3

17.        MAGNEZ l JEGO STOPY

17.1.           Właściwości i zastosowanie magnezu

Magnez jest metalem barwy srebrzystoszarej. Spośród stosowanych w technice metali ma on najmniejszy ciężar właściwy wynoszący 17,1 kN/mg3 i dlatego stopy na osnowie magnezu noszą nazwę stopów ekstralekkich (ultralekkich). Odmian alotropowych mag­nez nie ma. Właściwości mechaniczne magnezu nie są dobre. Magnez w stanie lanym ma następujące właściwości mechaniczne:

wytrzymałość na rozciąganie              Rm = 80 ÷ 120 MPa,

granica plastyczności                            Re = 20 MPa,

wydłużenie                                          A5 = 4 ÷ 6%,

twardość                                          HB = 30.

W normalnych temperaturach magnez jest kruchy i daje się przerabiać plastycznie dopiero powyżej 220°C. Magnez wykazuje małą odporność na działanie wielu czynników chemicznych. W kwasach nieorganicznych rozpuszcza się łatwo, natomiast wobec ługów zachowuje się obojętnie. Magnez należy do metali chemicznie najbardziej aktywnych i ma duże ciepło spalania. Na powietrzu magnez pokrywa się warstewką tlenku, który nadaje mu brzydki kolor. Warstewka ta chroni go przed dalszą korozją, jeśli w atmosferze nie ma soli chlorowych. W ich obecności, np. w pobliżu morza, tworzą się rozpuszczalne chlorki magnezu, które stale odsłaniają metal, powodując przenikanie korozji w głąb. Woda podgrzana do 100°C w obecności magnezu ulega rozkładowi, powodując utlenianie magnezu. W wysokich temperaturach przebieg tej reakcji jest burzliwy, gdyż wydzielający się w wyniku rozkładu wodór spala się w sposób wybuchowy. Z tego względu gaszenie palącego magnezu wodą jest niedopuszczalne. Zapalność magnezu zależy od jego stanu fizycznego. Magnez w większych kawałkach, w postaci gotowych przedmiotów, złomu, blach jest zupełnie niepalny (ażeby go zapalić, trzeba magnez najpierw przynajmniej częściowo stopić). Można natomiast zapalić magnez będący w postaci opiłków, wiórków, taśmy lub proszku; ciepło doprowadzone do jednej małej cząsteczki metalu powoduje jej stopienie. Raz podpalone wiórki palą się aż do całkowitego spłonięcia materiału, przy czym ewentualna obecność wilgoci przyspiesza eksplozywne palenie się magnezu.

Zastosowanie czystego magnezu nie jest duże. Dzięki swemu dużemu ciepłu spalania i jasnemu płomieniowi znalazł magnez zastosowaniu do produkcji sztucznego światła, materiałów wybuchowych i zapalających, w redukcji termotechnicznej oraz jako odtleniacz w metalurgii wielu metali. Główne zastosowanie znajduje jednak magnez w postaci stopów. Gatunki magnezu hutniczego wraz z zastosowaniem według PN‑79/H-82161 podano w tabl. 17.1.

Tablica 17.1 Gatunki hutniczego magnezu wg PN-79/H-82161

17.2.           Stopy magnezu

Przez stopienie magnezu z niektórymi składnikami otrzymuje się tworzywo o znacz­nie wyższych w porównaniu z czystym metalem właściwościach wytrzymałościowych, a nawet odporne na korozję. Zasadniczymi dodatkami w stopach magnezu są alumi­nium, mangan i cynk. Aluminium podwyższa właściwości mechaniczne stopów magnezu; największą wytrzymałość, jak to z rys. 17.1 wynika, ma stop o zawartości około 5% Al, a największe wydłużenie stop o zawartości 6% Al. Podobny wpływ jak aluminium wywiera cynk, przy czym najlepsze właściwości wykazuje stop o zawartości 5% cynku.

