книги из ГПНТБ / Вяткин И.П. Рафинирование и литье первичного магния

Уравнение теплового баланса системы следующее:

/в= 5° С.

Как видно из табл. 33, большая часть тепла металла аккумулируется изложницей.

З а т в е р д е в а н и е с л и т к а

Затвердевание слитка на конвейере можно характери­ зовать как процесс всестороннего охлаждения: залитый в изложницу объем жидкого металла соприкасается с пя­ ти сторон со стенками изложницы, а сверху — с окружа­ ющим воздухом или газом. Интенсивность теплообмена с различных сторон и определила скорость и направле­ ние роста кристаллов и скорость нарастания толщины ко­ рочки слитка.

Продолжительность затвердевания слитков цветных металлов малого объема по сравнению со стальными крупными слитками намного меньше. Поэтому для полу­ чения надежных результатов затвердевание изучали по изменению температуры вмораживаемыми термопарами, по изменению толщины корочки, замеряемой после выливки жидкого остатка, по моменту затвердевания «пос­ ледней капли» жидкого металла.

По изменению температуры в точках 1 и 2 (рис. 44) качественно смогли определить, что наибольший отвод тепла направлен вниз, поскольку продвижение фронта кристаллизации происходит последовательно через точки

2 и 1.

По затвердеванию «последней капли» визуально оп­ ределяли продолжительность затвердевания слитка. Для этого через несколько секунд после заливки и образова­ ния поверхностной корочки ее пробивали. После выхода на поверхность жидкого металла по корочке слитка на­

133

носили легкие частые удары, под действием которых жид­ кость перемещалась на поверхность слитка и обратно. Момент прекращения выхода жидко'го металла на по­ верхность фиксировался по времени. В результате мно­ гочисленных опытов нашли, что продолжительность пол­ ного затвердевания слитка в изложнице составляет в среднем 225 с. Сопоставляя это время с продолжительно­ стью II зоны, видно, что после полного затвердевания слиток находится в изложнице не более 16 с. Это свиде-

Рис. 44. Изотермы затвердевания слитка магния в изложнице. Цифры на кривых обозначают время затвердевания, с

тельствует об ограниченных возможностях конвейера по увеличению скорости движения изложниц.

Для определения скорости затвердевания жидкий ме­ талл, залитый в изложницу, через определенные проме­ жутки времени выливали. Выливку осуществляли обыч­ нымопрокидыванием и вакуумным отсасыванием.

Поскольку отсасывание производили в одной точке, то верхняя корочка, образующаяся в результате тепло­ отвода в воздух, по мере удаления жидкого остатка опу­ скалась вниз и соединялась с корочкой, растущей снизу. Замер обеих корочек производили после травления макротемплетов.

На рис. 44 показано, как с течением времени изменя­ лась толщина корочки металла. Температура металла и изложницы, а также условия заливки были неизменными. Штриховыми линиями показана верхняя граница верх­ ней корочки. В момент, соответствующий 180 с, верхняя корочка оказалась достаточно прочной, чтобы при уда­ лении из-под нее жидкого остатка под собственной мас­ сой не опуститься вниз;

134

Замеры толщины корочки производили в четырех ме­ стах каждого темплета: толщину верхней, нижней и бо­ ковых корочек замеряли в направлении, перпендикуляр-

В ремя, с

Рис. 46. Изменение скорости кристаллизации в процессе затвердевания:

1, 2, 3, 4 — см. рис. 45

135

жается — до 0,1—0,15 мм/с, а к концу затвердевания увеличивается вновь в связи с уменьшением отношения объема жидкости к поверхности охлаждения.

Некоторое различие в характере роста корочки от боковой стенки и от днища можно объяснить изменени­ ем профиля слитка при его затвердевании. Большая ско­ рость роста корочки в углах, обусловленная отводом теп­ ла по двум направлениям, вызывает и меньшую же­ сткость корочки в центре поперечного сечения. В резуль­ тате этого корочка при охлаждении и сокращении разме­ ров изгибается и между нею и изложницей в середине сечения образуется зазор, как и между боковой стенкой и корочкой слитка. Однако нижняя корочка слитка, бу­ дучи толще в связи с более толстой нижней стенкой из­ ложницы, под собственной массой и массой лежащего выше металла прижимается к нижней стенке. Боковая же корочка меньше подвержена давлению металла. Это и приводит к меньшей скорости ее роста в начале процесса. В дальнейшем превышение скорости кристаллизации ко­ рочки сбоку объясняется тем, что при замере толщины корочки от боковой поверхности замеряется зона, в кото­ рой преобладает вертикальный рост кристаллов снизу.

