Магниевые сплавы

Магниевые сплавы

При плавке необходимо защищать эти сплавы от окисления и насыщения водородом, так как это приводит к образованию микропористости в отливках.

Плавку литейных магниевых сплавов ведут следующими способами: в стационарных и выемных тиглях и дуплекс-процессом (отражательная печь — тигель или индукционная печь — тигель). Технологии приготовления сплавов этими способами одинаковы, различие состоит в технологии заливки и составах применяемых флюсов.

Шихтовые материалы не должны содержать продуктов коррозии, масла, эмульсии и прочих загрязнений. Отходы (литники, прибыли, бракованные отливки) очищают на дробеструйной установке или переплавляют.

При плавке магниевых сплавов соблюдают следующий порядок загрузки шихтовых материалов: магний (отходы и возврат), лигатуры, алюминий, цинк и кадмий. Добавки церия, кальция и бериллия вводят перед самой разливкой. При переплаве возврата кальций выгорает полностью, что следует учитывать при расчете шихты. После присадки легирующих элементов сплав перемешивают 5-7 мин и отбирают пробы для определения химического сплава. При плавке в стационарных стальных) тиглях их нагревают до 400-500оC, после чего загружают флюс ВИ2 в количестве 10% от массы шихты. В расплавленный флюс небольшими порциями загружают нагретые до 120-150оС шихтовые материалы. Сплав нагревают до 700-720оС, провод рафинирование и модифицирование. Сплав выстаивается 10-150 мин, из него отбирают пробы и ручными ковшами проводят разливку.

При выплавке магниевых литейных сплавов в выемных стальных тиглях с перегородкой флюс ВИ2 заменяют на ВИ3.

Выплавка сплавов дуплекс-процессом в отражательных печах ведется под слоем флюсов ВИ2. из печей сплав переливают в выемные тигли, в которых проводят рафинирование и модифицирование.

При плавке в индукционных печах на дно тигля загружают часть мелкой шихты, а затем компактно — крупные куски. Промежутки между кусками заполняют мелочью, сверху засыпают флюс. После расплавления и перегрева расплав переливают в выемные тигли.

Образующиеся на поверхности расплава пористая пленка оксида магния не предохраняет его от окисления и загорания. Легирующие компоненты (иттрий, церий, латан, неодим и литий) усиливают окисление. Алюминий, медь, серебро, индий, никель, свинец, сурьма, олово и цинк понижают температуру воспламенения магния.

Для замедления окисления струи металла при получении фасонных отливок применяют серистый газ (SO2) углекислоту (СО2), снижают окисление магниевых сплавов добавки % (мас. доля): бериллия 0,001-0,002; кальция 0,03-0,05.

Магниевые сплавы не рекомендуется перегревать выше 750оС, так как в этом случае образуются выключения нерастворимого нитрида магния (Mg3N2), снижающие коррозионную стойкость и пластические свойства отливок из магниевых сплавов.

Магниевые сплавы при температуре плавки поглощают водород (до 30 см3 каждые 100 г). Для предотвращения взаимодействия магния с печными газами плавку ведут под флюсами или в среде защитных газов.

При приготовлении магниевых сплавов необходимо следить за состоянием поверхности жидкого металла. Если металл начинает гореть, его необходимо засыпать порошкообразным флюсом из пневматического флюсораспределителя.

1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

   Среди литейщиков, занятых изготовлением  отливок  из  магниевых  сплавов,

установилась следующая терминология, относящаяся к  характеристике  исходных

шихтовых материалов и к сплаву, приготовленному для заливки форм.

   Первичным  сплавом  называются   чушки   готового   сплава,   выпускаемые

металлургической, промышленностью.

   Предварительным сплавом называются  чушки  готового  сплава  собственного

производства, выплавляемые  из  первичных  металлов  с  добавкой  переплава

литников, сплесков и других отходов.

   Рабочим сплавом называется жидкий  расплав,  приготовленный  для  заливки

форм.

   Магниевые сплавы в значительной  степени  подвержены  коррозии.  Особенно

усиленно развивается коррозия на поверхности деталей из магниевых  сплавов,

если в отливки попадают  хлориды  магния:  MgCl2+H2О>Mg(OH)2+2HCl;  2HC1  +

Mg>MgCl2 + Н2. Поэтому шихтовые материалы, пораженные  коррозией,  покрытые

окислами и маслом,  должны  тщательно  очищаться  дробью.  Можно  применять

химические способы  очистки,  но  они  более  сложны,  так  как  связаны  с

травлением, промывкой и сушкой.

   Мелкие  отходы  и   стружка   магниевых   сплавов,   получающиеся   после

механической обработки, на некоторых  предприятиях  подвергают  переплавке,

рафинированию  и  разливке  в   чушки,   которые   затем   используют   для

приготовления предварительных и рабочих сплавов.

