Магний (Mg) впервые обнаружен в 1828 г. в соединениях, найденных вблизи греческого города Магнезий. В природе он встречается только в связанном состоянии и относится к числу наиболее распространенных металлов. На долю магниевых соединений приходится более 12% от общего количества известных минералов. Так же, как и алюминий, магний обладает высокими значениями теплоемкости, скрытой теплоты плавления, электропроводности и невысокой температурой плавления. Важнейшим свойством машин является малая плотность.
Магний обладает большой химической активностью по отношению к кислороду. В виде порошка или ленты магний легко загорается на воздухе, давая яркое ослепительное пламя. В атмосферных условиях он имеет удовлетворительную коррозионную стойкость, однако в присутствии влаги быстро корродирует. Магний реагирует с водой, образуя осадок гидроокиси.
Он значительно корродирует в морской воде к 3%-ном растворе хлористого натрия. Сильно действуют на магний разбавленные минеральные кислоты (кроме плавиковой), а также большинство органических кислот.
Что Будет, Если СПЛАВИТЬ ВСЕ МЕТАЛЛЫ Вместе?
Магний устойчив против воздействия растворов едких щелочей, фтористых солей, плавиковой кислоты, а также по отношению к спиртам (за исключением метилового), керосину, бензину, фреону и минеральным маслам. Он является энергичным восстановителем и вытесняет менее активные металлы из их соединений.
Магний отлично обрабатывается резанием, но механические и литейные свойства его невысоки, что исключает применение его в качестве конструкционного материала.
Со многими металлами магний образует сплавы, которые обладают более высокими по сравнению с чистым магнием механическими свойствами и коррозионной стойкостью, что значительно расширяет область применения магния.
Легкие магниевые сплавы используют в качестве конструкционного материала для различных частей самолетов, а также железнодорожного и автомобильного транспорта. Детали из магниевых сплавов, полученные литьем под давлением, применяют в производстве оптических и точных приборов. Магниевый порошок служит высококалорийным топливом в ракетной технике, в химической промышленности его используют для обезвоживания органических веществ и для синтеза сложных органических веществ.
Магний применяют также в качестве раскислителя в производстве стали и цветного литья, для получения трудновосстановимых металлов и их сплавов, для модифицирования чугуна, в качестве материала для анодов при катодной защите от коррозии стальных изделий и конструкций. Ниже приводятся физические и механические свойства магния:
Плотность при 20°С, г/см3
Удельная теплоемкость, кал/г
Скрытая теплота плавления, кал/г
Коэффициент линейного расширения, 1 /град
Временное сопротивление при растяжении магния, кГ/мм2
Предел текучести , кГ/мм2,
Относительное удлинение магния, %:
Предел упругости магния, кГ/мм2:
Модуль упругости, кГ/мм2
Модуль сдвига, кГ/мм2
Предел усталости отожженного магния базе 50*10 7 циклов, кГ/мм2
Твердость НВ магния, кГ/мм2
В качестве основных легирующих элементов сплавы па магниевой основе содержат алюминий и цинк, которые значительно улучшают механические свойства магния.
Марганец повышает коррозионную стойкость магниевых сплавов и способствует измельчению зерна, поэтому он присутствует во многих магниевых сплавах, а в сплаве Мл2 является основным легирующим элементом. Введение в магниевые сплавы титана и селена (до 0,5%) повышает пластичность сплавов и способствует измельчению зерна. Бериллий, в небольших количествах, создает окисную пленку и предохраняет его от дальнейшего окисления.
Примеси калия, натрия, никеля, меди, железа в магниевых сплавах относятся к числу вредных примесей.
Растворимость элементов, образующих с магнием сплавы, изменяется с изменением температуры. Это позволяет применять к магниевым сплавам упрочняющую термическую обработку.
Магниевые сплавы разделяют на литейные, предназначенные для производства отливок, и деформируемые.
В зависимости от механических свойств литейные сплавы можно условно разделить на три группы: средней прочности, высокопрочные и жаропрочные.
Сплавы средней прочности имеют временное сопротивление не менее 16 кГ/мм2. К ним относятся сплавы магния с алюминием и цинком типа Мл3. Сплавы этой группы не упрочняются термической обработкой. Для снятия внутренних напряжений детали сложной формы из указанных сплавов подвергают отжигу при 325°С. Сплавы средней прочности обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью.
