Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Производство отливок из сплавов цветных металлов». Сушко Т.И

Условия плавки магниевых сплавов весьма сложные, вследствие легкой окисляемости их. Образующаяся окисная пленка рыхлая, неплотная, она не предохраняет сплав от окисления и загорания.

Другая сложность – взаимодействие сплавов с азотом, образование нитридов и интенсивное поглощение водорода. Окислы и нитриды, не растворяющиеся в расплаве, ухудшают механические свойства отливок.

Для защиты от окисления при плавке применяют флюсы. В табл. 3 приведен состав некоторых из них.

Таблица 3 Состав некоторых флюсов для плавки магниевых сплавов, %

29

Расход флюса (напр., ВИ2) составляет 5-10 % массы шихты. Бесхлоридные флюсы ФЛ1, ВАМИ 1, ВАМИ5 позволяют рафинировать расплавы от хлористых солей.

Их наносят на поверхность расплава после рафинирования хлоридными флюсами для защиты сплавов от загорания.

Магниевые сплавы плавят в тигельных, отражательных и индукционных печах промышленной частоты, футерованных магнезитом. Широко используют стальные тигли.

В зависимости от масштаба производства и веса отливок применяют три способа плавки магниевых сплавов:

а) в стационарных тиглях (обычно отливаются из углеродистой стали);

б) в выемных тиглях (преимущественно сварных); в) дуплекс-процессом (отражательная печь - тигель; индук-

ционная печь - тигель).

Технология приготовления сплава для всех способов почти одинакова, но имеются некоторые различия в оборудовании, технологии заливки и составе применяемых флюсов.

Плавка в стационарных тиглях применяется в массовом (крупносерийном) производстве мелких отливок. Сплавы в этом

30

случае расплавляют под слоем флюса в толстостенных литых тиглях. После рафинирования и модифицирования металл (ручными ковшами) разливается по формам.

Остаток металла (20-50 °/о объема расплава), загрязненный окислами и флюсами, сливают после каждой плавким и используют для приготовления подготовительных сплавов.

Сплавы для крупных отливок выплавляют в выемных тиглях и дуплекс-процессом с применением флюса ВИЗ. После проведения всех операций по рафинированию и модифицированию тигель извлекается из печи и транспортируется к месту заливки.

При дуплекс-процессе плавка ведется в отражательных или индукционных печах емкостью 0,5-3 т под слоем флюса, после чего расплав слипается в выемные тигли для рафинирования и модифицирования. Исходные шихтовые материалы для выплавки магниевых сплавов включают:

а) первичные сплавы (чушки), выпускаемые металлургическим заводом;

б) предварительные сплавы и чушки готового сплава собственного производства, вплавляемые из первичных металлов с добавкой переплава литников, сплесков и других отходов;

в) рабочие сплавы - жидкие расплавы, приготовленные для заливки форм.

Шихтовые материалы, пораженные коррозией, покрытые - окислами и маслом, должны тщательно очищаться дробью (либо химическими способами).

Мелкие отходы и стружка магниевых сплавов после переплавки, рафинирования и модифицирования разливаются в чушки, используемые 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 рекомендации, приведенных в табл. 4.

31

Таблица 4 Рекомендуемы расчетный состав шихты для предварительных и рабочих сплавов на магниевой основе, предназначенных для фа-

сонного литья

Для приготовления литейных магниевых сплавов применяются лигатуры следующего состава, %:

1)алюминий - марганец, (8-12% марганца);

2)алюминий - магний - марганец (соответственно осталь-

ное, 20 %, 10 %);

3)алюминий - бериллий (2-3 %);

4)алюминий - магний - бериллий (соответственно остальное, 35 °/о и З %); 5) магний - марганец (2-4 %).

Химический состав магниевых сплавов в чушках регламентируется ГОСТ 2581-78.

