Введение
Смесь магния с другими металлами Сплавы магния представляют собой смеси магния (самого легкого структурного металла) с другими металлами (называемыми сплавом), часто алюминиевым, цинковым, марганцевым, кремниевым, медной, редкоземельными и циркониевыми. Сплавы магния имеют шестиугольную решетчатую структуру, которая влияет на основные свойства этих сплавов. Пластическая деформация шестиугольной решетки более сложна, чем у кубических решетчатых металлов, таких как алюминий, медь и сталь; поэтому, как правило, в качестве литых сплавов используются сплавы магния, но исследования кованых сплавов были более обширными с 2003 года. Литые сплавы магния используются для многих компонентов современных автомобилей и были использованы в некоторых высокопроизводительных транспортных средствах; литый магний также используется для корпусов камер и компонентов линз. Практически все коммерческие сплавы магния, производимые в Соединенных Штатах, содержат алюминий (от 3 до 13 процентов) и марганец (от 0,1 до 0,4 процента). Многие из них также содержат цинк (0,5 - 3 процента), а некоторые могут затвердевать при термической обработке. Все сплавы могут использоваться для более чем одной формы изделия, но сплавы AZ63 и AZ92 чаще всего используются для песчаных отливок, AZ91 для отливок под давлением, а AZ92 обычно используется для постоянных отливок (в то время как AZ63 и A10 иногда также используются в последнем приложении). Для кованых деталей, AZ61 используется чаще всего, и здесь сплав M1 используется, где требуется низкая прочность и AZ80 для наивысшей прочности. Для экструзий из сплава М1 изготавливается широкий спектр форм, брусков и труб, где достаточно низкой прочности или где планируется сварка на отливки М1. Сплавы AZ31, AZ61 и AZ80 используются для экструзий в указанном порядке, когда увеличение прочности оправдывает их увеличение относительных затрат. Magnox (alloy), название которого является аббревиатурой для "неокисляющего магния", состоит из 99% магния и 1% алюминия и используется в облицовании топливных стержней в магноксных ядерных реакторах. Сплавы магния обозначаются короткими кодами (определенными в стандарте ASTM B275), которые обозначают приблизительные химические составы по весу. Например, AS41 содержит 4% алюминия и 1% кремния; AZ81 - 7,5% алюминия и 0,7% цинка. Если присутствует алюминий, то почти всегда присутствует компонент марганца в количестве около 0,2% по весу, который служит для улучшения структуры зерна; если отсутствуют алюминий и марганц, то цирконий обычно присутствует примерно в количестве 0,8% для этой же цели. Магний легковоспламеняющийся материал, поэтому с ним нужно обращаться осторожно.
Magnesium alloys are mixtures of magnesium (the lightest structural metal) with other metals (called an alloy), often aluminium, zinc, manganese, silicon, copper, rare earths and zirconium. Magnesium alloys have a hexagonal lattice structure, which affects the fundamental properties of these alloys. Plastic deformation of the hexagonal lattice is more complicated than in cubic latticed metals like aluminium, copper and steel; therefore, magnesium alloys are typically used as cast alloys, but research of wrought alloys has been more extensive since 2003. Cast magnesium alloys are used for many components of modern automobiles and have been used in some high performance vehicles; die cast magnesium is also used for camera bodies and components in lenses. Practically, all the commercial magnesium alloys manufactured in the United States contain aluminium (3 to 13 percent) and manganese (0.1 to 0.4 percent). Many also contain zinc (0.5 to 3 percent) and some are hardenable by heat treatment. All the alloys may be used for more than one product form, but alloys AZ63 and AZ92 are most used for sand castings, AZ91 for die castings, and AZ92 generally employed for permanent mold castings (while AZ63 and A10 are sometimes also used in the latter application as well). For forgings, AZ61 is most used, and here alloy M1 is employed where low strength is required and AZ80 for highest strength. For extrusions, a wide range of shapes, bars, and tubes are made from M1 alloy where low strength suffices or where welding to M1 castings is planned. Alloys AZ31, AZ61 and AZ80 are employed for extrusions in the order named, where increase in strength justifies their increased relative costs. Magnox (alloy), whose name is an abbreviation for "magnesium non oxidizing", is 99% magnesium and 1% aluminium, and is used in the cladding of fuel rods in magnox nuclear power reactors. Magnesium alloys are referred to by short codes (defined in ASTM B275) which denote approximate chemical compositions by weight. For example, AS41 has 4% aluminum and 1% silicon; AZ81 is 7.5% aluminium and 0.7% zinc. If aluminium is present, a manganese component is almost always also present at about 0.2% by weight which serves to improve grain structure; if aluminum and manganese are absent, zirconium is usually present at about 0.8% for this same purpose. Magnesium is a flammable material and must be handled carefully.
