Slitiny hořčíku: použití, klasifikace a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Slitiny hořčíku mají řadu jedinečných fyzikálních a chemických vlastností, z nichž hlavní jsou nízká hustota a vysoká pevnost. Kombinace těchto vlastností v materiálech s přídavkem hořčíku umožňuje vyrábět produkty a konstrukce s vysokými pevnostními charakteristikami a nízkou hmotností.

Vlastnosti hořčíku

Průmyslová výroba a používání hořčíku začalo relativně nedávno – teprve asi před 100 lety. Tento kov má nízkou hmotnost, protože má relativně nízkou hustotu (1,74 g / cmᶟ), dobrou odolnost vůči vzduchu, zásadám, plynným médiím obsahujícím fluor a minerálním olejům.

Jeho bod tání je 650 stupňů. Vyznačuje se vysokou chemickou aktivitou až samovznícení na vzduchu. Pevnost v tahu čistého hořčíku je 190 MPa, modul pružnosti je 4 500 MPa a poměrné prodloužení je 18 %. Kov má vysokou tlumicí schopnost (účinně absorbuje elastické vibrace), což mu zajišťujevynikající odolnost proti otřesům a snížená citlivost na rezonanční jevy.

Mezi další vlastnosti tohoto prvku patří dobrá tepelná vodivost, nízká schopnost absorbovat tepelné neutrony a interagovat s jaderným palivem. Díky kombinaci těchto vlastností je hořčík ideálním materiálem pro vytváření hermeticky uzavřených plášťů vysokoteplotních prvků jaderných reaktorů.

Hořčík se dobře leguje s různými kovy a je jedním ze silných redukčních činidel, bez kterých je metalotermický proces nemožný.

Ve své čisté formě se používá hlavně jako legovací přísada do slitin hliníku, titanu a některých dalších chemických prvků. V metalurgii železa se hořčík používá k hloubkovému odsíření oceli a litiny a vlastnosti litiny se zlepšují sféroidizací grafitu.

Horčík a legovací přísady

Nejběžnější legovací přísady používané ve slitinách na bázi hořčíku zahrnují prvky jako hliník, mangan a zinek. Prostřednictvím hliníku se zlepšuje struktura, zvyšuje se tekutost a pevnost materiálu. Zavedení zinku také umožňuje získat pevnější slitiny se zmenšenou velikostí zrna. Pomocí manganu nebo zirkonia se zvyšuje korozní odolnost slitin hořčíku.

Přísada zinku a zirkonia zajišťuje zvýšenou pevnost a tažnost kovových směsí. A přítomnost určitých vzácných zeminprvky, jako je neodym, cer, yttrium atd., přispívá k výraznému zvýšení tepelné odolnosti a maximalizaci mechanických vlastností hořčíkových slitin.

Pro vytvoření ultralehkých materiálů s hustotou 1,3 až 1,6 g/mᶟ se do slitin přidává lithium. Tato přísada umožňuje snížit jejich hmotnost na polovinu ve srovnání s hliníkovými kovovými směsmi. Jejich ukazatele plasticity, tekutosti, elasticity a vyrobitelnosti přitom dosahují vyšší úrovně.

Klasifikace slitin hořčíku

Slitiny hořčíku jsou klasifikovány podle řady kritérií. Toto je:

• podle způsobu zpracování - pro odlévání a deformovatelné;
• podle stupně citlivosti na tepelné zpracování - na nevytvrzené a vytvrzené tepelným zpracováním;
• podle vlastností a aplikací - pro žáruvzdorné, vysoce pevné a univerzální slitiny;
• podle legovacího systému - existuje několik skupin nekalitelných a tepelně tvrditelných tvářených hořčíkových slitin.

Slitiny na odlévání

Do této skupiny patří slitiny s přídavkem hořčíku, určené pro výrobu různých dílů a prvků tvarovým litím. Mají různé mechanické vlastnosti, podle toho se dělí do tří tříd:

• střední síla;
• vysoká pevnost;
• tepelně odolný.

Z hlediska chemického složení se slitiny také dělí do tří skupin:

• hliník + hořčík + zinek;
• hořčík + zinek + zirkonium;
• hořčík + vzácné zeminyprvky + zirkonium.

