materijali 3 laki metali magnezij

SVEUČILIŠTE U SPLITU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE, STROJARSTVA

I BRODOGRADNJEZavod za strojarsku tehnologiju

Šk. god. 2012/2013.zimski semestar

MAGNEZIJ I NJEGOVE LEGURE

Dr.sc. Igor Duplančić, red. prof.Dr.sc. Nikša Krnić, izv. prof.

SADRŽAJ PREDAVANJA

UVODGRAĐA I SVOJSTVA MAGNEZIJALEGURE MAGNEZIJAOBRADA MAGNEZIJA ODVAJANJEM ČESTICASPAJANJE LEGURA MAGNEZIJAPRIMJENA MAGNEZIJAZAŠTITA MAGNEZIJA OD KOROZIJECIJENA

Magnezij je srebrenasto bijeli metal čija su izvorišta gotovo neograničena.

On je osmi najčešći element na svijetu a šesti je korišteni metal.

Količinski se nalazi na trećem mjestu u zemljinoj kori (oko 2,5%, odmah iza aluminija i željeza) ali ne kao samostalni metal.

UVOD

Prvi je put ga je izolirao engleski znanstvenik Humphrey Davy 1808. godine.

Bunsen ga je 1852. izdvojio kao metal elektrolizom iz magnezijevog klorida kojeg sadrži morska voda oko 0,13%.

Komercijalna primjena elektrolitičkim putem dobivenog magnezija započeta je 1909. godine u Njemačkoj. Od 1920. se koristi u komercijalnim količinama kao konstrukcijski materijal.

Morska voda kao izvor magnezija

Magnezij ima heksagonsku rešetku što ga čini krtim na sobnoj temperaturi i zato ga se obrađuje pri temperaturi iznad 220 oC.

Model rešetke kompaktnog heksagona

GRAĐA I SVOJSTVA MAGNEZIJA

Ima veliki afinitet prema kisiku pri čemu se razvija toplina. Na suhom zraku je stabilan, a na vlažnom zraku se raspada.

Raspada se također i na morskoj atmosferi. Reagira u hidroklornoj kiselini HCl pri čemu stvara toplinu.

Binarni dijagram slijevanja Al - Mg

Al 10 20 30 40 50 60 70 80 90 M gM agnezij, težinski %

100

200

300

400

500

600

C

10 20 30 40 50 60 70 80 90

M agnezij, atomski %

1200

1000

800

600

400

649 C

437 C

87.3

462 C451 CAl14.9

Mg

Al

T

M g

F

Mg

Al 4

3

Mg

Al

23

17

12

x

Osnovna fizikalna svojstva magnezija

Za četvrtinu je lakši od čelika i za trećinu od aluminija.

E = 44,8 GPa; = 0,35; Re = 80 – 280 MPa; Rm = 152 -379 MPa; A5 = 5 - 15%; = 26,1×10-6/K.

Paramagnetičan je i dobro prigušuje vibracije.

A-aluminij; B-bizmut; C-bakar; D-kadmij; E-zemlja (cerij); F- željezo; H-Torij; J-fosfor; K-zirkonij; L-berilij; M-mangan; N-nikal; P-olovo; Q-srebro; R-krom; S-silicij; T-kositar; V-arsen; W-sumpor i Z-cink.

Sustav označavanja magnezija i njegovih legura prema ASTM i SAE. Jedno ili dva slova označavaju glavni legirni element:

Dva ili tri broja koja označavaju postotak glavnog legirnog elementa.