Для повышения коррозионной стойкости детали из этих сплавов подвергают оксидированию.
Наибольшее применение из этой группы сплавов имеет сплав Мл6, в котором сочетаются высокие механические и технологические свойства. Из этого сплава изготовляют детали летательных аппаратов, детали колес, детали управления и крыла самолета, корпусы агрегатов, маслопомпы; в автомобильной промышленности — отливки картера двигателя, коробки передач, детали автомобильных колес; в тракторной промышленностикорпусы коробок передачи т. д.
Сплав Мл4 превосходит сплав Мл5 по коррозионной стойкости. Однако он обладает ограниченной свариваемостью, повышенной склонностью к образованию горячих трещин и микрорыхлоты в отливках, а также пониженной герметичностью и поэтому имеет ограниченное применение. Применяют сплав Мл4 главным образом для протекторной защиты в судостроении.
Для отливок рекомендуется использовать песчаные формы. Для литья в кокиль и под давлением этот сплав не пригоден. Из высокопрочных сплавов машин с алюминием и цинком сплав Мл6 имеет самое высокое временное сопротивление. Пластичность сплава при комнатной температуре низкая.
Сплав Мл6, так же как и сплав Мл5, обладает хорошими литейными свойствами и применяется для получения сложных крупногабаритных отливок.
Сплав Мл12 при высоком пределе текучести обладает более высокой пластичностью по сравнению со сплавами Мл5 и Мл6. Это позволяет использовать его в условиях статических и знакопеременных нагрузок. По сравнению со сплавом Мл6 он имеет повышенную склонность к образованию горячих трещин при литье тонкостенных деталей.
Сплав Мл15 по пластичности при комнатной температуре занимает промежуточное положение между сплавами Мл12 и Мл6. Сплав Мл 15, легированный лантаном, превосходит сплав Мл 12 по пределам ползучести и длительной прочности и является самым жаропрочным из всех магниевых литейных сплавов высокой прочности. По литейным свойствам сплав Мл1б также превосходит сплав Мл12, отливки из него характеризуются высокой пластичностью.
Технологические свойства сплавов Мл 12 и Мл 15 зависят от содержания в них циркония. Наилучшие свойства достигаются при содержании циркония 0,8%. Магниевые жаропрочные литейные сплавы предназначаются для отливки деталей, работающих при 250—350°С и кратковременно при 350— 400°С. К этой группе сплавов относятся сплавы магния с РЗМ и Zr.
Магниевые литейные коррозионностойкие сплавы по коррозионной стойкости превосходят сплав Мл5. К ним относятся сплавы Мл4пч, Мл5пч, Мл2, а также сплавы магния с цирконием. Повышение коррозионной стойкости деталей из сплавов Мл4пч и Млбпч по сравнению со сплавами Мл4 и Мл6 достигается ограничением содержания вредных примесей и применением при литье бесхлоридных флюсов вместо хлористых флюсов. При этом получают отливки, практически свободные от включений хлористых флюсов, образующих с влагой, концентрированные растворы хлористых солей, разрушающих магниевые сплавы.
Сплавы Мл4пч и Мл5пч применяют для изготовления высоконагруженных деталей, длительно работающих в тяжелых условиях, в том числе в атмосферных условиях повышенной влажности.
Сплав Мл2 способен противостоять действию концентрированных растворов едкого натра при температурах до 120°С и растворов соды. Негашеная известь, известковые растворы и бетон разрушают отливки из сплава Мл2 очень медленно. Применение сплава Мл2 ограничивается из-за его низких (механических и технологических свойств. Применяют этот сплав для изготовления малонагруженных деталей простой конфигурации — баков, бензо-масляной арматуры, а также деталей, работающих в щелочной среде.
Магниевые деформируемые сплавы. Эти сплавы подвергаются прокатке, прессованию, ковке и штамповке. К ним относятся сплавы, легированные алюминием, цинком, марганцем, цирконием, редкоземельными элементами, торием и другими металлами. Их применяют для изготовления деталей механической обработкой, сваркой и клепкой, объемной и листовой штамповкой. Из них делают прессованные прутки, полосы, профили и трубы, катаные плиты и листы, поковки и штамповки.
