Магний и его сплавы

метки: Магний, Магниевый, Сплав, Литейная, Основа, Материаловедение, Элемент, Температура

Магний — один из самых распространенных в земной коре элементов, он занимает VI место после кислорода, кремния, алюминия, железа и кальция. В литосфере (по А.П.Виноградову) содержание магния составляет 2,1%. В природе магний встречается только в виде соединений. Он входит в состав многих минералов: карбонатов, силикатов и др. К числу важнейших из таких минералов относятся, в частности, углекислые карбонатные породы, образующие огромные массивы на суше и даже целые горные хребты — магнезит MgCO ₃ и доломит MgCO₃ CaCO₃ . Под слоями различных наносных пород совместно с залежами каменной соли известны колоссальные залежи и другого легкорастворимого магнийсодержащего минерала — карналлита MgCl₂ KCl6H₂ O (в Соликамске, например, пласты карналлита достигают мощности до 100 м).

Кроме того, во многих минералах магний тесно связан с кремнеземом, образуя, например, оливин [(Mg, Fe)₂ SiO₄ ] и реже встречающийся форстерит (Mg₂ SiO₄ ).

Другие магнийсодержащие минералы — это бруцит Mg(OH)₂ , кизерит MgSO₄ , эпсонит MgSO₄ 7H₂ O, каинит MgSO₄ KCl3H₂ O. На поверхности Земли магний легко образует водные силикаты (тальк, асбест и др.), примером которых может служить серпентин 3MgO2SiO₂ 2H₂ O. Из известных науке 1500 минералов около 200 (более 13%) содержат магний. Однако природные соединения магния широко встречаются и в растворенном виде. Кроме различных минералов и горных пород, 0,13% магния в виде MgCl₂ постоянно содержатся в водах океана (его запасы здесь неисчерпаемы — около 610¹⁶ т) и в соленых озерах и источниках. В растительных и животных организмах магний содержится в количествах порядка сотых долей процента, а в состав хлорофилла входит до 2% Mg. Общее содержание этого элемента в живом веществе Земли оценивается величиной порядка 10¹¹ тонн. При недостатке магния приостанавливается рост и развитие растений. Накапливается он преимущественно в семенах. Введение магниевых соединений в почву заметно повышает урожайность некоторых культурных растений (например, свеклы).

Металлический магний был впервые получен в 1828 г. А. Бюсси. Основной способ получения магния — электролиз расплавленного карналлита или MgCl ₂ . Металлический магний имеет важное значение для народного хозяйства. Он используется при изготовлении сверхлегких сплавов для авиационной и ракетной техники, как легирующий компонент в алюминиевых сплавах, как восстановитель при магниетермическом получении металлов (титана, циркония и т.п.), в производстве высокопрочного “магниевого” чугуна со включенным графитом. Другие соединения магния — окись, карбонат, сульфат и т.п. — совершенно необходимы при изготовлении огнеупорных материалов, цементов и прочих строительных материалов.

По химии «Химические свойства магния и его использование человеком»

... Магний в организме человека является одним из четырех наиболее распространенных минералов и тем ... в составе водорослей, например, в морской капусте. Дефицит магния проявляется слабостью, повышенной ... минерала доломита MgCa(CO3)2. Там встречаются и осадочные минералы магнезит MgCO3, эпсомит MgSO 4 ·7H 2 O, карналлит K 2 MgCl ... 2Mg + О2 = 2MgO. На воздухе магний быстро тускнеет, так как покрывается ...

Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную решетку, на каждой ячейке которой — по 6 атомов, из них 3 — в вершинах и в центре базисных граней, а 3 — в центрах трех тригональных призм. Занятые и свободные призмы чередуются.

Судьбу магния как конструкционного материала решила авиационная техника. Магний отличается мало плотностью; он в 1,6 раза легче алюминия, что обеспечивает высокую удельную прочность магнитных сплавов. Магниевые сплавы хорошо поглощают механические вибрации, что так же имеет важное значение при их применении в авиации, ракетной технике транспорте.

Вместе с тем магний и его сплавы обладают рядом недостатков. Они достаточно уступают алюминию по пластичности, технологичности, особенно при температурах ближе к комнатным и ниже ее. Модуль нормальной упругости магния невысок, он примерно в 1.5 раза меньше, чем у алюминия, и почти в 5 раз меньше. Чем у стали.

Коррозийная стойкость магния и его сплавов также ниже по сравнению с алюминием и сплавами на его основе. При высоких температурах магний активно взаимодействует с газами. В частности с кислородом. Поэтому при извлечении магний из руд, плавке и горячей обработке давлением встречаются существенные трудности. Вследствие этого магний производят и применяют в меньших масштабах, чем можно ожидать от его распространенности в природе.

