Розробка технології плавки і розливки магнієвих сплавів на основі дослідження фізико-хімічних характеристик компонентів сплавів

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Застосування  захисних середовищ

 

     Спосіб  захисту магнієвих сплавів за допомогою флюсів відрізняється  простотою й надійністю, але має ряд недоліків: флюс окиснюється, бгається й твердіє, плівка флюсу порушується й втрачає свої захисні властивості [3].

     Наведена  схема обладнання для бесфлюсовой  плавки магнієвих сплавів з використанням  порошкоподібної сірки, з якої при  згорянні утворюється сірчистий  ангідрид – рис. 3.1. 

     

 

1. Розплавлена сірка;
2. труба для подачі стисненого повітря;
3. піч;
4. сталевий тигель;
5. магнієвий сплав.

     Рис. 3.1- Схема обладнання для бесфлюсовой плавки магнієвих сплавів з використанням сірки.

     При зачерпуванні сплаву плівка флюсу може потрапити у виливок, що створює небезпеку флюсової корозії, у результаті чого стійкість відливків знижується. Хлор, що виділяється, пари й пил від флюсів викликають також корозію ливарного устаткування.

     Останнім  часом з'являється підвищений інтерес  до застосування газоподібних середовищ  для захисту від окиснення й загоряння розплаву, тобто, до впровадження бесфлюсової плавки магнієвих сплавів.

     Аналогічне  обладнання передбачає можливість бесфлюсової плавки магнієвих сплавів шляхом захисту дзеркала сплаву безпосередньо струменем сірчистого ангідриду - рис.3.2. 

 

1. Обладнання для подачі сірчистого ангідриду;
2. піч;
3. сталевий тигель;
4. магнієвий сплав.

     Рис. 3.2 - Схема подачі сірчистого ангідриду  для захисту поверхні розплаву від  окиснення.

     Для створення захисної атмосфери на практиці застосовують:

• вуглекислий газ,
• аргон,
• сірчистий ангідрид.

     Найбільш  діючим засобом захисту є шестифтористая сірка SF6 (елегаз) - важкий газ, неотруйний, без кольору й запаху, не горить і не підтримує горіння. Нетоксичність елегазу є істотною, перевагою в порівнянні із сірчистим ангідридом,

       Захисна дія елегазу заснована  на взаємодії з розплавом, у  результаті чого утворюється  непроникна поверхнева плівка фторидів магнію, що володіють здатністю миттєво відновлюватися навіть після багаторазового видалення. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.  Плавка магнієвих сплавів 

     Для плавки магнієвих сплавів застосовують тигельні печі з виймальним або стаціонарним тиглем місткістю 200-450 кг або відбивні печі великої місткості. При цьому після розплавлювання всієї шихти сплав переливають у тигельні роздавальні печі, у яких проводиться його рафінування.

     У розігрітий тигель або піч завантажують невелику кількість розмеленого флюсу й близько половини всієї кількості магнію, поверхня якого також засипається флюсом. Після розплавлення першої порції магнію поступово завантажують решту магнію. Потім, коли розплавиться весь магній, у сплав при температурі 680-700°С уводять попередньо дрібно роздроблену лігатуру алюміній-марганець.

     Марганець у магнієві сплави вводять при  температурі 850°С у вигляді суміші металевого марганцю або хлористого марганцю  флюсом ВИЗ (див. табл.2.2). Потім у тигель поступово завантажують повернення. Протягом усього процесу плавки поверхня сплаву повинна бути покрита шаром флюсу ВИЗ.

     Цинк  вводять наприкінці плавки при температурі розплаву 700-720 °С. При тій же температурі в сплав вводять бериллий у вигляді лігатур магній - бериллий або марганець-алюміній-бериллий або у вигляді фторбериллата натрію. Лігатури, що містять бериллий, уводять у сплав до рафінування, а фторбериллат натрію - під час рафінування.

     Церій, будучи компонентом деяких нових  магнієвих сплавів, входить до складу мишметалла, що має наступний склад (%): 45-55 церію, до 20 лантану, 15 заліза, решта - рідкісноземельні елементи першої групи. При розрахунках шихти враховують сумарний вміст усіх рідкісноземельних елементів. Мишметалл додають у розплав після рафінування за допомогою металавої сітчастої ємкості, що заглиблюється в розплав на глибину 70-100 мм.

