Цирконий

Получаемый электродуговым переплавом технический цирконий содержит в среднем 0,2 % примесей. Он отличается высокой коррозионной стойкостью, биосовместимостью, небольшой плотностью и малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов. Пластичность циркония составляет большую величину δ=50%, прочность его невелика и равна σ_В=175МПа. Цирконий обладает хорошей обрабатываемостью давлением, удовлетворительной свариваемостью и плохо поддается обработке резанием.

Коррозионная стойкость циркония в агрессивных средах обусловлена качествами образующейся пленки диоксида ZrO₂, которая может достигать толщины 0,1 мкм и сохраняет защитные свойства до температуры 450⁰С. После этой температуры в пленке возникают большие внутренние напряжения и образуется окалина с пониженными защитными свойствами из-за появления порошкообразного наружного слоя. При температурах более 1000⁰С на поверхности возникает двухфазный слой ZrO₂ и ZrN, скорость окисления возрастает.

Одновременно с окислением при высоких температурах в цирконии растворяется много кислорода и азота, что ухудшает механические свойства и коррозионную стойкость металла. Порошкообразный цирконий с размерами частиц менее 10 мкм приобретает очень высокую окисляемость и способность при нагревании к самовоспламенению и взрыву. Это требует при его использовании применения специальных мер пожаровзрывобезопасности. Чистый цирконий применяется при изготовлении защитных оболочек атомных реакторов, деталей химической аппаратуры, биомедицинской техники.

Сплавы циркония характеризуются повышенными значениями прочности и жаропрочности благодаря добавкам Sn, Fe, Cr, Mo, Nb. При этом за счет полиморфизма циркония, проявляющегося при температуре 862⁰С, введение Sn придает устойчивость фазе Zr_α c кристаллической решеткой ГПУ, другие элементы стабилизируют фазу Zr_β c решеткой ОЦК.

Термическая обработка сплавов Zr чаще всего представляет отжиг для снятия внутренних напряжений после холодной обработки давлением. При этом отжиг в α-области создает наилучшее сочетание прочности и коррозионной стойкости для высоколегированных сплавов, отжиг в β-области применяется к изделиям из малолегированных циркониевых сплавов. Сплавы с Nb можно подвергать закалке и отпуску для значительного повышения их прочности.

Сплав циркалой-2 содержит добавки Sn, Fe, Cr, Ni, имеет (α+β)-структуру и обладает хорошими показателями поглощения тепловых нейтронов, коррозионной стойкости и жаропрочности. Повышенными качествами характеризуется сплав Н-2,5, содержащий 2,5% Nb для работы в более агрессивных средах при температурах до 450⁰С.

Магний

Технический магний поставляется в слитках и может иметь три марки: Мг96 (99,96%Мg), Мг95(99,95%Мg), Мг90 (99,90%Мg). Из всех технически важных металлов магний обладает самой низкой плотностью – ρ=1740кг/м³, показатели прочности и пластичности магния невелики, составляя в деформированном и отожженном состоянии соответственно σ_В=200МПа и δ=12%. В то же время магний имеет повышенные способности воспринимать ударные нагрузки и поглощать вибрацию, он хорошо деформируется в горячем состоянии и обрабатывается резанием. Коррозионная стойкость магния невысока, он проявляет устойчивость только в пресной воде, в щелочах, в нефтепродуктах и некоторых других органических жидкостях. Из-за высокой окисляемости магниевый порошок или стружка легко самовоспламеняется на воздухе при обычных температурах, а компактный магний – при нагреве до температур выше 623⁰С.

Применение технического магния обусловлено его высокой химической активностью: он используется в пиротехнике, в химической промышленности при синтезе органических веществ, в металлургии как раскисляющий, восстанавливающий, модифицирующий элемент. Малая способность магния к поглощению тепловых нейтронов обеспечила его применение для изготовления оболочковых конструкций ядерных реакторов.

Сплавы магния содержат в качестве основных добавок Al, Zn, Zr, Mn, повышающие механические свойства сплавов при обычных температурах. Дополнительные добавки Cd, Ce, Nd, Th придают сплавам жаропрочность, введение микродобавок Ве снижает окисляемость магниевых сплавов при выплавке и литье.

Термическая обработка магниевых сплавов связана с отсутствием у магния полиморфных превращений и предусматривает применение диффузионного отжига (гомогенизация), рекристаллизационного отжига, отжига для снятия внутренних напряжений, закалки и старения. В зависимости от технологических свойств магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Д е ф о р м и р у е м ы е сплавы магния маркируются буквами ״МА״ с последующим числом и позволяют применять горячую обработку давлением с температур 400……480⁰С для получения из них листов, прутков, профилей, простых и сложных поковок. Наибольшую пластичность имеют магниевые сплавы повышенной чистоты в отношении содержания вредных примесей Fe, Ni, Cu, в конце их марки ставятся буквы ״пч״.

Сплав МА1 содержит около 2% Mn и в отожженном состоянии имеет прочность σ_В=190….220МПа при повышенной коррозионной стойкости и свариваемости. Его применение связано с изготовлением малонагруженных, сварных изделий, деталей арматуры различных гидросистем. В сплав МА8 дополнительно введено 0,2 % Се, что увеличивает его прочность до значений σ_В=220…250МПа и позволяет использовать для изготовления более нагруженных и сложных изделий.

Сплавы системы Mg–Al–Zn содержит до 8% Al, до 1,5%Zn и до 0,5% Mn, к ним относятся сплавы МА2, МА2-1, МА5. Они упрочняются за счет закалки и старения, приобретая прочность σ_В=330МПа, поэтому применяются для получения ответственных нагруженных поковок сложной формы.

Сплавы системы Mg–Zn–Zr имеют до 7% цинка, до 0,9% циркония и включают сплавы МА14, МА15, МА19. После горячей обработки давлением эти сплавы получают наибольшую величину прочности σ_В = 400 МПа, поэтому служат для изготовления особо ответственных высоконагруженных деталей.

Специальный сплав МА17, содержащий Mn, Ce, применяется в радиотехнических приборах для звукопроводов ультразвуковых линий задержки. Сверхлегкий сплав МА18 со специальной добавкой Li имеет минимальную плотность ρ=1350 кг/м³ и наибольшую пластичность δ=30,5 %.

Л и т е й н ы е магниевые сплавы используются для получения методами литья деталей сложной формы, имеющих внутренние полости. При этом применяются специальные меры защиты от возгорания расплава на воздухе: плавку ведут под слоем флюса, в процессе заливки формы вокруг струи расплава создают защитную атмосферу сернистого газа. Литейные свойства магниевых сплавов невысоки. Механические свойства получаемых отливок понижены, поэтому с целью их улучшения производят измельчения зерна путем перегрева расплава, введения в него специальных, модифицирующих добавок. Кроме этого, отливки подвергают гомогенизирующему отжигу, закалке на воздухе и старению. Для получения отливок используют многие магниевые сплавы, по химическому составу соответствующие деформируемым сплавам, которые в литом состоянии маркируются буквами ״МЛ״ с последующим числом.

Сплав МЛ2 содержит марганец и обладает повышенной коррозионной стойкостью, сплавы МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6 системы Mg–Al–Zn отличаются улучшенными литейными и механическими свойствами. Сплавы Mg–Zn могут иметь добавки Zr, Cd, Nd, In, La, Y, к ним относятся марки МЛ8, МЛ9, МЛ10, МЛ11, МЛ12, МЛ15, МЛ19. Они обладают повышенными характеристиками литейных, механических свойств, жаропрочности и служат для получения отливок ответственного назначения.