Металловедение сварки магниевых сплавов

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ  
МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ 
Учебник 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
М54 
А в т о р ы :  
В. В. Овчинников, Е. В. Лукьяненко, С. В. Якутина, М. А. Гуреева 
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, главный научный сотрудник  
АО «НПО «ЦНИИТМАШ» Феклистов Станислав Ильич; 
доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГУП «ВИАМ» 
Грушко Ольга Евгеньевна 
М54  
 
Металловедение сварки магниевых сплавов : учебник / [В. В. Ов- 
чинников и др.].  Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021.  176 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0696-3 
Изложены сведения по современным литейным и деформируемым 
магниевым сплавам, видам их сварки, свойствам сварных соединений. 
Представлены типовые структуры сварных соединений магниевых сплавов, 
выполненных различными способами сварки. 
Для студентов металлургических и машиностроительных направлений 
подготовки. Может быть полезно широкому кругу инженерно-технических и 
научных работников различных отраслей промышленности, занимающихся 
вопросами сварки конструкций иɡ магниевых сплавов. 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-0696-3  
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ 
Магниевые сплавы благодаря сочетанию уникальных физико-химических характеристик находят применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно там, где требуется малая удельная масса, устойчивость к воздействию повышенных температур и т.д. Помимо летательных аппаратов, они все шире используются на транспорте, в химическом 
машиностроении, судостроении, промышленном и гражданском строительстве. Этому способствует рост объема производства полуфабрикатов 
из этих сплавов. 
Основным технологическим процессом в производстве конструкций 
из магниевых сплавов является сварка. Растущая потребность в ответственных конструкциях различного назначения определяет основные этапы развития сварочной техники и технологии. 
Разработана целая гамма новых магниевых сплавов, создано новое 
оборудование для сварки, разработаны новые процессы подготовки поверхности под сварку, проведены исследования механических свойств сварных 
соединений. Большинство этих данных разбросано в отдельных статьях в 
научно-технических журналах или еще не опубликовано, что затрудняет 
ознакомление с ними для специалистов. 
В связи с этим возникла необходимость обобщения ранее опубликованных разрозненных материалов в одном учебнике, что позволит комплексно осветить ряд важных вопросов технологии сборки-сварки ответственных изделий из магниевых сплавов. 
3 

 
Глава 1. МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ 
1.1. Классификация магниевых сплавов 
 
Промышленное производство и использование магния началось сравнительно недавно – всего около 100 лет назад. Этот металл имеет малую 
массу, так как обладает сравнительно низкой плотностью (1,74 г/см3), хорошую устойчивость в воздухе, щелочах, газовых средах с содержанием фтора 
и в минеральных маслах. 
Магний принадлежит к числу элементов, наиболее распространенных 
в земной коре, и поэтому он может быть широко использован в промышленности в качестве конструкционного материала. Магний составляет около  
2,1 % от массы земной коры, в то время как титан – 0,6 %, медь – 0,01 %,  
а никель – 0,008 %. Магний в 4,5 раза легче железа, 2,6 раза легче титана  
и в 1,5 раза легче алюминия. 
Температура плавления магния составляет 650 °С. Магнию присуща 
высокая химическая активность вплоть до самопроизвольного возгорания 
на воздухе. Предел прочности чистого магния составляет 190 МПа, модуль 
упругости – 4 500 МПа, относительное удлинение – 18 %. Металл отличается высокой демпфирующей способностью (эффективно поглощает упругие колебания), что обеспечивает ему отличную переносимость ударных 
нагрузок и снижение чувствительности к резонансным явлениям. 
К числу прочих особенностей данного элемента относятся хорошая 
теплопроводность, низкая способность поглощать тепловые нейтроны и 
взаимодействовать с ядерным топливом. Благодаря совокупности этих 
свойств магний является идеальным материалом для создания герметичных 
оболочек высокотемпературных элементов ядерных реакторов. 
4 


Магний хорошо сплавляется с разными металлами и относится к 
числу сильных восстановителей, без которых невозможен процесс металлотермии. 
В чистом виде он в основном применяется как легирующая добавка  
в сплавах с алюминием, титаном и некоторыми другими химическими элементами. В черной металлургии с помощью магния проводится десульфурация стали и чугуна, а также улучшаются свойства последнего посредством сфероидизации графита. 
Металлы в составе композиций улучшают и изменяют физические  
и химические свойства основного металла. Основной упор делается на повышение механических характеристик. Алюминий улучшает общую структуру, литейные свойства, повышает прочность. Цинк также повышает прочность и способствует уменьшению зерен в отливке. Основная цель введения 
марганца, кроме увеличения прочности – повышение химической стойкости 
к воздействию агрессивных сред и снижение вредного влияния примеси железа. 
Редкоземельные металлы, несмотря на малое количество, сильно меняют химические и физические свойства, повышая жаропрочность, улучшая 
пластичность, ковкость за счет уменьшения зерен и изменений в кристаллической решетке. 
Добавка циркония уменьшает растворимость водорода в расплаве, которая в чистом составе составляет значительную величину. Связывая водород, цирконий также способствует уменьшению пористости и зернистости 
отливок. 
Введение лития в некоторые составы позволяет получить магниевые 
сплавы с рекордно малой плотностью – в 2 раза меньшей, чем у алюминия, 
с сохранением высокой прочности и легкости механической обработки. 
Данные сплавы наиболее широко используются в аэрокосмической 
5 