     Цирконій  уводять у сплав у вигляді  фторцирконата натрію при температурі 850-900 °С.

Якщо в магнієвий  сплав необхідно ввести значну кількість  цирконію, як, наприклад, у новий ливарний сплав МЛ12, що містить: 4-5% Zn, 0,6-1,1% Zr, решта - магній, доводиться користуватися так званою шлак-лігатурою.

     Для готування шлак-лігатури використовують шихту наступного складу, %:

• 50 фторцирконата калію;
• 25 карналіта;
• 25 магнію.

     Шлак-лігатуру готують одночасно у двох тиглях. В одному тиглі розплавляють карналіт і після припинення бурління при температурі 750-800°С замішують фторцирконат калію до одержання однорідної розплавленої маси. Потім у цю суміш вливають розплавлений в іншому тиглі магній, нагрітий до 680-750°С. Отримана шлак-лігатура містить 25-50% цирконію.

     Заключною стадією плавки будь-якого магнієвого сплаву є обробка його в рідкому  стані з метою рафінування, а  також модифікування структури.

     Рафінування магнієвого сплаву проводять після  введення всіх легуючих добавок і  доведення температури розплаву до 700-720 °С.

     Лише  у випадку обробки магнієвого сплаву фторбериллатом натрію температура  нагрівання сплаву перед рафінуванням підвищується до 750-760°С.

     Звичайне  рафінування роблять шляхом перемішування сплаву сталевою ложкою або шумівкою протягом 3-6 хв.; при цьому поверхня розплаву посипають розмеленим флюсом ВИЗ. Перемішування починають із верхніх шарів сплаву, потім ложку поступово опускають униз, не доходячи до дна приблизно на 1/2 висоти тигля. Рафінування вважається закінченим, коли поверхня сплаву здобуває блискучий, дзеркальний вид. По закінченню рафінування з поверхні сплаву зчищають флюс, а дзеркало сплаву знову покривають рівним шаром свіжої порції розмеленого флюсу ВИЗ. Потім магнієві сплави, крім сплавів МЛ4, МЛ5 і МЛ6, нагрівають до 750-780°С и витримують при цій температурі протягом 10-15 хв.

     Магнієві  сплави марок МЛ4, МЛ5 і МЛ6 перед  розливанням піддають модифікуванню. Після зняття з поверхні сплаву забруднень, що утворювалися при модифікуванні, і після засипання поверхні розплаву свіжою порцією флюсу ці сплави витримують, при цьому температура знижується до 650-700 °С, потім роблять заливання  форм.

     У ході плавки ретельно спостерігають  за станом поверхні рідкого сплаву. Якщо сплав починає горіти, його необхідно засипати порошкоподібним  флюсом за допомогою пневматичного флюсорозпилювача.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Дегазація магнієвих сплавів

 

     З метою підвищення корозійної стійкості  й механічних властивостей магнієвих  сплавів розроблено кілька способів обробки їх у рідкому стані, наприклад, спосіб послідовної обробки ванни рідкого сплаву кальцієм і гексахлорэтаном. Зазначену обробку здійснюють за наступною технологією: кальцій у кількості 0,1% уводять у сплав після його рафінування при температурі 750 °С. Навісок кальцію поміщають у дзвіночок, який занурюють у сплав на 2/3 глибини тигля. Через 10 хв. після введення кальцію, сплав обробляють гексахлоретаном при температурі 750-780°С. Навісок гексахлоретана в кількості 0,07-0,1% від маси шихти загортають в алюмінієву фольгу або тонкий папір і поміщають у дзвіночок, який занурюють також на 2/3 глибини тигля й потім переміщають у ньому. По закінченню реакції з поверхні сплаву знімають шлаки, сплав покривають шаром флюсу залежно від того, який застосовують тигель - стаціонарний або виймальний. Сплав у тиглі піддають короткочасному рафінуванню протягом 1-1,5 хв. ( при місткості тигля близько 300 кг). Після повторного рафінування сплав витримують протягом 15 хв., після чого він готовий до розливання по формах.

