Магний или алюминий что легче
Магний или алюминий что легче
§ 12. Алюминий и магний
В настоящее время алюминий получается путем электролиза в специальных ваннах, где процесс протекает при высоких температурах (до 950°С); при этом алюминий получается в жидком, расплавленном состоянии. Еще недавно алюминий ценился очень высоко. Было время, когда его применяли в ювелирном деле как очень дорогой и редкий металл; кольцо, например, сделанное из алюминия ценилось дороже золотого.
Чистый алюминий не обладает достаточными литейными свойствами, однако его сплавы, например силумин, имеют очень хорошие литейные свойства. Он жидкотекуч и его усадка не превышает 1,75%. Технический алюминий (различной степени чистоты от 96,5 до 99,7%) выпускается в виде листов, труб, фольги, проволоки, прутков, а также уголка, таврика и полосы.
Прочность чистого алюминия сравнительно невелика, но при легировании его различными добавками прочность может быть значительно повышена. Основными компонентами в сплавах, резко изменяющими свойства алюминия, являются кремний, медь, магний, цинк, а также железо, никель, марганец и хром, которые добавляются для повышения их прочности.
В настоящее время производится много различных алюминиевых сплавов. Они делятся на две группы:
Художественные изделия из алюминиевых сплавов, как литейных, так и деформируемых, хорошо полируются до зеркального блеска, напоминающего никелированные поверхности. Они достаточно устойчивы и декоративны в полированном состоянии. Чистый алюминий устойчив против коррозии, а все виды сплавов менее устойчивы.
В настоящее время алюминий и его сплавы получают все большее применение в самых различных отраслях производства художественных изделий из металла. Его используют наряду с чугуном для крупных литых архитектурных деталей и скульптур, для различных предметов убранства интерьеров, которые теперь заменяют бронзовые украшения. Кроме того, алюминий применяется в ювелирном производстве, где он стал заменять серебро и золото.
На рис. 11 изображена алюминиевая литая медаль «Москва».
Рис. 11. Медаль ‘Москва’, литье из вторичного алюминия. Автор Рябов, 1977 г. МВХПУ
Магний в чистом виде применяется только в пиротехнике и при фотографировании для получения световых эффектов; Как конструкционный материал он применения не имеет из-за своих низких механических свойств. В основном магний идет для приготовления легких сплавов. Магниевые сплавы, подобно алюминиевым, разделяются на литейные и деформируемые.
Удельный вес металла. Таблица плотности металлов и сплавов
Таблицы плотности металлов и сплавов
Удельным весом металла называется отношение веса однородного тела из этого вещества к объему металла, т.е. это плотность, в справочниках измеряется в кг/м3 или г/см3. Отсюда можно вычислить формулу как узнать вес металла. Чтобы это найти нужно умножить справочное значение плотности на объем.
− легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец.
Удельный вес цветных металлов
Таблица. Удельный вес металлов, свойства, обозначения металлов, температура плавления
При прокате заготовок из цветных металлов необходимо еще точно знать их химический состав, поскольку от него зависят их физические свойства.
Например, если в алюминии присутствуют примеси (хотя бы и в пределах 1%) кремния или железа, то пластические характеристики у такого металла будут гораздо хуже.
Другое требование к горячему прокату цветных металлов – это предельно точная выдержка температуры металла. К примеру, цинк требует при прокатке температуры строго 180 градусов — если она будет чуть выше или чуть ниже, капризный металл резко утратит пластичность.
Медь более «лояльна» к температуре (ее можно прокатывать при 850 – 900 градусах), но зато требует, чтобы в плавильной печи непременно была окислительная (с повышенным содержанием кислорода) атмосфера — иначе она становится хрупкой.
Таблица удельного веса сплавов металлов
Удельный вес металлов определяют чаще всего в лабораторных условиях, но в чистом виде они весьма редко применяются в строительстве. Значительно чаще находится применение сплавам цветных металлов и сплавам черных металлов, которые по удельному весу подразделяют на легкие и тяжелые.
