Магниевые сплавы
Магниевые 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? ~ 2 млн. т, из них? ~ 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 = 0,1 кгс/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 определяемых примесей Механические свойства
при 20 ?C
Вид термической обработки Предельные рабочие температуры, ?C
Назначение Мн/м2 s, %
длительно
Кратко
времен-
но s0,2 sb Литейные сплавы Mg - Al - Zn 0,5 90 280 9 Закалка; закалка и старение 150 250
Сплав общего назначения 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 старение 250 350
Жаропрочный сплав. 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
-
3002 310
-
3502 100-140 Старение 100 150
Высоконагруженные детали из 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, кг/м3 Коэффициент линейного расширения при 20-100 ?C
a-106, 1/?C
Коэффициент теплопроводности, вт/м-K
Удельная теплоёмкость, кдж/кг-K Удельное электро-
сопротивление r-106, ом-см 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 s0,2 = 260-280 Мн/м2 (26-28 кгс/мм2), предел прочности sb = 340-360 Мн/м2 (34-36 кгс/мм2), относительное удлинение d =? 5%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить sb до 400-420 Мн/м2 (40-42 кгс/мм2). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: s0,2 = 350 Мн/м2 (35 кгс/мм2), sb = 420 Мн/м2 (42 кгс/мм2), d = 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 (sb/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 41-45 Гн/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.
Лит.: Конструкционные материалы, т. 2, М., 1964 (Энциклопедия современной техники); Рейнор Г. В., Металловедение магния и его сплавов, перевод с английского, [М.], 1964; Альтман М. Б., Лебедев А. А, и Чухров М. В., Плавка и литье легких сплавов, 2 изд., М., 1969.
? Н. М. Тихова.