Магниевые сплавы.

Широкое применение магния и его сплавов в промышленности обусловлено следующими факторами:

1. Плотность магния (1,74г/см³) является самой низкой среди конструкционных металлов (кроме бериллия). Магний в 4,5 раза легче железа, в 2,6 раза легче титана и в 1,6 раза легче алюминия.

2. Высокая удельная прочность магниевых сплавов превышает прочность большинства алюминиевых сплавов.

3. Магниевые сплавы обладают высокой способностью гасить вибрационные и ударные нагрузки.

4. Высокая удельная жёсткость при изгибе и кручении, превышающая на 20% у алюминиевых сплавов и на 50% у сталей.

5. Высокий предел усталости и выносливости деталей из магниевых сплавов.

6. Отличная обрабатываемость резанием.

7. Удовлетворительная свариваемость и пайка.

8. Магниевые сплавы устойчивы в растворах фтористоводородной кислоты, минеральных маслах, керосине, в растворах щелочей, жидком кислороде, но не устойчивы в морской воде, органических и минеральных кислотах.

Достоинства магниевых сплавов определяют широкую сферу его применения. Если алюминий считали металлом ХХ в., то магний следует ожидать будет металлом ХХ1 в.

Магниевые сплавы широко применяются в аэрокосмической технике, в текстильном машиностроении, в автомобильной промышленности, для изготовления корпусов приборов, фотокамер, корпусов биноклей, пишущих машинок, некоторых деталей авиационных двигателей (подмоторных рам, пропеллеров, колёс шасси и др.). Магниевые сплавы применяют в автомобильной промышленности для изготовления коробок передач, всасывающих патрубков головок блоков цилиндров.

Из деформируемых магниевых сплавов делают двери, стойки, каркасы рулевого управления, сидения, кронштейны и др. детали. Легковой автомобиль будет содержать более 100 кг магниевых деталей.

Ещё в 1935 году в СССР был построен самолёт «Сергей Орджоникидзе», почти на 80% изготовленный из магниевых сплавов. Самолёт успешно выдержал все испытания, и длительное время эксплуатировался в сложных условиях.

Магниевые сплавы применяют также для изготовления сварных бензиновых баков, корпусов, помп, насосов и др. изделий.

К недостаткам магниевых сплавов относятся меньшая, чем у алюминиевых сплавов коррозионная стойкость, трудности в процессе плавки (газонасыщаемость, пористость, окисляемость и более высокая стоимость магния).

Различают литейные и деформируемые магниевые сплавы. Деформируемые сплавы регламентированы ГОСТ 14957-76 и обозначают буквами МА и порядковым номером.

Для изготовления фасонных отливок применяют магниевые сплавы, состав которых регламентирован ГОСТ 2856-79. Обозначение литейных сплавов состоит из букв МЛ и порядкового номера. Наличие после марки сплава буквенного обозначения «пч» означает, что данный сплав имеет повышенную чистоту по примесям.

Для производства отливок в качестве исходных шихтовых материалов используют магниевые

сплавы в чушках по ГОСТ 804-93. Эти сплавы обозначают буквами и цифрами, означающими процентное содержание соответствующих элементов в сплаве, например, сплав МА6Ц3 содержит 6% алюминия и 3% цинка.

Основными легирующими элементами литейных магниевых сплавов являются: алюминий, цинк, марганец, кремний церий, цирконий.

По химическому составу литейные магниевые сплавы подразделяются на 3 основные группы.

1 группа – сплавы на основе Mg-Al-Zn (МЛ-3, МЛ-4, МЛ-5, МЛ-6, МЛ7-1). Эти сплавы обладают относительно высокой прочностью. Основным упрочнителем является алюминий. Цинк является дополнительным упрочнителем.

Сплавы 1 группы предназначены для изготовления отливок, работающих при большой влажности и больших нагрузках. Для повышения коррозионной стойкости в сплавы добавляют 0,1- 0,5% марганца, а для снижения окисляемости вводят 0,001-0,002% бериллия или 0,1% кальция.