По распространению в природе(2,4% массы земной коры) магний среди конструкционных металлов занимает третье место после алюминия(7,5%) и железа (5,1%).

Общие сведения

Магний относиться ко второй группе периодической системе Д.И. Менделеева. Атомная масса его 24,32; магний — щелочноземельный металл.

Атомный радиус,	1,6
Радиус иона Mg 2+ ,	0,74
Энергия ионизации, эв, для Mg 0 Mg+	7,64
для Mg + Mg2+	15,03
Плотность (20 o C), г/см3	1,739
Температура плавления . , o C	651
Температура кипения, o C	1107
Теплота плавления, кал/г-атом	2100
Теплота испарения, кал/г-атом	31000
Теплота возгонки (при 25 o C), кал/г-атом	35000
Удельная теплоемкость (20 o C), кал/г-град	0,248
Теплопроводность (20 o C), кал/смсек. град	0,37
Удельное электрическое сопротивление, Омсм	4,510 -6
Поперечное сечение захвата тепловых электронов, барн	0,059
Электропроводность (Hg=1)	22

Магний плавиться при 650°С и кипит при 1107°С, полиморфных модификаций не имеет и во всем интервале температура ниже точки плавления сохраняет гексагональную плотноупакованную структуру с соотношением осей с/а, почти равному теоретическому значению (1,62354).

Размеры атома магния, достаточно велики. Его атомные диметр, приведенный к координатному числу 12, равен 0,320нм. Плотность магния 1,74г/см ³ при 20°С.Удельная теплоемкость магния примерно такая же как и у алюминия (у магния 1,03 кДж/(кг*С°) , у алюминия 0,90 кДж/(кг*С°) при 20°С), а скрытая теплота плавления в 2 раза меньше. Теплопроводность магния в полтора раза меньше чем у алюминия, но больше чем у стали. Термические коэффициенты линейного расширения магния и алюминия примерно одинаковы. Электросопротивление магния почти в 2 раза больше чем у алюминия. Магний парамагнитный металл.

Магний незначительно захватывает тепловые нейроны. Сечение захвата нейтронов для магния равно 0,059*10 ^-24 см² .

Модуль Юнга и сдвига магния невелики и составляют всего 45 и 17 ГПа соответственно. Однако значение этих характеристик, отнесенные к плотности, почти так же как и алюминия. Модуль упругости магния обнаруживают заметную анизотропию. Магний при низких температурах обладает невысокой пластичностью, поскольку у него гексагональная плотноупакованная структура с соотношением осей близки к идеальному значению (1,633).Сдвиг в нем при низких температурах, в том числе и комнатной, происходит лишь по базису (0001).

При нагреве 200-300°С в магнии проявляются дополнительные плоскости скольжения {1011} и {1120} в результате чего пластичность сильно возрастает.

Во всех случаях скольжения осуществляется в направлениях <1120>. Пластическая деформация происходит не только скольжением, но и двойникованием по плоскостям {1012}. Основные плоскости и направления скольжения в магнии, характерны и для других гексагональных металлов. Прочностные свойства магния при комнатной температуре (у _в =180 МПа) выше, чем у алюминия (у_в =70Мпа).

Магний химически активный металл. Свежая поверхность металла имеет серебристо- белый цвет, но она быстро тускнеет из — за окисления магния на воздухе с образованием окисной пленки из MgO.При низких температурах окисная пленка амфотерна, но при нагреве выше 200°С приобретает кристаллическое строение. При температурах ниже 450°С, толщина окисной пленки невелика, но сравнительна плотная и обладает определенными защитными свойствами против окисления. При более высоких температурах резко возрастает скорость окисления магния, окисная пленка становиться рыхлой, пористой, вследствие чего облегчается доступ кислорода к поверхности металла. При нагреве на воздухе до температуры выше 632°С магний воспламеняется и горит, излучая ослепительно яркий свет. Таким образом, окисная пленка на магнии не обладает достаточно защитными свойствами. Это связанно с тем, что плотность MgO (3,15 г/см ² ) значительно больше, чем магния.

Взаимодействие магния с легирующими элементами и примесями

Магний в таблице Д.И. Менделеева занимает промежуточное положение между щелочами и типичными переходными металлами. Он не смешивается в жидком состоянии, с одной стороны, со многими щелочными (Na,K,Rb,Cs) а с другой стороны, со многими тугоплавкими металлами (V,Nb,Fe,Ta,Mo,W).

Указанные металлы практически не растворяются в твердом магнии.

Хотя и щелочноземельные структуры и щелочные металлы находятся в соседних группах периодической системы, у них сильно различаются размеры атомов, температура плавления, поверхность натяжения. Так в частности, атомный диаметр магния равен 0,379 нм, а калия 0,463 нм.ОТ тугоплавких металлов магний отличается значительно более низкой температурой плавления и большими размерами атома.

