Главным преимуществом магниевых сплавов как конструкционных материалов, по сравнению со сталью или алюминием, является их низкий вес. Плотность магниевых сплавов находится на уровне 1,3 - 1,8 г/см³, что в 1,5 - 2 раза меньше, чем у алюминиевых сплавов и в 4 - 5 раз меньше, чем у сталей. Именно поэтому высокопрочные магниевые сплавы очень популярны в авиационной и аэрокосмической отраслях. Низкий вес и высокая прочность позволяют существенно снизить массу деталей, а значит и улучшить летно-технические характеристики изделий.
Однако у магниевых сплавов есть один серьезный недостаток - их склонность к возгоранию при воздействии высоких температур. На промышленных производствах никто не хочет связываться с литьем и механической обработкой магниевых сплавов, так как это несет значительные риски возникновения пожаров.
Чистый магний и большинство его традиционных сплавов на основе системы Mg-Al легко воспламеняются в расплавленном состоянии при нагреве выше температуры 650 °C. Стружка и порошок загораются и при более низких температурах. При этом они горят очень интенсивно, с ослепительно белым пламенем и температурой до 3000 °C. Потушить такое пламя очень сложно. Вода разлагается и выделяет водород со взрывом, поэтому обычные огнетушители при таком пожаре неэффективны.
Как бороться с этой проблемой?
В России осталось очень мало научных организаций, которые занимаются исследованием и изготовлением магниевых изделий из пожаробезопасных магниевых сплавов. Для этого нужны квалифицированные кадры и специальное оборудование. Одним из таких научных учреждений является Институт металлургии и материаловедения Российской академии наук (ИМЕТ РАН). Здесь изучают влияние на магниевые сплавы добавок и наноструктурированных покрытий, снижающих их воспламеняемость, новых технологий обработки магниевых изделий и пр.
Одним из перспективных направлений повышения температуры воспламенения магниевых сплавов является включение в их состав различных, в том числе редкоземельных, элементов. Главная идея - добавить элементы, которые способствуют образованию на поверхности расплава плотной и тугоплавкой оксидной пленки, чтобы она изолировала расплавленный металл от кислорода из воздуха.
Например, даже небольшая (0,3 - 1 %) добавка кальция, радикально повышает температуру воспламенения. При окислении образуется не пористая MgO пленка, а плотная двойная оксидная пленка CaO-MgO, которая покрывает поверхность и препятствует доступу кислорода. Редкоземельные металлы (иттрий, церий, неодим, гадолиний и др.) также образуют плотные и термодинамически стабильные оксиды на поверхности сплава (Y₂O₃, CeO₂ ).
Хорошо способствуют повышению огнестойкости цинк, цирконий, бериллий. Цирконий, к тому же, является прекрасным измельчителем зерна, что не только повышает температуру нагрева, но и улучшает механические свойства. Совсем небольшая (сотые доли процента) добавка бериллия также повышает температуру воспламенения за счет образования оксидной пленки BeO.
В ИМЕТ РАН был разработан магниевый сплав ИМВ-7 (Mg-Y-Nd), который обладает высокими прочностными свойствами. Полуфабрикаты из такого сплава достигают прочности 420 МПа. Из заготовок данного слава на промышленном предприятии методом ковки были изготовлены диски для грузовых автомобилей с прочностью (σв) - 360 МПа, текучестью (σ0,2) - 240 МПа и относительным удлинением (δ) – 15 %.
Для производства магниевых изделий в институте был создан научно-технологический центр “Спецсплав” с возможностью изготовления магниевых полуфабрикатов объемом до 100 тонн в год. Данный центр оснащен всем необходимым литейным, прессовым, термическим и механообрабатывающим оборудованием. Здесь не только изготовляют изделия из новых сплавов, но и выпускают опытно-промышленные партии такой продукции.
В настоящее время сотрудники центра освоили технологию производства деформируемых прутков из магниевого сплава с температурой воспламенения свыше 1000 °С. Данные прутки получают из слитков методом экструзии со сдвиговой деформацией. Такая экструзия позволяет деформировать заготовку и гарантированно получать пресс-изделия с необходимой структурой и повышенными механическими свойствами. На прутке диаметром 40 мм из пожаробезопасного магниевого сплава получены следующие механические свойства: σв = 370 МПа, σ0,2 = 297 МПа, δ = 7,8 %. Данный материал сохраняет все преимущества магния: малый вес и высокую удельную прочность, при этом существенно снижает риски его возгорания при технологических операциях на производстве.