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.
Источник
Деформируемые магниевые сплавы
По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.
Области применения титановых сплавов:
· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);
· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);
· оборудование для обработки ядерного топлива;
· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);
· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253 o С).
Алюминий и его сплавы
Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см 3 и температурой плавления 660 o С. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al2O3, предохраняет его от коррозии.
Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.
Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).
Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.
Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.
Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный
По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:
· деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:
· деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;
Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы (САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.
Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).
Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.
Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).
Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.
К таким сплавам относятся дюралюмины ( сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.
Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500 o С и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.
Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.
Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).
Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450 o С, подвергаются закалке от температуры 500…560 o С и старению при 150…165 o С в течение 6…15 часов.
В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300 o С.
Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.
Литейные алюминиевые сплавы.
К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.
Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.
Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.
Магний и его сплавы
Магний – очень легкий металл, его плотность – 1,74 г/см 3 . Температура плавления – 650 o С. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе. Механические свойства технически чистого магния (Мг1): предел прочности – 190 МПа, относительное удлинение – 18 %, модуль упругости – 4500 МПа.
Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.
Сплавы упрочняются после закалки и искусственного старения. Закалку проводят от температуры 380…420 o С, старение при температуре 260…300 o С в течение 10…24 часов. Особенностью является длительная выдержка под закалку – 4…24 часа.
Деформируемые магниевые сплавы.
Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360…520 o С). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА8, МА9, ВМ 5—1.
Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.
Литейные магниевые сплавы.
Литейные сплавы маркируются МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. Последний сплав является жаропрочным, может работать при температурах до 300 o С.
Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.
Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.
Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето- и ракетостроении.
Медь и ее сплавы
Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,94 г/см 3 , температура плавления 1083 o С.
Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность, поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2, М3 и М4 (99 % Cu).
Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.
Различают две группы медных сплавов: латуни – сплавы меди с цинком, бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами.
Источник