F - proizvedeno; O - omekšano; H10; H11 - očvrsnuto hladnom deformacijom; H23; H24, H26 - otvrdnuto deformacijom i žareno; T4 - umjetno dozrijevano; T6 - očvrsnuto rastopnim žarenjem i gašenjem i umjetno

dozrijevano; T8 - očvrsnuto rastopnim žarenjem i gašenjem, hladno

deformirano i umjetno dozrijevano

Stanje materijala označeno je sa istim simbolima koji se koriste za legure aluminija:

Primjeri:

AZ91C-T6 označava da je glavni legirni element aluminij (Al 9%) i cink (Z 1%). Slovo C, je treće slovo abecede i označava da je to treća legura po standardu nakon A i B koje su prva i druga legura po standardu. T6 označava da je ta legura toplinski očvrsnuta i umjetno starena

Legura magnezija sa Zn i nešto Zr prema ASTM standardu ima oznaku ZE41A, prema ISO standardu MgZn4REZr a prema EN normama EN MB 35110230

LEGURE MAGNEZIJA

Legure za lijevanje

Legure magnezija se mogu dobiti u lijevanom obliku kao odljevci ili gnječenom obliku kao šipke, profili, otkovci te valjani limovi i ploče.

Odljevci složenih oblika rade se i postupcima lijevanja u pijesku i u trajnim kalupima.

Koriste se tri glavne grupe legura magnezija namjenjenih lijevanju u pijesku a razlikuju se ovisno o temperaturnom području njihove upotrebe.

Za vrlo široke primjene koriste se legure magnezija kojima su glavni legirni elementi Zn i elementi iz zemljine kore, Zr i drugi

U proizvodnoj praksi se ipak najviše koristi postupak tlačnog lijeva kojim se izrađuju odljevci visoke kvalitete i korozijske otpornosti najviše za automobilsku i avio industriju.

Kućište pumpe izrađeno iz magnezija postupkom tlačnog lijeva

Tipični predstavnici za ove namjene su legure sa Al i Zn te Al i Mn do ukupno 10%.

Legure za lijevanje sa AL se očvršćavaju otapanjem do 10% čestica Al (eutektički sastav sa oko 32% Al je toliko tvrd pa je nije praktičan za upotrebu).

Legura AZ31B - H24 se isporučuje u stanju postignutom hladnom deformacijom i žarenjem u obliku o limovima.

Po svojstvima oblikovljivosti i svojstvima nakon deformiranja može se usporediti sa legurom aluminija AA5083 koja se uvelike koristi u automobilskoj i transpornoj industriji.

Postrojenja za preradu magnezijevih legura valjanjem i istiskivanjem

OBRADA MAGNEZIJA ODVAJANJEM ČESTICA

Magnezij spada u vrlo obradive materijale.

Magnezij pri rezanju naglo oksidira pa je piroforičan i postaje opasan kod rezanja ili brušenja.

Strojna obrada magnezija je relativno ograničena brzinom i snagom stroja više nego alatom. U pravilu se provodi i do deset puta većom brzinom nego obrada čelika i do dva puta brže nego aluminija.

Za strojnu obradu preporuča se korištenje karbidnih alata.

Odvojene čestice se moraju odstranjivati brzo jer može doći do samozapaljenja.

Magnezij brzo odvodi toplinu sa oštrice noža ali samo dok je nož oštar.

Strojna obrada se najčešće provodi bez tekućeg rashladnog sredstva najčešće suhim zrakom.

Ukoliko je hlađenje tekućinom nužno preporuča se koristi fluid na bazi mineralnog ulja, a nikako voda ili tekućina na bazi vode. Ako dođe do požara gasi se pijeskom ili specijalnim sredstvima za gašenje.

Postrojenja za preradu magnezijevih legura rezanjem

Za razliku od odvojenih čestica obratci od magnezija se ne mogu zapaliti tijekom strojne obrade jer bi se trebali zagrijati na temperaturu tališta prije nego bi se zapalili.

Preporuča se redovito čišćenje strojeva i ispravno spremanje odvojenih čestica.

SPAJANJE LEGURA MAGNEZIJA

Magnezij i njegove legure se mogu spajati vijcima, zakovicama, zavarivanjem i lijepljenjem.

Kod spajanja magnezijskih legura vijcima preporuča je korištenje debljih podložnih pločica pod glavom vijka ili matice kako bi se spriječilo oštećenje dosjednih površina.

