Магниевые сплавы

Введение

Литейное производство - одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки, получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом. При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок. Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких граммов до 300 т, длиной от нескольких сантиметров до 20 м, со стенками толщиной 0,5—500 мм. Для изготовления отливок применяют множество способов литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и др. Область применения того или иного способа литья определяется объемом производства, требованиями геометрической точности и шероховатости поверхности отливок, экономической целесообразности и другими факторами.

Различают следующие основные типы литейного производства: единичное, серийное и массовое. Единичное производство характеризуется выпуском в небольших количествах самого разнообразного литья. Производство отдельных отливок может периодически повторяться. Серийное производство характеризуется периодичным выпуском литья ограниченной или широкой номенклатуры значительными или небольшими партиями. Массовое производство характеризуется непрерывным выпуском в больших количествах определенной номенклатуры литья.

Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые, высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов; медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и др.

1. Магниевые сплавы

1.1 Подготовка шихты

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.

Расчет шихты при приготовлении наиболее распространенных литейных магниевых сплавов следует проводить с учетом рекомендаций, приводимых в таблице 1.

Таблица 1 - Рекомендуемый расчетный состав шихты для предварительных и рабочих сплавов на магниевой основе, предназначенных для фасонного литья

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.

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.

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.

1.2 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.

Заключительной стадией плавки любого магниевого сплава является обработка его в жидком состоянии с целью рафинирования, а также модифицирования структуры. Рафинирование магниевого сплава проводят после введения всех легирующих добавок и доведения температуры расплава до 700-720 °С. Лишь в случае обработки магниевого сплава фторбериллатом натрия температура нагрева сплава перед рафинированием повышается до 750-760 °С. Обычно рафинирование производят путем перемешивания сплава железной ложкой или шумовкой в течение 3-6 мин; при этом поверхность расплава посыпают размолотым флюсом. Перемешивание начинают с верхних слоев сплава, затем ложку постепенно опускают вниз, не доходя до дна примерно на 1/2 высоты тигля. Рафинирование считается законченным, когда поверхность сплава приобретает блестящий, зеркальный вид. По окончании рафинирования с поверхности сплава счищают флюс, а зеркало сплава вновь покрывают ровным слоем свежей порции размолотого флюса.

Магниевые сплавы марок МЛ4, МЛ5 и МЛ6 перед разливкой подвергают модифицированию. После снятия с поверхности сплава загрязнений, образовавшихся при модифицировании, и после засыпки поверхности расплава свежей порцией флюса эти сплавы выдерживают, при этом температура понижается до 650-700 °С, затем производят заливку форм.                             

В ходе плавки тщательно наблюдают за состоянием поверхности жидкого сплава. Если сплав начинает гореть, его необходимо засыпать порошкообразным флюсом при помощи пневматического флюсораспылителя.                                 

1.3 Дегазация магниевых сплавов

В целях повышения коррозионной стойкости и механических свойств магниевых сплавов разработано несколько способов обработки их в жидком состоянии, например способ последовательной обработки ванны жидкого сплава кальцием и гексахлорэтаном.

Последовательная обработка магниевого сплава кальцием и гексахлорэтпиом повышает плотность отливок и позволяет резко улучшить их механические свойства.

Магниевые сплавы в процессе их плавки и разливки поглощают самое большое количество водорода по сравнению с другими сплавами цветных металлов. Например, если в алюминиевых сплавах содержание водорода составляет 1-5 см3 на 100 г сплава, то в магниевых сплавах количество водорода может доходить до 20-30 см3 на 100 г сплава.

Исходя из представления о методах дегазации алюминиевых сплавов, следует предположить, что магниевые сплавы можно дегазировать теми же способами, что и алюминиевые.

В последнее время проведен ряд работ, которые позволили установить возможность рафинирования магниевых сплавов при помощи продувки их в расплавленном состоянии некоторыми газами. Наиболее проверенным способом дегазации магниевых сплавов оказался метод продувки через расплав инертных газов (гелия, аргона), а также химически активных газов: хлора и азота.

