Magnesiumlegeringen: toepassing, classificatie en eigenschappen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Magnesiumlegeringen hebben een aantal unieke fysische en chemische eigenschappen, waarvan de belangrijkste lage dichtheid en hoge sterkte zijn. De combinatie van deze kwaliteiten in materialen met toevoeging van magnesium maakt het mogelijk om producten en structuren te produceren met hoge sterkte-eigenschappen en een laag gewicht.

Magnesiumkenmerken

De industriële productie en het gebruik van magnesium begon relatief recent - slechts ongeveer 100 jaar geleden. Dit metaal heeft een lage massa, omdat het een relatief lage dichtheid heeft (1,74 g / cmᶟ), goede weerstand tegen lucht, alkaliën, gasvormige media die fluor en minerale oliën bevatten.

Het smeltpunt is 650 graden. Het wordt gekenmerkt door een hoge chemische activiteit tot aan zelfontbranding in lucht. De treksterkte van puur magnesium is 190 MPa, de elasticiteitsmodulus is 4.500 MPa en de relatieve rek is 18%. Het metaal heeft een hoog dempend vermogen (absorbeert effectief elastische trillingen), wat het voorziet van:uitstekende schoktolerantie en verminderde gevoeligheid voor resonantieverschijnselen.

Andere kenmerken van dit element zijn onder meer een goede thermische geleidbaarheid, een laag vermogen om thermische neutronen te absorberen en een interactie aan te gaan met nucleaire brandstof. Door de combinatie van deze eigenschappen is magnesium een ideaal materiaal voor het maken van hermetisch afgesloten omhulsels van hogetemperatuurelementen van kernreactoren.

Magnesium legert goed met verschillende metalen en is een van de sterke reductiemiddelen, zonder welke het metallothermische proces onmogelijk is.

In zijn pure vorm wordt het voornamelijk gebruikt als legeringstoevoeging in legeringen met aluminium, titanium en enkele andere chemische elementen. In ferrometallurgie wordt magnesium gebruikt voor diepe ontzwaveling van staal en gietijzer, en de eigenschappen van de laatste worden verbeterd door grafietsferoïdisatie.

Magnesium en legeringsadditieven

De meest voorkomende legeringstoevoegingen die worden gebruikt in legeringen op magnesiumbasis zijn elementen zoals aluminium, mangaan en zink. Door aluminium verbetert de structuur, neemt de vloeibaarheid en sterkte van het materiaal toe. De introductie van zink maakt het ook mogelijk om sterkere legeringen te verkrijgen met een kleinere korrelgrootte. Met behulp van mangaan of zirkonium wordt de corrosieweerstand van magnesiumlegeringen verhoogd.

De toevoeging van zink en zirkonium zorgt voor verhoogde sterkte en vervormbaarheid van metaalmengsels. En de aanwezigheid van bepaalde zeldzame aardeelementen, zoals neodymium, cerium, yttrium, enz., dragen bij tot een significante toename van de hittebestendigheid en maximalisatie van de mechanische eigenschappen van magnesiumlegeringen.

Om ultralichte materialen te maken met een dichtheid van 1,3 tot 1,6 g/mᶟ, wordt lithium in de legeringen geïntroduceerd. Dit additief maakt het mogelijk om hun gewicht met de helft te verminderen in vergelijking met aluminium-metaalmengsels. Tegelijkertijd bereiken hun indicatoren van plasticiteit, vloeibaarheid, elasticiteit en maakbaarheid een hoger niveau.

Classificatie van magnesiumlegeringen

Magnesiumlegeringen worden geclassificeerd volgens een aantal criteria. Dit is:

• volgens de verwerkingsmethode - voor gieten en vervormbaar;
• volgens de mate van gevoeligheid voor warmtebehandeling - in niet-gehard en gehard door warmtebehandeling;
• door eigenschappen en toepassingen - voor hittebestendige, zeer sterke en algemene legeringen;
• volgens het legeringssysteem - er zijn verschillende groepen van niet-hardbare en warmtehardbare gesmeed magnesiumlegeringen.

Gietlegeringen

Deze groep omvat legeringen met toevoeging van magnesium, ontworpen voor de productie van verschillende onderdelen en elementen door vormgieten. Ze hebben verschillende mechanische eigenschappen, afhankelijk van welke ze in drie klassen worden onderverdeeld:

• gemiddelde sterkte;
• hoge sterkte;
• hittebestendig.

Qua chemische samenstelling worden legeringen ook in drie groepen verdeeld:

• aluminium + magnesium + zink;
• magnesium + zink + zirkonium;
• magnesium + zeldzame aardeelementen + zirkonium.

