14. МАГНИЙ И МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

(В.Г. Шипша)

Магний — металл серебристо-белого цвета, один из самых распространенных элементов в земной коре. Магний кристаллизуется в решетку ГПУ с периодами a = 0,32 нм, с = 0,52 нм и не имеет аллотропических модификаций. Характеристики основных физико-химических и механических свойств приведены ниже.

Магний — химически активный металл и легко окисляется. Оксидная пленка MgO не обладает высокими защитными свойствами и с повышением температуры скорость окисления быстро возрастает. При нагреве на воздухе до 623 ° С магний воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. Магниевая пыль, мелкая стружка самовозгораются при еще более низкой температуре. Поэтому отливки перед загрузкой в печь для их термообработки необходимо очищать от магниевой пыли, стружки и заусенцев.

Магний первичный (ГОСТ 804–93) выпускают в чушках четырех марок: Мг80, Мг90, Мг95, Мг98 с содержанием магния (в %) 99,80; 99,90; 99,95; 99,98 соответственно. Магний марок Мг80, Мг90, Мг95 — общего назначения, Мг98 — специального применения.

Литой магний имеет крупнокристаллическую структуру и низкие механические свойства: s _в = 110–120 МПа, s _0,2 = 20–30 МПа, d = 6–8 %, НВ 30. Низкая пластичность магния при нормальной температуре связана с особенностью решетки ГПУ, в которой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение температуры приводит к появлению новых плоскостей скольжения и двойникованию и, как следствие, к увеличению пластичности. Поэтому обработку давлением магния и его сплавов проводят при температуре 320–430 ° С в состоянии наибольшей пластичности.

Из-за низких механических свойств чистый магний как конструкционный материал не применяется. Он используется для производства магниевых сплавов, в пиротехнике, в химической промышленности, а также в металлургии в качестве раскислителя, восстановителя, модификатора и легирующего элемента.

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn, Li. Для дополнительного легирования используют Zr, Cd, Ce, Nd и др. Механические свойства магниевых сплавов при температуре 20–25 ° С улучшаются с помощью легирования алюминием, цинком (рис. 14.1) и цирконием, при повышенной температуре — добавкой церия, неодима и, особенно, тория. Цирконий и церий оказывают модифицирующее действие на структуру сплавов магния. Особенно эффективен цирконий: добавка 0,5–0,7 % Zr уменьшает размер зерна в 80–100 раз. Кроме того, Zr и Mn значительно уменьшают вредное влияние примесей железа и никеля на свойства сплавов.

Увеличение растворимости легирующих элементов в магнии с повышением температуры позволяет подвергать сплавы упрочняющей термической обработке: закалке + искусственному старению. Однако термическая обработка магниевых сплавов усложняется из-за весьма медленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16–30 ч) для растворения вторичных фаз и обеспечивает закалку при охлаждении на воздухе. Магниевые сплавы не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200 ° С) и большие выдержки (до 16–24 ч).

Из других видов термической обработки к сплавам магния применяются различные виды отжига: гомогенизирующий, рекристаллизационный и для снятия остаточных напряжений.

Прочностные характеристики магниевых сплавов значительно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением.

Магниевые сплавы обладают рядом преимуществ:

• высокой удельной прочностью и удельной жесткостью;

• способностью хорошо поглощать вибрацию;

• хорошей обрабатываемостью резанием;

• удовлетворительной свариваемостью и паяемостью.

Это определяет основные области применения магниевых сплавов — в аэрокосмической промышленности, в текстильном машиностроении для изготовления вращающихся деталей с малой инерционностью, в автомобильной промышленности, при производстве облегченных переносных инструментов и бытовых приборов и т. д.

К недостаткам относятся меньшая, чем у алюминиевых сплавов, коррозионная стойкость, трудности при выплавке и литье (газонасыщение, пористость, окисление и др.).

Кроме первичного магния выпускают сплавы магния в чушках (ГОСТ 2581–78), марки и химический состав которых, представлены в табл. 14.1.

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

Различают литейные и деформируемые магниевые сплавы, среди которых отдельно выделяют сплавы с особыми свойствами: сверхлегкие, протекторные, с высокой звукопроводностью и с высокой демпфирующей способностью.