Лазарь Рохлин
Профессор
Институт металлургии и металловедения им. А.А. Байкова

М

агний относится к числу металлов, промышленное использование и производство которого стало развиваться около ста лет назад. Основными его достоинствами являются сравнительно низкая плотность (1,74 г/см³), удовлетворительная устойчивость в воздухе и некоторых других средах, высокая активность в качестве восстановителя в химических процессах, а также хорошая способность сплавляться с другими металлами.
    Чистый металлический магний используется в основном в качестве легирующей добавки в сплавах на основе алюминия, титана и некоторых других металлов. В черной металлургии магний довольно широко применяется для глубокой десульфурации чугуна и стали, а также для улучшения свойств чугуна путем сфероидизации графита. Кроме того, магний является незаменимым восстановителем, в первую очередь в производстве титановой губки.
    Магниевые сплавы широко используются в современной технике, в первую очередь, благодаря низкой плотности, что позволяет существенно снизить вес изделий и конструкций. Например, разработанные в последние годы промышленные магниевые сплавы, содержащие литий, имеют плотность 1,35–1,6 г/см³ при достаточно высоких прочностных свойствах и хорошем модуле упругости. Кроме того, сплавы магния химически устойчивы в щелочах, минеральных маслах, фторсодержащих газовых средах. Из-за высокого электрического потенциала эти сплавы используются в качестве протекторов при электрохимической защите стальных конструкций от коррозии в морской воде и подземных сооружениях.
    Предварительные исследования показали, что магниевые сплавы обладают повышенной способностью аккумулировать водород, который рассматривается как возможная альтернатива углеводородному сырью в будущем, и поэтому являются весьма перспективными материалами для его накопления и хранения в специальных устройствах. К особым физическим свойствам магниевых сплавов относится их способность эффективно поглощать упругие колебания (демпфирующая способность), что обеспечивает большую устойчивость при ударных нагрузках и снижает чувствительность к возникновению резонансных явлений.
    Магний имеет сравнительно низкий коэффициент поглощения тепловых нейтронов, что в сочетании с хорошей теплопроводностью и слабым взаимодействием с ядерным топливом обусловливает его применение в качестве оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. В сравнительно небольшом объеме магниевые сплавы в последние годы нашли также применение в различных радиотехнических системах для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки электрических сигналов.
    Магний имеет хорошую сырьевую базу. Основными минералами, содержащими этот металл, являются карналит, бишофит, доломит, магнезит, серпентин, брусит. К уникальным месторождениям магния относятся Большое Соленое озеро в США и Мертвое море в Израиле. И, наконец, практически неисчерпаемым источником для промышленного производства магния является морская вода. В качестве промышленных технологий получения магния в настоящее время используются электролиз и термическое восстановление. Оба способа довольно энергоемки.
    Получение сплавов и их обработка включает плавку, литье, процессы деформации и термической обработки с получением различных полуфабрикатов – слитков, плит, листов, поковок, профилей и т.д. Так как магний склонен к загоранию в расплавленном состоянии, его плавку обычно ведут под флюсом или в защитной атмосфере. Для транспортировки расплавленного магния к разливочным устройствам в последние годы применяют специальные магнитогидродинамические насосы для исключения контакта расплава с воздухом.
    В производстве изделий из магниевых сплавов наибольшее развитие нашел способ литья под давлением в металлические пресс-формы. Эта технология позволяет получать тонкостенные изделия сложной формы, что исключает их последующую трудоемкую обработку. Кроме того, обеспечиваются сравнительно высокие производительность и экономические показатели. В промышленности используются высокоэффективные агрегаты, в которых емкость с расплавом соединяется с камерой подачи металла в пресс-форму. При этом рабочие операции проводятся в защитной атмосфере.
    Несмотря на очевидные технико-экономические и ресурсные достоинства, магниевые сплавы по масштабам промышленного применения существенно уступают алюминиевым, основным конкурентам в классе важнейших легких конструкционных материалов. Главная причина – более высокая, при прочих равных условиях примерно в 1,5 раза, стоимость магния по сравнению с алюминием. Это соотношение обычно возрастает из-за влияния конъюнктурных факторов рынка: в последние годы – от 2,3 до 3,1. Помимо этого, в рудных минералах магния обычно содержится хлор, удаление которого, а также меры экологической защиты повышают себестоимость магния.
