Классификация и характеристика магниевых сплавов.

Свойства магния  можно значительно улучшить при легировании. Сплавы магния характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью (14-19км), способностью хорошо поглощать вибрации. Прочность сплавов  при соответствующем легировании и терми­ческой обработке может достигать 350-400 МПа. Достоинством магниевых сплавов является их хорошая обрабатываемость реза­нием и свариваемость. Недостатки- меньшая корро­зионная стойкость, чем у алюминиевых сплавов, трудности при выплавке и литье и необходимость нагрева при обработке давле­нием.

Магниевые сплавы посвоему химическому составу относятся к двум основным базовым системам легирования: Mg- Al- Zn –Mn  и Mg- Zn- Zr.

Основными упрочняющими легирующими элементами в маг­ниевых сплавах являются алюминий и цинк. Марганец слабо влияет на прочностные свойства. Его вводят главным образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна.Повышение коррозионной стойкости объясняется образовани­ем защитной пленки гидратированного оксида MgO. Цирконий и церий уменьшают размер зерен, а также оказывают эффективное модифицирующее действие на их структуру. Повышение суммарного содержания легирующих элементов свыше 5-6% по массе резко снижает не только технологичность, но и коррозионную стойкость и является критическим порогом легирования.

Наиболее вредными примесями, снижающими коррозионную стойкость магния, являются никель и железо и в меньшей степе­ни - медь и кремний. Цирконий и марганец снижают отрица­тельное действие вредных примесей. Основными структурными составляющими сплавов систем Mg - Al - Zn -Mn являются пер­вичные кристаллы -твердого раствора алюминия и цинка в магнии, g-фаза Mg₁₇Al_l2 и h-фаза MnAl. Растворимость легирующих эле­ментов, как и в случае алюминиевых сплавов, падает с уменьше­нием температуры, что позволяет применять к магниевым спла­вам термическую обработку, состоящую из закалки с последую­щим старением.

Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего. Это объясняется близкими температурами плавления и отсутствием полиморфных превращений.

Особен­ностью магниевых сплавов является пониженная скорость диффузии большинства компонентов в магниевом твердом рас­творе. Низкие скорости диффузионных процессов способствуют развитию дендритной ликвации, требуют больших выдержек при нагреве, облегчают фиксацию твердых растворов при за­калке и затрудняют распад пересыщенных растворов при ста­рении. Для снижения уровня лик­вации и повышения техноло­гической пластичности перед деформацией слитки подверга­ют гомогенизирующему отжи­гу. Деформированные полуфаб­рикаты из магниевых сплавов отжигают для снятия остаточ­ных напряжений.

Для повышения прочност­ных свойств магниевые сплавы подвергают закалке и старению. Из-за низкой скорости диффу­зии закалку обычно проводят на воздухе, применяют искусственное старение при сравнительно высоких температурах (до 200-250 °С) и более длительных выдержках (16-24 ч).

При использовании магниевых сплавов в качестве жаропроч­ных температура старения во избежание коагуляции упрочняю­щих фаз должна быть выше рабочей температуры.

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

Магниевые сплавы обладают высокой пластичностью в горячем состоянии и хорошо деформируются при нагреве. Для деформиро­ванных сплавов диффузионный отжиг обычно совмещают с нагре­вом для обработки давлением. Магниевые сплавы хорошо обра­батываются резанием, легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой, которую рекомендуется проводить в защитной атмосфере.

Недостатками магниевых сплавов являются плохие литейные свойства и склонность к газонасыщению, окислению и воспламе­нению при литье. Для предотвращения дефектов при выплавке используют специальные флюсы, для уменьшения пористости применяют небольшие добавки кальция (0,2 %), а для снижения окисляемости - добавки бериллия (0,02-0,05 %).

