Проволока из магниевых сплавов МА, МЛ, AZ

Магниевые сплавы для изготовления проволоки

Проволока из магниевых сплавов — специализированный прокат, выпускаемый методом горячего прессования (экструзии) с последующей правкой или волочением. Основное назначение — присадочный материал при аргонодуговой сварке (TIG) магниевых конструкций, а также полуфабрикат для деталей авиационной, ракетной и автомобильной техники.

Характеристика магниевых сплавов, применяемых в форме проволоки, определяется системой легирования. По составу эти сплавы делятся на несколько групп: Mg–Al–Zn (серии МА и AZ), Mg–Zn–Zr (МА14, МА19), Mg–Li (МА18, МА21), Mg–Zr–РЗМ (МЛ10, ВМД10) и литейные Mg–Al–Zn (МЛ5). Каждая группа отличается набором механических свойств, коррозионной стойкостью и свариваемостью.

Нормативная база: ГОСТ Р 56031-2014

Прессованная проволока из магниевых сплавов в России регламентируется ГОСТ Р 56031-2014 «Проволока прессованная из магниевых сплавов. Технические условия». Стандарт распространяется на проволоку диаметром от 1,2 до 8 мм, поставляемую в бухтах или пучках.

Согласно ГОСТ Р 56031-2014, магниевая проволока изготавливается из следующих марок сплавов: МА2, МА2-1, МА2-1пч, МА5, МА8, МА15, МА18, МА21 (ИМВ2), МЛ5, МЛ10, ВМД10, МА20-1 (Св-1), МА3-1 (Св-2). Химический состав деформируемых сплавов (МА2–МА21) определяется по ГОСТ 14957-76, литейных (МЛ5, МЛ10) — по ГОСТ 2856-79, а составы ВМД10, МА20-1 и МА3-1 указаны непосредственно в таблице 2 ГОСТ Р 56031-2014.

Проволока поставляется без консервации, упаковывается в деревянные ящики с прокладкой битумированной бумагой. По условиям транспортирования относится к 4-му классу опасности по ГОСТ 19433.

Деформируемые сплавы серии МА (система Mg–Al–Zn)

Сплавы серии МА на основе системы магний–алюминий–цинк — наиболее распространённая группа для изготовления проволоки магниевой для сварки и деформационной обработки. Алюминий повышает прочность и твёрдость, цинк улучшает литейные свойства, марганец связывает примеси железа и повышает коррозионную стойкость.

Проволока из сплава МА2-1

Магниевый сплав МА2-1 — основной конструкционный материал для сварных магниевых конструкций. Система Mg–Al–Zn–Mn. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Al 3,8–5,0 %, Zn 0,8–1,5 %, Mn 0,3–0,7 %, остальное — Mg и допустимые примеси (Fe до 0,04 %, Si до 0,1 %, Ni до 0,004 %, Cu до 0,05 %).

Плотность сплава МА2-1 составляет 1790 кг/м³. Предел прочности прутков — 255 МПа, предел текучести — 145 МПа, относительное удлинение — 8 %. Модуль упругости — 42 ГПа, теплопроводность — 96,3 Вт/(м·К). Предельная рабочая температура: 150 °C — длительная, 200 °C — кратковременная.

Проволока из МА2-1 и МА2-1пч (повышенной чистоты) — основной присадочный материал при TIG-сварке деталей из того же сплава: панелей, штамповок, элементов сварных конструкций в авиа- и ракетостроении. Сплав отличается удовлетворительной свариваемостью и хорошей пластичностью при горячей деформации.

Проволока из сплава МА5

Сплав МА5 — более прочный представитель системы Mg–Al–Zn. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Al 7,8–9,2 %, Zn 0,2–0,8 %, Mn 0,15–0,5 %, остальное — Mg. Повышенное содержание алюминия обеспечивает предел прочности до 310 МПа в прессованном состоянии, однако пластичность и свариваемость ниже, чем у МА2-1.

Проволока из сплава МА5 применяется как присадка при сварке деталей из магниевого сплава МА5 и МЛ5 — литейного аналога близкого состава. Поскольку МА5 содержит значительное количество алюминия, при сварке необходимо учитывать склонность к образованию горячих трещин — требуется строгое соблюдение режимов и предварительный подогрев.

Высокопрочные сплавы системы Mg–Zn–Zr

Сплав МА14

МА14 принадлежит к системе Mg–Zn–Zr. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Zn 5–6 %, Zr 0,3–0,9 %, остальное — Mg. Плотность — 1800 кг/м³. Цирконий выступает модификатором зерна, что обеспечивает высокую прочность: предел прочности прутков в состаренном состоянии — 265–315 МПа, предел текучести — 175–245 МПа.

