Производство магния.

Магний и сплавы на основе магния.

Характеристика магния.

Магний был открыт в 1829 г. в нашей стране, а его производство было начато в 1931-35 г.г.

Плотность магния при 20 ⁰С 1,74 г/см³, температура плавления 651 ⁰С, температура кипения 1107 ⁰С. Магний - серебристо-белый легкоплавкий металл, он окисляется на воздухе, образуя на поверхности слитка окисную пленку, предохраняющую его от дальнейшего окисления. Технический магний Мг1 содержит 99,92 % Mg. В качестве примесей присутствует Fe, Si, Ni, Na, Al, Mn, Cu. Вредными примесями являются Fe, Ni, Cu и Si, снижающие коррозионную стойкость магния. Механические свойства литого магния: σ_в=115 МПа, σ_0,2=25 МПа, δ=8 %, а деформированного (прессованные прутки): σ_в=200 МПа, σ_0,2=9 МПа, δ=11,5 %. Коррозионная стойкость магния в атмосферных условиях удовлетворительная, но в пресной и морской воде он неустойчив.

В виде порошка или тонкой ленты магний легко загорается, поэтому его применяют в производстве осветительных ракет, зажигательных бомб и др. Ввиду большой химической активности магний отнимает кислород у многих окислов и хлор у хлоридов. Это свойство магния используется при получении титана, бора, циркония, урана и других.

Магний - самый легкий среди всех металлов, пригодных для инженерного дела. Он несколько легче бериллия и в полтора раза легче алюминия. Поэтому магний выступает как соперник алюминия в изготовлении легких сооружений из металла, и в частности в самолетостроении.

При взаимодействии магния с углекислым газом образуется пленка окиси магния, которая достаточно хорошо защищает магний в твердом состоянии от загорания.

Пыль дисперсного магния воспламеняется в углекислом газе при температуре 400…440 ⁰С. При температуре 500…600 ⁰С и выше магний бурно реагирует с углеводородами, а также особенно энергично с четыреххлористым титаном.

Магний и его сплавы загораются при погружении их в концентрированную азотную кислоту и в расплавленные щелочи (едкий натр и едкий калий). Они бурно со взрывом взаимодействуют при погружении в расплавленные азотные соли (селитры).

В твердом состоянии магний и его сплавы в компактной форме инертны по отношению к азоту.

Сплавы магния.

Первые промышленные сплавы на основе магния относились к системам магний-марганец, магний-кремний, магний-алюминий-цинк. Сплавы этих систем получили широкое применение и некоторые из них продолжают использоваться в настоящее время. Несколько позднее нашли применение сплавы на основе системы магний-цинк-цирконий. Использование в качестве легирующих добавок цинка и циркония позволило повысить уровень прочностных свойств магниевых сплавов (как литейных, так и деформируемых).

Дальнейший прогресс в повышении прочностных свойств магниевых сплавов был связан с использованием в качестве легирующих добавок редкоземельных металлов. Первоначально в качестве легирующей добавки нашел применение наиболее распространенный редкоземельный металл - церий. Магниевые сплавы, содержащие церий, характеризуются повышенными прочностными характеристиками при высоких температурах, однако при температуре, близкой к комнатной, уступают по прочности сплавам систем магний-алюминий-цинк и магний-цинк-цирконий. Использование в качестве легирующих добавок редкоземельных металлов (лантана и неодима) позволило разработать магниевые сплавы, характеризующиеся более высокими прочностными свойствами при обычных и повышенных температурах, и расширить температурный диапазон их использования.

За рубежом получили применение магниевые сплавы, содержащие в качестве легирующей добавки радиоактивный элемент торий. Литейные и деформируемые магниевые сплавы, содержащие в качестве основной легирующей добавки торий, отличаются высокой жаропрочностью, но их производство и применение осложнено радиоактивностью тория.

Церий (0,2 %) существенно увеличивает пластичность сплавов, измельчает зерно, повышает механические свойства.

Вредными примесями, снижающими коррозионную стойкость, являются Ni, Fe, Si, Cu. Марганец улучшает коррозионную стойкость. Алюминий и цинк до 5…7 % повышают механические свойства, с дальнейшим увеличением их содержания пластичность падает.

В последние годы все большее внимание уделяется использованию в качестве легирующей добавки к магниевым сплавам редкого металла иттрия. Такое легирование позволяет достигнуть более высоких, чем у известных магниевых сплавов, прочностных свойств как при обычных, так и при повышенных температурах. В настоящее время проводятся работы по определению оптимального состава промышленных магниевых сплавов, содержащих иттрий, разрабатывается технология их литья, обработки давлением и термической обработки, проводится опробование сплавов в конструкциях различного назначения.

Магниевые сплавы обычно хорошо свариваются, причем по механическим характеристикам при кратковременном статическом нагружении сварные швы почти не уступают основному металлу, в некоторых случаях превосходят его. Выход из строя сварных конструкций является следствием, в основном, развития микротрещин от технологических дефектов в швах, например непроваров, включений, пор, или из-за понижения прочностных свойств в околошовной зоне.

Одна из наиболее важных задач современной науки о металлах - создание и совершенствование легких и сверхлегких сплавов, применение которых позволит снизить вес конструкции, особенно в ракетостроении, космонавтике и авиации.