Таблица составов
Название сплава Соотношение (%) Другие металлы Примечания Mg Al Zn Si Mn AE44 92 4 4% смешанный металл Смешанный металл сплав редкоземельных элементов с приблизительно 50% церия и 25% лантана AJ62A 89.891.8 5.66.6 0.2 0.08 0.260.5 2.12.8% Sr, <0.1% каждый из Be, Cu, Fe, Ni Высокотемпературный двигатель Mg сплав WE43 93.6 Y 4%, 2.25%, 0.15% Zr Nd Используется в самолетах и высокопроизводительных транспортных средствах, прочность на растяжение 250 МПа AZ8191.07 8.11 0.64 0.18 AZ31B 96 2.53.5 0.71.3 <0.05 0.2 ? Сплав из кованого металла, хорошая прочность и пластичность, коррозионная стойкость, сварчивость, экструзия AMCa602 91.5 6 0.1 0.35 2% Ca Не горючий Mg сплав AM60 93.5 6 0.1 0.35 AZ91 90.8 8.25 0.63 0.035 0.22 Cu 0.003; Fe 0.014; Be 0.002 Используется для литья QE22 2.5% Ag, 2% RE, 0.6% Zr Magnox (Al 80) 99.2 0.8 Не окисляющий Mg сплав
Характеристики
Особые свойства магния аналогичны свойствам алюминиевых сплавов: низкая удельная масса при удовлетворительной прочности. Магний обладает преимуществами перед алюминией, поскольку имеет еще более низкую плотность (≈ 1,8 г/см3) по сравнению с алюминией (≈ 2,8 г/см3). Механические свойства сплавов магния, как правило, ниже, чем у самых прочных из сплавов алюминия. Соотношение прочности к весу осадочно-закаленных сплавов магния сопоставимо с прочными сплавами алюминия или с легированными сталями. Сплавы магния, однако, имеют более низкую плотность, выдерживают большую нагрузку колонны на единицу веса и имеют более высокий удельный модуль. Они также используются, когда не требуется большая прочность, но требуется толстая, легкая форма или когда требуется более высокая жесткость. Примерами являются сложные отливки, такие как корпуса или корпуса для самолетов, а также детали для быстро вращающихся или перемещающихся машин. Такие приложения могут вызывать циклическое кристаллическое сближение и разобщение, что снижает прочность при изменении направления нагрузки. Высокотемпературные свойства магниевых сплавов важны для автомобильных и аэрокосмических применений, где замедление ползания играет важную роль в жизненном цикле материала. Сплавы магния обычно имеют плохие свойства ползания; этот недостаток объясняется добавлением растворенных веществ, а не матрицей магния, поскольку чистый магний имеет аналогичную жизнь ползания, как и чистый алюминий, но сплавы магния имеют уменьшенную жизнь ползания по сравнению с алюминиевыми сплавами. Добавление небольшого количества цинка в сплавы Mg RE, как было показано, увеличивает срок жизни ползания на 600% путем стабилизации осадков как на базальной, так и на призматической плоскостях посредством локализованного укрепления связей. или с использованием соответствующих покрытий.
Работа на горячем и холодном
Сплавы магния быстро твердеют при любом типе холодной обработки, и поэтому не могут быть широко сформированы в холодном режиме без повторного отжига. Острый изгиб, вращение или рисование должны быть выполнены примерно на , хотя мягкий изгиб вокруг больших радиусов может быть выполнен холодно. Медленное формирование дает лучшие результаты, чем быстрое формирование. Ковка на прессе предпочтительнее ковки на молотке, потому что пресс позволяет больше времени для потока металла. Металл, обработанный за пределами этого диапазона, легко ломается из-за отсутствия доступных механизмов деформации.
Кастинг
Сплавы магния, особенно осадочно-закаленные сплавы, используются в литье. Используются методы литья песком, постоянной формой и литьем, но гипсовая литье Парижского типа еще не усовершенствована. Литье песка в зеленых песчаных формах требует специальной техники, потому что магний вступает в реакцию с влагой в песке, образуя оксид магния и высвобождая водород. Окись образует почерневшие участки, называемые ожогами, на поверхности отливки, а высвобождающийся водород может вызвать пористость. Ингибиторы, такие как серя, борная кислота, этиленгликоль или фторид аммония, смешиваются с влажным песком, чтобы предотвратить реакцию. Все гравитационно питаемые формы требуют дополнительно высокой колонны расплавленного металла, чтобы давление было достаточно большим, чтобы вытолкнуть пузырьки газа из литья и заставить металл принять деталь формы. Толщина литейной стенки должна быть не менее 5/32 дюймов. в большинстве случаев. На всех входящих в него углах должны быть установлены большие филе, поскольку концентрация напряжения в магниевых отливках особенно опасна. Постоянные отливки изготовлены из тех же сплавов и имеют примерно те же физические свойства, что и песчаные отливки. Поскольку усадка магния при затвердевании примерно такая же, как у алюминия, алюминиевые формы часто могут быть адаптированы для изготовления литых частей из магниевого сплава (хотя может потребоваться изменение вентиляции). Литья в холодной камере под давлением используются для массового производства мелких деталей. Быстрое затвердевание, вызванное контактом жидкого металла с холодной штампом, приводит к получению литья с плотным строением с отличными физическими свойствами. Финиш и точность измерений очень хороши, и обработка необходима только там, где требуется крайняя точность. Обычно эти отливки не подвергаются термической обработке.
