Магниевый сплав

 

Интерес к магниевым сплавам как к конструкционным  литейным материалам объясняется их особыми свойствами: малым удельным весом; относительно высокими механическими свойствами; способностью воспринимать  большие ударные нагрузки; химической стойкостью по отношению к щелочам, керосину, бензину и минеральным маслам; хорошей обрабатываемостью к режущим инструментам и т.д.

Применение магниевых сплавов дает возможность снизить вес машин и повысить их коэффициент полезного действия.

В настоящее время магниевые сплавы не отличаются большим разнообразием, характерным для алюминиевых сплавов.  В промышленности применяются всего несколько магниевых сплавов.  Наибольшее распространение из них получили сплавы системы Mg +Al+Zn.

 

Классификация магниевых сплавов

Классификация литейных магниевых сплавов производится в зависимости от химического состава, таб 1.

химический состав магниевых сплавов

 Из приведенной таблицы видно, что для изготовления фасонных деталей применяется 6 марок магниевых сплавов.  Заливка магниевых сплавов может производиться в песчаные формы, в кокиль и под давлением.

Часть сплавов для улучшения механических свойств  подвергают термической обработке: гомогенизации или гомогенизации и старению. Механические свойства магниевых сплавов зависят от технологии литья и метода термической обработки, см. табл.2.

механические свойства сплавов

   Наибольшее применение в литейном производстве находят магниевые сплавы МЛ4,МЛ5 и МЛ6.

 

Влияние элементов на свойства магниевых сплавов

Основными компонентами магниевых литейных сплавов является алюминий, цинк, марганец и кремний.

Магниевый сплав МЛ1 содержит основной легирующий элемент – кремний. В твердом магнии растворяется не свыше 0,1% кремния. Избыточный кремний и магний образуют химическое соединение Mg2Si ·Mg и эвтектику с содержанием кремния до 1,4% кремния.  Сплав МЛ1 имеет эвтектическое строение с небольшим температурным интервалом кристаллизации, табл. 3.

температурные интервалы кристаллизации магниевых сплавов

   Эвтектика Mg2Si ·Mg отличается хрупкостью, поэтому сплав МЛ1 имеет невысокие механические свойства по сравнению с другими магниевыми сплавами. Термической обработке этот сплав не подвергается.

С повышением содержания в сплаве кремния  коррозионная  стойкость сплава снижается.

Литейные свойства сплава МЛ1 невысокие: литейная усадка в простых отливках, без стержней, достигает 1,9%; относительный объем усадочных раковин больше, чем у других  сплавов системы Mg-Al- Zn.

Большая линейная и объемная усадка затрудняет изготовление фасонных деталей.  Сплав МЛ1 отличается высокой герметичностью, он находит применение при изготовлении простых деталей повышенной плотности.  В промышленности этот сплав применяют мало.

Сплав МЛ2 в качестве легирующего элемента содержит марганец. Марганец при комнатной температуре растворяется в магнии в незначительных количествах.  При эвтектической температуре в твердом сплаве растворяется 3,4% марганца.  При изготовлении отливок необходимо стремиться получить гомогенную структуру.  Магниево- марганцевые сплавы имеют узкие  температурные интервалы кристаллизации.

Механические свойства сплава МЛ2 низкие , табл. 2. , поэтому для изготовления деталей, испытывающих  значительные нагрузки,  он непригоден. Сплав этот отличается повышенной коррозионной  стойкостью. Литейные свойства сплава МЛ2 низкие: большая линейная усадка, низкая жидкотекучесть;  при кристаллизации образуются большие усадочные раковины.

Незначительный температурный интервал затвердевания позволяет изготовлять плотные отливки.

Сплав МЛ2 применяют только для литья в песчаные формы. Он пригоден для изготовления ненагруженных  несложных по конфигурации деталей, подвергаемых сварке или испытывающих воздействие агрессивных сред.

Магниевые сплавы системы Mg-Al-Zn содержат в качестве легирующих элементов алюминий, цинк, марганец. Марганец в этих сплавах всегда присутствует в одних и тех же количествах, он вводится в сплав для повышения коррозионной стойкости. Таким образом, эта группа сплавов отличается только по  содержанию алюминия и цинка. Влияние алюминия, цинка и других элементов на коэффициент линейной усадки показано на рис. 1.

