Сплав магния: Магниевые сплавы: маркировка, свойства, применение
alexxlab | 14.04.2023 | 0 | Разное
Биорезорбтивные свойства сплавов магния | Интернет-издание “Новости медицины и фармации”
Одним из современных методов лечения переломов остается остеосинтез металлическими имплантатами из нержавеющей стали, титана и др. Обладая достаточной механической прочностью, конструкции из указанных сплавов отрицательно влияют как на костную ткань, так и на организм человека в целом. Негативным является и то, что после консолидации перелома необходимо повторное оперативное вмешательство по удалению металлоконструкции.
Полимеры были первыми материалами, которые использовались как биоабсорбируемые [1, 5].
Магний и продукт его коррозии имеют отличную биосовместимость. В результате магний приобрел широкое применение в области биоматериалов как биоразлагаемый и биоабсорбируемый медицинский материал. Были использованы различные методы, чтобы контролировать коррозию магния, такие как очистка, анодирование, легирование (сплавление) металлов и покрытие поверхности различными материалами.
Исследования показали, что очистка магния значительно уменьшает коррозию [4, 6]. Но химически чистый магний обладает слабыми механическими свойствами, он очень хрупкий и непрочный на разрыв. Сплавы магния с различными элементами дают нам возможность увеличить механическую пригодность чистого магния, но вещества для сплавов должны выбираться тщательно, чтобы поддерживать биосовместимость и коррозиоустойчивость магния.
Цель исследования — в эксперименте изучить биорезорбтивные свойства промышленных сплавов магния.
Материалы и методы исследования Первым этапом исследования был анализ литературных источников по применению сплавов магния в медицине. Определено, что использование свойства магния растворяться в организме человека начато с середины XIX столетия. Описаны исследования по использованию сплавов магния в травматологии и ортопедии [1–4]. Однако широкого распространения имплантаты из магниевых сплавов не получили, и в конце 90-х годов ХХ столетия возобновились эксперименты по применению магниевых сплавов в травматологии и ортопедии [3, 5, 6].
Анализ литературных источников позволил выделить ряд преимуществ магниевых сплавов:
— магниевые сплавы легки (по весу). Они на 1/3 так же плотны, как и сплавы, основанные на титане, и на 1/5 — как сплавы из нержавеющей стали и хромокобальтовые сплавы. Большой интерес вызывает эластичность магниевых сплавов. Кость, как живая ткань, постоянно корректируется и приспосабливается под напряжением. Этот процесс коррекции может провести к стрессовой защите, если присутствует имплантат;
— исходная упругость кортикального слоя кости находится в порядке 3–20 ГПа. Для примера: модуль эластичности для безупречных сталей — обычно около 200 ГПа, для хромокобальтовых сплавов — порядка 230 ГПа и для титановых сплавов — почти 115 ГПа. Магниевые сплавы, для сравнения, имеют модуль эластичности около 45 ГПа, который более точно соответствует самой кости, таким образом уменьшается вероятность защиты напряжения и связанной с этим силы самой кости (ее плотности).
Нами было проведено исследование: изготавливали литые образцы из стандартных магниевых сплавов Мл-5 и Мл-10 (табл.
1, 2) в условиях ОАО «Мотор-Сич» для контроля механических свойств, коррозионных испытаний и металлографического анализа.
Механические свойства данных сплавов удовлетворяют требованиям ГОСТ 2856-79 (табл. 2).
Коррозионные испытания проводили на образцах диаметром 10 х 5 мм в 3% водном растворе NaCl в термостате при температуре 38 °С. Образцы взвешивали, помещали в пробирки с раствором на 10, 20 и 30 дней, извлекали и взвешивали. Считали потерю массы (их растворимость) (табл. 3).
Видно, что сплав Мл-5 имеет значительно более высокую растворимость по отношению к Мл-10. Поэтому перспективным в этом направлении является Мл-10. Однако для остеосинтеза его растворимость слишком высока, поэтому было исследовано влияние микродобавок скандия в этот сплав для регулировки его растворимости. Скандий вводили в магниевый сплав в виде присадок лигатуры в количестве 0,1 и 1,0 % мас.
Добавки этого элемента измельчают структуру сплава (рис.
2), повышают механические свойства и коррозионную стойкость (снижают растворимость) (табл. 4).
Результаты проведенных экспериментальных исследований сплавов промышленного магния Мл-5 и Мл-10 подтверждают их достаточную механическую прочность, соответствующую механической прочности кости. Исследования степени растворимости исследуемых сплавов показали, что сплав Мл-5 к концу эксперимента полностью растворился, в то время как сплав Мл-10 потерял всего 4 % своей массы. Учитывая сроки консолидации переломов, более перспективным в качестве материала для имплантатов может быть сплав Мл-10. Исследования, направленные на уменьшение биоабсорбирующих свойств сплава Мл-5 путем введения в качестве присадки Sc, свидетельствуют об улучшении механических и коррозионных свойств.
1. Промышленные сплавы Мл-5 и Мл-10 обладают достаточными механическими свойствами, приближенными к механической прочности кости.
2. В исследованиях in vitro сплав Мл-5 показал быструю растворимость.
3. Механическую прочность и коррозионную стойкость сплавов Мл-5 можно корректировать путем введения микроприсадок (скандий).
Bibliography
Staiger M.P., Pietak A.M., Huadmai J., Dias G. Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review // Biomaterials. — 2006. — 27. — 1728.
Shaw B.A. Corrosion resistance of magnesium alloys // Corrosion: Fundamentals, Testing and Protection: ASM Handbook / Еd. by S.D. Cramer, B.S. Covino. — Vol. 13a. — ASM International, USA, 2003. — Р. 692.
Mathieu S., Rapin C., Steinmetz J., Steinmetz P. A corrosion study of the main constituent phases of AZ91 magnesium alloys // Corros. Sci. — 2003. — 45. — 2741.
Li L.C., Gao J.C., Wang Y. Evaluation of cytotoxicity and corrosion behavior of alkali-heat-treated magnesium in simulated body fluid // Surf. Coat. Technol. — 2004. — 185. — 92.
Chen J.
, Wang J., Han E., Dong J., Ke W. Corrosion behavior of AZ91D magnesium alloy in sodium sulfate solution // Mater. Corros. — 2006. — 57. — 789.
Baril G., Galicia G., Deslouis C., Pebere N., Tribollet B., Vivier V. An impedance investigation of the mechanism of pure magnesium corrosion in sodium sulfate solutions // J. Electrochem. Soc. — 2007. — 154. — 108.
цена от поставщика Электровек-сталь / Evek
Магний — 12-й элемент периодической таблицы Менделеева, где обозначен символом Mg. Это серебристо-белый, исключительно легкий металл. При обычных условиях практически не изменяется на воздухе — его защищает от окисления тонкий поверхностный слой оксида.
| Атомный номер | Атомная (молярная) масса г/моль | Степень окисления | Плотность [г/cм3] | Температура плавления t°С | Температура кипения t°С | Теплота плавления кДж/кг |
|---|---|---|---|---|---|---|
| № 12 | 24,3 | 2 | 1,74 | 650°С | 1090°С | 9,2 |
История
Открытие магния связано с минеральными водами Эпсомского источника в Англии.
Там в 1695 году из воды выпарили соль (это была сернокислая магнезия), с горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари тут же окрестили ее английской солью. В чистом виде металл был выделен только через два столетия, в начале ХХ века.
Месторождения
Наиболее богаты магнием США, Россия, Норвегия и Китай. Брусит и магнезит на 1/3 состоят из магниевых солей, а кизерит, эпсомит, доломит — на 1/6. Соли магния легко растворимы. До 0,13% Mg содержится в морской воде. Магнезит выносится из недр геотермальными водами. Особенно богаты солями магния отложения осадочных озёр. Месторождения осадочных солей карналлита встречаются повсеместно. С горячими источниками также связаны залежи доломита. Запасы их огромны Большинство из них образовалось миллионы лет назад осадочным путём.
