Магний — важный металл для промышленности и жизни человека

Влияние легирующих добавок

Металлы в составе композиций улучшают и изменяют физические и химические свойства основного металла. Основной упор делается на повышении механических характеристик. Алюминий улучшает общую структуру, литейные свойства, повышает прочность. Цинк также повышает прочность и способствует уменьшению зерен в отливке. Основная цель введения марганца, кроме увеличения прочности – повышение химической стойкости к воздействию агрессивных сред и снижение вредного влияния примеси железа.

Редкоземельные металлы, несмотря на малое количество, сильно меняют химические и физические свойства, повышая жаропрочность, улучшая пластичность, ковкость за счет уменьшения зерен и изменений в кристаллической решетке.

Добавка циркония уменьшает растворимость водорода в расплаве, которая в чистом составе составляет значительную величину. Связывая водород, цирконий также способствует уменьшению пористости и зернистости отливок.

Введение лития в некоторые составы позволяет получить магниевые сплавы с рекордно малой плотностью – в 2 раза меньшей, чем у алюминия, с сохранением высокой прочности и легкости механической обработки. Данные сплавы наиболее широко используются в аэрокосмической промышленности, где снижение общего веса конструкции увеличивает массу полезной нагрузки.

Внешний вид сплавов магния

Некоторые металлы, напротив, нежелательны даже в малых количествах. Так, примеси железа или никеля даже в объеме тысячных долей процента резко снижают коррозионную стойкость сплава. Растворенный водород увеличивает пористость материала, вызывает увеличение зерен, снижая, таким образом, прочность изделия.

Характеристики магния

Промышленное производство и использование магния началось сравнительно недавно – всего около 100 лет назад. Этот металл имеет малую массу, так как обладает сравнительно низкой плотностью (1,74 г/смᶟ), хорошую устойчивость в воздухе, щелочах, газовых средах с содержанием фтора и в минеральных маслах.

Температура его плавления составляет 650 градусов. Он характеризуется высокой химической активностью вплоть до самопроизвольного возгорания на воздухе. Предел прочности чистого магния составляет 190 Мпа, модуль упругости – 4 500 Мпа, относительное удлинение – 18%. Металл отличается высокой демпфирующей способностью (эффективно поглощает упругие колебания), что обеспечивает ему отличную переносимость ударных нагрузок и снижение чувствительности к резонансным явлениям.

К числу прочих особенностей данного элемента относятся хорошая теплопроводность, низкая способность поглощать тепловые нейтроны и взаимодействовать с ядерным топливом. Благодаря совокупности этих свойств магний является идеальным материалом для создания герметичных оболочек высокотемпературных элементов ядерных реакторов.

Магний хорошо сплавляется с разными металлами и относится к числу сильных восстановителей, без которых невозможен процесс металлотермии.

В чистом виде он в основном применяется как легирующая добавка в сплавах с алюминием, титаном и некоторыми другими химическими элементами. В черной металлургии с помощью магния проводится глубокая десульфурация стали и чугуна, а также улучшаются свойства последнего посредством сфероидизации графита.

Основные разновидности сплавов магния

Магниевые сплавы различаются технологией изготовления. В соответствии с этим, для всех составов с магнием принята следующая классификация:

• литейные сплавы магния, которые отличаются высокими литейными свойствами;
• деформируемые сплавы, легко поддающиеся механической обработке ковкой прессовкой

Химический состав добавок подобран таким образом, чтобы минимизировать последующую обработку литейных сплавов и увеличить способность к обработке у деформируемых.

Внутри каждой из групп материалы разделяются по своим свойствам, способу литья, методам обработки (прессование, ковка, штамповка и прокат).

Каждая из двух перечисленных групп включает в себя составы с различной прочностью, жаростойкостью, химической стойкостью, а также с различной способностью к свариванию.

История открытия

Магний (Mg) учеными был открыт в результате случайных опытов в 1695 году. Ученые-химики выделили из целебных вод Эпсомского природного источника, который находится в Великобритании, горькую соль. Полученная соль оказывала на человеческий организм воздействие легкого слабительного средства, и долго назначалась в соответствующих целях. Это вещество изначально получило наименование «магнезия».

В 1798 году малоизвестный химик Антон фон Рупрехт сумел выделить из «горькой соли» методом восстановления углем новый элемент, обозначив его как «австрий». Через некоторое время удалось выяснить что «австрий» фактически представляет собой магний с обилием железистых примесей.

Следующая цепочка открытий магния последовала в начале 19 века. В 1808 г. британский химик Гемфри Дэви методом электролиза влажной смеси магнезии и оксида ртути получил агрегацию нового металла, назвав его «магнезиум». Примечательно, что это название до нашего времени принято в некоторых странах.

В 1829 г. химик из Франции А. Бюсси выделил магний путем восстановления расплавленного хлорида металлическим калием. В 1830 г. М. Фарадей сумел добыть магний методом электролиза нагретого до температуры плавления хлорида магния.

Маркировка и свойства

Отечественная промышленность маркирует магниевые сплавы на основе двухбуквенной маркировки с дополнительными цифрами:

• литейные — МЛ1 – МЛ20;
• деформируемые — МА1 – МА19;
• жаропрочные магниевые сплавы ВМЛ1 – ВМЛ2.

Литейные сплавы производятся в большинстве на основе системы Mg – Al – Zn, которая представляет собой твердый раствор алюминия и цинка в магнии. Наилучшими литейными свойствами обладают такие виды растворов, как марки МЛ4 – МЛ6. Данные сплавы обладают высокой текучестью, малой усадкой и не склонны к образованию раковин. Такие характеристики позволяют применять указанные марки при точном литье заготовок любых форм и габаритов.

Жаропрочные сплавы, к которым относятся также марки МЛ9 – МЛ14, способны длительное время выдерживать температуру до 350 ˚С и кратковременно до 400 ˚С. В основе состава система Mg – Zn с добавкой циркония. Кроме жаропрочности, данные сплавы хорошо выдерживают статические и усталостные нагрузки.

Дополнительное легирование редкоземельными металлами в некоторых рецептурах способно уменьшить вероятность трещинообразования, что повышает сопротивляемость деформирующим нагрузкам.

Деформированные сплавы производят на основе систем Mg – Al, Mg – Zn, Mg – Mn. Алюминий и цинк способствуют повышению пластичности и позволяют производить с отливками такие действия давлением, как ковка, прессовка, штамповка, а также холодная и горячая прокатка.

Как и литейные, деформируемые дополнительно легируют редкоземельными металлами, однако здесь нашли также и другие материалы. К ним можно отнести кадмий и серебро, которые повышают прочность при одновременном увеличении пластичности.

Марки МА11 — МА12 деформируемых магниевых сплавов относятся к жаростойким материалам, как и аналогичные литейные.

Сплавы МА14 и МА19 характерны тем, что не допускают применение сварки при дальнейшем применении, в отличие от большинства остальных составов.

Магний и его сплавы

Магний —металл серебристо-белого цвета; удельный вес 1,74; температура плавления 650°; магний кристаллизуется в гексагональной системе. Чистый магний достаточно стоек в воздухе (почти не уступает алюминию). Раствор поваренной соли, морская вода, кислоты (кроме соляной) быстро разрушают магний; по отношению к щелочам магний стоек. При сгорании магний дает яркий белый свет; магний в 4 раза легче железа, поэтому его сплавы называют сверхлёгкими.

Вследствие того, что механические свойства чистого магния невысоки, поэтому в чистом виде его как конструкционный материал не применяют.

Химические свойства магния. Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, соды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 оС.

По плотности магниевые сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21, МА18), а к легким — все остальные. Сплавы магния с литием (МА21, МА18) — самые легкие конструкционные металлические материалы.

При классификации по возможным температурам эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:

• предназначены для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);
• жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200°С);
• высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250 – 300°С)
• предназначены для эксплуатации при криогенных температурах.

Различают термические упрочняемые и термически не упрочняемые сплавы.

Классификация и характеристика магниевых сплавов

Свойства магния значительно улучшаются при легировании. Сплавы магния характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью хорошо поглощать вибрации. Прочность сплавов при соответствующем легировании и термической обработке может достигать 350-400 МПа. Достоинством магниевых сплавов является их хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость.

Недостатками магниевых сплавов являются плохие литейные свойства и склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при литье. Для предотвращения дефектов при выплавке используют специальные флюсы, для уменьшения пористости применяют небольшие добавки кальция (0,2 %), а для снижения окисляемости – добавки бериллия (0,02-0,05 %). Кроме того, меньшая коррозионная стойкость, чем у алюминиевых сплавов, трудности при выплавке и литье и необходимость нагрева при обработке давлением.

С другой стороны, такие элементы, как марганец, цирконий, цинк, титан улучшают коррозионную стойкость магния: при добавлении к магниевому сплаву нескольких девятых процентов титана коррозионная стойкость увеличивается в 3 раза.

Основными упрочняющими легирующими элементами в магниевых сплавах являются алюминий и цинк. Марганец слабо влияет на прочностные свойства. Его вводят главным образом для повышения коррозионной стойкости и измельчения зерна.

Термическая обработка магниевых и алюминиевых сплавов имеет много общего. Это объясняется близкими температурами плавления и отсутствием полиморфных превращений.

Для повышения прочностных свойств магниевые сплавы подвергают закалке и старению. Из-за низкой скорости диффузии закалку обычно проводят на воздухе, применяют искусственное старение при сравнительно высоких температурах (до 200 – 250 °С) и более длительных выдержках (16 – 24 ч).

Прочностные характеристики магниевых сплавов существенно повышаются при термомеханической обработке, состоящей в пластической деформации закаленного сплава перед его старением.

Магниевые сплавы обладают высокой пластичностью в горячем состоянии и хорошо деформируются при нагреве. Для деформированных сплавов диффузионный отжиг обычно совмещают с нагревом для обработки давлением. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием, легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой, которую рекомендуется проводить в защитной атмосфере (рис. 1).

Рис. 1. Сварка магниевых сплавов

Магниевые детали очень хорошо поглощают вибрацию. Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Это очень важное свойство при создании разнообразных транспортных средств.

Магниевые сплавы превосходят сталь и алюминий по удельной жесткости и поэтому применяются для изготовления деталей, подвергающихся изгибающим нагрузкам (продольным и поперечным). Магниевые сплавы немагнитны, совершенно не дают искры при ударах и трении, легко обрабатываются резанием (в 6 – 7 раз легче, чем сталь, в 2 – 2,5 раза – чем алюминий).

Магний и его сплавы обладают очень высокой хладостойкостью.

Возможности применения магния еще далеко не исчерпаны, а если учитывать широкое распространение магния в природе, относительную простоту способов его производства и ряд благоприятных свойств этого металла, можно полагать, что дальнейшее развитие металлургии магния будет в первую очередь определяться его общетехническим значением.

Магниевые сплавы обладают большей по сравнению с алюминиевыми и медными сплавами чувствительностью к скорости деформирования. Увеличение скорости деформирования при штамповке магниевых сплавов приводит существенному сужению допустимого температурного интервала. В связи с этим штамповку магниевых сплавов рекомендуется деформировать на гидравлических или кривошипных прессах при пониженных скоростях деформирования. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов приведены в табл.1, (рис. 2). Химический состав и механические свойства некоторых отечественных магниевых сплавов (табл.2).

Таблица 1. Рекомендуемые температурные интервалы штамповки некоторых марок магниевых сплавов

Рис. 2. Последовательность операций получения заготовки из магниева сплава

Таблица 2. Химический состав и механические свойства отечественных магниевых сплавов

В основном деформируемые магниевые сплавы применяют в виде прутков и фасонных профилей для изготовления деталей горячей штамповкой (рис. 3). Для улучшения их пластичности обработку давлением проводят при температурах 350-450 °С, так как гексагональная решетка магния затрудняет их деформацию при комнатной температуре.

Рис. 3. Изделия из магниевых сплавов

Наиболее прочными деформируемыми сплавами являются сплавы магния с алюминием (МА5) и магния с цинком, дополнительно легированные цирконием (МА14, аналог американского сплава ZK60A), кадмием, РЗМ и другими элементами (МА15, МА19 и др.).

Алюминий и цинк являются эффективными упрочнителями твердого раствора. Однако их концентрация не должна превышать 10 и 6 % соответственно. При большем содержании этих элементов пластичность резко снижается. Появление при старении в структуре упрочняющих фаз Mg4Al3 и MgZn2 осуществляет дополнительное упрочнение. Цирконий измельчает зерно, а кадмий и редкоземельные элементы одновременно повышают и прочность, и пластичность.

Временное сопротивление высокопрочных магниевых сплавов после термической обработки составляет около 350 МПа. Сравнительно небольшой эффект упрочнения объясняется склонностью упрочняющих интерметаллидных фаз к коагуляции в процессе распада твердого раствора.

Сплав МА1, содержащий около 2 % Мц без других компонентов, характеризуется высокой пластичностью и применяется как листовой материал. Самыми легкими конструкционными материалами являются сплавы магния с литием (МА18, МА21). Плотность сплава МА18 (аналог американского сплава LA91) составляет 1,3-1,65 г/см3. Магниеволитиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением в холодном состоянии. Эти сплавы хорошо свариваются и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы по химическому и фазовому составу близки к деформируемым.

По сравнению с деформируемыми литые детали позволяют существенно экономить металл. Высокая точность размеров и хорошее качество поверхности позволяют практически исключить операции механической обработки. Недостатком литейных магниевых сплавов являются более низкие механические свойства из-за грубозернистой структуры и усадочной пористости, связанной со сравнительно широким интервалом кристаллизации.

Для повышения прочности и модифицирования вводят кальций и цирконий. Дополнительное легирование кадмием повышает уровень механических и технологических свойств.

Наиболее распространенным магниевым литейным сплавом является MJI5, характеризующийся хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к пористости и хорошей обрабатываемостью резанием. Отливки из этого сплава получают литьем в землю, в металлические формы и под давлением. Он идет на изготовление крупногабаритных отливок картеров двигателей, корпусов приборов, насосов, коробок передач для автомобилей и самолетов (рис. 4).

Для снижения массы деталей используют магниевые сплавы, легированные 12-13 % лития. Их жидкотекучесть находится на уровне сплава MЛ5. Сплавы Mg — Li не имеют склонности к образованию горячих трещин.

Рис. 4. Изделия из литейного магниева сплава

Применение магниевых сплавов

(рис. 5)

Благодаря малой плотности и высокой удельной прочности магниевые сплавы широко применяются в авиастроении. Из них изготавливают корпуса приборов, насосов, фонари и двери кабин. Фюзеляжи вертолетов фирмы Сикорского (США) почти полностью изготовлены из магниевых сплавов. В ракетной технике магниевые сплавы идут на изготовление корпусов ракет, обтекателей, стабилизаторов, топливных баков. Теплоемкость магния примерно в 2,5 раза больше, чем у стали. Поглотив одинаковое количество тепла, он нагреется в 2,5 раза меньше. В кратковременном полете магниевые сплавы не успевают перегреться, несмотря на низкую температуру плавления. В кратковременно работающих ракетах типа «воздух — воздух» и управляемых снарядах магниевые сплавы составляют основную массу конструкции. Применение магниевых сплавов позволило снизить массу ракет на 20-30 %.

