Металлический торий используется для легирования магниевых сплавов

Способ введения тория и циркония в магний и магниевые сплавы

Номер патента: 116452

Текст

.Класс 40 Ь, 20 СССРм ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ В. А, Бобров ПОСОБ ВВЕДЕНИЯ ТОРИЯ И ЦИРКОНИЯ В МАГНИ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫено 26 марта 1958 г. за595538/22 в Комитет по делам изобретений и открытий прн Совете Министров СССР Изобретение относится к области изготовления легких сплавов, содержащих тугоплавкие и легкоокисляющиеся легирующие добавки, При обычном способе легирования магния или его сплавов торием и цирконием имеет место значительный угар последних и загрязнение выплавляемого сплава хлоридами, что снижает их коррозионную устойчивость.Описываемый способ введения тория и циркония в магний и магниевые сплавы в виде металлических лигатур снижает потери легирующих добавок и улучшает качество получаемых сплавов. Достигается это тем, что для легирования применяют двойную ториево-циркониевую лигатуру, содержащую около 25% циркония, что позволяет значительно снизить температуру изготовления сплава, Для лучшего усвоения лигатуры расплавленным металлом или сплавом, ее вводят в виде стружки или брикетов из стружки. Лигатуру, содержащую 75% тория и 25% циркония предварительно выплавляют в электродуговой печи под вакуумом с применением расходуемого или вольфрамового электрода, Плавку лигатуры осуществляют общепринятыми способами. При работе с вольфрамовым электродом исходные торий и цирконий превращают в стружку, из стружки этих металлов изготавливают брикеты, которые затем и загружают в электропечь, Температура плавления лигатуры указанного состава значительно ниже температуры плавления тория и циркония, вследствие чего легирование магния или его сплавов циркониево-ториевой лигатурой указанного состава производят всего лишь при 250. При этом в сплав переходит не менее 80% тория и 50% циркония, содержавшихся в лигатуре, т, е. потери этих металлов значительно ниже, чем при обычно применяемых способах легирования этими металлами магния и магниевых сплавов.116452 Предмет изобретения Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Редактор Л. М Струве Гр, 161Информационно-издательский отдел,Объем 0,17 п. л. За.к. 2015 Подп. к печ. ЗО.Шг. Тираж 710 Цена 25 коп, Типография Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР Москва, Петровка, 14.1. Способ введения тория и циркония в магний и магниевые сплавы в виде металлических. лигатур, отлич а ющи йся тем, что, с целью снижения потерь, применяют двойную ториево-циркониевую лигатуру, содержащую около 257 О циркония.2. Прием выполнения способа по п. 1, отличающийся тем, что, с целью лучшего усвоения лигатуры расплавленным металлом, ее вводят в виде стружки или брикетов из стружки, причем легирование производят при температуре около 750,

Заявка

МПК / Метки

Код ссылки

Способ получения шлак-лигатуры для введения циркония в магниевые сплавы

Номер патента: 116154

. позволяет значительно повысить предел содержания в них циркония. Лучшее использование солей и возможность получения шлак-лигатур с повышенным содержанием циркония достигается применением и сплавлением шихты более рационального состава.Шихта для приготовления шлак-лигатуры по описываемому способу содержит 40 – б 0% фторцирконата калия, 20 – 30% карналита и 20 – 30/о магния.Сначала расплавляют карналит, затем вводят в него фторцирконат калия и по:че подогрева солевого расплава до 750 – 800 вливают в него расплавленный магний, осуществляя все время интенсивное перемешивание. После прекращения выделения белого дыма солевую часть расплава выливают, а оставшуюся на дне шлак-лигатуру, содержащую 25 – 50% циркония, сливают в изложницу. После.

Способ введения в магнит и его сплавы циркония и бериллия

Номер патента: 119680

. сплавахлористыми солями, что снижает стойкость его противПредлагаемый способ устраняет перечисленные нев магниевый сплав цирконий и бериллий вводят в вибериллиевой лигатуры, выплавлясмой в дуговой вакууфрамовым электродом при нейтральной атмосфере.Для приготовления лигатуры берут иодийный цирруют его с раздробленным бериллием. Полученные брвакуумной дуговой печи с водоохлажда мым медным пре инертных газов.Наиболее легкоплавкой оказалась лигатура,риллия, а остальное – цирконий, которая плавирастворяется в магнии при 800 в 8.Перед введением лигатуры в магний или его спстружки смешивают со стружкой магния, а полученнуруют. плавы цнркония соединений расалюминием или к значительному фтористыми или коррозии.достатки т о ем, чт ониево с воль но.

