какие свойства магниевых сплавов позволяют эффективно применять их как конструкционные материалы
Магний и его сплавы
Магний —металл серебристо-белого цвета; удельный вес 1,74; температура плавления 650°; магний кристаллизуется в гексагональной системе. Чистый магний достаточно стоек в воздухе (почти не уступает алюминию). Раствор поваренной соли, морская вода, кислоты (кроме соляной) быстро разрушают магний; по отношению к щелочам магний стоек. При сгорании магний дает яркий белый свет; магний в 4 раза легче железа, поэтому его сплавы называют сверхлёгкими.
Вследствие того, что механические свойства чистого магния невысоки, поэтому в чистом виде его как конструкционный материал не применяют.
Химические свойства магния. Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, соды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 о С.
По плотности магниевые сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21, МА18), а к легким — все остальные. Сплавы магния с литием (МА21, МА18) — самые легкие конструкционные металлические материалы.
При классификации по возможным температурам эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:
Различают термические упрочняемые и термически не упрочняемые сплавы.
Классификация и характеристика магниевых сплавов
Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Сплавы магния характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью хорошо поглощать вибрации. Прочность сплавов при соответствующем легировании и термической обработке может достигать 350-400 МПа. Достоинством магниевых сплавов является их хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость.
Недостатками магниевых сплавов являются плохие литейные свойства и склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при литье. Для предотвращения дефектов при выплавке используют специальные флюсы, для уменьшения пористости применяют небольшие добавки кальция (0,2 %), а для снижения окисляемости – добавки бериллия (0,02-0,05 %). Кроме того, меньшая коррозионная стойкость, чем у алюминиевых сплавов, трудности при выплавке и литье и необходимость нагрева при обработке давлением.
С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий, цинк, титан улучшают коррозионную стойкость магния: при добавлении к магниевому сплаву нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличивается в 3 раза.
Основными упрочняющими легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий и цинк. Марганец слабо влияет на прочностные свойства. Его вводят главным образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна.
Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего. Это объясняется близкими температурами плавления и отсутствием полиморфных превращений.
Для повышения прочностных свойств магниевые сплавы подвергают закалке и старению. Из-за низкой скорости диффузии закалку обычно проводят на воздухе, применяют искусственное старение при сравнительно высоких температурах (до 200 – 250 °С) и более длительных выдержках (16 – 24 ч).
Прочностные характеристики магниевых сплавов существенно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением.
Магниевые сплавы обладают высокой пластичностью в горячем состоянии и хорошо деформируются при нагреве. Для деформированных сплавов диффузионный отжиг обычно совмещают с нагревом для обработки давлением. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой, которую рекомендуется проводить в защитной атмосфере (рис. 1).
Рис. 1. Сварка магниевых сплавов
Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Это очень важное свойство при создании разнообразных транспортных средств.
Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельной жесткости и поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающим нагрузкам (продольным и поперечным). Магниевые сплавы немагнитны, совершенно не дают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием (в 6 – 7 раз легче, чем сталь, в 2 – 2,5 раза – чем алюминий).
Магний и его сплавы обладают очень высокой хладостойкостью.
Возможности применения магния еще далеко не исчерпаны, а если учитывать широкое распространение магния в природе, относительную простоту способов его производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно полагать, что дальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь определяться его общетехническим значением.
Магниевые сплавы обладают большей по сравнению с алюминиевыми и медными сплавами чувствительностью к скорости деформирования. Увеличение скорости деформирования при штамповке магниевых сплавов приводит существенному сужению допустимого температурного интервала. В связи с этим штамповку магниевых сплавов рекомендуется деформировать на гидравлических или кривошипных прессах при пониженных скоростях деформирования. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов приведены в табл.1, (рис. 2). Химический состав и механические свойства некоторых отечественных магниевых сплавов (табл.2).
Таблица 1. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов
Рис. 2. Последовательность операций получения заготовки из магниева сплава
Таблица 2. Химический состав и механические свойства отечественных магниевых сплавов
В основном деформируемые магниевые сплавы применяют в виде прутков и фасонных профилей для изготовления деталей горячей штамповкой (рис. 3). Для улучшения их пластичности обработку давлением проводят при температурах 350-450 °С, так как гексагональная решетка магния затрудняет их деформацию при комнатной температуре.
