Взаємодія магнію з домішками

ТА ЛЕГУВАЛЬНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

Магній займає проміжне положення між лужними та перехідними металами. Більшість лужних металів (Na, K, Rb, Cs) та тугоплавких металів (V, Nb, Ta, Mo, W, Fe), а також двовалентні метали підгрупи ІІА (Cа, Sr, Ba) практично не розчиняються в гратці магнію. Для елементів Al, In, Ga, Zn, Li, Ag, Mn, Th, Nd характерна значна розчинність в гратці магнію; Y, Ce, та перехідні метали Ti, Zr розчиняються в невеликих кількостях, а Ве не розчиняється взагалі. Необмежений твердий розчин з магнієм існує лише із кадмій, який з ним має однакову кристалічну гратку, близький атомний діаметр, температуру плавлення, електрохімічні властивості. Магній з елементами IV підгрупи утворює групу інтерметалідів, котра підкоряється правилу валентності (Mg₂Si, Mg₂Ge, Mg₂Sn, Mg₂Pb). Всі діаграми стану сплавів магнію з рідкісноземельними елементами (РЗМ) характеризуються наявністю хімічних сполук: з лантаном – Mg₁₇La₂, з церієм – Mg₁₂Ce, з неодимом – Mg₉Nd, з ітрієм – Mg₂₄Y₅ [12].

Деякі подвійні діаграми стану Mg-елемент наведені на рис.4.1–4.5. На рис.4.6–4.10 наведені потрійні діаграми стану магнієвих сплавів, які використовуються на практиці.

 

b-фаза (Al3Mg2); g-фаза (Mg17Al12); e-фаза (Al30Mg23)

Рисунок 4.1 – Подвійна діаграми стану Mg-Al [16]

Рисунок 4.2 – Подвійна діаграми стану Mg-Li [16]

а	б
в	г

а – Mg-Mn; б – Mg-Zr; в – Mg-Th; г – Mg-Zn

Рисунок 4.3 – Подвійні діаграми стану Mg–легувальний елемент [16]

Рисунок 4.4 – Подвійна діаграми стану Mg-Si [16]

Рисунок 4.5 – Подвійна діаграми стану Mg-Ni [16]

Q – твердий розчин Al в високотемпературній модифікації Mn; g – фаза системи Al-Mg (Mg17Al12); x – фаза системи Al-Mn Рисунок 4.6 – Магнієвий кут діаграми стану системи Mg-Al-Mn [12]

a-фаза – твердий розчин Al, Zn в гратці Mg;

g-фаза – твердий розчин на основі хімічної сполуки Mg₁₇Al₁₂; b-фаза – твердий розчин на основі хімічної сполуки Al₃Mg₂; J-фаза – твердий розчин на основі хімічної сполуки Mg₂Zn₁₁; h-фаза – твердий розчин на основі хімічної сполуки MgZn₂; z-фаза – твердий розчин на основі хімічної сполуки MgZn;

Т-фаза – Mg₃₂(Al,Zn)₄₉

Рисунок 4.7 – Ізотермічний переріз діаграми стану Mg-Al-Zn при 25°С [12]

Рисунок 4.8 – Діаграма стану системи Mg-Ce-Zn (границі фазових областей)

при 20°С (32%Се – Mg₁₂Ce; 41%Се – Mg₉Ce) [12]

1 – одна фаза; 2 – дві фази; 3 – три фази

Рисунок 4.9 – Ізотермічний переріз діаграми стану Mg-Al-Li

при 400°С (а) та 100°С (б) [12]

X, Y, Z – потрійні інтерметаліди

Рисунок 4.10 – Ізотермічний переріз системи Mg-Nd-Zn

при 300°С (а) та 200°С (б) [12]

Основні домішки, що присутні в магнії: Fe, Si, Na, K, Cu, Ni. Залізо, натрій, калій майже не розчиняються в гратці магнію, не утворюють з ним сполук та виділяються у вигляді кристалів по межах зерен. Кремній, мідь, нікель не розчиняються в гратці магнію, утворюють хімічні сполуки Mg₂Si, Mg₂Cu та Mg₂Ni, які виділяються по границям зерен в складі евтектик. Домішки Fe, Si, Na, K, Cu, Ni найбільш негативно впливають на механічні властивості магнію (знижують міцність, пластичність, підвищують схильність до окрихчення), а також суттєво погіршують корозійну стійкість. Тому їх концентрацію обмежують.

