Магниевые сплавы

Определение "Магниевые сплавы" в Большой Советской Энциклопедии

Магниевые сплавы, сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, Магниевые сплавы разработаны на основе систем магний — металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования Магниевые сплавы, сравнительно невелик. Магниевые сплавы разделяются на 2 основные группы: литейные — для производства фасонных отливок и деформируемые — для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.

Историческая справка. Первые Магниевые сплавы появились в начале 20 века (под названием «электрон», теперь мало употребляемым). Значение конструкционных промышленных материалов Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы дан в таблице 1. В промышленных Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы достигает 10—14%. Вредными примесями являются Ni, Fe, Si и Cu, которые снижают коррозионную стойкость Магниевые сплавы В Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы в расплавленном состоянии.

Таблица 1. – Химический состав и механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/м² = 0,1 кгс/мм²)

Физические свойства Магниевые сплавы даны в таблице 2. Магниевые сплавы являются самым лёгким металлическим конструкционным материалом. Плотность (d) Магниевые сплавы в зависимости от состава колеблется в пределах 1360—2000 кг/м³. Наименьшую плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы 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. Магниевые сплавы имеют высокую удельную теплоёмкость. Температура поверхности детали из Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы в среднем на 10—15% больше, чем у алюминиевых сплавов.

Таблица 2. – Физические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов

  Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР промышленных Магниевые сплавы представлены в таблице 1. Максимальный уровень механических свойств литейных Магниевые сплавы достигнут на высокопрочных сплавах системы Mg — Zn — Ag — Zr: предел текучести s_0,2 = 260—280 Мн/м² (26—28 кгс/мм²), предел прочности s_b = 340—360 Мн/м² (34—36 кгс/мм²), относительное удлинение d =  5%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить s_b до 400—420 Мн/м² (40—42 кгс/мм²). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых Магниевые сплавы: s_0,2 = 350 Мн/м² (35 кгс/мм²), s_b = 420 Мн/м² (42 кгс/мм²), d = 5%. Предельная рабочая температура высокопрочных сплавов 150 °С. Самые жаропрочные Магниевые сплавы (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 (s_b/d) высокопрочные литейные Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы увеличиваются, а удлинение и ударная вязкость снижаются; резкого падения пластичности, характерного для низколегированных конструкционных сталей, у Магниевые сплавы не наблюдается.

Технология. Вследствие большого сродства магния с кислородом при плавке Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы дают большую усадку (1,1—1,5). Благодаря мелкозернистой структуре отливки из Магниевые сплавы с цирконием имеют более однородные и высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Детали и узлы различных конструкций из деформируемых Магниевые сплавы изготовляют механической обработкой, сваркой и клёпкой, объёмной и листовой штамповкой. При комнатной температуре технологическая пластичность Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы проводятся в нагретом состоянии при малых скоростях деформации. Исключение составляют Магниевые сплавы с 10—14% Li, которые имеют объёмно центрированную кубическую решётку и допускают обработку в холодном состоянии. При конструировании деталей из Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы подвергается упрочняющей термической обработке (закалке, старению) или отжигу для снятия внутренних напряжений (литейных, сварочных и других). Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием — вдвое быстрее, чем алюминиевые сплавы, и в 10 раз быстрее, чем углеродистые стали. При работе с Магниевые сплавы следует соблюдать правила пожарной безопасности.

Методы защиты от физико-химических воздействий. Магниевые сплавы обладают пониженной коррозионной стойкостью из-за высокого электроотрицательного потенциала и недостаточных защитных свойств естественной окисной плёнки. Защита Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы в атмосферных условиях, щелочных средах, минеральных маслах, бензине, керосине. Магниевые сплавы повышенной чистоты, особенно по содержанию железа и никеля, пригодны для эксплуатации в морском воздухе. Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы склонны к коррозии под напряжением и могут применяться при условии ограничения величины длительно действующих растягивающих напряжений.

Консервация деталей и полуфабрикатов из Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы с лакокрасочным покрытием в нормальных складских условиях производится в чехлах из полихлорвиниловой или полиэтиленовой плёнки с силикагелевым осушителем.

Применение. Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы широко используются в промышленности, прежде всего для снижения массы изделий, повышения их жёсткости. Магниевые сплавы 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 Магниевые сплавы Основное ограничение в применении Магниевые сплавы — 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.