Магнієві сплави: застосування, класифікація і властивості

Магнієві сплави володіють цілим рядом унікальних фізико-хімічних властивостей, головними з яких є мала щільність і висока міцність. Поєднання цих якостей в матеріалах з додаванням магнію дозволяє виготовляти вироби і конструкції, що володіють високими характеристиками міцності і малою вагою.

Характеристики магнію

Промислове виробництво і використання магнію почалося порівняно недавно – всього близько 100 років тому. Цей метал має малу масу, так як має порівняно низькою щільністю (174 г/см?), хорошу стійкість в повітрі, лугах, газових середовищах з вмістом фтору і в мінеральних маслах.


Температура його плавлення становить 650 градусів. Він характеризується високою хімічною активністю аж до мимовільного займання на повітрі. Межа міцності чистого магнію становить 190 Мпа, модуль пружності – 4500 Мпа, відносне подовження – 18%. Метал відрізняється високою демпфуючої здатністю ефективно поглинає пружні коливання), що забезпечує йому відмінну переносимість ударних навантажень та зниження чутливості до резонансних явищ. До числа інших особливостей цього елемента належать хороша теплопровідність, низька здатність поглинати теплові нейтрони і взаємодіяти з ядерним паливом. Завдяки сукупності цих властивостей магній є ідеальним матеріалом для створення герметичних оболонок високотемпературних елементів ядерних реакторів. Магній добре сплавляється з різними металами і відноситься до числа сильних відновників, без яких неможливий процес металотермії. У чистому вигляді він в основному застосовується як легирующая добавка в сплавах з алюмінієм, титаном і деякими іншими хімічними елементами. У чорній металургії за допомогою магнію проводиться глибока десульфурації сталі і чавуну, а також поліпшуються властивості останнього допомогою сфероідізації графіту.

Магній і легуючі добавки

До числа найбільш поширених легуючих добавок, що застосовуються в сплавах на основі магнію, відносяться такі елементи, як алюміній, марганець і цинк. За допомогою алюмінію поліпшується структура, підвищується рідкотекучість і міцність матеріалу. Введення цинку також дозволяє отримувати більш міцні сплави з зменшеним розміром зерен. З допомогою марганцю або цирконію збільшується корозійна стійкість магнієвих сплавів. Додавання цинку і цирконію забезпечує підвищену міцність і пластичність металлосмесей. А наявність певних рідкоземельних елементів, наприклад, неодиму, церію, ітрію та ін., сприяє значному збільшенню жароміцності і максимізації механічних властивостей магнієвих сплавів. Для створення надлегких матеріалів з щільністю від 13 до 16 г/м? в сплави вводиться літій. Дана добавка дозволяє зменшити їхню масу вдвічі порівняно з алюмінієвими металлосмесями. При цьому їхні показники пластичності, плинності, пружності і технологічності виходять на більш високий рівень.

Класифікація сплавів з магнієм

Магнієві сплави поділяються за низкою критеріїв. Це:

за способом обробки – на ливарні і деформуючі;

за ступенем чутливості до термічної обробки – на незміцнювані і зміцнюються термообробкою;

за властивостями та сферами застосування – на жароміцні сплави, високоміцні і загального призначення;

за системою легування – існує кілька груп неупрочняемих і зміцнених термообробкою деформівних магнієвих сплавів.

Ливарні сплави

До цієї групи відносяться сплави з додаванням магнію, призначені для виготовлення різноманітних деталей та елементів методом фасонного лиття. Вони володіють різними механічними властивостями, в залежності від яких діляться на три класи:

среднепрочние;

високоміцні;

жароміцні.

За хімічним складом сплави також поділяються на три групи:

алюміній + магній + цинк;

магній + цинк + цирконій;

магній + рідкоземельні елементи + цирконій.

Ливарні властивості сплавів

Найкращими ливарними властивостями серед продуктів цих трьох груп мають алюмінієво-магнієві сплави. Вони відносяться до класу високоміцних матеріалів (до 220 МПа), тому є оптимальним варіантом для виготовлення деталей двигунів літаків, автомобілів та іншої техніки, що працює в умовах механічних і температурних навантажень. Для підвищення міцності характеристик алюмінієво-магнієві сплави легують і іншими елементами. А ось присутність домішок заліза і міді небажано, так як ці елементи надають негативний вплив на зварюваність і корозійну стійкість сплавів. Ливарні магнієві сплави готуються в різних типах плавильних печей: у відбивних, в тигельних з газових, нафтових або електричним нагрівом або в індукційних тигельних установках. Для запобігання горіння в процесі плавки і при литті використовуються спеціальні флюси і присадки. Виливки отримують шляхом лиття в піщані, гіпсові і оболонкові форми, під тиском і з використанням виплавлюваних моделей.

Деформуючі сплави

Порівняно з ливарними, деформуються магнієві сплави відрізняються більшою міцністю, пластичністю і в'язкістю. Вони використовуються для виробництва заготовок методами прокатки, пресування і штампування. В якості термічної обробки виробів застосовується гартування при температурі 350-410 градусів з наступним довільним охолодженням без старіння.
При нагріванні пластичні властивості таких матеріалів зростають, тому обробка магнієвих сплавів здійснюється за допомогою тиску і при високих температурах. Штампування виконується при 280-480 градусах під пресами допомогою закритих штампів. При холодній прокатці проводяться часті проміжні рекристаллизационние отжиги. При зварюванні магнієвих сплавів міцність шва виробу може бути знижена на відрізках, де виконувалася підварювання, з-за чутливості таких матеріалів до перегріву.

Сфери застосування сплавів з додавання магнію

За допомогою методів лиття, деформації і термічної обробки сплавів виготовляються різні напівфабрикати – злитки, плити, профілі, листи, поковки і т. д. Ці заготовки використовуються для виробництва елементів і деталей сучасних технічних пристроїв, де пріоритетну роль відіграє вагова ефективність конструкцій (знижена маса) при збереженні їх міцнісних характеристик. У порівнянні з алюмінієм магній легше в 15 рази, а зі сталлю – 45. В даний час застосування магнієвих сплавів широко практикується в авіакосмічної, автомобілебудівної, військовій та інших галузях, де їх висока вартість (деякі марки містять у своєму складі досить дорогі легуючі елементи) виправдовується з економічної точки зору можливістю створення більш довговічною, швидкої, потужної і безпечної техніки, яка зможе ефективно працювати в екстремальних умовах, у тому числі і при впливі високих температур. Завдяки високому електричному потенціалу ці сплави є оптимальним матеріалом для створення протекторів, що забезпечують електрохімічний захист сталевих конструкцій, наприклад, деталей автомобілів, підземних споруд, нафтових платформ, морських суден і т. д., від корозійних процесів, що відбуваються під дією вологи, прісної і морської води. Знайшли застосування сплави з додаванням магнію і в різних радіотехнічних системах, де з них виготовляють звукопроводи ультразвукових ліній затримки электросигналов.

Висновок

Сучасна промисловість пред'являє все більш високі вимоги до матеріалів щодо їх міцності, зносостійкості, корозійної стійкості та технологічності. Використання магнієвих сплавів відноситься до числа найбільш перспективних напрямків, тому дослідження, пов'язані з пошуком нових властивостей магнію і можливостей його застосування, не припиняються. В даний час використання сплавів на основі магнію при створенні різноманітних деталей і конструкцій дозволяє досягти зниження їх ваги практично на 30% і збільшити межа міцності до 300 Мпа, але, як вважають вчені, це далеко не межа для цього унікального металу.