Легкие сплавы активно используются современной промышленностью, из-за их высокой прочности и хороших высокотемпературных механических свойств. Основными металлами подобных сплавов выступают титан, алюминий, магний и бериллий. Но сплавы, созданные на основе магния и алюминия, не могут использоваться в агрессивных средах и в условиях высокой температуры.
В основе тяжелых сплавов лежит медь, олово, цинк, свинец. Среди тяжелых сплавов во многих сферах промышленности применяют бронзу (сплав меди с алюминием, сплав меди с оловом, марганцем или железом) и латунь (сплав цинка и меди). Из этих марок сплавов производятся архитектурные детали и санитарно-техническая арматура.
Ниже в справочной таблице приведены основные качественные характеристики и удельный вес наиболее распространенных сплавов металлов. В перечне представлены данные по плотности основных сплавов металлов при температуре среды 20°C.
Список сплавов металлов
Плотность сплавов (кг/м 3 )
Он вдвое легче, но и вдвое прочнее железа, в 6 раз прочнее алюминия
В земной коре его много -0,63%.
Ему нипочем океанские глубины, межпланетный вакуум, сверхнизкие температуры космического пространства, жар аэродинамического нагрева.
Титан можно обрабатывать давлением и резанием, сваривать в среде аргона. изготавливать детали литьем, обработка резанием его затруднена.
Титан имеет очень высокую удельную прочность.
* 
Широкое применение титана сдерживается его высокой стоимостью, которая обусловлена сложностью извлечения его из руд.
Поставляется титан в виде листов, труб, прутков, поковок, штамповок.
Технический титан изготавливается 3-х марок:
* ВТ1-00 ( 99,53% Т )
* ВТ1-0 ( 99,48% Т )
* ВТ1-1 ( 99,44% Т )
Вредными примесями для титана являются : азот, углерод, кислород и водород, они снижают пластичность и свариваемость, повышают твердость, ухудшают сопротивление коррозии.
Технический титан имеет: σ = 300-500 МПА
δ= 20-30%
Чем больше примесей,тем больше прочность и меньше пластичность титана.
Сплавы на основе титана
Для получения сплавов титан легируют алюминием, молибденом, ванадием, марганцем, хромом, железом, ниобием и др.
Удельная прочность титановых сплавов выше, чем у легированных сталей.
Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуры полиморфного превращения титана.
Все промышленные сплавы титана содержат алюминий.
Титан и его сплавы
В соответствии со структурой различают следующие сплавы титана:
ВТ6( 6% алюминия, 4% ванадия) σв =900-1070Мпа δ =6-9%
σв = 800-900 Мпа δ =6-15%
Термическая обработка титановых сплавов
Титановые сплавы в зависимости от состава и назначения можно подвергать:
* альфа +бетта сплавы титанамогут быть упрочнены закалкой с последующим старением. при быстром охлаждении протекает сдвиговое мартенситное превращение. мартенсит здесь- пересыщенный твердый раствор легирующего элемента в альфа-титане. Температура закалки 750-950 °
Для увеличения износостойкости сплавы титана азотируют.
Применение титановых сплавов
Титановые сплавы как высокопрочные конструкционные материалы широко применяют с следующих областях:
* Криогенной технике
Применяют и биметаллы сталь- титан
Магний и его сплавы
Магний также, как и алюминий и титан относится к материалам с малой плотностью.
* Легкая воспламеняемость магния способствовала тому, что многие считают, что изделия из магния опасны в пожарном отношении. Это не так.
Магний и его сплавы
Литой магний имеет σв =120Мпа δ =5% 30НВ
Деформированный σв = 250 Мпа δ=10% 50НВ
Технический магний выпускается 3-х марок:
* МГ90 ( 99,9% магния)
* МГ95 (99,95 %)
* МГ96 (99,96%)
Магний может быть использован в химической промышленности, в металлургии как раскислитель, легирующий элемент и т.п.
