сплавы, сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний - металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования М. с., сравнительно невелик. М. с. разделяются на 2 основные группы: литейные - для производства фасонных отливок и деформируемые - для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.
Историческая справка. Первые М. с. появились в начале 20 века (под названием 'электрон', теперь мало употребляемым). Значение конструкционных промышленных материалов М. с. приобрели в конце 20-х - начале 30-х годов 20 века, то есть почти через 100 лет после того как французский химик А. Бюсси впервые выделил магний в чистом виде (1828). До конца 40-х годов применялись главным образом сплавы на основе систем Mg - Al - Zn и Mg - Mn. Дальнейшему прогрессу в области создания М. с. способствовало открытие модифицирующего и рафинирующего действия циркония. В 50-х годах начали применяться сплавы на основе систем Mg - Zn - Zr, Mg - p. з. м. (редкоземельный металл) - Zr (или Mn), Mg - Th, а также сверхлёгкие сплавы на основе системы Mg - Li. Производство и потребление магния и М. с. возрастает. Мировое производство магния к началу 2-й мировой войны 1939-45 составило около 50 тысяч т, в 1969~ 2 млн. т, из них~ 40-50% расходуется на производство отливок и деформированных полуфабрикатов.
Химический состав наиболее широко применяемых в СССР М. с. дан в таблице 1 . В промышленных М. с. содержатся добавки Al, Zn, Mn, Zr и редкоземельных металлов (цериевый мишметалл, La, Nd, Y), Th, Ag, Cd, Li, Be и др. Общее количество добавок в наиболее легированных М. с. достигает 10-14%. Вредными примесями являются Ni, Fe, Si и Cu, которые снижают коррозионную стойкость М. с. В М. с. с Zr ограничивают содержание примесей Al и Si, так как в присутствии этих элементов Zr не растворяется в расплавленном магнии, образуя с ними тугоплавкие нерастворимые соединения. Растворимость циркония в магнии уменьшают также примеси Fe, Mn и Н. Малые количества Be (иногда Ca) используют в качестве технологических добавок для снижения окисляемости М. с. в расплавленном состоянии.
Таблица 1 . v Химический состав и механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/м2 0,1 кгс/мм2 )
Тип сплава
Химический состав, %
основные компоненты
примеси, не более
Al
Zn
Mn
Zr
Nd
Al
Si
Fe
Ni
Cu
Mn
Be
Ca Литейные сплавы
Mg v Al v Zn
8
0,5
0,2
v
v
v
0,25
0,06
0,01
0,1
v
0,002
0,1
8
0,5
0,2
v
v
v
0,08
0,007
0,001
0,004
v
0,002
v
Mg v Zn v Zr
v
4,5
v
0,7
v
0,02
0,03
0,01
0,005
0,03
v
0,001
v
Mg v Nd v Zr
v
0,4
v
0,7
2,5
0,02
0,03
0,01
0,005
0,03
v
0,001
v Деформируемые сплавы
Mg v Al v Zn
4
1
0,5
v
v
v
0,15
0,05
0,005
0,05
v
0,02
0,1
Mg v Zn v Zr
v
5,5
v
0,5
v
0,05
0,05
0,05
0,005
0,05
0,1
0,02
v
Тип сплава
Сумма определяемых примесей
Механические свойства
при 20 |C
Вид термической обработки
Предельные рабочие температуры, |C
Назначение
Мн/м2
s, %
длительно
Кратко
времен-
но
s0,2
sb Литейные сплавы
Mg v Al v Zn
0,5
90
280
9
Закалка; закалка и старение
150
250
Сплав общего назначения
0,14
90
280
9
То же
150
250
То же, имеет повышенную коррозионную стойкость
Mg v Zn v Zr
0,2
150
300
6
Отпуск
200
250
Нагруженные детали (барабаны колёс, реборды и др.)
Mg v Nd v Zr
0,2
150
280
5
Закалка и старение
250
350
Жаропрочный сплав. Нагруженные детали; детали, требующие высокой герметичности, стабильности размеров Деформируемые сплавы
Mg v Al v Zn
0,31
180
290
100 Отжиг
150
200
Панели, штамповки сложной конструкции, сварные конструкции
Mg v Zn v Zr
0,31
250
v
3002
310
v
3502
100v140
Старение
100
150
Высоконагруженные детали из прессованных полуфабрикатов, штамповок и поковок
1 Для деформируемых сплавов указано содержание прочих примесей.