Биологическая роль
Магний — важный электролит в регуляции обмена веществ. Как выяснили медики, аппликации бишофита лечат нарушения опорно-двигательного аппарата, в первую очередь — позвоночника и суставов, незаменимы при реабилитации последствий травм.
Получение
Технический магний получают электролизом расплава смеси солей хлоридов магния, натрия и калия. Такой металл загрязнен примесями и нуждается в дополнительной очистке электролитическим рафинированием, переплавкой в вакууме вместе со специальными флюсами. Часто используют возгонку в вакууме. Чистота рафинированного магния 99,999% и выше. Еще один, термический способ, основан на восстановлении MgO с помощью кремния или кокса при высокой температуре. Так кремний позволяет легко выделить магний из доломита. Цена магния в слитках составляет порядка 3 долл/кг.
Химические качества
Mg легко растворяется в кислотах с выделением водорода. Щелочи не оказывают на него влияния. Он быстро коррозирует в морской воде и растворе 3% хлористого натрия, образуя гидрооксид… Mg устойчив в спиртах (кроме метилового), в бензине, керосине, фреоне и минеральных маслах. Он представляет собой энергичный восстановитель, им вытесняются менее активные элементы из соединений. Он восстанавливает другие металлы из растворов солей при комнатной температуре.
При накаливании он отнимает кислород у щелочей и окисей, с помощью магниевого порошка можно получить простые соединения. Это ценное свойство позволяет применять его для получения титана.
Физические качества
Mg очень легкий, его плотность при 20 °C около 1,7 г/см³, температура плавления 651 °C, температура кипения: 1103 °C. Его поверхность покрыта плёнкой окиси, которая при 623 °C разрушается, после чего магний сгорает. Фольга и порошок Mg воспламеняются обычной спичкой и горят не только на воздухе, но и в углекислом газе. Яркая магниевая вспышка, имеющая в своем спектре даже ультрафиолетовые лучи, до начала ХХ века использовалась при фотосъемках. Это свойство — гореть ослепительно-ярким пламенем незаменимо в осветительных и сигнальных ракетах, трассирующих пулях и снарядах, зажигательных бомбах. В пионерских лагерях его добавляли в костры, которые зажигали при закрытии или открытии смены. Такие костры рассыпали сноп искр. Смесь порошков магния и перманганата калия — взрывчатое вещество.
Технологические качества
Магний — очень лёгкий ковкий металл. Он хорошо гнется, штампуется, прокатывается, сверлится и режется. Однако в чистом виде он хрупкий и не годится для нагруженных конструкций. Для этого используются магниевые сплавы с цинком, алюминием, бериллием, марганцем, титаном или редкоземельными элементами… Они стойки к коррозии и имеют значительную удельную прочность. Такие сплавы получают бесфлюсовой плавкой в инертной атмосфере. Благодаря этому образуется однородная структура, отличающаяся физико-механической стабильностью. Такие сплавы имеют исключительно широкую сферу использования.
Процентный состав сплавов магния (ГОСТ 2581−78)
| Марка сплава | Al | Zn | Mn | Другие | Al | Si | Fe | Ni | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MM2 | – | – | 1,5−2,2 | – | 0,04 | 0,07 | 0,05 | 0,004 | 0,03 |
| MM2ч | – | – | 1,7−2,4 | – | 0,006 | 0,004 | 0,004 | 0,001 | |
| МА8Ц | 7,5−8,7 | 0,3−0,8 | 0,2−0,5 | – | – | 0,1 | 0,02 | 0,004 | 0,05 |
| МА8Цэ | 7,5−8,7 | 0,3−1,5 | 0,2−0,5 | – | – | 0,5 | 0,028 | 0,01 | 0,35 |
| МА8Цч | 7,5−8,7 | 0,3−0,8 | 0,2−0,5 | – | – | 0,04 | 0,005 | 0,001 | 0,01 |
| МА8ЦБч | 7,5−8,7 | 0,3−0,8 | 0,2−0,5 | 0,001−0,002 Ве | – | 0,04 | 0,005 | 0,001 | 0,01 |
| МА10Ц1 | 9,0−10,0 | 0,7−1,2 | 0,2−0,5 | – | – | 0,15 | 0,05 | 0,005 | 0,05 |
| МЦр1Н3 | – | – | 0,2−0,5 | 0,4−1,1 Zr — 2,6−3,2 Nd | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,004 | 0,01 |
Применение
Сегодня магний стал основой самых лёгких конструкционных материалов.
Сплав алюминия и магния отличающийся значительной удельной прочностью, актуален в современной авиационной и автомобильной отрасли. Из этого сплава производят наиболее лёгкие фрагменты самолётов, вертолётов и дирижаблей. Это дает серьёзное преимущество при разработке новых моделей. Этот сплав сегодня стал основой деталей планеров, обтекателей, элеронов, дверей кабин, шасси, рычагов управления, корпусов приборов и насосов, кислородных и топливных баков. Детали из сплавов магния за счёт снижения веса уменьшают расход топлива и повышает экономичность современных автомобилей. Из магниевых сплавов производят автомобильный картер, детали амортизаторов, насосов и приборов, крышки баков. Магниевые диски для колес придают не только легкость и прочность, но и стильный вид. В приборостроении, магниевый прокат необходим для корпусов приборов, биноклей, мобильных телефонов, видеокамер. Применяется такой прокат при изготовлении электрических батарей, а незначительное поглощение тепловых нейтронов, стало основой использования магния в производстве оболочек ТВЭЛ.
Соли магния
Соли магния (бромид и перхлорат) применяют в современных мощных аккумуляторах, которые отличаются значительной емкостью и разрядным напряжением. Магниево-серные батареи пока находятся на стадии перспективных разработок. Перхлорат магния применяют также для глубокой осушки газов. MgO входит в состав огнеупоров для производства тиглей и футеровки промышленных печей. Синтетические монокристаллы MgF2 являются основой специальной оптики.
Купить по выгодной цене
На складе ООО «Электровек-сталь» широкий выбор металлопроката, который удовлетворит любого заказчика. Предлагаем выгодные условия поставок изделий из магния и его сплавов для оптовых и розничных покупателей. На нашем сайте вы найдете всю необходимую информацию, К вашим услугам опытные менеджеры-консультанты, которые всегда готовы помочь с выбором. Качество продукции гарантируется строгим соблюдением норм производства на всех этапах. Сроки поставок минимальные. На оптовые заказы предусмотрены льготные скидки
Магниевые сплавы – использование, области применения и преимущества
Магниевые сплавы, литые или кованые, обеспечивают превосходное соотношение прочности к весу для широкого круга инженерных проектов.
Магниевые сплавы незаменимы в условиях, когда компоненты и оборудование должны быть легкими. Они предлагают инженерам и материаловедам практичные, высокопроизводительные и легкодоступные решения многолетней проблемы оптимизации прочности, веса, мощности и стоимости. В частности, магниевые сплавы:
- Легкий вес — магний с плотностью 1,7 г/см3 является самым легким доступным конструкционным металлом. Поэтому его сплавы идеально подходят для проектов, где вес является ключевым фактором, что дает преимущество в весе по сравнению с алюминием на 33% и на 50% по сравнению с титаном.
