книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

жаропрочность, или низкий коэффициент линейного расширения, или низкий коэффициент трения. Изменение свойств зависит от легирующих элементов, которые присутствуют в сплаве. Согласно классификации В.И. Добаткина в зависимости от легирующих компонентов САС подразделяются на три группы. Первая группа содержит марганец, хром, цирконий, титан. В результате технологических нагревов под горячее прессование и экструзию (обработка давлением) они распадаются с выделением дисперсных интерметаллидных фаз, что приводит к повышению прочности.

Вторая группа САС легирована железом, никелем и кобальтом. Большая скорость охлаждения частиц порошка обеспечивает образование гетерогенной (неоднородной) структуры, т.е. интерметаллидные фазы находятся в дисперсном состоянии и равномерно распределены.

Третью группу САС составляют гранулированные сплавы, полученные из алюминиевых сплавов, содержащих свинец, олово, кадмий. Полуфабрикаты из САС получают, нагревая сначала порошки и гранулы в алюминиевой оболочке, а затем подвергая горячему прессованию и экструзии. Для сплавов первой и второй групп этот процесс проводится при температуре 400–500 °С, что обеспечивает создание и сохранение необходимой структуры и получение требуемых свойств. Применяют САС для изготовления деталей, работающих в паре со сталью при температуре 20–200 °С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности, а также в приборостроении, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав.

В настоящее время разрабатываются новые сплавы на основе алюминия, позволяющие еще больше расширить сферу применения этих материалов. Так, для проекта экологичного самолета, работающего на жидком водороде (его температура 253 °С) потребовался материал, который при таких низких

102

температурах не охрупчивается. Разработанный в России сплав 01420 на основе алюминия, легированного литием и магнием, удовлетворяет этим требованиям. Кроме того, за счет того, что оба легирующих элемента в этом сплаве легче алюминия, удается понизить удельный вес материала и, соответственно, полетную массу машин. Сочетая хорошую прочность, присущую дюралям, и пониженную плотность сплав, кроме того, обладает высокой коррозионной стойкостью. Таким образом, современная наука и технология идет по пути создания материалов, сочетающих максимально возможный набор полезных качеств.

2.6. Магний и его сплавы

Магний – металл серебристо-белого цвета, один из самых распространенных элементов в земной коре с плотностью 1,74 г/м3 и температурой плавления 651 °С. Магний кристаллизуется в решетку ГПУ с периодами а = 0,32 нм, с = 0,52 нм, и не имеет аллотропических модификаций.

Магний – химически активный металл, на воздухе окисляется с образованием оксидной пленки МgО, не обладающей защитными свойствами. Эта пленка растрескивается из-за более высокой плотности (3,20 г/м3), чем у самого магния. Магний в слитках, а также изделия из магниевых сплавов неогнеопасны. Опасность может представлять магний в виде стружки, порошка или пыли. Взаимодействие воды с горячим расплавленным магнием сопровождается взрывом.

Пластическая деформация магния и его сплавов происходит при повышенных температурах. Следует отметить хорошую обрабатываемость резанием магния и его сплавов. Магний и его сплавы легко свариваются, в особенности аргонодуговой сваркой. Механические свойства прокатанного

и отожженного магния: σв = 180 МПа; σ0,2 = 100 МПа; δ = 15 %;

НВ 30.

103

Примеси железа, никеля, кобальта и меди снижают коррозийную стойкость магния и его сплавов.

Магний используется главным образом для получения сплавов на его основе и легирования алюминиевых сплавов. Благодаря большой химической активности к кислороду, магний применяют в качестве раскислителя в производстве стали и цветных сплавов, а также для получения трудновосстанавливаемых металлов (титана, циркония, ванадия, урана и др.). Его используют также для получения высокопрочного модифицированного чугуна. В химической промышленности порошкообразный магний применяют для обезвоживания органических веществ (спирта, анилина и др.), а также для получения тетраэтилсвинца, тетраметила и других препаратов, применяемых в качестве добавок к нефтепродуктам и в фармакологии.

