Тема 9. Магний и сплавы на его основе.

Магний.

Магний—металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1,74 г/см³.) Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная (а = 3,103, с = 5,2002 А, с/а = 1,62354). Теплопроводность магниязначительно меньше, чем у алюминия [0,37кал/(см-с-°С)], коэффициенты линейного расширения алюминия и магния примерно одинаковые (26,1×10^-6 в интервале 20—100°С). Технический магний выпускают трех марок МГ90 (99,9% Mg), МГ95 (99,95% Mg) МГ96 (99,96% Mg). В качестве примесей присутствуют Fe, Si, Al, Mn. Вредными примесями являются Fe, Ni, Cu и Si, снижающие коррозионную стойкость магния. Механические свойства литого магния: σ_В = 115 МПа, σ_0,2 = 25 МПа, δ= 8%, Е = 45000 МПа, НВ30, а деформированного (прессованные прутки): σ_В = 200 МПа, σ_0,2 = 90 МПа, δ = 11,5%, Е=4500 МПа, НВ40. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.

Сплавы на основе магния.

Свойства магния можно значительно улучшить легированием. Чаще применяют сплавы магния с алюминием (до 10%), цинком (до 5-6%), марганцем (до 2,5%), цирконием (до 1,5%).

Алюминий и цинк, образующие с магнием твердые растворы и соединения Mg₄Al₃ и MgZn₃ в количестве до 6—7%, повышают механические свойства магния. Марганец с магнием образует твердый раствор α. При понижении температуры растворимость марганца в магнии понижается и из α-твердого paствора выделяется β-фаза. Марганец, не улучшая механические свойства, повышает сопротивление коррозии и улучшает свариваемость сплавов магния.

Повышение коррозионной стойкости объясняют образованием пленки гидратированной окиси Mg—Mn и очисткой от железа.

Цирконий, будучи введен в сплавы магния с цинком, измельчает зерно, улучшает механические свойства и повышает сопротивление коррозии. Редкоземельные металлы и торий повышают жаропрочность магниевых сплавов.

Бериллий при содержании его 0,005-0,012% значительно уменьшает окисляемость магния при плавке, литье и термической обработке.

Магниевые сплавы, как и алюминиевые, разделяют на две группы: литейные сплавы для получения деталей методом фасонного литья, их маркируют буквами МЛ, и деформируемые сплавы, подвергаемые прессованию, прокатке, ковке, штамповке и другим видам обработки давлением, их маркируют буквами МА. Литейные и деформируемые сплавы могут быть термически упрочняемыми и термически не упрочняемыми.

Термическая обработка магниевых сплавов имеет много общего с термической обработкой алюминиевых сплавов.

Для устранения наклепа магниевые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ~ 350⁰С.

Некоторые магниевые сплавы могут быть упрочнены закалкой и старением. Нагрев приводит к растворению избыточных фаз (MgZn.₂, Al₃Mg₄, Mg₃Al₂Zn₂ и т. д.) и получению после закалки пересыщенного твердого раствора. В процессе старения происходит выделение упрочняющих фаз. Особенностью магниевых сплавов является малая скорость диффузионных процессов, поэтому фазовые превращения протекают медленно. Это требует больших выдержек при нагреве под закалку (4—24 ч) и искусственном старении (16—24 ч). По этой же причине возможна закалка на воздухе. Многие сплавы воспринимают закалку при охлаждении отливок или изделий после горячей обработки давлением на воздухе, а, следовательно, они могут упрочняться при искусственном старении без предварительной закалки. Старение литых магниевых сплавов проводят при 200—300°С. Закалку осуществляют с температур 380—420°С. После закалки для достижения максимального упрочнения проводят искусственное старение при 175—200°С.

Прочность магниевых сплавов в процессе старения можно повысить только на 20—35%. При этом пластичность их уменьшаются

Литейные сплавы.

Широко применяют сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он применяется для литья в землю, в кокильи под давлением нагруженных крупногабаритных отливок (картеры двигателей, коробки передач и т. д.).

Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами чем МЛ5 и предназначается для изготовления тяжелонагруженных деталей.

Механические свойства сплавов МЛ5 и МЛ6 могут быть повышены гомогенизацией при 420°С в течение 12—24 ч. Более высокие значения временного сопротивления разрыву и предела текучести сплав МЛ5 приобретает после старения при 175- 190° С в течение 4—8 ч.

Сплав МЛ10 относится к группе жаропрочных сплавов для отливок, работающих при температурах до 300⁰С. Сплав используют после закалки (гомогенизации) при 539⁰С и старения при 200°С 12-16 ч.

Сплав МЛ12 предназначается для отливки деталей, требующих высокой герметичности и прочности в условиях нагружения. Сплав МЛ12 нагревают под закалку ступенчато (сначала 400°С ± 5, а затем 500°С ± 5) для рассасывания неравновесной эвтектики и во избежание пережога с выдержками соответственно 2 и 2-3 ч. Охлаждение при закалке ведется на воздухе.После закалки дается длительное старение при 150^оС. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием.

Деформируемые сплавы.

Эти сплавы поставляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповок.

