих в разнообразных условиях. Большими потребите
лями магниевых сплавов являются авиационная, автомобильная и электротехническая промышленности, из этих сплавов изго товляют подъемные краны, очень легкие и удобные в работе.
Естественно, что применение магниевых сплавов в качестве конструкционного материала было -бы невозможным без раз вития методов их технологической обработки и методов созда ния из них неразъемных соединений — сварки. С увеличением производства магния и его сплавов значительно расширяется объем 'применения сварки в среде защитных газов — одного из наиболее распространенных способов соединения легких метал лов и сплавов. Часто применяется также контактная сварка магниевых сплавов: точечная, шовная и стыковая.
3
Как правило, контактная сварка конструкций из штампован ных заготовок листового металла небольших толщин (до 4 мм) особых затруднений не ‘вызывает. Однако с целью обеспечения защиты внутренних поверхностей нахлестки от коррозии точеч ную сварку следует производить по специальному грунту или клею. Заготовки в виде профилей и прутков из магниевых спла вов хорошо соединяются с помощью контактной стыковой свар ки. Для создания сварных соединений из магниевых сплавов могут быть использованы и другие методы сварки: газовая (кислородно-ацетиленовая), плазменная.
Однако свариваемость магниевых сплавов изучена еще не достаточно в -сравнении, например, со свариваемостью алюми ниевых сплавов. При разработке сплавов основное внимание уделялось получению высоких прочностных характеристик и тех нологических свойств при деформировании. Естественно, что ле гирование, применяемое только для получения требуемых слу жебных свойств сплавов, не совпадает с легированием, необхо димым для обеспечения их хорошей свариваемости. Поэтому лишь небольшая часть разработанных и выпускаемых промыш ленностью сплавов на основе магния оказалась пригодной для изготовления сварных узлов.
Металлургия и технология сварки, а также свойства сварных соединений деформируемых магниевых сплавов, применяемых для изготовления конструкций с использованием сварки плавле нием, в научно-технической литературе освещены явно недоста точно. В настоящей работе рассмотрены «вопросы свариваемости магниевых сплавов при их сварке методом плавления в защит ных газах, наиболее широко применяемым «в производстве свар ных конструкций из легких сплавов.
Г л а в а I
СВОЙСТВА МАГНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
СВОЙСТВА МАГНИЯ
Магний (атомный 'номер 12, атомный вес 24,312, атомный объем 13,99 см3 г-атом) представляет собой серебристо-белый металл, который быстро тускнеет на воздухе, покрываясь тон кой окисной пленкой. На поверхности магния образуется не сплошная и недостаточно прочная пленка, которая не предохра няет металл от дальнейшего окисления.
По химической стойкости магний уступает алюминию. Нор мальный электродный потенциал алюминия равен —1,67 б,
Таблица 1
Некоторые физические константы магния, алюминия и железа [5, 15]
|
Константа |
|
Mg |
|
Плотность при 200°С в г/сти3 . . . . |
1,738 |
|
||
Температура в °С: |
|
650 |
|
|
плавления ...................................... |
|
|
||
кипения |
.......................................... |
|
1107 |
|
Удельная теплоемкость в кал/(г*град) |
0,249 |
|
||
Скрытая теплота плавления |
(весовое |
89 |
! |
|
отношение) ........................... |
в к а л /г |
|
| |
|
Скрытая теплота плавления (объемное |
155 |
|
||
отношение) |
в кал/см 3 . ................... |
|
||
Коэффициент |
теплопроводности при |
0,36 |
|
|
20°С в кал/ ...............(см• сек•гр а д ) |
|
|
||
Коэффициент |
термического |
расшире |
1 |
|
26,Ы 0 _С |
|
|||
ния в 1/град ...................................... |
|
|
||
Коэффициент |
электропроводности |
24,6-10* |
|
|
В ОМ'М/СМ2 ...................................... |
|
|
|
А1 |
|
Fe |
2,7 |
|
7,87 |
658 |
j |
1539 |
|
||
2270 |
1 |
3000 |
|
|
|
0,226 | |
0,108 |
|
|
I |
|
94,6 |
|
65 |
255 |
|
— |
0,53 |
|
0,18 |
23,8-Ю“ 6 |
|
12,0-10—6 |
37,2-10* |
|
10,3-ю* |
5
а магния —2,38 в. В присутствии кислорода электродный потен циал алюминия и магния повышается 1Соответстве«но до —0,6 в и до —0,89 в. Такая -разница электродных потенциалов пред определяет различие в коррозионной стойкости алюминия и магния.
Магний в природе в чистом виде не встречается из-за с-воей высокой химической активности. Он содержится в земной коре (1,4% массы земной коры) в виде карналлита (KCl-MgCfoX
Х6Н2О), магнезита (М^СОз), доломита (М ^СОз-СаСОз) и дру гих соединений (асбеста, талька, -серпентина и т. д.). До 0,14% Mg в виде хлористых солей находится в морской воде.
