Магний и его сплавы

Магний — щелочноземельный металл светло-серого цвета, второй группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Среди промышленных металлов он обладает наименьшей плотностью (1, 74 г/см³). Имеет невысокую температуру плавления: 651⁰С. Он кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной решетке и не претерпевает полиморфных превращений. В литом состоянии магний имеет низкие значения прочности (σ _В = 100 МПа) и пластичности (δ = 7 %), в деформированном и отожженном состоянии σ _В = 180 МПа и δ = 15 %.

Чистый магний характеризуется высокой химической активностью и легко окисляется. При нагреве скорость окисления магния быстро возрастает, а при 623⁰С магний воспламеняется на воздухе.

Из-за низких механических свойств технический магний как конструкционный материал не применяется.

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Сплавы магния характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью хорошо поглощать вибрации. Значения σ _В сплавов при соответствующем легировании и термической обработке может достигать 350 — 400МПа. Достоинством магниевых сплавов является их хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость. К недостаткам относятся меньшая коррозионная стойкость, чем у алюминиевых сплавов, трудности при выплавке и литье и необходимость нагрева при обработке давлением.

В качестве легирующих упрочняющих добавок в магниевых сплавах используют алюминий и цинк, растворяющиеся в магнии (рис. 20.2).

Рис. 20.2. Область твердых растворов в системах Mg - Мn; Mg - Al; Mg - Zn

Однако их концентрация не должна превышать 10 % и 6 % соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко снижается. Марганец слабо влияет на прочностные свойства сплавов. Его вводят главным образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна.

Растворимость легирующих элементов падает с уменьшением температуры, что позволяет применять для этих сплавов термическую обработку, заключающуюся в закалке с последующим старением с выпадением упрочняющих интерметаллидных фаз Mg₄Al₃ и MgZn₂, соответственно. При этом термическая обработка не имеет для магниевых сплавов такого большого значения, как для алюминиевых, так как у магниевых сплавов не наблюдается при этом столь существенного изменения свойств. Сравнительно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада твердого раствора.

Из-за низкой скорости диффузии закалку обычно проводят на воздухе, применяют искусственное старение при сравнительно высоких температурах (до 200 — 250⁰С) и более длительных выдержках (16 — 24 ч).

Различают деформируемые и литейные магниевые сплавы. Деформируемые сплавы маркируются буквами МА, литейные — буквами МЛ, далее следует номер сплава.

Наиболее прочными деформируемыми сплавами являются сплавы магния с Al, Mn и Zn (сплав МА5) и магния с цинком, дополнительно легированный цирконием (MA14), временное сопротивление которых после термической обработки составляет около 350 МПа.

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.

Недостатком магниевых сплавов являются плохие литейные свойства, 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 %).

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 МЛ5, легированный Al, Mn, Zn, 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.

Для снижения массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12 — 13 % лития. Их жидкотекучесть находится на уровне жидкотекучести сплава МЛ5. Сплавы Mg — Li не имеют склонности к образованию горячих трещин. Плотность сплава 1, 42 г/см³, механические свойства в литом состоянии при комнатной температуре σ _В = 160 МПа, δ = 8 %. При плавке и рафинировании металл защищают от атмосферы специальным флюсом, состоящим из LiC1 и LiF.