Дегазация инертным газом. Продувку сплава инертным газом проводят при температуре 740-750°С. Скорость продувки устанавливается такой, чтобы привести к интенсивному перемешиванию расплава без выплескивания сплава на стенки и борта печи. Время продувки для понижения содержания водорода в магниевом сплаве (до 8-10 см3 на 100 г сплава) составляет 30 мин. Более продолжительная дегазация сплава приводит к некоторому укрупнению зерна в структуре материала отливок.

1.4 Модифицирование магниевых сплавов

Модифицирование магниевых сплавов применяют с целью измельчения структуры и повышения механических свойств отливок. Сплавы марок МЛЗ, МЛ4, МЛ5 и МЛ6 модифицируют путем перегрева расплава, обработки хлорным железом, обработки углеродосодержащими материалами и другими способами.

Модифицирование путем перегрева. Сплав после рафинирования нагревают до 850 или 900 °С и выдерживают соответственно в течение 15-20 или 10-15 мин. Недостатками этого способа являются увеличение расхода топлива, повышение износа тиглей и окисляемости сплава, снижение производительности плавильных печей.

Модифицирование углекислым кальцием (мелом). Мел в виде сухого порошка или мрамор в виде мелкой крошки в количестве 0,5-0,6% от массы шихты заворачивают в пакет из тонкой бумаги, помещают в колокольчик и вводят в сплав на половину высоты тигля. Температура сплава в процессе модифицирования. 760-780 °С. Процесс обработки продолжается 5-8 мин и ведется до прекращения выделения пузырей на поверхности сплава. Сплав выдерживают после модификации 10-40 мин.

Модифицирование магнезитом. Магнезит, измельченный в порошок, в количестве 0,3-0,4% от массы шихты заворачивают в бумажные пакеты и погружают в сплав колокольчиком в один или два приема. Модифицирование .продолжают 8-12 мин до прекращения выделения пузырей на поверхности сплава. Сплав выдерживают 30-40 мин. Применяющийся в данном случае в качестве модификатора магнезит негигроскопичен, но не исключена возможность некоторого загрязнения магниевого сплава неметаллическими включениями, имеющимися в магнезите. Модифицирование магнезитом проводят до рафинирования при температуре магниевого сплава 720- 730 °С.

2. Отливки из магниевых сплавов

Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов. Наиболее важные литейные свойства сплавов: жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склон к образованию трещин, склонность к поглощению  и об газовых раковин и пористости в отливках и др.

Для изготовления фасонных отливок используют три группы магниевых сплавов: сплавы магния с алюминием и цинком, сплавы магния с цинком и цирконием, сплавы магния, легированные редкоземельными металлами.

Сплавы 1-й группы предназначены для производства высоко нагруженных отливок, работающих в атмосфере с большой влажностью. Для повышения коррозионной стойкости в сплавы вводят 0.1-0.5% марганца, а для снижения окисляемости 0.001-0.002% бериллия или 0.5-0.1% кальция. Сплавы этой группы относят к числу высокопрочных. Основным упрочнителем в них является алюминий, растворимость которого в магнии при эвтектической температуре составляет 17.4%, а при нормальной – 2.8%. Цинк также упрочняет магний, но менее эффективно, чем алюминий.

Основными структурными составляющими сплавов этой группы являются первичные кристаллы (Mg твердого раствора алюминия и цинка в магнии, фазы (Mg17Al12), (Mn, Al) и марганцевая фаза.) Фаза является упрочнителем сплавов при термической обработке.