Из табл. 1 видно, что теплота плавления магния составляет 89 кал!г, при расплавлении одинаковых объемов 'магний тре бует лишь 2/з тепла, необходимого для расплавления алюминия. Магний имеет также более высокое электросопротивление (и соответственно меньшую электропроводность) п-о сравнению с алюминием.
Для производства сплавов применяют технический магний Мг1 и Мг2, содержащий соответственно не менее 99,9 и 99,75% Mg. Чистый магний поставляется 'по ГОСТу 804—62, его хими ческий состав следующий (в %):
Mg (не менее) |
Fe |
Si |
N: |
Си |
AI |
Мп |
Сг |
Всего |
99,9 |
0,04 | |
0,01 |
0,001 |
0,005 |
0,02 |
0,04 |
0,005* |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
Чистый магний обладает невысокой прочностью и малой |
||||||||
пластичностью |
(ав= 8- И 1 кГ/жж2, |
сг0,2= 2,1 |
кГ/мм2, 6=64-10%, |
НВ 20—30). Последнее свойство объясняется тем, что магний кристаллизуется в гексагональной кристаллической решетке, для которой при обычной температуре существует только одна система плоскостей скольжения: при нагревании свыше 225° С в процесс пластической деформации включаются также другие плоскости, в результате чего пластичность магния возрастает. После горячей прокатки магний приобретает следующие меха нические свойства: ов=18 кГ/жж2; 00,2=6 кГ/мм2\ 6=5% ;
НВ 30 кГ1мм2.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИЯ С ДРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В промышленности в качестве конструкционного материала используются только оплавы на основе магния, прочностные свойства которых значительно -выше, чем у чистого магния.
Магний так же, как и алюминий, не образует непрерывных серий твердых растворов с другими металлами. Основными ле гирующими добавками, вводимыми в магниевые сплавы, явля ются алюминий, цинк, марганец. В некоторые сплавы в виде
6
добавок вводят церий, кальций, 'бериллий, а в новые сплавы — цирконий, неодим, никель, иттрий и торий. (Примесями в магние вых сплавах являются железо, кремний, медь и щелочные ме таллы — натрий и калий. В .присадочные металлы ic целью обес-
°с |
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
1------- |
|
649 |
|
|
~ |
|
|
500 |
ч |
ж+5 |
|
Ж |
|
500 |
|
|
|
||
|
|
45Г |
|
|
|
6 |
|
|
г - .. |
|
|
т |
|
^ i i i |
|
||
|
|
|
|||
300 |
|
|
5+z |
|
|
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W0 |
|
|
|
|
|
о V |
5 |
10 |
15 20 25 |
30 35 УЖ |
|
Рис. 1. |
Часть |
диаграммы |
состояния |
Рис. 2. Влияние алюминия на ме |
|
системы магний — алюминий |
ханические свойства магниевых |
||||
|
|
|
|
|
сплавов |
печения определенных свойств металла шва в последние годы вводят такие элементы, как лантан и серебро.
Рассмотрим в отдельности влияние некоторых элементов на свойства сплава на основе магния.
Алюминий образует с магнием твердый раствор ограничен ной растворимости и интерметаллическое соединение предпола гаемого состава Mg4Al3 или MgeAb или 'Mg^Al^ (у-фаза), ко торое выделяется при затвердевании по границам зерен твер дого раствора (рис. 1) (9]. Количество .интерметаллического со единения в сплаве увеличивается по мере повышения содержа ния алюминия.
Переменная растворимость алюминия в твердом состоянии может способствовать упрочнению при термической обработке. Однако заметное увеличение прочности в результате старения удается получить лишь в сплавах, содержащих более 4—6% А1.
Алюминий оказывает наибольшее влияние на упрочнение магния. Он увеличивает предел прочности, предел текучести и твердость двойных магниевых сплавов при содержании его в сплаве до 9%. При содержании в сплаве более 9—10% А1 силь но падает 'пластичность и сплав приобретает повышенную хруп кость (рис. 2) [2].
Коррозионная стойкость двойных сплавов магния с алюми нием ухудшается по мере увеличения содержания алюминия. Сплавы магния с алюминием не являются жаропрочными и мо гут быть использованы только до температуры 150° С.