Магниевые сплавы, имеющие гексагональную решетку, при низких температурах малопластичны, так как сдвиг происходит только по плоскостям базиса. При нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и пластичность возрастает. Обработку давлением ведут при повышенных температурах - прессование при 340-440°С, а прокатку в интервале температур от 340-440°С (начало) до 225-250°С (конец). Штамповку проводят в интервале 480-280°С.

Сплав МА1 обладает высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. По механическим свойствам он относится к сплавам низкой прочности. Введение в сплав Al-Mn 0,2% Се (МА8) измельчает зерно, повышает механические свойства и улучшает деформацию в холодном состоянии.

Сплав МА2-1, относящийся к системе Mg-Al-Zn, обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей технологической пластичностью и свариваемостью. Однако он склонен к коррозии под напряжением. Сплав МА2-1 поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.

Сплав МА14 характеризуется повышенными механическими свойствами. Он жаропрочен до 250°С и не склонен к коррозии под напряжением.

К недостаткам сплава относятся склонность к образованию трещин при прокатке и плохая свариваемость.

Вследствие высокой удельной прочности магниевые сплавы нашли применение в авиастроении (колеса и вилки шасси, передние кромки крыльев, различные рычаги, корпуса приборов, фонари и двери кабин и т. д.), в ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки,), в автостроении (картеры двигателей, коробки передач и другие.), электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, телевизоров и т. д.).

Из-за малой устойчивости против коррозии изделия из магниевых сплавов оксидируют. На оксидированную поверхность наносят лакокрасочные покрытия.

БЕРИЛЛИЙ.

Бериллий — металл сероватого цвета. Температура плавления его 1294°С. Известны две полиморфные модификации бериллия: до 1250°С существует Ве с гексагональной решеткой (а = 2,2855 А, с= 3,5840 А), а при более высокой температуре Ве с объемно-центрированной кубической решеткой (а = 2,548 А). Плотность Be 1,845 г/см³.

Заготовки из бериллия получают металлокерамическим способом с последующей пластической деформацией.

Размеры атома бериллия малы (атомный диаметр 2,26 А), поэтому атомы примесей сильно искажают решетку и охрупчивают его. Чем мельче зерно бериллия, определяемое крупностью исходного порошка, тем выше его прочность и пластичность. Чем меньше примесей содержит бериллий, тем выше его пластичность. Даже металл с 99,9% Be хрупок.

В деформированных полуфабрикатах бериллия развивается сильная текстура деформации, вызывающая резкую анизотропию свойств.

Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при 650- 750°С. Прочность после отжига снижается, а пластичность по сравнению с бериллием после теплой деформации повышается. Анизотропия свойств после отжига сохраняется. Рекристаллизованный бериллий часто имеет сильно развитую разнозернистость.

Большинство элементов крайне ограниченно растворимы в бериллии в твердом состоянии. Поэтому получение сплавов на его основе затруднено.

Благодаря высокой проницаемости для рентгеновских лучей из бериллия изготавливают окна рентгеновских трубок. Малое эффективное сечение захвата тепловых нейтронов в сочетании с небольшой атомной массой делают бериллий одним из лучших материалов для замедлителей и отражателей тепловых нейтронов атомных реакторов и оболочек тепловыделяющих элементов. Бериллий наиболее целесообразно использовать в малых реакторах для морских судов, самолетов и ракет.

Бериллий перспективен как конструкционный материал в авиации и ракетной технике. Высокий модуль упругости позволяет использовать бериллий для сверхзвуковых самолетов и управляемых снарядов.

Тема 11. МЕДЬ И СПЛАВЫ НА ЕЕ ОСНОВЕ.

Медь.

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом 3,608 А. Температура плавления 1083°С. Плотность 8,94 г/см³. Прочность меди невелика, но она имеет высокую пластичность. На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь медленно окисляется, покрываясь пленкой зеленого цвета, которая является щелочным карбонатом меди. Эта пленка защищает медь от дальнейшей коррозии.

       Медь принято считать эталоном электрической проводимости и теплопроводности по сравнению с другими металлами. Характеристики этих свойств меди принимают за 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=160МПа, s_0,2=35МПа, d=25%. 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.

       Для проводов применяют электролитическую медь марок М3, содержащую 99,5% Cu, М2 – 99,7% Cu, М1 – 99,0% Cu, М0 – 99,95% Cu, М00 – 99,99% Cu (ГОСТ 859-2001).

       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^оС. Мягкие припои изготавливают из сплавов олова со свинцом (Т_пл.=200-300^оС).

       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, Х – хром, Н – никель и т.д., а после них цифры, указывающие содержание легирующих элементов в процентах. В деформируемых латунях не указывается содержание цинка, а в деформируемых бронзах – содержание меди, их концентрации определяются по разности. Например, ЛЖМц-59-1-1 – латунь, содержащая, %: 59 Cu, 1 Fe, 1 Mn и остальное – цинк или БрОФ6,5-0,15 – бронза: 6,5 Sn, 0,15Р, 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.

       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; БрО5Ц5С5 – литейная бронза, содержащая 5% Sn, 5% Zn, 5% Pb, остальное медь.