Сплавы 2-й группы также относят к числу высокопрочных. Они отличаются от магниевых сплавов других групп повышенными механическими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Легирование их лантаном улучшает литейные свойства, несколько повышает жаропрочность и свариваемость, но снижает прочность и пластичность при нормальной температуре. Эти сплавы обладают удовлетворительными литейными свойствами, имеют измельченные цирконием зерна, способны упрочняться при термической обработке. Из них можно получать отливки с однородными свойствами в различных по толщине сечениях. Их используют для изготовления отливок, работающих при 200-250 ОС и высоких нагрузках. Основными структурными составляющими являются твердый раствор цинка и циркония в магнии (Mg) и включения интерметаллидов Mg2Zn3 и ZrZn2, являющихся упрочнителями при термической обработке.

Сплавы 3-й группы обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Они предназначены для длительной работы при 250-350 оС и кратковременной при 400 ОС. Эти сплавы имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую склонность к образованию микрорыхлот и усадочных трещин, высокие и однородные механические свойства в сечениях различной толщины. Сплавы с редкоземельными элементами применяют для изготовления отливок, работающих под воздействием статических и усталостных нагрузок. 0сновными их структурными составляющими являются твердый раствор неодима и циркония в магнии и включения фаз Mg3Nd, Mg9Nd, Mg2Zr. Для изготовления отливок чаще используют сплавы первой группы.

Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей, связанных прежде всего с их легкой окисляемостью. На поверхности магниевых расплавов, в отличие от алюминиевых, образуется рыхлая пленка оксида, не предохраняющая металл от дальнейшего окисления. При незначительном перегреве магниевые расплавы легко воспламеняются. В процессе плавки магний и его сплавы взаимодействуют с азотом, образуя нитриды, и интенсивно поглощают водород (до 30 см3 на 100 г расплава). Оксиды и нитриды, находясь во взвешенном состоянии, обусловливают снижение механических свойств сплава и образование микропористости в отливках.

Для предотвращения интенсивного взаимодействия с печными газами плавку магниевых сплавов ведут под флюсами или в среде защитных газов.

Для изготовления отливок используют магниевые сплавы, которые обозначают МЛ.

1—МЛ19. Буквы обозначают  принадлежность данного сплава  к литейным магниевым сплавам, цифры — порядковвый номер сплава.

Магниевые сплавы имеют высокие временное сопротивление (150—350 МПа), относительное удлинение (3—9 %) и твердости (НВ 30—70).

 Магниевые сплавы хорошо работают при динамических нагрузках, имеют удовлетворительную коррозионную стойкость способны работать с высокими нагрузками при температурах 200 - 300 °С, хорошо обрабатываются резанием.

Механические свойства магниевых сплавов значительно повышаются после упрочняющей термической обработки.

Магниевые сплавы имеют низкие литейные свойства (пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин) главным образом из-за большого интервала кристаллизации.

Жидкотекучесть – способность металла заполнять тонкие очертания полости формы. При недостаточной жидкотекучести расплавленный металл заполняет форму и отливка становится браком. Жидкотекучесть прежде всего зависит о химического состава, от температуры перегрева: чем она выше, тем больше жидкотекучесть. Величину жидкотекучести определяют по технологической пробе – длин заполненной сплавом части полости контрольной литейной формы.

      Усадка — свойство  литейных сплавов уменьшать объем при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают линейную и объемную усадку, выражаемую в относительных единицах. Линейная усадка - линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять расплавленного металла, до температуры окружающей среды. Объемная усадка – уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки.

      Горячие трещины в отливках возникают в процессе кристаллизации и усадки металла при переходе из жидкого состояния в твердое, при температуре близкой к температуре солидуса. Горячие трещины проходят по границам кристаллов и имеют окисленную поверхность. Склонность сплавов к образованию горячих трещин увеличивается при наличии неметаллических включений, газов (водорода, кислорода), серы и других примесей.

    Холодные трещины возникают в области упругих деформаций, когда сплав полностью затвердел. Тонкие части отливки охлаждаются и сокращаются быстрее, чем толстые. В результате в отливке образуются напряжения, которые и вызывают появление трещин. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации и тем больше, чем выше упругие свойства сплава, чем значительнее его усадка при пониженных температурах и чем ниже его теплопроводность.