Различают деформируемые и литейные магниевые сплавы. Деформируемые сплавы маркируются буквами МА, литейные -  МЛ, далее следует номер сплава. Состав и свойства неко­торых российских магниевых сплавов приведены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

 

Химический состав и механические свойства некоторых отечественных магниевых сплавов

 

 

Марка сплава	Содержание элемента, %				Режим термооб­работки	, МПа	МПа	, %
	Al	Mn	Zn	Другие элементы
Деформируемые сплавы (ГОСТ 14957-76)
MAI	-	1,3-2,5	-	-	Отжиг	200	130	8
МА2	3,0-4,0	0,15-0,5	0,2-0,8	-	Тоже	270	170	10
MA 5	7,8-9,2	0,15-0,5	0,2-0,8	-	Закалка - старение	320	220	14
MAI 4	-	-	5-6	0,3-0,9 Zr	Тоже	350	300	9
MA18	0,5-1,0	0,1-0,4	2,0-2,5	10-11, 5 Li; 0,15-0,35 Се	Отжиг	170	130	30
MAI 9	-	-	5,5-7,0	0,5-1,0 Zr; 0,2-1, 0 Cd; l,4-2,0 Nd	Закалка, старение	380	330	5
MA20	-	-	1,0-1,5	0,05-0, 12 Zr; 0,12-0,25 Се	Отжиг	250	160	20
ВДМ-1	-	-	1,2-2,0	2,5-3,5Тh	Тоже	300	250	5
Литейные сплавы (ГОСТ 2856-79)
МЛ5	7,5-9,0	0,15-0,5	0,2-0,8	-	Отжиг	160	85	3
					Закалка - старение	255	120	6
MJI8	-	5,5-6,6	-	0,7-1,1 Zr; 0,1-0, 8 Cd	Закалка - старение	255	155	5
МЛ 10	0,1-0,7	-		0,4-1,0 Zr; 2,2-2,8Nd	Тоже	230	140	3
МЛ19	_	0,1-0,6	-	0,4-1,0 Zr; 1, 6-2,3 Nd; 1,4-2,2Y	Тоже	220	120	3

 

18.3 Деформируемые магниевые сплавы

В основном деформируемые магниевые сплавы применяют в виде прутков и фасонных профилей для изготовления деталей го­рячей штамповкой. Для улучшения их пластичности обработку давлением проводят при температурах 350-450 °С, так как гекса­гональная решетка магния затрудняет их деформацию при ком­натной температуре.

Из магниевых сплавов изготавливают кованые и штампован­ные детали сложной формы, такие как крыльчатки и жалюзи ка­пота самолета, автомобильные диски. Наиболее прочными деформируемыми сплавами являются сплавы магния с алюминием (МА5, аналог АZ 80) и магния с цинком, дополнительно легированные цирконием (МА14, аналог американского сплава ZK60A), кадмием, РЗМ и другими элементами (МА15, МА19 и др.). Сплавы имеют удельную прочность 17 км. Метод гидропрессования позволяет получить наибольший прирост прочностных характеристик в сплаве МА14  = 400-420 МПа; = 4,5-8%.

Алюминий и цинк являются эффективными упрочнителями твердого раствора. Однако их концентрация не должна превы­шать 10 и 6 % соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко снижается. Появление при старе­нии в структуре упрочняющих фаз Mg₄Al₂ и MgZn₂ осуществляет дополнительное упрочнение. Цирконий измельчает зерно, а кад­мий и редкоземельные элементы одновременно повышают и проч­ность, и пластичность.

Временное сопротивление высокопрочных магниевых сплавов после термической обработки составляет около 350 МПа. Сравни­тельно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада твердого раствора.

Сплав ВМД-1, легированный торием, относится к числу жаро­прочных сплавов. Он предназначен для длительной работы при температурах до 350 °С. Сплав хорошо обрабатывается давлением, сваривается и обладает коррозионной стойкостью под напряже­нием.

Сплав МА1, содержащий около 2 % Мn без других компонен­тов, характеризуется высокой пластичностью и применяется как листовой материал. Сплав МА2-1 хорошо сваривается, пластичен в отожженном состоянии. Полуфабрикаты поставляются в виде листов, прутков, труб.Из него изготавляют штампованные автомобильные диски, которые на 35% легче дисков, изготовленных из алюминиевых сплавов. Усталостная прочность в 2раза больше, чем у алюминиевых дисков.

