Магний и его сплавы

Введение

Название «магнезия» встречается уже в III веке н.э., хотя не вполне ясно, какое вещество оно обозначает. Долгое время магнезит - карбонат магния - ошибочно отождествляли с известняком - карбонатом кальция. Слово магнезия происходит от названия одного из Греческих городов - Магнесии. До XVIII века соединения магния считали разновидностями кальциевых или натриевых солей. Открытию магния способствовало изучение состава минеральных вод. В 1695 году английский врач Крю сообщил, что им выделена из воды эпсомского минерального источника соль, обладающая лечебными свойствами, и вскоре был доказан её индивидуальный характер. Затем стали известны и другие соединения магния. Карбонат магния получил название "белая магнезия", в отличие от «чёрной магнезии» - оксида марганца. Отсюда и созвучие названий металлов, выделенных впоследствии из этих соединений.Впервые магний был получен Деви (XIX в.) из окиси магния. Бюсси, Либих, Девильс, Карон и др получали магний действием паров калия или натрия на хлористый магний.

В 1808 г. английский химик Г. Деви электролизом увлажнённой смеси магнезии и оксида ртути получил амальгаму неизвестного металла, которому и дал название "магнезии", сохранившееся до сих пор во многих странах. В России с 1831 года принято название "магний". В 1829 г. Французский химик А. Бюсси получил магний, восстанавливая его расплавленный хлорид калием. Следующий шаг к промышленному получению сделал М. Фарадей. В 1830 г. он впервые получил магний электролизом расплавленного хлористого магния.

Промышленное производство магния электролитическим способом предпринято в Германии в конце XIX в. Перед второй мировой войной началось освоение термических способов получения магния.

В настоящее время наряду с развитием электролитического способа совершенствуются силикотермический и карботермический способы получения магния. На первой стадии развития магниевой промышленности в качестве сырья применяли хлористые соли карналлит, природные рассолы, хлоромагниевые щёлочи калийной промышленности.                        

Сейчас наряду с хлористыми солями широко используют доломит и магнезит. Большой интерес представляет применение в качестве сырья для производства магния из морской воды. В России электролитический метод получения магния впервые разработал П.П. Федотьев в 1914 г. в Петроградском политехническом институте. В 1931 г. в Ленинграде вступил в строй первый опытный магниевый завод. Промышленное производство магния в СССР начато в 1935 г.

Свойства магния.

1. Физические свойства магния. Магний - серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. Почти в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа; даже алюминий в 1,5 раза тяжелее магния.

Плавится магний при темпратуре 651 оС, но в обычных усло­виях расплавить его довольно трудно: нагретый на воздухе до 550 оС он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. По­лоску магниевой фольги легко поджечь обыкновенной спичкой, а в атмос­фере хлора магний самовозгорается даже при комнатной температуре.

При горении магния выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла - чтобы нагреть стакан ледяной воды до кипения, нужно сжечь все­го 4 г магния.

Магний расположен в главной подгрупп второй группы периодической сис­темы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер его - 12, атомный вес - 24,312. Электронная конфигурация атома магния в невозбужденном сос­тоянии 1S22S2P63S2; валентными являются электроны наружного слоя, в соответствии с этим магний проявляет валентность II. В тесной связи со строением электронных оболочек атома магния находится его реакционная способность. Из-за наличия на внешней оболочке только двух электронов атом магния склонен легко отдавать их для получения устойчивой восьми­электронной конфигурации; поэтому магний в химическом отношении очень активен.

На воздухе магний окисляется, но образующаяся при этом окисная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. Нормальный электронный потенциал магния в кислой среде равен -2,37в, в щелочной - 2,69в. В разбавленных кислотах магний растворяется уже на холоде. Во фтористо­водородной кислоте нерастворим вследствие образования пленки из труд­норастворимого в воде фторида MgF2; в концентрированной серной кислоте почти нерастворим. Магний легко растворяется при действии растворов солей аммония. Растворы щелочей на него не действуют. Магний поступает в лаборатории в виде порошка или лент. Если поджечь магниевю ленту, то она быстро сгорает с ослепительной вспышкой, развивая высокую темпера­туру. Магниевые вспышки применяют в фотографии, в изготовлении освети­тельных ракет. Температура кипения магния 1107 оС, плотность = 1,74 г/см3, радиус атома 1,60 НМ.

