сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний - металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования М. с., сравнительно невелик. М. с. разделяются на 2 основные группы: литейные - для производства фасонных отливок и деформируемые - для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.

Историческая справка. Первые М. с. появились в начале 20 века (под названием "электрон", теперь мало употребляемым). Значение конструкционных промышленных материалов М. с. приобрели в конце 20-х - начале 30-х годов 20 века, то есть почти через 100 лет после того как французский химик А. Бюсси впервые выделил магний в чистом виде (1828). До конца 40-х годов применялись главным образом сплавы на основе систем Mg - Al - Zn и Mg - Mn. Дальнейшему прогрессу в области создания М. с. способствовало открытие модифицирующего и рафинирующего действия циркония. В 50-х годах начали применяться сплавы на основе систем Mg - Zn - Zr, Mg - p. з. м. (редкоземельный металл) - Zr (или Mn), Mg - Th, а также сверхлёгкие сплавы на основе системы Mg - Li. Производство и потребление магния и М. с. возрастает. Мировое производство магния к началу 2-й мировой войны 1939-45 составило около 50 тысяч т, в 1969 Магниевые сплавы 2 млн. т, из них Магниевые сплавы 40-50\% расходуется на производство отливок и деформированных полуфабрикатов.

Химический состав наиболее широко применяемых в СССР М. с. дан в таблице 1. В промышленных М. с. содержатся добавки Al, Zn, Mn, Zr и редкоземельных металлов (цериевый мишметалл, La, Nd, Y), Th, Ag, Cd, Li, Be и др. Общее количество добавок в наиболее легированных М. с. достигает 10-14\%. Вредными примесями являются Ni, Fe, Si и Cu, которые снижают коррозионную стойкость М. с. В М. с. с Zr ограничивают содержание примесей Al и Si, так как в присутствии этих элементов Zr не растворяется в расплавленном магнии, образуя с ними тугоплавкие нерастворимые соединения. Растворимость циркония в магнии уменьшают также примеси Fe, Mn и Н. Малые количества Be (иногда Ca) используют в качестве технологических добавок для снижения окисляемости М. с. в расплавленном состоянии.

Таблица 1. - Химический состав и механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/м² = 0,1 кгс/мм²)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Тип сплава | Химический состав, \% |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |

| | основные компоненты | примеси, не более |

| |------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ |

| | Al | Zn | Mn | Zr | Nd | Al | Si | Fe | Ni | Cu | Mn | Be | Ca |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Литейные сплавы |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 8 | 0,5 | 0,2 | - | - | - | 0,25 | 0,06 | 0,01 | 0,1 | - | 0,002 | 0,1 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | 8 | 0,5 | 0,2 | - | - | - | 0,08 | 0,007 | 0,001 | 0,004 | - | 0,002 | - |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | - | 4,5 | - | 0,7 | - | 0,02 | 0,03 | 0,01 | 0,005 | 0,03 | - | 0,001 | - |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Nd - Zr | - | 0,4 | - | 0,7 | 2,5 | 0,02 | 0,03 | 0,01 | 0,005 | 0,03 | - | 0,001 | - |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Деформируемые сплавы |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 4 | 1 | 0,5 | - | - | - | 0,15 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | - | 0,02 | 0,1 |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | - | 5,5 | - | 0,5 | - | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,005 | 0,05 | 0,1 | 0,02 | - |

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Тип сплава | Сумма | Механические | Вид | Предельные рабочие | Назначение |

| | определяемых | свойства | термической | температуры, °C | |

| | примесей | при 20 °C | обработки | | |

| | |-------------------------------------| |--------------------------------------| |

| | | Мн/м² | s, \% | | длительно | Кратко | |

| | |----------------------| | | | времен- | |

| | | s_0,2 | s_b | | | | но | |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Литейные сплавы |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 0,5 | 90 | 280 | 9 | Закалка; | 150 | 250 | Сплав общего |

| | | | | | закалка и | | | назначения |

| | | | | | старение | | | |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | 0,14 | 90 | 280 | 9 | То же | 150 | 250 | То же, имеет |

| | | | | | | | | повышенную |

| | | | | | | | | коррозионную |

| | | | | | | | | стойкость |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | 0,2 | 150 | 300 | 6 | Отпуск | 200 | 250 | Нагруженные детали |

| | | | | | | | | (барабаны колёс, |

| | | | | | | | | реборды и др.) |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Nd - Zr | 0,2 | 150 | 280 | 5 | Закалка и | 250 | 350 | Жаропрочный сплав. |

| | | | | | старение | | | Нагруженные детали; |

| | | | | | | | | детали, требующие |

| | | | | | | | | высокой |

| | | | | | | | | герметичности, |

| | | | | | | | | стабильности |

| | | | | | | | | размеров |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Деформируемые сплавы |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 0,3¹ | 180 | 290 | 100 | Отжиг | 150 | 200 | Панели, штамповки |

| | | | | | | | | сложной конструкции, |

| | | | | | | | | сварные конструкции |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | 0,3¹ | 250 | 310 | 100-140 | Старение | 100 | 150 | Высоконагруженные |

| | | - | - | | | | | детали из |

| | | 300² | 350² | | | | | прессованных |

| | | | | | | | | полуфабрикатов, |

| | | | | | | | | штамповок и поковок |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

¹ Для деформируемых сплавов указано содержание прочих примесей.

² Максимальные значения - для пресcованных полуфабрикатов.

Физические свойства М. с. даны в таблице 2. М. с. являются самым лёгким металлическим конструкционным материалом. Плотность (d) М. с. в зависимости от состава колеблется в пределах 1360-2000 кг/м³. Наименьшую плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых М. с. равна 1760-1810 кг/м³, то есть примерно в 4 раза меньше плотности стали и в 1,5 раза меньше плотности алюминиевых сплавов. Благодаря малой плотности детали из М. с. обладают высокой жёсткостью: относительная жёсткость при изгибе двутавровых балок одинаковой массы и ширины для стали равна 1, для алюминия 8,9, для магния 18,9. М. с. имеют высокую удельную теплоёмкость. Температура поверхности детали из М. с. при одинаковом количестве поглощённого тепла в 2 раза ниже по сравнению с температурой детали из малоуглеродистой стали и на 15-20\% ниже, чем детали из алюминиевого сплава. Коэффициент термического расширения М. с. в среднем на 10-15\% больше, чем у алюминиевых сплавов.

Таблица 2. - Физические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Тип сплава | Плотность, | Коэффициент | Коэффициент | Удельная | Удельное |

| | кг/м³ | линейного | теплопроводности, | теплоёмкость, | электро- |

| | | расширения при | вт/м·K | кдж/кг·K | сопротивление r· |

| | | 20-100 °C | | | 10⁶, ом·см |

| | | a·10⁶, 1/°C | | | |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Литейные сплавы |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 1810 | 26,8 | 65 | 1,05 | 13,4 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | 1810 | 26,2 | 134 | 0,98 | 6,6 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Nd - Zr | 1780 | 27,7 | 113 | 0,963 | 8,4 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Деформируемые сплавы |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Al - Zn | 1790 | 26 | 83,8 | 1,05 | 12 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mg - Zn - Zr | 1800 | 20,9 | 117 | 1,03 | 5,65 |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР промышленных М. с. представлены в таблице 1. Максимальный уровень механических свойств литейных М. с. достигнут на высокопрочных сплавах системы Mg - Zn - Ag - Zr: предел текучести σ_0,2 = 260-280 Мн/м² (26-28 кгс/мм²), предел прочности σ_b = 340-360 Мн/м² (34-36 кгс/мм²), относительное удлинение δ = 5\%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить σ_b до 400-420 Мн/м² (40-42 кгс/мм²). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: σ_0,2 = 350 Мн/м² (35 кгс/мм²), σ_b = 420 Мн/м² (42 кгс/мм²), δ = 5\%. Предельная рабочая температура высокопрочных сплавов 150 °С. Самые жаропрочные М. с. (литейные и деформируемые) систем Mg - р. з. м. и Mg - Th пригодны для длительной эксплуатации при 300-350 °С и кратковременной - до 400 °С. По удельной прочности (σ_b/d) высокопрочные литейные М. с. имеют преимущества по сравнению с алюминиевыми сплавами, самые высокопрочные деформируемые находятся на одном уровне с наиболее высокопрочными деформируемыми алюминиевыми сплавами (или несколько уступают им). Модуль упругости М. с. равен 41-45 Гн/м² (4100-4500 кгс/мм²) (³/₅ модуля алюминиевых сплавов, ¹/₅ модуля сталей), модуль сдвига составляет 16-16,5 Гн/м² (1600-1650 кгс/мм²). При низких температурах модуль упругости, пределы текучести и прочности М. с. увеличиваются, а удлинение и ударная вязкость снижаются; резкого падения пластичности, характерного для низколегированных конструкционных сталей, у М. с. не наблюдается.

Технология. Вследствие большого сродства магния с кислородом при плавке М. с. в воздушной атмосфере поверхность расплавленного металла защищают слоем флюса; в качестве флюсов применяют различные смеси фтористых и хлористых солей щелочных и щёлочноземельных металлов. Чтобы избежать горения металла при литье, в состав формовочных земель вводят защитные присадки, кокили окрашивают специальными красками, в состав которых входит, например, борная кислота. Отливки получают всеми известными способами литья, в том числе литьём в песчаные, оболочковые, стержневые, гипсовые формы, литьём в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям, полужидкой штамповкой. Для получения качественных отливок литниковая система строится по принципу расширяющегося потока. При затвердевании М. с. дают большую усадку (1,1-1,5). Благодаря мелкозернистой структуре отливки из М. с. с цирконием имеют более однородные и высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Детали и узлы различных конструкций из деформируемых М. с. изготовляют механической обработкой, сваркой и клёпкой, объёмной и листовой штамповкой. При комнатной температуре технологическая пластичность М. с. низкая, что объясняется гексагональным строением кристаллической решётки магния (скольжение происходит по одной плоскости базиса). При высоких температурах (200-450 °С) возникает скольжение по дополнительным плоскостям и технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому все операции обработки давлением М. с. проводятся в нагретом состоянии при малых скоростях деформации. Исключение составляют М. с. с 10-14\% Li, которые имеют объёмно центрированную кубическую решётку и допускают обработку в холодном состоянии. При конструировании деталей из М. с. избегают острых надрезов и резких переходов сечений. Для соединения деталей применяют различные виды сварки, а также клёпку, пайку твёрдыми и мягкими припоями, склеивание. Сваркой исправляют дефекты литых деталей. Только сплавы с высоким содержанием цинка не подвергаются сварке. Большинство литых и деформированных полуфабрикатов из М. с. подвергается упрочняющей термической обработке (закалке, старению) или отжигу для снятия внутренних напряжений (литейных, сварочных и других). М. с. легко обрабатываются резанием - вдвое быстрее, чем алюминиевые сплавы, и в 10 раз быстрее, чем углеродистые стали. При работе с М. с. следует соблюдать правила пожарной безопасности.

Методы защиты от физико-химических воздействий. М. с. обладают пониженной коррозионной стойкостью из-за высокого электроотрицательного потенциала и недостаточных защитных свойств естественной окисной плёнки. Защита М. с. от коррозии осуществляется искусственно создаваемыми химическими или электрохимическими неорганическими плёнками в сочетании с лакокрасочными покрытиями. Покрытие состоит из грунтовочного пассивирующего слоя и внешних лаковых или эмалевых слоев. Надлежащая защита обеспечивает надёжную работу деталей из М. с. в атмосферных условиях, щелочных средах, минеральных маслах, бензине, керосине. М. с. повышенной чистоты, особенно по содержанию железа и никеля, пригодны для эксплуатации в морском воздухе. М. с. неприемлемы для работы в морской воде, в соляных растворах, кислотах, их растворах и парах. Коррозионная стойкость магниевых деталей в значительной степени зависит от выбора правильной конструктивной формы (исключающей скопление влаги) и такого сочетания контактирующих материалов в изделиях, которое не вызывает контактной коррозии. Некоторые высокопрочные деформируемые М. с. склонны к коррозии под напряжением и могут применяться при условии ограничения величины длительно действующих растягивающих напряжений.

Консервация деталей и полуфабрикатов из М. с. осуществляется с помощью хроматных плёнок, жидких нейтральных обезвоженных масел, специальной смазки и другими способами в зависимости от длительности и условий хранения. Длительное хранение собранных изделий и запасных частей из М. с. с лакокрасочным покрытием в нормальных складских условиях производится в чехлах из полихлорвиниловой или полиэтиленовой плёнки с силикагелевым осушителем.

Применение. М. с. пригодны для работы при криогенных, нормальных и повышенных температурах. Благодаря малой плотности, высокой удельной прочности, способности поглощения энергии удара и вибрационных колебаний, отличной обрабатываемости резанием М. с. широко используются в промышленности, прежде всего для снижения массы изделий, повышения их жёсткости. М. с. применяются в автомобильной, тракторной промышленности (картеры двигателей, коробки передач, барабаны колёс и другие детали), в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, детали электродвигателей), в оптической промышленности (корпуса биноклей, фотоаппаратов), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки), в полиграфии (матрицы, клише, валики), в судостроении (протекторы), в авиационной и ракетной технике (детали колёс, детали управления и крыла самолёта, корпусные детали двигателей) и во многих других отраслях техники. Промышленностью используются главным образом литые детали из М. с. Основное ограничение в применении М. с. - пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах.

Лит.: Конструкционные материалы, т. 2, М., 1964 (Энциклопедия современной техники); Рейнор Г. В., Металловедение магния и его сплавов, перевод с английского, [М.], 1964; Альтман М. Б., Лебедев А. А, и Чухров М. В., Плавка и литье легких сплавов, 2 изд., М., 1969.

Н. М. Тихова.