Використання магнієвих сплавів

Завдяки малій густині та високій питомій міцності магнієві сплави широко використовують в авіабудуванні. З них виготовляють корпуси приладів, насосів, ліхтарі, двері кабін. В ракетній техніці з магнієвих сплавів виготовляють корпуси ракет, обтічники, стабілізатори, паливні баки. Це дозволяє знизити масу ракет на 20…30%.

Деякі магнієві сплави мають високу здатність до демпфування, гасять вібрації та шум, і тому з них виготовляють корпуси, в яких монтується електрична апаратура для керованих снарядів.

З ливарних магнієвих сплавів виготовляють кронштейни, елементи кріплення, елерони, деталі хвостового оперення, з деформівних – обшивку корпусів, стрингери, лонжерони, опорні гальмівні конструкції та інші деталі.

Також магнієві сплави знайшли застосування в автомобілебудуванні: з них виготовляють картери двигунів та коробок передач автомобілів, диски колес.

Магнієві сплави використовують в конструкціях переносного ручного інструменту (свердлильні та шліфувальні машини, пили для лісової промисловості, пневматичні інструменти, газонокосарки та інше).

В електро- та радіотехніці з магнієвих сплавів виготовляють корпуси приладів та електродвигунів, в текстильній промисловості – бобіни, шпульки, котушки та інше.

В ядерній енергетиці завдяки низькій здатності магнію поглинати теплові нейтрони, відсутності взаємодії з ураном та гарній теплопровідності з магнієвих сплавів виготовляють трубчасті тепловидільні елементи у атомних реакторах.

Магнієві сплави мають високий електронегативний потенціал, тому їх використовуються для протекторного захисту від морської корозії кораблів та конструкцій, для захисту від підземної корозії газопроводів, нафтапроводів та інше.

БЕРИЛІЙ

Берилій метал сірого кольору, за зовнішнім виглядом нагадує сталь. Плавиться при температурі 1289°С. Має дві поліморфні модифікації: до 1254°С існує a-Ве з ГЩП граткою (параметри гратки при 18°С а = 0,22856 нм, с = 0,35832 нм, с/а = 1,5677), від 1254 до 1287°С існує b-Ве з ОЦК граткою (параметр гратки при 1250°С а = 0,2549 нм). При перетворенні гратки ГЩП в ОЦК густина зростає приблизно на 5%. При температурі 20°С густина берилію становить 1,848 г/см³. Діаметр атому берилію становить 0,226 нм [13].

За розповсюдженістю в земній корі займає 32 місце. Відомо 54 мінералів до складу яких входить берилій, більше половини з них силікати, 24% – фосфати, 10% – оксиди, 9% – борати, арсенати та карбонати. Промисловий видобуток берилію здійснюють в основному з двох мінералів – берилла та бертрандита.

Основні недоліки берилію: токсичний рідкісний метал високої вартості, що має низьку пластичність, значну анізотропію механічних властивостей в деформівних напівфабрикатах, високу чутливість до концентраторів напружень.

Переваги берилію порівняно з іншими конструкційними матеріалами: висока питома міцність (σ_в /rg) та питома пружність (Е/r), табл.5.1, табл.5.2. Модуль пружності Ве в 1,5 та 2,5 рази більше ніж у сталі та титану відповідно. Також Ве має доволі високий модуль зсуву ~140ГПа. Поєднання малої густини з високим модулем пружності обумовлює високу швидкість розповсюдження звуку в берилії – 12600 м/с, що приблизно в 2,5 рази більше ніж в сталі.

Таблиця 5.1 – Питома міцність матеріалів [14]

Материал	σв, МПа	r, (кг/м^3)∙ 10^–3	σв/rg, км
Берилій		1,8
Магнієвий сплав МА10		1,8
Сталь 03Н18К9М5Т		7,8
Титановий сплав ВТ6		4,5
Алюмінієвий сплав В95		2,9

Берилій внаслідок високого модуля пружності та малої густини перевершує всі інші матеріали за показником питомої жорсткості (рис.5.1) і зберігає цю перевагу до 500…600°С.

Таблиця 5.2 – Абсолютні (Е) та питомі (Е/r) модулі пружності Ве та інших металів [13]

Метал	tпл, °С	r, г/см^3	Е, ГПа	(Е/r)×10^-7, м
Be		1,85		16,60
B		3,3		12,16
Fe		7,8		2,65
Al		2,7		2,63
Os	~3050	22,5		2,53
Mg		1,76		2,50
Ti		4,5		2,44
Ir		22,4		2,34
Re		21,0		2,25
W		19,3		1,88
Zn		7,1		1,55
Cu		8,9		1,40

Рисунок 5.1 – Вплив температури на питомий модуль пружності

різних матеріалів

Берилій порівняно з іншими конструкційними матеріалами має більш високу міцність, кращу стабільність геометричних розмірів з часом, добрі корозійні властивості, найменше значення щільності та поперечного перерізу захвату теплових нейтронів.

