§ 31. Магний и его сплавы

 

Магний, занимающий среди металлов шестое место по распределению, входит в состав очень многих минералов. Наиболее распространенный способ получения магния - электролитический. Он состоит из двух процессов: получения хлористого магния МgС1₂ из исходного сырья (карналлита, магнезита либо доломита) и получения магния из МgС1₂ путем электролиза.

Магнии применяется в производстве титана и высокопрочного чугуна, входит в состав многих алюминиевых сплавов; сплавы на основе магния используются как конструкционные материалы с высокой удельной прочностью, жесткостью.

Магний является самым легким конструкционным материалом, его плотность составляет всего 1,7 г/см³, температура плавления 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная, плотноупакованная. Предел прочности чистого магния в деформированном состоянии равен 180 Н/м², а относительное удлинение составляет лишь 5%. Ввиду низких механических характеристик чистого магния для изготовления деталей применяют сплавы магния. Они хорошо обрабатываются резанием; детали из этих сплавов можно получать обработкой давлением либо литьем. В соответствии с этим магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (марки обозначаются буквами МА) и литейные (МЛ).

Обработку давлением деформируемых сплавов обычно проводят при нагреве до 300-400°С, когда они имеют наиболее высокую пластичность.

Существенным недостатком Мg-сплавов является их малая коррозионная стойкость.

Из деформируемых сплавов изготовляют сварные бензо- и маслопроводы, различные штампованные и кованые детали для работы при температурах до 200-250°С. Из литых сплавов магния делают арматуру и детали корпусов насосов повышенной герметичности. Наиболее широко применяют магниевые сплавы в тех отраслях техники, где большое значение имеет масса изделий. Благодаря своей высокой прочности магниевые сплавы применяются, прежде всего в самолетостроении и космической технике.

 

 

§ 32. Титан и его сплавы

 

По распространению в природе титан занимает четвертое место среди металлов и входит в состав более чем 70 минералов (рутил, ильменит и многие другие). Производство титана - сложный процесс, осуществляемый по следующей схеме: титановая руда - обогащение - плавка на титановый шлак - получение четыреххлористого титана ТiCl₄ - восстановление титана магнием Плотность технически чистого титана составляет 4,5 г/см³, а прочность достигает 600 Н/м², поэтому он по удельной прочности является рекордсменом среди металлов. Температура плавления зависит от степени чистоты титана и колеблется в пределах 1660-1680°С. Титан является полиморфным металлом: при нагреве до 882°С α-Тi, имеющий ГПУ кристаллическую решетку, переходит в β-Тi с ОЦК-решеткой. Наличие полиморфизма создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки. Даже изменение скорости охлаждения при кристаллизации титана приводит к получению различного характера структуры: при медленном охлаждении получается обычная полиэдрическая структура, а при быстром - игольчатая структура вследствие мартен-ситного превращения α-фазы в α^’-фазу (метастабильную). При нормальной температуре титан обладает высокой коррозионной стойкостью во многих сильных химических средах; во многих случаях его стойкость превышает стойкость нержавеющих Сr-Мi сталей. Однако при нагреве выше 500°С титан становится очень активным элементом. При высоких температурах он либо растворяет почти все соприкасающиеся с ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Такие примеси, как Н₂, O₂, N₂ и С, повышают прочность титана, но пластичность при этом надает (у чистого титана δ составляет не менее 20%), снижается коррозионная стойкость и ухудшается свариваемость.

Сплавы титана с другими компонентами обладают, как правило, более высокой прочностью, хорошим уровнем жаропрочности и жаростойкости, высокой коррозионной стойкостью. Они делятся на сплавы деформируемые (неупрочняемые термической обработкой), литейные и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

По своему кристаллическому строению титановые сплавы делятся на однофазные с α-структурой, двухфазные с α+β-структурой и однофазные β -сплавы.

Титановые сплавы с α-структурой - это сплавы марок ВТ5, ВТ5-1 (содержат до 2,5% Sn) имеют средний уровень прочности при комнатной температуре, но весьма прочны при криогенных температурах и обладают очень высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивные средах, например в НNОз всех концентраций при комнатной и повышенных температурах, в 10%-ном растворе NаОН до температуры кипения и т. д. Не рекомендуется применять α-сплавы в средах НС1 и НF. Данные сплавы не подвергаются термической обработке.

Титановые сплавы с β -структурой используют редко: они дороги, а из-за присутствия большого количества тяжелых легирующих элементов (стабилизаторов) теряется главное достоинство - высокая удельная прочность.

Двухфазные титановые сплавы с α+β -структурой содержат в определенной пропорции α и β - стабилизаторы. Легирующие элементы, вводимые в наибольшем количестве, - это V, Мо, Сr (сплавы типа ВТ14, ВТ16). Такие сплавы эффективно упрочняют закалкой с последующим старением, прочность повышается с 1000 до 1600-1800 Н/м².

Наиболее часто титановые сплавы легируют алюминием, что эффективно повышает их прочность и особенно жаропрочность (до 500-600°С), стабилизирует структуру и уменьшает вредное влияние водорода. Для повышения износостойкости титановых сплавов их можно подвергать химико-термической обработке - цементации либо азотированию.

Из сплавов титана изготовляют штампованные конструкции, емкости, аппаратуру химической промышленности, высоконагруженные сварные конструкции и т. п. Недостатком этих сплавов является их плохая обрабатываемость резанием. Наибольшее распространение сплавы титана нашли в авиа- и судостроении. С