Кроме того, магниевые сплавы хорошо растворяют водород (до 24 см3/100 г металла), что затрудняет получение отливок без газовой пористости. Эти сплавы склонны к самовозгоранию при плавке и заливке форм.

Отливки из магниевых сплавов изготовляют преимущественно литьем в песчаные формы и, кроме того, в кокиль, литьем под давлением и другими способами.

Магниевые сплавы, так же как и алюминиевые, при заливке могут окисляться и интенсивно захватывать оксиды. Поэтому для обеспечения плавного поступления металла в полость формы используют расширяющиеся литниковые системы с нижним или вертикальнощелевым подводом металла.

   Литниковая система — это система каналов, через которую, расплавленный металл подводят в полость формы. Литниковая система должна обеспечивать заполнение литейной формы с необходимой скоростью, задержание шлака и других неметаллических включений, выход паров и газов из полости формы, непрерывную  подачу расплавленного металла к затвердевающей отливке. Для задержания шлака применяют металлические фильтровальные сетки.

Для предотвращения загорания магниевого сплава в литейной форме в состав формовочных смесей вводят защитные присадки. Чтобы предотвратить загорание магния при заливке форм, струю расплавленного металла припыливают порошком серы. Образующийся при ее горении сернистый газ предотвращает загорание.

Отливки из магниевых сплавов широко используют в автомобильной промышленности, текстильном машиностроении, приборостроении, авиационной и ракетной технике и др. Из этих сплавов изготовляют корпуса насосов, детали арматуры, бензомасляную аппаратуру, корпуса приборов и инструментов, корпуса тормозных барабанов, и колес и т.п.

Отливки из магниевых сплавов склонны к короблению при затвердевании и термической обработке.

      Коробление — изменение формы и размеров отливки под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении.

Наибольшее применение для литья в кокиль нашли сплавы МЛ5 (системы Mg — А1 — Zn), МЛ6 (системы Mg — Al — Zn), МЛ12 (системы Mg — Zn — Zr) МЛ10 (Mg — Nd — Zr).

Влияние кокиля на свойства отливок.

При литье в кокиль отливки получают путем заливки расплавленного металла в металлические формы — кокили. По конструкции различают кокили: вытряхные; с вертикальным разъемом; с горизонтальным разъемом и др.

Полости в отливках оформляют песчаными, оболочковыми или металлическими стержнями. Кокили с песчаными или оболочковыми стержнями используют для получения отливок сложной конфигурации из чугуна, стали и цветных сплавов, а с металлическими стержнями — для отливок из алюминиевых и магниевых сплавов.

 Кокиль практически  не вступает в химическое взаимодействие  с магниевым расплавом, что уменьшает  окисляемость сплава, улучшает качество  отливок. Пониженная жидкотекучесть  сплавов вызывает необходимость  заливать их в кокили при  повышенной температуре, особенно  при изготовлении тонкостенных  отливок. Это приводит к повышению  окисляемости сплава, вероятности  попадания окислов в отливку, увеличению размеров зерна в  структуре, ухудшению механических  свойств отливки.

Для предотвращения горячих трещин в отливках, обусловленных повышенной усадкой сплавов, необходимо осуществлять «подрыв» неподатливых металлических стержней или использовать песчаные стержни; модифицирование сплавов церием и висмутом повышает трещиноустойчивость сплавов.

Положение отливки из магниевого сплава в кокиле имеет особенно важное значение для направленного ее затвердевания и питания. Для питания отливки обязательно используют прямые или отводные прибыли; для лучшей их работы прибыли выполняют в стержневых, асбестовых или керамических вставках.

Литниковые системы для магниевых сплавов расширяющиеся: fc:fк:fп= 1:2:3. Для крупных и сложных отливок fc:fк:fп = 1:4:6.

Технологические режимы литья магнеевых сплавов в кокиль назначают с учетом их литейных свойств, конфигурации отливки и предьявляемых к ней требований.