При кімнатній температурі у сухому повітрі берилій стійкий, а у вологому повітрі повільно окислюється. При нагріванні на повітрі до 600°С незначно окислюється. При температурах вище 700°С металевий Ве реагує з азотом з утворенням нітриду Be₃N₂, який має високу твердість. У воді на поверхні утворюється щільна оксидна плівка. В перегрітій воді при 300°С технічний берилій руйнується через 2 доби. Берилій стійкий в розплаві Li до 593°С, Hg до 315°С, Bi та Pb до 673°С. Лужні метали Na, K, Ca технічної чистоти внаслідок присутності в них кисню призводять до корозії берилію. Якщо розчинність кисню в берилії незначна (£0,01%) корозія не відбувається [13].

Для Ве характерні високі значення теплопровідності та теплоємності (питома теплоємність берилію в 2,5 рази більша за теплоємність Al та у 8 разів більша ніж у сталі). Низький температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) берилію близький до ТКЛР сталі, тому Ве можна використовувати в конструкціях зі сталлю.

За електро- та теплопровідністю берилій поступається лише сріблу, міді, золоту та алюмінію. Берилій – діамагнітний метал. Порядковий номер берилію дорівнює 4, тому він дуже слабко поглинає рентгенівські промені і проникнення променів крізь Ве в 17 разів більше ніж крізь Al. Берилій серед всіх елементів (крім вуглецю) має найвищу температуру Дебая (1453 К).

Характерна особливість Ве – низька пластичність. На пластичність металів з ГЩП граткою впливає не тільки співвідношення с/а, а і легкість розмноження дислокацій та швидкість їх розповсюдження по площинам ковзання під час пластичної деформації. Співвідношення с/а ГЩП гратки Ве менше за теоретичне значення (1,633) і в такому випадку базисна площина не єдина можлива площина ковзання, тобто берилій повинен мати значну пластичність. Але внаслідок малої енергії дефектів пакування ковзання дислокацій по площинам базису ГЩП гратки Ве здійснюється легко що і пояснює низьку пластичність Ве: на відміну від Ті ковзання в ГЩП гратці Ве відбувається, в основному, по площині базису (0001) та меншою мірою по площинам , двійникування лише по площинам .

Механічні властивості Ве залежать від 3 факторів: чистоти металу, текстури та величини зерна [13]. Так в залежності від чистоти Ве механічні властивості можуть коливатися в межах s_в = 300…1000 МПа, d = 3…20%. Причому підвищення міцності не завжди супроводжується зниженням пластичності.

Більшість елементів сильно спотворюють гратку берилію через малий розмір атому Ве, що призводить до окрихчення його сплавів. Крихкість – природна властивість берилію.

В деформівних напівфабрикатах Ве розвивається суттєва анізотропія механічних властивостей. Так в прутках, отриманих видавлюванням, при кімнатній температурі границя міцності (s_в) в напрямку, перпендикулярному осі видавлювання, становить 0,4…0,6 від s_в в напрямку видавлюваня; відносне видовження в напрямку видавлювання в десятки разів більше, ніж в перпендикулярному напрямку.

При нагріванні нагартованого берилію до температури 600…625°С впродовж 1…6 годин залишкові напруження повністю знімаються (відбувається зворот). Берилій після значної деформації здатний до рекристалізації при температурі вище 700°С. Рекристалізація наслідує текстуру деформації, тому зберігається анізотропія властивостей.

Берилій зварюється методом дугового зварювання, піддається як м’якій, так і твердій пайці. Обробка різанням погана.

Відливки з берилію одержують вакуумним переплавом. Компактний берилій отримують порошковою металургією: подрібнення та стирання в порошок губки, зливків, корольків, пластівців. При масовому виробництві малогабаритних виробів, заготовки з порошку берилію виготовляють методом холодного пресування з наступним спіканням у вакуумі. При виробництві крупногабаритних виробів заготовки виготовляють гарячим пресуванням порошку у вакуумі. Із заготовок, одержаних методами порошкової металургії, виготовляють поковки, штамповки, листи, прутки, труби, дріт. Деформівні напівфабрикати виготовляють також із зливків берилію, але це менш розповсюджений метод.