промышленности, где снижение общего веса конструкции увеличивает 
массу полезной нагрузки. 
Некоторые металлы, напротив, нежелательны даже в малых количествах. Так, примеси железа или никеля даже в объеме тысячных долей процента резко снижают коррозионную стойкость сплава. Растворенный водород увеличивает пористость материала, вызывает увеличение зерен, снижая, 
таким образом, прочность изделия. 
Наиболее распространенными сплавами магния являются сплавы, легированные марганцем, алюминием и цинком. Алюминий улучшает структуру, повышает прочность и жидкотекучесть магниевых сплавов, цинк 
также увеличивает прочность и уменьшает размер зерен. Марганец повышает коррозионную стойкость сплавов и их прочность. Сплавы этой системы применяются для производства высокопрочных отливок и деформируемых полуфабрикатов. Наличие циркония также обеспечивает более мелкое зерно, сплавы магний-цинк-цирконий обладают повышенной прочностью и пластичностью. 
Добавки неодима, иттрия, церия и других редкоземельных элементов 
повышают жаропрочность и улучшают механические свойства магниевых 
сплавов. Это же относится к добавкам лантана, тория. 
Введение в сплав до 10–11 % лития позволяет получить сверхлегкие 
магниевые сплавы с плотностью 1,3–1,6 г/см3, то есть в 2 раза меньшей, чем 
у алюминиевых сплавов, с одновременно высокими показателями пластичности, предела текучести и модуля упругости и хорошей технологичностью 
при обработке давлением. 
Магниево-литиевые сплавы также характеризуются высокими механическими свойствами при криогенных температурах, высокой ударной 
вязкостью и малой чувствительностью к надрезам, незначительной анизотропией механических свойств и возможностью изготовления из них сварных соединений. 
6 


Примеси железа, плохо растворимого в магнии, снижают его коррозионную стойкость, поэтому содержание железа необходимо ограничивать в 
пределах 0,002–0,005 %. 
Примеси никеля в магнии также вызывают интенсивную коррозию, в 
связи с чем его содержание не должно превышать 0,0005–0,002 %. Магний 
значительно корродирует в морской воде, разбавленных минеральных кислотах, кроме плавиковой, в большинстве органических кислот. Разбавленные щелочи, нейтральные и щелочные растворы фтористых солей не агрессивны. Магний и его сплавы весьма устойчивы по отношению к керосину, 
бензину, фенолу, минеральным смазочным маслам и к спиртам (кроме метилового спирта). 
Магниевые сплавы разделяются на литейные и деформируемые. 
Литейные и деформируемые магниевые сплавы в отечественных стандартах (ГОСТ) обозначаются следующим образом: 
МЛ – магниевые литейные сплавы (ГОСТ 2856); 
МА – магниевые деформируемые сплавы (ГОСТ 14957); 
п.ч. – повышенной чистоты; 
о.н. – общего назначения. 
Литейные магниевые сплавы подразделяются в зависимости от способа литья: в песчаные формы, в кокиль, литье под давлением и др. 
Деформируемые магниевые сплавы классифицируются на сплавы для 
прессования, ковки, штамповки, для горячей и холодной прокатки; по прочности при нормальных и повышенных температурах, коррозионной стойкости и плотности. 
По уровню прочности и ряду других основных свойств (жаропрочности, плотности) магниевые деформируемые сплавы подразделяются на 4, 
а литейные – на 3 группы (табл. 1.1). 
7 

Т а б л и ц а  1.1 
Классификация магниевых сплавов по прочности 
Группа 
сплавов 
Классификация 
сплавов 
Марки литейных 
магниевых  
сплавов 
Марки деформируемых 
магниевых  
сплавов 
I 
Сплавы средней 
прочности 
МЛ3 
MAI, МА2. МА8, МА8п.ч„ 
МА2-1, МА2-1 п.ч., 
МА 20 
МА5, МА14, МА15, 
МА19 
II 
Сплавы высокой 
прочности 
МЛ4, МЛ4п.ч„ 
МЛ5, МЛ5п.ч 
МЛ5о.н., МЛ6, 
МЛ8, МЛ 12, 
МЛ 15 
III 
Жаропрочные  
сплавы 
МЛ9, МЛ10, 
МЛ11, МЛ19 
МА11, МА12 
IV 
– 
МА18, МА21 
Сплавы  
пониженной  
плотности,  
содержащие литий 
 