Некоторые переходные металлы (Mn, TI, Zr) частично растворяются и не только в жидком, но и в твердом магнии, хотя и не в больших количествах. Эти переходные элементы дают с магнием диаграммы состояния перитектического типа.

Магний образует непрерывные твердые растворы лишь с одним элементом — кадием, с которым у него одинаковые кристаллические решетки, близкие атомные диаметры, температуры плавления электрохимические свойства.

Магний не смешивается даже в жидком состоянии с бериллием, элементом той же группы, что и он сам. В то же время у элемента первой группы системы Д.И.Менделеева лития, наоборот, растворимость магния достигает 5,7%.

Магний в литии растворяется еще больших количествах.

В указанных закономерностях находят отражение так называемые диагональные свойства элементов первых групп системы Д.И.Менделеева. Так, например, алюминий имеет большее физико-химическое сходство с бериллием. Атомные диаметры магния и лития различаются на 4,7%, а магния и бериллия на 30,4%; поверхность натяжения магния в 1,45 раза больше, чем у лития и в 1,9 раза меньше чем у бериллия.

Одновалентные металлы подгруппы IB (Cu,Ag,Au) полностью смешиваются с магнием и в жидком состоянии. Серебро к тому же обладает значительной растворимостью и в твердом магнии [15,5% (по массе) или 4% (ат) при 471°С]. В этих системах образуется с магнием по эвтектической реакции.

Двухвалентные металлы подгруппы IIA (Ca,Sr,BA) практически не растворяются в твердом магнии, но в жидком состоянии смешиваются полностью. В этих системах так же образуется интерметаллиды, которые взаимодействуют с магнием по эвтектическим реакциям.

Хорошо растворяются в магнии соединения с ним по периодической таблице металлы, такие как алюминий, индий, галлий, цинк. Так, например, в магнии при температуре нонвариантного равновесия растворяется 12,6% ( по массе) Al, 8,4% (по массе) Zn.

Заметной растворимостью в твердом магнии обладает иттрий, торий, церий, неоим, образующие с магнием эвтектические системы с растворимостью при температуре плавления эвтектики 2-5% (по массе).

Магний с элементами IVB группы образуют редкую группу интерметаллидов, которые подчиняются правилу валентности (Mg ₂ Si,Mg₂ Ge,Mg₂ Sn,Mg₂ Pb).

Электронных соединений с магнием известно немного (MgAg,MgAu).

Влияние легирующих элементов на механические свойства магния

При выборе легирующий элементов прежде всего необходимо учитывать их влияние на механические свойства магния. К числу упрочнителей магния относиться иттрий, кремний, алюминий, цинк. Ранее считалось, что марганец слабо влияет на временное сопротивление разрыву магния. Это заключение оказалось справедливым лишь для литых сплавов; в деформированы материалах марганец не менее сильно упрочняет магний, чем алюминий, цинк, иттрий. В области малой концентраций довольно сильно упрочнение оказал кандий до4%, в затем существенно его разупрочняет.

По влиянию на пластичность магния легирующие элементы можно разбить на 2 группы:

А) элементы, уменьшающие пластичность (Марганец, кремний)

Б) элементы, повышающие пластичность магний при их введении, до определенной концентрации (литий, цинк, алюминий, скандий, церий)

Алюминий и цинк — наиболее распространенные легирующие элементы и в магниевых сплавов общего назначения, поскольку они значительно более доступны и менее дороги, чем остальные. К сожалению, упрочняющие действия алюминия и цинка сохраняется лишь до температуры 150-200°С.

При 150-200°С наиболее сильно повышается жаропрочные свойств магния неодим и в несколько меньшей степени торий.

При 250-300°С, наоборот, торий обеспечивает более высокую твердость, чем неодим. При высоких температурах торий как легирующий элемент, обеспечивающий жаропрочность, не имеет конкурентов.

Необходимые механические свойства магниевых сплавов достигается не только растворным упрочнением, но и формирование оптимальных многофазных структур, также механическими, термическими и термомеханическим воздействием. Максимальная прочность магниевых сплав при комнатной температуре отмечена при концентрациях легирующих элементов, близкий к пределу насыщения твердых растворов при температурах их максимальной растворимости. В сплавах магния растворимость большинства легирующих элементов в твердом растворе резко уменьшается с понижением температуры, что создает предпосылки их упрочнения закалкой и старением. Эффект старения в общем растет с увеличением разницы в растворимости легирующих элементов при высоких и низких температурах, хотя четкой корреляции между этими параметрами нет из за разно упрочняющего действия выделяющихся при старении фаз.

