Применение чистого элемента

В чистом виде магний применяют не так часто: в пиротехнике, в химической промышленности и в металлургии в качестве раскислителя, восстановителя и легирующего элемента. Наиболее часто его используют для производства легких и прочных сплавов, востребованных в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли.

Магний и его сплавы

Магний и его сплавы являются самыми легкими конструкционными металлическими материалами, используемыми в промышленности. Удельный вес магния 1,74 г/см3, температура плавления 650 °С. Кристаллическая решетка магния – гексагональная плотноупакованная. Все металлы с гексагональными решетками обладают значительно меньшей пластичностью по сравнению с металлами, имеющими кубические решетки. Это связано с тем, что скольжение при пластической деформации может осуществляться лишь по немногочисленным базисным плоскостям решетки. Следовательно, магний и его сплавы менее способны к пластической деформации, хуже работают в условиях приложения ударных нагрузок. Магний имеет меньшую коррозионную стойкость по сравнению с алюминием, особенно при повышенных температурах. Магний в основном используют для приготовления литейных и деформируемых сплавов.

Сплавы магния обладают пониженной по сравнению с алюминиевыми сплавами прочностью, однако, в связи с их значительно меньшим удельным весом они находят применение в тех отраслях промышленности, где снижение веса конструкция является первоочередной задачей.

В качестве легирующих элементов в магниевых сплавах наиболее часто применяют Al, Zn, Mn, Zr, Nd, Ce, Li. Основные легирующие элементы магниевых сплавов образуют со стороны магния диаграммы эвтектического (Al, Zn, Nd, La, Ce, Li) или перитектического типа (Mn, Zr), могут значительно растворяться в магнии, обуславливая твердорастворное упрочнение. Вредными примесями магниевых сплавав являются Ni, Fe и Сu. Примеси снижают коррозионную стойкость изделий, поэтому их содержание в сплавах ограничивают. Изменение растворимости твердого раствора на основе магния с уменьшением температуры позволяет назначать для магниевых сплавов упрочняющую термическую обработку – закалку и старение.

Литейные магниевые сплавы, предназначенные для изготовления фасонных отливок, по ГОСТ 2856-79 обозначаются буквами МЛ с последующими условными цифрами. Буквы «пч» означают повышенную чистоту сплава, а «он» – сплавы общего назначения. Промышленные литейные магниевые сплавы подразделяют на следующие основные группы:

1) сплавы на базе системы Mg–Al–Zn (МЛ4, МЛ4пч, МЛ5, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6);

2) высокопрочные сплавы на базе системы Mg–Zn–Zr (МЛ8, МЛ12, МЛ15);

3) жаропрочные сплавы, легированные редкоземельными металлами системы Mg–РЗМ–Zr (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19).

Магниевые деформируемые сплавы, предназначенные для изготовления полуфабрикатов методом горячей деформации, по ГОСТ 14957-76 обозначаются буквами МА с последующими условными цифрами. Деформируемые магниевые сплавы в зависимости от свойств и системы легирующих элементов делят на несколько групп:

1) коррозионно-стойкие сплавы системы Mg–Mn (МА1, МА8);

2) сплавы средней и высокой прочности системы Mg–Al–Zn (МА2, МА2-1, МА5);

3) высокопрочные сплавы системы Mg–Zn–Zr (МА14, МА15, МА19);

4) жаропрочные сплавы системы Mg–РЗМ–Zr (МА11, МА12);

5 ) сверхлегкие сплавы системы Mg–Li (МА18, МА21).

Рис. 7.16. Диаграммы состояния систем: a – Mg–Al; б – Mg–Nd

Р ис. 7.17. Диаграммы состояния систем: a – Mg–Zr; б – Mg–Mn

Литейные сплавы системы Mg–Al–Zn. Сплавы МЛ4, МЛ5, МЛ6 системы Mg– Al–Zn являются наиболее распространенными магниевыми литейными сплавами. Сплав МЛ5 содержит 8,5 % Al; 0,5 % Zn; 0,35 % Mn . Алюминий в этих сплавах является основным упрочнителем, цинк оказывает меньшее воздействие на свойства. Марганец вводят в состав сплавов для повышения коррозионной стойкости.

Деформируемые сплавы на основе системы Mg–Mn. Сплавы МА1, МА8 обладают высокой коррозионной стойкостью при сравнительно средних прочностных свойствах: σв = 200–260 МПа, δ = 5–12 % . Легирование марганцем улучшает коррозионную стойкость сплавов из-за образования нерастворимых соединений марганца с железом и повышает свариваемость. Большое распространение получил сплав МА8 на базе системы Mg–Mn–Ce. Введение церия упрочняет сплав при легировании твердого раствора на основе магния и измельчении зерна. Сплав МА8 предназначен для изготовления листовых деталей, плит и штамповок сложной конфигурации, профилей и труб для деталей топливной арматуры. Сплав хорошо обрабатывается в холодном состоянии. Сплавы на базе системы Mg–Mn относятся к термически неупрочняемым.