Сплавы магния с марганцем, содержащие марганца в пределах 1,3—2,5%, отличаются наиболее высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и высокой пластичностью. По механическим свойствам они относятся к сплавам низкой прочности с временным сопротивлением 17—23 кГ/мм2. Из этих сплавов изготовляют листы толщиной 0,8—10 мм, прессованные прутки диаметром до 130 мм, прессованные профили, поковки и штамповки.
Магниевые деформируемые сплавы с марганцем и небольшой добавкой церия (МА8), а также спла(в магния с алюминием, цинком и марганцем (МА2) относятся к группе сплавов средней прочности (временное сопротивление 23—26 кГ/мм2). Они обладают хорошей технологической пластичностью в нагартованном состоянии, достаточной для изготовления из них листов и всех других видов деформируемых полуфабрикатов, а также удовлетворительной общей коррозионной стойкостью. Сплав МА8 не подвержен коррозии .под напряжением, а сплав МА2 имеет незначительную склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением. Для защиты сплавов этой группы от коррозии применяют покрытия неорганическими пленками и лакокрасочные покрытия.
Сплавы средней прочности термической обработкой не упрочняются. Они удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной электросваркой. Детали из сплава МА2 могут работать при темпераiypax до 150°С, а из сплава МА8 — до 200—250°С.
Сплавы магниевые деформируемые с временным сопротивлением 26—40 кГ/мм2 образуют группу высокопрочных сплавов. В эту группу входят сплавы MA2-1, МА5, МА14. Из сплава МА2-1 изготовляют все виды деформируемых полуфабрикатов, а из остальных сплавов — прессованные изделия и штамповки.
Общая коррозионная стойкость магниевых деформируемых сплавов высокой прочности удовлетворительная. Однако при эксплуатации детали из этих сплавов необходимо защищать неорганическими пленками и лакокрасочными покрытиями. Они обладают различной склонностью к коррозии под напряжением.
Сплав МА5 рекомендуется применять для деталей, работающих при длительно растягивающих напряжениях, не превышающих 60% предела текучести при растяжении.
Сплав MA2-1 термической обработкой не упрочняется. Сплавы МА14 и МАБ подвергают закалке на воздухе или в горячей воде и искусственному старению.
Наибольшее применение из деформируемых магниевых сплавов высокой прочности получили сплавы МА14 и МА2-1.
Сплавы типа МА2-1 применяют для обшивки, изготовления перегородок и шпангоутов, а также в виде труб и профилей для сварных конструкций и деталей, выполняемых объемной штамповкой. Из них можно изготовлять кузовы, бензобаки, приборные щитки и другие детали спортивных автомобилей.
Сплав МА14 применяют для несвариваемых крупногабаритных нагруженных деталей, не имеющих тонких сечений.
Сплавы MA1, МА2, МА2-4, МАБ и МА14 пригодны для работы при температурах до 150°С, а сплав МА8—при температурах до 200°С.
не должно быть не менее 99,9%, а примесей— не более 0,1%, в том числе 0,04% Fe; 0,01% Si; 0,001% Ni; 0,005% Сu; 0,02% Al; 0,04% Μn; 0,005% Cl.
Магний поставляют в .виде чушек массой 8,0±1,0 кг или в виде слитков. Поверхность чушек магния должна быть без наплывов, неслитин, флюсовых включений и продуктов горения магния. В срезе чушек не должно быть флюсовых включений общей площадью более 4 мм2, а также других посторонних включений.
Источник: markmet.ru
47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
Магний – металл светло-серого цвета с температурой плавления 650 о С, имеет плотность 1,74 г/см 3 , легко воспламеняется на воздухе.
Технический магний выпускается трех марок: МГ90, МГ95 и МГ96, содержащих 99,90, 99,95 и 99,96 % Мg, соответственно; обладает низкими механическими свойствами и используется в основном в пиротехнике и химической промышленности.
Для повышения механических свойств магний легируют алюминием (до 10 %), цинком (до 6 %), марганцем (до 2,5 %), цирконием (до 1,5 %) и т.д.