На основе магния созданы сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Из них изготавливают аноды для источников тока, детали машин с высокими демпфирующими свойствами и др.

Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства. К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк и марганец. Введение марганца в магний практически не оказывает влияния на прочностные характеристики, но снижает пластичность и вместе с тем повышает сопротивление коррозии и улучшает свариваемость.

В области сплавов, богатых магнием, диаграмма состояния Мg–Аl представляет собой диаграмму эвтектического типа с температурой эвтектики 436 °С и содержанием алюминия 32,3 %. В равновесии с α-твердым раствором находится фаза Мg37А12. Растворимость алюминия в твердом магнии составляет при эвтектической температуре 12,6 %, которая с понижением температуры уменьшается, и при температуре 150 °С составляет около 2,3 %. Содержание алюминия в сплавах до

104

6...7 % приводит к повышению прочности и пластичности. При большем содержании алюминия прочность резко падает.

Магниево-цинковые сплавы. Диаграмма состояния Мg–Zn

в области сплавов, богатых цинком, имеет эвтектический характер. Эвтектика образуется при 343 °С и содержании цинка 51,6 %. При температуре ниже 330 °С в равновесии с магниевым твердым раствором находится соединение МgZn. Растворимость цинка при 343 °С в твердом магнии составляет 8,4 %, которая с понижением температуры снижается и при 150 °С равна 1,7 %. Свойства сплавов магния, содержащих цинк, изменяются по сложной кривой. Максимальные значения механических характеристик отвечают содержанию цинка 4...6 %. Для измельчения зерна, повышения механических свойств и коррозийной стойкости магниево-цинковых сплавов к ним добавляют небольшие количества циркония и редкоземельных металлов (церия и др.).

Магниевые сплавы разделяют на литейные и деформируемые.

Деформируемые магниевые сплавы используют для по-

лучения полуфабрикатов и изделий путем пластической деформации (прокатка, ковка, штамповка и т.д.). Деформируемые магниевые сплавы маркируются двумя буквами МА. За буквами МА ставятся цифры, указывающие номер сплава.

К деформируемым относят следующие магниевые сплавы: на основе Мg–Мn (МА1; МА8; σв = 240...260 МПа;

δ = 5...12 %); на основе Мg–Аl–Zn (МА2, МА3 и др.; σв = 260...310 МПа; δ = 8...12 %); на основе Мg–Nd (МА12; σв = 280 МПа; δ = 10 %); на основе Мg–Zn–Zr (МА14; σв = = 350 МПа; δ = 14 %) и др.

Приведенные сплавы обладают повышенной коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Они не упрочняются термической обработкой. Основная цель легирования сплавов марганцем – повышение их коррозионной стойкости и улучшение свариваемости. Для обеспечения достаточно вы-

105

сокой коррозионной стойкости добавка марганца должна быть не менее 1,3 маc.%. Большое распространение в технике имеет сплав МА8, легированный помимо марганца небольшими добавками церия. Введение церия приводит к повышению временного сопротивления разрыву, пределов текучести, ползучести и длительной прочности, относительного удлинения и обрабатываемости в холодном состоянии. Сплав рекомендуется для длительной работы при 200 °С, в то время как сплав МА1 применяется для работы при 150 °С. Сплав поставляется в виде листов (в отожженном или полунагартованном состоянии) для обшивки некоторых элементов конструкций самолетов; прутков; плит; штамповок для деталей сложной конфигурации; профилей и труб для деталей арматуры бензо- и маслосистем. Сплав марки МАВпч (повышенной чистоты) отличается от сплава МА8 меньшей массовой долей вредных примесей (железа, никеля, меди и др.), что повышает пластичность, коррозионную стойкость и улучшает свариваемость.

