Большая Советская Энциклопедия (МА)

Магниевые руды

Ма'гниевые ру'ды, природные минеральные образования, содержание магния в которых достаточно для экономически выгодного его извлечения. Этот элемент входит в состав более ста минералов, в том числе: брусита Mg (OH)₂ с содержанием Mg 41,7%; магнезита MgCO₃ (28,8% Mg); доломита MgCO₃ xCaCO₃ , (18,2% Mg); кизерита MgSO₄ xH₂ O (17,6% Mg); бишофита MgCl₂ x6H₂ O (12,0% Mg); лангбейнита 2MgSO₄ xK₂ SO₄ (11,7% Mg); эпсомита MgSO₄ x7H₂ O (9,9% Mg); каинита MgSO₄ xKCIx3H₂ O (9,8% Mg); карналлита MgCl₂ xKCIx6H₂ O (8,8% Mg); астраханита MgSO₄ xNa₂ SO₄ x4H₂ O (7,3% Mg); полигалита MgSO₄ x2CaSO₄ xK₂ SO₄ x2H₂ O (4,2% Mg).

Главнейшими М. р. являются месторождения ископаемых магнезиально-калийных солей. Крупные месторождения магнезита встречаются в метаморфизованных доломитах. При контактном метаморфизме магнезита возникают скопления брусита — наиболее высокомагнезиального сырья. В результате выщелачивания магнезиальных солей подземными водами образуются ископаемые природные рассолы и соляные источники. Современные соляные месторождения (рассолы и осадки) возникают в замкнутых заливах морей (например, Кара-Богаз-Гол) и в бессточных внутриматериковых впадинах (озера Баскунчак и Эльтон в СССР, Большое Солёное озеро в США). В качестве источника Mg непрерывно возрастает также роль морской воды (4% Mg в сухом остатке) с её стабильным составом и неограниченными ресурсами. В СССР располагаются крупнейшие бассейны магнезиально-калийных солей — Верхнекамский (пермского возраста) в Предуралье, Припятский (девонский) в Белоруссии, Калушское (неогеновое) месторождение в Предкарпатье и другие. За рубежом особенно известны пермские Штасфуртский соленосный бассейн (ФРГ и ГДР) и месторождения юга США. См. также Магний .

Лит.: Курс месторождений неметаллических полезных ископаемых, М., 1969; Требования промышленности к качеству минерального сырья, в. 22 — Кашкаров О. Д., Фивег М. П., Калийные и магнезиальные соли, М., 1963: Смолин П. П., Тенденции использования магнезиального сырья, в сборнике: Неметаллические полезные ископаемые, М., 1971.

П. П. Смолин.

Магниевые сплавы

Ма'гниевые спла'вы, сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний — металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии. Вследствие высокой химической активности магния выбор металлов, пригодных для легирования М. с., сравнительно невелик. М. с. разделяются на 2 основные группы: литейные — для производства фасонных отливок и деформируемые — для производства полуфабрикатов прессованием, прокаткой, ковкой и штамповкой.

Историческая справка. Первые М. с. появились в начале 20 века (под названием «электрон», теперь мало употребляемым). Значение конструкционных промышленных материалов М. с. приобрели в конце 20-х — начале 30-х годов 20 века, то есть почти через 100 лет после того как французский химик А. Бюсси впервые выделил магний в чистом виде (1828). До конца 40-х годов применялись главным образом сплавы на основе систем Mg — Al — Zn и Mg — Mn. Дальнейшему прогрессу в области создания М. с. способствовало открытие модифицирующего и рафинирующего действия циркония. В 50-х годах начали применяться сплавы на основе систем Mg — Zn — Zr, Mg — p. з. м. (редкоземельный металл) — Zr (или Mn), Mg — Th, а также сверхлёгкие сплавы на основе системы Mg — Li. Производство и потребление магния и М. с. возрастает. Мировое производство магния к началу 2-й мировой войны 1939—45 составило около 50 тысяч т, в 1969 ~ 2 млн. т, из них ~ 40—50% расходуется на производство отливок и деформированных полуфабрикатов.

