Магнію сплави

МА́ГНІЮ СПЛА́ВИ — сплави двох і більше металів, з пере­важаючим вмістом магнію. Значну частину пром. випуску магнію (Mg) використовують в алюмінієвій промисловості для легування. Однак для пром. виробництва потрібні й легкі М. с., яким властиві унікал. по­єд­на­н­ня питомої міцності та жорсткості, рідкоплин­ності та роз­мір. стабільності. Багато М. с. за питомою міцністю пере­вищують найкращі сорти сталі, а за характеристиками змочуваності та сумісності з армувал. елементами успішно конкурують з алюм. та навіть титан. композиційними матеріалами. М. с. найкраще зарекомендували себе у середовищах з під­вищеною т-рою. У Mg макс. корисна температура становить 650 °С, температура корис. міцності — 343 °С, абсолютна температура плавле­н­ня — 67 %; у Аl — від­повід­но 660, 288, 60; у Ti — 1704, 649, 46; у Fe (мартенсит) — 1538, 732, 56; Fe (устенит) — 1538, 871, 63; Ni — 1455, 1071, 78. Макс. корисну температуру ви­значають довільно як температуру, при якій сплав може витримати напруже­н­ня 69 МПа протягом 100 год. без руйнува­н­ня. Особливу увагу приділяють пер­спектив. литим М. с., які містять рідкоземел. метали (РЗМ), а також високоміц. литим сплавам системи Mg–Zn–Zr–РЗМ, які при низькому вмісті Zn і високих концентраціях La, Sm та ін. РЗМ проявляють міцність понад 400 МПа. Зокрема сплав WE 43А, роз­роблений чиказ. матеріало­­знавцями (Magnesium Casting Corporation, США), за характеристиками питомої міцності σ_в/γ, опору повзучості та терміч. стабільності (до 220 °С) може замінити ві­домі комерц. алюм. та титан. сплави. Як легкі кон­струкційні матеріали (густиною1,8 кг/дм³) використовують: від­носно дешеві M. с. системи Mg–Аl–Mn–Zn з за­даними характеристиками опору повзучості, тривалої міцності та мех. властивостями; M. с. системи Mg–Li з густиною до 1,35 кг/дм³ та під­вищеною питомою жорст­кістю; M. с., які містять у від­носно великих кількостях коштовні легуючі елементи, зокрема Y, Sc, РЗМ; композиц. матеріали з метал. матрицею на основі Mg, яка зміцнена SіС, Аl₂O₃ та волокнами графіту (має міцність до 825 МПа та модуль пружності до 170 ГПа при введен­ні зміцнювача в обʼєм. частці 40 %). Надлегкі сплави системи Mg–Li. Зменше­н­ня густини (до 1,3 кг/дм³) сплаву з вищим, ніж у сталі, питомим модулем пружності досягають легува­н­ням Mg найлегшим метал. елементом Li. Висока роз­чин­ність Li у структурі гексагонал. щільнозапаков. решітки Mg (бл. 90 %) призводить до формува­н­ня сплавів з обʼємноцентров. кубіч. решіткою, яка покращує характеристики їхньої пластич. деформації. У системі Mg–Li немає інтерметал. зʼ­єд­нань (магнідів). М. с., які містять 11 % Li, забезпечують сприятливе по­єд­на­н­ня високої температури плавления (593 °С), низької густини (1,4 кг/дм³) та дуже високої пластичності. Осн. недоліки: зменше­н­ня міцності (на роз­тягне­н­ня) при високих концентраціях Li, слабкий опір корозії та висока вартість. Мех. властивості надлегких бінар. Mg–Li сплавів можна істотно покращити унаслідок додава­н­ня Аl, який спричиняє твердорозчин­не зміцне­н­ня матриці та під­вище­н­ня в обʼємі частинок фази Аl–Li. При цьому питома міцність легких потрій. Mg–Li 8Аl13 сплавів (120 МПа см³/г) пере­вищує питому міцність сталі St70. Хоча міцність Mg–Li сплавів (185 МПа) й збільшується з під­вище­н­ням вмісту Аl (до 3–4 %), однак при певних умовах інтерметалід АlLi робить крихкими межі та спричиняє де­градацію міцності цього сплаву. Сплави з Mg, Y, Sc і РЗМ. Сплавам системи Mg–Y, напр. WE 43 (Y — 3,75– 4,25 %), WE 54 (Y — 5,2 %, РЗМ — 3,5 %, Zr — 0,5 %; Magnesium Electron Corporation, США), властиві знач. опір повзучості, тривала міцність у широкому інтервалі т-р (до 300 °С), а також короз. стійкість (як і в алюм. сплавів А356). Однак висока вартість Y, РЗМ та ін. рідкіс. легуючих елементів (Sc, Li) обмежує їхнє пром. викори­ста­н­ня у масовому виробництві. Крім того, Y реагує з флюсом, що змушує виконувати плавле­н­ня та лит­т­тя цих М. с. лише в інерт. середовищі, a Li взаємодіє з повітрям, що значно під­вищує затрати на виробництво й обробле­н­ня. Найкращі з пер­спектив. систем М. с., які містять Y, Sc і РЗМ (Nd та ін.), а також домішки Zr, Ni, SiC, вирізняються високою міцністю (350–400 МПа), знач. опором повзучості, терміч. стабільністю (до 230 °С) і тому можуть замінити або витіснити в промисловості деякі Аl- і Ti-сплави. Сплави системи Mg–Аl– Zn (для лиття під тиском). РЗМ (Y, La, Се, Nd) і рідкісні метали (Тh) збільшують опір повзучості при під­вищен­ні температури (до 250 °С), зменшують залишк. мікропористість і компенсують спричинену Zn надмірну крихкість. Zn у термічно зміцнених Mg–Аl–Zn і Mn–Zn–Zr системах М. с. стабілізує структуру (при 150 °С) та спричиняє ефект дис­персій. твердне­н­ня унаслідок роз­паду твердого роз­чину Mg–Zn. Однак при вищих т-рах коагуляція MgZn су­проводжується повним знеміцне­н­ням М. с. системи Mg–Al–Zn–Mn–Si–Сu. У технології лиття під тиском цьому М. с. властиві висока рідкоплин­ність і роз­мірна стабільність у процесі екс­плуатації. Разом з цим, напр., сплав AZ91D (Dow. Chemical Cor­­poration, США) для лиття під тиском по­єд­нує короткочасну міцність, рідкоплин­ність і короз. стійкість, однак за характеристиками тривалої міцності (до 135 °С) й опору повзучості по­ступається новим екс­перим. сплавам, зокрема через збіднену евтект. структуру та роз­шарува­н­ня Mg–Al твердого роз­чину. Екс­периментальні сплави систем Mg–Ва, Х і Mg–Al, Са, X. Від­кри­т­тя хімічно звʼяза­­них парних дефектів у твердих роз­чинах, пере­насичених надлишк. вакансіями, та можливість формува­н­ня на цій основі кластерів з влас. електрон. структурою створюють нові пер­спективи для отрима­н­ня М. с. з високим опором повзучості та тривалою міцністю, яка зокрема забезпечується зерномеж. кластер. зміцне­н­ням. За даними рентґенів. і ультрафіолетово-фото­електрон. спектро­скопії, концентрація валент. електронів най­імовірніше є критич. параметром стабільності структури кластера. Нова структура екс­перим. сплавів системи Mg–Ва, Х і Mg–Al, Са, X під­силює вкладе­н­ня евтектич., зерномеж., нанодис­перс. і нанофаз. зміцне­н­ня. Легов. кластери, зокрема Mg_nВа_m, які мають власну електрон­ну структуру з міцнішим хім. звʼяз­­ком і когерент. поверх­нями роз­поділу в твердих роз­чинах, збільшують тривалу міцність сплавів при під­вищених т-рах (150–200 °С) і напруже­н­нях (65–70 МПа) за принципом твердне­н­ня унаслідок хім. реакцій (chemosetting) у твердих роз­чинах. Електрон­но-мікро­скоп. дослідж. тонкої структури