Сплавы данной группы (МА2, МА2-1, МА2-1пч, МА5) широко применяются в промышленности. Сплавы отличаются друг от друга степенью прочности, которая возрастает с увеличением номера сплава. Из всех сплавов данной системы только сплав МА5 упрочняется термической обработкой (закалкой при 410–425 °С с выдержкой 2–4 ч. и охлаждением на воздухе и последующим старением при 175–200 °С в течение 10–24 ч.). Основным эффектом упрочнения при искусственном старении данного сплава является увеличение предела текучести при сжатии. Если этого не требуется, ограничиваются только закалкой. Сплав марки МА2 обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Из него изготавливают прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки сложной формы (крыльчатки и жалюзи капота самолета и др.). Потребность в разработке более прочного сплава привела к созданию сплава марки МА2-1 с более высокой степенью легированности, чем у спла-

106

ва МА2. Сплав МА2-1 поставляется в отожженном, полунагартованном и горячекатаном состоянии. Необходимость повышения коррозионной стойкости и пластичности привела к созданию сплава повышенной чистоты марки МА2-1пч, который отличается от сплава МА2-1 меньшей массовой долей примесей.

Из сплавов МА2-1 и МА2-1пч изготавливают все виды полуфабрикатов. Применяются сплавы в виде сварных конструкций для обшивки, перегородок, шпангоутов. Из листов изготавливаются кузова, щитки, топливные баки и другие детали спортивных автомобилей.

Детали из сплавов системы Мg–Аl–Zn–Мn могут длительно (более 100 ч) работать при температуре до 150 °С и кратковременно – до 200 °С. Сплавы данной системы в одинаковой степени удовлетворительно сопротивляются коррозии. Однако с повышением массовой доли алюминия (от сплава МА2 к сплаву МА5) увеличивается склонность сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением. Для сведения этой опасности к минимуму для деталей из сплава МАЗ толщина стенки не должна быть менее 7 мм.

Сплавы системы Мg–Zn–Zr (МА14, МА15, МА19 МА20) отличаются высокими механическими свойствами благодаря повышенному содержанию цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Сплавы данной группы, за исключением сплава марки МА14, дополнительно легированы кадмием (кроме сплава МА20) и редкоземельными элементами (МА15 – лантаном, МА19 – неодимом, МА20 – церием). Кадмий повышает технологическую пластичность сплавов. Это позволяет осуществлять более высокие степени деформации, что приводит к повышению прочностных свойств. Редкоземельные элементы улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных температурах.

Сплав МА20 обладает средней прочностью, высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью. Он не склонен к коррозионному растрескиванию.

107

Применяется для сварных деталей сложной геометрической формы, длительно работающих до температуры 150 °С и кратковременно – до 200 °С.

Сплав МА14 поставляется в виде прессованных полуфабрикатов, поковок и штамповок. Он имеет хорошую пластичность при прессовании и штамповке, хорошо сопротивляется коррозии под напряжением, имеет удовлетворительную общую коррозионную стойкость. Сплав упрочняется в процессе искусственного старения при 160–180 °С в течение 10–24 ч. Предназначен для несвариваемых высоконагруженных деталей, работающих до температуры 125 °С (обшивка самолетов, детали грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков

идр.). Высокопрочный сплав МА15, содержащий лантан, имеет высокие прочностные свойства при комнатной и повышенной температуре, высокую пластичность в горячем состоянии

иудовлетворительную свариваемость. Он предназначен для деталей сварных конструкций, требующих повышенного предела текучести при сжатии, работающих длительно до 150 °С

икратковременно – до 200 °С.

Наиболее высокопрочный сплав МА19 легирован цинком, цирконием, неодимом и кадмием. Из него изготавливают прессованные полуфабрикаты, поковки и штамповки. Сплав предназначен для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при длительной нагрузке до температуры 150 °С и кратковременно – до 200 °С.