Из литейных сплавов изготавливают кронштейны, элементы крепления, элероны, детали хвостового оперения, из деформируемых — обшивки корпусов, стрингеры, лонжероны, опорные конструкции тормозов, волноводов и другие детали.

Магниевые сплавы находят применение в транспортном машиностроении для изготовления картеров двигателей и коробок передач автомобилей.

Магниевые сплавы применяют в конструкциях переносных ручных и механизированных инструментов и машин (сверлильные и шлифовальные машины, пилы для лесной промышленности, газонные косилки, пневматические инструменты и др.).

Их используют в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, электродвигателей), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки и др.) и других отраслях.

В связи с малой устойчивостью против коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию. На оксидированную поверхность дополнительно наносят лакокрасочные покрытия.

Важной областью применения магния является ядерная энергетика. Благодаря способности поглощать тепловые нейтроны, отсутствию взаимодействия с ураном и хорошей теплопроводности магниевые сплавы используют для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов в атомных реакторах.

Высокий электроотрицательный потенциал магниевых сплавов позволяет применять их для протекторной защиты от морской коррозии судов и сооружений, эксплуатирующихся в морской воде, и для защиты от подземной коррозии находящихся в грунте газопроводов, нефтепроводов и т. п.

Рис. 5. Изделия из магниевых сплавов

315

Получение и производство

Для изготовления сплавов используются материалы высокой чистоты, поскольку, как говорилось выше, даже мельчайшие примеси нежелательных элементов могу существенно ухудшить свойства готового продукта.

Получение сплавов магния облегчается тем, что температура плавления расплава не превосходит 700˚С. Для получения материала с требуемыми свойствами в расплав чистого магния вводят необходимое количество легирующих элементов. Газовый состав атмосферы вокруг расплава должен быть очищен от водорода, поскольку его высокая растворимость в магнии способна привести к дефектам внутренней структуры.

Минералы, месторождения

Наш герой настолько активен в химическом отношении (просто-таки «неразборчив в связях»), что его нахождение в природе в чистом виде практически невозможно.

Природные источники магния — минералы:

• брусит;
• кизерит;
• доломит;
• магнезит;
• бишофит;
• эпсомит;
• карналлит.

Даже из морской воды можно добывать огненный металл. Самосадочные озера (вода в них называется рапой), содержат большое количество минеральных солей, в том числе магния.

Познавательно: таких озер много в Астраханской области. Это Белинские, Зинзилинские, Мочаговские самосадочные озера (список можно продолжить).

Крупнейшая российская группа месторождений — Саткинское — (разведано 14 штук) находится в Челябинской области, рядом с городом Сатка. Тут сосредоточены магнезиальные руды высокой чистоты.

Рекомендуем: НИКЕЛЬ — «пасынок» в семье серебристых металлов

Обработка отливок

Повысить механические свойства отливок на основе магния можно, применяя несколько методик:

• гомогенизация (закалка);
• закалка со старением для стабилизации свойств;
• рекристализационный отжиг для снятия механических напряжений после обработки давлением;
• диффузионный отжиг для выравнивания внутренней структуры и химического состава в зернах металла.

Отливки из алюминиево-магниевого сплава

Следует заметить, что у большинства сплавов после термической обработки механическая прочность не повышается.

Магний в нашей жизни

Металл и его сплавы нашли широкое применение в разных сферах жизни.

• Способность металла давать яркий огонь использовали на заре фотографии.
• Легкость металла открыла ему путь в авиацию. Наши ноутбуки, многие фотокамеры содержат магниевые детали — не таскать же тяжелый прибор, если можно сделать легкий.
• В химических источниках тока энергия химических реакций напрямую превращается в электрическую. Чистый металл и его соединения в электрических батареях сообщают им высокие ЭДС и отменные энергетические характеристики.

