1.1.2. Классификация магниевых сплавов

В зависимости от температурных условий работы современные магниевые сплавы можно условно разделить на три группы.

Предельные рабочие температуры некоторых отечественных и американских сплавов указаны в табл.

К первой группе относятся сплавы для работы при комнатной температуре или не превышающей 150 °С.

Эти сплавы называют высокопрочными. Они обладают высокими механическими свойствами при комнатной температуре, однако с повышением температуры свыше 150 °С сильно разупрочняются. К числу высокопрочных магниевых сплавов относятся сплавы на основе систем Mg-Al-Zn-Mn; Mg-Zn-Zr; Mg-Ag-Cd-Al-Mn.

Ко второй группе относятся сплавы для работы при 200— 250 °С, а к третьей — при 300 °С и выше. Сплавы этих групп назы­ваются жаропрочными. К числу сплавов, предназначенных для ра­боты при 200—250 °С, относятся сплавы на основе системы Mg-Mn-Al-Са, а также содержащие в качестве легирующих РЗЭ. Магниевые сплавы, предназначенные для работы при 300 °С и выше, содержат в качестве основной легирующей добавки Th или Nd. К ним относятся сплавы систем Mg-Th-Zr; Mg-Th-Mn; Mg- Nd-Mn-Ni.

Таблица 1. Предельные рабочие температуры магниевых сплавов

Система сплава	Сплавы, применяемые		Предельные температуры, °С, при работе
	в СНГ	в США	длительной	кратковре­менной
Mg-Mn	MA1	М1А	150	200
Mg-Mn-Ce	МА8	-	200	250
Mg-Mn-Al-Ca	МА9	-	200	250
Mg-Zn-Zr	ВМ65-1,	ZK60A,	150	200
	ВМД-3	ZK20XA
Mg-Al-Zn-Mn	МА2,	AZ31A,	150	200
	МА2-1,	AZ61A,
	МА5	AZ80A
Mg-Nd-Mn-Ni	МА11	-	250	350
Mg-Th-Mn	МА13	НМ21А,	300	350
		НМ31А
Mg-Th-Zr	-	НК31А	300	350

Из применяемых в качестве упрочняющих добавок РЗЭ (La, Се, Pd, Nd) наиболее высокие механические свойства при повышенных температурах достигаются при введении в магниевые сплавы неодима.

К числу наиболее часто применяемых при сварке относятся сплавы MAI, МА2 и МАЗ; их временная сопротивляемость разрыву составляет 190—210, 240 и 220—230 МПа соответственно. Сплавы MAI, МА2, МА2-1, MA5, МА9 термообработкой не упрочняются. Сплав ВМ65-1 упрочняется на 10—30 МПа в результате старения. Сплав МА11 подвергается закалке и старению.

Среди неупрочняемых сплавов широкое применение находят сплавы на основе систем Mg-Al-Mn и Mg-Al-Zn-Mn.

Для обеспечения лучшего сопротивления коррозии полуфабрикаты из деформируемых магниевых сплавов подвергаются оксидированию. Особые свойства каждого сплава предопределяют области применения и преимущественное изготовление из него определенных полуфабрикатов.

Сплав МА1 отличается высокими коррозионной стойкостью, пластичностью в горячем состоянии, а также хорошей свариваемостью и может во многих случаях заменить алюминиевые сплавы АМц и АМг. Из сплава рекомендуется изготовлять детали, не подвергающиеся операциям формообразования с высокими степенями деформации.

Сплав МА2-1 рекомендуется для изготовления штампосварных конструкций, несущих значительные нагрузки.

Преимуществом сплава МА8 являются хорошие технологические свойства (штампуемость, прокатываемость, прессуемость), а также высокая коррозионная стойкость под напряжением. Свариваемость сплава удовлетворительна.

По сравнению со сплавом МА8 сплав МА9 обладает худшей свариваемостью. Сплав предназначен для работы при комнатной и повышенной температурах и может применяться для обшивки и других деталей самолетов, работающих в условиях нагрева до 250 °С.

Сплав ВМ65-1 применяется для изготовления наиболее нагруженных деталей. Сочетая хорошую пластичность в горячем состоянии, высокие механические свойства и отсутствие склонности к коррозии под напряжением, он принадлежит к числу лучших магниевых сплавов для работы при обычных температурах. Сплав подвергается термической обработке.

