книги / Сварка магниевых сплавов

ВВЕДЕНИЕ

Магниевые сплавы -начали применять б промышленности 35—40 лет 'назад. Основным потребителем их стала авиацион­ ная промышленность, так как в ряде случаев эти сплавы оказа­ лись способными успешно конкурировать с алюминиевыми.- Магниевые сплавы, являясь самым легким конструкционным ма'^ териалом и обладая сравнительно высокими механическими свойствами, имеют высокую химическую стойкость по отноше­ нию к ряду агрессивных сред, способны воспринимать большие ударные нагрузки благодаря низкому модулю упругости, а так­ же хорошо обрабатываются режущим инструментом. •

По сравнению с алюминиевыми сплавами -магниевые более стойки в водных растворах карбонатов, на них не действуют бензин, керосин, бензол, толуол, фенол, резина, жиры и масла, не содержащие кислоты и воду.

Однако магниевые сплавы уступают алюминиевым по кор­ розионной стойкости 1против действия минеральных кислот и их солей (за исключением фторидов) *органических кислот, водных

испиртовых растворов некоторых органических галоидов (хлорметила, хлорэтила), метилового спирта. Магниевые сплавы не пригодны для применения их в обычной и морской воде, а так­ же в атмосфере водяных паров. Специальные меры защиты от коррозии (нанесение на поверхность защитной оксидной пленки

илакокрасочных покрытий) позволяют увеличить продолжи­ тельность и область использования этих сплавов.

Магниевые сплавы используют для производства изделий, работающих в разнообразных условиях. Большими потребите­

лями магниевых сплавов являются авиационная, автомобильная и электротехническая промышленности, из этих сплавов изго­ товляют подъемные краны, очень легкие и удобные в работе.

Естественно, что применение магниевых сплавов в качестве конструкционного материала было -бы невозможным без раз­ вития методов их технологической обработки и методов созда­ ния из них неразъемных соединений — сварки. С увеличением производства магния и его сплавов значительно расширяется объем 'применения сварки в среде защитных газов — одного из наиболее распространенных способов соединения легких метал­ лов и сплавов. Часто применяется также контактная сварка магниевых сплавов: точечная, шовная и стыковая.

3

Г л а в а I

СВОЙСТВА МАГНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

СВОЙСТВА МАГНИЯ

Магний (атомный 'номер 12, атомный вес 24,312, атомный объем 13,99 см3 г-атом) представляет собой серебристо-белый металл, который быстро тускнеет на воздухе, покрываясь тон­ кой окисной пленкой. На поверхности магния образуется не­ сплошная и недостаточно прочная пленка, которая не предохра­ няет металл от дальнейшего окисления.

По химической стойкости магний уступает алюминию. Нор­ мальный электродный потенциал алюминия равен —1,67 б,

Таблица 1

Некоторые физические константы магния, алюминия и железа [5, 15]

5

а магния —2,38 в. В присутствии кислорода электродный потен­ циал алюминия и магния повышается 1Соответстве«но до —0,6 в и до —0,89 в. Такая -разница электродных потенциалов пред­ определяет различие в коррозионной стойкости алюминия и магния.

Магний в природе в чистом виде не встречается из-за с-воей высокой химической активности. Он содержится в земной коре (1,4% массы земной коры) в виде карналлита (KCl-MgCfoX

Х6Н2О), магнезита (М^СОз), доломита (М ^СОз-СаСОз) и дру­ гих соединений (асбеста, талька, -серпентина и т. д.). До 0,14% Mg в виде хлористых солей находится в морской воде.

Из табл. 1 видно, что теплота плавления магния составляет 89 кал!г, при расплавлении одинаковых объемов 'магний тре­ бует лишь 2/з тепла, необходимого для расплавления алюминия. Магний имеет также более высокое электросопротивление (и соответственно меньшую электропроводность) п-о сравнению с алюминием.

Для производства сплавов применяют технический магний Мг1 и Мг2, содержащий соответственно не менее 99,9 и 99,75% Mg. Чистый магний поставляется 'по ГОСТу 804—62, его хими­ ческий состав следующий (в %):

НВ 20—30). Последнее свойство объясняется тем, что магний кристаллизуется в гексагональной кристаллической решетке, для которой при обычной температуре существует только одна система плоскостей скольжения: при нагревании свыше 225° С в процесс пластической деформации включаются также другие плоскости, в результате чего пластичность магния возрастает. После горячей прокатки магний приобретает следующие меха­ нические свойства: ов=18 кГ/жж2; 00,2=6 кГ/мм2\ 6=5% ;

НВ 30 кГ1мм2.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИЯ С ДРУГИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

В промышленности в качестве конструкционного материала используются только оплавы на основе магния, прочностные свойства которых значительно -выше, чем у чистого магния.

Магний так же, как и алюминий, не образует непрерывных серий твердых растворов с другими металлами. Основными ле­ гирующими добавками, вводимыми в магниевые сплавы, явля­ ются алюминий, цинк, марганец. В некоторые сплавы в виде

6

добавок вводят церий, кальций, 'бериллий, а в новые сплавы — цирконий, неодим, никель, иттрий и торий. (Примесями в магние­ вых сплавах являются железо, кремний, медь и щелочные ме­ таллы — натрий и калий. В .присадочные металлы ic целью обес-

печения определенных свойств металла шва в последние годы вводят такие элементы, как лантан и серебро.

Рассмотрим в отдельности влияние некоторых элементов на свойства сплава на основе магния.

Алюминий образует с магнием твердый раствор ограничен­ ной растворимости и интерметаллическое соединение предпола­ гаемого состава Mg4Al3 или MgeAb или 'Mg^Al^ (у-фаза), ко­ торое выделяется при затвердевании по границам зерен твер­ дого раствора (рис. 1) (9]. Количество .интерметаллического со­ единения в сплаве увеличивается по мере повышения содержа­ ния алюминия.

Переменная растворимость алюминия в твердом состоянии может способствовать упрочнению при термической обработке. Однако заметное увеличение прочности в результате старения удается получить лишь в сплавах, содержащих более 4—6% А1.

Алюминий оказывает наибольшее влияние на упрочнение магния. Он увеличивает предел прочности, предел текучести и твердость двойных магниевых сплавов при содержании его в сплаве до 9%. При содержании в сплаве более 9—10% А1 силь­ но падает 'пластичность и сплав приобретает повышенную хруп­ кость (рис. 2) [2].

Коррозионная стойкость двойных сплавов магния с алюми­ нием ухудшается по мере увеличения содержания алюминия. Сплавы магния с алюминием не являются жаропрочными и мо­ гут быть использованы только до температуры 150° С.

7

К сожалению, вследствие большого интервала кристаллиза­ ции сплавы этих систем обладают высокой склонностью к об­

Ухудшению свариваемости сплавов может способствовать и то обстоятельство, что при добавлении алюминия увеличивается их усадка при затвердевании. Так, при содержании 9% А1 усад­ ка при затвердевании увеличивается с 3,79% для чистого маг­ ния до 5,07%.

В системе Mg—А1—Zn образуется тройное металлическое соединение Mg4Zn3Al3. С повышением содержания алюминия и цинка в этих сплавах значительно увеличивается температурный интервал кристаллизации. Например, при содержании 3,5% AI и 0,5% Zn интервал кристаллизации при быстром охлаждении (в неравновесном состоянии) равен 85° С, а при 6,5% А1 и 1,0% Zn 140°. На основе системы Mg—А1 создано большое число важных для техники сплавов.

Цинк так же, как алюминий, образует с магнием твердый раствор и ряд металлических соединений Mg2Zn3, MgZn (рис. 3).

8

Цинк (повышает прочность магниевых сплавов, хотя и в меньшей степени, чем алюминий. Упрочнение сплавов за счет старения может 'происходить при содержании более 2% Zn. При добавлении цинка в сплав относительное удлинение повы­ шается; наиболее пластичен сплав, содержащий приблизительно- 3—5% Zn. Снижение пластичности начинается уже с 5—5,5% Zn; поэтому в применяемых промышленных сплавах количеств.) вво­ димого цинка не превышает 4—5% (рис. 4) [9]. Введение 2,4— 3,5% Zn увеличивает коррозионную стойкость магниевых спла­ вов [2].

При введении цинка так же, как и при введении алюминия,, заметно увеличивается усадка магниевых сплавов при затверде­ вании (при 5,3% Zn усадка составляет 5,89%). По данным ра­ боты [15], сплавы, содержащие более 3% Zn, способны к красно­ ломкости и трудно свариваются.

Марганец почти нерастворим в магнии в твердом состоянии

вызывать появления кристаллизационных трещин при сварке магниевых сплавов. Известно, что марганец способствует полу­ чению мелкозернистой структуры «в слитках; однако при сварке этот эффект не отмечен.

Несмотря на то что при охлаждении от температуры солидуса до нормальной существенно уменьшается растворимостьмарганца, упрочнения сплавов, содержащих до 3% Мп, при ста­ рении не происходит. Простейшие сплавы магния содержат 1,3—2,5% Мп и термической обработке не подвергаются.

9

Основная цель введения марганца состоит -в повышении кор­ розионной стойкости сплавов. Низкие коррозионные свойства промышленных магниевых сплавов связаны с присутствием в них железа. Повышение коррозионной стойкости при ©ведении в сплав марганца объясняется понижением растворимости же­ леза [9]. Для повышения сопротивляемости коррозии марганец

в этом играет фаза Mg2Ca, которая выпадает по границам зерен

.в виде дисперсных частиц.

Рис. 9. Влияние циркония на механи­ ческие свойства магния

Исходя из технологических требований (уменьшение пори­ стости, улучшение обрабатываемости в холодном и горячем состояниях) в магниевые сплавы .вводят 'небольшое количество кальция, но при этом следует учитывать вредное влияние этого элемента на склонность сплава к образованию кристаллизаци­

10