Некоторое распространение получили литейные и деформируемые сплавы системы Mg–Zn–Zr (2,5–7 % Zn, 0,3–1,0 % Zr).

Литейные сплавы системы Mg–Zn–Zr. По сравнению со сплавами системы Mg–Al–Zn имеют более высокую прочность и высокое значение отношения σ0,2/σв, меньшую чувствительность механических свойств к микропористости и толщине сечения отливок.

Типичный представитель этой группы − сплав МЛ12 (4,5 % Zn и 0,8 % Zr). Этот сплав не уступает сплавам системы Mg–Al–Zn по механическим свойствам, имеет высокую пластичность и более высокие литейные свойства. Благодаря легированию цирконием сплав отличается повышенной жаропрочностью. Сплав применяют для получения отливок прочных и герметичных деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Сплав термически упрочняется закалкой с 400 °С и искусственным старением при 150 °С.

К недостаткам сплава МЛ12 можно отнести плохую свариваемость и склонность к образованию трещин кристаллизационного происхождения.

Деформируемые сплавы системы Mg–Zn–Zr. Сплавы этой группы (МА14, МА15, МА19, МА20) отличаются высокими прочностными свойствами, что обусловлено упрочняющим действием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Сплавы дополнительно легируют кадмием и РЗМ. Кадмий, неограниченно растворяющийся в магнии, повышает прочностные и пластические свойства сплавов. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных температурах. Деформируемый сплав МА14 (5 % Zn и 0,6 % Zr) отличается высоким пределом текучести (300 МПа). Полуфабрикаты из сплава после горячей обработки давлением подвергают термической обработке по режиму Т1 (старение при 170 °С в течение 16 ч без предварительной закалки). Закалка прессованных и штампованных полуфабрикатов из сплава МА14 с нерекристаллизованной структурой не дает положительных результатов, т.к. эффект разупрочнения при рекристаллизации в результате нагрева под закалку не компенсируется в достаточной степени упрочнением при последующем искусственном старении. Недостатками сплава являются его неудовлетворительная свариваемость и склонность к образованию трещин в процессе горячей деформации.

Сплавы системы Mg–РЗМ. В качестве жаропрочных магниевых сплавов применяют деформируемые (МА11, МА12) и литейные (МЛ9, МЛ10,т МЛ19) сплавы системы Mg–РЗМ. Основной легирующий элемент в этих сплавах – неодим (2,5–3,5 %). Сплавы МЛ9, МЛ10, МА12 дополнительно легированы цирконием, сплав МА11– марганцем и никелем. Неодим обеспечивает высокую жаропрочность, которая объясняется достаточной стабильностью твердого раствора и небольшой скоростью коагуляции упрочняющей фазы Mg9Nd при температурах эксплуатации. Основная цель легирования цирконием – измельчение зерна, что вызывает улучшение технологической пластичности.

Сплав МА12 подвергают закалке с последующим старением по режиму Т6 (закалка с 530 °С, охлаждение в горячей воде и старение при 200 °С в течение 16 ч). Из сплава МА12 изготавливают листы, прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки для сварных конструкций, длительное время работающие при температурах до 200 °С.

Литейные жаропрочные сплавы системы Mg–РЗМ при комнатной температуре малопластичны, имеют среднюю прочность (σв = 160–250 МПа). Однако прочность этих сплавов при температурах 200–300 °С оказывается в 3–4 раза выше, чем сплавов системы Mg–Al–Zn. Это объясняется образованием в структуре сплавов стойких к распаду интерметаллических фаз и эвтектических включений с высокой температурой плавления. Литейный сплав МЛ10 используется до температур 250 °С, он термически обрабатывается по режиму Т6, закалка и старение. Сплав имеет узкий интервал кристаллизации, поэтому обладает хорошими литейными свойствами. Деформированный жаропрочный сплав МА12 относится к сплавам средней прочности. Он хорошо деформируется давлением, не склонен к коррозии под напряжением, сваривается, термически упрочняется. Изделия из сплава МА12 могут работать до температур 200 °С, а из литейного сплава МЛ19 – до 300 °С.

Такие сплавы востребованы в аэрокосмической и оборонной промышленности, в текстильном машиностроении и автомобильной отрасли для изготовления вращающихся деталей с малой инерционностью; при производстве облегченных переносных инструментов и бытовых приборов и т. д.

Эти сплавы применяются в качестве шихтовой составляющей при изготовлении конструкционных магниевых сплавов.

Среди литейных и деформируемых магниевые сплавов отдельно выделяют сплавы с особыми свойствами: протекторные, сверхлегкие, с высокой звукопроводностью и с высокой демпфирующей способностью.