М. с. евтектич. походже­н­ня під­тверджують наявність когерентно по­­вʼязаних із матрицею нанокластерів роз­міром 4–12 нм і густиною 5 ∙ 10¹⁰см^-2. Кластери Mg₁₆Ba₂ виявляють за рефлексами фази Mg_l7Ba₂, що практично доводить подібність параметрів їхньої решітки. Дугоподібна форма рефлексів матриці та їх роз­митість вказують на кластеризацію структури твердого роз­­­чину, яка нагадує пере­дфаз. виділе­н­ня (напр., зони Ґіньє–­Престона). Армовані М. с. і композиційні матеріали (ВКМ). Найбільш знач. під­вище­н­ня міцності М. с. досягають введе­н­ням у метал. матрицю зміцнюючих волокон, «вусів» неметал. походже­н­ня, зокрема SiC (деформов. М. с.) и Аl₂O₃, графіту, скла (литі М. с.). Макс. значе­н­ня модуля пружності (до 170 ГПа) отримані для композиц. матеріалів магнієвий від­ливок–­графіт. волокна (при їхньму по­здовж. укла­дан­ні до обʼєм. частки 40 %). ВКМ мають кращі властивості, напр., порівняно з алюм., завдяки змочув. здатності магнієвої матриці. Змочуваність графіт. волокон можна додатково покращити покри­т­тями. Осн. пере­вага М. с. як матриці ВКМ полягає в тому, що вони практично не реагують зі всіма класами ниткоподіб. кри­сталів, «вусів» і волокон, забезпечуючи хорошу сумісність (змочуваність) для багатьох з них. Волокна не взаємодіють і є термічно стабільними у рідкому Mg та його сплавах до 750 °С, що до­зволяє використовувати для синтезу (зʼ­єд­на­н­ня) рідкофазну технологію, методи просоче­н­ня та лиття під тиском. Жароміцність системи Mg–25 % В при 500 °С становить 67 % його міцності при кімнат. т-рі, що є найкращим показником серед усіх М. с. Осн. недоліки ВКМ на основі М. с.: висока вартість (декілька тис. дол. США за 1 кг), анізотропія та агломерація волокон. Mg часто зміцнюють дешевшими дис­перс. частками тугоплав. хім. зʼ­єд­нань (карбіди, оксиди, нітриди, силіциди), які до того ж не агломерують в матриці при наявності дифузії. Дис­персно зміцнені композиц. матеріали надійно працюють при високих т-рах. Опір зсуву забезпечують у цьому випадку орованів. механізмами пере­різува­н­ня та обгина­н­ня некогерент. часток дис­локаціями або дифузій. пере­повза­н­ня дис­локацій (при т-рах вище 0,5 Т_корис.). Дис­персне зміцне­н­ня М. с. наночастинками SiC (~20 нм) істотно збільшує межу повзучості. Від 1970-х рр. ві­домі тиксотропні М. с., роз­роблені за спец. технологією, що формує мікро­структури з новими властивостями. Вони є напів­твердими масами, які адаптованіші до квазірід. умов, коли їхня вʼязкість зменшується під дією зсуву. Ефективне пере­мішува­н­ня сплаву під час його охолодже­н­ня до температури між ліквідусом і солідусом призводить до руйнува­н­ня нормал. (твердих) дендритів і пере­творе­н­ня їх у глобулярні частки. Реол. і тиксотропне обробле­н­ня пром. М. с. AZ91D формує його недендрит. литу структуру з морфол. змінами у ви­гляді комірок, оточених збідненою евтектикою. Осн. досягне­н­нями в цій галузі стали: покраще­н­ня якості продукції, під­вище­н­ня ефективності лиття (під тиском), вища продуктивність, виродже­н­ня дендрит. структури та зниже­н­ня температури обробле­н­ня. Нині М. с. за­стосовують в авіації, ракетобудуван­ні, автомоб. і електрон. (зокрема й для виготовле­н­ня кіно- і фото­апаратури) пром-стях.

Завантажити статтю