Как конструкционный материал чистый магний не применяется, а для этой цели используются сплавы магния
Сплавы магния
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность. σв = 250-400 Мпа. По степени прочности на единицу своего веса они превосходят легированные стали и композиции на основе алюминия, уступая в этом лишь титановым сплавам
Поэтому сплавы магния употребляются для изготовления наиболее металлоемких деталей двигателя, корпуса компрессоров, коробок скоростей, корпуса приборов. В самолетах типа Ту154 насчитывается более 2-х тонн деталей из магниевых сплавов.
Магниевые сплавы очень хорошо поглощают вибрацию
Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз выше, чем у лучших алюминиевых сплавов, в 20 раз лучше, чем у алюминиевых сплавов
Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием
Они обладают высокой хладностойкостью. От внезапного похолодания внезапно разрушаются многие конструкции- мосты. магистральные трубопроводы. суда. при морозе сталь делается хрупкой, хладноломкой.
Основным легирующим элементом в магниевых сплавах является алюминий ( до 10%) затем цинк (5-6%), марганец (до 2,5%)
По технологическому признаку сплавы магния можно разделить на 2 группы:
* —деформированные –МД
Сплавы, имеющие гексагональную решетку низкопластичны, поэтому ОМД ведут при повышенных температурах.
Химический состав их близок к литейным.
МА1 имеет σв =210Мпа
Лекция 16
«НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»
Представьте, что из окружающего нас мира исчезли бы пластмассы.
О значении пластмасс в развитии материального производства красноречиво говорит тот факт, что уже в 60-е годы мировой объем производства пластмасс значительно превысил выпуск цветных металлов.
Сейчас пластмассы не просто с успехом заменяют многие металлы, но и сами стали незаменимыми материалами во многих самых различных отраслях техники, пищевой промышленности, строительстве. сельском хозяйстве и т.п.
Есть ли металлы легче алюминия?
Развитие производства полимерных и композиционных материалов отнюдь не отодвигает легкие металлы на второй план. Объем их производства продолжает расти, особенно это относится к алюминию и его сплавам. Но есть и «более другие» легкие металлы и сплавы.
Самые легкие — все щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Но в промышленности из них в качестве легкого материала применяют только литий, да и то в сплавах.
Литий — самый легкий из металлов, он почти вдвое легче воды. Но, к сожалению, в чистом виде применить его в качестве конструкционного материала невозможно — он слишком активен, вступает во взаимодействие и с водой, и с воздухом. А вот в сплавах, например, с алюминием, — пожалуйста.
Современные алюмо-литиевые сплавы по многим параметрам превосходят традиционные сплавы, и в ряде случаев конкурируют с пластмассами, упрочненными волокнами. Необходимую вязкость таких сплавов обеспечивают введением в них легирующих элементов — марганца, циркония и меди, соответствующей технологией изготовления материала, приводящей к образованию мелкозернистой структуры, а также применением термомеханической обработки, влияющей на равномерность выделения дисперсных фаз.
Благодаря этому достигают необходимой комбинации прочности и вязкости, что при малой плотности и высокой жесткости позволяет рассматривать алюмо-литиевые сплавы как наиболее перспективный материал для легких конструкций.
Алюмо-литиевые сплавы интересны для авиакосмической промышленности. Это вызвано тем, что добавка лития одновременно повышает модуль упругости и понижает плотность сплава, тем самым способствуя уменьшению массы конструкций.
Из щелочноземельных металлов в конструкционных материалах используют только магний и бериллий. Кальций и стронций, несмотря на то, что они легче алюминия, практически не используют.
Сплавы магния многочисленны и делятся на две группы: литейные и деформируемые.
Благодаря низкой плотности и высокой удельной прочности их используют в авиакосмической технике в качестве конструкционных материалов. Магний придает им легкость — магниевые сплавы на треть легче алюминия.
Около пятой части выплавляемого магния используют в автомобилестроении.
Магний предпочтителен и при изготовлении композитов с металлической матрицей. Расплавленный алюминий, например, реагирует с армирующими волокнами карбида кремния, образуя карбид алюминия. Магний в отношении этих волокон инертен.