- Сильный – магний естественным образом обеспечивает хороший уровень жесткости благодаря своей гексагональной, плотноупакованной кристаллической структуре
Литые магниевые сплавы имеют предел прочности при растяжении до 280 МПа и предел текучести до 160 МПа)
Кованые магниевые сплавы производятся с пределом прочности при растяжении до 360 МПа и предел текучести до 300 МПа - Обильный – магний является восьмым по распространенности элементом на планете, что делает его экономически эффективным и легкодоступным выбором. Магниевые сплавы являются третьим по популярности материалом для литья цветных металлов
- Устойчивость к нежелательным механическим вибрациям — магний обладает самой высокой известной демпфирующей способностью среди всех конструкционных металлов, способной выдерживать в 10 раз больше, чем алюминий, титан или сталь
- Гибкий – легко обрабатывается и отливается. Может быть отлит под давлением
- Широкие возможности вторичной переработки — магниевые сплавы не представляют опасности в отношении токсичности и помогают повысить экологичность любого проекта после завершения эксплуатации
- Биосовместимость – обнаружены минимальные уровни деградации или разложения в результате взаимодействия с биологическими жидкостями при использовании в сердечно-сосудистых или ортопедических устройствах
Может быть отлит под давлениемМагниевые сплавы в широком промышленном, медицинском и коммерческом использовании
ПЭО выигрывает от того, что процесс не является прямым, процесс может быть адаптирован к самой сложной геометрии, включая глухие отверстия, отверстия и карманы. Благодаря своим многочисленным преимуществам магниевые сплавы часто используются практически во всех отраслях промышленности, и их можно найти во многих аспектах повседневной жизни. Общие виды использования включают:
- Высокоскоростное промышленное оборудование, такое как ткацкие станки и печатные станки
- Лопасти вертолетных винтов и посадочные колеса самолетов
- Корпуса коробок передач, корпуса тормозов и приводные валы
- Медицинские имплантаты, хирургические устройства и протезы
- Очки и оптическое оборудование
- Фотоаппараты, ноутбуки и телефоны
- Электроинструмент
- Высокопроизводительные велосипеды и колеса
- Спортивное оборудование
- Бытовые приборы, такие как пылесосы и кухонное электрооборудование
Устранение нежелательных свойств необработанных магниевых сплавов
Уравновешивая их многочисленные преимущества, магниевые сплавы имеют некоторые характеристики, которые могут сделать их менее привлекательными вариантами, делая компоненты подверженными быстрой коррозии и износу в сложных условиях и высокопроизводительных применениях из-за присущей магниевым сплавам:
- Низкая пластичность
- Пониженное сопротивление ползучести
- Низкая жесткость
- Высокая химическая активность, что делает их склонными к гальванической коррозии
- Мягкость
- Воспламеняемость
Из-за их высокой реакционной способности магниевые сплавы значительно выигрывают от поверхностного покрытия, которое делает их пригодными для использования в приложениях, где износ и коррозия представляют особую опасность.
Инженерам, желающим улучшить характеристики и срок службы магниевых сплавов, доступно несколько вариантов:
- Холодное напыление
- Химическое никелирование (ENP)
- Плазменное электролитическое окисление (ПЭО)
Помимо повышения производительности, покрытия могут изменить характеристики поверхности сплава другими положительными способами: улучшить коэффициент трения, придать антибактериальные свойства или даже улучшить электрическую прочность на пробой.
Уникальный процесс ПЭО компании Keronite придает магниевым сплавам коррозионную стойкость и износостойкость, что позволяет инженерам и материаловедам использовать их в тех областях применения, где в противном случае они могли бы быть исключены. Их низкий уровень теплопроводности означает, что магниевые сплавы, обработанные ПЭО, могут хорошо функционировать в качестве тепловых барьеров, чему также способствуют их отличные адгезионные свойства.
Наш подход основан на тесном сотрудничестве, работе с проектными группами на раннем этапе, чтобы можно было разработать индивидуальные подходы и решения для любых инженерных задач.
После процесса ПЭО магниевые сплавы становятся более устойчивыми к коррозии, прочнее и стабильнее, чем в необработанном состоянии, что значительно повышает их пригодность практически для любого применения в любой отрасли.
Вы можете узнать больше о многих преимуществах плазменно-электролитического окисления магниевых сплавов в техническом паспорте здесь.
Отправляя контактную форму, я даю согласие на то, чтобы Luxfer MEL Technologies связалась со мной в ответ на мой запрос. |
Легко поддающиеся механической обработке, универсальные магниевые сплавы также используются в производстве коробок передач, крышек и компонентов, трансмиссий вертолетов, корпусов электронных устройств, систем управления полетом и авиационных колес, чтобы максимизировать топливную экономичность, а также использовать преимущества долговечности экструдированного магния.
