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...


Магниевые сплавы и пути повышения их прочности

17.07.2019

Известно, что развитие новых отраслей техники в значительной мере определяется свойствами применяемых материалов. Среди этих материалов важное место занимают сплавы на основе магния, обладающие высокой удельной прочностью и целым рядом физико-химических свойств, привлекающих к ним внимание металлургов и конструкторов.

Магний — самый легкий и широко распространенный конструкционный металл. Его плотность 1,74 г/см3. Он в 4,5 раза легче железа, в 5 раз легче меди, в 2,6 раза легче титана и в 1,6 раза легче алюминия. По содержанию в земной коре (2,4%) он уступает лишь железу и алюминию, не считая щелочноземельных металлов.

Магниевые сплавы обладают хорошим поглощением вибрации, что очень важно для авиации и транспорта. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюмина, и в 20 раз больше, чем у легированной стали.

Магниевые сплавы представляют большой интерес для применения в деталях, работающих на продольный или поперечный изгиб. Удельная жесткость магниевых сплавов при изгибе и кручении превышает таковую алюминиевых сплавов на 20 и сталей на 50%. Следует также отметить исключительную обрабатываемость резанием магниевых сплавов. Магниевые сплавы немагнитны и не дают искры при ударах и трении.

Объем потребления магния с каждым годом увеличивается. Этот рост стал возможным благодаря значительному прогрессу в области развития первичной металлургии, а также разработки новых сплавов и технологических процессов их производства. Особенно эффективно применение магниевых сплавов в конструкциях, где снижение веса деталей имеет решающее значение. Сюда относятся такие отрасли новой техники, как космонавтика, сверхзвуковая авиация, ракетостроение, скоростной транспорт, станкостроение и др. В последнее время магниевые сплавы как материал с особыми физическими и химическими свойствами находят применение в современной электронно-вычислительной технике, радиотехнике, атомной технике, телевидении и др. (рис. 1).

Промышленное производство магния в России началось с 1935 г., и за 40 с лишним лет магниевая промышленность стала крупной отраслью в производстве легких сплавов. У ее истоков стояли такие крупные ученые, как А.И. Беляев, А.А. Бочвар, С.М. Воронов и др.

В настоящее время из магниевых сплавов можно изготавливать изделия, работающие в интервале температур от —253 до 350° С длительно и до 450° С кратковременно. Анализ механических свойств промышленных магниевых сплавов, применяемых у нас и за рубежом, показывает, что сплавы, используемые в нашей стране, не уступают зарубежным, а имеющиеся у нас новые сплавы по своим свойствам превосходят известные сплавы, применяемые в капиталистических странах. Существующие методы защиты магниевых сплавов оксидными пленками и лакокрасочными покрытиями обеспечивают нормальную работу деталей из этих сплавов в различных условиях. Все это выдвинуло сплавы магния на одно из важных мест среди современных конструкционных сплавов.

Основные направления развития народного хозяйства России на 1976—1980 гг., одобренные XXV съездом КПСС, предусматривают также дальнейшее снижение материалоемкости конструкций. Это имеет особое значение для летательных аппаратов, где весовая отдача играет решающую роль.

Обзор иностранной литературы свидетельствует о росте производства магния в капиталистических странах (рис. 2). Из рисунка видно, что основным производителем магния в капиталистическом мире являются США (около 60%), второе место занимает Норвегия.

В результате фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в России, был достигнут значительный прогресс в области разработки новых легких и сверхлегких сплавов на основе магния. Уровень свойств повышен в 1,5—2 раза. Созданы сверхлегкие сплавы с плотностью 1,4—1,6 г/см3, на 15—20% ниже плотности стандартных магниевых сплавов. Характеристики новых жаропрочных литейных сплавов превосходят уровень мировых стандартов, а прочность при комнатной температуре находится на уровне этих стандартов.

В значительной мере расширению области применения магниевых сплавов способствовали работы, выполненные в последние годы и направленные на разработку средств защиты от коррозии деталей и агрегатов из магниевых сплавов, работающих в различных климатических условиях.

Внедрение сплавов магния с редкоземельными металлами и литием потребовало разработки принципиально новых процессов слитков с применением принципа бесфлюсово-индукционной плавки. Разработаны и внедрены новые конструкции литейно-плавильного оборудования для получения крупных промышленных слитков из новых сплавов.

Прогрессивная технология производства магниевых сплавов позволила повысить емкость печей в 4 раза, значительно повысить производительность плавильных агрегатов, коэффициент использования металла (КИМ) повышен в 2 раза и обеспечен серийный выпуск крупногабаритного фасонного литья и слитков для производства широкоформатных полуфабрикатов. Значительно возросли габариты и вес деталей, отливаемых из магниевых сплавов. Если 10—15 лет назад вес литых изделий достигал 50—80 кг, то в настоящее время он достигает 1000 кг, габариты литых деталей с 600х1000 мм повышены до 2000х2000 мм. Вес деформированных полуфабрикатов повысился со 100 до 3000 кг. При замене алюминиевых сплавов магниевыми в отливках в ряде случаев достигается облегчение веса детали на 25—30% при сохранении равной прочности.

Сплавы магния в нашей стране имеют значение не только как ценные технические материалы, но и как заменители дефицитных и дорогостоящих металлов, позволяющие полнее использовать сырьевые ресурсы страны.

Внедрение легких и сверхлегких магниевых сплавов позволило получить значительный технический и экономический эффект за счет снижения веса, повышения надежности, экономии горючего и других показателей.

Работы, выполненные в России за последние годы, позволили открыть новую область использования магниевых сплавов. Это сплавы с особыми физическими и химическими свойствами.

В частности разработан и внедрен деформируемый магниевый сплав МА17. Сплав предназначен для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки в различных радиотехнических системах. Внедрение сплава позволило повысить надежность работы приборов, снизить трудоемкость их изготовления и уменьшить себестоимость.

Разработан новый литейный сплав МЦИ с высокой демпфирующей способностью. Сплав предназначен для отливки деталей, работающих в условиях воздействия вибрационных нагрузок. Использование его в конструкциях дает возможность уменьшить вес, увеличить надежность и срок службы изделий, а также существенно снизить шум. Магниевые сплавы используются для протекторной защиты подводной части корпусов судов, а также магистральных подземных металлических сооружений газо- и нефтепроводов и т. д.

Современной технике требуются высокопрочные литейные магниевые сплавы с пределом прочности выше 30 кгс/мм2 и деформируемые — с пределом прочности 40—50 кгс/мм2, а также сплавы с пределом текучести при сжатии свыше 20 кгс/мм2. Реальная прочность литого магния составляет 4%, а деформированного — 7% от теоретической прочности. Прошло 170 лет со дня открытия магния, а реальная прочность современных промышленных магниевых сплавов составляет лишь 12—16% от теоретической.

На рис. 3 приведены данные, характеризующие прочность магниевых сплавов, достигнутую к настоящему времени, а также ожидаемую в ближайшее время и проблематично возможную. На рис. 4 показаны основные тенденции в развитии прочности магниевых сплавов за период 1960—1980 гг. Из приведенных на рис. 4 данных видно, что в ближайшее время можно ожидать получение магниевых сплавов с пределом прочности 45—50 кгс/мм2 (для деформируемых) и 35—40 кгс/мм2 для литейных. Каковы же пути повышения прочности магниевых сплавов? Это — легирование, термическая и термомеханическая обработка, создание композиционных материалов и, наконец, усовершенствование технологии производства сплавов и методов получения из них полуфабрикатов и изделий.

Настоящая статья не претендует на изложение всех возможных путей упрочнения магниевых сплавов, она лишь затрагивает некоторые аспекты этой проблемы.