Способ модифицирования магниевых сплавов системы магний алюминийцинк-марганец, загрязненных цирконием

Номер патента: 540935

. в 2 раза безвозвратных потерь металла из-за большого упора оплакана.Целью изобретения является упрощение и интенсификация во времени процесса модифицирования (измельчения) крупной структуры магниевых сплавов системы магний – алюминий – цинк – марганец, загрязненных цир кон нем.Достигается это тем, что в расплав предварительно вводят железо в виде лигатуры алюхгиний – железо и процесс ведут при температуре 760 – 790 С.Предлагаемый способ быстр в исполнении (10 – 15 мин), не требует перелива сплава из одной печи (тигля) в другую печь (тигель), повторной обработки сплава и выстаивания2 х 3 д х х О д д 5 х 2 3 О о х х ч х к 3 З 3 Оо О д Ф а 5 И 3 эх х х й О а о х о, о плавки 4,110,0 5,911,9 6,313,0 18,2 28,0 16,1 25,5 17,3 26,7 б.

Способ изготовления шлак-лигатуры, содержащей цирконий

Номер патента: 112373

. происходит следующим образом. В подогретые стальные тигли загружают хлористый литий, расплавляют его при нагреве до 700 – 750 и выдерживают при этой температуре до окончания бу 1Ь рения, затем в расплавленный хлористый литий загружают флюорнтовый концентрат и после его растворения добавляют фторцирконат калия,Приготовленный таким образом флюс после разливки в противни и размола может быть использован для легирования магниевых сплавов цирконием. Флюс замешивается в расплав при температуре 780 – 800.При приготовлении шлак-лигатуры в расплавленный флюс вводят магний в твердом или жидком состоянии при непрерывном перемешивании расплава при температуре 720. После этого расплав нагревают до 750 – 800, тщательно перемешивают, дают.

Способ модифицирования магниево-алюминиевых сплавов

Номер патента: 1431346

СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ МАГНИЕВО-АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий расплавление шихты и введение в расплав углеродсодержащего модификатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности механических свойств сплава за счет измельчения зерна и повышения коррозионной стойкости, в качестве углеродсодержащего модификатора используют карбид алюминия в виде лигатуры с алюминием с содержанием карбида в лигатуре 10 – 20 мас.%.

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:

• предназначены для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);
• жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200°С);
• высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250 – 300°С)
• предназначены для эксплуатации при криогенных температурах.

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.

Важной областью применения магния является ядерная энергетика. Благодаря способности поглощать тепловые нейтроны, отсутствию взаимодействия с ураном и хорошей теплопроводности магниевые сплавы используют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов в атомных реакторах.

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

Магниевые сплавы применяются в промышленности намного чаще, чем чистый магний. Данный металл – легкий и ковкий, серебристо-белого цвета. Он обладает очень высокой химической активностью. На воздухе обычно покрыт тонкой и прочной пленкой окисла, которая препятствует дальнейшему окислению. В присутствии кислой среды или просто высокой влажности пленка разрушается, в результате чего металл начинает активно взаимодействовать с окружающей средой.

Важная характеристика металла – взаимодействие с кислородом. При высокой температуре магний окисляется кислородом воздуха, сгорая с выделением большого количества тепла и света. Данное свойство послужило широкому применению магния в фотовспышках на заре развития фотографии. Химическая активность и не самые лучшие механические характеристики существенно ограничивают применение чистого магния в промышленности.

Для повышения механических характеристик и придания химической стойкости применяют различные сплавы с магнием. В качестве основных элементов в композициях наибольшее распространение получили алюминий, цинк и марганец. Данные металлы вводятся в состав в количестве до 10%. Кроме этих основных элементов, сюда также входят добавки редкоземельных металлов.

Варьируя химический состав, процентное содержание основных и дополнительных компонентов, можно получить сплавы магния с различными механическими характеристиками, существенно расширяющими область применения и даже позволяющими вытеснить из некоторых областей традиционные материалы – чугун, сталь, алюминий.