Сплав МА14 относится к несвариваемым — его склонность к горячим трещинам при сварке практически не позволяет получить качественное соединение. Проволока из МА14 используется не как присадочный материал, а в качестве конструкционного полуфабриката для деталей, не подвергаемых сварке.

Сплав МА19

МА19 — высокопрочный сплав системы Mg–Zn–Zr–Nd–Cd. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Zn 5,5–7,0 %, Nd 1,4–2,0 %, Zr 0,5–0,9 %, Cd 0,2–1,0 %. Добавка неодима повышает жаропрочность, цирконий измельчает зерно.

Как и МА14, сплав МА19 считается несвариваемым. Проволока из этого сплава находит применение в специальных конструкциях, где требуются высокая удельная прочность и стойкость к ползучести при умеренных температурах.

Сверхлёгкие магниево-литиевые сплавы (МА18, МА21 / ИМВ2)

Магниево-литиевые сплавы — уникальный класс конструкционных материалов с плотностью ниже, чем у стандартных магниевых сплавов. Литий уменьшает плотность, повышает пластичность и улучшает обрабатываемость давлением, однако снижает прочность и коррозионную стойкость.

Сплав МА18

МА18 — сверхлёгкий деформируемый сплав системы Mg–Li–Zn–Al. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Li 10–11,5 %, Zn 2–2,5 %, Al 0,5–1 %, Ce 0,15–0,3 %, Mn 0,1–0,4 %. Высокое содержание лития переводит кристаллическую решётку из ГПУ частично в ОЦК, что существенно повышает пластичность и способность к холодной деформации.

Проволока из МА18 может использоваться при изготовлении деталей, работающих в диапазоне от −253 до +60 °C при умеренных нагрузках. Сварка магниевых сплавов серии МА18 возможна методом TIG в среде аргона на переменном токе. Присадочная проволока должна соответствовать составу основного металла.

Сплав МА21 (ИМВ2)

МА21 (обозначение в ГОСТ Р 56031-2014 — ИМВ2) — деформируемый магниево-литиевый сплав системы Mg–Li–Al–Cd–Zn. Химический состав по ГОСТ 14957-76: Li 7,5–9,0 %, Al 4,3–5,3 %, Cd 4–5 %, Zn 1–2 %. Плотность сплава МА21 — одна из самых низких среди конструкционных металлических материалов.

Наличие кадмия и лития определяет специфику работы с этим сплавом: кадмий токсичен при нагревании, а литий легко окисляется. Сварку и обработку проволоки МА21 проводят с усиленной вентиляцией и строгим контролем защитной атмосферы.

Литейные магниевые сплавы для проволоки (МЛ5, МЛ10)

Сплав МЛ5

МЛ5 — литейный магниевый сплав системы Mg–Al–Zn по ГОСТ 2856-79. Химический состав: Al 7,5–9,0 %, Zn 0,2–0,8 %, Mn 0,15–0,5 %. По составу МЛ5 близок к деформируемому МА5 и международному AZ91. Проволока из МЛ5 применяется как присадочный материал при ремонтной сварке литых деталей из этого же сплава — корпусов, кронштейнов, картеров.

Сплав МЛ10

МЛ10 — жаропрочный литейный магниевый сплав системы Mg–Zr–Nd–РЗМ по ГОСТ 2856-79. Легирован цирконием, неодимом и другими редкоземельными металлами. Предельная рабочая температура: 250 °C — длительная, 350 °C — кратковременная. Плотность — 1810 кг/м³. Температура начала кристаллизации — 640 °C.

Проволока из МЛ10 используется для сварки жаропрочных магниевых отливок, работающих при повышенных температурах: деталей газотурбинных двигателей, узлов ракетной техники. Сварка выполняется аргонодуговым методом (TIG) на переменном токе.

Сварочная проволока из специальных сплавов (ВМД10, МА20-1, МА3-1)

Помимо стандартных конструкционных марок, ГОСТ Р 56031-2014 предусматривает выпуск проволоки из специальных сварочных сплавов, состав которых оптимизирован для работы в качестве присадочного материала.

ВМД10 — специализированный сплав, химический состав которого определён в таблице 2 ГОСТ Р 56031-2014. Проволока ВМД10 предназначена для сварки ответственных конструкций из жаропрочных магниевых сплавов.

