Магневые сплавы
.docxМагниевые 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 Магниевые сплавы 2 млн. т, из них Магниевые сплавы 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 и механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/м2 = 0,1кгс/мм2)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Тип сплава | Химический состав, % |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |
| | основные компоненты | примеси, не более |
| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |
| | Al | Zn | Mn | Zr | Nd | Al | Si | Fe | Ni | Cu | Mn | Be | Ca |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 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 | – |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Деформируемые сплавы |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mg – Al – Zn | 4 | 1 | 0,5 | – | – | – | 0,15 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | – | 0,02 | 0,1 |
|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mg – Zn – Zr | – | 5,5 | – | 0,5 | – | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | 0,1 | 0,02 | – |
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Тип сплава | Сумма | Механические | Вид | Предельные рабочие | Назначение |
| | определяемых | свойства | термической | температуры, °C | |
| | примесей | при 20 °C | обработки | | |
| | |-------------------------------------| |--------------------------------------| |
| | | Мн/м2 | s, % | | длительно | Кратко | |
| | |----------------------| | | | времен- | |
| | | s0,2 | sb | | | | но | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Литейные сплавы |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mg – Al – Zn | 0,5 | 90 | 280 | 9 | Закалка; | 150 | 250 | Сплав общего |
| | | | | | закалка и | | | назначения |
| | | | | | старение | | | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | 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 | 250 | 350 | Жаропрочный сплав. |
| | | | | | старение | | | 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 | 310 | 100–140 | Старение | 100 | 150 | Высоконагруженные |
| | | – | – | | | | | детали из |
| | | 3002 | 3502 | | | | | прессованных |
| | | | | | | | | полуфабрикатов, |
| | | | | | | | | штамповок и поковок |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1 Для деформируемых сплавов указано содержание прочих примесей.
2 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/м3. Наименьшую плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых М. с. равна 1760—1810 кг/м3, 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, | Коэффициент | Коэффициент | Удельная | Удельное |
| | кг/м3 | линейного | теплопроводности, | теплоёмкость, | электро- |
| | | расширения при | вт/м·K | кдж/кг·K | сопротивление r· |
| | | 20—100 °C | | | 106, ом·см |
| | | a·106, 1/°C | | | |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 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 σ0,2 = 260—280 Мн/м2 (26—28 кгс/мм2), предел прочности σb = 340—360 Мн/м2 (34—36 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 5%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить σb до 400—420 Мн/м2 (40—42 кгс/мм2). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: σ0,2 = 350 Мн/м2 (35 кгс/мм2), σb = 420 Мн/м2 (42 кгс/мм2), 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 (σb/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—45Гн/м2 (4100—4500 кгс/мм2) (3/5 модуля алюминиевых сплавов, 1/5 модуля сталей), модуль сдвига составляет 16—16,5 Гн/м2 (1600—1650 кгс/мм2). 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.