Сварка, паяльница и нить
Многие стандартные сплавы магния легко свариваются при помощи газового или сопротивления сварного оборудования, но не могут быть разрезаны кислородным факелом. Сплавы магния не свариваются с другими металлами, потому что могут образовываться хрупкие межметаллические соединения или потому что сочетание металлов может способствовать коррозии. Если две или более части сварены вместе, их состав должен быть одинаковым. Подсоединение магниевых сплавов возможно только для затыкания дефектов поверхности деталей. Соединения более коррозионные, чем с алюминией, и никогда не следует требовать, чтобы части выдерживали нагрузку. Для заклеенных соединений в конструкциях из магниевого сплава обычно используются алюминиевые или алюминиево-магниевые сплавные заклеи. Магниевые затычки не часто используются, потому что их нужно приводить в движение, когда они горячи. Отверстия для нитей следует просверлить, особенно в тяжелых листовых и экструдированных секциях, поскольку пробивание имеет тенденцию придавать отверстию грубое крае и вызывать концентрацию напряжения.
Машиностроение
Особенно привлекательным для сплавов магния является их исключительно хорошие свойства обработки, в этом отношении они превосходят даже винтовую латунь. Потребная мощность при их резке невелика, и могут использоваться чрезвычайно высокие скорости (в некоторых случаях 5000 футов в минуту). Лучшие режущие инструменты имеют особые формы, но инструменты для обработки других металлов могут быть использованы, хотя и приводят к несколько более низкой эффективности. При резке магния с высокой скоростью инструменты должны быть острыми и постоянно резать. Скучные, тянущие инструменты, работающие на высокой скорости, могут генерировать достаточно тепла, чтобы зажечь мелкие чипы. Поскольку отходы и пыль от шлифования могут быть опасны для возгорания, шлифование должно производиться с помощью охлаждающей жидкости или с помощью устройства для концентрации пыли под водой. Магнезийный шлифовальный станок не следует использовать также для черных металлов, так как искра может вызвать воспламенение накопленной пыли. Если возникнет огонь из магния, его можно потушить чугунными обертками или сухим песком или другими материалами, специально подготовленными для этой цели. Водные или жидкие огнетушители никогда не должны использоваться, так как они способны рассеять огонь. На самом деле, зажечь магниевые кусочки и пыль гораздо сложнее, чем обычно предполагается, и по этой причине они не представляют больших трудностей при обработке. Специальные методы, которые должны использоваться при изготовлении магния (обработка, литье и слияние), значительно увеличивают производственные затраты. При выборе между алюминией и магнием или определенной частью, базовая стоимость металла может не дать большого преимущества ни одному из них, но обычно производственные операции делают магний более доступным.
Дальнейшее развитие сплава
Скандий и гадолиний были испытаны в качестве легирующих элементов; сплав с 1% марганца, 0,3% скандия и 5% гадолиния обеспечивает почти идеальную стойкость к ползучести при 350 °C. Физический состав этих многокомпонентных сплавов сложен, с образованием пластин межметаллических соединений, таких как Mn2Sc. Добавление цинка к сплавам Mg RE, как было показано, значительно увеличивает срок службы ползучего элемента, стабилизируя осадочные вещества RE.
Сплавы магния и лития
Добавление 10% лития к магнию дает сплав, который может использоваться в качестве улучшенного анода в батареях с катодом диоксида марганца. Сплавы магния и лития, как правило, мягкие и пластичные, а плотность 1,4 г/см3 привлекательна для космических применений. Для прогнозирования образования упорядоченных сплавов магния и лития использовались квантово-механические модели. В производстве, по прогнозам, будет увеличено производство более чем на 13%. % лития приводит к упорядоченным фазам с кубической структурой.
Не горючие сплавы магния
Добавление 2% кальция в весе к сплаву магния AM60 приводит к получению негорючий сплава магния AMCa602. Более высокая реактивность окисления кальция приводит к образованию слоя оксида кальция до воспламенения магния. Температура воспламенения сплава повышается на 200-300 К. Для обработки не требуется атмосфера без кислорода.