Бериллий одновременно относится и к легким, и к редким металлам, а следовательно, и к дорогим. Но основной недостаток этого металла, препятствующий его применению в технике, — высокая токсичность.
Еще один отрицательный фактор — хрупкость бериллия. Однако плюсов у него значительно больше.
Бериллий — один из наиболее легких металлов. Он в 1,5 раза легче алюминия и в 4 раза легче нержавеющей стали. По модулю упругости он превосходит и сталь, и титан, и алюминий. Важно, что его прочностные свойства не утрачиваются вплоть до температуры 800 градусов.
Несмотря на высокую стоимость и токсичность, бериллий используют там, где он незаменим. Так, в США из него были изготовлены панели серии космических кораблей «Аджена», части антенны на спутнике связи «Тэксэт-1» и отражатель ядерного ракетного двигателя «Нерва-1».
Алюминий находится в третьей группе элементов. Других металлов легче алюминия в этой группе нет. В четвертой группе легче алюминия только кремний. Но значение его столь велико, что он заслуживает отдельной статьи.
Подведем итоги. Металлов легче алюминия много, больше десятка. Но не все из них, увы, могут его заменить или дополнить.
Магний: конструкционный металл легче алюминия
Свойства магния и его применение
Подавляющая часть производимого в мире магния идет на легирование алюминиевых сплавов и только около 15 % – на конструкционные изделия, в основном в виде отливок. Магний и его сплавы применяются в виде деталей автомобилей, в том числе, колесных дисков, элементов промышленного оборудования, кухонного оборудования, деталей компьютеров и мобильных телефонов и, даже, лестниц [1].
Магний легко поддается литью, механической обработке и сварке. Он обладает относительно высокой электрической и тепловой проводимостью. Магниевые сплавы имеют очень хорошую способность к поглощению механической энергии: магниевые отливки находят применение в качестве изделий для работы в условиях высоких вибраций.
Коррозия магния
Многие годы одним из главных недостатков магниевых сплавов являлась коррозия. Магний занимает самую высокую анодную позицию в гальванической серии. Поэтому, как показано, на рисунке 1, может подвергаться сильной коррозии.
Рисунок 1 – Сильно корродированная магниевая деталь [1]
Проблемы магния с коррозией происходят из-за сильного влияния примесных элементов, таких как, железо, никель и медь. Рисунок 2 показывает, как сильно влияет содержание железа в магнии на его подверженность коррозии. Однако применение высокочистых магниевых сплавов приводит к достижению уровня коррозионной стойкости, близкой к тому, который имеют конкурирующие алюминиевые литейные сплавы (рисунок 3).
Рисунок 2 – Влияние содержания железа в магнии
на его коррозионную стойкость [1]
Рисунок 3 – Сравнение коррозионной стойкости
литейных алюминиевых и магниевых сплавов [1]
Металлургия магния
Кристаллическая структура и свойства
Чистый магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, которая ограничивает скольжение при комнатной температуре по основным плоскостям. При комнатной температуре магниевые сплавы легко поддаются нагартовке со значительным снижением пластических свойств. При повышенных температурах становятся рабочими дополнительные плоскости скольжения и поэтому деформируемые магниевые сплавы обрабатывают формовкой при температурах выше 200 ºС, обычно в интервале от 345 до 510 ºС в зависимости от сплава.
В ходе механической деформации в деформируемых сплавах образуется кристаллографическая текстура, что приводит к анизотропии механических свойств. Например, катаный лист с пределом прочности при растяжении 220 МПа и 2 % относительного удлинения, которые замерены параллельно направлению прокатки, могут показывать более высокие механические свойства (например, соответственно, 260 МПа и 8 %) при измерении их перпендикулярно направлению прокатки.
Кроме того, предел текучести при сжатии для изделий, полученных методами обработки металлов давлением, составляет только около 40-70 % от предела текучести при растяжении. В ходе горячей обработки отдельные кристаллы деформируются непосредственно по основным плоскостям скольжения и эти основные плоскости скольжения разворачиваются так, что они становятся ориентированными параллельно направлению деформационной обработки. Такое расположение зерен приводит к снижению прочности при сжатии. Поскольку в отливках такая текстура не образуется, то предел текучести при сжатии отливок примерно равен пределу текучести при растяжении. По этой причине, а также из-за того, что изделия из деформируемых сплавов имеют более высокую стоимость, чем аналогичные алюминиевые изделия, отливки из магниевых сплавов применяются намного шире, чем другие виды магниевых изделий.
