Раздел VI. Цветные металлы и сплавы

Глава 21

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

1. Основные свойства магния

Магний -металл светло-серого цвета, второй группы периоди­ческой системы элементов Д. И. Менделеева. Среди про­мышленных металлов он обладает наименьшей плотностью (1,74 г/см³). Магний имеет невысокую температуру плавления: 651 °С. Он кристаллизуется в гексагональной плотноупакован- ной решетке и не претерпевает полиморфных превращений. В ли­том состоянии магний имеет низкие значения прочности (а_в * *100 МПа) и пластичности (5» 7 %), в деформированном и ото­жженном состоянии о_в ® 180 МПа и 5 « 15 %.

Чистый магний характеризуется высокой химической ак­тивностью и легко окисляется. Оксидная пленка MgO имеет зна­чительно большую плотность (3,2 г/см³), чем чистый магний, и склонна к растрескиванию. При нагреве оксидная пленка теряет свои защитные свойства, скорость окисления магния быстро воз­растает, а при 623 °С магний воспламеняется на воздухе.

Из-за низких механических свойств технический магний как конструкционный материал не применяется. Его используют в пиротехнике и химической промышленности для синтеза органи­ческих препаратов, а также в металлургии в качестве раскисли- теля, восстановителя и модификатора.

2. 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 ст_п при соответствующем легировании и терми­ческой обработке может достигать 350-400 МПа. 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.

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 (рис. 21.1).

Рис. 21.1. Диаграммы состояния и механические свойства сплавов: а - Mg - Мп; б - Mg - Al; в ~ Mg - Zn

Повышение коррозионной стойкости объясняется образовани­ем защитной пленки гидратированного оксида MgO. Цирконий и церий уменьшают размер зерен, а также оказывают эффективное модифицирующее действие на их структуру. Влияние легирую­щих элементов на механические свойства прессованных прутков магния показано на рис. 21.2.

Наиболее вредными примесями, снижающими коррозионную стойкость магния, являются никель и железо и в меньшей степе­ни - медь и кремний. Цирконий и марганец снижают отрицатель­ное действие вредных примесей. Основными структурными состав­ляющими сплавов систем Mg - Al - Zn -Мп являются первичные кристаллы a-твердого раствора алюминия и цинка в магнии, у-фаза Mg₁₇Ali₂ и г|-фаза MnAl. Растворимость легирующих элементов, как и в случае алюминиевых сплавов, падает с уменьшением тем­пературы, что позволяет применять к магниевым сплавам термиче­скую обработку, состоящую из закалки с последующим старением.

Сплав ВМД-1, легированный торием, относится к числу жаро­прочных сплавов. Он предназначен для длительной работы при тем­пературах до 350 °С. Сплав хорошо обрабатывается давлением, сва­ривается и обладает коррозионной стойкостью под напряжением.

Рис. 21.2. Влияние легирующих эле- бц,НПа ментов на механические свойства маг­ния при 20 °С (прессованные прутки)

Термическая обработка маг­ниевых и алюминиевых спла­вов имеет много общего. Это объясняется близкими темпера­турами плавления и отсутстви­ем полиморфных превращений.

Легирующий элементно

Особенностью магниевых спла­вов является пониженная ско­рость диффузии большинства компонентов в магниевом твер­дом растворе. Низкие скорости диффузионных процессов спо­собствуют развитию дендритной ликвации, требуют больших вы­держек при нагреве, облегчают фиксацию твердых растворов при закалке и затрудняют распад пересыщенных растворов при старении.

Для снижения уровня ликвации и повышения технологиче­ской пластичности перед деформацией слитки подвергают гомоге­низирующему отжигу. Деформированные полуфабрикаты из маг­ниевых сплавов отжигают для снятия остаточных напряжений.

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).

При использовании магниевых сплавов в качестве жаропроч­ных температура старения во избежание коагуляции упрочняю­щих фаз должна быть выше рабочей температуры.

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.

Недостатками магниевых сплавов являются плохие литейные свойства и склонность к газонасыщению, окислению и воспламе­

нению 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 %).

Химический состав и механические свойства некоторых отечественных магниевых сплавов

Различают деформируемые и литейные магниевые сплавы. Деформируемые сплавы маркируются буквами МА, литейные - буквами MJI, далее следует номер сплава. Состав и свойства неко­торых российских магниевых сплавов приведены в табл. 21.1.

Марка сплава		Содержание элемента, %			Режим		МПа
	А1	Мп	Zn	Другие элементы	термооб­ работки	СТв» МПа		8, %
	Деформируемые сплавы (ГОСТ 14957					-76)
МА1	-	1,3-2,5	-		Отжиг	200	130	8
МА2	3,0-4,0	0,15-0,5	0,2-0,8		To же	270	170	10
МА5	7,8-9,2	0,15-0,5	0,2-0,8		Закалка - старение	320	220	14
МА14	-	-	5-6	0,3-0,9 Zr	То же	350	300	9
МА18	0,5-1,0	0,1-0,4	2,0-2,5	10-11,5 Li; 0,15 0,35 Се	Отжиг	170	130	30
МА19			5,5-7,0	0,5-1,0 Zr; 0,2-1,0 Cd; 1,4-2,0 Nd	Закалка - старение	380	330	5
МА20	—	—	1,0-1,5	0,05-0,12 Zr; Отжиг 0,12-0,25 Се		250	160	20
ВДМ-1	1,2-2,0 2,5-3,5 Th Тоже 300 Литейные сплавы (ГОСТ 2856-79)						250	5
МЛ5	7,5-9,0	0,15-0,5	0,2-0,8		Отжиг Закалка - старение	160 255	85 120	3 6
МЛ8	"	"	5,5-6,6	0,7-1,1 Zr; 0,1-0,8 Cd	Закалка - старение	255	155	5
МЛ10		—	0,1-0,7	0,4-1,0 Zr; 2,2-2,8 Nd	То же	230	140	3
МЛ19			0,1-0,6	0,4-1,0 Zr; 1,6-2,3 Nd; 1,4-2,2 Y		220	120	3

Таблица 21.1