Магниевый сплав

Магниевые сплавы — группа конструкционных материалов на основе магния с добавлением легирующих элементов: алюминия, цинка, марганца, циркония, редкоземельных металлов (РЗМ) и других. Благодаря низкой плотности (1,74–1,85 г/см³) и достаточной прочности эти материалы востребованы в авиастроении, приборостроении, автомобильной промышленности и ряде других отраслей, где критична масса конструкции.

Общие сведения о магниевых сплавах

Магний — самый лёгкий из промышленных конструкционных металлов. Его плотность составляет 1,74 г/см³, что в 1,5 раза меньше плотности алюминия (2,70 г/см³) и в 4,5 раза меньше плотности стали (7,85 г/см³). Температура плавления чистого магния — 650 °C, модуль упругости — около 45 ГПа.

В чистом виде магний обладает невысокими механическими свойствами: предел прочности при растяжении составляет около 190 МПа, относительное удлинение — до 18 %. Легирование позволяет значительно повысить прочность, жаропрочность и коррозионную стойкость, расширяя область применения материала.

Классификация магниевых сплавов

По способу изготовления изделий магниевые сплавы разделяют на две основные группы:

Деформируемые магниевые сплавы

Деформируемые сплавы предназначены для получения полуфабрикатов методами горячей обработки давлением: прокаткой, прессованием, ковкой, штамповкой. Из них изготавливают листы, плиты, прутки, профили, трубы, поковки и штамповки. Марки деформируемых сплавов обозначаются буквами МА и порядковым номером.

Основные системы легирования деформируемых сплавов:

Литейные магниевые сплавы

Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок методами литья в песчаные формы, кокиль, по выплавляемым моделям и под давлением. Марки литейных сплавов обозначаются буквами МЛ и порядковым номером. Буквы «пч» означают повышенную чистоту, «он» — общее назначение.

Основные группы литейных сплавов:

Свойства магниевых сплавов

Физические и механические свойства

Главное достоинство сплавов на основе магния — сочетание малой плотности с достаточными прочностными характеристиками. Плотность магниевых сплавов составляет 1,74–1,85 г/см³ в зависимости от состава, что обеспечивает высокую удельную прочность (отношение предела прочности к плотности). По этому показателю они конкурируют с алюминиевыми сплавами и конструкционными сталями.

Удельная жёсткость (отношение модуля упругости к плотности) у магниевых сплавов составляет приблизительно 26 ГПа·см³/г — величина, сопоставимая с удельной жёсткостью алюминиевых сплавов и стали.

Магниевые сплавы отличаются высокой демпфирующей способностью — они эффективно поглощают энергию упругих колебаний. Это свойство важно для деталей, работающих в условиях вибрационных нагрузок: оно снижает чувствительность конструкции к резонансным явлениям и повышает ресурс изделий.

Технологические свойства

В горячем состоянии (при температурах 300–450 °C) магниевые сплавы хорошо поддаются обработке давлением: прессованию, ковке, прокатке, штамповке. Холодная деформация затруднена из-за гексагональной кристаллической решётки магния, ограничивающей количество активных систем скольжения при комнатной температуре.

Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием — с более высокой скоростью и меньшим усилием, чем алюминиевые сплавы и стали. При механической обработке необходимо соблюдать меры пожарной безопасности: мелкая стружка и пыль магния пожароопасны.

При ударах и трении магниевые сплавы не дают искры. Этот материал также является немагнитным, что важно для приборостроения и электротехники.

Коррозионная стойкость

Магний — химически активный металл, что обуславливает ограниченную коррозионную стойкость его сплавов, особенно во влажных и морских средах. Содержание вредных примесей — железа, никеля, меди — существенно ухудшает коррозионные свойства. Поэтому для ответственных деталей применяют сплавы повышенной чистоты (МЛ4пч, МЛ5пч) и обязательную антикоррозионную защиту: анодирование, нанесение лакокрасочных покрытий, оксидирование.

В то же время магниевые сплавы устойчивы в средах на основе щелочей, керосина, бензина и минеральных масел. Высокий электрохимический потенциал магния используется для катодной защиты стальных конструкций посредством магниевых протекторов.

Влияние легирующих элементов

Выбор легирующих элементов для магниевых сплавов ограничен из-за высокой химической активности магния. Основные легирующие добавки и их влияние:

Вредными примесями считаются железо, никель, медь, калий и натрий. Они резко снижают коррозионную стойкость сплавов и должны строго контролироваться.

Основные марки деформируемых магниевых сплавов

Деформируемые магниевые сплавы используются для изготовления магниевого проката: листов, плит, прутков, профилей, труб, поковок и штамповок.

Сплав МА2-1 (система Mg–Al–Zn–Mn)

МА2-1 — один из наиболее распространённых деформируемых магниевых сплавов. Содержит 3,8–5,0 % алюминия, 0,2–0,6 % цинка и 0,15–0,5 % марганца. Обладает хорошим сочетанием прочности, пластичности и технологичности. Применяется для листовых деталей, профилей, штамповок. Хорошо сваривается аргонодуговой сваркой.