2. Химические свойства магния. Химические свойства магния довольно своеобразны. Он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов, не боится едких щелочей, со­ды, керосина, бензина и минеральных масел. С холодной водой магний почти не взаимодействует, но при нагревании разлагает ее с выделением водорода. В этом отношении он занимает промежуточное положение между бериллием, который вообще с водой не реагирует и кальцием, легко с ней взаимодействующим. Особенно интенсивно идет реакция с водяным паром, нагретым выше 380 оС:

Mg0(тв)+H2+O(газ) Mg+2O(тв)+H20 (газ).Поскольку продуктом этой реакции является водород ясно, что тушение горящего магния водой недопустимо: может произойти образование гремучей смеси водорода с кислородом и взрыв. Нельзя потушить горящий магний и углекислым газом: магний восстанавливает его до свободного углерода -4е

2Mg0 + C+4O2 2Mg+2O+C0,

Прекратить к горящему магнию доступ кислорода можно засыпав его пес­ком, хотя и с оксидом кремния (IV) магний взаимодействует, но со зна­чительно меньшим выделением теплоты:

2Mg0 + Si+4O2=2Mg+2O+Si0

этим и определяется возможность использования песка для тушения крем­ния. Опасность возгорания магния при интенсивном нагреве одна из при­чин, по которым его использование как технического материала ограниче­на.                                                                             

Большое сродство магния к хлору позволило создать новое металлургичес­кое производство - "магниетермию" - получение металлов в результате реакции

MeCln+0,5nMg=Me+0,5nMgCl2

этим методом получают металлы, играющие очень важную роль в современ­ной технике - цирконий, хром, торий, бериллий. Легкий и прочный "ме­талл космической эры" - титан практически весь получают таким способом.                                                                                                   

Сущность производства сводится к следующему: при получении металли­ческого магния электролизом расплава хлорида магния в качестве побоч­ного продукта образуется хлор. Этот хлор используют для получения хло­рида титана (IV) TiCl4, который магнием восстанавливается до металли­ческого титана

                       Классификация магниевых сплавов.

Химический состав основных отечественных магниевых сплавов приведен в таблице. Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по способу производства из них полуфабрикаты и изделий разделяют на 2 основные группы:                    

А) Деформируемые - для производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением;

Б) Литейные - для получения детали методами фасонного литья.                                                                

Деформируемые и литейные магниевые сплавы маркируют соответственно буквами МА и МЛ.

По плотности магниевые сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21,МА18), а к легким - все остальные. Сплавы магния с литием (МА21,МА18) - самые легкие конструкционные металлические материалы.                                         

При классификации по возможным температура эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:                                     

1) Предназначены для работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);                                                                                        

2) Жаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 200°С);                                                                        

3) Высокожаропрочные (для длительной эксплуатации при температурах до 250 - 300°С)                                             

4) Предназначены для эксплуатации при криогенных температурах.    

Различают термические упрочняемые термически неупрочняемые сплавы.        

Магниевые сплавы разделяются так же а группы в зависимости от той системы, к которой они относятся по своему химическому составу.                  

По основным легирующим элементам магниевые сплавы подразделяются на несколько групп.

1) Относят сплав, в которых основным легирующим элементом является марганец.Марганец образует с магнием соединения и выделяется в нем в чистом виде. С понижением температуры растворимость марганца а магнии резко уменьшается и составляет 0,8% при 500°С, при 200°С она практически равна нулю.Тем не менее сплавы системы Mg-Mn, как и сплавы Al-Mn термической обработкой не упрочняются.                                               

Основная цель легирования магния марганцем - улучшить коррозийную стойкость и свариваемость.Повышение коррозийной стойкости магния при введении в него марганца объясняется образованием соединения марганца с железом, которое обладает большейплотностью и оседает на дно тигля, очищая основную массу расплава от железа. Двойной сплав системы Mg-Mn (MA1) в настоящее время почти не производят. большее распространение получил сплав МА8, легированный, помимо марганца, небольшим добавлением церия. Для обеспечения достаточно высокой корроионной стойкостьи марганца необходимо вводить в конценрациях не мение 1,3% (по массе). Структура сплава МА8 представлена твердым раствором марганца в магнии, выделением чистого марганца и соединением Mg9Ce, которое в структуре сплава при световых увеличениях не обнаруживается из-за его выскокой дисперсности.                                  

