Магниевые сплавы и полуфабрикаты

Наиболее распространенными сплавами магния являются сплавы, легированные марганцем, алюминием и цинком. Алюминий улучшает структуру, повышает прочность и жидкотекучесть магниевых сплавов, цинк также увеличивает прочность и уменьшает размер зерен. Марганец повышает коррозионную стойкость сплавов и их прочность. Сплавы этой системы применяются для производства высокопрочных отливок и деформируемых полуфабрикатов. Наличие циркония также обеспечивает более мелкое зерно, сплавы магний-цинк-цирконий обладают повышенной прочностью и пластичностью.

Добавки неодима, иттрия, церия и других редкоземельных элементов повышают жаропрочность и улучшают механические свойства магниевых сплавов. Это же относится к добавкам лантана, тория и иттрия, а также элементам группы 1И б Периодической системы Д.И.Менделеева.

Введение в сплав до 10-11% лития позволяет получить сверхлегкие магниевые сплавы с плотностью 1,3-1,6 г/см³, то есть в 2 раза меньшей, чем у алюминиевых сплавов, с одновременно высо­кими показателями пластичности, предела текучести и модуля упругости и хорошей технологич­ностью при обработке давлением.

Промышленное производство магний в США началось в 1938 г., во время Второй мировой вой­ны в 1943 г. выпуск магния в этой стране уже превысил 160 тыс. т. Из этого количества 8,5 тыс. т магния было переработано на деформированные полуфабрикаты, использовавшиеся в авиастрое­нии, остальное количество магния шло для изготовления фасонных отливок, проката из алюминиево-магниевых сплавов, зажигательных и осветительных бомб и сигнальных ракет.

В послевоенные годы объем производства магниевых полуфабрикатов постепенно увеличивался. В 1970 г. во время войны во Вьетнаме он достиг 18,1 тыс. т. Магниевые полуфабрикаты, выпускаемые в США, тогда применялись главным образом в авиа- и ракетостроении.

 

 

В настоящее время в США прессованные изделия из магниевых сплавов выпускают два завода: фирмы Dow Magnesium, расположенные в г. Денвер (шт. Колорадо) и алюминиевого концерна Kaiser Aluminum Special Products в г.Тулса, имеющие горизонтальные гидравлические прессы усилием 13,6; 16 и 21,8 МН.

Для производства проката из магниевых сплавов в США в 1954 г. был построен специализиро­ванный завод в г. Мэдисон (шт. Иллинойс), также принадлежащий магниевой фирме Dow Magne­sium. На заводе было установленно 18 тигельных плавильных печей, 3 машины полунепрерывного литья крупных слитков диам. 470 мм и плоских слябов сечением 280x1065 мм, реверсивный стан горячей прокатки кварто диам. 680/1352x2190мм с эджерной клетью (прокатка слябов размерами 254x1020x1930 мм массой 900 кг до толщины 6,4 мм за 21 проход со скоростью до 3 м/с), ленточные нереверсивные станы теплой прокатки кварто диам. 550/1350x2140мм (прокатка до 2,5 мм со скоростью до 5,5м/с), кварто 1680; 1370; 912 и 460 мм. Имеются печи для гомогенизации и нагрева слитков и для подогрева рулонов перед теплой прокаткой. Завод был запланирован на вы­пуск 7300 т/год листов и плит, 9000 т/год прессованных изделий на 6 гидравлических прессах и 16400 т/год фасонных отливок из литейных магниевых сплавов. Из-за нехватки заказов на магние­вый прокат в таких объемах завод был модернизирован и его оборудование перепрофилировано на выпуск 36,6 тыс.т/год алюминиевого проката.

В Великобритании ежегодный выпуск магниевых полуфабрикатов не превышает 1500 т. В основном, это прессованные изделия, производимые на тех же прессах, что и алюминиевые полуфабрикаты. Небольшие количества листов и плит (до 100 т/год) выпускаются методом листовой прокатки на станах дуо диам. 812x2000 мм и дуо 1520 мм.

В Японии крупный металлургический концерн Kobe Steel Ltd. на заводе в г. Нагоя выпускает фасонные отливки и поковки из магниевых сплавов для автомобильной и авиационной промышленности. Ежемесячно завод производит 500 т этой продукции из магниевых и алюминиевых сплавов, а также 55 тыс. литых автомобильных колес из этих же сплавов.

Французский алюминиевый концерн Pechiney на заводе в г. Монтрей имеет цех по прессованию изделий из магния и его сплавов, выпускающий, в частности, прутки из сплавов магния с содержанием 4% циркония для атомной промышленности.