Температура заливки магниевых сплавов зависит от химического состава, но обычно на 100- 150 К выше линии ликвидуса, что вызвано их пониженной жидкотекучестью. Обычно температура заливки составляет 1000 -- 1020 К для тонкостенных отливок и 950-980 К для массивных, толстостенных.

Заключение

Для изготовления фасонных отливок используют три группы магниевых сплавов: сплавы магния с алюминием и цинком, сплавы магния с цинком и цирконием, сплавы магния, легированные редкоземельными металлами.

Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей, связанных, прежде всего с их легкой окисляемостью. На поверхности магниевых расплавов, в отличие от алюминиевых, образуется рыхлая пленка оксида, не предохраняющая металл от дальнейшего окисления.

Магниевые сплавы имеют высокое временное сопротивление (150—350 МПа), относительное удлинение (3—9 %) и твердости (НВ 30—70).

 Магниевые сплавы хорошо  работают при динамических нагрузках, имеют удовлетворительную коррозионную  стойкость способны работать  с высокими нагрузками при  температурах 200 - 300 °С, хорошо обрабатываются резанием.

Механические свойства магниевых сплавов значительно повышаются после упрочняющей термической обработки.

Магниевые сплавы имеют низкие литейные свойства (пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку, склонны к образованию трещин) главным образом из-за большого интервала кристаллизации.

Для предотвращения загорания магниевого сплава в литейной форме в состав формовочных смесей вводят защитные присадки.

Отливки из магниевых сплавов широко используют в автомобильной промышленности, текстильном машиностроении, приборостроении, авиационной и ракетной технике и др. Из этих сплавов изготовляют корпуса насосов, детали арматуры, бензомасляную аппаратуру, корпуса приборов и инструментов, корпуса тормозных барабанов, и колес и т.п.

Магниевые сплавы пригодны для работы при криогенных, нормальных и повышенных температурах. Благодаря малой плотности, высокой удельной прочности, способности поглощения энергии удара и вибрационных колебаний, отличной обрабатываемости резанием Магниевые сплавы широко используются в промышленности, прежде всего для снижения массы изделий, повышения их жёсткости. Магниевые сплавы применяются в автомобильной, тракторной промышленности (картеры двигателей, коробки передач, барабаны колёс и другие детали), в электротехнике и радиотехнике (корпуса приборов, детали электродвигателей), в оптической промышленности (корпуса биноклей, фотоаппаратов), в текстильной промышленности (бобины, шпульки, катушки), в полиграфии (матрицы, клише, валики), в судостроении (протекторы), в авиационной и ракетной технике (детали колёс, детали управления и крыла самолёта, корпусные детали двигателей) и во многих других отраслях техники. Основное ограничение в применении Магниевые сплавы — пониженная коррозионная стойкость в некоторых средах.

Список литературы

1. Альтман М. Б., Лебедев А. А, и Чухров М. В., Плавка и литье легких сплавов, 2 изд., М.: Металлургия, 1969, 586с.
2. Белоусов Н.Н.  Плавка и разливка сплавов цветных металлов. - Л.: Машиностроение,1981.- 80с.
3. Воздвиженский В.М. Литейные сплавы и технология их выплавки в машиностроении. - М.: Машиностроение ,1984.- 432с.
4. Галдин Н. М. Литниковые системы для отливок из легких сплавов. 13 изд.        - М.: Высшая школа,1999.-420с.
5. Гитов Н. Д., Степанов Ю. А. Технология литейного производства. Учебник для техникумов.- М.: Металлургия, 1970, 570с.
6. Липницкий А.М., Морозов И.В. Технология цветного литья. - Л.: Машгиз ,1986.- 224с.
7. Никулин Л. В., Липчин.Т. Н., Заславский М. Л. Литье под давлением магниевых сплавов. 14 изд. М.: Металлургия, 2000, 356с.
8. Рейнор Г. В., Металловедение магния и его сплавов, перевод с английского, - М.: Высшая школа,1989.-400с.