1. Магний и его сплавы

Ключевые слова: магний, легкие и сверхлегкие сплавы, деформируемые и литейные сплавы, легирующие элементы термическая и термомеханическая обработка

Магний – один из самых легких конструкционных металлов, его плотность 1,74 г/см³, температура плавления 651°С. Сплавы магния обладают высокой удельной прочностью, хорошо поглощают механические вибрации, могут работать при низких температурах и свариваются различными видами сварки. Прочность сварных швов деформируемых магниевых сплавов составляет 0,9 от прочности основного металла, а сварные швы литейных сплавов из-за мелкозернистой структуры иногда даже прочнее основного металла.

К недостаткам магния и его сплавов относятся их малая пластичность и невысокий уровень модуля упругости. Магниевые сплавы обладают низкой коррозионной стойкостью, они склонны и к наиболее опасному типу коррозии – коррозии под напряжением.

Хорошая обрабатываемость магниевых сплавов всеми видами механической обработки (резанием, штамповкой, прокаткой и др.) создает достаточно высокий по сравнению с другими легкими сплавами, коэффициент использования материала.

1.1. Свойства магния и его взаимодействие с легирующими элементами

Магний имеет гексагональную кристаллическую решетку с параметрами а = 0,32 нм, с = 0,51 нм (соотношение осей с/а = 1,624). Упругие характеристики магния невелики: E = 45 ГПа и G = 17 ГПа. Однако удельная жесткость магния почти такая же, как у алюминия. Магний и его сплавы показывают значительную анизотропию свойств. Прочностные свойства магния при комнатной температуре достаточно низкие (_в = 180 МПа), хотя и выше, чем у алюминия (_в = 70 МПа). Легирование и термическая обработка позволяют значительно улучшить эти свойства. Однако, в магнии сильно замедлены процессы диффузии, что требует длительных нагревов при термообработке.

Главными легирующими элементами магния, повышающими его коррозионную стойкость и приводящие к измельчению зерна, являются Аl и Zn. Они образуют с магнием ограниченные твердые растворы (рис. 1.1). Изменение растворимости этих элементов в магнии с изменением температуры позволяет применять для повышения прочности сплавов магния закалку с последующим старением. Добавки Аl и Zn в количестве 10…11 и 4…5 %, соответственно, кроме твердых растворов, приводит к образованию интерметаллических соединений Mg₄Al₃, MgZn₂ и Mg₄Zn₃Al.

а) б)

Рис. 1.1. Диаграмма состояния Mg – Al (а) и Mg – Zn (б)

Некоторые легирующие элементы вводятся в магниевые сплавы в малых количествах, но их добавки являются необходимыми. Например, Be, Са, Мn, Се, La сами являясь сильными раскислителями, уменьшают склонность магниевых сплавов к воспламенению при разливке. Элементы Се, Zr, Th, Nd повышают теплопрочность магниевых сплавов.

В настоящее время создана новая группа магниевых сплавов, легированных литием (до 12 %) и содержащие значительное количество других легирующих элементов. Сплавы этой системы могут иметь -структуру (до 5,7 % Li), ( + )-структуру (5,7…10,4 % Li) и -структуру (>10,4 % Li), где  является твердым раствором Li в Mg, а  – твердым раствором Mg в Li. Эти сплавы характеризуются повышенными значениями модуля упругости и пластичности.

Необходимые механические свойства магниевых сплавов достигаются формированием оптимальных многофазных структур (с присутствием интерметаллидов), а также термической обработкой, деформацией и термомеханической обработкой.