Рис. 3. Изделия из магниевых сплавов
Наиболее прочными деформируемыми сплавами являются сплавы магния с алюминием (МА5) и магния с цинком, дополнительно легированные цирконием (МА14, аналог американского сплава ZK60A), кадмием, РЗМ и другими элементами (МА15, МА19 и др.).
Алюминий и цинк являются эффективными упрочнителями твердого раствора. Однако их концентрация не должна превышать 10 и 6 % соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко снижается. Появление при старении в структуре упрочняющих фаз Mg4Al3 и MgZn2 осуществляет дополнительное упрочнение. Цирконий измельчает зерно, а кадмий и редкоземельные элементы одновременно повышают и прочность, и пластичность.
Временное сопротивление высокопрочных магниевых сплавов после термической обработки составляет около 350 МПа. Сравнительно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада твердого раствора.
Сплав МА1, содержащий около 2 % Мц без других компонентов, характеризуется высокой пластичностью и применяется как листовой материал. Самыми легкими конструкционными материалами являются сплавы магния с литием (МА18, МА21). Плотность сплава МА18 (аналог американского сплава LA91) составляет 1,3-1,65 г/см3. Магниеволитиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением в холодном состоянии. Эти сплавы хорошо свариваются и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.
Литейные магниевые сплавы
Литейные магниевые сплавы по химическому и фазовому составу близки к деформируемым.
По сравнению с деформируемыми литые детали позволяют существенно экономить металл. Высокая точность размеров и хорошее качество поверхности позволяют практически исключить операции механической обработки. Недостатком литейных магниевых сплавов являются более низкие механические свойства из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости, связанной со сравнительно широким интервалом кристаллизации.
Для повышения прочности и модифицирования вводят кальций и цирконий. Дополнительное легирование кадмием повышает уровень механических и технологических свойств.
Наиболее распространенным магниевым литейным сплавом является MJI5, характеризующийся хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к пористости и хорошей обрабатываемостью резанием. Отливки из этого сплава получают литьем в землю, в металлические формы и под давлением. Он идет на изготовление крупногабаритных отливок картеров двигателей, корпусов приборов, насосов, коробок передач для автомобилей и самолетов (рис. 4).
Для снижения массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12-13 % лития. Их жидкотекучесть находится на уровне сплава MЛ5. Сплавы Mg — Li не имеют склонности к образованию горячих трещин.
Рис. 4. Изделия из литейного магниева сплава
Применение магниевых сплавов
Благодаря малой плотности и высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяются в авиастроении. Из них изготавливают корпуса приборов, насосов, фонари и двери кабин. Фюзеляжи вертолетов фирмы Сикорского (США) почти полностью изготовлены из магниевых сплавов. В ракетной технике магниевые сплавы идут на изготовление корпусов ракет, обтекателей, стабилизаторов, топливных баков. Теплоемкость магния примерно в 2,5 раза больше, чем у стали. Поглотив одинаковое количество тепла, он нагреется в 2,5 раза меньше. В кратковременном полете магниевые сплавы не успевают перегреться, несмотря на низкую температуру плавления. В кратковременно работающих ракетах типа «воздух — воздух» и управляемых снарядах магниевые сплавы составляют основную массу конструкции. Применение магниевых сплавов позволило снизить массу ракет на 20-30 %.
Из литейных сплавов изготавливают кронштейны, элементы крепления, элероны, детали хвостового оперения, из деформируемых — обшивки корпусов, стрингеры, лонжероны, опорные конструкции тормозов, волноводов и другие детали.
Магниевые сплавы находят применение в транспортном машиностроении для изготовления картеров двигателей и коробок передач автомобилей.
Магниевые сплавы применяют в конструкциях переносных ручных и механизированных инструментов и машин (сверлильные и шлифовальные машины, пилы для лесной промышленности, газонные косилки, пневматические инструменты и др.).
Их используют в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, электродвигателей), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки и др.) и других отраслях.
В связи с малой устойчивостью против коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию. На оксидированную поверхность дополнительно наносят лакокрасочные покрытия.
Высокий электроотрицательный потенциал магниевых сплавов позволяет применять их для протекторной защиты от морской коррозии судов и сооружений, эксплуатирующихся в морской воде, и для защиты от подземной коррозии находящихся в грунте газопроводов, нефтепроводов и т. п.
Рис. 5. Изделия из магниевых сплавов
Магниевые сплавы – это продукция металлургического производства, в которой основным элементом является магний, а дополнительными элементами – легирующие добавки металлов и неметаллов, влияющие на свойства основного элемента. Главная отличительная особенность, обеспечивающая им широкое применение в промышленности – лёгкость материала (его высокая прочность при низкой плотности).