Введение церия в сплав МА8 приводт к повышению временного сопротивления разрыву предела текучести, относительно удлинения, обрабатываемости в холодном состоянии. Улучшение свойств сплавов Mg-Mn при введении церия связанно в основном с образованием дисперсных выделений соединений Mg9Ce и измельчением вследствие этого зерна. Сплав МА8 отличается высокой технологической пластичностью, средней прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей, свариваемостью. Из него получается плиты, листы, штамповки, профили и трубы. Сплав не упрочняется термической обработкой, и полуфабрикаты из него поставляются в основном в отожженном состоянии. Сплав предназначен для изготовления несильно нагруженных деталей, в процессе производства которых требуется хорошие пластичность и свариваемость, а в эксплуатации высокая коррозионная стойкость, в частности арматуры бензо- и маслосистем.                         

2) Деформируемых магниевых сплавов относятся к системе Mg-Al-Zn-Mn. Алюминий цинк обладает высокой растворимостью в магнии, которая достигает 12,6% Al и 8,4% Zn (в двойных системах Mg-Al и Mg-Zn соответственно). Высокая растворимость алюбминия и цинка в магнии сохраняется и для тройной системы Mg-Al-Zn. Растворяясь в магнии, алюминий и цинк обеспечивают достаточно большой эффект упрочнения. С понижением температуры растворимость алюминия и цинка в магнии уменьшается, так что сплавы системы Mg-Al-Zn упрочняются при закалке и старении. Этот эффект наблюдается в сплавах, содержащих более 8% Al. Упрочнение при старении обусловлено выделением упрочняющих фаз г (Mg4Al3) и Т (Mg3Zn3Al2).                                                                                   

3) Деформируемых магниевых сплавов (МА14,МА15,МА19,МА20) принадлежит в системе Mg-Zn-Zr. Сплавы этой группы отличаются высоким механическими свойствами, что обусловлено упрочняющим действием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Цирконий не образует соединения с магнием, но обладает высокой химической активностью по отношению в легирующим элементам магниевых сплавов, примесями и газам. При введении циркония образуются тугоплаквие, нерастворимые в жидком магнии интерметаллиды Zn2Fe3 и ZnFe, оседающие на дно расплава, а в результате чего металл очищается от вредной примеси - железа. Помимо этого, цирконий связывает водород и с тем самым препятствует развитию пористости. Оставшийся в растворе цирконий взаимодействует с магнием по перитектической реакции, в результате чего образуется обогащенные цирконием кристаллы, которые обеспечивают увеличение числа центров кристаллизации. Области, обогащенные цирконием, препятствуют так же росту зерна при рекристаллизации.

Цирконий повышает прочность, пластичность и коррозионную стойкость магниевых сплавов. Однако введение циркония в магниевые сплавы связанно с большими технологическими трудностями из- за малой растворимости циркония в жидком магнии.                                                                                    

Сплавы этой группы дополнительно легируют кадмием и редкоземельными элементами. Кадмий, неограниченно растворяющийся в магнии, повышает технологическую пластичность сплавов, их прочностные и пластические свойства. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных температурах.                                                                                                  4) Представлена магниевыми сплавами, в которых главными легирующими элементами являются редкоземельные металлы. К сплавам рассматриваемой группы МА11 и МА12. Основной легирующий элемент этих сплавах - неодим (2,5-3,5 %), причем сплав МА11 дополнительно легирован марганцем и никелем, в сплав МА12 - цирконием. Неодим обеспечивает высокую жаропрочность, которая обусловлена достаточной стабильностью твердого раствора и небольшой скоростью коагуляции упрочняющей фазы Mg9Nd при температурах эксплуатации. Растворимость фазы Mg9Nd в магнии в интервале 150-300°С невелика и почти не зависит от температуры, что существенно ограничивает коагуляцию выделений этой фазы.

               Область применения в городском хозяйстве.