Свойства магниевых сплавов зависят не только от состава легирующих добавок, но и от способа дальнейшей обработки.

Влияние легирующих добавок

Металлы в составе композиций улучшают и изменяют физические и химические свойства основного металла. Основной упор делается на повышении механических характеристик. Алюминий улучшает общую структуру, литейные свойства, повышает прочность. Цинк также повышает прочность и способствует уменьшению зерен в отливке. Основная цель введения марганца, кроме увеличения прочности – повышение химической стойкости к воздействию агрессивных сред и снижение вредного влияния примеси железа.

Редкоземельные металлы, несмотря на малое количество, сильно меняют химические и физические свойства, повышая жаропрочность, улучшая пластичность, ковкость за счет уменьшения зерен и изменений в кристаллической решетке.

Добавка циркония уменьшает растворимость водорода в расплаве, которая в чистом составе составляет значительную величину. Связывая водород, цирконий также способствует уменьшению пористости и зернистости отливок.

Введение лития в некоторые составы позволяет получить магниевые сплавы с рекордно малой плотностью – в 2 раза меньшей, чем у алюминия, с сохранением высокой прочности и легкости механической обработки. Данные сплавы наиболее широко используются в аэрокосмической промышленности, где снижение общего веса конструкции увеличивает массу полезной нагрузки.

Внешний вид сплавов магния

Некоторые металлы, напротив, нежелательны даже в малых количествах. Так, примеси железа или никеля даже в объеме тысячных долей процента резко снижают коррозионную стойкость сплава. Растворенный водород увеличивает пористость материала, вызывает увеличение зерен, снижая, таким образом, прочность изделия.

Основные разновидности сплавов магния

Магниевые сплавы различаются технологией изготовления. В соответствии с этим, для всех составов с магнием принята следующая классификация:

• литейные сплавы магния, которые отличаются высокими литейными свойствами;
• деформируемые сплавы, легко поддающиеся механической обработке ковкой прессовкой

Химический состав добавок подобран таким образом, чтобы минимизировать последующую обработку литейных сплавов и увеличить способность к обработке у деформируемых.

Внутри каждой из групп материалы разделяются по своим свойствам, способу литья, методам обработки (прессование, ковка, штамповка и прокат).

Каждая из двух перечисленных групп включает в себя составы с различной прочностью, жаростойкостью, химической стойкостью, а также с различной способностью к свариванию.

Маркировка и свойства

Отечественная промышленность маркирует магниевые сплавы на основе двухбуквенной маркировки с дополнительными цифрами:

• литейные — МЛ1 – МЛ20;
• деформируемые — МА1 – МА19;
• жаропрочные магниевые сплавы ВМЛ1 – ВМЛ2.

Литейные сплавы производятся в большинстве на основе системы Mg – Al – Zn, которая представляет собой твердый раствор алюминия и цинка в магнии. Наилучшими литейными свойствами обладают такие виды растворов, как марки МЛ4 – МЛ6. Данные сплавы обладают высокой текучестью, малой усадкой и не склонны к образованию раковин. Такие характеристики позволяют применять указанные марки при точном литье заготовок любых форм и габаритов.

Жаропрочные сплавы, к которым относятся также марки МЛ9 – МЛ14, способны длительное время выдерживать температуру до 350 ˚С и кратковременно до 400 ˚С. В основе состава система Mg – Zn с добавкой циркония. Кроме жаропрочности, данные сплавы хорошо выдерживают статические и усталостные нагрузки.

Дополнительное легирование редкоземельными металлами в некоторых рецептурах способно уменьшить вероятность трещинообразования, что повышает сопротивляемость деформирующим нагрузкам.

Деформированные сплавы производят на основе систем Mg – Al, Mg – Zn, Mg – Mn. Алюминий и цинк способствуют повышению пластичности и позволяют производить с отливками такие действия давлением, как ковка, прессовка, штамповка, а также холодная и горячая прокатка.

Как и литейные, деформируемые дополнительно легируют редкоземельными металлами, однако здесь нашли также и другие материалы. К ним можно отнести кадмий и серебро, которые повышают прочность при одновременном увеличении пластичности.

Марки МА11 — МА12 деформируемых магниевых сплавов относятся к жаростойким материалам, как и аналогичные литейные.