Navoji vijaka trebaju biti grubi sa zaobljenim vrhovima i uzubinama kako bi se spriječio efekt zareza.

Magnezijeve legure mogu se spajati zakivanjem uz posebnu pažnju da se ne bi deformirao ili pukno magnezij oko otvora za spajanje.

Dijelovi mjenjačke kutije spojeni vijcima

Podvodno zavarivanje magnezija

Zavarivanje magnezija se generalno može izvoditi korištenjem TIG postupka u inertnoj atmosferi ili sa argonom.

Kod tog načina zavarivanja ne stvara se troska pa nema opasnosti od njenog zarobljavanja u zavaru i ne može biti uzrokom korozije zavarenih spojeva.

Tijekom zavarivanja magnezija nema opasnosti nastanka požara iako on na zraku pri temperaturi višoj od točke tališta brzo oksidira.

Dodatni materijal u obliku šipki se obično bira istog kemijskog sastava kao i osnovni metal.

Ne preporuča se zavarivanje Mg-Zr legure sa s dodatnim materijalom Mg - Al legurom ili Mg - Mn.

Dijelovi koji se zavarivaju moraju biti čisti tj. bez masnoća ili ostataka rezanja.

Zavarivanje odljevaka, izvodi se uz predgrijavanje na temperaturu od 250 – 350 oC.

Preporuča zavarivanje u slojevima te okretanje obratka kako bi se spriječile deformacije unešene toplinom.

Poslije zavarivanja preporuča se provoditi toplinsku obradu kako bi se uklonila zaostala naprezanja. Ona se, ovisno o vrsti legure i njenom stanju, provodi pri temperaturama od oko 415 – 510 oC u trajanju 0,5 -1 h.

Za neke legure u T6 stanju, iza navedenog postupka slijedi gašenje i 16 satno dozrijevanje na temperturi od 200 – 250 oC.

Za zavare na lijevanim proizvodima preporuča se toplinsku obradu provesti pri višim temperaturama kako bi se dosegle odgovarajuće specifikacije osnovnog metala.

PRIMJENA MAGNEZIJA

Svjetska ukupna proizvodnja magnezija je oko 400.000 tona godišnje sa trendom povećanja. To prvenstveno proizlazi iz njegovog najznačajnijeg svojstva niske težine.

Legure magnezija su dobre za primjenu u zrakoplovnoj i raketnoj tehnici, za sportsku opremu, bicikle, kofere ili općenito za izradu laganih komponenti.

Koristi ga se u izradi komponenti strojeva za tiskanje i u tekstilnoj industriji kako bi se smanjile inercijske sile brzopokretnih komponenti.

Avionska industrija

Megnezijeve legure se intenzivno koriste za izradu kućišta prenosnika u helikopterima. Tu prevladavaju legure sa Zn (3-5%) i malim količinama Zr.

Zahtjevi za poboljšanim svojstvima otpornosti prema koroziji dovelo je razvoja specifičnih legura koje umjesti cinka imaju itrija.

Ovakove legure ugrađuju se u mnoge nove helikopterske programe uključujući MD500, Eurocopter EC120 i Sykorski S92,

Industrija zrakoplovnih motora uspješno koristi magnezijeve legure u vojnim zrakoplovima.

Vojni avioni uključujući i F16, F22, Tornado i Eurolovac Typhoon, koriste magnezijeve legure za transmisijske kutije.

a b

Helikopteri i vojni zrakoplovi u koje se ugrađuju komponente iz Mg legura a) Eurocopter 120, b) Sykorski S92, c) Tornado, d) Typhoon,

e) Kućište okretne glave helikoptera Sykorski

c d

e

Automobilska industrija

Primjena legura magnezija u konstrukciji automobila ima dugu tradiciju.

Korištenje u trkaćim automobilima započelo je oko 1920. godine.

U komercijalnim automobilima se tek počeo primjenjivati od 1936. godine u poznatoj Volkswagenovoj bubi.

