Магнезиеви сплави: приложение, класификация и свойства

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Магнезиевите сплави имат редица уникални физични и химични свойства, основните от които са ниска плътност и висока якост. Комбинацията от тези качества в материалите с добавка на магнезий прави възможно производството на продукти и конструкции с високи якостни характеристики и ниско тегло.

характеристики на магнезий

Промишленото производство и употребата на магнезий започва сравнително наскоро - само преди около 100 години. Този метал има ниска маса, тъй като има относително ниска плътност (1,74 g / cmᶟ), добра устойчивост на въздух, алкали, газообразни среди, съдържащи флуор и минерални масла.

Неговата точка на топене е 650 градуса. Характеризира се с висока химическа активност до спонтанно запалване във въздуха. Якостта на опън на чистия магнезий е 190 MPa, модулът на еластичност е 4500 MPa, а относителното удължение е 18%. Металът има висока амортизационна способност (ефективно абсорбира еластичните вибрации), което му осигуряваотлична ударна толерантност и намалена чувствителност към резонансни явления.

Други характеристики на този елемент включват добра топлопроводимост, ниска способност за абсорбиране на топлинни неутрони и взаимодействие с ядрено гориво. Благодарение на комбинацията от тези свойства, магнезият е идеален материал за създаване на херметически затворени корпуси от високотемпературни елементи на ядрени реактори.

Магнезият сплавва добре с различни метали и е един от силните редуциращи агенти, без които металотермичният процес е невъзможен.

В чист вид се използва главно като легираща добавка в сплави с алуминий, титан и някои други химични елементи. В черната металургия магнезият се използва за дълбоко десулфуриране на стомана и чугун, като свойствата на последния се подобряват чрез графитна сфероидизация.

Магнезий и легиращи добавки

Най-често срещаните легиращи добавки, използвани в сплавите на магнезиева основа, включват елементи като алуминий, манган и цинк. Чрез алуминия структурата се подобрява, течливостта и здравината на материала се увеличават. Въвеждането на цинк също така прави възможно получаването на по-здрави сплави с намален размер на зърното. С помощта на манган или цирконий се повишава устойчивостта на корозия на магнезиевите сплави.

Добавката на цинк и цирконий осигурява повишена здравина и пластичност на металните смеси. И наличието на някои редки земни елементиелементи, като неодим, церий, итрий и др., допринася за значително повишаване на устойчивостта на топлина и максимизиране на механичните свойства на магнезиевите сплави.

За създаване на ултралеки материали с плътност от 1,3 до 1,6 g/mᶟ, литий се въвежда в сплавите. Тази добавка позволява да се намали теглото им наполовина в сравнение с алуминиеви метални смеси. В същото време техните показатели за пластичност, плавност, еластичност и технологичност достигат по-високо ниво.

Класификация на магнезиевите сплави

Магнезиевите сплави се класифицират според редица критерии. Това е:

• според метода на обработка - за леене и деформиране;
• според степента на чувствителност към термична обработка - в невтвърдени и втвърдени чрез термична обработка;
• по свойства и приложения - за топлоустойчиви, високоякостни и сплави с общо предназначение;
• според системата на легиране - има няколко групи незакалени и термично втвърдени ковани магнезиеви сплави.

Леене на сплави

Тази група включва сплави с добавка на магнезий, предназначени за производство на различни части и елементи чрез фасонно леене. Те имат различни механични свойства, в зависимост от които се разделят на три класа:

• средна сила;
• висока якост;
• топлоустойчив.

По отношение на химичния състав, сплавите също са разделени на три групи:

• алуминий + магнезий + цинк;
• магнезий + цинк + цирконий;
• магнезий + рядкоземни елементиелементи + цирконий.

Свойства на леене на сплави

Най-добрите леярски свойства сред продуктите от тези три групи имат алуминиево-магнезиеви сплави. Принадлежат към класа на високоякостните материали (до 220 MPa), поради което са най-добрият вариант за производство на части за двигатели за самолети, автомобили и друго оборудване, работещо при механични и термични натоварвания.

За повишаване на якостните характеристики, алуминиево-магнезиевите сплави също се легират с други елементи. Но наличието на желязо и медни примеси е нежелателно, тъй като тези елементи имат отрицателен ефект върху заваряемостта и устойчивостта на корозия на сплавите.

Лети магнезиеви сплави се приготвят в различни видове топилни пещи: реверберационни пещи, тигелни пещи с газово, нафта или електрическо отопление или тигелни индукционни пещи.

Използват се специални флюси и добавки за предотвратяване на горенето по време на топене и леене. Отливките се произвеждат чрез леене в пясъчни, гипсови и черупкови форми, под налягане и с използване на инвестиционни модели.

Ковани сплави

В сравнение с отлятите сплави, кованите магнезиеви сплави са по-здрави, по-пластични и по-здрави. Използват се за производство на заготовки чрез валцоване, пресоване и щамповане. Като топлинна обработка на продуктите се използва втвърдяване при температура 350-410 градуса, последвано от произволно охлаждане без стареене.

При нагряванепластичните свойства на такива материали се увеличават, поради което обработката на магнезиеви сплави се извършва под налягане и при високи температури. Щамповането се извършва при 280-480 градуса под преси с помощта на затворени матрици. При студено валцуване се извършват чести междинни рекристализационни отгрявания.

При заваряване на магнезиеви сплави здравината на шева на продукта може да бъде намалена в сегментите, където е извършено заваряването, поради чувствителността на такива материали към прегряване.

Области на приложение на магнезиевите сплави

Различни полуфабрикати - слитъци, плочи, профили, листове, изковки и др. се произвеждат чрез леене, деформиране и термична обработка на сплави. Тези заготовки се използват за производството на елементи и части на съвременни технически устройства, при които тегловната ефективност на конструкциите (намалено тегло) играе приоритетна роля, като запазва техните якостни характеристики. В сравнение с алуминия, магнезият е 1,5 пъти по-лек и 4,5 пъти по-лек от стоманата.

В момента използването на магнезиеви сплави е широко практикувано в аерокосмическата, автомобилната, военната и други индустрии, където тяхната висока цена (някои марки съдържат доста скъпи легиращи елементи) е оправдана от икономическа гледна точка от възможност за създаване на по-издръжливо, по-бързо, мощно и безопасно оборудване, което може да работи ефективно при екстремни условия, включително когато е изложено на високи температури.

Поради високия си електрически потенциал, тези сплави са оптималният материал за създаване на протектори, които осигуряват електрохимична защита на стоманени конструкции, като автомобилни части, подземни конструкции, нефтени платформи, морски плавателни съдове и др., от протичащи процеси на корозия под въздействието на влага, прясна и морска вода.

Сплави с добавка на магнезий също са използвани в различни радиотехнически системи, където се използват за направата на звукови канали за ултразвукови линии за забавяне на електрически сигнали.

Заключение

Модерната индустрия поставя все по-високи изисквания към материалите по отношение на тяхната здравина, устойчивост на износване, устойчивост на корозия и технологичност. Използването на магнезиеви сплави е една от най-обещаващите области, поради което изследванията, свързани с търсенето на нови свойства на магнезия и възможностите за неговото приложение, не спират.

В момента използването на магнезиеви сплави при създаването на различни части и конструкции позволява да се намали теглото им с почти 30% и да се увеличи якостта на опън до 300 MPa, но според учените това е далеч от границата за този уникален метал.