   В литейных цехах, где  применяется  экспресс-анализ  химического  состава

магниевых сплавов по ходу плавки, в составе шихты допускается применять  до

60-80% возврата производства.

   Для  приготовления  литейных  магниевых  сплавов   применяются   лигатуры

следующего  состава,  %:  алюминий-марганец,   8-12   марганца,   остальное-

алюминий;  алюминий-магний-марганец,  20  магния,  10  марганца,  остальное-

алюминий; алюминий-бериллий,  2-3  бериллия,  остальное-алюминий;  алюминий-

магний - бериллий, 35 магния, 3  бериллия,  остальное  -  алюминий;  магний-

марганец, 2-4 марганца, остальное-магний.

                    2. ФЛЮСЫ ДЛЯ ПЛАВКИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

   Магний и его сплавы  в  расплавленном  состоянии  энергично  реагируют  с

кислородом и поэтому загораются на  воздухе.  В  связи  с  этим  при  плавке

необходимо применение  специальных  мер  защиты  расплавленного  металла  от

контакта его с воздухом.

   В промышленности нашел применение метод плавки под слоем флюсов. Различие

в способах ведения плавки и разливки сплава по формам, естественно,  требует

и  применения  флюсов  различного  состава.   Основное   назначение   флюсов

заключается в образовании на поверхности  жидкой  ванны  защитного  покрова,

изолирующего сплав от контакта с воздухом, и в удалении из сплава окислов  и

нитридов, получившихся во время плавки.

   Приведем  классификацию  флюсов,  применяемых  при  плавке   и   разливке

магниевых сплавов.

   Единые (универсальные) флюсы используют на всех стадиях  технологического

процесса плавки магниевых сплавов.

   Рафинирующие флюсы применяют во время рафинирования магниевых  сплавов  в

сочетании с покровными флюсами.

   Покровные флюсы используют только после  рафинирования  сплава  во  время

выстаивания  сплава  в  тигле  и  разливки  его  в  формы  в   сочетании   с

рафинирующими флюсами.

   Прочие флюсы для  плавки  магниевых  сплавов,  в  состав  которых  входят

элементы, активно  взаимодействующие  с  универсальными  флюсами  (например,

флюсы для сплавов магния а  литием),  используют  их  также  при  переплавке

стружки.

   Вспомогательные флюсы и соли, например карналлит, применяют для  промывки

ковшей и другого плавильного инструмента.

Флюсы должны обладать следующими общими свойствами:

1)  иметь  температуру  плавления  ниже  температуры  плавления  сплава  или

   чистого магния; 2) иметь достаточно высокие жидко-

     Т а б л и ц а 2, Флюсы, применяемые при плавке и разливке магниевых

                                   сплавов

|Марка|Массовая доля           |Назначение                                 |

|     |компонентов»            |                                           |

|     |%                       |                                           |

|ВИ2  |38-46 MgCI2; 32-40 КС1; |Универсальный флюс для приготовления       |

|     |5 BaCI2; 3-5CaF2; до 8  |сплавов типа МЛ5 в стационарных тиглях, а  |

|     |NaCl+ + CaCI2; до 1,5   |также в индукционных печах                 |

|     |MgO                     |                                           |

|ВИЗ  |                        |Универсальный флюс для приготовления       |

|     |34-40 MgCl2; 25-36 КС1; |сплавов в выемных плавильных тиглях        |

|     |15-20 Ca F2; 7-10 MgO;  |                                           |

|     |до 8 NaCl+CaCI2         |                                           |

|В    |                        |Универсальный флюс для плавки сплава МЛ 10 |

|     |18-23 MgCl2; 30-40 КС1; |                                           |

|Карна|30-35 BaCl2; 3-6 CaF2;  |                                           |

|ллит |до 1,5 MgO; до 10       |В качестве основы для приготовления флюсов |

|     |NaCl+CaCl2              |марок ВИ2, ВИЗ, Б, а также для промывки    |

|     |                        |разливочных ковшей и плавильного           |

|     |40-48 MgCl2; 34-42 КС1; |инструмента                                |

|     |до 1,2 MgO; до 8        |                                           |

|     |NaCl+CaCl2              |                                           |

текучесть и поверхностное  натяжение  для  того,  чтобы  поверхность  сплава

покрывалась сплошным слоем; 3) смачивать стенки тигля или  подину  печи;  4)

хорошей рафинирующей способностью,  т.  е.  способностью  легко  удалять  из

расплава неметаллические  включения;  5)  иметь  плотность  в  расплавленном

состоянии при температурах 700-800 °С несколько большую, чем плотность

сплава, чтобы обеспечить оседание частиц флюса,  находящихся  во  взвешенном

состоянии в сплаве; 6) не оказывать  химического  воздействия  на  магнии  и

другие  составляющие  магниевого  сплава,  а  также  на  материал  футеровки

отражательных печей.

