Работа 38 исследование эффективности различных методов рафинирования магниевых сплавов от оксидных плен и шлаковых включений Общие сведения

Для изготовления фасонных отливок используют магниевые сплавы трех групп.

Сплавы первой группы. Сплавы системы магний—алюминий — цинк (МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6) предназначены для производства высоконагруженных 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 температуре 2,8 %. Цинк также упрочняет магний, но менее эф­фективно, чем алюминий.

Сплавы второй группы. Сплавы системы магний—цинк—цир­коний (МЛ8, МЛ12) также относят к числу высокопрочных. Они отличаются от других групп магниевых сплавов 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 измельченное цирконием зерно, способны упрочняться при термической обработке, из них можно получать отливки с одно­родными свойствами в различных по толщине сечениях.

Сплавы второй группы используют для изготовления отливок, работающих при 200—250 °С и высоких нагрузках.

Сплавы третьей группы. Сплавы системы магний — редко­земельный элемент — цирконий (МЛ10, МЛ11, МЛ19) обладают высокой жаропрочностью и хорошей коррозионной стойкостью. Они предназначены для длительной работы при 250—350 °С и кратковременной работы при 400 °С 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.

Для изготовления отливок чаще других используют сплавы первой группы. Из них лучшими литейными свойствами обладают сплавы МЛ5 и МЛ6. Из них изготовляют высоконагруженные отливки, работающие в тяжелых атмосферных условиях (высокая влажность).

Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей. Сплавы легко окисляются и поглощают много водорода. В отли­чие от алюминиевых сплавов на поверхности расплава образуется рыхлая пленка оксида, не предохраняющая его от окисления и загорания. Окисление замедляется в атмосфере сернистого и угле­кислого газов. При ведении плавки магний и его сплавы взаимо­действуют с азотом, образуя нитриды, и интенсивно поглощают водород. Оксиды и нитриды не растворяются в металле и являются причиной ухудшения механических свойств отливок. Содержание водорода в магниевых сплавах (МЛ4, МЛ5, МЛ6) достигает 34 см³ на 100 г металла.

Легирование магния церием, лантаном, неодимом, литием или иттрием усиливает окисление. Резкое снижение окисляемости достигается введением в расплав 0,002—0,005 % бериллия. При более высоком содержании бериллия в сплавах второй группы наблюдается рост зерна и снижение технологических свойств.

Для защиты от окисления при плавке применяют флюсы, состоящие из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно­земельных металлов. Основой большей части флюсов является карналлит (МgС1₂-КС1). Хлористый барий вводят во флюс в ка­честве утяжелителя, способствующего лучшему отделению флюса от сплава. Фтористый кальций повышает вязкость и увеличивает рафинирующую способность флюса. Оксид магния добавляют в качестве загустителя, облегчающего образование корочки при перегреве.

На отечественных заводах широко применяют флюсы ВИ2 и ВИЗ (табл. 31). Они обладают хорошими защитными и рафини­рующими свойствами при плавке большинства магниевых спла­вов. Флюс, состоящий из хлористого и фтористого лития, исполь­зуют при выплавке магниево-литиевых сплавов. При плавке сплавов с редкоземельными металлами и иттрием используют флюсы, не содержащие хлористого магния, так как в результате обменных реакций 3МgС1₃ + 2Се → 2СеС1₃ + 3Мg и 3МgС1₂ + 2Y → 2YС1₃ + 3Мg имеют место значительные потери редко­земельных элементов и иттрия.

Таблица 31 Состав покровных и рафинирующих флюсов для магниевых сплавов

Флюс	Массовая доля, %
	МgС12	КС1	NaCl	СаС12	ВаС12	СаF2	А1F3	Прочие	Назначение
ВИ2	38—46	32—40	—	10	5—8	3—5	—	<1,5 МgО; <3 Н20	Покровно-рафинирующий для плавки в стационарный печах
ВИЗ	30—40	25—35	—	7	—	15—20	—	7—10 Мg0; <3 Н2О	Покровно-рафинирующий для плавки в выемных тиг­лях
№ 1	—	—	—	—	—	—	—	20 LiF; 80 LiС1	Покровный для сплавов, со­держащих литий
№ 2	—	—	14—21	47—51	26—29	2—5	—	<2 Н20	Покровный для сплавов с редкоземельными метал­лами
№ 3	—	22—26	17—20	35—39	19—23	2—5	—	<2 Н20	То же
ВАМИ 1	—	—	—	—	—	3,5	23,5	40 В203; 38 Na3А1F6	Рафинирующий
ВАМИ 5	—	—	—	—	—	17,5	15,0	17 МgF2; 50 В203
ФЛ5	25—42	20—36	—	—	4—8	0,5—10	3—14	3—11 МgF2; 1,8 В203	Покровно-рафинирующий
ФЛ1						13	40	32 МgF2; 15 В203

В настоящее время разработана технология бесфлюсовой плавки. Защита расплавов от интенсивного окисления при этом осуществляется введением в печ­ную атмосферу 0,1 % шестифтористой серы (SF₆).

