5. 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.

С 1967 г. фирма "Фиат” применяет для своих автомобилей диски колес из магниевых сплавов, отливаемых под давлением. Такие колеса в последнее время применяются многими автомоби­лестроительными фирмами разных стран.

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.

Глава 22

БЕРИЛЛИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

1. Основные свойства бериллия

Бериллий - светло-серый металл второй группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Порядковый номер бе­риллия 4, атомная масса 9,01, температура плавления 1284 °С. Бе­риллий может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация, существующая до 1250 “С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку, высокотем­пературная - решетку объемно-центрированного куба. Плотность бериллия 1,845 г/см³.

Бериллий - редкий металл. Его содержание в земной коре со­ставляет 5 • 10 ⁴ %. Известно около 40 минералов бериллия, из которых наибольшее практическое значение имеет берилл, кото­рый после обработки переводят в форму хлорида или фторида. Металлический бериллий получают восстановлением фторида магнием при высокой температуре (900-1300 °С) или электроли­зом его хлорида в смеси с хлоридом натрия. Дальнейшей вакуум­ной дистилляцией бериллий очищают до 99,98 %.

Размеры атома бериллия малы (атомный диаметр 0,226 нм). Даже небольшие количества примесей сильно охрупчивают берил­лий. Пластичный бериллий, содержащий не более 10^-4 % приме­сей, получают электролизом хлоридных расплавов с последующей зонной плавкой. Многократное повторение зонной плавки (до 8 проходов) позволяет получать особо чистый бериллий с чрезвычай­но высокой пластичностью (5 = 140 %). Введение в очищенный бе­риллий всего 0,001 % Si приводит к охрупчиванию металла.

Для производства компактного бериллия в виде заготовок применяют методы порошковой металлургии. В безокислитель- ной среде бериллий измельчают в порошок и подвергают горяче­му прессованию в вакууме. Чем мельче зерна порошка, тем выше прочностные и пластические свойства металла. Бериллий и его соединения в виде порошков, пыли и паров остро токсичны, они вызывают расстройство дыхания и дерматиты, поэтому при рабо­те с ними прибегают к специальным методам защиты. Вместе с тем обработанные детали из бериллия вполне безопасны.

Для предотвращения взаимодействия с воздухом горячепрессо­ванные заготовки бериллия помещают в стальные оболочки, нагре­вают до температуры 800-1100 "Сив таком виде проводят обработ­ку давлением. Прокаткой производят листовой бериллий - основ­ной вид продукции, используемый в ракетной технике. Трубы и прутки получают теплым (400-500 °С) или горячим (900-1100 °С) выдавливанием. Степень обжатия при выдавливании 5 : 1 и более. Выдавливанием получают заготовки не только круглого или квад­ратного сечения, но и более сложного профиля (рис. 22.1).

Бериллий плохо обрабатывается резанием и требует примене­ния твердосплавного инструмента. Соединения бериллия получа­ют пайкой и дуговой сваркой в аргоне или вакууме.

Механические свойства бериллия зависят от чистоты ме­талла, технологии производства, размера зерна. После горячего

Рис. 22.1. Профили заготовок, вы­давливаемых из бериллия

прессования при исходной крупности порошка менее 70 мкм а_в = 240-300 МПа,

5. = 1-2 %. Свойства горяче- выдавленного бериллия зна­чительно выше: ст_в = 500- 700 МПа и § = 7-10 %. Дефор­мированные полуфабрикаты имеют развитую текстуру де­формации, вызывающую сильную анизотропию свойств.

По сравнению с другими легкими материалами бериллий обла­дает уникальным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости он превосходит все другие ме­таллы (табл. 22.1).

Благодаря высокому значению модуля упругости (Е = 300 ГПа) и низкой плотности, бериллий по удельной жесткости превосхо­дит все известные материалы, сохраняя это преимущество до 500- 600 °С (рис. 22.2).

Бериллий отличается высокой электро- и теплопроводностью, приближающейся к теплопроводности алюминия, а по удельной теплоемкости [»2500 Дж/(кг • К)] превосходит все остальные метал­лы. Бериллий стоек к коррозии. Подобно алюминию при взаимо­действии с воздухом на поверхности бериллия образуется тонкая оксидная пленка, защищающая металл от действия кислорода даже при высокой температуре. Лишь при температуре выше 700 С обнаруживаются заметные признаки коррозии, а при 1200 °С

Таблица 22.1

Удельная прочность и жесткость бериллия по сравнению с другими материалами

Материал	ов, МПа	у, г/см'*	o„/(yg)*, км	Е/(yg) 10“3, км
Магниевый сплав МАЮ Алюминиевый сплав В95 Титановый сплав ВТ6 Сталь 03Н18К9М5Т Бериллий	430 1,8 24 2,3 700 2,9 21 2,4 1500 4,5 22 2,6 1750 7,8 23 2,6 680 1,8 38 16,1 лученная делением прочности а„ на произведение одного падения g, одновременно представляет со- ■силометрах. Проволока длиной 23 км из стали действием собственного веса.
* Удельная прочность, по плотности у и ускорения своб бой разрушающую длину в 03Н18К9М5Т разрушится под

Рис. 22.2. Влияние температуры на удель­ный модуль упругости различных ма­териалов

бериллии

_ /

т t,°c

металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок оксида бериллия.

_ Tumanoi маениевве<\ шабш сплаоы Ал/омитебые шабы

i -J

Бериллий имеет высокие ядерные характеристики - са­мое низкое среди металлов эф­фективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сече­ние их рассеяния.

Недостатками бериллия явля­ются высокая стоимость, обуслов­ленная дефицитностью исходного

сырья и сложностью его переработки, а также низкая хладостой- кость. Ударная вязкость технического бериллия ниже 5 Дж/см².

Несмотря на эти недостатки, уникальная совокупность техни­ческих преимуществ позволяет относить бериллий к числу вы­дающихся аэрокосмических материалов.