     Послідовна  обробка магнієвого сплаву кальцієм і гексахлоретаном підвищує щільність відливків і дозволяє різко поліпшити їхні механічні властивості [4].

     Магнієві  сплави в процесі їх плавки й розливання поглинають найбільшу кількість водню в порівнянні з іншими сплавамі кольорових металів. Наприклад, якщо в алюмінієвих сплавах вміст водню становить 1-5 на 100 г сплаву, то в магнієвих сплавах кількість водню може доходити до 20-30 на 100 г сплаву.

     Виходячи  з уявлення про методи дегазації алюмінієвих сплавів, слід припустити, що магнієві сплави можна дегазувати тими ж способами, що й алюмінієві.

     Останнім  часом проведено ряд робіт, які дозволили встановити можливість рафінування магнієвих сплавів за допомогою продувки їх у розплавленому стані деякими газами. Найбільш перевіреним способом дегазації магнієвих сплавів виявився метод продувки через розплав інертних газів (гелію, аргону), а також хімічно активних газів: хлору й азоту.

     Дегазація інертним газом. Продувку сплаву інертним газом проводять при температурі 740-750°С. Швидкість продувки встановлюється такий, щоб привести до інтенсивного перемішування розплаву без виплескування сплаву на стінки й борту печі. Час продувки для зниження змісту водню в магнієвому сплаві ( до 8-10 на 100 г сплаву) становить 30 хв. Більш тривала дегазація сплаву приводить до деякого укрупнення зерна в структурі матеріалу виливків.

     Дегазація азотом. Дія азоту при дегазації  магнієвих сплавів аналогічно дії  інертного газу. Однак при проходженні  пухирців азоту через сплав відбувається часткова взаємодія сплаву з газом  і утворюється нітрид магнію, що приводить до деякого забруднення  сплаву неметалічними включеннями. Продувку магнієвих сплавів азотом здійснюють при температурі 660-685 °С. Під час продувки сплаву в цьому інтервалі температур не відбувається інтенсивної хімічної реакції. При більш високих температурах ( понад 700 °С) іде активне утворення нітриду магнію. Продувку сплаву в тиглі місткістю близько 1 т роблять протягом півгодини через сталеву трубку діаметром 20 мм. При цьому трубка повинна перебувати на відстані 150-200 мм від дна тигля. По закінченню дегазації сплав переливають у роздавальні тиглі, очищають дзеркало сплаву, після чого сплав піддають рафінуванню й модифікуванню. Перед операцією модифікування можливе проведення додаткової дегазації сплаву при температурі 740-760°С продувкою хлору зі швидкістю, що викликає невелике перемішування сплаву. Продувку ведуть протягом 3-5 хв. при невеликому надлишку хлору.

     Дегазація хлором або сумішшю хлору із чотирьоххлористим вуглецем. При проходженні пухирців хлору через сплав, хлор вступає в реакцію з магнієм, утворюючи хлористий магній. Температуру сплаву при хлоруванні підтримують звичайно в межах 740-760°С. Зміна швидкості хлорування в межах 2,5-8 л/хв. не виявляє помітної дії на розміри зерна й механічні властивості сплаву, якщо кількість хлору, що пропускається, залишається постійною і не перевищує 3% від маси сплаву. Більш високий відсоток хлору приводить до укрупнення зерна в структурі виливків і до деякого зниження механічних властивостей.

     Іноді дегазація хлором сполучається з  операцією модифікування сплаву. У цьому випадку через сплав  продувають 1-1,5 % ( від маси плавки) хлору разом з 0,25 % чотирьоххлористого вуглецю. Температура сплаву при такому способі 690-710 °С.

     Дегазація магнієвих сплавів за допомогою  хлору або суміші хлору із чотирьох хлористим вуглецем має недоліки. З них найбільш серйозним є те, що хлор токсичний (отрутний) і застосування його пов'язане з небезпекою отруєння працюючих, тому що при використанні хлору із чотирьох хлористим вуглецем утворюється деяка кількість фосгену, що є сильною отруйною речовиною. 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Модифікування магнієвих сплавів