Для приготовления магниевых сплавов в качестве шихтовых материалов применяют первичные металлы - магний первичный (ГОСТ 804-93), алюминий первичный высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-74), цинк (ГОСТ 3640-94), марганец металлический (ГОСТ 6008-82) кадмий, литий, лигатура (см. выше), сплавы магниевые первичные в чушках; сплавы предварительные,

атакже отходы производства.

Расчет шихты следует вести, исходя из химического состава заданного сплава, из наличия конкретных компонентов шихты, из величины угара (пригара) элементов в исходных составляющих. В настоящей работе состав сплава и все исходные данные задаются студентам при подготовке.

Порядок плавки магниевых сплавов обычно принимается следующий. В разогретый тигель (или печь) загружают небольшое

32

количество размолотого флюса и около половины всего количества магния, поверхность которого также засыпается флюсом. После расплавления первой порций магния постепенно загружают остальное количество магния. После расплавления всего магния в сплав при температуре 680-700 °С вводят предварительно мелко раздробленною лигатуру алюминий - марганец.

Марганец в магниевые сплавы вводят при температуре 850 °С в виде смеси металлического марганца или хлористого марганца с флюсом ВИЗ.

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 этой же температуре в сплав присаживается бериллий в виде лигатур магний - бериллий или марганец - алюминий - бериллий или в виде фторбериллата натрия (NaBeF2 Лигатуры, содержащие бериллий, вводят 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. (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 (Na3ZrF6) при температуре 850-900°С. При необходимости введения в магниевый сплав значительного количества циркония (>1 %) применяют так называемую шлаклигатуру.

33

3.3. Рафинирование

Рафинирование магниевых сплавов имеет целью удаление взвешенных неметаллических включений и водорода (иногда очистку от примесей железа).

Используемые способы рафинирования:

а) отстаивание - самый простой способ, осуществляется при 750 °С. Способ малопроизводителен;

б) флюсовый способ (применяемые флюсы ВИ2 и ВИЗ). Перед рафинированием расплав нагревают до 700 -.720 °С, удаляют покровный флюс и вводят в сплав бериллий или кальций;

На поверхность расплава засыпают порцию (1 % массы расплава) молотого рафинирующего флюса, расплавляют его, замешивают в расплав на 2/3 высоты тигля.

Повышение температуры сплава и времени его выдержки после перемешивания обеспечивает более полное отделение взвешенных частиц. В производственных условиях сплав обычно перемешивают при 700-720 °С в течение 5-6 мин, заменяют флюс свежим, нагревают сплав до 750-780°С, отстаивают 10-15 мин, снижают температуру сплава до 700-680°С, затем запивают в формы;

в) дегазация (продувка газами азотом, аргоном хлором), осуществляется при температурахот 660-б85 до 740-760 °С. Длительность продувки газов от 15-30 мин; расход газа составляет 0,3 - 0,5 м3 на 1 т сплава;

г) тонкая очистка достигается при фильтровании через зернистые фильтры толщиной 100-150 мм, изготовленные из магнезита, графита и др. материалов, которые оказывают и модифицируют действие на сплавы, содержащие А1 (МЛЗ, МЛ5, МЛ6);

д) от железа при помощи присадок Mn, циркония или Тl в количестве 0,3-0,4 % от массы расплава, при температуре 800850 °С. Выдержка в расплаве в течение 20-30 мин при температуре 700 °С. Степень очистки расплава от неметаллических включений кон-

34

тролируют по излому. Черные пятна указывают на присутствие окислов магния.

Газовую пористость отливок можно снизить введением в

расплав 0,1 % Са, образующего с водородом устойчивые гидриды.