Виды сплавов магния, маркировка
Магний – химически активный металл, поэтому выбор легирующих элементов для него ограничен. Сплавы магния подразделяются на два вида:
1. Литейные сплавы – те, из которых формовка готовых изделий получается посредством литья. Наиболее употребляемые химические составы:
2. Деформируемые сплавы – те, из которых формовка готовых изделий получается посредством механического воздействия (прессовкой, ковкой, штамповкой и прокаткой). Наиболее употребляемые химические составы:
Маркировка литейных сплавов (ГОСТ 2856) осуществляется посредством букв МЛ и цифры, показывающей номер модификации сплава. В настоящее время марки следующие: МЛ1 – МЛ20.
Маркировка деформируемых сплавов (ГОСТ 14957) осуществляется посредством букв МА и цифры, показывающей номер модификации. Марки: МА1 – МА19.
Кроме того, выделяют подгруппу жаропрочных магниевых литейных сплавов, в которой к маркировке добавляется буква В: ВМЛ1 – ВМЛ2.
При маркировании сплавов магния дополнительно используют аббревиатуры «п.ч» и «о.н», которые расшифровываются как «повышенной чистоты» и «общего назначения».
Показатели отдельных магниевых сплавов:
Свойства и влияние легирующих компонентов
Магний как металл обладает негативных для его промышленного применения свойств: пониженной коррозионной устойчивостью и воспламеняемостью при температурах выше 400 ºС. Для снижения этих негативных свойств, а также для улучшения технологических показателей в магний вводят легирующие добавки.
Введение легирующих добавок следующим образом изменяет свойства магния:
Вредные для магниевых сплавов примеси снижают коррозионную устойчивость и ухудшают растворимость легирующих добавок. Ко вредным примесям относятся:
Производство магниевых сплавов
Выплавку литейных магниевых сплавов производят:
Выплавку деформируемых магниевых сплавов производят:
Во время выплавки магниевого сплава его поверхность усиленно защищают слоем флюса, чтобы не было контакта с кислородом. Применяются флюсы, изготовленные на основе солей фтора и хлора, а также щелочных металлов. В формовочные смеси также вводят специальные присадки чтобы избежать горения сплава.
Дальнейшую обработку литейных сплавов производят способами:
Дальнейшую обработку деформируемых сплавов производят способами:
Способы обработки готовых изделий для улучшения их механических показателей:
Область применения
Магниевые сплавы обладают рядом полезных свойств, которые не обеспечивают другие материалы. Эти свойства обеспечивают широкое использование в промышленности:
Исходя из свойств, сплавы магния находят применение:
С развитием технологий сплавы магния получат дополнительные области применения. Тенденция к облегчению массы готовых изделий уже сейчас регулярно повышает интерес к этим сплавам. Если учитывать, насколько стремительными темпами развиваются робототехника, производство компьютеров, различных гаджетов, то можно понять, что потребность в магниевых марках металлов ограничится только количеством добываемого магния.
Магниевые сплавы: применение, классификация и свойства
Характеристики магния
Промышленное производство и использование магния началось сравнительно недавно – всего около 100 лет назад. Этот металл имеет малую массу, так как обладает сравнительно низкой плотностью (1,74 г/смᶟ), хорошую устойчивость в воздухе, щелочах, газовых средах с содержанием фтора и в минеральных маслах.
Температура его плавления составляет 650 градусов. Он характеризуется высокой химической активностью вплоть до самопроизвольного возгорания на воздухе. Предел прочности чистого магния составляет 190 Мпа, модуль упругости – 4 500 Мпа, относительное удлинение – 18%. Металл отличается высокой демпфирующей способностью (эффективно поглощает упругие колебания), что обеспечивает ему отличную переносимость ударных нагрузок и снижение чувствительности к резонансным явлениям.
К числу прочих особенностей данного элемента относятся хорошая теплопроводность, низкая способность поглощать тепловые нейтроны и взаимодействовать с ядерным топливом. Благодаря совокупности этих свойств магний является идеальным материалом для создания герметичных оболочек высокотемпературных элементов ядерных реакторов.
Магний хорошо сплавляется с разными металлами и относится к числу сильных восстановителей, без которых невозможен процесс металлотермии.