Магний применяют в виде металлических пластин при защите от коррозии морских судов и трубопроводов. Защитное действие магниевого «протектора» связано с тем, что из стальной конструкции и магниевого протектора (магний стоит в электрохимическом ряду напряжений левее, чем железо) создаётся электрическая цепь. Происходит разрушение магниевого протектора; основная же стальная часть конструкции при этом сохраняется. В металлургии магний используют как «раскислитель» – вещество, связывающее вредные примеси в расплаве железа. Добавка 0,5% магния в чугун сильно повышает ковкость чугуна и его сопротивление на разрыв. Используют магний и при изготовлении некоторых гальванических элементов.                                                                                                   

Сплавы магния играют в технике очень важную роль. Существует целое семейство магниевых сплавов с общим названием «электрон». Основу их составляет магний в сочетании с алюминием (10%), цинком (до 5%), марганцем (1-2%). Малые добавки других металлов придают «электрону» различные ценные свойства. Но главным свойством всех видов «электронов» является их лёгкость (1,8 г/см3) и прекрасные механические свойства. Их используют в тех отраслях техники, где особенно высоко ценится лёгкость: в самолёто- и ракетостроении. В последние годы созданы новые устойчивые на воздухе магниево-литиевые сплавы с совсем малой плотностью (1,35 г/см3). Их использование в технике очень перспективно. Среди кислородных соединений Mg нужно отметить оксид магния MgO, называемый также жжёной магнезией. Он применяется в изготовлении огнеупорных кирпичей, т.к. температура его плавления 2800оС. Жжёная магнезия используется и в медицинской практике.                             

Интерес к магнию и сплавам на его основе обусловлен, с одной стороны, сочетанием важных для практического использования свойств, а с другой стороны, большими сырьевыми ресурсами магния. Велика сфера использования магния и магниевых сплавов со специальными химическими свойствами, например в источниках тока и для протекторов при защите стальных сооружений от коррозии.                                       

Конструкционные магниевые сплавы – это лишь одна, причём не самая большая по объёму область применения магния. Магний широко используется как химический реагент во многих металлургических процессах. В частности, он применяется в чёрной металлургии для обработки чугуна с целью десульфурации. В общем в последние годы имеется тенденция к расширению применения магния в качестве химического реагента. Значительное количество магния используется для получения титана, и надо искать пути повышения эффективности применения его в этих целях. Проявляется также значительный интерес к магнию и сплавам на его основе как аккумуляторам водорода.

 

                                 Основные конкуренты.

 

Основное преимущество металлического магния – его легкость (магний – самый легкий из конструкционных металлов). Технически чистый магний обладает невысокой механической прочностью, однако введение в него в небольшом количестве других элементов (алюминия, цинка, марганца) может значительно улучшить его механические свойства почти без увеличения удельного веса. На основе этих свойств магния был создан знаменитый сплав “Электрон”, содержащий, помимо магния, 6% алюминия, 1% цинка и 0,5% марганца. (В настоящее время под техническим названием “электрон” понимаются вообще все сплавы, в которых магний является главной составной частью). Плотность этого сплава – 1,8 г/см3; прочность на разрыв – до 32 кГ/мм2; твердость по Бринелю – 40–55 кГ/мм2. Этот, а также многие другие сплавы на основе магния широко применялись в авиа- и автостроении. В последнее время, однако, оказалось, что эти сплавы резко изменяют свои механические свойства при повышении температуры, и они были признаны непригодными. В результате было создано множество новых сплавов, отличавшихся значительно лучшими механическими и антикоррозийными свойствами, а также повышенной жаропрочностью и способностью сохранять свои прочностные характеристики при повышении температуры. В эти сплавы вводились небольшие добавки различных элементов – циркония, тория, цинка, серебра, меди, бериллия, титана и других. Подобного рода сплавы нашли широкое применение в авиации и ракетостроении.

Основными конкурентами Магния являются: Серебро (Ag), Никель (Ni), Хром (Сг), Сурьма(Sb), Свинец (РЬ), Олово (Sn), Титан (Те).

           Сравнительный анализ Магния с другими металлами.