Сплав MAI 1 относится к теплостойким сплавам и может хорошо работать при температурах, превышающих 250 °С. Технологическая пластичность сплава удовлетворительная. Сплав не склонен к коррозии под напряжением. Общая коррозионная стойкость его несколько ниже, чем сплава МА8.

Следует также отметить новый отечественный сплав системы Mg-Li, содержащий 10-11,5 % Li. Сплав обладает относительно небольшой прочностью (160 МПа), но низкая плотность (1,5 г/см³) позволяет получить высокую прочность конструкции при малом её весе. Этот сплав хорошо сваривается аргонодуговым способом.

Чистый магний обладает относительно невысокой прочностью (80—110 МПа) и малопластичен. Это объясняется тем, что для его гексагональной решетки при нормальной температуре имеется одна система плоскостей скольжения. При температуре выше 200—300 °С пластичность магния увеличивается в связи с появлением других плоскостей скольжения. Как конструкционный материал, основное значение имеют сплавы магния, отличающиеся более высокой прочностью при сохранении малой массы.

Плотность магния 1,738 г/см³, т. е. почти в 1,5 раза меньше плотности алюминия и в 4,5 раза меньше плотности железа, поэтому удельные показатели свойств многих сплавов на основе магния превосходят аналогичные показатели свойств сталей повышенной прочности, высокопрочных алюминиевых сплавов и даже некоторых сплавов на основе титана.

Наиболее распространенные легирующие элементы, упрочняющие твердый раствор магниевых сплавов, алюминий и цинк, Однако их упрочняющее действие сохраняется до температур 150—200 °С. При этих температурах наиболее сильно повышают жаропрочные свойства магния неодим и в меньшей сте­пени торий. Упрочняющее действие последнего в большей степени проявляется при температурах 250—300 °С.

Отличительная черта магния и его сплавов — повышенная чувствительность к коррозии во многих средах. Это объясняется тем, что оксидная пленка на поверхности магния рыхлая и не обладает высокими защитными свойствами, как, например, оксидная пленка на алюминии.

Наилучшим способом защиты от коррозии деталей из магниевых сплавов считается нанесение на их поверхность плотных оксидных пленок или специальных лакокрасочных покрытий.

С целью уплотнения оксидных пленок в состав магниевых сплавов часто вводят добавки бериллия. При кристаллизации магний склонен образовывать грубую крупнокристаллическую структуру. Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевых сплавов в состав многих из них вводят модификаторы, например, цирконий или церий.

Магниевые сплавы так же, как и алюминиевые, можно разделить на две основные группы: деформируемые и литейные.

По чувствительности к термообработке магниевые сплавы разделяют на термически упрочняемые и не упрочняемые термообработкой.

По основным свойствам и областям применения могут быть выделены три группы магниевых сплавов: общего назначения, высокопрочные, жаропрочные.

По системе легирования может быть выделено несколько групп деформируе­мых сплавов.

К системе Mg—Мn можно отнести сплав AMI, содержащий 1,8—2,5 Мn, и сплав МА8, легированный дополнительно 0,2 % Се с целью измельчения зерна и повышения механических свойств. Сплавы этой системы не упрочняются термообработкой и относительно хорошо свариваются.

К системе Mg—Al—Zn относятся сплавы МА2, МА2-1, МА2-1пч, МА5. Сплав МА2 содержит 3—4 % А1, 0,2—0,8 % Zn, 0,15—0,5 % Мn. Сплав МА2-1 отличается большей степенью легирования, более технологичен и хорошо сваривается. Сплав МА2-1пч изготовляют из компонентов высокой чистоты; он содержит меньше примесей, более пластичен и имеет более высокую коррозионную стойкость. Сплав МА5 содержит 7,8—9,2 % А1, отличается большей прочностью. В связи с ограниченным содержанием легирующих элементов (до 8 % А1) сплавы этой группы не упрочняются термообработкой.

К системе Mg—Zn—Zr относится сплав МА-14 (ВМ65-1). Он содержит 5—6 % Zn и 0,3—0,9 Zr, отличается высокими показателями механических свойств благодаря упрочняющему действию цинка и модифицирующему влиянию циркония. Сплавы упрочняются термообработкой (старение при 160—170 °С в течение 24 ч), отличаются высокой жаропрочностью, но плохо свариваются.