В чистом виде он в основном применяется как легирующая добавка в сплавах с алюминием, титаном и некоторыми другими химическими элементами. В черной металлургии с помощью магния проводится глубокая десульфурация стали и чугуна, а также улучшаются свойства последнего посредством сфероидизации графита.
Магний и легирующие добавки
К числу наиболее распространенных легирующих добавок, применяемых в сплавах на основе магния, относятся такие элементы, как алюминий, марганец и цинк. Посредством алюминия улучшается структура, повышается жидкотекучесть и прочность материала. Введение цинка также позволяет получать более прочные сплавы с уменьшенным размером зерен. С помощью марганца или циркония увеличивается коррозионная стойкость магниевых сплавов.
Добавление цинка и циркония обеспечивает повышенную прочность и пластичность металлосмесей. А наличие определенных редкоземельных элементов, например, неодима, церия, иттрия и пр., способствует значительному увеличению жаропрочности и максимизации механических свойств магниевых сплавов.
Для создания сверхлегких материалов с плотностью от 1,3 до 1,6 г/мᶟ в сплавы вводится литий. Данная добавка позволяет уменьшить их массу вдвое по сравнению с алюминиевыми металлосмесями. При этом их показатели пластичности, текучести, упругости и технологичности выходят на более высокий уровень.
Обозначение состояния металла
Алюминиевые деформируются сплавы маркируются по виду обработки. «Н» обозначает, что алюминий нагартованный. Возможные структурные состояния алюминия, указанные в обозначениях марки:
«Н1» – металл подвергался только нагортовке;
«Н2» – помимо пластической деформации производился частичный отжиг;
«Н3» – после нагортовки алюминий стабилизировали для снятия внутренних напряжений (нагрели до средних температур и медленно охладили);
«Н4» – технологией предусмотрено лакокрасочное покрытие нагартованного металла
«П» – полунагартованный сплав
«Н» –полностью нагартованный алюминий.
Существует и другая градация степени нагартовки: на ¼, ¾, сверхполной. От степени нагартовки зависит прочность алюминиевого деформируемого сплава. Нагортовка применяется, когда нет возможности другими способами упрочнить алюминий. В процессе холодной деформации повышается устойчивость к растрескиванию, предотвращается усталостное разрушение материала.
«Т» в марке говорит о термическом упрочнении металла:
закалке, нагреве до температуры +500°С с последующим охлаждением в воде;
старении, естественное производят в течение 5–7 суток при комнатной температуре, для искусственного металл нагревают, время старения сокращается.
Указывают одно из 10 базовых состояний от «Т1» до «Т10». Дополнительно маркируется форма снятия остаточных напряжений: методом сжатия или растяжения.
Отожженные изделия из алюминиевых деформируемых сплавов в марке имеют букву «М». Они обладают повышенной пластичностью. Степень отжига не градируется.
Литейные сплавы
К этой группе относятся сплавы с добавлением магния, предназначенные для производства разнообразных деталей и элементов методом фасонного литья. Они обладают разными механическими свойствами, в зависимости от которых делятся на три класса:
По химическому составу сплавы также подразделяются на три группы:
Маркировка
На изделиях из алюминиевых деформируемых сплавов бывает маркировка двух видов:
Дополнительно наносится маркировка технологической обработки.
САП, САС – спеченные из порошков металлы. А – технический алюминий, градируется по чистоте сплава. АК, АВ, В, АМг, АМц – термические упрочняемые марки, соответствующие по компонентному составу ГОСТ 4784-97.
Литейные свойства сплавов
Наилучшими литейными свойствами среди продуктов этих трех групп обладают алюминий-магниевые сплавы. Они относятся к классу высокопрочных материалов (до 220 МПа), поэтому являются оптимальным вариантом для изготовления деталей двигателей самолетов, автомобилей и другой техники, работающей в условиях механических и температурных нагрузок.
Для повышения прочностных характеристик алюминиево-магниевые сплавы легируют и другими элементами. А вот присутствие примесей железа и меди нежелательно, так как эти элементы оказывают отрицательное влияние на свариваемость и коррозионную стойкость сплавов.
Литейные магниевые сплавы приготавливаются в различных типах плавильных печей: в отражательных, в тигельных с газовым, нефтяным либо электрическим нагревом или в тигельных индукционных установках.
Для предотвращения горения в процессе плавки и при литье используются специальные флюсы и присадки. Отливки получают путем литья в песчаные, гипсовые и оболочковые формы, под давлением и с использованием выплавляемых моделей.