Магниевые сплавы имеют удельную прочность выше, чем другие сплавы (алюминиевые, медные).

Основными структурными составляющими магниевых сплавов являются α-твёрдые растворы алюминия и цинка в магнии, интерметаллические соединения марганца и алюминия с магнием.

Сплавы 1-й группы (кроме МЛ3) имеют широкий интервал кристаллизации (180…250ºС), поэтому склонны к усадочным рыхлотам и горячим трещинам, имеют невысокую жидкотекучесть.

Сплав МЛ3 применяют для отливок простой конфигурации с повышенной герметичностью при средних нагрузках (корпуса мотопомп, насосов, арматура). Сплав склонен к образованию концентрированных усадочных раковин, но отсутствует пористость, обладает гидроплотностью. Термообработке не подвергается.

Сплав МЛ4 применяется для деталей с повышенной нагрузкой (детали самолётов, корпуса приборов и инструментов). Сплав склонен к горячим трещинам, поэтому не рекомендуется для кокильного литья. Сплав подвергается упрочняющей термообработке. σb = 22/мм², δ =6%, Твёрдость сплава =50 НВ.

Сплав МЛ5 применяют для сложных и нагруженных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок. Сплав имеет небольшую склонность к горячим трещинам. Отливки можно получать любыми способами. Сплав применяют в термообработанном состоянии.

Сплав МЛ5 является основным литейным магниевым сплавом. Сплав применяют для изготовления корпусов инструментов, фотоаппаратов, биноклей, пишущих машинок и других деталей. Сплав рекомендуется применять для литья под давлением, в песчаные формы и кокиль, т.к. он обладает хорошей жидкотекучестью и малой склонностью к образованию рыхлот и трещин.

Сплав МЛ6 обладает повышенной прочностью, может применяться для литья в почву, кокиль или при литье под давлением. Сплав имеет пониженную коррозионную стойкость. Применяется сплав для деталей различного назначения при средней нагруженности (биноклей, радиоаппаратуры и т.п.). Сплав склонен к микропористости.

Прочностные свойства отливок из сплавов МЛ4, МЛ5, МЛ6 можно повысить за счёт искусственного старения.

Сплав МЛ7-1. разработан на основе Mg-Al- Zn –Са. Наличие кальция в сплаве повышает жаропрочность сплава в твёрдом состоянии и снижает окисляемость в жидком состоянии. Сплав МЛ7-1 отличается повышенным сопротивлением ползучести при 150-200ºС и обладает удовлетворительными литейными свойствами. Плотность и герметичность отливок из сплава МЛ7-1 несколько выше, чем отливок из сплава МЛ5. Сплав МЛ7-1 обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью, сваривается аргонодуговой сваркой.

Сплав МЛ2 имеет ограниченное применение. Он обладает повышенной линейной усадкой (1,6-1,9%) и высокой горячеломкостью. Сплав применяется для простых отливок при литье в почву. Достоинством этого сплава является повышенная коррозионная стойкость.

2-я группа - сплавы на основе системы Mg – Zn – Zr (МЛ8, МЛ12, МЛ 15, МЛ22).

Эти сплавы относятся к высокопрочным. Хорошо обрабатываются резанием.

Введение циркония сокращает интервал кристаллизации, улучшает литейные свойства и измельчает зерно. Оптимальное содержание циркония 0,6- 0,8%.

Сплав МЛ8 имеет повышенные прочностные характеристики при удовлетворительной пластичности. Предназначен для отливки средненагруженных деталей, длительно работающих при температуре до 150ºС.

Сплав МЛ 12 отличается высокой прочностью, хорошей коррозионной стойкостью (более высокой, чем сплав МЛ5), лучшими литейными свойствами, хорошей герметичностью. Этот сплав можно улучшить закалкой от 400ºС и искусственным старением при 150 ºС в течении 50 час. За счёт дополнительного легирования цирконием это сплав более жаропрочен, чем другие. Детали из этого сплава могут длительно работать при температуре до 200ºС и кратковременно- при 250ºС.