Магниевые сплавы (как и сплавы других цветных металлов) подразделяют по технологии получения заготовок на две группы: деформируемые и литейные.
К деформируемымотносятся сплавы МА1, МА2-1 и МА14; их предел прочности составляет 190…340 МПа, а относительное удлинение – 6…20 %; поставляются в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, поковок и штамповок.
Литейные сплавы содержат в своем обозначении букву Л (МЛ5, МЛ6, МЛ10, МЛ12) и обладают несколько худшими механическими свойствами (σвдо 230 МПа, δ=1…5 %), но отличаются повышенной жидкотекучестью.
Деформируемые и литейные сплавы магния зачастую могут быть упрочнены на 20–35 % путем закалки с температур 380…540 о С и искусственного старения при 150…200 о С в течение 15…20 ч.
Магниевые сплавы примерно в 10–35 раз дороже рядовой стали и огнеопасны, но при этом обладают высокой удельной прочностью, технологичны, хорошо поглощают вибрации и по этим причинам широко используются в транспортном машиностроении и, особенно, в авиационной и ракетной технике (диски колес, стойки шасси и т.п.).
48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
Бериллий – редкий металл светло-серого цвета с температурой плавления 1287 о С, имеет плотность 1,85 г/см 3 . Бериллий отличается коррозионной стойкостью на воздухе; высокой электро- и теплопроводностью, лишь несколько худшей, чем у алюминия; по удельной теплоемкости (2052 Дж/кг•К), а также удельной прочности (σв/ρg) и жесткости (Е/ρg) при температуре до 600 о С (рис. 48) превосходит все известные материалы (Е– модуль Юнга, ρ – плотность,g– ускорение свободного падения).
Рис. 48. Зависимость удельного модуля упругости от температуры для различных материалов: 1 – бериллий, 2 – КМ (углеродное волокно + эпоксидная матрица), 3 – КМ (борное волокно + эпоксидная матрица), 4 – сталь, 5 – титановые сплавы, 6 – алюминиевые сплавы, 7 – магниевые сплавы
Порошковый бериллий получают из минерального сырья путем восстановления, в том числе с помощью электролиза. Дальнейшей вакуумной дистилляцией бериллий очищают до 99,98 %. Для получения заготовок из технического бериллия применяю методы порошковой металлургии. Листовой бериллий получают горячей прокаткой, а трубы и прутки – горячим выдавливанием (экструзией), предварительно спеченных заготовок. Бериллий плохо обрабатывается резанием и требует применения твердосплавного инструмента.
Механические свойства бериллия сильно зависят от чистоты металла, технологии производства, размера частиц исходного порошка, например, заготовки сформованные из одного и того же порошка после горячего прессования имеют σв=240…300 МПа и δ=1…2 %, а после горячего выдавливания – σв=500…700 МПа и δ=5…10 %.
Серьезный недостаток бериллия, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости может быть преодолен легированием алюминием, серебром, медью, титаном и др. элементами.
Например, деформируемыйбериллиевый сплав ВБД-1П, легированный 8 %Niи 1 %Ti, имеет σв=500…550 МПа, δ=0,8…1,5 %,KCU=1,0 Дж/см 2 и обладает вдвое большим пределом выносливости, чем технический бериллий.
Литейные бериллиевые сплавы имеют в своем обозначении букву Л (ЛБС-1, ЛБС-2, ЛБС-3) и содержат бóльшее количество легирующих элементов, главным из которых является алюминий (до 34 %); они имеют σв=220…320 МПа, δ=3…1 %,KCU=2,5…4,5 Дж/см 2 .
Бериллий и сплавы на его основе применяют в аэрокосмической технике для изготовления камер сгорания, сопел, антенн; элементов обшивок и тормозных дисков самолетов; корпусов управляемых снарядов и глубоководных торпед, сбрасываемых с самолетов. Расчеты показывают, что бериллий обеспечивает трехкратный выигрыш по массе по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами, четырехкратный – по сравнению с титаном и пятикратный – по сравнению со сталью. Благодаря самому низкому из металлов поперечному сечению захвата нейтронов и самому высокому поперечному сечению их рассеяния, бериллий незаменим в атомной технике для изготовления отражателей, замедлителей и оболочек ТВЭЛов 49 . Более широкое применение бериллия сдерживается дефицитностью исходного сырья, дороговизной и сложностью его переработки, а также очень высокой токсичностью бериллиевых паров и пыли. Бериллий и его сплавы примерно в 1000 раз дороже рядовой стали.