Самыми легкими конструкционными материалами являются сплавы магния с литием (MAI8, MA21). Плотность сплава МА18 (аналог американского сплава LA91) составляет 1,3-1,65 г/см³. Магниеволитиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением в холод­ном состоянии. Эти сплавы хорошо свариваются и имеют удовле­творительную коррозионную стойкость.

Кардинальное изменение структуры можно получить управляя скоростью охлаждения металлического расплава в процессе кристаллизации при скорости охлаждения 10 °С/с.Эта технология позволяет получить дисперсную структуру гранул с равномерным распределениепм легирующих элементов, что и обеспечивает рост механических свойств (табл.18.2).

Т а б л и ц а 18.2

Механичекие свойства полуфабрикатов из магниевых сплавов

Марка сплава	полуфабрикат	,   МПа	МПа	*   МПа	, %	КСV Дж/м²
МА2-1	1	275 (355)	165 (308)	91 (326)	9 (14)	80 (330)
	2	272/251 (360/350)	168/94 (312/308)	69 (310/309)	8/9 (16/17)	-
	3	328 (355)	292 (312)	150 -	9 (14)	-
МА14	1	330 (400)	290 (380)	150 (380)	10 (16)	70 (350)
	2	323/255 (380/364)	267/230 (350/346)	150 (346/338)	9/14 (16/17)	-
	3	- (385)	- (360)	-	- (15)	-

 

В числителе – свойства долевых образцов; в знаменателе – поперечных.

Полуфабрикат: 1- пруток диаметром 20мм; 2- полоса 6х60мм; 3- труба диаметр 105х90мм

 В скобках приведены свойства гранулированных магниевых сплавов, без скобок –сплавов, полученных по традиционной технологии.

*- присжатии

Разработанные режимы прессования позволяют получать мелкозернистую структуру с равномерным распределением интерметаллических фаз. Технология позволяет получать экструзией тонкостенные трубы (диаметром до 300мм), при использовании серийной технологии такие изделия получить невозможно).

Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы по химическому и фазовому со­ставу близки к деформируемым (табл. 18.1).

По сравнению с деформируемыми литые детали позволяют существенно экономить металл. Высокая точность размеров и хо­рошее качество поверхности позволяют практически исключить операции механической обработки. Недостатком литейных маг­ниевых сплавов являются более низкие механические свойства из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости, связан­ной со сравнительно широким интервалом кристаллизации.

Для повышения прочности и модифицирования вводят каль­ций и цирконий. Дополнительное легирование кадмием повыша­ет уровень механических и технологических свойств.Регулирование состава сплава в пределах норм стандарта и снижением содержания металлических примесей и неметаллических включений может быть достигнуто повышение механических свойств отливок на 20…25%. Наиболее распространенным магниевым литейным сплавов является МЛ5, характеризующийся хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к пористости и хорошей обрабатываемостью резанием. Отливки из этого сплава получают литьем в землю, в металлические формы и под давлением. Он идет на изготовление крупногабаритных отливок картеров двигателей, корпусов при­боров, насосов, коробок передач для автомобилей и самолетов.

Для получения сплавов повышенной чистоты используется технология плавки и литья магниевых сплавов в защитных газовых средах, содержащих небольшие добавки гексафторида серы, в результате химического взаимодействия которой со сплавом на его поверхности образуется когерентная плотная пленка, препятствующая испарению сплава и доступу кислорода, что позволяет вести плавку без вакуумирования и герметизации печей. Коррозионная стойкость сплавов в зависимости от степени чистоты (технологии плавки) изменяется очень значительно. Так коррозионная стойкость сплава МЛ5 пч (бесфлюсовая плавка) в 3% растворе NaCl (60ч) ~ в 2 раза выше, чем у сплава МЛ5 пч (плавка с флюсом ФЛ5-3).

Для снижения массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12-13 % лития. Их жидкотекучесть находится на уровне сплава МЛ5. Сплавы Mg - Li не имеют склонности к обра­зованию горячих трещин. Плотность сплава  = 1,42 г/см³, механи­ческие свойства в литом состоянии при комнатной температуре  = 160 МПа,  = 8%. При плавке и рафинировании металл защища­ется от атмосферы специальным флюсом, состоящим из LiС1 и LiF.

Применение магниевых сплавов.

«Новым металлом для индустрии» назван магний на конференции 2004..05г, проводимой Европейской и Международной магниевыми ассоциациями. Благодаря малой плотности и высокой удельной прочности  магниевые сплавы широко применяются в авиастроении, успешно конкурируя с алюминиевыми сплавами, также магниевые сплавы успешно конкурируют с пластмассами ввиду высокой удельной прочности и виброустойчивости. Из них изготавливают корпуса приборов, насосов, фонари и двери кабин, фюзеляжи вертолетов. В ракетной технике магниевые сплавы идут на изготовление корпусов ракет, обтека­телей, стабилизаторов, топливных  и кислородных баков. Теплоемкость магния примерно в 2,5 раза больше, чем у стали. Поглотив одинаковое количество тепла, он нагреется в 2,5 раза меньше. В кратковре­менном полете магниевые сплавы не успевают перегреться, не­смотря на низкую температуру плавления. В кратковременно ра­ботающих ракетах типа "воздух - воздух" и управляемых снаря­дах магниевые сплавы составляют основную массу конструкции. Применение магниевых сплавов позволило снизить массу ракет на 20-30 %.

Из литейных сплавов изготавливают кронштейны, элементы крепления, элероны, детали хвостового оперения, из деформи­руемых - обшивки корпусов, стрингеры, лонжероны, опорные конструкции тормозов, волноводов и другие детали.

Магниевые сплавы находят применение в транспортном ма­шиностроении для изготовления картеров двигателей и коробок передач автомобилей, литья тормозных барабанов.

Диски колес из магниевых сплавов (ЛПД), в последнее время применяются многими автомоби­лестроительными фирмами разных стран.

Магниевые сплавы применяют в конструкциях переносных ручных и механизированных инструментов и машин (сверлиль­ные и шлифовальные машины, пилы для лесной промышленно­сти, газонные косилки, пневматические инструменты и др.).

Их используют в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, электродвигателей), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки и др.) и других отраслях.

В связи с малой устойчивостью против коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию. На оксидированную поверхность дополнительно наносят лакокрасочные покрытия. Снижение содержания вредных примесей Fe -0,001…0,005% и  Si- 0,01-0,03% гарантирует высокую коррозионную стойкость изделий из магниевых сплавов.

Важной областью применения магния является ядерная энер­гетика. Благодаря способности поглощать тепловые нейтроны, отсутствию взаимодействия с ураном и хорошей теплопроводно­сти магниевые сплавы используют для изготовления оболочек те­пловыделяющих элементов в атомных реакторах.

Высокий электроотрицательный потенциал магниевых спла­вов позволяет применять их для протекторной защиты от морской коррозии судов и сооружений, эксплуатирующихся в морской воде, и для защиты от подземной коррозии находящихся в грунте газопроводов.

ГЛАВА19. МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

Основные свойства меди

Медь – металл с плотностью 8,95 г/см³, температура плавления 1083 °С. Медь кристал­лизуется в гранецентрированной решетке и не имеет полиморф­ных превращений. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой так назы­ваемой патины зеленого цвета, которая является щелочным кар­бонатом меди (СuОН)₂СО₃. Эта пленка в определенной мере защи­щает медь от дальнейшей коррозии.

Чистая медь обладает высокой электрической проводимостью (на втором месте после серебра), пластичностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, а также в ряде химических сред. Медь принято считать эталоном электрической проводимо­сти и теплопроводности по сравнению с другими металлами. Ха­рактеристики этих свойств меди оцениваются 100 %, в то время как у алюминия, магния и железа они составляют соответственно 60, 40 и 17 % от соответствующих свойств меди. Механические свойства меди в литом состоянии: s_в = 160 МПа, s_0.2 = 35 МПа, d = 25 %; в горячедеформированном: s_в = 250 МПа, s_{0 2} = 95 МПа, d= 50 %. Из-за низких значений предела текучести и высокой стоимости чистая медь как конструкционный материал не приме­няется. Около половины производимой меди используется в элек­тро- и радиотехнике. Она стоит на втором месте после алюминия по объему производства среди цветных металлов.