Влияние добавок металлов на коэффициент линейной усадки магния

   Растворимость цинка в магнии увеличивается с повышением температуры и при 341ᴼ достигает 8,4%. Это дает возможность подвергать отливки термической обработке для повышения механических свойств.

Растворимость алюминия в магнии при нормальной температуре составляет 2,3%. Повышение температуры до 436ᴼ дает раствор магния с содержанием до 12,6% алюминия.  Присадка алюминия в магниевые сплавы улучшает литейные свойства и дает возможность  подвергать отливки термической обработке с целью улучшения свойств.

Магниевый сплав МЛ3 обеспечивает получение плотных отливок, но обладает большой линейной усадкой и низкой жидкотекучестью.  Сплав предназначен для изготовления деталей несложной конфигурации, требующих  повышенной герметичности.  Из этого сплава могут изготовляться детали, испытывающие ударные нагрузки. Применяется сплав МЛ3 без термической обработки, так как содержит в своем составе незначительное количество алюминия и цинка.

Магниевый сплав МЛ4 предрасположен к образованию  пористости и к трещинообразованию, так как имеет большой температурный интервал кристаллизации.  Этот сплав применяется только для литья в песчаные формы. Детали из этого сплава после термической  обработки могут  работать в условиях  повышенных нагрузок. Этот  сплав для деталей, менее нагруженных, может применяться без термической обработки.

Магниевый сплав МЛ5 обладает сравнительно хорошими литейными свойствами: имеет небольшую склонность к образованию пористости и трещинообразованию. Это сплав находит широкое применение  в промышленности для литья в песчаные формы, в кокиль и под давлением. Отливки из этого сплава могут применяться без  термической обработки и термически обработанные.

Сплав МЛ5 предназначен для изготовления нагруженных деталей, испытывающих ударные и вибрационные воздействия.

 

Магниевый сплав МЛ6 обладает сравнительно  хорошими литейными свойствами, но пластические свойства его несколько ниже, чем у сплавов МЛ4 и МЛ5.  Повышенное содержание цинка до 2% несколько повышает склонность сплава к пористости. Этот сплав может быть использован для литья в песчаные формы, кокиль и под давлением.

Детали из этого сплава могут быть использованы в работе как термически обработанные, так и без термической обработки.

Для деталей,  идущих на термическую обработку,  содержание алюминия в сплаве должно быть максимальным.

В магниевых сплавах, кроме основных элементов, могут содержаться различные примеси.  Одни примеси ухудшают качество отливок, другие, наоборот, улучшают  их.  К нежелательным примесям относятся такие элементы как кремний, медь, железо.

Примесь в сплаве более 0,3%  кремния снижает предел прочности и удлинения. Примесь меди понижает механические свойства и коррозионную стойкость сплава.  Особенно заметное снижение механических свойств в сплавах МЛ4 и МЛ5 наблюдается  при совместном  содержании кремния и меди в сумме  более 0,4-0,5%.

Железо слабо растворяется в магнии, но даже при незначительных  количествах растворенного железа сплавы снижают  коррозионную  стойкость.

К полезным примесям относятся берилий и кальций, которые в отдельных случаях, специально вводятся в сплав.  Эти примеси предохраняют сплав от окисления. Кальций улучшает механические свойства сплава.

Для измельчения первичной структуры магниевых сплавов их  подвергают модифицированию.  Сравнительная характеристика  физических свойств литейных магниевых сплавов приведена в табл 4.

сравнительная таблица физических свойств магниевых сплавов

Способы улучшения свойств магниевых сплавов

Улучшение качества отливок из магниевых литейных сплавов достигается несколькими путями: обработкой жидкого сплава, применением наиболее совершенной технологией литья и термической обработкой.  Особенно большое внимание в современной практике уделяется обработке жидкого сплава.

Магниевые литейные сплавы подвергаются  трем видам обработки: рафинированию –для удаления неметаллических включений; дегазации – для удаления растворенных в металле газов; модифицированию – для размельчения первичного зерна.

Рафинирование магниевых сплавов ранее проводилось в основном флюсами. В настоящее время применяют газовое рафинирование хлором и другими  менее токсичными газами, например аргоном.  Рафинирование газами повышает  механические свойства магниевых  сплавов.

Газовое рафинирование магниевых сплавов устраняет пористость, что улучшает качество отливок.

