Zliatiny horčíka: použitie, klasifikácia a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Zliatiny horčíka majú množstvo jedinečných fyzikálnych a chemických vlastností, z ktorých hlavné sú nízka hustota a vysoká pevnosť. Kombinácia týchto vlastností v materiáloch s prídavkom horčíka umožňuje vyrábať produkty a konštrukcie s vysokými pevnostnými charakteristikami a nízkou hmotnosťou.

Vlastnosti horčíka

Priemyselná výroba a používanie horčíka sa začalo relatívne nedávno – len asi pred 100 rokmi. Tento kov má nízku hmotnosť, pretože má relatívne nízku hustotu (1,74 g / cmᶟ), dobrú odolnosť voči vzduchu, zásadám, plynným médiám obsahujúcim fluór a minerálne oleje.

Jeho bod topenia je 650 stupňov. Vyznačuje sa vysokou chemickou aktivitou až samovznietením na vzduchu. Pevnosť v ťahu čistého horčíka je 190 MPa, modul pružnosti je 4 500 MPa a relatívne predĺženie je 18 %. Kov má vysokú tlmiacu schopnosť (účinne absorbuje elastické vibrácie), čo mu zabezpečujevynikajúca odolnosť voči otrasom a znížená citlivosť na rezonančné javy.

Medzi ďalšie vlastnosti tohto prvku patrí dobrá tepelná vodivosť, nízka schopnosť absorbovať tepelné neutróny a interagovať s jadrovým palivom. Vďaka kombinácii týchto vlastností je horčík ideálnym materiálom na vytváranie hermeticky uzavretých obalov vysokoteplotných prvkov jadrových reaktorov.

Horčík sa dobre zlieva s rôznymi kovmi a je jedným zo silných redukčných činidiel, bez ktorých nie je možné metalotermický proces.

Vo svojej čistej forme sa používa hlavne ako legovací prísada do zliatin s hliníkom, titánom a niektorými ďalšími chemickými prvkami. V metalurgii železa sa horčík používa na hĺbkové odsírenie ocele a liatiny, pričom vlastnosti liatiny sa zlepšujú sféroidizáciou grafitu.

Horčík a legujúce prísady

Najbežnejšie legovacie prísady používané v zliatinách na báze horčíka zahŕňajú prvky ako hliník, mangán a zinok. Prostredníctvom hliníka sa zlepšuje štruktúra, zvyšuje sa tekutosť a pevnosť materiálu. Zavedenie zinku tiež umožňuje získať pevnejšie zliatiny so zníženou veľkosťou zrna. Pomocou mangánu alebo zirkónu sa zvyšuje odolnosť horčíkových zliatin proti korózii.

Pridanie zinku a zirkónu poskytuje zvýšenú pevnosť a ťažnosť kovových zmesí. A prítomnosť určitých vzácnych zemínprvky, ako je neodým, cér, ytrium atď., prispieva k výraznému zvýšeniu tepelnej odolnosti a maximalizácii mechanických vlastností horčíkových zliatin.

Na vytvorenie ultraľahkých materiálov s hustotou 1,3 až 1,6 g/mᶟ sa do zliatin pridáva lítium. Táto prísada umožňuje znížiť ich hmotnosť na polovicu v porovnaní s hliníkovými kovovými zmesami. Zároveň ich ukazovatele plasticity, tekutosti, elasticity a vyrobiteľnosti dosahujú vyššiu úroveň.

Klasifikácia horčíkových zliatin

Zliatiny horčíka sa klasifikujú podľa viacerých kritérií. Toto je:

• podľa spôsobu spracovania - na odlievanie a deformovateľné;
• podľa stupňa citlivosti na tepelné spracovanie - na nevytvrdené a vytvrdené tepelným spracovaním;
• podľa vlastností a aplikácií - pre tepelne odolné, vysokopevnostné zliatiny a zliatiny na všeobecné použitie;
• podľa legovacieho systému - existuje niekoľko skupín nekaliteľných a teplom tvrditeľných zliatin horčíka.

Zliatiny na odlievanie

Do tejto skupiny patria zliatiny s prídavkom horčíka, určené na výrobu rôznych dielov a prvkov tvarovým odlievaním. Majú rôzne mechanické vlastnosti, podľa toho sa delia do troch tried:

• stredná pevnosť;
• vysoká pevnosť;
• odolné voči teplu.

Z hľadiska chemického zloženia sa zliatiny tiež delia do troch skupín:

• hliník + horčík + zinok;
• horčík + zinok + zirkónium;
• horčík + vzácne zeminyprvky + zirkónium.

