Электрон (сплав)

Электрон (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — это группа магниевых литейных сплавов, обладающих высокой удельной прочностью и малой плотностью. Основными легирующими компонентами в электронах являются алюминий, цинк, марганец, а также, в зависимости от марки, цирконий, редкоземельные металлы (неодим, иттрий) и торий. Сплавы получили своё название из-за внешнего сходства с янтарём, который в античности называли «электроном», а также из-за их характерного золотистого оттенка после обработки. Основное применение электронов — авиастроение, ракетно-космическая техника и автомобилестроение, где требуется снижение массы конструкций при сохранении высоких механических свойств.

История

Первые промышленные магниевые сплавы были разработаны в начале XX века. В 1909 году немецкий химик и металлург Густав Пааль (Gustav Paal) получил патент на сплав магния с алюминием и цинком, который был назван «электрон-металл». В 1910-х годах компания «Chemische Fabrik Griesheim-Elektron» (Германия) начала промышленное производство сплавов под торговой маркой «Elektron». К 1914 году сплавы электрон использовались в дирижаблестроении (в частности, в жёстких каркасах цеппелинов), что позволило значительно снизить вес конструкций.

В СССР и России разработка магниевых сплавов началась в 1930-х годах. Первые отечественные марки — МА1, МА2, МА3 — были созданы на основе немецких аналогов. В 1950-х годах были разработаны жаропрочные сплавы (МА11, МА12), содержащие неодим и цирконий, для авиационных двигателей и ракетных корпусов. В 1960-х годах появились сплавы с торием (МА14), которые использовались в космической технике, однако из-за радиоактивности тория их применение впоследствии было ограничено.

В конце XX — начале XXI века развитие электронов было связано с созданием сплавов с редкоземельными металлами (МА20, МА21), обеспечивающих высокую коррозионную стойкость и жаропрочность, а также с разработкой литейных технологий, позволяющих получать тонкостенные отливки.

Классификация

Электроны классифицируются по нескольким признакам.

По технологии изготовления

• Литейные сплавы — предназначены для получения фасонных отливок (литьё в песчаные формы, под давлением, по выплавляемым моделям). Примеры: МЛ5, МЛ6, МЛ10, МЛ12.
• Деформируемые сплавы — предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей, поковок) путём прокатки, прессования, ковки. Примеры: МА1, МА2-1, МА8, МА14.

По системе легирования

• Mg-Al-Zn-Mn (магний-алюминий-цинк-марганец) — наиболее распространённая группа (МЛ5, МЛ6, МА2-1). Обладают хорошей прочностью и пластичностью, но ограниченной жаропрочностью (до 150–200 °C).
• Mg-Zn-Zr (магний-цинк-цирконий) — сплавы с повышенной прочностью (МЛ12, МА14). Цирконий измельчает зерно, улучшая механические свойства.
• Mg-РЗМ (магний-редкоземельные металлы) — жаропрочные сплавы (МЛ10, МЛ11, МА11, МА12). Неодим, иттрий и другие РЗМ повышают температуру эксплуатации до 250–300 °C.
• Mg-Th (магний-торий) — сплавы с максимальной жаропрочностью (до 350 °C), но с ограниченным применением из-за радиоактивности тория.

По назначению

• Конструкционные — для силовых элементов (каркасы, корпуса, кронштейны).
• Жаропрочные — для деталей, работающих при высоких температурах (лопатки компрессоров, корпуса двигателей).
• Коррозионно-стойкие — для эксплуатации в агрессивных средах (морская вода, химические реагенты).

Характеристики и свойства

Основные физико-механические свойства электронов (на примере сплава МЛ5):

Преимущества:

• Низкая плотность (на 30–40 % легче алюминиевых сплавов).
• Высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности).
• Хорошая обрабатываемость резанием и свариваемость (в среде защитных газов).
• Высокая демпфирующая способность (способность поглощать вибрации).

Недостатки:

• Низкая коррозионная стойкость (особенно в присутствии хлоридов), требует защитных покрытий.
• Высокая химическая активность (пожароопасность при обработке — магниевая стружка легко воспламеняется).
• Склонность к образованию трещин при литье из-за усадки.
• Ограниченная жаропрочность (большинство сплавов — до 200–250 °C).

Применение

Электроны используются в отраслях, где критично снижение массы:

• Авиация: корпуса редукторов, картеры двигателей, кронштейны, колёса шасси (например, сплав МЛ5 в самолётах Ан-124 «Руслан», Ил-76).
• Ракетно-космическая техника: корпуса ракетных двигателей, элементы конструкций спутников (сплавы МА14, МЛ10).
• Автомобилестроение: колёсные диски, блоки цилиндров, корпуса коробок передач (например, сплав AZ91 — аналог МЛ5).
• Оборонная промышленность: корпуса боеприпасов, элементы вооружения (в том числе зажигательные и осветительные составы на основе магния).
• Электроника: корпуса приборов, радиаторы охлаждения (благодаря высокой теплопроводности).

Интересные факты

• В 1930-х годах в Германии из сплава электрон были изготовлены корпуса дирижаблей LZ 127 «Граф Цеппелин» и LZ 129 «Гинденбург». Применение магниевого сплава позволило уменьшить вес каркаса на 30 % по сравнению с алюминиевым.
• Из-за высокой горючести магния электроны использовались в производстве зажигательных бомб (например, «электрон-термитные» бомбы времён Второй мировой войны).
• В СССР в 1950-х годах был разработан сплав МА12, содержащий до 2,5 % неодима, который применялся в корпусах ракетных двигателей РД-107 и РД-108 для ракет-носителей «Восток».
• Современные электроны с редкоземельными металлами (например, сплав WE43 — аналог МА20) используются в медицине для изготовления биодеградируемых имплантатов, так как магний постепенно растворяется в организме, не требуя повторной операции.

Критика и ограничения

Основные проблемы, связанные с применением электронов:

• Пожароопасность — при механической обработке (шлифовка, точение) образуется тонкая магниевая стружка, которая легко воспламеняется. Требуются специальные меры безопасности (защитные газы, системы пожаротушения).
• Коррозия — без защитных покрытий (хромирование, анодирование, лакокрасочные материалы) электроны быстро разрушаются в атмосферных условиях, особенно вблизи моря.
• Экологические риски — сплавы с торием (МА14) являются радиоактивными, их производство и утилизация требуют особого контроля. В настоящее время торийсодержащие сплавы практически не применяются.
• Высокая стоимость — редкоземельные металлы (неодим, иттрий) и цирконий значительно удорожают сплавы, что ограничивает их использование в массовом производстве.

Источники

• Колобов Г. А., Кессельман В. И. Магниевые сплавы: свойства, технология, применение. — М.: Металлургия, 1985.
• Портной К. И., Лебедев А. А. Магниевые сплавы. — М.: Металлургия, 1978.
• *Авиационные материалы: справочник / под ред. Е. Н. Каблова. — М.: ВИАМ, 2012.
• ГОСТ 2856-79 «Сплавы магниевые литейные. Марки».
• ГОСТ 14957-76 «Сплавы магниевые деформируемые. Марки».
• Polmear I. J. Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals. — 4th ed. — Butterworth-Heinemann, 2006.