Теория легирования магниевых сплавов основывается на изучении фазовых равновесий в двойных, тройных, четверных и более сложных системах на основе магния и на установлении закономерностей между составом и структурой сплавов и их физическими, механическими и другими свойствами.

Изучение характера взаимодействия в многокомпонентных системах на основе магния, определение характера и температур нонвариантных превращений, изменения растворимости с температурой и концентрации легирующих компонентов имели важное значение для выбора составов сплавов, для понимания природы их свойств при различных условиях эксплуатации, для установления режимов их термической обработки и обработки давлением.

Изучена закономерность изменения свойств в зависимости от положения легирующих элементов по периодам и группам периодической системы Д. И. Менделеева. Анализ характера взаимодействия магния с другими элементами периодической системы (рис. 5) показывает, что магний практически не взаимодействует ни в жидком, ни в твердом состоянии с такими тугоплавкими переходными металлами, как молибден, вольфрам, железо и др. Тем не менее некоторые тугоплавкие переходные металлы — марганец, цирконий, никель и кобальт — растворяются в жидком магнии и входят, в небольшом количестве, в твердый раствор на его основе.

Обычно хорошо растворимы в магнии и в твердом, и в жидком состоянии металлы с полностью застроенной d-оболочкой, например цинк, кадмий, свинец, олово, висмут, таллий, индий. Перечисленные металлы образуют с магнием ряд соединений, которые в случае металлов четвертой и пятой групп подчиняются правилам валентности (например, Mg2Sn, Mg2Bi и др.). С металлами же второй и третьей групп магний образует фазы, для которых уже не соблюдается правило валентности.

Особое место занимают диаграммы состояния, характеризующие взаимодействие магния с элементами третьей группы периодической системы элементов с недостроенными d-оболочками. В эту группу входят скандий, иттрий, а также редкоземельные металлы и торий. Эти элементы образуют с магнием ряд промежуточных фаз и хорошо растворяются в нем в жидком и твердом состоянии.

Co щелочноземельными металлами (кальций, стронций, барий) и особенно со щелочными металлами магний не образует значительной области растворимости в твердом состоянии, что связано главным образом с большим различием атомных диаметров. Исключением из этого правила является литий, атомный диаметр которого отличается от атомного диаметра магния всего на 2%. С металлами группы меди (медь, серебро и др.) магний образует диаграммы эвтектического типа.

Установление периодичности в характере взаимоотношений металла-основы с легирующим элементом осложняется тем, что эта закономерность меняется не только по мере изменения строения наружных электронных оболочек, но и при увеличении заряда ядра и общего числа электронов.

Для того, чтобы определить полезность введения того или иного компонента в сплав для повышения его прочности (жаропрочности), надо знать диаграмму состояния рассматриваемой системы, свойства фаз упрочнителей, характер структуры сплава и ее устойчивость под влиянием различных факторов (нагрева, деформации и т. п.).


He вдаваясь в подробности, следует отметить, что в результате проведенных за последние годы физико-химических исследований сплавов на основе магния получены данные, позволяющие во многих случаях выяснить природу высокой прочности промышленных и опытных сплавов, выбрать рациональные режимы их обработки и наметить пути легирования магниевых сплавов, удовлетворяющих разнообразным требованиям народного хозяйства.

Легирование как один из основных путей упрочнения и создания магниевых сплавов с различными свойствами за последние годы претерпело существенные изменения — значительно расширился круг легирующих элементов. В настоящее время многие редкоземельные, редкие, щелочные и щелочноземельные металлы, а также некоторые тугоплавкие металлы, которые ранее не использовались при изготовлении сплавов на основе магния, находят все более широкое применение. Это позволило создать новые магниевые сплавы для работы при комнатной и повышенных температурах, а также сплавы со специальными свойствами.