2 Максимальные значения v для пресcованных полуфабрикатов.
Физические свойства М. с. даны в таблице 2 . М. с. являются самым лёгким металлическим конструкционным материалом. Плотность ( d ) М. с. в зависимости от состава колеблется в пределах 1360-2000 кг/м3. Наименьшую плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых М. с. равна 1760-1810 кг/м3, то есть примерно в 4 раза меньше плотности стали и в 1,5 раза меньше плотности алюминиевых сплавов. Благодаря малой плотности детали из М. с. обладают высокой жёсткостью: относительная жёсткость при изгибе двутавровых балок одинаковой массы и ширины для стали равна 1, для алюминия 8,9, для магния 18,9. М. с. имеют высокую удельную теплоёмкость. Температура поверхности детали из М. с. при одинаковом количестве поглощённого тепла в 2 раза ниже по сравнению с температурой детали из малоуглеродистой стали и на 15-20% ниже, чем детали из алюминиевого сплава. Коэффициент термического расширения М. с. в среднем на 10-15% больше, чем у алюминиевых сплавов.
Таблица 2 . v Физические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов
Тип сплава
Плотность, кг/м3
Коэффициент линейного расширения при 20-100 |C
aT106, 1/|C
Коэффициент теплопроводности, вт/мTK
Удельная теплоёмкость, кдж/кгTK
Удельное электро-
сопротивление rT106, омTсм Литейные сплавы
Mg v Al v Zn
1810
26,8
65
1,05
13,4
Mg v Zn v Zr
1810
26,2
134
0,98
6,6
Mg v Nd v Zr
1780
27,7
113
0,963
8,4 Деформируемые сплавы
Mg v Al v Zn
1790
26
83,8
1,05
12
Mg v Zn v Zr
1800
20,9
117
1,03
5,65
Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР промышленных М. с. представлены в таблице 1 . Максимальный уровень механических свойств литейных М. с. достигнут на высокопрочных сплавах системы Mg - Zn - Ag - Zr: предел текучести s0,2 260-280 Мн/м2 (26-28 кгс/мм2 ) , предел прочности s b 340-360 Мн/м2 (34-36 кгс/мм2 ) , относительное удлинение d 5%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить s b до 400-420 Мн/м2 (40-42 кгс/мм2 ). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: s 0,2 350 Мн/м2 (35 кгс/ мм2 ) , s b 420 Мн/м2 (42 кгс/мм2 ) , d 5%. Предельная рабочая температура высокопрочных сплавов 150 |С. Самые жаропрочные М. с. (литейные и деформируемые) систем Mg - р. з. м. и Mg - Th пригодны для длительной эксплуатации при 300-350 |С и кратковременной - до 400 |С. По удельной прочности (sb/ d ) высокопрочные литейные М. с. имеют преимущества по сравнению с алюминиевыми сплавами, самые высокопрочные деформируемые находятся на одном уровне с наиболее высокопрочными деформируемыми алюминиевыми сплавами (или несколько уступают им). Модуль упругости М. с. равен 41-45 Гн/м2 (4100-4500 кгс/мм2 ) (3/5 модуля алюминиевых сплавов, 1/5 модуля сталей), модуль сдвига составляет 16-16,5 Гн/м2 (1600-1650 кгс/мм2 ) . При низких температурах модуль упругости, пределы текучести и прочности М. с. увеличиваются, а удлинение и ударная вязкость снижаются; резкого падения пластичности, характерного для низколегированных конструкционных сталей, у М. с. не наблюдается.
Технология. Вследствие большого сродства магния с кислородом при плавке М. с. в воздушной атмосфере поверхность расплавленного металла защищают слоем флюса; в качестве флюсов применяют различные смеси фтористых и хлористых солей щелочных и щёлочноземельных металлов. Чтобы избежать горения металла при литье, в состав формовочных земель вводят защитные присадки, кокили окрашивают специальными красками, в состав которых входит, например, борная кислота. Отливки получают всеми известными способами литья, в том числе литьём в песчаные, оболочковые, стержневые, гипсовые формы, литьём в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям, полужидкой штамповкой. Для получения качественных отливок литниковая система строится по принципу расширяющегося потока. При затвердевании М. с. дают большую усадку (1,1-1,5). Благодаря мелкозернистой структуре отливки из М. с. с цирконием имеют более однородные и высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Детали и узлы различных конструкций из деформируемых М. с. изготовляют механической обработкой, сваркой и клёпкой, объёмной и листовой штамповкой. При комнатной температуре технологическая пластичность М. с. низкая, что объясняется гексагональным строением кристаллической решётки магния (скольжение происходит по одной плоскости базиса). При высоких температурах (200-450 |С) возникает скольжение по дополнительным плоскостям и технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому все операции обработки давлением М. с. проводятся в нагретом состоянии при малых скоростях деформации. Исключение составляют М. с. с 10-14% Li, которые имеют объёмно центрированную кубическую решётку и допускают обработку в холодном состоянии. При конструировании деталей из М. с. избегают острых надрезов и резких переходов сечений. Для соединения деталей применяют различные виды сварки, а также клёпку, пайку твёрдыми и мягкими припоями, склеивание. Сваркой исправляют дефекты литых деталей. Только сплавы с высоким содержанием цинка не подвергаются сварке. Большинство литых и деформированных полуфабрикатов из М. с. подвергается упрочняющей термической обработке (закалке, старению) или отжигу для снятия внутренних напряжений (литейных, сварочных и других). М. с. легко обрабатываются резанием - вдвое быстрее, чем алюминиевые сплавы, и в 10 раз быстрее, чем углеродистые стали. При работе с М. с. следует соблюдать правила пожарной безопасности.
Методы защиты от физико-химических воздействий. М. с. обладают пониженной коррозионной стойкостью из-за высокого электроотрицательного потенциала и недостаточных защитных свойств естественной окисной плёнки. Защита М. с. от коррозии осуществляется искусственно создаваемыми химическими или электрохимическими неорганическими плёнками в сочетании с лакокрасочными покрытиями. Покрытие состоит из грунтовочного пассивирующего слоя и внешних лаковых или эмалевых слоев. Надлежащая защита обеспечивает надёжную работу деталей из М. с. в атмосферных условиях, щелочных средах, минеральных маслах, бензине, керосине. М. с. повышенной чистоты, особенно по содержанию железа и никеля, пригодны для эксплуатации в морском воздухе. М. с. неприемлемы для работы в морской воде, в соляных растворах, кислотах, их растворах и парах. Коррозионная стойкость магниевых деталей в значительной степени зависит от выбора правильной конструктивной формы (исключающей скопление влаги) и такого сочетания контактирующих материалов в изделиях, которое не вызывает контактной коррозии. Некоторые высокопрочные деформируемые М. с. склонны к коррозии под напряжением и могут применяться при условии ограничения величины длительно действующих растягивающих напряжений.
Консервация деталей и полуфабрикатов из М. с. осуществляется с помощью хроматных плёнок, жидких нейтральных обезвоженных масел, специальной смазки и другими способами в зависимости от длительности и условий хранения. Длительное хранение собранных изделий и запасных частей из М. с. с лакокрасочным покрытием в нормальных складских условиях производится в чехлах из полихлорвиниловой или полиэтиленовой плёнки с силикагелевым осушителем.
Применение. М. с. пригодны для работы при криогенных, нормальных и повышенных температурах. Благодаря малой плотности, высокой удельной прочности, способности поглощения энергии удара и вибрационных колебаний, отличной обрабатываемости резанием М. с. широко используются в промышленности, прежде всего для снижения массы изделий, повышения их жёсткости. М. с. применяются в автомобильной, тракторной промышленности (картеры двигателей, коробки передач, барабаны колёс и другие детали), в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, детали электродвигателей), в оптической промышленности (корпуса биноклей, фотоаппаратов), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки), в полиграфии (матрицы, клише, валики), в судостроении (протекторы), в авиационной и ракетной технике (детали колёс, детали управления и крыла самолёта, корпусные детали двигателей) и во многих других отраслях техники. Промышленностью используются главным образом литые детали из М. с. Основное ограничение в применении М. с. - пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах.
Лит.: Конструкционные материалы, т. 2, М., 1964 (Энциклопедия современной техники); Рейнор Г. В., Металловедение магния и его сплавов, перевод с английского, [М.], 1964; Альтман М. Б., Лебедев А. А, и Чухров М. В., Плавка и литье легких сплавов, 2 изд., М., 1969.
Н. М. Тихова.