Механічні властивості Ве, отриманого порошковою металургією, залежать від розміру порошинок, вмісту оксиду ВеО та вмісту домішок. Подрібнення порошинок приводить до подрібнення структури, зростання кількості оксиду ВеО, підвищення міцності (дисперсне зміцнення) та пластичності (чистий спечений берилій, який має дрібнозернисту структуру (d = 1…3 мкм), схильний до надпластичності), зниження температури холодноламкості.

Компактний берилій та вироби з нього не токсичні, але тонкодисперсна пил, що утворюється при виробництві берилію та його обробці різанням дуже токсична, тому необхідно дотримуватись застережних заходів.

СПЛАВИ НА ОСНОВІ БЕРИЛІЮ

Більшість елементів або зовсім не розчиняються в гратці Ве або мають незначну розчинність. З більшістю елементів берилій взаємодіє за евтектичною реакцією або за перитектичною реакцію з утворенням проміжних фаз. Помітну розчинність в гратці Ве мають Co, Ni, Cu, Ag, Fe, але із зниженням температури розчинність цих елементів в гратці Ве зменшується, внаслідок чого відбувається виділення з твердого розчину частинок хімічних сполук, які призводять до окрихчення Ве.

Найбільш перспективними сплавами на основі системи Be-Al (діаграма стану наведена на рис. 5.2) є сплави з 20…40%Al. Особливістю діаграми Al-Be є відсутність взаємної розчинності компонентів один в одному та наявність евтектики, що складається з майже чистого Al із незначною кількістю вкраплень Ве і характеризується високою пластичністю. Сплави системи Be-Al мають двофазну структуру: м’яка пластична евтектика (Al+Be) та крихкі, доволі тверді частинки Ве. Завдяки пластичній матриці знижується концентрація напружень біля частинок Ве, що зменшує вірогідність утворення тріщин та підвищує пластичність і ударну в’язкість сплавів системи Be-Al. Сплави системи Be-Al характеризуються високими механічними (рис.5.3) та технологічними властивостями. Чим більше в сплавах Ве, тим вище їх міцність та жорсткість.

Легуванням можна підвищити механічні властивості сплавів системи Be-Al. Оскільки більшість легувальних елементів з Ве утворює хімічні сполуки, то сплави Be-Al легують елементами, які розчиняються в гратці Al (в межах граничної розчинності) і не взаємодіють з Ве. При цьому структура легованих Be-Al сплавів повинна залишитись незмінною: евтектика (Al + Be) + Ве, де фаза Ве практично не змінюється, а фаза Al уявляє собою зміцнений твердий розчин заміщення, який зберігає доволі високу пластичність. Легувальні елементи, які відповідають цим вимогам: Mg, Zn.

Вплив Mg на механічні властивості сплавів системи Be-Al-Mg наведено на рис.5.4. Сплави системи Be-Al-Mg при однаковому вмісті Ве суттєво перевищують за міцністю та жорсткістю подвійні Be-Al сплави. Так, при 20%Ве міцність сплавів системи Be-Al-Mg в 3 рази вища порівняно із сплавами системи Al-Ве, а при 30% – в 2,5 рази. Одночасно зростають показники жорсткості та пластичності.

Рисунок 5.2 – Діаграма стану системи Al-Ве [13]

Рисунок 5.3 – Залежність механічних властивостей сплавів системи Al-Ве від вмісту Ве [13]

.

Рисунок 5.4 – Механічні властивості сплавів систем Be-Al-Mg (1)

та Be-Al (2) [13]

Сплави системи Be-Al-Mg з вмістом Ве від 30 до 70% перевершують алюмінієві, титанові сплави та сталі за показником питомого модуля пружності в 2…3 рази та більше (табл.5.4).

Таблиця 5.4 – Модуль пружності сплавів системи Be-Al-Mg та промислових конструкційних сплавів [13]

Сплав	r, г/см^3	Е, ГПа	(Е/r)×10^-7, м
Сталь	7,85		2,65
В95	2,85		2,56
Д16	2,78		2,56
ВТ16	4,52		2,33
АБМ-3	2,05		10,5
АБМ-4	2,25		7,04
АБМ-1	2,35		5,7

Примітка: сплави АБМ – сплави системи Be-Al-Mg. Маркування сплавів буквено-цифрове: А – алюміній, Б – берилій, М – магній; цифри – умовний номер марки. Хімічний склад сплавів наведено в табл.5.7.