Для высокой жаропрочности важно, чтобы интерметаллидные дисперсные фазы слабо разупрочнялись с повышением температуры, медленно коагулировали. Фазы, которые образуют магний с соединениями с ним по таблице Д.И. Менделеева элементами, обычно нежаропрочные. Действительно, такие фазы, как Mg ₄ Al₃ ,MgZn,Mg₂ Ca, при нагреве до 3000°С теряют более 70-90% исходной твердости. Фазы, которые магний образует с переходными и редкоземельными элементами, как правило, жаропрочны. Наиболее жаропрочны фазы Mg₄ Th,Mg₉ Ce и Mn, которые при нагреве до 300°С теряют менее 50% исходной твердости. Интерметаллид Mg₉ Nd занимает промежуточное положение между указанными двумя группами фаз.

Наиболее перспективными легирующими элементами жаропрочных магниевых сплавов считают церий, неодим, марганец, скандий и иттрий. За рубежом распространены так же сплавы, легированные торием, но в нашей стране эти сплавы не применяют в связи с радиоактивностью тория.

Термическая обработка магниевых сплавов

Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего, что объясняет отсутствие в них полиморфных превращений.

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, подвергаются гомогенизация для повышения технологичности при горячей обработке давлением. При литье магниевых сплавов происходит ликвация легирующих элементов, понижающая технологичность слитков.

Гомогенизацию деформируемых магниевых сплавов часто совмещают с их нагревом под обработку явлением. Нагрев металла при такой совмещенной операции бывает достаточно длительным, но меньшим, чем при гомогенизации, и большим, чем при нагреве под обработку давлением.

Магниевые сплавы подвергают также рекристаллизационному отжигу. Температура начала рекристаллизации чистого маний равна примерно 150°С, магниевых сплавов 150-300°С. Поэтому магниевые сплавы обычно отжигают при температурах 250-350°С.При более высоких температурах происходит прост зерна, ухудшающие механические свойства магниевых сплавов.

Рекристаллизациооный отжиг понижает прочность магниевых сплавов, но повышает их пластичность и существенно уменьшает различие в свойствах полуфабрикатов вдоль и поперек волокна.

Деформируемые полуфабрикаты из магниевых сплавов отживают так же для уменьшения остаточных напряжений. Эту обработку проводят при более низких температурах, чем рекристаллизационный отжиг, сразу же после технологической обработки, создающее остаточное напряжение. При длительном действии остаточного напряжения может произойти нежелательное коробление изделия.

Магниевые сплавы так же подвергаются закалке и старению. Эти виды термической обработке магниевых сплавов отличаются рядом особенностей, которые обусловлены, прежде всего, небольшой скоростью распада перенасыщенных твердых растворов. Перенасыщенные растворы на основе магнии, за исключением сплавов магния с редкоземеотными металлами, фиксируются при сравнительно небольших скоростях охлаждения. Поэтому магниевые сплавы обычно закаливаются на воздухе и иногда в кипящей воде. Естественного старения в магниевых сплавах не происходит, т.е. выдержка закаленных сплавов при комнатной температуре не вызывает никаких изменений структуры и свойств. Исключение составляет сплавы на основе системы магний-литий.

После закалки сплавы подвергаются искусственному старению. Эффект упрочнения при этом старении магниевых сплавов систем Mg-Al и Mg-Al-Zn сравнительно невелик (25-30%), а сплавов систем сравнительно невелик (25-30%), а сплавов систем Mg-Nd и Mg-Nd-Mn-Ni, наоборот весьма значителен.

Процессы, происходящие при старении магниевых сплавов, наиболее полно изучены на примере системы Mg-Al.

Максимальная растворимость алюминия в магнии достигает 12,7% и резко уменьшается с понижением температуры. При комнатной температуре растворимость алюминия в магнии достигает 2%. Таким образом, сплавы в системе Mg-Al должны быть способны к дисперсному твердению при содержании более 2% Al. Заметное упрочнение наблюдается при содержании более 6% Al.

При старении сплавов Mg-Al не наблюдается сложных промежуточных стадий, как при старении сплавов Al-Cu. При распаде магиевоалюминиевых сплавов из перенасыщенного твердого раствора сразу выделяется равновесная г фаза. Распад перенасыщенных растворов начинается с границ зерен, а затем распространяется на их объем.

Первые эффекты старения связанные с более сильной травимостью границ зерен состаренных образцов по сравнению с закаленными. При дальнейшем старении появляются темные легко травящиеся области вдоль границ зерен. Эти темные области с увеличением длительности и повышения температуры старения постепенно распространяются внутри зерен.

Выделяющиеся дисперсные частицы г-фазы на начальных этапах старения кристаллографически ориентированы относительно матрицы. Они имеют форму пластинок, поверхность которых параллельна плоскостям (0001) матрицы. Расстояние между дисперсными частицами велико (?200 нм), что является одной из причин слабого упрочнения сплавов Mg-Al при старении. С повышением температуры и увеличением продолжительности старения вторая фаза начинается укрупняться и эффект упрочнения снижается. Рост кристаллов г-фазы начинается еще до полного распада б-фазы, поэтому наибольшая прочность достигается до того, как г-фаза полностью выделится из твердого раствора.