3.4. Модифицирование

Модифицирование магниевых сплавов производят для измельчения зерна и повышения механических свойств. По склонности к измельчению магниевые сплавы делятся на трудномодифицируемые (1 группы) и легкомодифицируемые (сплавы II и III группы). Основные способы модифицирования для сплавов труд- но-поддающихся модифицированию (I гр.):

а) модифицирование перегревом. Осуществляется в стальном тигле при 850-900 °С в течение 15-20 мин, после чего металл быстро охлаждается до температуры заливки (680-720 °С) и выпускается из печи. Эффект модифицирования пропадает при длительном (до 1 ч) выстаивании расплава при 680-720 °С.

Повторные перегрев до 850-900 °С вновь приводит к измельчению структуры. Считается, что в расплаве образуются тонкодисперсные включения FeAl3 и MnAl3 (центры кристаллизации).

Перегрев до 1000 °С или медленное охлаждение с оптимальной температурой модифицирования приводят к огрублении зерна. Способ имеет недостатки: снижение производительности печей, повышенный угар металла, большой расход тиглей и топлива. Модифицирование перегревом проходит успешно, если в сплаве содержится железо (0,001 %) и марганец (0,2 %);

б) модифицирование углеродосодержащими веществами (введением в расплав системы Mg-А1-Zn мела, мрамора, магнезита, ацетилена, углекислого газа, гексахлорэтана и др). Вследствие диссоциации карбонатов выделяется углекислый газ, который, взаимодействуя с магнием, восстанавливается до свободного углерода.

35

Последний образует карбид алюминия, мелкодисперсные деления которого являются центрами кристаллизации, измельчающими зерно в отливке

СаСO3 СаO + СОз

2Мn + С02 2MgO + C 4Аl + ЗС А14С3

При модифицировании гексахлорэтаном имеет место реак-

ция

C2Cl6 + 3Mg 3MgCl2 + 2С.

Режимы модифицирования магниевых сплавов приведены в табл. 5.

Достоинство - углеродсодержащих модификаторов: возможность получения мелкого зерна отливок без перегрева расплава выше температуры литья; сокращение расхода топлива; снижение потерь металла на угар; уменьшение расхода тиглей. Недостаток возможное загрязнение расплавов оксидами и водородом, отсюда образование микрорыхлот снижение механических свойств. По этой причине более предпочтительным является применение гексахлорэтана. Данный способ модифицирования широко применяют в промышленности при производстве фасонных отливок;

в) модифицирование хлорным железом. Способ применяют для системы Mg-А1-Zn-Mn. После прохождения обменной реакции

2FeCl3 + ЗMg 3MgCl2+ 2Fe.

36

расплав перегревают до 800-830 °С, выдерживают 10-15 мин и быстро охлаждают до температуры заливки. Преимущества способа (по сравнению с перегревом): сокращение на 20-30 % длительности плавки, на 10-30% снижается расход энергии, на 25-30 % повышается срок службы стальных тиглей. Способ практически не применяется из-за снижения коррозионной стойкости сплавов. В сплавах без алюминия измельчение зерна достигается присадками циркония или кальция (или другими модификаторами, табл. 5).

3.5.Порядок проведения работы

1.Рассчитать состав шихты и количество модификаторов для приготовления заданного сплава.

2.Ознакомиться с устройством, работой и техникоэкономическими показателями плавильного агрегата, используемого на предприятии для выплавки магниевых сплавов.

3.Ознакомиться с технологической документацией по проведению процесса плавки магниевых сплавов.

4.Наблюдать технологический процесс плавки магниевого сплава: подготовку шихты, флюсов, модификаторов, загрузку, расплавление, рафинирование, модифицирование, взятие пробы. Вести хронометраж плавки,

5.Ознакомиться с методами и средствами контроля по ходу выплавки магниевого сплава и методами выявления структуры сплава.

6.Ознакомиться с составом и свойствами применяемых материалов компонентов шихты, флюсов, модификаторов.

3.6.Содержание и оформление отчета о работе

1.Изложить цель работы.

2.Привести расчет шихты, флюсов и модификаторов.

3.Дать краткое описание технологии плавки, рафинирования и модифицирования магниевых сплавов.

38