Большая советская энциклопедия - 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 твердом 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 сверхлегкие 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 = 0,1 кгс/мм2) Тип сплаваХимический состав, % основные компонентыпримеси, не более AlZnMnZrNdAlSiFeNiCuMnBeCa Литейные сплавы Mg – Al – Zn80,50,2–––0,250,060,010,1–0,0020,1 80,50,2–––0,080,0070,0010,004–0,002– Mg – Zn – Zr–4,5–0,7–0,020,030,010,0050,03–0,001– Mg – Nd – Zr–0,4–0,72,50,020,030,010,0050,03–0,001– Деформируемые сплавы Mg – Al – Zn410,5–––0,150,050,0050,05–0,020,1 Mg – Zn – Zr–5,5–0,5–0,050,050,050,0050,050,10,02– Тип сплаваСумма определяемых примесейМеханические свойства при 20 °C Вид термической обработкиПредельные рабочие температуры, °C Назначение Мн/м2s, %длительноКратко времен- но s0,2sb Литейные сплавы Mg – Al – Zn0,5902809Закалка; закалка и старение150250Сплав общего назначения 0,14902809То же150250То же, имеет повышенную коррозионную стойкость Mg – Zn – Zr0,21503006Отпуск200250Нагруженные детали (барабаны колес, реборды и др.) Mg – Nd – Zr0,21502805Закалка и старение250350Жаропрочный сплав. Нагруженные детали; детали, требующие высокой герметичности, стабильности размеров Деформируемые сплавы Mg – Al – Zn0,31180290100Отжиг150200Панели, штамповки сложной конструкции, сварные конструкции Mg – Zn – Zr0,31250 – 3002310 – 3502100–140Старение100150Высоконагруженные 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 легким 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 жесткостью: относительная жесткость 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 теплоемкость. Температура поверхности детали из М. с. при одинаковом количестве поглощенного 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/м3Коэффициент линейного расширения при 20—100 °C a·106, 1/°C Коэффициент теплопроводности, вт/м·K Удельная теплоемкость, кдж/кг·KУдельное электро- сопротивление r·106, ом·см Литейные сплавы Mg – Al – Zn181026,8651,0513,4 Mg – Zn – Zr181026,21340,986,6 Mg – Nd – Zr178027,71130,9638,4 Деформируемые сплавы Mg – Al – Zn17902683,81,0512 Mg – Zn – Zr180020,91171,035,65 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 приемы (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 щелочноземельных 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 литьем в песчаные, оболочковые, стержневые, гипсовые формы, литьем 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 клепкой, объемной и листовой штамповкой. При комнатной температуре технологическая пластичность М. с. низкая, что объясняется гексагональным строением кристаллической решетки 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 объемно центрированную кубическую решетку 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 клепку, пайку твердыми 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 пленки. Защита М. с. от коррозии осуществляется искусственно создаваемыми химическими или электрохимическими неорганическими пленками в сочетании с лакокрасочными покрытиями. Покрытие состоит из грунтовочного пассивирующего слоя и внешних лаковых или эмалевых слоев. Надлежащая защита обеспечивает надежную 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 пленок, 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 пленки 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 жесткости. М. с. применяются в автомобильной, тракторной промышленности (картеры двигателей, коробки передач, барабаны колес 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 колес, детали управления и крыла самолета, 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.