Металлический магний

Анодом в таких батареях служит магний. В качестве катода применяют:

• марганец;
• висмут;
• серу;
• хлористое серебро;
• хлористый свинец в смеси с графитом;
• диоксид марганца с графитом.

Рекомендуем: ЖЕЛЕЗО — металл № 1 в мире

Огнеупорные материалы необходимы для футеровки металлургических печей, тиглей.

Дешевым и качественным сырьем для этого могут быть минералы магния:

• бишофит;
• магнезит;
• доломит.

В военном деле магний «освещает темные места». А проще, из него делают светозвуковые и светошумовые боеприпасы (патроны, гранаты, снаряды). До конца не убьет, но оглушит и дезориентирует.

Применяют в антитеррористических операциях, при освобождении заложников, разгоне противозаконных сборищ (при массовых беспорядках).

Зажигательные бомбы, трассирующие пули, ракеты сигнальные и осветительные — везде используется яркое горение металла.

Препараты магния необходимы в медицине. Недостаток макроэлемента губителен для сердечно-сосудистой системы. Ишемическая болезнь, артериальная гипертония, аритмии — каждая из этих болезней усугубляется дефицитом магния.

Недостаток нескольких граммов металла плохо отражается на наших нервах (депрессии, мигрени, головокружения, тревога, раздражительность).

Важно: у каждого потребность в магнии возрастает при стрессах, физических нагрузках; у спортсменов — при изнурительных тренировках и на соревнованиях.

Специалисты фирмы Тойота разработали аккумуляторную батарею (на основе серно-магниевых элементов). Показатели у аккумулятора завидные. Загвоздка в том, что в батарее происходит саморазряд (катод электрохимически восстанавливается, образуются полисульфидные анионы, переходящие в раствор). Пока эта проблема не будет решена, серно-магниевые аккумуляторы специалистам только снятся.

Магний металлический обладает сильными восстановительными свойствами. Его используют для получения бериллия, ванадия, хрома. Металл используют как лигатуру в сталях и чугуне.

Все шире применяют магнийорганические соединения в химическом синтезе галогенопроизводных, спиртов, углеводородов.

Где еще применяют соединения магния

Бесцветные кристаллы фторида магния используют в специальной оптике (вещество прозрачно в диапазонах от ультрафиолетового до инфракрасного.

Стеарат магния — пищевая добавка Е470. Используют в косметической, пищевой промышленности, в фармации.

Магниевые сплавы применяют в изготовлении отбойных молотков, в атомной и нефтяной промышленности.

Получение магния

В промышленности практикуют две технологии получения этого металла:

• электролитическую;
• термическую обработку сырья.

Первый вариант требует смешивания в электролитической ванне обезвоженных хлоридов натрия, магния и калия. При расплаве магний восстанавливается. Полученный металл сливают, ванну наполняют снова сырьевой смесью. На выходе магний имеет в своем составе около 2% примеси. При необходимости его несложно дополнительно очистить, добившись почти идеального показателя. Очищают магний сразу, пока он не остыл.

Получение магния вторым методом предполагает использование в качестве исходного материала доломита или соленой (озерной либо морской) воды. Доломит потребуется перемешать с коксом, разогреть до рабочей температуры не менее 2100 градусов. В технологической установке предусмотрено отведение и конденсация магниевых паров.

Если магниевые сплавы такие потрясающие, где же они были все это время?

Камера Samsung NX1 имеет корпус, выполненный из магниевого сплава
Исторически, алюминий быстрее набрал популярность, так как этот металл отлично подходит для всего, от банки для газировки до автомобильных двигателей. Он был лёгким, прочным, подходящим для переработки, а усовершенствованные технологии сделали его ещё и дешёвым. Применение магния для коммерческих целей началось намного позже, но сейчас популярность материала находится на подъёме, так как его экономическая эффективность приближается к алюминию. С одной стороны, магниевое сырье по-прежнему намного дороже, чем алюминий, но с другой, машинам легче сделать его сплав, поэтому он экономически эффективен, как и алюминий.