Деякі елементи як присадки спеціально вводять в магній. Рафінування вісмутом в кількості 0,005…0,02% зменшує схильність магнію до окислення в процесі плавки та литва. Модифікування цирконієм приводить до подрібнення структури (при введенні 0,2…0,3%Zr в технічно чистий магній марки Мг90 розмір зерна Mg зменшується в 30…40 разів, а при концентрації 0,5…0,6% - в 80…100 разів), підвищення механічних властивостей та корозійної стійкості литого магнію. Суттєве зменшення розміру зерна пояснюється розмірною і структурною відповідністю кристалічних граток Mg та a-Zr (гратка ГЩП, с = 0,5123 нм, а = 0,3223 нм). Основні легувальні елементи в магнієвих сплавах: Al, Zn, Mn, Zr, Cd, Li, РЗМ (рідкісноземельні метали). Алюміній та цинк найбільш розповсюджені легувальні елементи в магнієвих сплавах. При введенні цих елементів до певних концентрацій (4…6%) підвищуються як характеристики міцності так і пластичність. Метою легування Mn є підвищення корозійної стійкості та покращення зварюваності. Цирконій як модифікатор подрібнює зерно, перешкоджає росту зерна при рекристалізації, підвищує міцність та пластичність, покращує корозійну стійкість, зменшує пористість зливків. Крім того, Zr та Mn внаслідок утворення з Fe та Ni хімічний сполук, які мають значну густину і при кристалізації осаджуються на дно тигля, усувають або значно зменшують негативний вплив цих елементів на механічні властивості магнієвих сплавів. Кадмій із Mg не утворює хімічних сполук, підвищує пластичність та міцність магнієвих сплавів за рахунок легування твердого розчину. РЗМ покращують механічні властивості як при кімнатних так і підвищених температурах. Введення до деформівних сплавів Се в невеликій кількості приводить до незначного підвищення міцності та пластичності. Покращення механічних властивостей пов’язано з утворенням дуже дисперсних сполук Mg₉Ce та подрібненням зерна. Літій зменшує густину магнієвих сплавів та підвищує пластичність [12]. На рис.4.11, 4.12 наведено вплив легувальних елементів на механічні властивості магнію.

Рисунок 4.11 – Вплив легувальних елементів

на s_В та d магнію при 20°С (пресовані прутки) [3]

Рисунок 4.12 – Вплив легувальних елементів на твердість магнію

при 150°С (а) та 250°С (б) [3]

Значне зміцнення магнію спостерігається при легуванні Y, Al, Zn, Mn. За впливом на пластичність магнію легувальні елементи поділяють на дві групи: елементи, які зменшують пластичність (Mn, Y); елементи, які до певної концентрації підвищують пластичність (Li, Zn, Sc, Al, Ce), рис.4.11 [3].

Магнієві сплави мають максимальну міцність при кімнатній температурі при введенні легувальних елементів в концентраціях наближених до граничної розчинності в гратці магнію.

Зміцнювальний вплив алюмінію та цинку зберігається лише до температур 150…200°С. При температурах 150…200°С найбільш суттєво підвищує жароміцність неодим, трохи менше – торій (рис.4.12, а). При температурах 250…300°С, навпаки, торій забезпечує більшу твердість, ніж неодим (рис.4.12, б) [3].

Зміцнювальні фази Mg₁₇Al₁₂, MgZn при нагріванні до температури 300°С втрачають 70…90% від вихідної твердості. Більш жароміцні фази Mg₂₃Th₆, Mg₁₂Ce, Mn, котрі при нагріванні до 300°С втрачають менше 50% від вихідної твердості. Інтерметалід Mg₉Nd займає проміжне положення між двома вказаними групами.