Название металла

Краткое описание

Сво-во металла

Применение

 
 

Серебро Ag

благородный металл белого цвета с синеватым оттенком. Температура плавления 960 °С

Теплопроводность у серебра высочайшая среди металлов. На воздухе и во влажной среде серебро не окисляется. Хорошо растворяется в подогретых серной или азотной кислотах.

Серебро широко используют в ювелирном производстве для примесей к золоту , а также приготовления фотографических материалов, припоев и т.п.

 

Никель (Ni)

серебристо-белый цветной металл. Имеет желтоватый оттенок

Температура плавления 1455 °С. На воздухе и во влажной среде не окисляется и за этими свойствами приближается к благородным металлам. Концентрированные серная и соляная кислоты действуют на никель слабо.

Используют никель для защитного и декоративного покрытия металлов (никелирование), а также для приготовления нержавеющий сталей. Сплав никеля с хромом называют нихромом. Из него изготовляют спирали электронагревательных приборов.

 
 
 
 
 

Хром (Сг)

блестящий цветной металл с синеватым оттенком, за удельным весом близкий к железу. Он довольно твердый (на единицу меньше от алмаза), тем не менее, хрупкий.

Он довольно твердый, тем не менее, хрупкий. Температура плавления 1910 °С. Стойкий против окисления в атмосфере и в воде. Азотная кислота его не растворяют. В растворах соляной и серной кислот растворяется постепенно, но более активно в крепкой соляной кислоте. Хром довольно крепкий против стирания.

В чистом виде хром широко используют для декоративного и антикоррозийного покрытия других металлов .В промышленности хром широко используют для изготовления легированных хромистых сталей высокой прочности.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сурьма (Sb)

металл серебристо-белого цвета с голубоватым оттенком, хрупкий.

Плавится при температуре 630 °С, но при добавлении к другим металлам уменьшает температуру их плавления. Особенностью сурьмы является то, что в сплавах с мягкими металлами (оловом, свинцом и т.п.) она прибавляет им твердости.

Сурьма входит в состав баббитов (антифрикционный сплав для подшипников скольжения) и печатного сплава (сурьма - 3 части за массой, олово - 12, медь - 2), из которого отливают шрифты, матрицы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Свинец (РЬ)

тяжелый, мягкий, синевато-серого цвета, блестящий металл

Свинец стойкий против соляной и серной кислоты. Азотная и плавиковая кислоты хорошо его растворяют.Он очень пластичный, стойкий против влаги и агрессивных сред грунта

свинец используют для приготовления припоев в сплаве с оловом и другими легкоплавкими металлами.В чистом виде его используют для защиты кабелей, которые укладывают в землю, для уплотнения соединений чугунных труб. Из него также отливают рыбацкие грузила

 
 
 
 

Олово (Sn)

тяжелый мягкий цветной металл серебристого цвета

температура плавления 232°С. В чистом виде олово не окисляется, стойкое против действия пищевых кислот. Пруток чистого олова при изгибании хрустит, так как происходит разрыв кристаллов.Если олово хранится при температуре ниже -13 °С, оно постепенно превращается в серый порошок. Такое явление называют «оловянной чумой».

Используют олово в чистом виде для паяния или приготовления разных припоев

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Титан (Те)

лёгкий металл серебристо-белого цвета.

имеет высшую температуру плавления, низкую теплопроводность и плохие антифрикционные свойства, но легко куется и штампуется. При нагревании до 500 °С на воздухе он не окисляется, а при высшей температуре на его поверхности образовывается крепкая защитная пленка.

Поэтому из титана и его сплавов изготовляют обшивку сверхзвуковых самолетов, компрессоры реактивных двигателей, в турбо-строении - лопате и диски турбин и т.п.Из листового титана можно изготовить (с применением аргонового сваривания) легкие глушители для автомобилей, которые не ржавеют и не прогорают.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

                       Список используемой литературы:

1. http://www.znaytovar.ru/s/Svojstva-metallov-i-splavov.html

2. http://www.m-renessans.ru/materiali-dlya-izgotovleniya-setok/materiali-s...

3. Материаловедение: Учебник для вузов. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. ХИМИЗДАТ, 2007г.

4. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1986

5. Тихонов В.Н. Аналитическая химия магния. М.: Наук