Для покращення ливарних властивостей сплави системи Be-Al-Mg легують міддю, що дозволяє отримувати відливки складної конфігурації та з тонкостінними перерізами. Крім того, мідь зміцнює Al розчиняючись в його гратці. Недолік легування міддю: мідь розчиняється в гратці Ве та призводить до погіршення механічних властивостей, особливо пластичності (рис.5.5).

а – сплав з 30% Ве; б – сплав з 50% Ве

Рисунок 5.5 – Вплив Mg та Cu на механічні властивості сплавів

системи Be-Al [13]

Оскільки температура плавлення Ве набагато перевищує температуру плавлення Al, то при кристалізації сплавів системи Be-Al з рідкої фази, яка дотикається стінок виливниці, кристалізується Ве, в самому розплаві формується розвинутий трьохмірний силовий берилієвий каркас, алюміній збагачує області між осями дендритів цього каркасу і затвердіває, віддаючи тепло кристалізації в елементи каркасу. Таким чином, малі об’єми алюмінію затвердівають оточені вже сформованим берилієвим каркасом. Затвердівання алюмінію може проходити з дуже високою швидкістю (з більшою ніж при охолодженні алюмінієвих гранул у воді), таке охолодження дозволяє легувати алюміній елементами в концентраціях більших за граничну розчинність в рівноважному стані та отримувати структури, які відповідають нерівноважним умовам кристалізації. Введення в Be-Al розплав гетерогенних центрів кристалізації, поверхнево-активних елементів дозволяє керувати морфологією, дисперсністю та швидкістю росту берилієвого каркасу [14].

Таким чином зливки із сплавів системи Be-Al є легкими металевими литими композиційними матеріалами (КМ). Ці сплави вдало поєднують високу пластичність алюмінію та міцність Ве. Для сплавів характерна добра здатність до деформації, низька чутливість до надрізу.

Хімічний склад ливарних берилієвих сплавів (ЛБС) наведено в табл.5.5.

Таблиця 5.5 – Хімічний склад (%, Ве – основа) ливарних берилієвих сплавів [13]

Марка сплаву	Al	Ni	Mg	Cu	Zr, Sc, Y, Gd, РЗМ	Домішки, не більше
Si	Fe	Mn	Ti	O2
ЛБС-1	24…34	3…6	-	-	0,06…0,21*	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-2	36…24	3,5…4,5	0,6…0,8	-	0,03…0,12**	0,1	0,15	0,1	0,05	0,1
ЛБС-3	30…34	-	0,1…0,6	6…8	0,05…0,1	0,1	0,15	-	-	0,1

Примітка. Принцип маркування: буква Л – ливарний, Б – берилій, С – сплав; цифри – номер марки. * Допускається введення тільки Zr, Sc. ** Допускається введення тільки одного або декілька елементів Sc, Zr, La, Pr, Nd при вмісті: мінімальному — 0,01 %, максимальному — 0,08 % будь-якого.

Механічні властивості сплавів ЛБС наведено в табл.5.6.

Деформівні напівфабрикати із сплавів на основі системи Be-Al мають структуру, яка характерна для КМ, але на відміну від КМ одержана не механічним з’єднанням елементів композиції, а внаслідок пластичної деформації дендритної структури, отриманої при кристалізації.

Хімічний склад деформівних сплавів системи Al-Be-Mg наведено в табл.5.7.

Типові механічні властивості та густина сплавів системи Al-Be-Mg наведено в табл.5.8.

Таблиця 5.6 – Механічні властивості ливарних берилієвих сплавів [13]

Властивості	Марка сплаву
ЛБС-1	ЛБС-2	ЛБС-3
σв, МПа	220…250	250…320	270…280
σ0,2, МПа	180…220	220…270	250…270
δ, %	2…3	2…3	1,1…1,3
ψ, %	2…3	2…3,5	-
KCU, МДж/м^2	0,025…0,035	0,033…0,040	0,025…0,045
E, ГПа

Таблиця 5.7 – Хімічний склад деформівних берилієвих сплавів системи Al-Be-Mg (Al – решта), % [13]

Марка сплаву	Ве	Mg	Ti	Домішки, %	Сума
Fe	Si	Ni
АБМ-1	28…32	4,2…5,5	-	0,2	0,1	0,1	0,5
АБМ-2	18…22	7,0…8,0	-	0,2	0,2	-	0,5
АБМ-3	67…72	1,5…2,5	-	0,2	0,2	0,1	0,5
АБМ-4	43…47	2,8…4,0	0,01…0,04	0,07	0,05	0,03	0,5
АБМ-40-3	За хімічним складом близький до АБМ-4

