Магній та сплави на його основі

Магній – лужноземельний метал сріблясто-білого кольору, який не має поліморфних модифікацій. Температура плавлення становить 650°С, густина – 1,74 г/см³ (найнижча серед конструкційних матеріалів), кристалічна гратка ГЩП.

Магній відноситься до найбільш розповсюджених металів в земляній корі (займає 2,1 %) і знаходиться на 3 місці після алюмінію (8,8 %) та заліза (5,1 %).

Окремі фізичні властивості магнію наведені в табл.4.1.

Таблиця 4.1 – Фізичні властивості магнію [2]

Атомна маса	24,32
Атомний радіус, нм	0,162
Атомний об’єм, см^3/г-атом	13,99
Кристалічна гратка	ГЩП
Період гратки, нм	а = 0,32028; с = 0,51998; с/а = 1,6235
Густина, г/см^3	1,738
Температура плавлення, °С
Температура кипіння, °С	1107±3
Питома теплоємність, кал/(г×град): при 20°С при 100°С	0,248 0,254
Теплопровідність, кал/(см×сек×град)	0,376
Коефіцієнт лінійного розширення, 1/град: при 100°С при 500°С	26,1×10^-6 29,8×10^-6
Питомий електроопір, Ом×см	4,46×10^-6
Модуль нормальної пружності, МПа

Магній в 1,6 раз легше за Al, в 4,5 рази легший за Fe та в 5 разів легший за Cu, що забезпечує йому високу питому міцність (табл.4.2).

Таблиця 4.2 – Питома міцність

Метал	r, кг/м^3	sв, МПа	Питома міцність (sв/rg), км
Mg		110…120	6,45…7,04
Ti		250…300	5,66…6,79
Fe		170…210	2,22…2,75
Al			1,88

В литому стані магній має крупнокристалічну структуру та низькі механічні властивості: s_в = 110…120 МПа, s_т = 20…30 МПа, d = 6…8%, НВ 300.

Магній та його сплави добре поглинають механічну вібрацію, сприймають ударні навантаження, мають високу питому жорсткість при згині та крутінні, добре оброблюються різанням, шліфуються та зварюються різними методами зварювання.

Питома теплоємність магнію приблизно така ж як і у алюмінію, скрита теплота плавлення в 2 рази нижча. Теплопровідність магнію в 1,5 рази нижча ніж у алюмінію, але вища ніж у сталі. Коефіцієнти лінійного розширення магнію та алюмінію приблизно однакові. Магній – парамагнітний метал, його електроопір майже в 2 рази більший ніж у алюмінію.

До недоліків магнію та його сплавів слід віднести: порівняно з алюмінієм, особливо при температурах близьких до кімнатної та нижчих, більш низьку пластичність та технологічність; невисокий модуль пружності (в 2 рази менший ніж у Al та в 5 разів ніж у сталі); низьку швидкість дифузійних процесів, що ускладнює термічну обробку; гіршу корозійну стійкість порівняно з Al та його сплавами; здатність при підвищених температурах до самозаймання внаслідок активної взаємодіє з киснем [3].

На повітрі поверхня магнію покривається тонкою оксидною плівкою MgO, що супроводжується активним виділенням тепла (145,8 Кал/г-атом). При низьких температурах оксидна плівка аморфна, але при нагріванні вище 200°С набуває кристалічної будови. При температурах нижче 450°С товщина оксидної плівки невелика, вона доволі щільна та виконує захисні функції. При більш високих температурах плівка стає нестійкою та починає руйнуватися, внаслідок чого полегшується доступ кисню до поверхні Mg. Низькі захисні властивості оксидної плівки пояснюються тим, що густина плівки значно більша за густину магнію (3,15 г/см³ проти 1,74 г/см³). Швидкість окислення магнію збільшується, кількість виділеного тепла зростає, тепло не встигає відводитися і Mg самозаймається. Магній самозаймається при атмосферному тиску на повітрі та в кисні при температурі 623°С, порошок та дрібна стружка займаються вже при 360°С. Легування вісмутом, проведення плавки і розливки магнію та його сплавів під флюсом (до складу флюсу входять солі NaCl, KCl) зменшує схильність до самозаймання.

Такі елементи як Cu, Ni, Sn, Zn, Al (особливо Cu та Ni) збільшують швидкість окислення магнію та його сплавів на повітрі при підвищених температурах. Свинець, срібло, кадмій, талій мало впливають на швидкість окислення. Уповільнюють процес окислення магнію та його сплавів присадки рідкісноземельних металів – церій та лантан.

Співвідношення параметрів гратки магнію с/а = 1,624 наближається до ідеального значення 1,633 (щільна упаковка атомів відповідно до геометрії ГЩП гратки) і обумовлює умови деформації магнію. При низьких температурах пластичність магнію незначна. В температурному інтервалі 20…200°С ковзання при пластичній деформації відбувається лише по базисній площині (0001). При температурах, що перевищують 200…300°С, деформація може відбуватися як ковзанням так і двійникуванням: ковзання проходить як по базисній так і по пірамідальним та призматичним площинам типу та , двійникування по площинам . Відповідно пластичність магнію та його сплавів зростає. У всіх випадках ковзання здійснюється в найбільш щільнопакованому напрямку . Тому магній та його сплави переважно деформують в інтервалі температур 350…450°С в стані найбільшої пластичності.

Магній легко розчиняється в розбавлених мінеральних кислотах, важко в концентрованій сірчаній та зовсім не взаємодіє з плавіковою кислотою. Реагує з більшістю органічних кислот. З водними розчинами луг слабо реагує при нагріванні та не реагує на холоді. Стійкий в керосині, бензині, мінеральних мастилах, фреоні, спиртах (окрім метилового). З холодною водою практично не взаємодіє. В морській воді швидко кородує.

Способи захисту деталей з магнію та його сплавів від корозії [12]:

1. Неметалеві неорганічні покриття в поєднанні з лакофарбовими покриттями. Неметалеві неорганічні покриття (хімічні та електрохімічні: фторидне фосфатування та станнатування (для жароміцних сплавів), хроматування) для захисту деталей в процесі виробництва, збереження, транспортування та експлуатації в неагресивних мастилах. В поєднанні з лакофарбовими покриттями – для захисту від атмосферної корозії в різних кліматичних умовах.

2. Гальванічні (мідні, кадмієві, нікелеві, срібні, інші) та металізаційні покриття використовують для забезпечення високої електро- та теплопровідності, зносостійкості, в деяких випадках під пайку та для декоративного оздоблення деталей.

Технічно чистий магній маркують буквами Мг та цифрами, які вказують на ступінь чистоти магнію.Наприклад:Мг90 (99,90% Mg), Мг95 (99,95% Mg), Мг80 (99,80% Mg). Хімічний склад наведено в додатку 4.

Внаслідок низьких механічних властивостей технічно чистий магній як конструкційний матеріал широко не використовується. Галузі застосування магнію: піротехніка; в хімічній промисловості для синтезу органічних препаратів; як розкислювач, відновлювач і як легувальний елемент при виробництві сплавів.