Odlévací vlastnosti slitin

Nejlepší odlévací vlastnosti mezi výrobky těchto tří skupin mají slitiny hliníku a hořčíku. Patří do třídy vysokopevnostních materiálů (až 220 MPa), proto jsou nejlepší volbou pro výrobu dílů motorů pro letadla, automobily a další zařízení pracující pod mechanickým a tepelným zatížením.

Pro zvýšení pevnostních charakteristik jsou slitiny hliníku a hořčíku legovány také dalšími prvky. Přítomnost železných a měděných nečistot je však nežádoucí, protože tyto prvky mají negativní vliv na svařitelnost a odolnost slitin proti korozi.

Lité hořčíkové slitiny se připravují v různých typech tavicích pecí: dozvukové pece, kelímkové pece s plynovým, olejovým nebo elektrickým ohřevem nebo kelímkové indukční pece.

Speciální tavidla a přísady se používají k zabránění spalování během tavení a odlévání. Odlitky se vyrábějí litím do pískových, sádrových a skořepinových forem, pod tlakem a za použití investičních modelů.

Tvářené slitiny

Ve srovnání s litými slitinami jsou tvářené hořčíkové slitiny pevnější, tažnější a houževnatější. Používají se k výrobě přířezů válcováním, lisováním a ražením. Jako tepelné zpracování výrobků se používá kalení při teplotě 350-410 stupňů s následným libovolným chlazením bez stárnutí.

Při zahřátíplastické vlastnosti těchto materiálů se zvyšují, proto se zpracování hořčíkových slitin provádí tlakem a při vysokých teplotách. Lisování se provádí při 280-480 stupních pod lisy pomocí uzavřených matric. Při válcování za studena se často provádí mezirekrystalizační žíhání.

Při svařování hořčíkových slitin může být pevnost švu produktu snížena v segmentech, kde bylo svařování provedeno, kvůli citlivosti těchto materiálů na přehřátí.

Oblasti použití slitin hořčíku

Různé polotovary - ingoty, desky, profily, plechy, výkovky atd. se vyrábějí litím, deformací a tepelným zpracováním slitin. Tyto přířezy se používají pro výrobu prvků a dílů moderních technických zařízení, kde hmotnostní účinnost konstrukcí (snížená hmotnost) hraje prioritní roli při zachování jejich pevnostních charakteristik. Ve srovnání s hliníkem je hořčík 1,5krát lehčí a 4,5krát lehčí než ocel.

V současné době je použití slitin hořčíku široce používáno v leteckém, automobilovém, vojenském a jiném průmyslu, kde je jejich vysoká cena (některé druhy obsahují poměrně drahé legovací prvky) z ekonomického hlediska ospravedlněna možnost vytvořit odolnější, rychlejší, výkonnější a bezpečnější zařízení, které může efektivně pracovat v extrémních podmínkách, včetně vystavení vysokým teplotám.

Vzhledem k jejich vysokému elektrickému potenciálu jsou tyto slitiny optimálním materiálem pro vytváření chráničů, které poskytují elektrochemickou ochranu ocelových konstrukcí, jako jsou automobilové díly, podzemní stavby, ropné plošiny, námořní plavidla atd., před korozními procesy pod vlivem vlhkosti, sladké a mořské vody.

Slitiny s přídavkem hořčíku byly také použity v různých radiotechnických systémech, kde se používají k výrobě zvukovodů pro ultrazvuková vedení ke zpoždění elektrických signálů.

Závěr

Moderní průmysl klade stále vyšší požadavky na materiály z hlediska jejich pevnosti, odolnosti proti opotřebení, odolnosti proti korozi a vyrobitelnosti. Využití slitin hořčíku je jednou z nejslibnějších oblastí, proto výzkum související s hledáním nových vlastností hořčíku a možností jeho aplikace neustává.

V současné době použití slitin na bázi hořčíku při vytváření různých dílů a konstrukcí umožňuje snížit jejich hmotnost téměř o 30 % a zvýšit pevnost v tahu až na 300 MPa, ale podle vědců to je daleko od limitu pro tento jedinečný kov.