Сплав МА5 (система Mg–Al–Zn–Mn)

МА5 содержит 7,8–9,2 % алюминия и 0,15–0,5 % цинка. Отличается повышенной прочностью по сравнению с МА2-1. Применяется для нагруженных деталей, работающих при температурах до 150 °C: кронштейнов, фитингов, элементов силовых конструкций. Хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии.

Сплав МА8 (система Mg–Zn–Zr)

МА8 содержит 1,3–2,2 % цинка и легирован цирконием, обеспечивающим мелкозернистую структуру. Обладает высокой пластичностью и свариваемостью. Применяется для листовых конструкций, в том числе в авиастроении.

Основные марки литейных магниевых сплавов

Сплав МЛ4 (система Mg–Al–Zn–Mn)

МЛ4 содержит 5,0–7,0 % алюминия, 2,0–3,5 % цинка и 0,15–0,5 % марганца. Обладает хорошими литейными свойствами, высоким пределом текучести, невысокой усадкой. Упрочняется термической обработкой (закалка + старение). Применяется для корпусных деталей в авиации и приборостроении: корпусов двигателей, редукторов, приборов.

Сплав МЛ5 (система Mg–Al–Zn–Mn)

МЛ5 — наиболее распространённый литейный магниевый сплав. Содержит 7,5–9,0 % алюминия, 0,2–0,8 % цинка и 0,15–0,5 % марганца. По сравнению с МЛ4 имеет повышенную прочность. Применяется для корпусов приборов, деталей двигателей, корпусов фото- и радиоаппаратуры, авиационных деталей. Выпускается также в вариантах МЛ5пч (повышенной чистоты) и МЛ5он (общего назначения).

Сплав МЛ6 (система Mg–Al–Zn–Mn)

МЛ6 содержит 9,0–10,2 % алюминия и 0,6–1,2 % цинка. Обладает наивысшей твёрдостью среди сплавов системы Mg–Al–Zn, однако при увеличении содержания алюминия свыше 8 % снижаются пластичность и ударная вязкость.

Жаропрочные литейные сплавы (МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ19)

Жаропрочные литейные сплавы легированы редкоземельными металлами (церий, неодим) и цирконием. Они предназначены для деталей, работающих при повышенных температурах (до 250–350 °C в зависимости от марки и условий нагружения). Применяются в авиационных и ракетных двигателях, корпусах и агрегатах, подвергающихся длительному воздействию температуры.

Термическая обработка магниевых сплавов

Для повышения механических свойств литейных магниевых сплавов применяют различные режимы термической обработки:

Сплавы МЛ4, МЛ5 и МЛ6, как правило, подвергают обработке по режимам Т4 или Т6 для достижения оптимального соотношения прочности и пластичности.

Области применения магниевых сплавов

Основные области промышленного применения:

Формы поставки магниевых сплавов

Магниевые сплавы поставляются в следующих видах полуфабрикатов и заготовок:

Особенности работы с магниевыми сплавами

Пожарная безопасность при обработке

Магний и его сплавы являются пожароопасными материалами. Мелкая стружка, опилки и порошок магния способны самовоспламеняться. При плавке и литье необходимо использовать защитные флюсы или инертные газы для предотвращения окисления и возгорания расплава. Тушение магниевых загораний водой недопустимо — для этого применяют сухие флюсы, молотый магнезит или специальные порошковые огнетушители.

Особенности плавки

Плавку магниевых сплавов ведут в тигельных или подовых печах под слоем защитного флюса (например, ВИ2). Все шихтовые материалы перед загрузкой должны быть чистыми, сухими и предварительно подогреты до 80–130 °C. Температура расплава при введении легирующих добавок контролируется в интервале 700–780 °C в зависимости от марки сплава.

Защита от коррозии

Для обеспечения длительной работоспособности деталей из магниевых сплавов обязательно применяют антикоррозионную защиту. Основные методы: анодное оксидирование, нанесение лакокрасочных покрытий, гальванические покрытия (цинкование, хромирование с промежуточными слоями). При конструировании следует исключать контакт магниевых деталей с другими металлами во избежание контактной (гальванической) коррозии.

Преимущества и ограничения магниевых сплавов

Преимущества

Наименьшая плотность среди конструкционных металлических материалов — позволяет снизить массу изделий на 25–35 % по сравнению с алюминиевыми аналогами. Высокая демпфирующая способность обеспечивает эффективное гашение вибраций. Хорошая обрабатываемость резанием снижает трудоёмкость механической обработки. Немагнитность и отсутствие искрообразования расширяют область применения в приборостроении и на взрывоопасных производствах.

Ограничения

Невысокий модуль упругости (около 45 ГПа — в 1,6 раза ниже, чем у алюминия) вынуждает увеличивать сечения деталей для обеспечения жёсткости. Ограниченная коррозионная стойкость требует обязательной антикоррозионной защиты. Склонность к возгоранию требует соблюдения особых мер безопасности при обработке и хранении. Затруднённая холодная деформация ограничивает технологические возможности при формообразовании при комнатной температуре.

Нормативная база

Химический состав и марки магниевых сплавов регламентируются следующими стандартами:

При заказе магниевых сплавов необходимо указывать марку сплава, требуемый вид полуфабриката, размеры и, при необходимости, состояние поставки (термическая обработка).