Магнієві сплави, сплави на основі магнію. Найміцніші, у тому числі і найбільш жароміцні, М. с. розроблені на основі систем магній — метал з обмеженою розчинністю в твердому магнії. Унаслідок високої хімічної активності магнію вибір металів, придатних для легування М. с., порівняно невеликий. М. с. розділяються на 2 основних групи: літейниє — для виробництва фасонних відливань і що деформуються — для виробництва напівфабрикатів пресуванням, плющенням, куванням і штампуванням.
Історична довідка. Перші М. с. з'явилися на початку 20 століття (під назвою «електрон», що тепер мало вживається). Значення конструкційних промислових матеріалів М. с. придбали в кінці 20-х — початку 30-х років 20 століть, тобто майже через 100 років після того, як французький хімік А. Бюсси вперше виділив магній в чистому вигляді (1828). До кінця 40-х років застосовувалися головним чином сплави на основі систем Mg — Al — Zn і Mg — Mn. Подальшому прогресу в області створення М. с. сприяло відкриття модифікуючої і рафінуючої дії цирконію. У 50-х роках почали застосовуватися сплави на основі систем Mg — Zn — Zr, Mg — р. з. м. (рідкоземельний метал) — Zr (або Mn), Mg — Th, а також надлегкі сплави на основі системи Mg — Li. Виробництво і вжиток магнію і М. с. зростає. Світове виробництво магнію на початок 2-ої світової війни 1939—45 склало близько 50 тисяч т, в 1969 ~ 2 млн. т, з них ~ 40—50% витрачається на виробництво відливань і деформованих напівфабрикатів.
Хімічний склад найбільш широко вживаних в СРСР М. с. дан в таблиці 1. У промислових М. с. містяться добавки Al, Zn, Mn, Zr і рідкоземельних металів (церієвий мішметалл, La, Nd, Y), Th, Ag, Cd, Li, Ве і ін. Загальна кількість добавок в найбільш легованих М. с. досягає 10—14%. Шкідливими домішками є Ni, Fe, Si і Cu, які знижують корозійну стійкість М. с. У М. с. з Zr обмежують вміст домішок Al і Si, оскільки у присутності цих елементів Zr не розчиняється в розплавленому магнії, утворюючи з ними тугоплавкі нерозчинні з'єднання. Розчинність цирконію в магнії зменшують також домішки Fe, Mn і Н. Малиє кількості Ве (інколи Ca) використовують як технологічні добавки для зниження окислюваності М. с. в розплавленому стані.
Таблиця 1. – Хімічний склад і механічні властивості найбільш широко вживаних в СРСР магнієвих сплавів (1 Мн/м 2 = 0,1 кгс/мм 2 )
Тип сплаву
Хімічний склад %
основні компоненти
домішки, не більш
Al
Zn
Mn
Zr
Nd
Al
Si
Fe
Ni
Cu
Mn
Ве
Ca
Ливарні сплави
Mg – Al – Zn
8
0,5
0,2
–
–
–
0,25
0,06
0,01
0,1
–
0,002
0,1
8
0,5
0,2
–
–
–
0,08
0,007
0,001
0,004
–
0,002
–
Mg – Zn – Zr
–
4,5
–
0,7
–
0,02
0,03
0,01
0,005
0,03
–
0,001
–
Mg – Nd – Zr
–
0,4
–
0,7
2,5
0,02
0,03
0,01
0,005
0,03
–
0,001
–
сплави
Mg, що Деформуються, – Al – Zn
4
1
0,5
–
–
–
0,15
0,05
0,005
0,05
–
0,02
0,1
Mg – Zn – Zr
–
5,5
–
0,5
–
0,05
0,05
0,05
0,005
0,05
0,1
0,02
–
Тип сплаву
Сума визначуваних домішок
Механічні властивості при 20 °C
Вигляд термічної обробки
Граничні робочі температури °C
Призначення
Мн/м 2
s %
тривало
Кратко времен- але
s 0,2
s b
Ливарні сплави
Mg – Al – Zn
0,5
90
280
9
Гарт; гарт і старіння
150
250
Сплав загального призначення
0,14
90
280
9
Те ж
150
250
Те ж, має підвищену корозійну стійкість
Mg – Zn – Zr
0,2
150
300
6
Відпустка
200
250
Навантажені деталі (барабани коліс, реборди і ін.)
Mg – Nd – Zr
0,2
150
280
5
Гарт і старіння
250
350
Жароміцний сплав. Навантажені деталі; деталі, що вимагають високої герметичності, стабільності розмірів
сплави
Mg, що Деформуються, – Al – Zn
0,3 1
180
290
100
Відпал
150
200
Панелі, штампування складної конструкції, зварні конструкції
Mg – Zn – Zr
0,3 1
250 – 300 2
310 – 350 2
100–140
Старіння
100
150
Високонавантажені деталі з пресованих напівфабрикатів, штампувань і поковок
1 Для сплавів, що деформуються, вказаний вміст інших домішок.
