Магний и его сплавы

Магний – металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в ГПУ решетку.

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью (1,7 г/см³); температура плавления равна 651 °C, хорошо обрабатывается резанием; способен воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. При нагреве магний активно окисляется и при температуре больше 623 °C на воздухе воспламеняется.

Магний в литом состоянии имеет грубую крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: прочность 110 – 120 МПа, σ_0,2 = 20 – 30 МПа; δ = 6 – 8 %; HB = 30.

Низкая пластичность магния при температуре 20 – 25 °C объясняется тем, что в металлах с ГПУ решеткой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникования, и как следствие, к увеличению пластичности.

В зависимости от содержания примесей установлены согласно ГОСТ 804 – 93 следующие марки магния: Мг96 (99,96 % Mg), Мг95 (99,95 % Mg), Мг90 (99,90 % Mg). Примеси железа, кремния, никеля и меди снижают пластичность и коррозийную стойкость магния.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. Он используется в пиротехнике, в химической промышленности для синтеза органических аппаратов, в металлургии различных металлов и сплавов – как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность.

Механические свойства сплавов магния при температуре равной 20 – 25 °C улучшаются при легировании марганцем, алюминием, цинком, цирконием; при повышенной температуре добавкой церия (Ce), ниодима (Nd), и особенно тория (Th).

Цирконий и церий оказывают модифицирующее воздействие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирование цирконием. Добавка 0,5 – 0,7 % циркония уменьшает размер зерна магния в 80 – 100 раз. Это объясняется структурным и размерным соответствием кристаллических решеток магния и циркония.

Увеличение растворимости легирующих элементов с повышением температуры дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения (отпуск для материалов, не имеющих полиморфных превращений, называют старением – распад пересыщенного раствора).

Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут реагировать с атмосферой печи, то при нагреве используются только электрические печи. Для предотвращения перегревов и возгорания магния нагревательные элементы должны быть тщательно экранизированы.

Отливки загружают в печь в стальных ящиках или в этажерках. Отливки сложной конфигурации следует загружать в специальных приспособлениях, предотвращающих коробление. Перед загрузкой в печь отливки очищают от магниевой пыли, стружки и тщательно просушивают во избежание возгорания.

Однако, термическая обработка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16 – 30 часов) для растворения вторичных фаз.

Благодаря этому, такие сплавы можно закаливать на воздухе, они не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходима высокая температура (до 200 °C) и большие выдержки (до 16 – 24 часов).

Временное сопротивление и особенно предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью ТМО, которое состоит в пластической деформации закаленного сплава перед его старением.

Из других видов термической обработки к магниевым сплавам применимы различные виды отжигов: гомогенизация, рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных напряжений. Температура рекристаллизации магниевых сплавов в зависимости от их состава не превышает 400 °C. Отжиг для снятия остаточных напряжений проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Температура рекристаллизационного отжига равна 250 – 300 °C. Сплавы, подвергнутые рекристаллизационному отжигу, в маркировке после обозначения марки сплава содержат букву «М».

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные: МА – деформируемые, МЛ – литейные.

Деформируемые магниевые сплавы. Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360 – 520^oС). Среди деформируемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы магния с алюминием и сплавы магния с цинком, легированные цирконием, кадмием, серебром, RЗМ. Деформируемые магниевые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1. Цифры говорят о номере сплава.

Химический состав и некоторые механические свойства согласно ГОСТ 14957 – 76 представлены в табл. 11.

Таблица 11. Химический состав и механические свойства магниевых сплавов.

	Mn	Zn	Al	прочие	σв	δ %
МА5 МА14	0,15 – 0,5 –	0,2 – 0,8 5 – 6	7,8 – 9,2 –	– 0,3 – 0,9 Zr	320 350	14 9
МЛ5 МЛ15	0,15 – 0,5 –	0,2 – 0,8 4 – 5	7,5 – 9 –	– 0,7 – 1,1 Zr; RЗМ0,6 – 1,2	255 210	6 3

В деформируемых магниевых сплавах алюминия не более 10 % и цинка не более 6 %, так как снижается пластичность. При меньшем содержании цинка и алюминия сплавы магния имеют хорошую технологическую пластичность, что позволяет получать ковкой и штамповкой деталей сложной формы для конструкций самолетов.

Сплав МА10 легированный алюминием, серебром и кадмием обладают максимальной прочностью σ_в = 430 МПа.

Недостатком деформируемых сплавов магния является склонность к образованию трещин, что затрудняет горячую прокатку и сварку.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.

Литейные магниевые сплавы согласно ГОСТ 2856–79 маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300 ^oС. По составу близки к деформируемым, но из-за грубозернистой структуры имеют низкие механические свойства, а особенно прочность.

Преимуществом литейных сплавов магния перед деформируемыми является значительная экономия металла, поскольку точность размеров и малая шероховатость отливок почти исключает их обработку резанием.

Улучшение механических свойств литейных магниевых сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизированием отливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов.

Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогенизации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы.

Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном находятся на уровне свойств литейных алюминиевых сплавов, но, обладая меньшей плотностью, магниевые сплавы превосходят их по удельной прочности.

Наибольшее применение нашли сплавы магний–алюминий–цинк, особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы содержащие 7,5 – 10 % алюминия (МЛ5, МЛ6).

Более высокими технологическими и механическими свойствами при температуре 20 – 25 °C и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ12), а также сплавы дополнительно легированные кадмием (МЛ8), РЗМ (МЛ9, МЛ10), РЗМ улучшают литейные свойства.

Высокопрочные литейные магниевые сплавы применяют для наружных деталей самолетов и авиадвигателей (корпуса компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.)