Список использованной литературы
Деформируемые сплавы
По сравнению с литейными, деформируемые магниевые сплавы отличаются большей прочностью, пластичностью и вязкостью. Они используются для производства заготовок методами прокатки, прессования и штамповки. В качестве термической обработки изделий применяется закалка при температуре 350-410 градусов с последующим произвольным охлаждением без старения.
При нагреве пластические свойства таких материалов возрастают, поэтому обработка магниевых сплавов осуществляется посредством давления и при высоких температурах. Штамповка выполняется при 280-480 градусах под прессами посредством закрытых штампов. При холодной прокатке проводятся частые промежуточные рекристаллизационные отжиги.
При сварке магниевых сплавов прочность шва изделия может быть снижена на отрезках, где выполнялась подварка, из-за чувствительности таких материалов к перегреву.
Спеченные порошки
Порошковые алюминиевые деформируемые сплавы выпускают двух видов:
САС – сплавляемые из пудры.
САП характеризуются высокой жаропрочностью, они превосходят технический алюминий, выносят длительный нагрев в диапазоне температур 300–500°С, кратковременный в пределах +1100°С.
Порошковые алюминиевые деформируемые сплавы получают путем спекания измельченного металлического алюминия и оксида AL2O3. Концентрация оксида градируется, в САП1 от 6 до 9%, в САП4 от 18 до 22%. Во время спекания на частицах алюминия образуется оксидная пленка. Такая структура обладает стойкостью к нагреванию, так как температура плавления оксида свыше +1300°С. Сплав характеризуется высокой прочностью в пределах от 320 до 460 МПа.
Брикетированные полуфабрикаты поддаются механической обработке, их используют при производстве сортового, профильного и фасонного проката.
При повышении концентрации оксида ухудшается способность к прокатке, штамповке, металл приходится нагревать свыше +500°С.
САС помимо алюминия и оксида содержат легирующие добавки: хром, кремний, никель, титан, цинк, натрий, магний и другие. Иногда компонентный состав полностью соответствует ГОСТ 4784-97, обладают схожими свойствами, но отличаются повышенной стабильностью при нагреве. Используются для производства деталей, испытывающих термическое напряжение. В отличие от литья, детали из порошковых алюминиевых деформируемых сплавов не содержат шлаковых включений, пленов, других дефектов, связанных с нагревом алюминия. Детали имеют гомогенную структуру, их нет необходимости подвергать отжигу.
Сферы применения сплавов с добавления магния
Посредством методов литья, деформации и термической обработки сплавов изготавливаются различные полуфабрикаты – слитки, плиты, профили, листы, поковки и т.д. Эти заготовки используются для производства элементов и деталей современных технических устройств, где приоритетную роль играет весовая эффективность конструкций (сниженная масса) при сохранении их прочностных характеристик. По сравнению с алюминием магний легче в 1,5 раза, а со сталью – в 4,5.
В настоящее время применение магниевых сплавов широко практикуется в авиакосмической, автомобилестроительной, военной и прочих отраслях, где их высокая стоимость (некоторые марки содержат в своем составе достаточно дорогостоящие легирующие элементы) оправдывается с экономической точки зрения возможностью создания более долговечной, быстрой, мощной и безопасной техники, которая сможет эффективно работать в экстремальных условиях, в том числе и при воздействии высоких температур.
Благодаря высокому электрическому потенциалу эти сплавы являются оптимальным материалом для создания протекторов, обеспечивающих электрохимическую защиту стальных конструкций, например, деталей автомобилей, подземных сооружений, нефтяных платформ, морских судов и т.д., от коррозионных процессов, происходящих под воздействием влаги, пресной и морской воды.
Нашли применение сплавы с добавлением магния и в разных радиотехнических системах, где из них изготавливают звукопроводы ультразвуковых линий для задержки электросигналов.
Неупрочняемые
Гомогенные системы Al—Mg, обозначаемые «АМц» (алюминий, легированный магнием) и Al—Mn, маркированные «АМг» (легирующим компонентом является марганец). При нагревании в них укрупняется размер зерна, поэтому их упрочнят в холодном виде нагартовкой (метод холодной пластической деформации под ударной нагрузкой). Неупрочняемые алюминиевые деформируемые сплавы характеризуются:
Металл используют для производства полуфабрикатов, профиля и деталей для судостроения, нефтеперерабатывающей, химической промышленности.