Классификация магниевых сплавов в зависимости от предельно допустимых рабочих температур и продолжительности работы приведена  
в табл. 1.2, по коррозионной стойкости — в табл. 1.3, по свариваемости — 
в табл. 1.4. 
Т а б л и ц а  1.2 
Классификация магниевых сплавов  
в зависимости от условий работы 
Группа  
сплавов 
Рекомендуемые условия работы  
при температуре, °С 
Марки литейных 
магниевых  
сплавов 
Марки деформируемых 
магниевых  
сплавов 
1 
2 
3 
4 
I 
Длительно до 150, 
кратковременно  
до 200 
MAI, МА2, 
МА2-1, МА5, МА2-1 
п.ч., MAI5, МА19МА20 
МЛ3, МЛ4, 
МЛ4п.ч. МЛ5. 
МЛ5п.ч. 
МЛ5о.н., МЛ6, 
МЛ8 
II 
Длительно до 200, 
кратковременно  
до 250 
МЛ12, МЛ15 
МА8 
8 


Окончание таблицы 1.2 
1 
2 
3 
4 
III 
МЛ9, МЛ10, 
МЛ11, МЛ 19 
МА11, МА12 
Длительно  
до 200-300,  
кратковременно  
до 300-400 
IV 
Длительно до 125 
– 
МАИ 
V 
Длительно до 80 
– 
МА18, МА21 
Т а б л и ц а  1.3 
Классификация магниевых сплавов  
по коррозионным свойствам 
Группа  
сплавов 
Коррозионная  
стойкость 
Марки литейных 
магниевых  
сплавов 
Марки деформируемых 
магниевых  
сплавов 
I 
Повышенная 
МЛ4п.ч., 
МЛ5п.ч. 
MAI, МА8, МА8п.ч., 
MA2-I п.ч. 
II 
Удовлетворительная 
МА2. МА2-1, МА5, 
МА12 МА14, МА15. 
МА18. .МА19, МА20, 
МА21 
МЛ3, МЛ4, МЛ5, 
МЛ6, МЛ8, МЛ9, 
МЛ 10, МЛ 11, 
МЛ 12, МЛ 15, 
МЛ19 
III 
Пониженная 
МЛ5о.н. 
МАП 
Т а б л и ц а  1.4 
Классификация магниевых сплавов по степени свариваемости 
Группа  
сплавов 
Свариваемость  
сплавов 
Марки литейных 
магниевых  
сплавов 
Марки деформируемых 
магниевых  
сплавов 
I 
Хорошая 
МЛ9, МЛ10, 
МЛ11 
МА2. МА2-1. МА2-1 
п.ч., МА12, МА18, 
МА20, МА21 
II 
Удовлетворительная 
MA1, МА5, МА8, MA11, 
МА15 
МЛ3, МЛ4, 
МЛ4п.ч. МЛ5. 
МЛ5п.ч. МЛ6, 
МЛ8, МЛ 12, 
МЛ 15 
III 
Практически  
несвариваемые 
– 
МА14, МА19 
9 

В США и некоторых других странах магниевые сплавы маркируют по 
системе, разработанной Американским обществом по испытаниям материалов (ASTM) в соответствии с химическим составом и состоянием поставки. 
Обозначение сплавов начинается с двух букв, представляющих два основных легирующих элемента. Буквы располагаются по убыванию содержания 
элементов или при равных их количествах — по алфавиту. Затем следуют 
цифры, указывающие содержание элементов в целых процентах. Последующие буквы (А, В, С) отражают модификацию сплава по содержанию второстепенных легирующих элементов или примесей. Чистота сплава увеличивается от С до А, то есть А – наиболее чистый. Символ X обозначает, что 
сплав новый и пока не стандартизирован, то есть так называемый «временно 
стандартизированный сплав», например AZ81XA. 
Обозначения магниевых сплавов по ASTM приведены ниже: 
А – алюминий,                      
Z – цинк,                          
М – марганец,                      
К или W – цирконий,                 
Н – торий, 
Е – редкоземельные металлы, 
L – литий, 
Q – серебро. 
Например, сплав AZ31B содержит номинально 3 % алюминия, 1 % 
цинка, имеет отличительные особенности по содержанию марганца и примесей (железа, никеля), что показывает буква В, то есть сплав средней чистоты по примесям. 
В Британском стандарте (BS) магниевые сплавы обозначаются символом MAG (MAGNESIUM) и порядковым номером. Для деформируемых 
сплавов обозначение усложняется введением дополнительной буквы, указывающей вид полуфабриката, например MAG-E-121 – магниевый сплав 
10