Магниевые сплавы плавят в ти­гельных, отражательных и индук­ционных печах промышленной ча­стоты, футерованных магнезитом. Широко используют стальные тигли. В зависимости от масштаба произ­водства и массы отливок применяют три способа плавки магниевых сплавов: в стационарных и выем­ных тиглях, дуплекс-процесс (отражательная печь и тигель или индукционная печь и тигель).

Плавку в стационарных тиг­лях используют в массовом или крупносерийном производ­стве мелких отливок. Стальной литой тигель нагревают до 500 °С и загружают в него флюс ВИ2 до 10 % массы шихты. Флюс расплавляют, а затем небольшими порциями загружают подогретые до 150 °С шихтовые материалы. После рас­плавления шихты расплав нагревают до 700—720 °С и проводят рафинирование и модифицирование. После 10—15-минутной вы­держки расплава отбирают пробы на излом, химический и спек­тральный анализы, а затем металл ручными ковшами разливают по формам. Остаток металла (20—30 % объема расплава в тигле), загрязненный оксидами и флюсом, сливают после каждой плавки и используют для приготовления подготовительных сплавов. Во время переплава сплав рафинируют флюсом.'

При изготовлении крупных отливок плавку ведут в выемных сварных стальных тиглях с перегородкой и дуплекс-процессом. При этом для рафинирования расплава используют флюс ВИЗ. После проведения всех операций рафинирования и модифициро­вания тигель извлекают из печи и транспортируют к месту за­ливки.

При плавке магниевых сплавов недопустим контакт металла, флюсов, плавильного инструмента и другого оборудования с вла­гой, так как это может вызвать воспламенение металла, выбросы из печи или миксера и ухудшение качества отливок. Обязатель­ным является выполнение инструкции по технике безопасности.

Интенсивное взаимодействие магниевых расплавов с печными газами, футеровкой и влагой сопровождается обогащением их оксидами (рис. 74) и водородом, поэтому их всегда подвергают рафинированию.

Самый простой способ отделения неметаллических включений — отстаивание. В основе его лежит процесс седиментации. Примени­тельно к магниевым сплавам отстаивание обычно ведут при 750° С. С увеличением температуры и времени выдержки эффективность очистки возрастает. Однако этот способ малопроизводителен, в особенности в случае отделения мелких включений. Более эф­фективным способом очистки является обработка расплава флю­сами. В основе этого способа лежит процесс адсорбции включе­ний жидкими солями. Эффективность очистки определяется вели­чиной поверхности контакта металла с флюсом и возрастает по мере ухудшения смачиваемости включений металлом в среде флюса и уменьшения межфазного натяжения на границе металл— флюс.

При плавке в стационарном тигле для рафинирования ис­пользуют флюс ВИ2; при плавке в выемном тигле — более лег­кий флюс ВИЗ. Перед рафинированием расплав нагревают до 700 °С, удаляют покровный флюс и вводят в сплав 0,002 % бе­риллия или 0,5 % кальция для предохранения от загорания. Рафинирование осуществляют засыпкой на поверхность расплава порции флюса (~1 % массы расплава), расплавлением и замеши­ванием его в расплав на 2/3 высоты тигля в течение 5—6 мин. После этого скачивают использованный флюс и наносят свежий. Хлористый магний, входящий в состав флюса, смачивает неметал­лические включения, увеличивает их размеры и способствует их осаждению или всплыванию.

Более полное удаление оксидных плен может быть достигнуто пропусканием расплава через жидкие флюсы (см. табл. 31).

Наиболее высокого уровня очистки от неметаллических вклю­чений достигают фильтрованием магниевых расплавов через зер­нистые фильтры из магнезита. Опыт длительного использова­ния магнезитовых фильтров показал, что фильтрование позво­ляет почти полностью ликвидировать брак отливок по оксидным пленам и флюсовым включениям. Эффективность очистки возра­стает по мере уменьшения размера зерен фильтра и увеличения толщины фильтрующего слоя. Технологию фильтрования и рас­положение фильтров при литье магниевых сплавов принимают такими же, как и при литье алюминиевых сплавов.

Качество рафинирования оценивают отношением площади излома технологической пробы F_т.вк, занятой неметаллическими (темными) включениями, к общей F_из площади излома, т. е. коэф­фициентом пораженности излома

К_п=F_т.вк/F_из