7
К сожалению, вследствие большого интервала кристаллиза ции сплавы этих систем обладают высокой склонностью к об
разованию кристаллизационных трещин при сварке и возмож |
||||||
|
|
|
|
ности их сварки ограничены. Согласно |
||
9 |
|
|
данным [8] относительно большая склон |
|||
|
|
ность |
к образованию |
кристаллизацион |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
ных трещин сплавов |
системы Mg—А1 |
|
) |
|
|
Ж |
при определении ее по литейной круговой |
||
|
|
|
пробе |
наблюдается |
при содержании |
|
5501 |
|
|
в них |
1,5—9% А1. |
|
|
|
|
|
|
|
||
500, |
| |
|
ж*а |
|
|
|
400450 |
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
60 |
|
Л |
340° |
ч> |
|
|
||
|
а |
[8 |
|
$ |
|
45CV |
|
/ |
|
|
5 ^ , |
||
|
|
|
I |
|||
250 |
|
сх+А1gZn |
<3> |
|
||
200 |
/ |
|
|
|
|
30§ |
150 |
1 |
|
|
|
|
|
100 |
|
10 |
20 30 %2п |
|
|
|
0 |
|
|
|
|||
Рис. |
3. Часть диаграммы |
Рис. |
4. Влияние цинка на механические |
|||
состояния |
системы маг |
|
свойства сплавов |
Mg — Zn |
||
|
ний — цинк |
|
|
|
Ухудшению свариваемости сплавов может способствовать и то обстоятельство, что при добавлении алюминия увеличивается их усадка при затвердевании. Так, при содержании 9% А1 усад ка при затвердевании увеличивается с 3,79% для чистого маг ния до 5,07%.
В системе Mg—А1—Zn образуется тройное металлическое соединение Mg4Zn3Al3. С повышением содержания алюминия и цинка в этих сплавах значительно увеличивается температурный интервал кристаллизации. Например, при содержании 3,5% AI и 0,5% Zn интервал кристаллизации при быстром охлаждении (в неравновесном состоянии) равен 85° С, а при 6,5% А1 и 1,0% Zn 140°. На основе системы Mg—А1 создано большое число важных для техники сплавов.
Цинк так же, как алюминий, образует с магнием твердый раствор и ряд металлических соединений Mg2Zn3, MgZn (рис. 3).
8
Цинк (повышает прочность магниевых сплавов, хотя и в меньшей степени, чем алюминий. Упрочнение сплавов за счет старения может 'происходить при содержании более 2% Zn. При добавлении цинка в сплав относительное удлинение повы шается; наиболее пластичен сплав, содержащий приблизительно- 3—5% Zn. Снижение пластичности начинается уже с 5—5,5% Zn; поэтому в применяемых промышленных сплавах количеств.) вво димого цинка не превышает 4—5% (рис. 4) [9]. Введение 2,4— 3,5% Zn увеличивает коррозионную стойкость магниевых спла вов [2].
При введении цинка так же, как и при введении алюминия,, заметно увеличивается усадка магниевых сплавов при затверде вании (при 5,3% Zn усадка составляет 5,89%). По данным ра боты [15], сплавы, содержащие более 3% Zn, способны к красно ломкости и трудно свариваются.
Марганец почти нерастворим в магнии в твердом состоянии
при обычной температуре и образует с магнием |
(до 2,45% |
Мп) |
||
перитектику с очень |
узким интервалом |
кристаллизации, |
рав |
|
ным 5° (рис. 5). Это |
указывает на то, что марганец не должен |
|||
|
°С |
Ю |
20 30 %ат.Са |
Рис. 5. Диаграмма состояния си |
Рис. 6. Диаграмма состояния си |
стемы магний — марганец |
стемы магнии — кальций |
вызывать появления кристаллизационных трещин при сварке магниевых сплавов. Известно, что марганец способствует полу чению мелкозернистой структуры «в слитках; однако при сварке этот эффект не отмечен.
Несмотря на то что при охлаждении от температуры солидуса до нормальной существенно уменьшается растворимостьмарганца, упрочнения сплавов, содержащих до 3% Мп, при ста рении не происходит. Простейшие сплавы магния содержат 1,3—2,5% Мп и термической обработке не подвергаются.
9
Основная цель введения марганца состоит -в повышении кор розионной стойкости сплавов. Низкие коррозионные свойства промышленных магниевых сплавов связаны с присутствием в них железа. Повышение коррозионной стойкости при ©ведении в сплав марганца объясняется понижением растворимости же леза [9]. Для повышения сопротивляемости коррозии марганец
в количестве 0,3—0,5% ©водится почти во все сплавы. |
|
||||
|
Кальций в магнии растворяет |
||||
|
ся в очень небольших количест |
||||
|
вах. Растворимость его при нор |
||||
|
мальной температуре составляет |
||||
|
около 0,18%, |
при |
температуре |
||
|
плавления |
|
эвтектики — |
1,8% |
|
|
(рис. 6); в промышленные спла |
||||
|
вы кальций вводится в малых |
||||
|
количествах |
(0,08—0,3 %). |
Не |
||
|
большое |
количество |
кальция в |
||
Рис. 7. Диаграмма состояния си |
магниевых |
сплавах |
способствует |
||
стемы магний — церий |
размельчению |
зерна |
и повыше |
||
|
нию прочности. Решающую |
роль |
в этом играет фаза Mg2Ca, которая выпадает по границам зерен
.в виде дисперсных частиц.
Рис. 9. Влияние циркония на механи ческие свойства магния
Исходя из технологических требований (уменьшение пори стости, улучшение обрабатываемости в холодном и горячем состояниях) в магниевые сплавы .вводят 'небольшое количество кальция, но при этом следует учитывать вредное влияние этого элемента на склонность сплава к образованию кристаллизаци
10