Жаропрочные сплавы на основе системы Mg— Th—Мn (сплав МА-13), высокопрочные на основе системы Mg-Al-Cd-Ag (MA-10) и др.

К литейным относятся сплавы MЛ2 (Mg-Мn), МЛЗ, MJI4, МЛ5, МЛ6, МЛ7-1 (Mg-Al-Zn), МЛ 10 (Mg-Nd-Zn), МЛ 12 (Mg-Zn-Zr) и др.

В таблице указаны составы зарубежных сплавов. Основные системы легирования аналогичны отечественным сплавам.

Таблица 2. Состав магниевых сплавов.

Обозначение

Состав, массовые доли %

Стандарт

Номер

A1

Li

Mn

Редкоземельные

Th

Zn

Zr

Ca

Cu

Fe

9980A

M19980

0.10

0.02

9980B

M19981

0.10

0.021

9990A

M19990

0.003

0.004

0.04

9990B

M19991

0.005

0.004

0.011

9995A

M19995

0.010

0.004

0.003

9998A

M19998

0.004

0.002

0.0005

0.002

A3A

M10030

2.5­- 3.5

0.005

0.001

0.10

0.005

0.005

AM60A

M10600

5.5- ­6.5

0.13 MIN

0.22

0.35

AM80A

M10800

8.0­- 9.0

0.18 MIN

0.20

0.08

AM90A

M10900

8.5­- 9.5

0.15 MIN

0.20

0.10

0.008

AM100A

M10100

9.3­- 10.7

0.10 MIN

0.30

0.10

AM100B

M10102

9.4­- 10.6

0.13 MIN

0.08

AS41A

M10410

3.5­- 5.0

0.20­0.50

0.12

0.06

AZ10A

M11100

1.0­- 1.5

0.20 MIN

0.20­- 0.6

0.04

0.10

0.005

AZ21A

M11210

1.6­- 2.5

0.15

0.8- ­1.6

0.10­0.25

0.05

0.005

Стандарт

Номер

A1

Li

Mn

Редкоземельные

Th

Zn

Zr

Ca

Cu

Fe

AZ31A

M11310

2.5­- 3.5

0.20 MIN

0.6­- 1.4

0.30

0.05

0.005

AZ31B

M11311

2.5- ­3.5

0.20 MIN

0.6­- 1.4

0.04

0.05

0.005

AZ31C

M11312

2.4­- 3.6

0.15 MIN

0.50- 1.5

0.10

AZ61A

M11610

5.8­- 7.2

0.15 MIN

0.40- 1.5

0.05

0.005

AZ63A

M11630

5.3- ­6.7

0.15 MIN

2.5- ­3.5

0.25

AZ80A

M11800

7.8- ­9.2

0.12 MIN

0.20- ­0.8

0.05

0.005

AZ81A

M11810

7.0- ­8.1

0.13 MIN

0.40­- 1.0

0.10

AZ90A

M11900

8.5- ­9.5

0.15 MIN

0.20

0.02

0.015

AZ91A

M11910

8.5­- 9.5

0.15 MIN

0.45­- 0.9

0.08

AZ91B

M11912

8.5­- 9.5

0.15 MIN

0.45- ­0.9

0.25

AZ91C

M11914

8.1­- 9.3

0.13 MIN

0.40­- 1.0

0.10

AZ92A

M11920

8.3­- 9.7

0.10 MIN

1.6- ­2.4

0.25

AZ101A

M11101

9.5-10.5

0.13 MIN

0.75­1.25

0.05

0.005

AZ125A

M11125

11.0­13.0

4.5­- 5.5

EK30A

M12300

2.5- 4.0

0.30

0.20 MIN

0.10

EK41A

M12410

3.0- 5.0

0.30

0.40­- 1.0

0.10

EZ33A

M12330

2.5- 4.0

2.0- ­3.1

0.50­- 1.0

0.10

HK31A

M13310

2.5­- 4.0

0.30

0.40- ­1.0

0.10

HM21A

M13210

0.45­-1.1

1.5- ­2.5

HM31A

M13312

1.2 MIN

2.5­- 3.5

HZ32A

M13320

0.10

2.5­- 4.0

1.7­- 2.5

0.50­- 1.0

0.10

K1A

M18010

0.40- ­1.0

LA141A

M14141

1.0­- 1.5

13.0­15.0

0.15 MIN

0.005

LS141A

M14142

0.05

12.0­15.0

0.15

0.05

0.005

LZ145A

M14145

0.05

12.0­15.0

0.15

4.5­- 5.0

0.05

0.005

Стандарт

Номер

A1

Li

Mn

Редкоземельные

Th

Zn

Zr

Ca

Cu

Fe

M1A

M15100

1.2 MIN

0.30

0.05

M1B

M15101

1.3 MIN

0.08

M1C

M15102

0.01

0.9- ­1.2

0.02

0.03

TA54A

M18540

3.0­- 4.0

0.20 MIN

0.30

0.05

QE22A

M18220

1.8- 2.5(A)

0.40­- 1.0

0.10

QH21A

M18210

0.6- 15(B)(C)

0.6- 1.6(C)

0.20

0.40- 1.0(D)