МА20-1 (Св-1) и МА3-1 (Св-2) — присадочные сплавы, специально разработанные для обеспечения качества сварного шва. Буквенный индекс «Св» указывает на их целевое назначение в качестве сварочного материала.

Международные аналоги: проволока AZ31B, AZ61A, AZ91D

В международной практике для обозначения магниевых сплавов используется система ASTM, где буквы обозначают основные легирующие элементы (A — алюминий, Z — цинк), а цифры — их приблизительное процентное содержание.

AZ31B — проволока магниевая общего назначения

AZ31B (UNS M11311) — деформируемый сплав, ближайший аналог МА2-1 по составу. Химический состав по ASTM B107: Al 2,5–3,5 %, Zn 0,6–1,4 %, Mn ≥ 0,20 %, примеси ограничены (Si до 0,10 %, Cu до 0,05 %, Ni до 0,005 %, Fe до 0,005 %). Плотность — 1770 кг/м³.

Механические свойства экструзии AZ31B: предел прочности — 260 МПа, предел текучести — 200 МПа, относительное удлинение — 15 %. Теплопроводность — 96 Вт/(м·К). Модуль упругости — 44,8 ГПа.

Проволока AZ31 магниевая — наиболее востребованный присадочный материал на мировом рынке. Сплав хорошо сваривается методами TIG и MIG в среде аргона. AZ31B обеспечивает оптимальное сочетание прочности, пластичности и коррозионной стойкости.

AZ61A — повышенная прочность

AZ61A (UNS M11610) — сплав с увеличенным содержанием алюминия. Химический состав: Al 5,8–7,2 %, Zn 0,4–1,5 %, Mn ≥ 0,15 %. Плотность — 1800 кг/м³. Предел прочности экструзии — 310 МПа, предел текучести — 215–220 МПа, удлинение — 14–16 %.

По сравнению с AZ31B, сплав AZ61A обеспечивает более высокую прочность сварного шва и лучшую коррозионную стойкость. Применяется как присадка при сварке конструкций из сплавов с содержанием алюминия 5–7 %, а также для сварки деталей из AZ61A и AZ80A.

AZ91D — литейный сплав

AZ91D (UNS M11916) — наиболее распространённый литейный магниевый сплав в мировой практике. Химический состав: Al 8,3–9,7 %, Zn 0,35–1,0 %, Mn ≥ 0,15 %. Плотность — 1810 кг/м³. Является аналогом российского МЛ5.

Отливки из AZ91D (в версиях A и B) не свариваются. Версии AZ91C и AZ91E допускают сварку аргонодуговым методом с использованием присадочной проволоки AZ92A или AZ61A. Необходима последующая термическая обработка для снятия напряжений.

Подбор присадочной проволоки для сварки магниевых сплавов

Выбор марки присадочной проволоки при сварке магниевых сплавов зависит от состава основного металла. Основной принцип — состав присадки должен быть близок к составу свариваемого изделия. Использование проволоки иного состава допускается, когда необходимо скомпенсировать выгорание легирующих элементов или улучшить стойкость шва к образованию трещин.

Свариваемый сплав	Рекомендуемая присадочная проволока
МА2-1, МА2-1пч	МА2-1, МА2-1пч, МА20-1 (Св-1)
МА5	МА5, МА3-1 (Св-2)
МА8	МА2-1, МА8
МА18	МА18
МЛ5	МА5, МА3-1 (Св-2)
МЛ10	МЛ10, ВМД10
AZ31B	AZ31B, AZ61A
AZ61A	AZ61A
AZ91C, AZ91E	AZ61A, AZ92A

Особенности сварки магниевых сплавов

Сварка магниевых сплавов — технически сложный процесс, требующий специального оборудования и квалификации сварщика. Магний активно окисляется на воздухе, образуя тугоплавкую оксидную плёнку MgO с температурой плавления около 2800 °C. Эта плёнка препятствует сплавлению металла и должна быть разрушена в процессе сварки.

TIG-сварка на переменном токе (AC)

Аргонодуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом (TIG / WIG) на переменном токе — основной метод соединения деталей из магниевых сплавов. Переменный ток обеспечивает катодное распыление оксидной плёнки в полупериоды обратной полярности, что невозможно при использовании постоянного тока.

В качестве защитного газа используется аргон высокой чистоты (не ниже 99,95 %). Для толстостенных деталей допускается применение смеси аргона с гелием, что увеличивает тепловложение и глубину проплавления.