2 Максимальні значення – для пресованих напівфабрикатів.
Фізичні властивості М. с. дани в таблиці 2. М. с. є найлегшим металевим конструкційним матеріалом. Щільність ( d ) М. с. залежно від складу вагається в межах 1360—2000 кг/м 3 . Найменшу щільність мають літієві для магнію сплави. Щільність найбільш широко вживаних М. с. рівна 1760—1810 кг/м 3 , тобто приблизно в 4 рази менше щільності стала і в 1,5 разу менше щільності алюмінієвих сплавів. Завдяки малій щільності деталі з М. с. володіють високою жорсткістю: відносна жорсткість при вигині двотаврових балок однакової маси і ширини для сталі дорівнює 1, для алюмінію 8,9, для магнію 18,9. М. с. мають високу питому теплоємність. Температура поверхні деталі з М. с. при однаковій кількості поглиненого тепла в 2 рази нижче в порівнянні з температурою деталі з маловуглецевої сталі і на 15—20% нижче, ніж деталі з алюмінієвого сплаву. Коефіцієнт термічного розширення М. с. в середньому на 10—15% більше, ніж в алюмінієвих сплавів.
Таблиця 2. – Фізичні властивості найбільш широко вживаних в СРСР магнієвих сплавів
Тип сплаву
Щільність кг/м 3
Коефіцієнт лінійного розширення при 20—100 °C a·10 6 , 1/°c
Коефіцієнт теплопровідності, вт/м·k
Питома теплоємність, кдж/кг·k
Питомий електро- опір r·10 6 , ом·см
Ливарні сплави
Mg – Al – Zn
1810
26,8
65
1,05
13,4
Mg – Zn – Zr
1810
26,2
134
0,98
6,6
Mg – Nd – Zr
1780
27,7
113
0,963
8,4
сплави
Mg, що Деформуються, – Al – Zn
1790
26
83,8
1,05
12
Mg – Zn – Zr
1800
20,9
117
1,03
5,65
Механічні властивості найбільш широко вживаних в СРСР промислових М. с. представлені в таблиці 1. Максимальний рівень механічних властивостей ливарних М. с. досягнутий на високоміцних сплавах системи Mg — Zn — Ag — Zr: межа текучості s 0,2 = 260—280 Мн/м 2 (26—28 кгс/мм 2 ) , межа міцності s b = 340—360 Мн/м 2 (34—36 кгс/мм 2 ) , відносне подовження d = 5%. Спеціальні технологічні прийоми (наприклад, підштампування) дозволяють збільшити s b до 400—420 Мн/м 2 (40—42 кгс/мм 2 ). Рівень властивостей самих високоміцних М. с.: s 0,2 , що деформуються = 350 Мн/м 2 (35 кгс/ мм 2 ) s b = 420 Мн/м 2 (42 кгс/мм 2 ) , d = 5%. Гранична робоча температура високоміцних сплавів 150 °С. Найжароміцніші М. с. (літейниє і деформуються) систем Mg — р. з. м. і Mg — Th придатні для тривалої експлуатації при 300—350 °С і короткочасною — до 400 °С. По питомій міцності (s b / d ) високоміцні ливарні М. с. мають переваги в порівнянні з алюмінієвими сплавами, ті, що самі високоміцні деформуються знаходяться на одному рівні з найбільш високоміцними алюмінієвими сплавами, що деформуються (або декілька поступаються їм). Модуль пружності М. с. рівний 41—45 Гн/м 2 (4100—4500 кгс/мм 2 ) ( 3 / 5 модуля алюмінієвих сплавів, 1 / 5 модуля сталей), модуль зрушення складає 16—16,5 Гн/м 2 (1600—1650 кгс/мм 2 ) . При низьких температурах модуль пружності, межі текучості і міцності М. с. збільшуються, а подовження і ударна в'язкість знижуються; різкого падіння пластичності, характерного для низьколегованих конструкційних сталей, в М. с. не спостерігається.
Технологія. Унаслідок великої спорідненості магнію з киснем при плавці М. с. в повітряній атмосфері поверхню розплавленого металу захищають шаром флюсу; у якості флюсів застосовують різні суміші фтористих і хлористих солей лужних і лужноземельних металів. Щоб уникнути горіння металу при литві, до складу формувальних земель вводять захисні присадки, кокілі забарвлюють спеціальними фарбами, до складу яких входить, наприклад, борна кислота. Відливання отримують всіма відомими способами литва, у тому числі литвом в піщані, оболонкові, стрижньові, гіпсові форми, литвом в кокіль, під тиском, по моделях, що виплавляються напіврідким штампуванням. Для здобуття якісних відливань система ливника будується за принципом потоку, що розширюється. При твердінні М. с. дають велику усадку (1,1—1,5). Завдяки дрібнозернистій структурі відливання з М. с. з цирконієм мають однорідніші і вищі механічні властивості, ніж відливання із сплавів, легованих алюмінієм. Деталі і вузли різних конструкцій з М., що деформуються, с. виготовляють механічною обробкою, зваркою і клепкою, об'ємною і аркушевою штампуванням. При кімнатній температурі технологічна пластичність М. с. низька, що пояснюється гексагональною будовою кристалічної решітки магнію (ковзання відбувається по одній плоскості базису). При високих температурах (200—450 °С) виникає ковзання по додатковій плоскості і технологічна пластичність більшості сплавів стає високою. Тому всі операції обробки тиском М. с. проводяться в нагрітому стані при малих швидкостях деформації. Виняток становлять М. с. з 10—14% Li, які мають об'ємно центровані кубічні грати і допускають обробку в холодному стані. При конструюванні деталей з М. с. уникають гострих надрізів і різких переходів перетинів. Для з'єднання деталей застосовують різні види зварки, а також клепку, паяння твердими і м'якими припоями, склеювання. Зваркою виправляють дефекти литих деталей. Лише сплави з високим вмістом цинку не піддаються зварці. Більшість литих і деформованих напівфабрикатів з М. с. піддається зміцнюючій термічній обробці (гарту, старінню) або відпалу для зняття внутрішньої напруги (літейних, зварювальних і інших). М. с. легко обробляються різанням — удвічі швидше, ніж алюмінієві сплави, і в 10 разів швидше, ніж вуглецеві стали. При роботі с М. с. слід дотримувати правила пожежної безпеки.
Методи захисту від физико-хімічних дій. М. с. володіють зниженими корозійною стійкістю із-за високого електронегативного потенціалу і недостатніх захисних властивостей природної окисної плівки. Захист М. с. від корозії здійснюється штучно створюваними хімічними або електрохімічними неорганічними плівками у поєднанні з лакофарбними покриттями. Покриття складається з пасивуючого шару грунтовки і зовнішніх лакових або емалевих шарів. Належний захист забезпечує надійну роботу деталей з М. с. в атмосферних умовах, лужних середовищах, мінеральних маслах, бензині, гасі. М. с. підвищеної чистоти, особливо за змістом заліза і нікелю, придатні для експлуатації в морському повітрі. М. с. неприйнятні для роботи в морській воді, в соляних розчинах, кислотах, їх розчинах і парах. Корозійна стійкість магнієвих деталей в значній мірі залежить від вибору правильної конструктивної форми (вологи, що виключає скупчення) і такого поєднання контактуючих матеріалів у виробах яке не викликає контактної корозії. Деякі високоміцні М., що деформуються, с. схильні до корозії під напругою і можуть застосовуватися за умови обмеження величини розтягуючої напруги, що тривало діє.
Консервація деталей і напівфабрикатів з М. с. здійснюється за допомогою хроматних плівок, рідких нейтральних зневоднених масел, спеціального мастила і іншими способами залежно від тривалості і умов зберігання. Тривале зберігання зібраних виробів і запасних частин з М. с. з лакофарбним покриттям в нормальних складських умовах виробляється в чохлах з поліхлорвінілової або поліетиленової плівки з силікагельовим осушувачем.
Вживання. М. с. придатні для роботи при криогенних, нормальних і підвищених температурах. Завдяки малій щільності, високій питомій міцності, здатності поглинання енергії удару і вібраційних коливань, відмінній оброблюваності різанням М. с. широко використовуються в промисловості, перш за все для зниження маси виробів, підвищення їх жорсткості. М. с. застосовуються в автомобільній, тракторній промисловості (картери двигунів, коробки передач, барабани коліс і інші деталі), в електротехніці і радіотехніці (корпуси приладів, деталі електродвигунів), в оптичній промисловості (корпусу біноклів, фотоапаратів), в текстильній промисловості (бобіни, шпульки, котушки), в поліграфії (матриці, кліше валики), у суднобудуванні (протектори), в авіаційній і ракетній техніці (деталі коліс, деталі управління і крила літака, корпусні деталі двигунів) і в багатьох інших галузях техніки. Промисловістю використовуються головним чином литі деталі з М. с. Основне обмеження у вживанні М. с. — знижена корозійна стійкість в деяких середовищах.
Літ.: Конструкційні матеріали, т. 2, М., 1964 (Енциклопедія сучасної техніки); Рейнор Р. Ст, Металознавство магнію і його сплавів, переклад з англійського, [М.], 1964; Альтман М. Би., Лебедев А. А, і Чухров М. Ст, Плавка і литво легких сплавів, 2 видавництва, М., 1969.