Электрическая проводимость меди зависит от содержания примесей. При наличии даже небольшого количества примесей электрическая проводимость резко падает. Для проводов приме­няют электролитическую медь марок МЗ, содержащую 99,5 % Сu, М2-99,7%, Ml-99,9 % Сu, МО - 99,95 %,МОО-99,9 % Сu.

Медь и ее сплавы являются традиционными материалами, ис­пользуемыми в технике низких температур. Применение меди и ее сплавов обусловлено их высокими характеристиками механи­ческих свойств при низких температурах, хорошей коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью.

Вредными примесями, снижающими механические и техно­логические свойства меди и ее сплавов, являются висмут и сви­нец, сера и кислород. Висмут и свинец почти не растворимы в ме­ди и образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, что способствует красноломкости и ухудшает способность к горячей деформации. Из-за отрицательного влияния на пластичность ме­ди содержание висмута не должно превышать 0,002 %. Сера с ме­дью образует эвтектику Cu-Cu₂S, обладающую повышенной хруп­костью. Особо вредной примесью является кислород, образующий даже в небольших количествах хрупкую эвтектику Сu-Сu₂0 по границам зерен. При нагреве металла с включениями эвтектики в атмосфере, содержащей водород, диффундирующий в глубь меди, проявляется ее так называемая водородная болезнь: Сu₂О + Н₂ = = 2Сu + Н₂О, в результате чего пары воды создают высокое давле­ние и возможно образование трещин.

Медь и ее сплавы имеют удовлетворительную технологич­ность. Медь хорошо обрабатывается давлением, хорошо сваривается семи видами сварки и паяет­ся, хорошо полируется. Ее недостатком является сравнительно плохая обрабатывае­мость резанием.

Соединение деталей из меди и ее сплавов часто выполняют по­средством твердой и мягкой пайки. Твердые припои изготавлива­ют на основе меди и цинка с добавкой серебра; их температура плавления составляет 600-1000 °С. Мягкие припои изготавлива­ют из сплавов олова со свинцом; их температура плавления 200-300 °С. Паяные медные соединения обычно применяют в криостатах исследовательских установок.

Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хороши­ми антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов. По технологическим характеристикам различают де­формируемые и литейные медные сплавы, по химическому составу их делят на латуни и бронзы. Латуни представляют собой сплавы меди с цинком, а бронзы - сплавы меди с другими элементами.

Медные сплавы обозначают начальной буквой сплава Л - ла­тунь или Бр - бронза, после чего следуют первые буквы основных элементов, образующих сплав: О - олово, Ц - цинк, Мц - марга­нец, А - алюминий, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, X -хром, Н - никель и т. д., а после них цифры, указывающие со­держание легирующих элементов в процентах. В деформируемых латунях (ГОСТ 15527-70) не указывается содержание цинка, а в деформируемых бронзах - содержание меди, их концентрации определяются по разности. Например, ЛЖМц-59-1-1 - латунь, содержащая, %: 59 Сu, 1 Fe, I Mn и остальное - цинк, или БрОФ6,5-0,15 - бронза: 6,5 Sn, 0,15 Р, остальное - медь.

Порядок цифр в обозначениях марок деформируемых и ли­тейных сплавов различен. В марках деформируемых латуней и бронз цифры, отделенные друг от друга дефисом, ставятся в конце обозначения и расположены в той же последовательности, что и буквы, например ЛА60-1-1 или БрОЦ4-3 (ГОСТ 5017-74, 18175-78).

В литейных латунях и бронзах содержание всех компонентов сплавов в процентах, в том числе содержание цинка, приведены сразу же после обозначающих их букв. Содержание меди в литей­ных сплавах определяется по разности от 100 %. Например, ЛЦ16К4 - литейная латунь, содержащая 16 % Zn, 4 % Si, ос­тальное медь (ГОСТ 17711-93); Бр05Ц5С5 - литейная бронза, содержащая 5 % Sn, 5 % Zn, 5 % Pb, остальное- медь (ГОСТ 613-79,493-79).