Максимальное упрочнение в сплавах этой системы наблюдается на стадии, когда микроскопическим анализом каких-либо структурных изменений уловить не удается, отмечается повышение травимости границ зерен.

В сплавах системы Mg-Li, дополнительно легированных алюминием или цинком, перенасыщенные твердым раствором распадаются по схеме:

в MgLi ₂ Al AlLi ;

в MgLi ₂ Al ZnLi ( или MgLiZn)

где в — перенасыщенный твердый раствор на основе лития с ОЦК решеткой.

Упорядочение этих сплавов при старении обусловлено тем, что метастабильные фазы MgLi ₂ Al и MgLi₂ Zn когерентны по отношению к матрице, причем несоответствие параметров кристаллических решеток матрицы и выделений происходит при более низких температурах по сравнению со сплавами других систем, поскольку диффузионная подвижность атомов в ОЦК решетке значительно больше, чем, а плотноупакованных структурах (ГЦК иГП).

Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет повысить временное сопротивление разрыву магниевых сплавов на 20-25%, а предел текучести более чем в 2 раза. Полученное упрочнение сохраняется до сравнительно высоких температур. ТМО обработку имеет смысл применять лишь для тех магниевых сплавов, в которых эффект упрочнения при распаде перенасыщенных твердых растворов достаточно высок.

Различные виды термической обработки магниевых сплавов для краткости изх описания обозначают следующим образом:

Т1 — искусственное старение без предварительной закалки

Т2 — отжиг

Т4 — закалка

Т16 — закалка в горячую воду и старение

магний сплав термический

Классификация магниевых сплавов

Химический состав основных отечественных магниевых сплавов приведен в таблице. Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по способу производства из них полуфабрикаты и изделий разделяют на 2 основные группы:

• А) Деформируемые — для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением; Б) Литейные — для получения детали методами фасонного литья.

Деформируемые и литейные магниевые сплавы маркируют соответственно буквами МА и МЛ.

По плотности магниевые сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21,МА18), а к легким — все остальные. Сплавы магния с литием (МА21,МА18) — самые легкие конструкционные металлические материалы.

При классификации по возможным температура эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:

1) Предназначены для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);

2) Жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200°С);

3) Высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250 — 300°С)

4) Предназначены для эксплуатации при криогенных температурах

Различают термические упрочняемые термически неупрочняемые сплавы.

Магниевые сплавы разделяются так же а группы в зависимости от той системы, к которой они относятся по своему химическому составу.

Классификация состава магниевых деформируемых сплавов, % (по массе)

Система	сплав	Al	Mn	Zn	РЗМ	Прочие компоненты
Mg-Mn Mg-Al-Zn-Mn Mg-Zn-Zr Mg-PЗM Mg-Li Mg-Y-Cd	MA1 MA8 MA2 MA3 MA2-1 MA5 MA14 MA15 MA19 MA20 MA11 MA12 MA21 MA18 ИМВ6	— — 3,0 — 4,0 3,8 — 5,0 5,5 — 7,0 7,8 — 9,2 — — — — — — 4,0 — 6,0 0,5 — 1,0 —	1,2 — 2,5 1,3 — 2,2 0,15 — 0,5 0,3 — 0,7 0,15 — 1,5 0,2 — 0,8 — — — — 1,5 — 2,5 — 0,15 — 0,5 0,1- 0,4 0,4 — 0,6	— — 0,2 — 0/8 0,8 — 1,5 0,5 — 1,5 0,2 — 0,8 5,6 — 6,0 2,5 — 3,5 5,5 — 7,0 1,0 — 1,5 — — 0,8 — 2,0 2,0 — 2,5 —	— (0,15 — 0,35)Ct — — — — — (0,7 — 1,1) La (1,4 — 2,0) Nd (0,12-0,25) Ce (2,5 — 3,5)Nd (2,5 — 3,5)Nd (0,05 — 0,15)РЗМ (0,15 — 0,35) Ce (0,05 — 0,15)Ce	— — — — — — (0,3 — 0,9) Zr (1,2 — 2,0)Cd (0,45 — 0,9) Zr (0,2 — 1.0) Cd (0,5 — 1,0) Zr (0,5 — 0,12) Zr (0,13 — 0,25)Ni (0,3 — 0,8)Zr (3,0 — 5,0)Cd (7,0 — 10,0)Li (7,8 — 9,0)Y (0,2 — 0,5)Cd (0,2 — 0,5)Cd

Технический магний

Свойства магния технической чистоты существенно завися от содержащихся в нем примесей. Основные примеси в магнии: алюминий, железо, кремния, натрия, калия, медь и никель.

Алюминий обладает большой растворимостью в магнии и в тех количествах, в которых он встречается как примесь, полностью входит в твердый раствор. В этих количествах алюминия заметно не влияет на структуру и свойства магния.

Железно, натрий и калий не растворяются в твердом магнии и не образуют с ним соединений. В структуре магния появляются включения кристаллов этих элементов при ничтожно малых их содержания.

Кремний, медь и никель образуют соединения Mg ₂ Si,Mg₂ Cu и Mg₂ Ni, в которых не растворяется магний в твердом состоянии. Выделения эти соединений появляются в структуре металла при самых малых содержаниях указанных примесей. Из-за эвтектического характера взаимодействия с магнием включение этих соединений располагаются по границам зерен.

Наиболее вредные примеси в магнии: Железо, медь и особенно никель. Эти элементы сильно ухудшают коррозионную стойкость магния. Их содержание в техническом магнии не должно превышать, %:0,0Fe; 0,005Cu; 0,001 Ni. В литейных магниевые сплавах допускается большое содержание примесей, в частности до 0,08% Fe; до 0,01% Ni; до 0,1%Cu.

Литой магний имеет крупнокристаллическое строение с включением по границам зерен вторых фаз, образованные указанными выше примесями. Механические свойства литого магния невысоки:

у _в =80ч110 Мпа; д=6ч8% и НВ 30 (300 Мпа)

у _0,2 =20ч30 Мпа; Ш=9ч10%

Свойства деформированного и отожженного магния несколько выше

у _в =180 Мпа; д=15ч17%

у _0,2 =98 Мпа; НВ 40 (400 Мпа) .

Однако пластичность магния остается невысокой ввиду его гексагональной структуры. Предел выносливости отожженного магния при базе 5*10 ⁸ циклов составляет 63Мпа.Прочностные свойства магния можно повысить нагартовкой.Однако упрочнение магния при наклепки менее значительно, чем алюминия.Эта закономерность также связана с кристаллической структурой обычно менее интенсивно наклепываются, чем металлы с кубической струтурой.

Из за гексогональной структуры в деформированных полуфабрикатах магния и его сплавой развивается ярко выраженная текстура деформации. В проволоке и прессованных прутках з магния и его сплавов вдоль оси установленного направления <1101>, а плотноупакованные направления <1120> составляет угол 30° с осью проволоки и прутка. В листах плоскость базиса (0001) устанавливается параллельно поверхности листа, в направление наиболее плотной упаковки атомов <1120> имеют тенденции. Ориентироваться вдоль направления прокатки.

В связи с ярко выраженной текстурой деформации механические свойства деформированных полуфабрикатов магния и его сплавов обнаруживают сильную анизотропию. Различие свойств полуфабрикатов в разных направления может достигать 30 — 35 %.

Сильно нагартованный вхолодную магний начинает рекристализоваться при температурах выше 150°С.Критическая степень деформации, при которой вырастает максимально рекристализованное зерно, равно 5-10%

Деформированные магниевые сплавы

По основным легирующим элементам магниевые сплавы подразделяются на несколько групп.

1) Относят сплав, в которых основным легирующим элементом является марганец.Марганец образует с магнием соединения и выделяется в нем в чистом виде. С понижением температуры растворимость марганца а магнии резко уменьшается и составляет 0,8% при 500°С, при 200°С она практически равна нулю.Тем не менее сплавы системы Mg-Mn, как и сплавы Al-Mn термической обработкой не упрочняются.

Основная цель легирования магния марганцем — улучшить коррозийную стойкость и свариваемость.Повышение коррозийной стойкости магния при введении в него марганца объясняется образованием соединения марганца с железом, которое обладает большейплотностью и оседает на дно тигля, очищая основную массу расплава от железа.

Двойной сплав системы Mg-Mn (MA1) в настоящее время почти не производят. большее распространение получил сплав МА8, легированный, помимо марганца, небольшим добавлением церия. Для обеспечения достаточно высокой корроионной стойкостьи марганца необходимо вводить в конценрациях не мение 1,3% (по массе).

Структура сплава МА8 представлена твердым раствором марганца в магнии, выделением чистого марганца и соединением Mg9Ce, которое в структуре сплава при световых увеличениях не обнаруживается из-за его выскокой дисперсности.

Введение церия в сплав МА8 приводт к повышению временного сопротивления разрыву предела текучести, относительно удлинения, обрабатываемости в холодном состоянии. Улучшение свойств сплавов Mg-Mn при введении церия связанно в основном с образованием дисперсных выделений соединений Mg ₉ Ce и измельчением вследствие этого зерна.