    На протяжении 60–80-х годов прошлого века мировое производство и потребление магния росло в среднем около 3 % в год. К середине 90-х годов выпуск этого металла достиг 250 тыс. т, а затем резко ускорился – до 400 тыс. т в 2000 году, главным образом из-за роста потребления сплавов в автопромышленности. В основе скачка лежит динамичное развитие магниевой отрасли в Китае, на долю которого в настоящее время приходится около 45 % мирового выпуска магния. КНР использует местное сырье – доломит с высоким, 33–36 %-ным содержанием Mg, а также весьма дешевый пиджен-процесс с минимальными затратами на экологию, что резко повышает ценовую конкурентоспособность. Китайские поставки дешевого и не очень качественного магния дестабилизировали мировой рынок и привели к закрытию крупных магниевых предприятий в Западной Европе, США и Канаде.
    В структуре потребления магния в различных отраслях экономики в последние 15–20 лет можно отметить увеличение почти в 3 раза доли литья под давлением, что в основном связано с активным использованием магниевых сплавов в автомобилестроении – 80–85 %. По данным ведущих американских компаний General Motors и Chrysler, за 1997–2002 годы потребление магния в машинах этих фирм возросло соответственно в 2,4 и 1,4 раза.
    Хотя использование магниевых сплавов в конструкциях автомобилей прогнозировалось еще в 70-х годах, их массовое применение началось во второй половине 90-х, после металловедческих исследований и технологических разработок, необходимых для обеспечения промышленного производства. Кроме того, в результате конкуренции заметно повысились требования к снижению массы автомобиля и связанного с этим расхода топлива. Среди деталей из магниевых сплавов, применяемых в современных легковых машинах, можно назвать диски колес, картеры двигателя и коробки передач, корпуса масляных насосов, рулевое колесо, детали сидений, кронштейны, стойки. Общий вес магниевых изделий может достигать 100 кг на машину, что, по некоторым оценкам, эквивалентно примерно 450 кг стали.
    Важной сферой использования магниевых сплавов являются те области современной техники, где решающую роль играет показатель весовой эффективности материалов, то есть снижение массы конструкций при сохранении прочностных характеристик. Это, как правило, авиакосмическая техника и другие летательные аппараты, где повышенная стоимость магниевых сплавов по сравнению с алюминиевыми сплавами и сталями не играет существенной роли, так как оправдывается выигрышем в скорости, дальности, грузоподъемности и безопасности. Определяющими здесь являются достаточно высокие прочностные свойства при малой плотности. Применение магниевых сплавов в этих целях оказывалось оправданным и тогда, когда в их состав вводились дорогие легирующие элементы, что эффективно улучшало свойства, особенно прочность при повышенных температурах. В таблице 1 показаны основные промышленные магниевые сплавы, предназначенные для этого.


    Только сплавы первых трех систем – Mg-Mn, Mg-Al-Mn и Mg-Al-Mn-Zn – не содержат металлы, которые существенно повышают их стоимость. Эти сплавы были разработаны еще перед Второй мировой войной. Развитие реактивной авиации и ракетной техники потребовало более прочных, в том числе способных к работе при повышенных температурах. В результате были разработаны сплавы, содержащие цирконий, церий, неодим, торий, иттрий, литий и серебро. Применение сплавов с дорогими легирующими элементами в конструкциях такого массового изделия, как автомобиль, не могло быть оправдано с экономической точки зрения. Кроме того, эти сплавы не обладали достаточно хорошими физическими свойствами для литья под давлением. Главное требование здесь – высокая жидкотекучесть расплава, а также устойчивость к образованию трещин при литье. Вторым важным моментом является повышенное сопротивление ползучести при 130–150 ^oС. Это требование к жаропрочности сравнительно умеренно, так как лучшие современные магниевые сплавы для работы при повышенных температурах длительно могут использоваться до 300 ^oС.