0.10

ZE10A

M16100

0.12­- 0.22

1.0- ­1.5

ZE41A

M16410

0.75- ­1.75

3.5- ­5.0

0.40­-1.0

0.10

ZE63A

M16630

2.1- 3.0

5.5­- 6.0

0.40-1.0

0.10

ZH62A

M16620

1.4­2.2

5.2­- 6.2

0.50-1.0

0.10

ZK21A

M16210

2.0­- 2.6

0.45- ­0.8

0.10

ZK40A

M16400

3.5­- 4.5

0.45 MIN

0.10

ZK51A

M16510

3.6­- 5.5

0.50­- 1.0

ZK60A

M16600

4.8- ­6.2

0.45 MIN

ZK60B

M16601

4.8­- 6.8

0.45 MIN

ZK61A

M16610

5.5­- 6.5

0.6­- 1.0

Обозначение

Состав, массовые доли%

Остальные элементы

Mg

Стандарт

Номер

Si

Ag

Cd

Ni

Pb

Разные

Каждые

Итог

9980A

M19980

0.001

0.01

0.01 SN

0.05

99.80 MIN

9980 B

M19981

0.005

0.01

0.01 SN

0.05

99.80 MIN

9990A

M19990

0.005

0.0001

0.001

0.00007 B

0.01

99.90 MIN

9990B

M19991

0.005

0.001

0.01

99.90 MIN

9995A

M19995

0.005

0.00005

0.001

0.00003 B 0.01 TI

0.005

99.95 MIN

9998A

M19998

0.003

0.00005

0.00005

0.001

0.00003 B 0.001 TI

0.005

99.98 MIN

A3A

M10030

0.001

0.001

0.001

0.30

BAL

AM60A

M10600

0.50

0.03

0.30

BAL

Стандарт

Номер

Si

Ag

Cd

Ni

Pb

Разные

Каждые

Итог

Mg

AM80A

M10800

0.20

0.01

0.30

BAL

AM90A

M10900

0.15

0.008

0.005

0.02

0.10

BAL

AM100A

M10100

0.30

0.01

0.30

BAL

AM100B

M10102

1.0

0.01

0.30

BAL

AS41A

M10410

0.50­1.5

0.03

0.30

BAL

AZ10A

M11100

0.10

0.005

0.30

BAL

AZ21A

M11210

0.05

0.002

0.30

BAL

AZ31A

M11310

0.30

0.005

0.30

BAL

AZ31B

M11311

0.10

0.005

0.30

BAL

AZ31C

M11312

0.10

0.03

0.30

BAL

AZ61A

M11610

0.10

0.005

0.30

BAL

AZ63A

M11630

0.30

0.01

0.30

BAL

AZ80A

M11800

0.10

0.005

0.30

BAL

AZ81A

M11810

0.30

0.01

0.30

BAL

AZ90A

M11900

0.20

0.005

0.07

0.30

BAL

AZ91A

M11910

0.20

0.01

0.30

BAL

AZ91B

M11912

0.20

0.01

0.30

BAL

AZ91C

M11914

0.30

0.01

0.30

BAL

AZ92A

M11920

0.30

0.01

0.30

BAL

AZ101A

M11101

0.05

0.005

0.0002­0.0008 BE

0.30

BAL

AZ125A

M11125

0.0002­0.0008 BE

0.30

BAL

EK30A

M12300

0.01

0.30

BAL

EK41A

M12410

0.01

0.30

BAL

EZ33A

M12330

0.01

0.30

BAL

HK31A

M13310

0.01

0.30

BAL

HM21A

M13210

0.30

BAL

HM31A

M13312

0.30

BAL

HZ32A

M13320

0.01

0.30

BAL

K1A

M18010

0.01

0.30

BAL

LA141A

M14141

0.004

0.005

0.005 NA

0.20

BAL

LS141A

M14142

0.50­0.6

0.005

0.005 NA

BAL

LZ145A

M14145

1.5­- 2.0

2.0- 3.0

0.005

0.005 NA

0.20

BAL

M1A

M15100

0.10

0.01

0.30

BAL

M1B

M15101

0.10

0.01

0.20

BAL

M1C

M15102

0.001

0.05

0.30

BAL

TA54A

M18540

0.30

0.01

4.0-6.0 SN

0.30

BAL

QE22A

M18220

2.0- ­3.0

0.01

0.30

BAL

Стандарт

Номер

Si

Ag

Cd

Ni

Pb

Разные

Каждые

Итог

Mg

QH21A

M18210

2.0­- 3.0

0.01

0.30

BAL

ZE10A

M16100

0.30

BAL

ZE41A

M16410

0.01

0.30

BAL

ZE63A

M16630

0.01

0.30

BAL

ZH62A

M16620

0.01

0.30

BAL

ZK21A

M16210

0.01

0.30

BAL

ZK40A

M16400

0.01

0.30

BAL

ZK51A

M16510

0.30

BAL

ZK60A

M16600

0.30

BAL

ZK60B

M16601

0.30

BAL

ZK61A

M16610

0.30

BAL

(А) Редкоземельные элементы в форме дидима. Дидим (греч. близнец элемент) представляет собой смесь элементов празеодима и неодима.

(B) Дидим: не менее 70% неодима, остаток - празеодима.

(C) Тория и дидима суммарно от 1,5 до 2,4.

(D) Растворенного циркония 0,40 минимум.

Химический состав, вес. %, основа Mg

Таблица 3.

Сплав	Легирующие элементы			Примеси, не более
	Аl	Zn	Mil	Ni	Сu	Si	Fe
МА2-1	3,8-5,0	0,8-1,5	0,3-0,7	0,004	0,05	0,1	0,04
МА2-1 пч	3,8-5,0	0,8-1,5	0,2-0,6	0,001	0,01	0,01	0,005
AZ31B	2,5-3,5	0,6-1,4	0,15-0,7	0,005	0,1	0,1	0,03
AZ61A	5,5-6,5	0,5-1,5	0,15-0,4	0,005	0,1	0,1	0,03

Склонность сплавов этой группы к образованию трещин при сварке зависит от содержания алюминия и цинка в основном металле, образующих с магнием легкоплавкие эвтектики в условиях неравновесной кристаллизации металла шва, а также от состава присадочного металла. При содержании алюминия в сплавах данной группы в пределах 4-6% склонность сплава к образованию горячих трещин при сварке минимальна. Оптимальным с этой точки зрения можно считать содержания в металле шва 4,5% А1, 1,2% Zn и 0,6% Мn. Повышение чистоты исходного материала повышает его сопротивляемость образованию горячих трещин, не изменяя механических свойств сварных соединений.

Высокое качество сварных соединений при сварке плавлением магниевых сплавов может быть получено лишь при условии надежной защиты сварочной ванны и близлежащих участков основного и присадочного металла от окружающей атмосферы. Для выполнения сварки необходимо также разрушить тугоплавкую окисную пленку на поверхности свариваемого металла. Перечисленным условиям удовлетворяет дуговая сварка в среде инертного газа, в качестве которого наиболее часто применяется инертный газ аргон. Возможно также применение другого инертного газа - гелия.

Практика показала, что дуговая сварка в среде инертного газа обеспечивает хорошую и надежную защиту металла шва от кислорода и азота воздуха и более высокие механические свойства сварных соединений, чем газовая сварка.

Газовая сварка, возможная только с применением флюсов, не удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к сварным соединениям из магниевых сплавов в настоящее время.

Попытки применить в промышленном производстве дуговую сварку обмазанными электродами не увенчались успехом.