Таблиця 5.8 – Типові механічні властивості та густина сплавів системи Al-Be-Mg (деформований напівфабрикат) [13]

Марка сплаву	r, г/см^3	Е, ГПа	G, ГПа	sв, МПа	s0,2, МПа	d, %	KCU, МДж/м^2
АБМ-1	2,35			430…500	250…300	11…20	0,15…0,30
АБМ-2	2,40		41,5	420…500	200…240	15…29	0,2…0,3
АБМ-3	2,05		97,8	550…620	380…480	7…12	0,09…0,16
АБМ-4	2,18			520…590	370…450	9…15	0,15…0,25

Для зняття нагартовки прокатні листи зі сплавів АБМ відпалюють за режимом: температура 380…420°С, тривалість 2 год., охолодження на повітрі.

Найбільший ефект зміцнення в сплавах на основі Al-Be спостерігається при одночасному легуванні Mg та Zn в межах їх граничної розчинності в гратці Al. При такому легуванні сплави системи Al-Be-Mg-Zn мають двофазну структуру: Al + Be. При більших концентраціях Mg та Zn можливе виділення крихких фаз b (Al₃Mg₂) та Т (Al₂Mg₃Zn₃), що призводить до різкого зниження пластичності та міцності.

При маркування сплавів системи Al-Be-Mg-Zn використовують наступне позначення: А – алюміній, Б – берилій, М – магній, Ц – цинк.

Найбільш розповсюджений сплав системи Al-Be-Mg-Zn – сплав АБМЦ. Хімічний склад сплаву, %: 18…22 Ве; 4,8…5,2 Mg; 1,8…2,2 Zn; 0,15 Fe; 0,15 Si; 0,1 Ni; Al – решта. Механічні властивості сплаву АБМЦ після термічної обробки (гартування 460° та штучне старіння 140°С, 16 год.): Е = 115 ГПа, s_в = 570…670 МПа, d = 7…10%, KCU = 0,07 МДж/м².

Використання берилію. Берилій та його сплави економічно доцільно використовувати в ракетно-космічній, авіаційній, лазерній техніці, в телескопах, оптичних системах. Також Ве може використовуватися в атомній енергетиці (для виготовлення уповільнювачів та відбивачів для атомних реакторів).

Щоб зменшити поглинання рентгенівських променів спеціальні вікна для виходу променів в рентгенівських трубках виготовляють з Ве.

Берилій може використовуватися в деяких акустичних системах в якості джерела нейтронів.

Берилій та його сплави внаслідок високої питомої жорсткості та питомої короткотривалої міцності знайшли використання в авіаракетній техніці: елерони, фюзеляж, деталі кріплення, зварні відсіки, зварні паливні баки, обтічники надзвукових літаків, тяги керування, гальмівні диски літаків, носові конуси та оболонки ракет, камери згоряння та сопла ракетних двигунів (завдяки високій теплоємності та теплопровідності сопло витримує температури до 3000°С).

Висока теплоємність та теплопровідність в поєднанні з високою теплотою плавлення дозволило використати Ве в якості теплозахисних екранів космічних апаратів при входженні їх в щільні шари атмосфери. Також з Ве виготовляють антени космічних кораблів та супутників, рулі космічних апаратів, дзеркала оптичних телескопів, які встановлюються на космічних апаратах.

Берилій поєднує високу міцність з малою питомою вагою. Внаслідок малої ваги виникають менші відцентрові сили в деталях, які швидко обертаються. Менша інерційність дозволяє підтримувати або змінювати напрям обертання шляхом менших затрат енергії. Тому Ве використовується для виготовлення інерційних систем.

Деталі, виготовленні із дисперсного порошку Ве, не змінюють розміри з часом і їх використовують в гіроскопах систем орієнтації та стабілізації ракет, космічних кораблів та штучних супутників Землі.

Берилій також використовується в конструкції підводних човнів та торпед, що дозволяє збільшити глибину їх занурення.

ВАЛЬНИЦЕВІ СПЛАВИ

(антифрикційні матеріали)

Антифрикційні матеріали використовують для виготовлення деталей вузлів тертя механізмів та машин (вальниці ковзання та інші деталі тертя). Ці матеріали повинні мінімально зношуватися, створювати умови для нормального змащування, мати низький коефіцієнт тертя, що забезпечує малу швидкість зношування самого сталевого чи чавунного валу.

Антифрикційність забезпечують наступні властивості матеріалів; висока теплопровідність, значний опір корозії, гарне змочування мастильним матеріалом, здатність матеріалу при терті легко деформуватися і збільшувати площину контакту.