Магний и его сплавы

Магний и его сплавы являются самыми легкими конструкционными металлическими материалами, используемыми в промышленности. Удельный вес Mg 1,74 г/см³. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная плотноупакованная. Все металлы, имеющие гексагональные решетки, обладают значительно меньшей пластичностью, по сравнению с металлами, обладающими кубическими решетками, что связано с тем что скольжение при пластической деформации может осуществляться лишь по немногочисленным базисным плоскостям решетки. Следовательно, магний и его сплавы оказываются более трудно поддающимися пластической деформации, хуже работают в условиях приложения ударных нагрузок. Магний имеет меньшую коррозионную стойкость по сравнению с алюминием, особенно при повышенных температурах.

Сплавы магния обладают меньшей по сравнению с Al-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. Магниевые сплавы производятся по ГОСТ 2856-79 - литейные магниевые сплавы и ГОСТ 14957-76 - деформируемые магниевые сплавы.

Магниевые сплавы называют электронами. В качестве легирующих элементов в магниевых сплавах наиболее часто применяются Al, Zn, Mn.

Алюминий в сплавах с магнием обладает ограниченной переменной растворимостью от 1,5% при 20 ⁰С до 12,7% при 437 ⁰С. Это свидетельствует о том, что сплавы магния с алюминием можно упрочнять путем закалки и последующего старения, однако близость параметров кристаллических решеток Mg и Al приводит к тому, что выделение избыточной фазы очень мало искажает кристаллическую решетку матричного твердого раствора. В результате этого упрочнение оказывается незначительным. Для увеличения эффекта упрочнения в сплавы вводят до 2,5% Zn.

Литейные магниевые сплавы МЛ4 и МЛ5 имеют основу Mg-Al-Zn с небольшим легированием марганцем (0,3%). Сплав МЛ4 содержит 6% Al и 2,5% Zn; МЛ5 – 8,5% Al и 0,5% Zn. Эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, малой величиной усадочной раковины, однако несколько повышенной пористостью сплавов. После затвердевания в равновесных условиях сплавы должны обладать однофазной структурой d твердого раствора. Однако в результате значительной склонности сплавов к неравновесной кристаллизации, в твердом растворе возникает дендритная ликвация, и образуются крупные включения неравновесной g-фазы или эвтектики (a + g)_э. Для устранения образовавшихся хрупких метастабильных фаз применяют отжиг–гомогенизацию при температуре 390 - 410 ˚С. После гомогенизации можно проводить закалку и старение, приводящие к выделению избыточных фаз в мелкодисперсном состоянии, что приведет к упрочнению сплавов. На практике часто сплав МЛ5 охлаждают после гомогенизации ускоренного на воздухе в результате чего избыток g фазы выделяется непосредственно в процессе охлаждения, что приводит к получению предела прочности s_в > 200 МПа при d = 4%. Дополнительное старение при температуре 175 ˚С приводит к дальнейшему выделению g-фазы и еще большему упрочнению - выше 250 МПа.

Сплав МЛ4 обладает высокими механическими свойствами непосредственно после литья без термообработки: s_в > 200 МПа при d > 3%. Прочность и пластичность магниевых сплавов удается несколько повысить путем модифицирования за счет обработки расплава хлорным железом, карбонатами или другими углеродсодержащими составляющими, а также путем перегрева жидкого сплава. В обоих случаях уменьшается величина зерна, повышаются прочностные свойства.

В качестве деформируемых магниевых сплавов применяют также сплавы на основе системы Mg-Al-Zn. МА2 (3,5% Al; 0,5% Zn; 0,3% Mn); МАЗ (6% Al, 1% Zn, 0,3% Mn); МА5 (8,5% Al; 0,6% Zn, 0,3% Mn). Эти сплавы, как правило упрочняющей термической обработке не подвергаются и имеют в прессованном состоянии 250-350 МПа.

Сплавы на основе системы Mg-Mn: МА1, МА8 с 1,3-2,5% Mn и 0,2% Ce в МА8 обладают высокой коррозионной стойкостью при сравнительно низких механических свойствах: s_в = 200 МПа при d = 5%.

Некоторое распространение получили сплавы Mg-Zn-Zr (4-5% Zn, 0,5-08% Zr). Этот сплав не уступает Mg-Al-Zn в механических свойствах, даже имеет более высокую пластичность и более высокие литейные свойства. Сплав может применяться как в литом, так и в деформированном состоянии. После закалки и старения имеет s_в до 350 МПа.

В качестве жаропрочных магниевых сплавов применяют сплавы систем Mg-Ce-Mn, Mg-Zn-Zr-Th. Эти сплавы при комнатной температуре малопластичны, s_в = 140-200 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.