Значительный эффект улучшения магниевых сплавов достигается применением модифицирующих веществ. Так, например, четыреххлористый углерод (гексахлорбензол) повышает предел прочности при растяжении с 22 до 27 кг/мм2, а относительное удлинение  с 5 до 9-13%.   Особенно хорошие результаты достигаются при совместной обработке сплава хлором и четыреххлористым углеродом.

Улучшение качества магниевых сплавов можно достигнуть путем введения в их состав  дополнительных элементов – циркония, церия и др.

Особые магниевые сплавы

К этой группе магниевых сплавов относятся такие сплавы, которые не охвачены ГОСТом, но благодаря их более высоким литейным, механическим и физико-механическим свойствам применяются в промышленности.

Основной недостаток ранее рассмотренных магниевых  литейных сплавов состоит в том, что они  обладают  низкой жаропрочностью. Предел ползучести резко понижается уже при 150ᴼ. Поэтому для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах, обычные магниевые сплавы мало пригодны. Кроме жаропрочности, добавка отдельных элементов повышает предел текучести, улучшает пластические свойства, устраняет пористость и улучшает литейные свойства.

Наиболее известны сплавы магния с церием, цирконием, литием,  кадмием и др.

В сплавах системы Mg-Ce-Mn повышается жаропрочность до 250ᴼ вместо 150ᴼ для обычных сплавов. Химический состав этих сплавов колеблется в следующих пределах: 6-10% Ce; до 2% Mn, остальное магний.

Механические свойства зависят от технологии литья и термической обработки и находятся в следующих пределах: для литого сплава без термической обработки Ϭb=10-13 кг/мм2; ϬS=9-11 кг/мм2;  δ=0-1.0 % и ψ = 0-2,0%; для термической обработанного сплава : Ϭb=12-14 кг/мм2; ϬS=10-12 кг/мм2;  δ=0-1.0 % и ψ = 0-2,0%.

Изменение механических свойств  сплава в зависимости от  температуры показано на рис 2.,

влияние температуры на механические свойства магниевого сплава

Для сравнения на графике показано изменение предела прочности  для сплава МЛ4 предел прочности резко снижается, начиная примерно от 150ᴼ. Предел ползучести у этих сплавов также снижается, начиная с 150ᴼ , но он находится при всех  температурах выше, чем у других магниевых сплавов.

В магниевых сплавах системы Mg –Zr-Zn содержится 2-7% Zn; 0,3-08% Zr; остальное магний.

Механические свойства литого сплава находятся в следующих  пределах: Ϭb=12-14 кг/мм2; ϬS=6-10 кг/мм2;  δ=5-15 %.

Недостатки сплавов  системы Mg-Zr-Zn является сложность  их приготовления,  связанная с введением циркония и его ликвацией. Эти сплавы  подвергаются термической обработке для изготовления деталей, высоконагруженных и требующих высоких  пластических свойств и высокого предела текучести ( ϬS=15-17,5 кг/мм2;  δ=5-15 %).

Особенности технологии производства отливок из магниевых сплавов

При изготовлении деталей из магниевых сплавов необходимо соблюдать специальные меры предосторожности вследствие большого химического сродства магния с кислородом. При нормальной температуре детали из магниевых сплавов не воспламеняются даже при соприкосновении с открытым пламенем. Загорание магниевого сплава  может произойти, если он будет нагрет до  температур, близких к температуре плавления. Практически сплав МЛ5 при нагревании  загорается при температуре около 430ᴼ, а сплав МЛ4 – при температуре около 400-410ᴼС.

В литейном производстве, поскольку изготовление деталей связано с высокими  температурами выше температуры плавления, возникает опасность загорания магниевых сплавов. Поэтому при изготовлении литых деталей принимают соответствующие защитные меры против возгорания: защита сплава может быть при плавке, при заливке сплава в литейную форму, при термической обработке в печах, при механической обработке режущим инструментом.

Чтобы обеспечить получение качественного литья из магниевых сплавов хорошего качества, технолог должен уделить особое внимание  процессу плавки. Плавка ведется под слоем флюсов, во время заливки струя опыливается серным порошком, формовочные материалы и стержневые смеси изготовляются с добавкой специальных присадок, которые устраняют  возгорание сплава. Все необходимые мероприятия против возгорания магния предусмотрены правилами по технике  безопасности, которыми надлежит руководствоваться при изготовлении фасонных деталей из магниевых сплавов.

Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов