Magnesiumlegeringer: anvendelse, klassificering og egenskaber

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 10:22

Magnesiumlegeringer har en række unikke fysiske og kemiske egenskaber, hvoraf de vigtigste er lav densitet og høj styrke. Kombinationen af disse kvaliteter i materialer med tilsætning af magnesium gør det muligt at fremstille produkter og strukturer med høj styrkeegenskaber og lav vægt.

Magnesiumkarakteristik

Industriel produktion og brug af magnesium begyndte relativt for nylig - for kun omkring 100 år siden. Dette metal har en lav masse, da det har en relativt lav massefylde (1,74 g/cmᶟ), god modstandsdygtighed over for luft, alkalier, gasformige medier indeholdende fluor og mineralolier.

Dens smeltepunkt er 650 grader. Det er kendetegnet ved høj kemisk aktivitet op til spontan forbrænding i luft. Trækstyrken af rent magnesium er 190 MPa, elasticitetsmodulet er 4.500 MPa, og den relative forlængelse er 18%. Metallet har en høj dæmpningsevne (absorberer effektivt elastiske vibrationer), hvilket giver detfremragende stødtolerance og reduceret følsomhed over for resonansfænomener.

Andre funktioner ved dette element omfatter god termisk ledningsevne, lav evne til at absorbere termiske neutroner og interagere med nukleart brændsel. På grund af kombinationen af disse egenskaber er magnesium et ideelt materiale til at skabe hermetisk forseglede granater af højtemperaturelementer i atomreaktorer.

Magnesium legerer godt med forskellige metaller og er et af de stærke reduktionsmidler, uden hvilke den metallotermiske proces er umulig.

I sin rene form bruges det hovedsageligt som en legeringstilsætning i legeringer med aluminium, titanium og nogle andre kemiske grundstoffer. I jernmetallurgien bruges magnesium til dyb afsvovling af stål og støbejern, og sidstnævntes egenskaber forbedres ved grafitsfæroidisering.

Magnesium og legeringsadditiver

De mest almindelige legeringstilsætninger, der bruges i magnesiumbaserede legeringer, omfatter elementer som aluminium, mangan og zink. Gennem aluminium forbedres strukturen, materialets flydende og styrke øges. Introduktionen af zink gør det også muligt at opnå stærkere legeringer med reduceret kornstørrelse. Ved hjælp af mangan eller zirconium øges korrosionsbestandigheden af magnesiumlegeringer.

Tilsætning af zink og zirconium giver øget styrke og duktilitet af metalblandinger. Og tilstedeværelsen af visse sjældne jordarterelementer, såsom neodym, cerium, yttrium, osv., bidrager til en betydelig stigning i varmebestandighed og maksimering af de mekaniske egenskaber af magnesiumlegeringer.

For at skabe ultralette materialer med en densitet på 1,3 til 1,6 g/mᶟ indføres lithium i legeringerne. Dette additiv gør det muligt at reducere deres vægt til det halve sammenlignet med aluminiummetalblandinger. Samtidig når deres indikatorer for plasticitet, fluiditet, elasticitet og fremstillingsevne et højere niveau.

Klassificering af magnesiumlegeringer

Magnesiumlegeringer er klassificeret efter en række kriterier. Dette er:

• ifølge forarbejdningsmetoden - til støbning og deformerbar;
• ifølge graden af følsomhed over for varmebehandling - til ikke-hærdet og hærdet ved varmebehandling;
• efter egenskaber og anvendelser - til varmebestandige legeringer med høj styrke og generelle formål;
• ifølge legeringssystemet - der er flere grupper af ikke-hærdelige og varmehærdelige smedede magnesiumlegeringer.

Støbelegeringer

Denne gruppe omfatter legeringer med tilsætning af magnesium, designet til fremstilling af forskellige dele og elementer ved formet støbning. De har forskellige mekaniske egenskaber, alt efter hvilken de er opdelt i tre klasser:

• medium styrke;
• høj styrke;
• varmebestandig.

Med hensyn til kemisk sammensætning er legeringer også opdelt i tre grupper:

• aluminium + magnesium + zink;
• magnesium + zink + zirconium;
• magnesium + sjældne jordartergrundstoffer + zirkonium.

Støbeegenskaber for legeringer

De bedste støbeegenskaber blandt produkterne fra disse tre grupper har aluminium-magnesium-legeringer. De tilhører klassen af højstyrkematerialer (op til 220 MPa), derfor er de den bedste mulighed for fremstilling af motordele til fly, biler og andet udstyr, der opererer under mekaniske og termiske belastninger.

For at øge styrkeegenskaberne er aluminium-magnesium-legeringer også legeret med andre elementer. Men tilstedeværelsen af jern- og kobberurenheder er uønsket, da disse elementer har en negativ effekt på legerings svejsbarhed og korrosionsbestandighed.

Støbte magnesiumlegeringer fremstilles i forskellige typer smelteovne: efterklangsovne, digelovne med gas-, olie- eller elektrisk opvarmning eller digelinduktionsovne.

Særlige flusmidler og additiver bruges til at forhindre forbrænding under smeltning og støbning. Støbegods fremstilles ved støbning i sand-, gips- og skalforme, under tryk og ved brug af investeringsmodeller.

Smedede legeringer

Sammenlignet med støbte legeringer er smedede magnesiumlegeringer stærkere, mere duktile og sejere. De bruges til fremstilling af emner ved valsning, presning og stempling. Som varmebehandling af produkter anvendes hærdning ved en temperatur på 350-410 grader, efterfulgt af vilkårlig afkøling uden ældning.

Når opvarmetplastiske egenskaber af sådanne materialer øges, derfor udføres behandlingen af magnesiumlegeringer ved hjælp af tryk og ved høje temperaturer. Stempling udføres ved 280-480 grader under presser ved hjælp af lukkede matricer. Ved koldvalsning udføres hyppige mellemliggende rekrystallisationsudglødninger.

Ved svejsning af magnesiumlegeringer kan styrken af produktsømmen blive reduceret i de segmenter, hvor svejsningen blev udført, på grund af sådanne materialers følsomhed over for overophedning.

Anvendelsesområder for magnesiumlegeringer

Forskellige halvfabrikata - barrer, plader, profiler, plader, smedegods osv. fremstilles ved støbning, deformation og varmebehandling af legeringer. Disse emner bruges til produktion af elementer og dele af moderne tekniske anordninger, hvor vægteffektiviteten af strukturer (reduceret vægt) spiller en prioriteret rolle, samtidig med at deres styrkeegenskaber bevares. Sammenlignet med aluminium er magnesium 1,5 gange lettere og 4,5 gange lettere end stål.

På nuværende tidspunkt praktiseres brugen af magnesiumlegeringer i vid udstrækning i fly-, bil-, militær- og andre industrier, hvor deres høje omkostninger (nogle kvaliteter indeholder ret dyre legeringselementer) er berettiget ud fra et økonomisk synspunkt af mulighed for at skabe et mere holdbart, hurtigere, kraftfuldt og sikkert udstyr, der kan arbejde effektivt under ekstreme forhold, herunder når det udsættes for høje temperaturer.

På grund af deres høje elektriske potentiale er disse legeringer det optimale materiale til at skabe beskyttere, der yder elektrokemisk beskyttelse af stålkonstruktioner, såsom bildele, underjordiske strukturer, olieplatforme, marinefartøjer osv., mod korrosionsprocesser, der forekommer under påvirkning af fugt, ferskvand og havvand.

Legeringer med tilsætning af magnesium er også blevet brugt i forskellige radiotekniske systemer, hvor de bruges til at lave lydkanaler til ultralydslinjer for at forsinke elektriske signaler.

Konklusion

Moderne industri stiller stadig højere krav til materialer med hensyn til deres styrke, slidstyrke, korrosionsbestandighed og fremstillingsevne. Brugen af magnesiumlegeringer er et af de mest lovende områder, derfor stopper forskning i forbindelse med søgen efter nye egenskaber ved magnesium og mulighederne for dets anvendelse ikke.

I øjeblikket gør brugen af magnesiumbaserede legeringer til fremstilling af forskellige dele og strukturer det muligt at reducere deres vægt med næsten 30 % og øge trækstyrken op til 300 MPa, men ifølge videnskabsmænd er dette er langt fra grænsen for dette unikke metal.