В России на производстве полуфабрикатов из магниевых деформируемых сплавов специализирован завод в г. Каменск-Уральский, Свердловской области, на котором установлены отражательная печь емкостью Юти установка полунепрерывного литья круглых и плоских слитков, станы горячей и холодной прокатки и горизонтальные гидравлические прессы.

Магниево-литиевые сплавы также характеризуются высокими механическими свойствами при криогенных температурах, высокой ударной вязкостью и малой чувствительностью к надрезам, незначительной анизотропией механических свойств и возможностью изготовления из них свар­ных соединений.

Примеси железа, плохо растворимого в магнии, снижают его коррозионную стойкость, поэтому содержание железа необходимо ограничивать в пределах 0,002-0,005%.

Примеси никеля в магнии также вызывают интенсивную коррозию, в связи с чем его содержа­ние не должно превышать 0,0005-0,002%. Магний значительно корродирует в морской воде, раз­бавленных минеральных кислотах, кроме плавиковой, в большинстве органических кислот. Раз­бавленные щелочи, нейтральные и щелочные растворы фтористых солей не агрессивны. Магний и его сплавы весьма устойчивы по отношению к керосину, бензину, фенолу, минеральным смазоч­ным маслам и к спиртам (кроме метилового).

Магниевые сплавы разделяются на литейные и деформируемые.

Литейные и деформируемые магниевые сплавы в отечественных стандартах (ГОСТ) обозна­чаются следующим образом:

МЛ — магниевые литейные сплавы (ГОСТ 2856);

МА — магниевые деформируемые сплавы (ГОСТ 14957);

п.ч. — повышенной чистоты;

о.н. — общего назначения.

Литейные магниевые сплавы подразделяются в зависимости от способа литья: в песчаные фор­мы, в кокиль, литье под давлением и др.

Деформируемые магниевые сплавы классифицируются на сплавы для прессования, ковки, штамповки, для горячей и холодной прокатки; по прочности при нормальных и повышенных тем­пературах, коррозионной стойкости и плотности.

По уровню прочности и ряду других основных свойств (жаропрочности, плотности) магниевые деформируемые сплавы подразделяются на 4, а литейные — на 3 группы (табл. 2).

 

Классификация магниевых сплавов в зависимости от предельно допустимых рабочих температур и продолжительности работы приведена в табл. 3, по коррозионной стойкости — в табл. 4, по свариваемости — в табл. 5.

 

 

 

В США и некоторых других странах магниевые сплавы маркируют по системе, разработанной Американским обществом по испытаниям материалов (ASTM) в соответствии с химическим со­ставом и состоянием поставки. Обозначение сплавов начинается с двух букв, представляющих два основных легирующих элемента. Буквы располагаются по убыванию содержания элементов или при равных их количествах — по алфавиту. Затем следуют цифры, указывающие содержание эле­ментов в целых процентах. Последующие буквы (А, В, С) отражают модификацию сплава по со­держанию второстепенных легирующих элементов или примесей. Чистота сплава увеличивается от С до А, то есть А — наиболее чистый. Символ X обозначает, что сплав новый и пока не стандартизирован, то есть так называемый «временно стандартизированный сплав», например AZ81XA.

Обозначения магниевых сплавов по ASTM приведены ниже:

А — алюминий,                                          Н — торий,

Z — цинк,                                                 Е — редкоземельные металлы,

М — марганец,                                          L — литий,

К или W — цирконий,                                 Q - серебро.

Например, сплав AZ31B содержит номинально 3% алюминия, 1% цинка, имеет отличительные особенности по содержанию марганца и примесей (железа, никеля), что показывает буква В, то есть сплав средней чистоты по примесям.

В Британском стандарте (BS) магниевые сплавы обозначаются символом MAG (MAGNESIUM) и порядковым номером. Для деформируемых сплавов обозначение усложняется введением допол­нительной буквы, указывающей вид полуфабриката, например MAG-E-121 — магниевый сплав для прессованных (Extruded) полуфабрикатов, MAG-S-151 — магниевый сплав для листов (Sheets) и плит.

В Японии магниевые литейные сплавы обозначаются символом МС (Magnesium Castings), де­формируемые магниевые сплавы - МР, MB, MS. Первая буква - магний (Magnesium), вторая - вид полуфабриката: Р - плита, лист (Plate), В - пруток (Bar), S - профиль (Shape). Помимо буквенного обозначения в японской марке присутствует цифра номера сплава, например МСЗ, МР5 и т. п.