Сплавы МА14 и МА19 характерны тем, что не допускают применение сварки при дальнейшем применении, в отличие от большинства остальных составов.

Получение и производство

Для изготовления сплавов используются материалы высокой чистоты, поскольку, как говорилось выше, даже мельчайшие примеси нежелательных элементов могу существенно ухудшить свойства готового продукта.

Получение сплавов магния облегчается тем, что температура плавления расплава не превосходит 700˚С. Для получения материала с требуемыми свойствами в расплав чистого магния вводят необходимое количество легирующих элементов. Газовый состав атмосферы вокруг расплава должен быть очищен от водорода, поскольку его высокая растворимость в магнии способна привести к дефектам внутренней структуры.

Обработка отливок

Повысить механические свойства отливок на основе магния можно, применяя несколько методик:

• гомогенизация (закалка);
• закалка со старением для стабилизации свойств;
• рекристализационный отжиг для снятия механических напряжений после обработки давлением;
• диффузионный отжиг для выравнивания внутренней структуры и химического состава в зернах металла.

Отливки из алюминиево-магниевого сплава

Следует заметить, что у большинства сплавов после термической обработки механическая прочность не повышается.

Применение

Применение магниевых сплавов в промышленности и технике связано с высокими техническими характеристиками в качестве замены стальных и алюминиевых деталей с учетом требуемых механических свойств.

Плотность магниевого сплава ниже, чем у алюминия, соответственно, вес детали получается меньше.

Наиболее широкое использование магниевые сплавы получили в авиации, в основном, благодаря легкости (на 20-30% легче алюминия) и высокой прочности. Магний используется для изготовления деталей шасси – стоек, дисков колес, а также различных конструктивных элементов конструкции. Корпуса приборов и механизмов также выполнены из данного материала.

Детали из сплавов магния

Легкий магниевый сплав в конструкции летательных аппаратов позволяет увеличить вес полезной нагрузки, не снижая прочностных характеристик. Такие особенности магниевого сплава обуславливают его широкое распространение в ракетной и космической технике.

Немалая доля конструкционных материалов из сплавов магния используется в автомобильной промышленности. В основном это детали двигателя (картер, поддон), трансмиссии и иные конструктивные элементы. Подсчитано, что при общем весе магниевых сплавов 100 кг, замена деталей на стальные, увеличит массу конструкции на 450 кг.

Из магния изготавливают диски колес. И, хотя они имеют значительно более высокую стоимость, чем традиционные, выигрыш от уменьшения неподрессоренной массе ходовой части автомобиля заметно улучшает динамический характеристики, облегчает работу подвески, делая вождение автомобиля комфортнее и безопаснее.

Магниевые сплавы: применение, классификация и свойства

Магниевые сплавы обладают целым рядом уникальных физико-химических свойств, главными из которых являются малая плотность и высокая прочность. Сочетание этих качеств в материалах с добавлением магния позволяет производить изделия и конструкции, обладающие высокими прочностными характеристиками и малым весом.

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.

Классификация сплавов с магнием

Магниевые сплавы подразделяются по ряду критериев. Это:

• по способу обработки – на литейные и деформируемые;
• по степени чувствительности к термической обработке – на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой;
• по свойствам и сферам применения – на сплавы жаропрочные, высокопрочные и общего назначения;
• по системе легирования – существует несколько групп неупрочняемых и упрочняемых термообработкой деформируемых магниевых сплавов.

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:

• среднепрочные;
• высокопрочные;
• жаропрочные.

По химическому составу сплавы также подразделяются на три группы:

• алюминий + магний + цинк;
• магний + цинк + цирконий;
• магний + редкоземельные элементы + цирконий.

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.

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.

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.

Заключение

Современная промышленность предъявляет все более высокие требования к материалам в отношении их прочности, износостойкости, коррозионной стойкости и технологичности. Использование магниевых сплавов относится к числу наиболее перспективных направлений, поэтому исследования, связанные с поиском новых свойств магния и возможностей его применения, не прекращаются.

В настоящее время использование сплавов на основе магния при создании разнообразных деталей и конструкций позволяет достичь снижения их веса практически на 30% и увеличить предел прочности до 300 Мпа, но, как считают ученые, это далеко не предел для этого уникального металла.