Odlievacie vlastnosti zliatin

Najlepšie odlievacie vlastnosti spomedzi produktov týchto troch skupín majú zliatiny hliníka a horčíka. Patria do triedy vysokopevnostných materiálov (do 220 MPa), preto sú najlepšou voľbou pre výrobu častí motorov pre lietadlá, automobily a iné zariadenia pracujúce pri mechanickom a tepelnom zaťažení.

Na zvýšenie pevnostných charakteristík sú zliatiny hliníka a horčíka legované aj inými prvkami. Prítomnosť železných a medených nečistôt je však nežiaduca, pretože tieto prvky majú negatívny vplyv na zvárateľnosť a odolnosť zliatin proti korózii.

Liate horčíkové zliatiny sa pripravujú v rôznych typoch taviacich pecí: dozvukové pece, téglikové pece s plynovým, olejovým alebo elektrickým ohrevom alebo téglikové indukčné pece.

Špeciálne tavivá a prísady sa používajú na zabránenie horenia počas tavenia a odlievania. Odliatky sa vyrábajú odlievaním do pieskových, sadrových a škrupinových foriem, pod tlakom a pomocou investičných modelov.

Spracované zliatiny

V porovnaní s odlievanými zliatinami sú spracované horčíkové zliatiny pevnejšie, tvárnejšie a tuhšie. Používajú sa na výrobu prírezov valcovaním, lisovaním a razením. Ako tepelné spracovanie výrobkov sa používa kalenie pri teplote 350-410 stupňov, po ktorom nasleduje ľubovoľné chladenie bez starnutia.

Pri zahrievaníplastické vlastnosti takýchto materiálov sa zvyšujú, preto sa spracovanie horčíkových zliatin vykonáva pomocou tlaku a pri vysokých teplotách. Razenie sa vykonáva pri 280-480 stupňoch pod lismi pomocou uzavretých lisovníc. Pri valcovaní za studena sa vykonávajú časté medzirekryštalizačné žíhania.

Pri zváraní horčíkových zliatin môže byť pevnosť zvaru produktu znížená v segmentoch, kde bolo zváranie vykonané, kvôli citlivosti takýchto materiálov na prehriatie.

Oblasti použitia horčíkových zliatin

Odlievaním, deformáciou a tepelným spracovaním zliatin sa vyrábajú rôzne polotovary - ingoty, dosky, profily, plechy, výkovky atď. Tieto prírezy sa používajú na výrobu prvkov a dielov moderných technických zariadení, kde hmotnostná účinnosť konštrukcií (znížená hmotnosť) hrá prioritnú úlohu pri zachovaní ich pevnostných charakteristík. V porovnaní s hliníkom je horčík 1,5-krát ľahší a 4,5-krát ľahší ako oceľ.

V súčasnosti sa používanie horčíkových zliatin široko používa v leteckom, automobilovom, vojenskom a inom priemysle, kde je ich vysoká cena (niektoré druhy obsahujú dosť drahé legovacie prvky) z ekonomického hľadiska opodstatnená možnosť vytvorenia odolnejšieho, rýchlejšieho, výkonnejšieho a bezpečnejšieho zariadenia, ktoré dokáže efektívne pracovať v extrémnych podmienkach, vrátane vystavenia vysokým teplotám.

Vďaka svojmu vysokému elektrickému potenciálu sú tieto zliatiny optimálnym materiálom na vytváranie chráničov, ktoré poskytujú elektrochemickú ochranu oceľových konštrukcií, ako sú automobilové diely, podzemné konštrukcie, ropné plošiny, námorné plavidlá atď., pred koróznymi procesmi pod vplyvom vlhkosti, sladkej a morskej vody.

Zliatiny s prídavkom horčíka sa používajú aj v rôznych rádiotechnických systémoch, kde sa používajú na výrobu zvukovodov pre ultrazvukové vedenia na oneskorenie elektrických signálov.

Záver

Moderný priemysel kladie stále vyššie požiadavky na materiály z hľadiska ich pevnosti, odolnosti proti opotrebovaniu, odolnosti voči korózii a spracovateľnosti. Využitie horčíkových zliatin je jednou z najsľubnejších oblastí, preto výskum súvisiaci s hľadaním nových vlastností horčíka a možnosťami jeho aplikácie neustáva.

Používanie zliatin na báze horčíka pri vytváraní rôznych dielov a štruktúr v súčasnosti umožňuje znížiť ich hmotnosť takmer o 30 % a zvýšiť pevnosť v ťahu až na 300 MPa, čo však podľa vedcov je ďaleko od limitu pre tento jedinečný kov.