Химический состав наиболее широко применяемых в СССР М. с. дан в таблице 1. В промышленных М. с. содержатся добавки Al, Zn, Mn, Zr и редкоземельных металлов (цериевый мишметалл, La, Nd, Y), Th, Ag, Cd, Li, Be и др. Общее количество добавок в наиболее легированных М. с. достигает 10—14%. Вредными примесями являются Ni, Fe, Si и Cu, которые снижают коррозионную стойкость М. с. В М. с. с Zr ограничивают содержание примесей Al и Si, так как в присутствии этих элементов Zr не растворяется в расплавленном магнии, образуя с ними тугоплавкие нерастворимые соединения. Растворимость циркония в магнии уменьшают также примеси Fe, Mn и Н. Малые количества Be (иногда Ca) используют в качестве технологических добавок для снижения окисляемости М. с. в расплавленном состоянии.

Таблица 1. – Химический состав и механические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов (1 Мн/м² = 0,1 кгс/мм² )

Тип сплава	Химический состав, %
основные компоненты	примеси, не более
Al	Zn	Mn	Zr	Nd	Al	Si	Fe	Ni	Cu	Mn	Be	Ca
Литейные сплавы
Mg – Al – Zn	8	0,5	0,2	–	–	–	0,25	0,06	0,01	0,1	–	0,002	0,1
	8	0,5	0,2	–	–	–	0,08	0,007	0,001	0,004	–	0,002	–
Mg – Zn – Zr	–	4,5	–	0,7	–	0,02	0,03	0,01	0,005	0,03	–	0,001	–
Mg – Nd – Zr	–	0,4	–	0,7	2,5	0,02	0,03	0,01	0,005	0,03	–	0,001	–
Деформируемые сплавы
Mg – Al – Zn	4	1	0,5	–	–	–	0,15	0,05	0,005	0,05	–	0,02	0,1
Mg – Zn – Zr	–	5,5	–	0,5	–	0,05	0,05	0,05	0,005	0,05	0,1	0,02	–

Тип сплава	Сумма определяемых примесей	Механические свойства при 20 °C	Вид термической обработки	Предельные рабочие температуры, °C	Назначение
Мн/м^2	s, %	длительно	Кратко времен- но
s0,2	sb
Литейные сплавы
Mg – Al – Zn	0,5	90	280	9	Закалка; закалка и старение	150	250	Сплав общего назначения
	0,14	90	280	9	То же	150	250	То же, имеет повышенную коррозионную стойкость
Mg – Zn – Zr	0,2	150	300	6	Отпуск	200	250	Нагруженные детали (барабаны колёс, реборды и др.)
Mg – Nd – Zr	0,2	150	280	5	Закалка и старение	250	350	Жаропрочный сплав. Нагруженные детали; детали, требующие высокой герметичности, стабильности размеров
Деформируемые сплавы
Mg – Al – Zn	0,3^1	180	290	100	Отжиг	150	200	Панели, штамповки сложной конструкции, сварные конструкции
Mg – Zn – Zr	0,3^1	250 – 300^2	310 – 350^2	100–140	Старение	100	150	Высоконагруженные детали из прессованных полуфабрикатов, штамповок и поковок

¹ Для деформируемых сплавов указано содержание прочих примесей.

² Максимальные значения – для пресcованных полуфабрикатов.

Физические свойства М. с. даны в таблице 2. М. с. являются самым лёгким металлическим конструкционным материалом. Плотность (d ) М. с. в зависимости от состава колеблется в пределах 1360—2000 кг/м³ . Наименьшую плотность имеют магний-литиевые сплавы. Плотность наиболее широко применяемых М. с. равна 1760—1810 кг/м³ , то есть примерно в 4 раза меньше плотности стали и в 1,5 раза меньше плотности алюминиевых сплавов. Благодаря малой плотности детали из М. с. обладают высокой жёсткостью: относительная жёсткость при изгибе двутавровых балок одинаковой массы и ширины для стали равна 1, для алюминия 8,9, для магния 18,9. М. с. имеют высокую удельную теплоёмкость. Температура поверхности детали из М. с. при одинаковом количестве поглощённого тепла в 2 раза ниже по сравнению с температурой детали из малоуглеродистой стали и на 15—20% ниже, чем детали из алюминиевого сплава. Коэффициент термического расширения М. с. в среднем на 10—15% больше, чем у алюминиевых сплавов.

Таблица 2. – Физические свойства наиболее широко применяемых в СССР магниевых сплавов

Тип сплава	Плотность, кг/м^3	Коэффициент линейного расширения при 20—100 °C a·10^6 , 1/°C	Коэффициент теплопроводности, вт/м·K	Удельная теплоёмкость, кдж/кг·K	Удельное электро- сопротивление r·10^6 , ом·см
Литейные сплавы
Mg – Al – Zn	1810	26,8	65	1,05	13,4
Mg – Zn – Zr	1810	26,2	134	0,98	6,6
Mg – Nd – Zr	1780	27,7	113	0,963	8,4
Деформируемые сплавы
Mg – Al – Zn	1790	26	83,8	1,05	12
Mg – Zn – Zr	1800	20,9	117	1,03	5,65

Механические свойства наиболее широко применяемых в СССР промышленных М. с. представлены в таблице 1. Максимальный уровень механических свойств литейных М. с. достигнут на высокопрочных сплавах системы Mg — Zn — Ag — Zr: предел текучести s_0,2 = 260—280 Мн/м² (26—28 кгс/мм² ), предел прочности s_b = 340—360 Мн/м² (34—36 кгс/мм² ), относительное удлинение d = 5%. Специальные технологические приёмы (например, подштамповка) позволяют увеличить s_b до 400—420 Мн/м² (40—42 кгс/мм² ). Уровень свойств самых высокопрочных деформируемых М. с.: s_0,2 = 350 Мн/м² (35 кгс/мм² ), s_b = 420 Мн/м² (42 кгс/мм² ), d = 5%. Предельная рабочая температура высокопрочных сплавов 150 °С. Самые жаропрочные М. с. (литейные и деформируемые) систем Mg — р. з. м. и Mg — Th пригодны для длительной эксплуатации при 300—350 °С и кратковременной — до 400 °С. По удельной прочности (s_b /d ) высокопрочные литейные М. с. имеют преимущества по сравнению с алюминиевыми сплавами, самые высокопрочные деформируемые находятся на одном уровне с наиболее высокопрочными деформируемыми алюминиевыми сплавами (или несколько уступают им). Модуль упругости М. с. равен 41—45 Гн/м² (4100—4500 кгс/мм² ) (³ /₅ модуля алюминиевых сплавов, ¹ /₅ модуля сталей), модуль сдвига составляет 16—16,5 Гн/м² (1600—1650 кгс/мм² ). При низких температурах модуль упругости, пределы текучести и прочности М. с. увеличиваются, а удлинение и ударная вязкость снижаются; резкого падения пластичности, характерного для низколегированных конструкционных сталей, у М. с. не наблюдается.

Технология. Вследствие большого сродства магния с кислородом при плавке М. с. в воздушной атмосфере поверхность расплавленного металла защищают слоем флюса; в качестве флюсов применяют различные смеси фтористых и хлористых солей щелочных и щёлочноземельных металлов. Чтобы избежать горения металла при литье, в состав формовочных земель вводят защитные присадки, кокили окрашивают специальными красками, в состав которых входит, например, борная кислота. Отливки получают всеми известными способами литья, в том числе литьём в песчаные, оболочковые, стержневые, гипсовые формы, литьём в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям, полужидкой штамповкой. Для получения качественных отливок литниковая система строится по принципу расширяющегося потока. При затвердевании М. с. дают большую усадку (1,1—1,5). Благодаря мелкозернистой структуре отливки из М. с. с цирконием имеют более однородные и высокие механические свойства, чем отливки из сплавов, легированных алюминием. Детали и узлы различных конструкций из деформируемых М. с. изготовляют механической обработкой, сваркой и клёпкой, объёмной и листовой штамповкой. При комнатной температуре технологическая пластичность М. с. низкая, что объясняется гексагональным строением кристаллической решётки магния (скольжение происходит по одной плоскости базиса). При высоких температурах (200—450 °С) возникает скольжение по дополнительным плоскостям и технологическая пластичность большинства сплавов становится высокой. Поэтому все операции обработки давлением М. с. проводятся в нагретом состоянии при малых скоростях деформации. Исключение составляют М. с. с 10—14% Li, которые имеют объёмно центрированную кубическую решётку и допускают обработку в холодном состоянии. При конструировании деталей из М. с. избегают острых надрезов и резких переходов сечений. Для соединения деталей применяют различные виды сварки, а также клёпку, пайку твёрдыми и мягкими припоями, склеивание. Сваркой исправляют дефекты литых деталей. Только сплавы с высоким содержанием цинка не подвергаются сварке. Большинство литых и деформированных полуфабрикатов из М. с. подвергается упрочняющей термической обработке (закалке, старению) или отжигу для снятия внутренних напряжений (литейных, сварочных и других). М. с. легко обрабатываются резанием — вдвое быстрее, чем алюминиевые сплавы, и в 10 раз быстрее, чем углеродистые стали. При работе с М. с. следует соблюдать правила пожарной безопасности.