Добавки алюминия, цинка и циркония
Магний имеет весьма низкую температуру плавления (650 ºC), что повышает его подверженность к ползучести при повышенных температурах. Однако, путем усовершенствованных методов легирования стойкость магниевых сплавов к ползучести может быть значительно повышена. Самыми важными легирующими добавками для магния являются алюминий, цинк и цирконий. Алюминий обеспечивает упрочнение за счет создания в магнии твердого раствора и расширения интервала затвердевания, что делает сплав более удобным для литья. При добавлении алюминия в магний его прочность постоянно возрастает до достижения содержания алюминия 10 %, но пик относительного удлинения возникает примерно при 3 % алюминия:
Цинк ведет себя аналогично алюминию:
Однако цинк является причиной горячего растрескивания, если его содержание превышает 1 % в сплавах с содержанием алюминия от 7 до 10 %. Цинк, кроме этого, повышает коррозионную стойкость при комбинировании с вредными примесями железом и никелем. Цинк также применяют совместно с цирконием, редкоземельным элементом, или торием для получения термически упрочняемых магниевых сплавов.
Марганец и кремний
Для повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов Mg-Al и Mg-Al-Zn применяют добавки марганца для удаления железа за счет образования безвредных интерметаллических соединений. Количество марганца, которое может быть добавлено, ограничено 1,5 % из-за его низкой растворимости в магнии.
Кремний значительно повышает текучесть расплавленного магния, увеличивая, тем самым, его способность к литью. Однако в присутствии железа кремний снижает коррозионную стойкость магния. Кремний также обеспечивает повышение стойкости к ползучести.
Цирконий – измельчитель зерна
Цирконий является мощным измельчителем зерна, как это показано на рисунке 4. Однако цирконий нельзя применять в комбинации с алюминием или марганцем, так как он образует хрупкие интерметаллические соединения, которые «уничтожают» пластичность. Выдающаяся эффективность циркония в измельчении зерна литого магния может быть объяснена сильной схожестью кристаллической структуры и параметров атомной решетки этих двух элементов.
Рисунок 4 – Измельчение зерен магния цирконием [1]
Цирконий является такой важной легирующей добавкой, что была разработана целая серия магниево-циркониевых сплавов без присутствия в них алюминия. Циркониевые добавки обычно держат ниже 0,8 %, так как при более высоких концентрациях он легко образует соединения с железом, алюминием, кремнием, углеродом, кислородом и азотом, а также реагирует с водородом в виде гидрида, который является не растворимым в магнии.
Железо и никель
Элементы железо и никель являются вредными примесями, которые значительно снижают коррозионную стойкость. Медь также часто рассматривается, вместе с железом и никелем, как загрязнение, но в некоторых магниевых сплавах она применяется как легирующий элемент. Железо является самым проблемным из этих трех, так как никель и медь более легко контролировать путем выбора степени чистоты исходных материалов. Железо контролируют путем добавок MnCl2 в расплав в ходе литья.
Деформируемые и литейные сплавы
Хотя магниевые сплавы производят как в виде деформируемых, так и литейных сплавов, но литейные сплавы применяют намного более широко. Некоторые из деформируемых сплавов упрочняются путем холодной деформации, тогда как другие – путем термической обработки c упрочнением по механизму старения.
Литейные сплавы применяются в различных состояниях: литейном, отожженном или состаренном. Эти сплавы сами по себе обычно подразделяются на два класса: сплавы с алюминием и сплавы с цирконием. Пределы текучести при растяжении магниевых сплавов обычно находятся в интервале от 70 до 345 МПа, пределы прочности – от 140 до 380 МПа, а относительное удлинение от 1 до 15 %.