Магниеволитиевые сплавы являются самым легким металлическим конструкционным материалом. Промышленные магниеволитиевые сплавы имеют удельный вес на 10…20 % меньше, чем обычные магниевые, на 30 % меньше, чем бериллиевые сплавы, в 2 раза легче алюминиевых сплавов. Их удельный вес такой же как у наиболее легких пластмасс при значительно большей прочности и жесткости.

В настоящее время разработаны и успешно применяются в конструкциях высокопрочные и жаропрочные литейные магниевые сплавы, пригодные для длительной эксплуатации при температурах 250…350 ⁰С и кратковременной - до 400 ⁰С.

Максимальные рабочие температуры наиболее жаропрочных магниевых сплавов примерно в 2 раза (на 150…200 ⁰С) превосходят предельные рабочие температуры высокопрочных магниевых сплавов, таких, как МЛ5, МЛ12. Поэтому применение их дает возможность не только облегчить детали различных изделий при замене алюминиевых, а иногда и титановых сплавов, но и значительно увеличить надежность и ресурс работы магниевых деталей.

Отечественные промышленные жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе систем магний - редкоземельный металл (цирконий, неодим, иттрий, лантан, церий, празеодим).

Славы на основе системы магний - неодим отличаются удачным сочетанием высоких механических свойств при комнатной температуре с высокой жаропрочностью, хорошими литейными и технологическими свойствами.

Все жаропрочные сплавы, помимо редкоземельных металлов, содержат в своем составе цирконий, который является эффективным измельчителем зерна и оказывает рафинирующее действие, очищая сплавы от вредных в коррозионном отношении примесей.

Церий (до 0,02 %) существенно увеличивает пластичность, измельчает зерно, повышает механические свойства.

Редкоземельные металлы снижают окисляемость магниевых сплавов в жидком и твердом состояниях. Однако при литье металлоемких или тонкостенных отливок с большими поверхностями сплавы иногда дополнительно легируют малыми количествами бериллия. Содержание бериллия в сплавах обычно не превышает 0,0001 %.

Все жаропрочные магниевые сплавы разработаны на основе системы с ограниченной и переменной растворимостью элементов в твердом состоянии. Они значительно упрочняются с помощью термической обработки - закалки и последующего старения. Поэтому литые детали из жаропрочных магниевых сплавов, как правило, применяют в термически обработанном состоянии.

Сплавы магния, легированные иттрием в количестве от 2 до 8…9 % и выше, относятся к группе чувствительных к коррозионному растрескиванию. Дополнительное легирование цинком, кадмием, алюминием в количествах, превышающих пределы их растворимости в магнии, уменьшает сопротивление коррозионному растрескиванию.

Повышение чистоты магниевоиттриевых сплавов способствует повышению их сопротивления общей коррозии и коррозионному растрескиванию.

Другой путь снижения чувствительности к коррозионному растрескиванию - правильный выбор режимов термической обработки сплавов.

Магниевые сплавы делятся на 2 группы: деформируемые сплавы обозначаются МА, и литейные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методом фасонного литья (обозначаются МЛ), цифры после букв МА и МЛ ни на что не указывают.

Деформируемые магниевые сплавы используются в виде листов, полос, профилей, прутков и поковок. Они обычно содержат 1…2 % Mn, до 0,8 % Al, десятые доли процента кальция и церия; высокопрочные сплавы - до 5 % Al и 1,5 % Zn, а жаропрочные магниевые сплавы добавки циркония, никеля и др. Деформируемые магниевые сплавы имеют прочность до 264…274 МПа при удлинении 7…12 %.

Сплав МА1 обладает хорошей пластичностью, хорошей свариваемостью и хорошей коррозионной стойкостью. Для средненагруженных деталей применяют сплавы МА8 и МА9, которые удовлетворительно свариваются и имеют достаточную коррозийную стойкость.

Магниевые сплавы имеют высокую теплоемкость (~ в 2,5 раза она выше, чем у стали), то-есть они могут поглотить много тепла не перегреваясь.

Горячую обработку давлением магниевых сплавов проводят в интервале температур 360…470 ⁰С для МА1 и при температуре 400 ⁰С для МА8.

Деформируемые магниевые сплавы применяется для сварных резервуаров, бензо- и маслобаков, деталей арматуры, трубопроводов, летательных аппаратов, деталей прядильных и ткацких станков.

Литейные магниевые сплавы содержат 2,5…9 % Al, 0,2…1,5 % Zn и 0,15…0,5 % Mn; предел прочности при растяжении 177…235 МПа при растяжении 3…8 %. Они имеют невысокий модуль упругости (Е ~ 43000 МН/м²) и вследствие этого высокое демпфирующее свойство (гасят колебания и вибрации конструкции). Детали, отлитые из жаропрочных магниевых сплавов (сплав МЛ10), способны работать длительное время при температуре до 250 ⁰С, а кратковременно при температурах до 400…450 ⁰С. Сплав МЛ3 применяют для отливок простых форм, воспринимающих ударные нагрузки, обладает хорошими литейными свойствами. Однако литейные магниевые сплавы имеют невысокую коррозионную стойкость; для ее повышения отливки из этих сплавов оксидируют и покрывают защитными лаками.

Литейные магниевые сплавы широко применяют в самолето- и ракетостроении, в автомобильной промышленности (для картеров двигателей, коробок передач), в электротехнике, радиотехнике (для деталей и корпусов приборов), в текстильной и полиграфической промышленности, в транспортном машиностроении и т.д.

Производство магния.