Vrhunac primjene od oko 20 kg po automobilu bilježi se 1971. godine a tada je i svjetska godišnja potrošnja magnezija dosegla oko 42000 tona.

Automobili u koje ugrađuju komponente iz Mg legura

Vodeći proizvođač automobila u Europi koji primjenjuje magnezij je Volkswagen, a slijede i Daimler Chrysler (Mercedes Benz), BMW, Ford i Jaguar.

Trenutačno se oko 14 kg Mg koristi u VW Pasatu, Audi A4 i A6. Sva ta vozila koriste magnezij za kućišta transmisija (legure na bazi Al 9% i Zn 1%) nudeći 20-25 % uštede u odnosu na aluminij.

Dijelovi automobila izrađeni lijevanjem iz Mg legura

Druge primjene uključuju ploče instrument tabli, unutrašnje ručke poklopce glava motora, blokove zrakom hlađenih automobilskih motora i komponente upravljača (legure na bazi Al i Mg) i kotače.

U Sjevernoj Americi primjena magnezija u automobilima je još veća. Tako npr. GM kombi vozila Savana i Express koriste i do 26 kg Mg

Obrambene svrhe

Proizvodi od magnezija se koriste u vojne svrhe u vrlo različitim oblicima u obliku odljevaka, praškova ili deformiranjem oblikovanih proizvoda. Lijevane komponente ugrađuju se u opremu.

Odljevci velikih dimenzija lijevaju se u pijesku a koriste se u oklopnim vozilima. Vrlo sitne komponente lijevane u pijesku, ili na neki drugi način primjenjuju se u radarskoj opremi, zemaljskoj opremi i Stingray torpedima.

Proizvodi namjenjeni obrabenoj industriji lijevani u pijesku ili u kalupima rade se iz legura legiranih Zn i Zr. One imaju visoku čvrstoću pri povišenim temperaturama i izvrsnu otpornost prema koroziji.

Fini usitnjeni prah se naširoko koristi u vojnoj industriji za razne baklje i municijske primjene posebno za infracrvene mamce i osvjetljavajuće baklje.

Infracrveni mamci izrađeni su od magnezija i izgaraju bijelo a intenzivna toplina pirotehničke svijeće koristi kućište baklji.

Baklje sprečavaju snagu infracrvenog traga raketa tako što koriste magnezijska sredstva u zaštiti vojnih helikoptera i zrakoplova.

Zemaljske osvjetljavajuće baklje su konstruirane da se spuštaju s padobranom i osvjetljuju okolišni teren i mete.

Zaštita vojnog aviona ispaljivanjem usitnjenog magnezijskog praha

Svemirska tehnologija

Magnezije legure su najlakši konstrukcijski metali koji se koriste u izradi komponenti satelita još od najranijih svemirskih programa. U te se svrhe prvenstveno koriste legure za gnječenje legirane sa Al i Zn.

Komponente svemirskih letjelica izrađene su iz Mg legura

Magnezij i informatička tehnologija

Informatička oprema predstavlja tržište za primjenu magnezijevih legura koje se posljednjih godina naglo širi. U tu se svrhu najviše koriste tlačni lijev, polukruto lijevanje i tehnike prešanja.

Komponente informatičke opreme izrađene iz Mg legura

Primjena u foto pločama (photo engraving)

Magnezijske foto ploče koriste se za različite primjene, posebno u štamparskoj industriji.

Foto ploče od Mg legura

Katodna zaštita i energija iz magnezija

Raspodjela materijala prema električnom potencijalu

Magnezij ima niži elektrokemijski potencijal od većine metalnih materijala. Kaže se da je najviše anodičan te je stoga dobar izbor da bude žrtvovani materijal u nizu strojarskih konstrukcija.

Magnezijeve anode se koriste za katodnu zaštitu čeličnih konstrukcija od korozije.

Postavljaju se galvanske čelije i struja u elektrolitu teče sa više reaktivne površine (anoda) ka nižoj (katoda).

Galvanski članak na bazi Mg legura

Anodna zaštita i baterije na bazi Mg legura

Brojne su legure magnezija razvijene za proizvodnju elektroda u čelijama koje kao elektrolit koriste morsku vodu.

Koristie se kao pomoćna svjetla u pojasevima za spašavanje i kao niskonaponske električne jedinice.

Magnezij u desumporizaciji čelika

Primjena magnezija u desumporizaciji čelika

Magnezij se dugi niz godina koristi i kao materijal za desumporizaciju vrućeg metala u proizvodnji čelika postupcima kontinuiranog lijevanja.

Magnezijski praškovi i granule

Magnezijeve legure u praškastom obliku

Od 80 tih godina prošlog stoljeća magnezij se isporučuje u obliku praškova. Za tu proizvodnju danas postoje brojne metode i postupci a jedan od modernijih je atomizacija rastaljenog magnezija u inertnoj atmosferi čime se proizvodi kuglasti magnezijev prah koji ima brojne primjene posebno u vojnoj industriji.

Magnezij u legurama aluminija

Magnezij se obično koristi kao legirni element u legurama aluminija, olova, cinka i drugih neželjeznih materijala.

Danas oko 15 miliona tona aluminija koristi čisti magnezij kao legirni element. Oko 80% svjetske potrošnje aluminijskih legura za gnječenje i oko 60% svjetske proizvodnje legura za lijevanje koristi magnezij kao legirni element.

Dodatak od 0,1 – 4,4 % Mg aluminijskoj leguri za gnječenje poboljšava njegovu oblikovljivost i zavarljivost a dodatak od 0,3 -1,5% Mg poboljšava korozijsku otpornost

Aluminijske legure sa magnezijem se koriste u tri glavne industrije.

Pakiranje (limenke, aluminijske folije, posude za hranu i kutije izmjenjivača). Oko 50% zahtjeva sa legurama aluminija koje imaju Mg i otprilike troše oko 70.000 tona.

Automobilska industrija troši oko 35% ili 50.000 tona Mg koji se isporučuje aluminijskoj industriji. Legure za gnječenje koje imaju Mg se koriste za karoseriju automobila, dok se legure za lijevanje koje imaju Mg koriste za proizvodnju cilindarskih glava, klipova i blokova motora.

Za izradu konstrukcija od ekstrudiranih profila ostaje oko 15% potražnje za legurama aluminija koje u sebi imaju Mg. To količinski otprilike iznosi oko 20.000 tona.

ZAŠTITA MAGNEZIJA OD KOROZIJE

Magnezij na površini stvara zaštitni anodni film koji je relativno dobro otporan na koroziju, međutim lako korodira sa kloridima, sulfatima i drugim kemikalijama.

Zbog toga se često provode različiti načini žaštite od korozije, posebno galvanske, komponenti izrađenih od magnezija.

Ukoliko će komponenta od magnezija tijekom ekspolatacije biti izložena agresivnom mediju (slani zrak, morska voda i slično) nužno je već tijekom njenog konstruiranja promišljati o sprečavanju djelovanja korozije.

Pri tome valja voditi računa da konstrukcija ne skuplja agresivni medij tamo gdje se nalaze različiti materijali kako bi se spriječilo nastajanje galvanskog članka.

Ispravno i neispravno konstruiran način spajanja elemenata iz magnezija

Ispitivanja su pokazala da izlaganje uzorka tijekom 10 dana u slanoj magli daje otprilike isti rezultat kao njegovo 27 godina izlaganje u industrijskoj atmosferi. Brzina propadanja magnezijeve legure ovisna je i o vrsti te količini legirnih elemenata.

Brzina propadanja legure magnezija ovisno o vrsti i količini elemenata

Mg je zbog svojih izvrsnih svojstava jedan od materijala budućnosti.

Najveća prepreka njegovoj još široj primjeni je njegova cijena koja trenutačno iznosi oko 3,5 $/kg. To je više od cijene aluminija i za dosta manje od cijene titanovih legura.

Cijene Mg legura na tržištu

CIJENA