Magnesiumlegeringar: tillämpning, klassificering och egenskaper

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 10:41

Magnesiumlegeringar har ett antal unika fysikaliska och kemiska egenskaper, varav de viktigaste är låg densitet och hög hållfasthet. Kombinationen av dessa kvaliteter i material med tillsats av magnesium gör det möjligt att producera produkter och strukturer med höga hållfasthetsegenskaper och låg vikt.

Magnesiumegenskaper

Industriell produktion och användning av magnesium började relativt nyligen - bara för cirka 100 år sedan. Denna metall har en låg massa, eftersom den har en relativt låg densitet (1,74 g/cmᶟ), god motståndskraft mot luft, alkalier, gasformiga medier som innehåller fluor och mineraloljor.

Dess smältpunkt är 650 grader. Den kännetecknas av hög kemisk aktivitet upp till spontan förbränning i luft. Draghållfastheten för rent magnesium är 190 MPa, elasticitetsmodulen är 4 500 MPa och den relativa töjningen är 18 %. Metallen har en hög dämpningsförmåga (absorberar effektivt elastiska vibrationer), vilket ger denutmärkt stöttolerans och minskad känslighet för resonansfenomen.

Andra egenskaper hos detta element inkluderar god värmeledningsförmåga, låg förmåga att absorbera termiska neutroner och interagera med kärnbränsle. På grund av kombinationen av dessa egenskaper är magnesium ett idealiskt material för att skapa hermetiskt slutna skal av högtemperaturelement i kärnreaktorer.

Magnesium legerar sig väl med olika metaller och är ett av de starka reduktionsmedlen, utan vilka den metallotermiska processen är omöjlig.

I sin rena form används den främst som legeringstillsats i legeringar med aluminium, titan och några andra kemiska grundämnen. Inom järnmetallurgi används magnesium för djupavsvavling av stål och gjutjärn, och egenskaperna hos de senare förbättras genom grafitsfäroidisering.

Magnesium och legeringstillsatser

De vanligaste legeringstillsatserna som används i magnesiumbaserade legeringar inkluderar element som aluminium, mangan och zink. Genom aluminium förbättras strukturen, materialets flytbarhet och styrka ökar. Införandet av zink gör det också möjligt att få starkare legeringar med minskad kornstorlek. Med hjälp av mangan eller zirkonium ökas korrosionsbeständigheten hos magnesiumlegeringar.

Tillsättning av zink och zirkonium ger ökad hållfasthet och duktilitet hos metallblandningar. Och närvaron av vissa sällsynta jordartsmetallerelement, såsom neodym, cerium, yttrium, etc., bidrar till en betydande ökning av värmebeständighet och maximering av de mekaniska egenskaperna hos magnesiumlegeringar.

För att skapa ultralätta material med en densitet på 1,3 till 1,6 g/mᶟ, införs litium i legeringarna. Denna tillsats gör det möjligt att minska deras vikt med hälften jämfört med aluminiummetallblandningar. Samtidigt når deras indikatorer på plasticitet, flytbarhet, elasticitet och tillverkningsbarhet en högre nivå.

Klassificering av magnesiumlegeringar

Magnesiumlegeringar klassificeras enligt ett antal kriterier. Det här är:

• enligt bearbetningsmetoden - för gjutning och deformerbar;
• enligt graden av känslighet för värmebehandling - till ohärdade och härdade genom värmebehandling;
• efter egenskaper och tillämpningar - för värmebeständiga, höghållfasta och generella legeringar;
• enligt legeringssystemet - det finns flera grupper av icke-härdbara och värmehärdbara smidesmagnesiumlegeringar.

Gjutlegeringar

Denna grupp inkluderar legeringar med tillsats av magnesium, designade för tillverkning av olika delar och element genom formgjutning. De har olika mekaniska egenskaper, beroende på vilka de är indelade i tre klasser:

• medelstyrka;
• hög styrka;
• värmebeständig.

När det gäller kemisk sammansättning delas legeringar också in i tre grupper:

• aluminium + magnesium + zink;
• magnesium + zink + zirkonium;
• magnesium + sällsynta jordartsmetallerelement + zirkonium.

Gjutningsegenskaper för legeringar

De bästa gjutegenskaperna bland produkterna i dessa tre grupper har aluminium-magnesiumlegeringar. De tillhör klassen av höghållfasta material (upp till 220 MPa), därför är de det bästa alternativet för tillverkning av motordelar till flygplan, bilar och annan utrustning som arbetar under mekaniska och termiska belastningar.

För att öka hållfasthetsegenskaperna legeras även aluminium-magnesiumlegeringar med andra element. Men närvaron av järn- och kopparföroreningar är oönskad, eftersom dessa element har en negativ effekt på legeringars svetsbarhet och korrosionsbeständighet.

Gjutna magnesiumlegeringar framställs i olika typer av smältugnar: efterklangsugnar, degelugnar med gas, olja eller elektrisk uppvärmning, eller degelinduktionsugnar.

Speciala flussmedel och tillsatser används för att förhindra förbränning under smältning och gjutning. Gjutgods tillverkas genom gjutning i sand-, gips- och skalformar, under tryck och med investeringsmodeller.

Smidda legeringar

Jämfört med gjutna legeringar är smideslegeringar av magnesium starkare, mer formbara och segare. De används för tillverkning av ämnen genom valsning, pressning och stansning. Som värmebehandling av produkter används härdning vid en temperatur på 350-410 grader, följt av godtycklig kylning utan åldring.

När uppvärmdplastegenskaperna hos sådana material ökar, därför utförs behandlingen av magnesiumlegeringar med hjälp av tryck och vid höga temperaturer. Stämpling utförs vid 280-480 grader under pressar med hjälp av slutna stansar. Vid kallvalsning utförs frekventa mellanliggande omkristallisationsglödgningar.

Vid svetsning av magnesiumlegeringar kan hållfastheten hos produktsömmen minska i de segment där svetsningen utfördes, på grund av känsligheten hos sådana material för överhettning.

Användningsområden för magnesiumlegeringar

Olika halvfabrikat - göt, plattor, profiler, plåt, smide, etc. produceras genom gjutning, deformation och värmebehandling av legeringar. Dessa ämnen används för produktion av element och delar av moderna tekniska anordningar, där vikteffektiviteten hos strukturer (reducerad vikt) spelar en prioriterad roll samtidigt som deras hållfasthetsegenskaper bibehålls. Jämfört med aluminium är magnesium 1,5 gånger lättare och 4,5 gånger lättare än stål.

För närvarande är användningen av magnesiumlegeringar allmänt praktiserad inom flyg-, bil-, militär- och andra industrier, där deras höga kostnad (vissa kvaliteter innehåller ganska dyra legeringselement) är motiverad ur ekonomisk synvinkel av möjlighet att skapa en mer hållbar, snabbare, kraftfull och säker utrustning som kan fungera effektivt under extrema förhållanden, inklusive när den utsätts för höga temperaturer.

På grund av sin höga elektriska potential är dessa legeringar det optimala materialet för att skapa skydd som ger elektrokemiskt skydd av stålkonstruktioner, såsom bildelar, underjordiska konstruktioner, oljeplattformar, marina fartyg, etc., från korrosionsprocesser som inträffar under påverkan av fukt, sötvatten och havsvatten.

Legeringar med tillsats av magnesium har också använts i olika radiotekniska system, där de används för att göra ljudkanaler för ultraljudsledningar för att fördröja elektriska signaler.

Slutsats

Modern industri ställer allt högre krav på material vad gäller deras styrka, slitstyrka, korrosionsbeständighet och tillverkningsbarhet. Användningen av magnesiumlegeringar är ett av de mest lovande områdena, därför upphör inte forskningen relaterad till sökandet efter nya egenskaper hos magnesium och dess tillämpningsmöjligheter.

För närvarande gör användningen av magnesiumbaserade legeringar vid skapandet av olika delar och strukturer det möjligt att minska deras vikt med nästan 30 % och öka draghållfastheten upp till 300 MPa, men enligt forskare är detta är långt ifrån gränsen för denna unika metall.