Источник: studfile.net
Магниевые сплавы
Магниевые сплавы применяются в промышленности намного чаще, чем чистый магний. Данный металл – легкий и ковкий, серебристо-белого цвета.Он обладает очень высокой химической активностью. На воздухе обычно покрыт тонкой и прочной пленкой окисла, которая препятствует дальнейшему окислению.
В присутствии кислой среды или просто высокой влажности пленка разрушается, в результате чего металл начинает активно взаимодействовать с окружающей средой.
Важная характеристика металла – взаимодействие с кислородом. При высокой температуре магний окисляется кислородом воздуха, сгорая с выделением большого количества тепла и света. Данное свойство послужило широкому применению магния в фотовспышках на заре развития фотографии.
Химическая активность и не самые лучшие механические характеристики существенно ограничивают применение чистого магния в промышленности. Для повышения механических характеристик и придания химической стойкости применяют различные сплавы с магнием. В качестве основных элементов в композициях наибольшее распространение получили алюминий, цинк и марганец. Данные металлы вводятся в состав в количестве до 10%. Кроме этих основных элементов, сюда также входят добавки редкоземельных металлов.
Свойства магниевых сплавов зависят не только от состава легирующих добавок, но и от способа дальнейшей обработки.
Влияние легирующих добавок
Металлы в составе композиций улучшают и изменяют физические и химические свойства основного металла. Основной упор делается на повышении механических характеристик. Алюминий улучшает общую структуру, литейные свойства, повышает прочность. Цинк также повышает прочность и способствует уменьшению зерен в отливке. Основная цель введения марганца, кроме увеличения прочности – повышение химической стойкости к воздействию агрессивных сред и снижение вредного влияния примеси железа.
Редкоземельные металлы, несмотря на малое количество, сильно меняют химические и физические свойства, повышая жаропрочность, улучшая пластичность, ковкость за счет уменьшения зерен и изменений в кристаллической решетке.
Добавка циркония уменьшает растворимость водорода в расплаве, которая в чистом составе составляет значительную величину. Связывая водород, цирконий также способствует уменьшению пористости и зернистости отливок.
Введение лития в некоторые составы позволяет получить магниевые сплавы с рекордно малой плотностью – в 2 раза меньшей, чем у алюминия, с сохранением высокой прочности и легкости механической обработки. Данные сплавы наиболее широко используются в аэрокосмической промышленности, где снижение общего веса конструкции увеличивает массу полезной нагрузки. Некоторые металлы, напротив, нежелательны даже в малых количествах. Так, примеси железа или никеля даже в объеме тысячных долей процента резко снижают коррозионную стойкость сплава. Растворенный водород увеличивает пористость материала, вызывает увеличение зерен, снижая, таким образом, прочность изделия.
Основные разновидности сплавов магния
Магниевые сплавы различаются технологией изготовления. В соответствии с этим, для всех составов с магнием принята следующая классификация:
- литейные сплавы магния, которые отличаются высокими литейными свойствами;
- деформируемые сплавы, легко поддающиеся механической обработке ковкой прессовкой
Химический состав добавок подобран таким образом, чтобы минимизировать последующую обработку литейных сплавов и увеличить способность к обработке у деформируемых.
Внутри каждой из групп материалы разделяются по своим свойствам, способу литья, методам обработки (прессование, ковка, штамповка и прокат).
Каждая из двух перечисленных групп включает в себя составы с различной прочностью, жаростойкостью, химической стойкостью, а также с различной способностью к свариванию.
Маркировка и свойства
Отечественная промышленность маркирует магниевые сплавы на основе двухбуквенной маркировки с дополнительными цифрами:
- литейные — МЛ1 – МЛ20;
- деформируемые — МА1 – МА19;
- жаропрочные магниевые сплавы ВМЛ1 – ВМЛ2.