Расход защитного газа, сила тока и скорость сварки подбираются в зависимости от толщины стенки свариваемых деталей. Детали толщиной более 5 мм, как правило, требуют предварительного подогрева до 200–300 °C для предотвращения трещин.

Подготовка проволоки и поверхности

Перед сваркой магниевая проволока для сварки должна быть очищена от оксидной плёнки и загрязнений. Поверхность протирают растворителями (ацетон, уайт-спирит), затем зачищают мелкозернистой наждачной бумагой или нержавеющей стальной щёткой. Использование обычных стальных щёток недопустимо — частицы железа внедряются в поверхность и провоцируют коррозию.

Свариваемые кромки обрабатываются аналогичным образом. Зазор между деталями выставляется минимальный, поскольку магниевые сплавы имеют высокий коэффициент линейного расширения (около 26 × 10⁻⁶ K⁻¹) и склонны к деформациям.

Особенности ISO-обозначений для специальных присадок

В международной практике для жаропрочных магниевых сплавов с добавками редкоземельных металлов используются присадочные проволоки с обозначениями по ISO 3116. Обозначение ISO-MgRE2Ag1Zr указывает на присадку, легированную редкоземельными металлами (RE), серебром (Ag) и цирконием (Zr), предназначенную для сварки жаропрочных отливок. Обозначение ISO-MgRE3Zn2Zr указывает на сплав с повышенным содержанием редкоземельных элементов, цинка и циркония для аналогичных задач.

Формы поставки магниевой проволоки

Проволока из магниевых сплавов поставляется в следующих формах:

• В бухтах — для механизированной подачи при полуавтоматической и автоматической сварке. Диаметры: 1,2; 2,0; 2,5; 3,0 мм.
• В пучках прямых прутков — для ручной TIG-сварки. Диаметры: 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0 мм. Длина прутков определяется по согласованию.

Теоретическая масса 1 погонного метра проволоки магниевой рассчитывается при плотности 1,8 г/см³ (соответствует сплаву МА5). Для проволоки из других сплавов применяются переводные коэффициенты из приложения А к ГОСТ Р 56031-2014.

Хранение и безопасность

Магний и его сплавы пожароопасны. Стружка, пыль и тонкая проволока способны воспламеняться при контакте с открытым пламенем или при нагреве. Тушение водой категорически запрещено — реакция магния с водой экзотермическая и сопровождается выделением водорода.

Проволока из магниевых сплавов хранится в закрытых сухих помещениях, защищённых от попадания влаги и агрессивных сред. Недопустим контакт с кислотами, солями и хлоридами. При длительном хранении на поверхности проволоки может образоваться оксидная плёнка — перед использованием её необходимо удалить механическим способом.

При работе с магниево-литиевыми сплавами (МА18, МА21) и кадмийсодержащими сплавами (МА21, МА19) необходимы дополнительные меры: усиленная вытяжная вентиляция, индивидуальные средства защиты органов дыхания, контроль предельно допустимых концентраций вредных веществ в рабочей зоне.

Сводная таблица свойств основных магниевых сплавов для проволоки

Марка сплава	ГОСТ / ASTM	Система легирования	Плотность, кг/м³	σв, МПа	Свариваемость
МА2-1	ГОСТ 14957-76	Mg–Al–Zn–Mn	1790	250–260	Хорошая
МА5	ГОСТ 14957-76	Mg–Al–Zn–Mn	1820	до 310	Удовлетворительная
МА14	ГОСТ 14957-76	Mg–Zn–Zr	1800	265–315	Не сваривается
МА18	ГОСТ 14957-76	Mg–Li–Zn–Al	~1500	—	Хорошая
МА21 (ИМВ2)	ГОСТ 14957-76	Mg–Li–Al–Cd–Zn	~1500	—	Хорошая
МЛ5	ГОСТ 2856-79	Mg–Al–Zn–Mn	1810	230 (литьё Т6)	Удовлетворительная
МЛ10	ГОСТ 2856-79	Mg–Zr–Nd–РЗМ	1810	220–250 (литьё Т6)	Хорошая
AZ31B	ASTM B107	Mg–Al–Zn–Mn	1770	260	Хорошая
AZ61A	ASTM B107	Mg–Al–Zn–Mn	1800	310	Хорошая
AZ91D	ASTM B94	Mg–Al–Zn–Mn	1810	230 (литьё)	Ограниченная (C/E)

Примечание. Значения σ_в указаны для типичных полуфабрикатов (экструзия или литьё); конкретные показатели зависят от режима термообработки, диаметра и метода испытания.