   Химический состав и область применения наиболее  распространенных  флюсов

для плавки и разливки магниевых сплавов приведены в табл. 2.

                        20. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАЩИТНЫХ СРЕД

   Способ защиты магниевых сплавов с помощью флюсов отличается  простотой  и

надежностью,  но  имеет  ряд  недостатков:  флюс  окисляется,  комкуется   и

твердеет, пленка флюса нарушается  и  теряет  свои  защитные  свойства.  При

зачерпывании сплава пленка  флюса  может  попасть  в  отливку,  что  создает

опасность флюсовой коррозии, в результате чего стойкость отливок снижается.

Выделяющийся хлор, пары и пыль от флюсов вызывают также коррозию литейного

оборудования.

   В последнее время появляется повышенный интерес к применению газообразных

сред для защиты от окисления и загорания расплава, т. е, к внедрению

бесфлюсовой плавки магниевых сплавов.

   Для создания защитной атмосферы на практике применяют. углекислый газ,

аргон, сернистый ангидрид.

   На рис. 1 приведена схема устройства  для  бесфлюсовой  плавки  магниевых

сплавов с использованием  порошкообразной  серы,  из  которой  при  сгорании

образуется  сернистый   ангидрид,   На   рис.   2   аналогичное   устройство

предусматривает  возможность  бесфлюсовой  плавки  магниевых  сплавов  путем

защиты зеркала сплава непосредственно струёй сернистого ангидрида.

   Наиболее действенным средством защиты является  шестифтористая  сера  SF6

(элегаз) -тяжелый газ, неядовитый,  без  цвета  и  запаха,  не  горит  и  не

поддерживает   горения.   Нетоксичность   элегаза   является   существенным,

преимуществом по сравнению с сернистым ангидридом,

   Защитное действие элегаза  основано  на  взаимодействии  с  расплавом,  в

результате  чего  образуется  непроницаемая  поверхностная  пленка  фторидов

магния,  обладающая  способностью  мгновенно  восстанавливаться  даже  после

многократного удаления.

                         3. ПЛАВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

   Для плавки магниевых сплавов  применяют  тигельные  печи  с  выемным  или

стационарным тиглем вместимостью 200-450 кг или отражательные печи  большой

вместимости. При этом после расплавления  всей  шихты  сплав  переливают  в

тигельные раздаточные печи, в которых производится его рафинирование.

   В разогретый тигель или печь загружают небольшое  количество  размолотого

флюса и около половины всего количества магния, поверхность которого  также

засыпается флюсом.  После  расплавления  первой  порции  магния  постепенно

загружают  остальное  количество  магния.  Затем,  когда  расплавится  весь

магний, в сплав при температуре  680-700  °С  вводят  предварительно  мелко

раздробленную лигатуру алюминий-марганец.

   Марганец в магниевые сплавы вводят при температуре 850 °С  в  виде  смеси

металлического марганца или хлористого марганца О флюсом ВИЗ (см. табл. 2).

Затем в тигель постепенно  загружают  возврат.  В  течение  всего  процесса

плавки поверхность сплава должна быть покрыта слоем флюса ВИЗ.

   Цинк присаживается в конце плавки при температуре  расплава  700-720  °С.

При той же температуре в сплав присаживается бериллий в виде лигатур магний

- бериллий или марганец-алюминий-бериллий или в виде  фторбериллата  натрия

NaBeF4. Лигатуры, содержащие бериллий, вводят в сплав до  рафинирования,  а

фторбериллат натрия - во время рафинирования.

   Церий, являясь компонентом некоторых новых магниевых  сплавов,  входит  в

состав мишметалла, имеющего  следующий  состав  (%):  45-55  церия,  до  20

лантана, 15 железа, остальное- редкоземельные элементы первой  группы.  При

расчете шихты учитывают суммарное содержание всех редкоземельных элементов.

Мишметалл добавляют в расплав  после  рафинирования  при  помощи  железного

сетчатого стакана, погружаемого на глубину 70-100 мм от зеркала сплава.

   Цирконий  вводят  в  сплав  в  виде  фторцирконата  натрия  Na2ZrFe   при

температуре 850-900 °С.

   Если  в  магниевый  сплав  необходимо  ввести   значительное   количество

циркония,  как,  например,  в  новый  теплопрочный  литейный  сплав   МЛ12,

содержащий 4-5% Zn, 0,6-1,1% Zr, остальное- магний, приходится пользоваться