Gieteigenschappen van legeringen

De beste gieteigenschappen van de producten van deze drie groepen zijn aluminium-magnesiumlegeringen. Ze behoren tot de klasse van materialen met hoge sterkte (tot 220 MPa), daarom zijn ze de beste optie voor de vervaardiging van motoronderdelen voor vliegtuigen, auto's en andere apparatuur die onder mechanische en thermische belasting werkt.

Om de sterkte-eigenschappen te vergroten, worden aluminium-magnesiumlegeringen ook gelegeerd met andere elementen. Maar de aanwezigheid van ijzer- en koperverontreinigingen is ongewenst, aangezien deze elementen een negatief effect hebben op de lasbaarheid en corrosieweerstand van legeringen.

Gegoten magnesiumlegeringen worden bereid in verschillende soorten smeltovens: reverbeerovens, kroesovens met gas-, olie- of elektrische verwarming of kroesinductieovens.

Speciale vloeimiddelen en additieven worden gebruikt om verbranding tijdens smelten en gieten te voorkomen. Gietstukken worden geproduceerd door gieten in zand-, gips- en schaalvormen, onder druk en met behulp van investeringsmodellen.

Smeedlegeringen

Vergeleken met gegoten legeringen zijn gesmede magnesiumlegeringen sterker, taaier en taaier. Ze worden gebruikt voor de productie van plano's door walsen, persen en stampen. Als warmtebehandeling van producten wordt verharding toegepast bij een temperatuur van 350-410 graden, gevolgd door willekeurige koeling zonder veroudering.

Bij verwarmingde plastische eigenschappen van dergelijke materialen nemen toe, daarom wordt de verwerking van magnesiumlegeringen uitgevoerd door middel van druk en bij hoge temperaturen. Het stempelen wordt uitgevoerd bij 280-480 graden onder persen door middel van gesloten matrijzen. Bij koudwalsen worden frequente tussentijdse herkristallisatie-uitgloeiingen uitgevoerd.

Bij het lassen van magnesiumlegeringen kan de sterkte van de productnaad worden verminderd in de segmenten waar het lassen is uitgevoerd, vanwege de gevoeligheid van dergelijke materialen voor oververhitting.

Toepassingsgebieden van magnesiumlegeringen

Verschillende halffabrikaten - ingots, platen, profielen, platen, smeedstukken, enz. worden geproduceerd door gieten, vervormen en warmtebehandeling van legeringen. Deze blanks worden gebruikt voor de productie van elementen en onderdelen van moderne technische apparaten, waarbij de gewichtsefficiëntie van constructies (verminderd gewicht) een belangrijke rol speelt met behoud van hun sterkte-eigenschappen. Vergeleken met aluminium is magnesium 1,5 keer lichter en 4,5 keer lichter dan staal.

Op dit moment wordt het gebruik van magnesiumlegeringen op grote schaal toegepast in de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, het leger en andere industrieën, waar hun hoge kosten (sommige soorten bevatten vrij dure legeringselementen) vanuit economisch oogpunt gerechtvaardigd worden door de mogelijkheid om duurzamere, snellere, krachtigere en veiligere apparatuur te creëren die effectief kan werken in extreme omstandigheden, ook bij blootstelling aan hoge temperaturen.

Vanwege hun hoge elektrische potentieel zijn deze legeringen het optimale materiaal voor het maken van beschermers die elektrochemische bescherming bieden van staalconstructies, zoals auto-onderdelen, ondergrondse constructies, olieplatforms, zeeschepen, enz., tegen corrosieprocessen die optreden onder invloed van vocht, zoet- en zeewater.

Legeringen met toevoeging van magnesium zijn ook gebruikt in verschillende radiotechnische systemen, waar ze worden gebruikt om geluidskanalen te maken voor ultrasone leidingen om elektrische signalen te vertragen.

Conclusie

De moderne industrie stelt steeds hogere eisen aan materialen wat betreft sterkte, slijtvastheid, corrosieweerstand en maakbaarheid. Het gebruik van magnesiumlegeringen is een van de meest veelbelovende gebieden, daarom houdt het onderzoek met betrekking tot het zoeken naar nieuwe eigenschappen van magnesium en de toepassingsmogelijkheden ervan niet op.

Momenteel maakt het gebruik van legeringen op magnesiumbasis bij het maken van verschillende onderdelen en structuren het mogelijk om hun gewicht met bijna 30% te verminderen en de treksterkte te verhogen tot 300 MPa, maar volgens wetenschappers is dit is verre van de limiet voor dit unieke metaal.