Недостатком этого сплава является плохая свариваемость и склонность к образованию горячих трещин.

Сплав МЛ15 отличается от сплава МЛ12 дополнительным легированием лантаном, благодаря чему этот сплав является наиболее жаропрочным магниевым сплавом 2-й группы. Лантан повышает свариваемость этого сплава, уменьшает склонность к образованию горячих трещин и микрорыхлот. Сплав МЛ15 рекомендуется применять для высоконагруженных герметичных деталей, длительно работающих при температуре 250ºС и кратковременно – до 300ºС. Сплав термически упрочняется старением при 300ºС в течение 6 часов. Однако по прочности и пластичности сплав уступает сплаву МЛ12. С повышением температуры прочность сплава резко снижается из-за высокого содержания цинка. Лантан образует в сплаве самостоятельную интерметаллическую фазу, что улучшает технологические свойства и повышает прочность сплава. Детали из этих сплавов отличаются повышенной изотропностью, улучшены также жаропрочные свойства

Сплавы МЛ8, МЛ17, МЛ18 за счёт дополнительного легирования кадмием, кадмием и неодимом, а также кадмием и серебром соответственно обладают повышенными прочностными свойствами (до 340 МПа). Добавки кадмия находятся в сплаве в виде твёрдого раствора.

Сплавы 2-й группы используются для деталей, работающих при 200-250 ºС и при высоких нагрузках, упрочняются термообработкой. Основными структурными составляющими этих сплавов являются включения интерметаллидов (ZrZn2, MgLa и др.), которые являются упрочнителями при термообработке.

Сплав МЛ22 наиболее высокопрочный литейный магниевый сплав, предназначенный для литья в песчаные формы мелких и средних деталей.

Сплавы 3-й группы. Сплавы на основе Mg –РЗМ-Zr (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19). Сплавы этой группы отличаются высокой жаропрочностью. При длительной эксплуатации они могут работать при температуре 250…350ºС, а при кратковременной - до 400ºС. Эти сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию микрорыхлот и усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях разной толщины, хорошо свариваются аргоно-дуговой сваркой.

Основной легирующий элемент в сплавах МЛ9, МЛ10 – неодим, в сплаве МЛ19 – неодим и иттрий, а в сплаве МЛ11- 75%церий + РЗМ. Концентрация неодима в сплаве приближается к предельной растворимости, к тому же он образует интерметаллическое соединение Mg2Nd, что способствует высокой жаропрочности сплава.

Все сплавы 3-й группы легированы также цирконием, который эффективно измельчает зерно и оказывает рафинирующее действие, нейтрализуя вредные примеси. Сплав МЛ11 характеризуется пониженными свойствами при комнатной температуре и меньшей жаропрочностью по сравнению с другими сплавами этой группы.

Сплавы марок МЛ9, МЛ10, МЛ11 могут эксплуатироваться в области криогенных температур.

Сплав МЛ9 рекомендуется применять как для литья в песчаные формы, так и для кокильного литья высоконагруженных деталей, работающих при 250ºС и требующих высокой герметичности.

Сплав МЛ10 отличается высокой герметичностью и предназначен для изготовления высоконагруженных отливок, работающих при температурах 250-300ºС, хорошо обрабатывается резанием и сваривается.

Сплав МЛ11 наиболее жаропрочен среди магниевых сплавов и предназначен для деталей, длительно эксплуатируемых при 250-350ºС и кратковременно - при 400ºС. Сплав обладает хорошими технологическими свойствами и герметичностью.

Сплав МЛ19 предназначен для изготовления высоконагруженных деталей, работающих при 250-300ºС. Применение этого сплава при 200-250ºС нецелесообразно, т.к. он не имеет преимуществ по сравнению со сплавами с РЗМ. В структуре этого сплава основной избыточной упрочняющей фазой является интерметаллид Mg3Nd. Сплавы этой группы применяются для деталей, подвергающихся одновременному воздействию статических и усталостных нагрузок.