В последние годы внимание исследователей привлекли такие тугоплавкие элементы, как иттрий и скандий, которые обладают значительно меньшей плотностью, чем церий, неодим и другие РЗМ. Так, удельный вес скандия равен 3 г/см3, а иттрия — 4,5 г/см3. Благоприятный характер взаимодействия иттрия и скандия с магнием (растворимость иттрия в магнии при температуре эвтектики — около 12 вес. %, скандия при температуре перитектики — около 30 вес. %) делает эти элементы перспективными для создания новых магниевых сплавов. Работы по исследованию структуры и свойств деформируемых магниевых сплавов с добавками скандия и иттрия, проведенные в Советском Союзе, позволили разработать новые высокопрочные и жаропрочные сплавы. Прочностные свойства этих сплавов при всех температурах испытания вплоть до 400° С значительно превосходят свойства сплавов, легированных неодимом (МАИ и МА12). Таким образом, удалось повысить уровень прочности деформируемых сплавов с 28 кгс/мм2 до 40 кгс/мм2.

Дальнейшие исследования в области легирования должны быть направлены не только на изучение характера взаимодействия магния с различными новыми элементами, но и на изучение процессов упрочнения и разупрочнения магния при сложном легировании его различными элементами, а также на изучение механизма деформации простых и сложных по составу магниевых сплавов.

Исследованиями последних лет, проведенными в России, было установлено, что существенное повышение механических свойств некоторых деформируемых магниевых сплавов может быть достигнуто за счет использования термомеханической обработки (TMО). Применение методов TMO позволяет повысить прочностные свойства магниевых сплавов как при комнатной, так и повышенных температурах: предел прочности — на 20—25%, предел текучести — более чем в 2 раза. Полученное упрочнение сохраняется до сравнительно высоких температур.

В связи с необходимостью повышения прочности и жаропрочности большой интерес приобретают работы, направленные на исследование возможности армирования магния и его сплавов высокопрочными и высокомодульными волокнами (бор, карбид кремния, углеродистое волокно). В работе показано, что композитный материал, состоящий из магниево-литиевого сплава, армированного стальной проволокой У8А, обладает высокими механическими свойствами при комнатной температуре (ов = 60 кгс/мм2; E = 6400 кгс/мм2) и при 200° С (ов = 40 кгс/мм2). Он может быть использован для деталей, не требующих сварки и работающих в интервале температур от -75 до +200° С.

В виду предстоящего в новой пятилетке увеличения производства и потребления магния и его сплавов в нашей стране, необходимо расширить исследовательские и конструкторские работы по изысканию путей дальнейшего повышения характеристик прочности, пластичности и специальных свойств магниевых сплавов.

Необходимо также расширить работы по изучению физико-химического взаимодействия элементов в системах на основе магния, диаграмм состояния с редкими, редкоземельными и тугоплавкими элементами, а также неравновесных диаграмм, охватывающих наиболее важные в промышленном отношении композиции.

Важная, но еще не полностью решенная задача — это получение однородной мелкозернистой структуры слитка. Опыт показывает, что перспективными методами измельчения структуры магниевых сплавов являются физические методы (воздействие на лунку жидкого металла ультразвуковыми колебаниями или индукционными токами). Воздействие ультразвуковых колебаний и электромагнитного перемешивания на расплав в процессе кристаллизации приводит к значительному уменьшению газонасыщенности. Одновременно необходимо изыскивать средства устранения объемной кристаллизации, которая приводит к локальным скоплениям частиц марганца и металлических соединений в слитках.

Необходимо также расширить исследовательские и конструкторские работы по дальнейшему усовершенствованию технологии производства слитков и деформированных полуфабрикатов из магниевых сплавов.

Успехи, достигнутые в нашей стране в области разработки магниевых сплавов, технологии их литья, обработки и сварки, а также новые методы упрочнения и защиты от коррозии будут способствовать расширению применения магниевых сплавов в самых различных областях народного хозяйства.


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