Сплав МА8 отличается высокой технологической пластичностью, средней прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей, свариваемостью. Из него получается плиты, листы, штамповки, профили и трубы. Сплав не упрочняется термической обработкой, и полуфабрикаты из него поставляются в основном в отожженном состоянии. Сплав предназначен для изготовления несильно нагруженных деталей, в процессе производства которых требуется хорошие пластичность и свариваемость, а в эксплуатации высокая коррозионная стойкость, в частности арматуры бензо- и маслосистем.

2) Деформируемых магниевых сплавов отноститься к системе Mg-Al-Zn-Mn.

Алюминий цинк обладает высокой растворимостью в магнии, которая достигает 12,6% Al и 8,4% Zn (в двойных системах Mg-Al и Mg-Zn соответственно).

Высокая растворимость алюбминия и цинка в магнии сохраняется и для тройной системы Mg-Al-Zn. Растворяясь в магнии, алюминий и цинк обеспечивают достаточно большой эффект упрочнения.

С понижением температуры растворимость алюминия и цинка в магнии уменьшается, так что сплавы системы Mg-Al-Zn упрочняются при закалке и старении. Этот эффект наблюдается в сплавах, содержащих более 8% Al. Упрочнение при старении обусловлено выделением упрочняющих фаз г (Mg ₄ Al₃ ) и Т (Mg₃ Zn₃ Al₂ ).

3) Деформируемых магниевых сплавов (МА14,МА15,МА19,МА20) принадлежит в системе Mg-Zn-Zr. Сплавы этой группы отличаются высоким механическими свойствами, что обусловлено упрочняющим действием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Цирконий не образует соединения с магнием, но обладает высокой химической активностью по отношению в легирующим элементам магниевых сплавов, примесями и газам.

При введении циркония образуются тугоплаквие, нерастворимые в жидком магнии интерметаллиды Zn ₂ Fe₃ и ZnFe, оседающие на дно расплава, а в результате чего металл очищается от вредной примеси — железа. Помимо этого, цирконий связывает водород и с тем самым препятствует развитию пористости.

Оставшийся в растворе цирконий взаимодействует с магнием по перитектической реакции, в результате чего образуется обогащенные цирконием кристаллы, которые обеспечивают увеличение числа центров кристаллизации. Области, обогащенные цирконием, препятствуют так же росту зерна при рекристаллизации.

Цирконий повышает прочность, пластичность и коррозионную стойкость магниевых сплавов. Однако введение циркония в магниевые сплавы связанно с большими технологическими трудностями из- за малой растворимости циркония в жидком магнии.

Сплавы этой группы дополнительно легируют кадмием и редкоземельными элементами. Кадмий, неограниченно растворяющийся в магнии, повышает технологическую пластичность сплавов, их прочностные и пластические свойства. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных температурах.

4) Представлена магниевыми сплавами, в которых главными легирующими элементами являются редкоземельные металлы. К сплавам рассматриваемой группы МА11 и МА12. Основной легирующий элемент этих сплавах — неодим (2,5-3,5 %), причем сплав МА11 дополнительно легирован марганцем и никелем, в сплав МА12 — цирконием.

Неодим обеспечивает высокую жаропрочность, которая обусловлена достаточной стабильностью твердого раствора и небольшой скоростью коагуляции упрочняющей фазы Mg ₉ Nd при температурах эксплуатации. Растворимость фазы Mg₉ Nd в магнии в интервале 150-300°С невелика и почти не зависит от температуры, что существенно ограничивает коагуляцию выделений этой фазы.

В сплавах и РЗМ марганец и никель существенно повышают их сопротивление ползучести, длительную прочность и в меньшей степени временного сопротивления разрыву, но не влияет на сопротивление ползучести и длительную прочность.

Основная цель легирования цирконием — измельчение зерна, в результате чего улучшается технологическая пластичность.

Коррозионная стойкость сплава МА11 крайне низка из за легирования никелем, поэтому почти полностью вытеснил сплав МА12.

Последнюю группу деформированных магниевых сплавов составляет сплавы системы Mg-Li. Легирование магния еще более легким литием ( плотность 0,53 г/см ³ ).

Сплавы Mg-Li отличаются очень высокой пластичностью вследствие этого весьма технологичны при обработке давлением. Диаграмма состояния систем Mg-Li позволяет объяснить необычную высокую пластичность магниелитиевых сплавов. У обоих компонентов имеется значительная взаимная растворимость в твердом состоянии, причем литий растворяется больше мания, чем магний лития. Сплавы содержащие более 10,4 % лития, имеют структуру твердого в-раствора на основе литии с кубической решеткой. Большое число систем скольжения, свойственное кубической решетке ( по сравнению с гексагональной), и обусловливает резкий рост пластичности при появлении в-фазы в структуре сплавов.

Сплавы систем Mg-Li в зависимости от содержания лития могут иметь структуру б ( до 5,7% Li), б+в (от 5,7 до 10,4% Li), в ( > 10,4 % Li).