Жаропрочные магниевые сплавы системы Мg–Nd–Mn (МА11) и Мg–Nd–Zr (МА12) способны длительно работать при температурах 200–250 °С. Сплав МА11 дополнительно легирован никелем. Марганец и никель в сплавах магния с РЗМ значительно повышают сопротивление ползучести, длительную прочность и в меньшей степени временное сопротивление разрыву. Цирконий измельчает зерна сплава МА12, улучшая его технологическую пластичность и несколько повышая временное сопротивление разрыву. Жаропрочные сплавы хорошо де-

108

формируются, не склонны к коррозии под напряжением, удовлетворительно свариваются. Благодаря наличию марганца и никеля сплав МА11 имеет несколько более высокие пределы длительной прочности и ползучести, чем сплав МА12. Однако из-за низкой коррозионной стойкости и худшей свариваемости он вытесняется сплавом МА12.

Жаропрочные сплавы упрочняются термической обработкой – закалкой с последующим старением. Температура нагрева под закалку сплава МА11 – 490–500 °С, охлаждение в воде или на воздухе; старение при 175 °С в течение 24 ч. Температура нагрева под закалку сплава МА12 – 530–540 °С, охлаждение в воде, старение при 200 °С в течение 16 ч. Механические свойства жаропрочных сплавов могут быть значительно повышены термомеханической обработкой. Сплав МА11 применяется для деталей, изготавливаемых из прессованных полуфабрикатов, поковок и штамповок, длительно работающих при температуре до 250 °С.

Сплав МА12 рекомендуется для сварных конструкций и деталей, изготавливаемых из листов, прессованных полуфабрикатов, поковок и штамповок, длительно работающих при температуре до 200 °С.

Дальнейшее повышение жаропрочности магниевых сплавов достигается легированием их иттрием, скандием и особенно торием.

Сверхлегкие сплавы на основе системы Мg–Li. Легиро-

вание сплавов литием (самым легким металлом, плотность которого составляет 530 кг/м3) позволяет получить легкий конструкционный материал, плотность которого меньше плотности чистого магния (МА18, МА21).

Магниево-литиевые сплавы обладают повышенной пластичностью и деформируемостью, удовлетворительной коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Модуль упругости и предел текучести при сжатии у них выше, чем у обычных сплавов на основе магния. Сплавы данной группы

109

имеют достаточно высокие механические свойства (в том числе пластичность и вязкость) при криогенных температурах. С возрастанием массовой доли лития увеличивается пластичность сплавов при уменьшении их прочностных характеристик.

Сплав МА18 имеет наименьшую плотность среди стандартных магниевых сплавов (он более чем 1,2 раза легче сплава МА2-1). Сплав обладает высокой пластичностью и отличной технологичностью при обработке давлением: листовая штамповка, гибка, вытяжка могут осуществляться в холодном состоянии. Его рекомендуется применять для малонагруженных конструкций, работающих при комнатной и криогенных температурах. Сплав МА21 отличается от сплава МА18 более высокими прочностными характеристиками (в том числе и при повышенных температурах) и коррозионной стойкостью. Он предназначен для средненагруженных конструкций, работающих при температуре до 100 °С.

Магниево-литиевые сплавы рекомендуется применять в изделиях, где нужна высокая удельная жесткость и повышенное сопротивление сжатию. Широкому использованию сверхлегких магниево-литиевых сплавов в самолето- и вертолетостроении и других областях промышленности препятствует пока их высокая стоимость (дорог литий повышенной чистоты, применяемый в сплавах).

Сплав с высокой звукопроводностью (МА17). Магниевый сплав на основе системы Мg–Се применяется при изготовлении звукопроводов ультразвуковых линий задержки (УЛЗ) в электронно-вычислительных машинах; цветном телевидении; аппаратуре, предназначенной для радиолокации. Основное назначение УЛЗ – задержка сигнала во времени, которая происходит потому, что скорость распространения ультразвуковых колебаний значительно меньше скорости распространения радиоволн и электрических сигналов по проводам радиосхем. Выбор сплава МА17 для изготовления звукопроводов УЛЗ

110