    Сплавы, используемые для литья под давлением, не содержат дорогих и дефицитных легирующих элементов. Сплавы систем Mg-Al-Mn и Mg-Al-Zn-Mn (AZ91D, АМ60 в США и МЛ5 в России) – это разработанные для литья в землю или кокиль, но оказавшиеся подходящими для литья под давлением. Остальные – специально созданные для такого литья композиции в соответствии с выработанными для них требованиями с учетом широкого применения. Из них сплавы системы Mg-Al-Si-Mn – AS41A и AS21A – с повышенной жаропрочностью.
    Применение магниевых сплавов в автомобильной промышленности является сравнительно новым направлением, с новыми требованиями к ним, как конструкционным материалам. В перспективе это направление будет расширяться. В настоящее время проводятся масштабные научно-исследовательские работы, в результате которых создаются научные основы для более широкого использования магниевых сплавов не только в виде литья под давлением, но и в виде деформированных полуфабрикатов – плит, листов, длинномерных прессованных изделий и поковок как в автомобильной промышленности, так и в других областях техники, где низкая плотность магниевых сплавов окажется оправданной с экономической точки зрения. Можно предполагать, что магниевые сплавы станут использоваться в мотоциклах, тракторах, текстильных машинах, спортивном инвентаре и других изделиях. Это не исключает исследований, связанных с расширением применения магниевых сплавов в авиационной технике и других областях традиционного использования. Перспективным является применение магниевых сплавов в виде литья под давлением в производстве сложных по форме тонкостенных корпусов различных приборов электроники, оптики, связи и т. д.
    В СССР в свое время была создана довольно мощная магниевая промышленность с полным циклом производства и обработки. В России, на Украине и в Казахстане построены горнорудные комбинаты и заводы по производству первичного магния, магниевых лигатур и сплавов различного назначения. Существенные усовершенствования были внесены в технологию получения первичного металла ведущими предприятиями и институтами страны – ВАМИ, Соликамским магниевым заводом, ВСМПО, Запорожским институтом титана. Сформировалась отечественная школа металловедения магния, основными научными подразделениями которой являются Институт металлургии и металловедения им. А.А. Байкова РАН, ВИАМ, ВИЛС. Этими научными коллективами был разработан широкий спектр оригинальных промышленных сплавов с пониженной плотностью, содержащих литий, ряд литейных и деформируемых сплавов, содержащих редкоземельные металлы с повышенной прочностью и жаропрочностью, специальные сплавы для источников тока и др. Освоен комплекс новых высокоэффективных промышленных технологий производства сплавов. Предложено также несколько новых дешевых сплавов для литья под давлением и деформированных сплавов, которые могут быть использованы в автомобильной промышленности и других областях, где высокая удельная прочность магния должна сочетаться с хорошими технологическими характеристиками и пониженной стоимостью.
    Продукция советской промышленности практически полностью использовалась для внутреннего потребления. Теперь в России осталось два завода по производству первичного магния – Соликамский магниевый завод и ОАО «ВСМПО-АВИСМА», выпускающие в настоящее время менее 40 тыс. т первичного магния в год. Большая часть продукции экспортируется. Из-за резкого сокращения внутреннего спроса мощности заводов загружены не полностью.
    Перспективы развития магниевого производства в России будут определяться общими темпами реструктуризации экономики и ростом использования магниевых сплавов, например, в автопромышленности. К сожалению, в настоящее время потребление магния в этой отрасли заметно уступает зарубежному уровню. Кроме того, следует учесть, что магниевое производство является важнейшим технологическим звеном и необходимым компонентом титано-магниевого комплекса, который в последние годы благодаря корпорации «ВСМПО-АВИСМА» завоевал прочные позиции на мировом рынке. Однако не секрет, что магниевый бизнес нуждается в государственной поддержке, прежде всего, в виде налоговых льгот, регулирования энерготарифов и защиты на внешних рынках. Это позволило бы существенно расширить инвестиции в модернизацию производства.