Прочностные характеристики по мере увеличения содержания лития уменьшается , но даже фазы в-сплавов отличаются удовлетворительной прочностью, особенно при условии легирования двойных сплавов Mg-Li относительно небольшими добавками других компанентов (Al,Zn,Cd, редко земельные металлы)

Модель упругости и предел текучести на сжатие магнелитиевых сплавов на основе б+в и в-фаз выше, чем у большинства магниевых сплавов, не содержащих лития. Коррозионная стойкость магниелитиевых сплавов удовлетворительная.

Литейные магниевые сплавы

Химический состав многих литейных магиевых сплавов близок к составу деформированных .Основные легирующие элементы в литейных сплавах — алюминий, цинк, марганец, церий цирконий.

Механический состав свойств литейных магниевых сплавов ниже, чем деформированных, но по эффективности влияния на свойства магния легирующие элементы располагаются примерно в одном и том, же порядке независимо от способа получения полуфабрикатов. Механические свойства литейных магниевых сплавов существенно улучшаются при измельчении зерна. Эти достигается для разных сплавов различным способами: перегревом расплава перед разливкой, введением в расплав небольших количеств (до1% от массы шихты) специальных присадок (мел, магнезит, хлорное железо), введение циркония.

Механизм измельчения зерна во всех случаях аналогичен в расплаве образуются твердые частицы, являющимися цитрами кристаллизации зерен твердого раствора. Например при нагреве, который эффективен только для сплавов, содержащий алюминий, в результате взаимодействия алюминия с железом тигеля, вероятно, образуется кристаллики фазы Al ₃ Fe. Введение в расплав веществ, содержащие углерод (мел, магнезит), приводит к образованию частиц карбида алюминия Al₄ C₃ , т.е. этот способ тоже применим только для способов с алюминием.

Промышленные литейные магнивые сплавы принадлежат в основном к трем системам Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr,Mg-РЗМ-Zr. Наиболее распространенные литейные магниевые сплавы первой группы, относящиеся к системе Mg-Al-Zn (МЛ4, МЛ4пч, МЛ%, МЛ5пч, МЛ5он, МЛ6).

Основным упрочняющим элементом в этих сплавах — алюминий, цинк оказывает значительно меньшее действие. Все сплавы этой системы легированы также марганцем, который повышает коррозийную стойкость.

Литейные магниевые сплавы системы Mg-Al-Zn имеют большой интервал кристаллизации (180-250°С) по сравнению с алюминиевыми. Поэтому магниевые сплавы менее жидкотекучи, чем алюминиевые. По этой же причине огромная усадка в отливках из магниевых сплавов проявляется в основном в виде усадочной пористости. Она может усиливаться при выделении растворенного водорода во время кристаллизации отливки. Усадочная пористость (рыхлость) приводит к снижению механических свойств и нарушению герметичности отливок. Широкий интервал кристаллизации также служит причиной образования горячих трещин.

По сравнению со сплавами системы Mg-Al-Zn сплавов второй группы относящиеся к системе Mg-Zn-Zr, обладает следующими преимуществами:

1) Более высокими прочностными характеристиками;

2) Малой чувствительностью механических свойств толщине сечения, в результате чего механические свойства отливок близки к свойствам отдельных отлитых образцов;

3) Более высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыву;

4) Меньшей чувствительностью механических свойств к влиянию микрорыхлоты.

Сплавы третьей группы МЛ9,МЛ10,МЛ11, МЛ19, относящиеся к системе Mg-РЗМ-Zr, отличают высокую жаропрочность. При длительной эксплуатации они могут работать до250-350°С, а при кратковременной — до 400°С.

Основной легирующий элемент в сплавах МЛ9,МЛ10, МЛ19 — неодим, а в МЛ11- цериевый мишметалл (75% Су, остальное РЗМ).

Сплавы на основе системы Mg-Nd не отличается высокими механическими свойствами при комнатной температуре, но обладает высокой жаропрочностью, хорошими литейными и технологическими свойствами. Сплав МЛ11, легирован цериевым мишметаллом, характеризуется пониженными свойствами при комнатной температуре. Все сплавы третьей группы легированы так же цирконием, который эффективно измельчает зерно и оказывает рафинирующее действие, нейтрализую вредные примеси.

Сплав системы Mg-РЗМ-Zr характеризуется переменной, уменьшающейся с понижением температуры растворимостью легирующих элементов и достаточно однородными распределением дисперсных частиц, выделяющихся при распаде пересыщенных растворов в процессе старения, что дает значительно упрочняющий эффект. В связи с этим жаропрочными сплавами системы Mg-РЗМ-Zr, как правило, применяются термически упрочненном состоянии. Упрочняющие фазы в этих сплавах мало склонны к коагуляции, что и обусловливает их высокую жаропрочность.