Литейные сплавы производятся в большинстве на основе системы Mg – Al – Zn, которая представляет собой твердый раствор алюминия и цинка в магнии. Наилучшими литейными свойствами обладают такие виды растворов, как марки МЛ4 – МЛ6. Данные сплавы обладают высокой текучестью, малой усадкой и не склонны к образованию раковин.
Такие характеристики позволяют применять указанные марки при точном литье заготовок любых форм и габаритов. Жаропрочные сплавы, к которым относятся также марки МЛ9 – МЛ14, способны длительное время выдерживать температуру до 350 ˚С и кратковременно до 400 ˚С. В основе состава система Mg – Zn с добавкой циркония. Кроме жаропрочности, данные сплавы хорошо выдерживают статические и усталостные нагрузки.
Дополнительное легирование редкоземельными металлами в некоторых рецептурах способно уменьшить вероятность трещинообразования, что повышает сопротивляемость деформирующим нагрузкам.
Деформированные сплавы производят на основе систем Mg – Al, Mg – Zn, Mg – Mn. Алюминий и цинк способствуют повышению пластичности и позволяют производить с отливками такие действия давлением, как ковка, прессовка, штамповка, а также холодная и горячая прокатка. Как и литейные, деформируемые дополнительно легируют редкоземельными металлами, однако здесь нашли также и другие материалы.
К ним можно отнести кадмий и серебро, которые повышают прочность при одновременном увеличении пластичности. Марки МА11 — МА12 деформируемых магниевых сплавов относятся к жаростойким материалам, как и аналогичные литейные. Сплавы МА14 и МА19 характерны тем, что не допускают применение сварки при дальнейшем применении, в отличие от большинства остальных составов.
Получение и производство
Для изготовления сплавов используются материалы высокой чистоты, поскольку, как говорилось выше, даже мельчайшие примеси нежелательных элементов могу существенно ухудшить свойства готового продукта.
Получение сплавов магния облегчается тем, что температура плавления расплава не превосходит 700˚С. Для получения материала с требуемыми свойствами в расплав чистого магния вводят необходимое количество легирующих элементов. Газовый состав атмосферы вокруг расплава должен быть очищен от водорода, поскольку его высокая растворимость в магнии способна привести к дефектам внутренней структуры.
Обработка отливок
Повысить механические свойства отливок на основе магния можно, применяя несколько методик:
- гомогенизация (закалка);
- закалка со старением для стабилизации свойств;
- рекристализационный отжиг для снятия механических напряжений после обработки давлением;
- диффузионный отжиг для выравнивания внутренней структуры и химического состава в зернах металла.
Следует заметить, что у большинства сплавов после термической обработки механическая прочность не повышается.
Применение
Применение магниевых сплавов в промышленности и технике связано с высокими техническими характеристиками в качестве замены стальных и алюминиевых деталей с учетом требуемых механических свойств.
Плотность магниевого сплава ниже, чем у алюминия, соответственно, вес детали получается меньше.
Наиболее широкое использование магниевые сплавы получили в авиации, в основном, благодаря легкости (на 20-30% легче алюминия) и высокой прочности. Магний используется для изготовления деталей шасси – стоек, дисков колес, а также различных конструктивных элементов конструкции. Корпуса приборов и механизмов также выполнены из данного материала.
Легкий магниевый сплав в конструкции летательных аппаратов позволяет увеличить вес полезной нагрузки, не снижая прочностных характеристик. Такие особенности магниевого сплава обуславливают его широкое распространение в ракетной и космической технике. Немалая доля конструкционных материалов из сплавов магния используется в автомобильной промышленности. В основном это детали двигателя (картер, поддон), трансмиссии и иные конструктивные элементы. Подсчитано, что при общем весе магниевых сплавов 100 кг, замена деталей на стальные, увеличит массу конструкции на 450 кг.
Из магния изготавливают диски колес. И, хотя они имеют значительно более высокую стоимость, чем традиционные, выигрыш от уменьшения неподрессоренной массе ходовой части автомобиля заметно улучшает динамический характеристики, облегчает работу подвески, делая вождение автомобиля комфортнее и безопаснее.
Источник: sterbrust.tech