24.08.2019
Площадочный вибратор является приспособлением, аналогичным электродвигателю, применяемое в роли источника эффективных колебаний....


24.08.2019
На сегодняшний день во всём мире наблюдается максимально экономное использование энергоресурсов, а владельцы недвижимого...


24.08.2019
В процессе обустройства ванной комнаты приходится выбирать большое количество важнейших компонентов, начиная от ванных и унитаза,...


23.08.2019
На сегодняшний день циркониевые коронки считаются уникальной разработкой в сфере протезирования зубов, её пользуются стоматологи...


23.08.2019
Эксплуатационный период любого строения, сохранность всего имущества и создание в нём оптимального микроклимат определяется, в...


23.08.2019
Дабы постройка выглядела массивной и напоминала строения минувших веков, нередко мастера выполняют отделку с помощью руст. Это...


Настоящее и будущее магниевых сплавов

17.07.2019

В экономике капиталистических стран за последние годы произошли события, которые должны повлиять на масштаб и темпы развития производства магния. Суть этих событий такова.

1. Существенно возросли цены на нефть, что заставило западную печать заговорить об энергетическом кризисе.

2. Вслед за повышением цен на нефть возросли цены на сырье, что породило на Западе проблему сырьевого кризиса.

В результате изменения цен па нефть и сырье на Западе возросли цены на другие продукты, причем эти цены резко оторвались от уровня зарплаты. Наступила инфляция и обострились классовые противоречия в капиталистическом мире. Источники сырья для получения магния (морская вода) неисчерпаемы, здесь нет борьбы монополий за цепы на сырье. Широкая доступность сырья, не имеющего цепы, делает магний уникальным материалом, себестоимость которого определяется целиком его энергоемкостью и не зависит от конъюнктуры на сырьевом рынке.

Совсем недавно магний был дороже алюминия в 1,5 раза, что сдерживало его производство, но за последнее время соотношение цеп на эти металлы приблизилось к единице, чему способствовало не только повышение цен на бокситы, но и снижение энергоемкости производства магния из морской воды путем ее электролиза.

Энергоемкость становится важнейшей экономической характеристикой любого материала. Алюминий является естественным конкурентом магния. Для оценки энергоемкости этих двух металлов можно привести следующие данные (табл. 1).

Снижение энергоемкости электролиза магния на 40% и рост цен на алюминий и другие металлы неизбежно приведут к заметному росту мирового производства магния и его потребления, особенно в автомобильной промышленности. Если энергоемкость отнести не к весу, а к единице объема, экономическое преимущество магния станет еще очевиднее.

Ho зарубежным данным, на январь 1971 г. мировое производство магния составляло 233 тыс. т со следующим распределением по странам (без данных по бывш. СССР), тыс. т: США — 112; Норвегия — 36,5; Япония — 9,7; Италия — 8; Канада — 6,6; Франция — 4,7; Великобритания — 2,8.

По некоторым данным, составленным еще до изменения цен на сырьевом рынке, США собирались увеличить производство магния в 1980 г. до 183 тыс. т. Обращает на себя внимание Норвегия: она работает на экспорт, ввозя в ФРГ значительное количество магния, в основном для автомобильной промышленности. Малая плотность магния (1,7 г/см3), благоприятно влияя на снижение веса автомобилей, вагонов и других транспортных средств, способствует уменьшению эксплуатационных затрат на бензин и другие источники энергии.

Структура потребления магния в России отличается от структуры потребления этого металла в США (табл. 2), что в какой-то мере отражает разный масштаб производства алюминия и титана. При получении последнего магний играет роль восстановителя.
Настоящее и будущее магниевых сплавов

В США расходуется магния на легирование алюминиевых сплавов значительно больше, чем в России, что говорит не только о крупном производстве алюминиевых сплавов, но и о широком применении Mg для их легирования. Из 50 тыс. т магния, затраченного для этой цели в США в 1974 г., 20 тыс. т было израсходовано для производства консервных банок из алюминиевого сплава, содержащего 4,5% магния. Сейчас содержание магния снижено до 1%, что может сказаться на структуре потребления и масштабе производства магния в США.

Большое потребление магния в России в качестве восстановителя металлов прежде всего связано с производством титана.

В США к 1980 г. по сравнению с 1974 г. намечается почти утроение выпуска магния для литья. Это прогрессивная тенденция, так как литье под давлением, нашедшее широкое применение особенно в автомобильной промышленности, обеспечивает коэффициент использования металла 0,95—0,97 (только около 3% металла уходит в стружку или другие отходы). С таким методом литья в условиях массового производства продукции не всегда может конкурировать обработка давлением.

В США к 1980 г. намечается относительное (в процентном отношении) снижение производства проката и штамповок при сохранении тоннажности на установившемся уровне. Наиболее вероятный потребитель — авиаракетная и космическая техника, требующая более высоких показателей прочности, чем обычное машиностроение.

Обращает на себя внимание большое применение в США магния для модифицирования чугунов с удвоением к 1980 г. его производства для этой цели.

В обычном, немодифицированном чугуне графит имеет любую форму и играет роль внутренних подрезов — концентраторов напряжений, так как отсутствует связь между графитными включениями и матрицей. Эти включения можно рассматривать как дыры, заполненные графитом. Обычно эффект модифицирования чугуна магнием сводился лишь к изменению формы: графит становился шаровидным. Однако авторадиографические исследования BИAMa показали, что при модифицировании возникает связь между матрицей и графитными включениями и, следовательно, концентрация напряжений вокруг этих включений должна существенно снизиться. Этот эффект, вероятно, характерен не только для модифицирования чугуна магнием, а является в той или иной степени составной частью механизма модифицирования вообще.

Явно определившаяся тенденция к существенному расширению производства литья под давлением связана не только с высоким коэффициентом использования металла при таком методе литья, но и с созданием вы сокопроизводительных литейных машин. Производительность этих машин определяется скоростью выпрессовки металла. В ФРГ, где в автомобильной промышленности широко применяется метод литья магниевых сплавов под давлением, машины со скоростью выпрессовки, равной 2,5 м/с, заменены на более производительные со скоростью выпрессовки до 9 м/с.

Как известно, обычный карточный прокатный стан может дать за год около 50 тыс. т автомобильного листа, а автоматизированный прокатный стаи конструкции академика А.И. Целикова — около 5 млн. т. Если мы будем широко развивать магниевое литье под давлением и создавать первоклассное оборудование для этой цели, то наряду с этим еще очень важной задачей уже в области алюминиевых сплавов должно явиться создание первоклассного прокатного стана для листовой прокатки алюминиевых сплавов, поглощающих для своего легирования большое количество магния. Конечно, при создании такого стана нужно не повторять существующие образцы в мировой технике, а сделать шаг на пути повышения эффективности оборудования и качества продукции.

Вопросы совершенства технологических процессов, материалов и оборудования для получения полуфабрикатов нужной формы, точного профиля и высокого качества будут непрестанно возрастать в своем значении для экономики нашей страны. Такие экономические категории, как энергоемкость металла, коэффициент его использования и металлоемкость конструкции в целом и отдельных ее элементов, потребуют согласованной работы металловедов, технологов и конструкторов. Наряду с общим объемом производства металла в стране все большее значение будет приобретать металлоемкость конструкций как важнейший показатель технического прогресса. Для оценки экономики любой страны имеет значение не только то, сколько произведено металла, но и как он расходуется. Практика знает примеры, когда при изготовлении отдельных деталей 95% металла превращалось в стружку. Ho есть и другие примеры — при точном литье, когда количество используемого металла приближается к 100%.

Хороший коэффициент использования сокращает потребность в металле и снижает трудоемкость изделия, характеризуя уровень совершенства и конструкции, и производства, и самого материала. Понятие совершенства этой взаимосвязанной «триады» включает в себя также надежность конструкции в эксплуатации и определяет длительность жизни конструкции. А сроки эксплуатации, если отвлечься от их «морального старения», существенно влияют на потребность народного хозяйства в материалах, тем более что многие источники сырья не безграничны, как у магния.

В условиях массового производства, например автомобилей, решающее значение может иметь не прочность материала, максимально возможная в данное время, а его цена и поведение в производстве и эксплуатации. Ho в некоторых отраслях новой техники весовая отдача — важнейший показатель совершенства конструкции, материала и уровня производства. Поэтому между материалами, производимыми в различных странах, идет незримое соревнование по ряду технических показателей.

Сравнивая советские магниевые сплавы с зарубежными, нетрудно прийти к заключению, что по уровню прочности и жаропрочности они занимают передовые позиции в мировой технике. Важно отметить, что советские исследователи, решая проблему жаропрочности, сумели обойтись без токсичного тория при легировании литейных магниевых сплавов. Средства защиты от коррозии сделали возможной эксплуатацию магниевых сплавов во всех климатических условиях. Созданы сверхлегкие магниевые сплавы, легированные литием. Имеются специальные сплавы для звукопроводов.

В изделиях новой техники материалы в ряде случаев работают в чрезвычайно сложных условиях. Повышение скоростей самолетов — взлетной, крейсерской и посадочной — привело к увеличению динамических нагрузок и сделало проблему усталости материалов весьма актуальной, особенно для самолетов с коротким пробегом и вертикально взлетающих.

На большой высоте давление внутри фюзеляжа более высокое, чем снаружи, где оно составляет примерно 25% от давления у земли. Таким образом, фюзеляж представляет собой сосуд, работающий под давлением с определенным запасом потенциальной упругой энергии, величина которой тем больше, чем крупнее самолет.

Эти новые условия эксплуатации породили новую науку — механику разрушения, цель которой — выработать новые критерии для оценки качества материалов, в частности для оценки скорости развития трещин. Чем меньше эта скорость, тем надежнее работает конструкция.

Согласно статистическим данным США, трещины распределяются следующим образом по элементам самолета, %: детали шасси — 9; поверхность управления — 10; хвостовое оперение — 12; фюзеляж — 16; крылья и пилоны — 53.

Усталость материала и коррозия — основные источники появления трещин. Чем выше напряжения в конструкции, тем скорее зарождаются и развиваются трещины. Появилось понятие безопасно повреждаемых конструкций: до определенного предела, особенно если напряжения не очень высоки, трещины развиваются чрезвычайно медленно и выявляются в ходе наблюдений за эксплуатируемой конструкцией.

Из числа коррозионных повреждений наибольшую опасность представляет коррозия под напряжением по границам зерен. На модели сплавов системы алюминий—цинк—магний сотрудниками ВИАМ было установлено, что не только электрохимический процесс, но и физический, связанный с направленной миграцией дислокаций, определяет коррозию под напряжением.

В случае сравнительно низкой температуры старения сплава дислокации под влиянием напряжений стекают на границы зерен и образуют там каверны, зародыши трещин, создавая тем самым условия, способствующие проникновению по границам зерен внешней агрессивной среды, в том числе влаги. В случае «смягчающего» режима старения нет стока дислокаций на границы зерен (они «привязаны» к фазам внутри зерна), нет и коррозии под напряжением по границам зерен. Дислокационный подход к проблеме коррозии под напряжением позволяет не только лучше понять это явление и рациональнее легировать сплав, но и оценить склонность материала к такого рода коррозии без проведения в некоторых случаях длительных коррозионных испытаний.

Явление замедленного разрушения того или иного сплава при статической нагрузке не обязательно имеет коррозионную природу. Помимо коррозии или наряду с ней может проявляться эффект адсорбционного понижения прочности, открытый П.Л. Ребиндером. Именно этот эффект проявляется в жаропрочных сплавах, если в них могут образоваться жидкие фазы из легкоплавких примесей.

He исключено, что атомарный водород может играть в сплавах роль агента адсорбционного понижения прочности. В титановых сплавах при ползучести разрушение идет не по границам зерен, как у других сплавов, а по границам фаз а—в, где и концентрируется водород, согласно авторадиографическим исследованиям.

Исключительно высокая подвижность атомарного водорода позволяет ему концентрироваться в зонах остаточных растягивающих напряжений, возникающих после сварки или механической обработки титановых сплавов. Локальная концентрация водорода в указанных зонах может превышать в 10 раз среднее содержание водорода в сплаве.

Установлено также, что в нержавеющей стали Я1Т водород (точнее, его изотоп тритий) располагается только вокруг карбидов, независимо от того, где они находятся: на границах зерен или внутри их. В высокопрочной нержавеющей стали ВНС-2 водород расположен на границах мартенситных игл и аустенита и частично на границах зерен. Местная концентрация водорода способствует зарождению трещин, понижая сопротивление стали разрушению. За последние годы стала очевидной проблема водородного износа при трении — влияние водорода на быстрое повреждение трущихся поверхностей деталей.

В алюминиевых сплавах к числу весьма вредных примесей также следует отнести водород и, безусловно, такие элементы, как железо и кремний. Причем и здесь среднее содержание этих элементов в сплаве, конечно, не полностью характеризует меру их опасности. В усталостном изломе сплава 01420 на его поверхности сотрудниками BIlAMa обнаружена высокая концентрация кремния, превышающая примерно в 10 раз среднее его содержание в сплаве. Трещины усталости во многих алюминиевых сплавах зарождаются около интерметаллидных соединений, содержащих кремний или железо.

Борьба за высокое сопротивление любых сплавов — и высокопрочных и жаропрочных — различным видам разрушения делает проблему вредных примесей критической, требующей повышения чистоты металла на всех стадиях его получения, начиная прежде всего с исходного сырья.

Зарождение и развитие трещин — локальный процесс, который можно тем лучше использовать для практики, чем больше мы будем знать о локальном распределении как полезных, так и вредных элементов в сплаве, в том числе на межзеренных и межфазных границах.

Электронно-микроскопические исследования показали, что в жаропрочных сплавах зарождение и размножение дислокаций начинается на межфазных границах. Микролегирование редкоземельными элементами может затормозить эти процессы и тем самым повысить сопротивление сплава ползучести и разрушению, увеличив время до разрушения в 2—3 раза.

Решениями XXV съезда КПСС и планом 10-й пятилетки предусмотрено значительное увеличение производства и применения легких сплавов, в том числе магниевых, в различных областях техники. Работники науки и техники приложат все свои силы для повышения качества металла и эффективности его применения в народном хозяйстве России.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна