Magnezijeve zlitine: uporaba, razvrstitev in lastnosti

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Magnezijeve zlitine imajo številne edinstvene fizikalne in kemijske lastnosti, od katerih sta glavni nizka gostota in visoka trdnost. Kombinacija teh lastnosti v materialih z dodatkom magnezija omogoča izdelavo izdelkov in struktur z visokimi trdnostnimi lastnostmi in majhno težo.

Lastnosti magnezija

Industrijska proizvodnja in uporaba magnezija sta se začeli razmeroma nedavno – pred približno 100 leti. Ta kovina ima nizko maso, saj ima relativno nizko gostoto (1,74 g / cmᶟ), dobro odpornost na zrak, alkalije, plinaste medije, ki vsebujejo fluor in mineralna olja.

Njegovo tališče je 650 stopinj. Zanj je značilna visoka kemična aktivnost do spontanega izgorevanja na zraku. Natezna trdnost čistega magnezija je 190 MPa, modul elastičnosti je 4.500 MPa, relativni raztezek pa 18%. Kovina ima visoko sposobnost dušenja (učinkovito absorbira elastične tresljaje), kar ji zagotavljaodlična toleranca na udarce in zmanjšana občutljivost na resonančne pojave.

Druge značilnosti tega elementa vključujejo dobro toplotno prevodnost, nizko sposobnost absorpcije toplotnih nevtronov in interakcijo z jedrskim gorivom. Zaradi kombinacije teh lastnosti je magnezij idealen material za izdelavo hermetično zaprtih ohišja visokotemperaturnih elementov jedrskih reaktorjev.

Magnezij se dobro zlitira z različnimi kovinami in je eden izmed močnih redukcijskih sredstev, brez katerega metalotermni proces ni mogoč.

V svoji čisti obliki se uporablja predvsem kot legirni dodatek v zlitinah z aluminijem, titanom in nekaterimi drugimi kemičnimi elementi. V črni metalurgiji se magnezij uporablja za globoko razžveplanje jekla in litega železa, lastnosti slednjega pa se izboljšajo z grafitno sferoidizacijo.

Magnezij in legirni dodatki

Najpogostejši legirni dodatki, ki se uporabljajo v zlitinah na osnovi magnezija, vključujejo elemente, kot so aluminij, mangan in cink. Skozi aluminij se struktura izboljša, povečata se pretočnost in trdnost materiala. Uvedba cinka omogoča tudi pridobivanje močnejših zlitin z zmanjšano velikostjo zrn. S pomočjo mangana ali cirkonija se poveča odpornost magnezijevih zlitin proti koroziji.

Dodatek cinka in cirkonija zagotavlja večjo trdnost in duktilnost kovinskih mešanic. In prisotnost nekaterih redkih zemeljelementov, kot so neodim, cerij, itrij itd., prispeva k znatnemu povečanju toplotne odpornosti in maksimiranju mehanskih lastnosti magnezijevih zlitin.

Za ustvarjanje ultra lahkih materialov z gostoto od 1,3 do 1,6 g/mᶟ se v zlitine uvede litij. Ta dodatek omogoča zmanjšanje njihove teže za polovico v primerjavi z mešanicami kovin iz aluminija. Hkrati njihovi kazalniki plastičnosti, pretočnosti, elastičnosti in proizvodnosti dosegajo višjo raven.

Razvrstitev magnezijevih zlitin

Magnezijeve zlitine so razvrščene po številnih kriterijih. To je:

• po metodi obdelave - za ulivanje in deformabilno;
• glede na stopnjo občutljivosti na toplotno obdelavo - v nestrjene in utrjene s toplotno obdelavo;
• po lastnostih in aplikacijah - za toplotno odporne, visoko trdne in splošne zlitine;
• glede na legirni sistem - obstaja več skupin nekaljivih in toplotno utrjenih kovanih magnezijevih zlitin.

Livne zlitine

V to skupino spadajo zlitine z dodatkom magnezija, namenjene izdelavi različnih delov in elementov z oblikovanim litjem. Imajo različne mehanske lastnosti, odvisno od tega jih delimo v tri razrede:

• srednja moč;
• visoka trdnost;
• toplotno odporen.

Po kemični sestavi delimo zlitine tudi v tri skupine:

• aluminij + magnezij + cink;
• magnezij + cink + cirkonij;
• magnezij + redke zemljeelementi + cirkonij.

Livne lastnosti zlitin

Najboljše ulivne lastnosti med izdelki teh treh skupin imajo aluminijevo-magnezijeve zlitine. Spadajo v razred visoko trdnih materialov (do 220 MPa), zato so najboljša možnost za izdelavo delov motorja za letala, avtomobile in drugo opremo, ki deluje pod mehanskimi in toplotnimi obremenitvami.

Za povečanje lastnosti trdnosti so aluminijevo-magnezijeve zlitine legirane tudi z drugimi elementi. Toda prisotnost železa in bakrovih nečistoč je nezaželena, saj ti elementi negativno vplivajo na varivost in korozijsko odpornost zlitin.

Lite magnezijeve zlitine se pripravljajo v različnih vrstah talilnih peči: odmevnih pečih, lončastih pečih s plinskim, oljnim ali električnim ogrevanjem ali lončniških indukcijskih pečih.

Za preprečevanje izgorevanja med taljenjem in litjem se uporabljajo posebni tokovi in dodatki. Odlitki se proizvajajo z litjem v peščenih, mavčnih in školjkastih kalupih, pod pritiskom in z uporabo naložbenih modelov.

kovane zlitine

V primerjavi z litimi zlitinami so kovane magnezijeve zlitine močnejše, bolj duktilne in žilave. Uporabljajo se za izdelavo surovcev z valjanjem, stiskanjem in žigosanjem. Kot toplotno obdelavo izdelkov se uporablja utrjevanje pri temperaturi 350-410 stopinj, čemur sledi poljubno hlajenje brez staranja.

Ko segrejeplastične lastnosti takšnih materialov se povečajo, zato se obdelava magnezijevih zlitin izvaja pod pritiskom in pri visokih temperaturah. Vtiskovanje se izvaja pri 280-480 stopinjah pod stiskalnicami s pomočjo zaprtih matric. Pri hladnem valjanju se izvajajo pogosti vmesni rekristalizacijski žari.

Pri varjenju magnezijevih zlitin se lahko zmanjša trdnost šiva izdelka v segmentih, kjer je bilo varjenje, zaradi občutljivosti takšnih materialov na pregrevanje.

Področja uporabe magnezijevih zlitin

Različni polizdelki - ingoti, plošče, profili, pločevine, odkovki itd. se proizvajajo z litjem, deformacijo in toplotno obdelavo zlitin. Ti surovci se uporabljajo za izdelavo elementov in delov sodobnih tehničnih naprav, kjer ima prednostno vlogo težna učinkovitost konstrukcij (zmanjšana teža), hkrati pa ohranja njihove trdnostne lastnosti. V primerjavi z aluminijem je magnezij 1,5-krat lažji in 4,5-krat lažji od jekla.

Trenutno se uporaba magnezijevih zlitin široko izvaja v letalski, avtomobilski, vojaški in drugih industrijah, kjer je njihova visoka cena (nekatere stopnje vsebujejo precej drage legirne elemente) z ekonomskega vidika upravičena z možnost ustvarjanja vzdržljivejše, hitrejše, zmogljivejše in varne opreme, ki lahko učinkovito deluje v ekstremnih pogojih, vključno z izpostavljenostjo visokim temperaturam.

Zaradi visokega električnega potenciala so te zlitine optimalen material za izdelavo zaščitnih elementov, ki zagotavljajo elektrokemično zaščito jeklenih konstrukcij, kot so avtomobilski deli, podzemne konstrukcije, naftne ploščadi, morska plovila itd., pred korozijskimi procesi. pod vplivom vlage, sladke in morske vode.

Zlitine z dodatkom magnezija so bile uporabljene tudi v različnih sistemih radiotehnike, kjer se uporabljajo za izdelavo zvočnih kanalov za ultrazvočne vodove za zakasnitev električnih signalov.

Sklep

Sodobna industrija postavlja vedno višje zahteve za materiale v smislu njihove trdnosti, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti koroziji in izdelavi. Uporaba magnezijevih zlitin je eno najbolj obetavnih področij, zato se raziskave, povezane z iskanjem novih lastnosti magnezija in možnosti njegove uporabe, ne ustavijo.

Trenutno uporaba zlitin na osnovi magnezija pri ustvarjanju različnih delov in struktur omogoča zmanjšanje njihove teže za skoraj 30% in povečanje natezne trdnosti do 300 MPa, vendar po mnenju znanstvenikov to je daleč od meje za to edinstveno kovino.