Rys. 17.1. Wpływ aluminium na właściwości mecha­niczne magnezu (wg K. Wesołowskiego)

Mangan także podwyższa właściwości mechaniczne magnezu i zwiększa równocześnie jego odporność na korozję. Rozpuszczalność wymienionych składników w magnezie zmniejsza się z obniżeniem temperatury, co umożliwia obróbkę cieplną stopów magnezu na drodze utwardzania dyspersyjnego. Polega ono na wygrzewaniu w temperaturze 345 ÷ 420°C przez 16 ÷20 h z następnym chłodzeniem na powietrzu, w czasie którego następuje przesycenie składnikami stopowymi. Następnie przeprowadza się starzenie w temperaturze 150 ÷ 200°C w ciągu 12 h, powodując podwyższenie właściwości wy­trzymałościowych przy nieznacznym zmniejszeniu wydłużenia. Należy jednak zaznaczyć, że obróbka cieplna stopów magnezu nie daje tak znacznej zmiany właściwości mechani­cznych, jak to było w stopach aluminium, i dlatego ma ona w przypadku stopów magnezu znacznie mniejsze znaczenie. Najważniejszą grupę wśród stopów magnezu stanowią stopy Mg-Al-Zn noszące nazwę elektronów.

Podobnie jak stopy aluminium stopy magnezu dzieli się ze względu na obróbkę technologiczną, której podlegają, na:

1)              stopy odlewnicze (PN-88/H-88050),

2)              stopy przerabialne plastycznie.

Zarówno stopy odlewnicze, jak i stopy przerabialne plastycznie mogą być stosowane w stanie obrobionym cieplnie, jak też i bez obróbki cieplnej. Znakowanie stopów magnezu jest zgodne z ogólnymi zasadami znakowania stopów metali nieżelaznych, np. stop o znaku MgAl3ZnMn zawiera poza magnezem 3% aluminium, 1% cynku i 0,3% manganu.

Ze względu na swój mały ciężar właściwy wynoszący około 17,65 kN/m3 stopy magnezu zarówno odlewnicze, jak i przerabialne plastycznie są stosowane wszędzie tam, gdzie istotny jest bardzo mały ciężar właściwy konstrukcji, a więc w budowie samo­chodów, samolotów, taboru kolejowego. Stop magnezu z manganem, dający się ładnie barwić, stosowany jest do wyrobu różnych drobnych przedmiotów, gdy ważny jest ich estetyczny wygląd.

Stopy odlewnicze magnezu. Stopy odlewnicze magnezu zawierają aluminium, cynk i mangan, przy czym przy zawartości powyżej 6% Al stopy te mogą być utwardzane dyspersyjnie. Właściwości stopu MgAll0ZnMn w różnych stanach obróbki cieplnej podano w tabl. 17.2.

Tablica   17.2 Właściwości stopu MgAllOZnMn w różnych stanach obróbki cieplnej

Stopy magnezu przerabialne plastycznie. Stopy magnezu przerabialne plastycznie należą zwykle do stopów czteroskładnikowych, zawierających aluminium, cynk i man­gan. Zawartość aluminium w tych stopach jest mniejsza niż w stopach odlewniczych i wynosi maksymalnie około 9%. Zależnie od rodzaju stopu przeróbkę plastyczną przeprowadza się za pomocą prasowania w temperaturze 250 ÷ 420°C lub walcowania w temperaturze 280 ÷ 350°C, przy czym podgrzewa się nie tylko sam materiał, ale także i narzędzia służące do jego odkształcania, aby zapobiec powstawaniu pęknięć. Stopy te wykazują także dobrą podatność do obróbki skrawaniem. Właściwości mechaniczne przerabialnych plastycznie stopów magnezu są następujące:

wytrzymałość na rozciąganie              Rm = 200 ÷ 320 MPa,

wydłużenie                                          A5 = 12 ÷ M 3 %,

twardość                                          HB = 40 ÷ 55.

Właściwości te są prawie niezmienne w zakresie do 100°C.