' Магниевые сплавы за рубежом, помимо стандартных обозначений, часто имеют дополнитель­ные обозначения и торговые марки различных организаций и фирм. Например, сплав AZ31 (США) в Англии может иметь марку MAG-111, AZ31 Электрон А4, в Германии - MgA13Zn, Магнезал W383 и т. п.

Фасонные отливки и деформированные полуфабрикаты из магниевых сплавов поставляются заказчику в состояниях после литья и горячей деформации без термической обработки и в терми­чески обработанных состояниях.

Термическая обработка может быть как упрочняющая, так и разупрочняющая (отжиг) с целью повышения пластичности, поэтому магниевые сплавы подразделяются на термоупрочняемые и термически неупрочняемые (табл. 6).

 

Для характеристики состояния поставки отливок и деформированных полуфабрикатов в разных странах принято специальное обозначение, которое наносится после марки сплава. Например, MЛ4T6 — сплав MЛ4 в закаленном и искусственно состаренном состоянии (табл. 7).

 

Способы фасонного литья магниевых сплавов и принятое в стандартах России и их обозначение

В песчаные формы (в землю) - 3

По выплавляемым моделям - В

В кокиль (постоянные металлические формы) - К

В гипсовые формы - Г

В оболочковые формы - О

Под давлением - Д

Почти все литейные магниевые сплавы (кроме . МЛЗ) являются термоупрочняемыми закалкой (Т4) или закалкой и искусственным старением (Тб). В табл. 8 приведены марки литейных маг­ниевых сплавов по стандартам России, США, Великобритании и Японии с указанием их соответ­ствия; в табл. 9 -10 — механические и основные физические свойства отечественных сплавов; в табл. 11 —химический состав и механические свойства магниевых литейных сплавов.

Предел текучести при сжатии литейных сплавов практически равен их пределу текучести при растяжении. Модуль упругости при растяжении (Е) литейных сплавов обычно находится в пределах 4,2-4,4х10⁴ МПа. Химический состав, термическая обработка и технология получения отливок незначительно меняют модуль упругости. Модуль сдвига литейных сплавов составляет 1,5-1,6x10⁴ МПа. Коэффициент Пуассона литейных сплавов равен 0,31-0,35. Сплавы MЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19 предназначены для длительной эксплуатации при температуре 200-300°С и кратковремен­ной — при температуре 300-400°С.

При низких температурах модуль упругости, пределы текучести и прочности литейных сплавов увеличиваются на 10—30%, относительное удлинение снижается в 1,1-1,3 раза.

Типичные значения ударной вязкости литейных сплавов составляют 0,5-0,7 кгс-м/см².

Отношение предела усталости к пределу прочности литейных сплавов равно 0,35-0,5, то есть обычно предел усталости равен 50-90 МПа на базе 20x10⁶ циклов. Причем нижнее значение пре­дела усталости характерно для образцов с надрезом, а верхнее значение — для гладких образцов.

Отношение предела прочности при срезе к пределу прочности при растяжении составляет 0,6- 0,8 для литейных сплавов, таким образом предел прочности при срезе равен 130-180 МПа.

Предел текучести при сдвиге литейных сплавов составляет 0,5-0,7 от предела текучести при растяжении.

Однозначной связи между прочностью и твердостью магниевых сплавов не существует. Твер­дость по Бринеллю магниевых сплавов — 350-900 МПа.

 

 

Таблица 9. Механические свойства литейных сплавов после длительных нагревов (1000 ч)
при температуре 250°С

 

 

Основные особенности и области применения российских и зарубежных магниевых литейных сплавов:

 

Предел текучести деформируемых магниевых сплавов при сжатии на 15-40% ниже их предела текучести при растяжении. Исключение составляют сплавы типа МА14 и магниево-литиевые сплавы (МА18, МА21, LA141A), пределы текучести которых при сжатии и растяжении равны ме­жду собой (табл. 14).

В зависимости от состава сплава, вида и режима термообработки полуфабриката модуль упру­гости при растяжении (Е) находится в пределах (4,1-4,4)х10 МПа. Для сплавов с литием (МА18, МА21) Е=(4,4-4,6)х10⁴ МПа.

Модуль сдвига деформируемых магниевых сплавов составляет (1,5-1,6)х 10⁴ МПа; коэффициент Пуассона — 0,31-0,35.
 

Таблица 10. Механические свойства сплавов МА8, МА2-1, МА-14

 

Сплавы MAЛ и МА12 предназначены для длительной работы до температур 200-250°С, кратковременной — до температур 300-350°С (табл. 12).

Таблица 12. Механические свойства сплавов МАЛ и МА12