Следует отметить, что усилия, возникающие при усад­ ке и изменяющие профиль слитка, разрывают порой тон­ кую верхнюю корочку , и вызывают усадочные трещины. Эти усилия возникают поперек и вдоль слитка. Послед­ ние нередко ведут к заклиниванию слитка в изложнице.

Рост верхней корочки можно характеризовать прямой линией, а скорость ее кристаллизации составляет не более 0,03 мм/с.

Под верхней корочкой иногда наблюдаются раковины усадочного происхождения, о чем свидетельствует их гладкая поверхность. При высокой температуре окружаю­ щего воздуха верхняя корочка к моменту вырастания нижней корочки и использования всей жидкости для за­ полнения усадочных пустот не имеет прочности, достаточ­ ной для сопротивления атмосферному давлению, и про­ гибается, соединяясь с нижней корочкой. При низкой же температуре воздуха верхняя корочка образуется быст­ рее и к моменту подхода фронта кристаллизации снизу противостоит атмосферному давлению и внутри слитка образуется полость. Горячая изложница также способст­ вует образованию усадочной раковины.

137

О с о б е н н о с т и к р и с т а л л и з а ц и и

Была изучена структура рафинированного магния Мг и сплава МГС1.

Темплеты отрезали от слитков, шлифовали и протрав­ ливали 15%-ным водным раствором азотной кислоты.

Рис. 48. Макроструктура поперечного (а) и продольного (Ь ) сечения слитков рафинированного магния н сплава МГС1 (б)

Для выявления дендритной структуры макрошлиф до­ полнительно травили 5%-ным раствором щавелевой кис­ лоты.

Последовательность роста кристаллов можно просле­ дить на рис. 48, а. От днища и стенок изложницы, нор­

138

мально к поверхности теплоотвода, как правило, начина­ ют расти столбчатые кристаллы, прорастающие почти на всю высоту слитка.

Образование зазора снизу и с боков меняет картину: наибольшую скорость роста приобретают кристаллы, ра­ стущие от участков контакта в углах слитка.

Кристаллы, растущие от днища и с боков, образуют зону стыка и в связи с меньшим теплоотводом вверх, что обусловливает расположение «мешка» жидкого металла в конце затвердевания под самой поверхностной короч­ кой, боковые кристаллы изменяют направление роста.

Подобная картина кристаллизации наблюдается так­ же при рассмотрении продольного темплета ("рис. 48).

Особенность макроструктуры магния и сплавов, от­ литых на конвейере, ■— наличие «дождя» дендрптов, об­ разующихся на открытой поверхности слитка и падающих в жидкость до момента образования верхней корочки.

На рис. 48, а и б изображена макроструктура по­ перечного сечения слитков рафинированного магния и сплава МГС1, отлитых на конвейере в одинаковых усло­ виях.

Наблюдения показывают, что по сравнению со струк­ турой магния верхняя корочка сплава имеет более тон­ кую разветвленную структуру.

Основное поле слитка магния (рис. 48,а) состоит из столбчатых кристаллов с расположенными на расстоя­ нии 2/3 от верха слитка одиночными мелкими дендрита­ ми. Последние находятся обычно в основании зерна, ра­ стущего вверх.

В сплаве (рис. 48, б) наблюдается очень интенсивное образование дендрптов на открытой поверхности слитка и их падение в виде дождя. Явно выраженная зона круп­ ных округлых дезориентированных дендрптов распола­ гается в центре слитка и имеет овальную форму, опре­ деляемую различной длительностью наличия жидкой фа­ зы в разных частях слитка. В связи с этим в центре денд­ риты успели упасть глубже, чем сбоку слитка. Следует отметить идентичность строения верхней корочки и упав­ ших дендрптов, что подтверждает образование дендритов на открытой поверхности.

При сравнении макроструктуры слитков, отлитых на конвейере при неизбежном колебании жидкого металла в изложнице и иногда сильных толчках (рис. 48, а ) со слитками, отлитыми в отдельную стационарную излож-

139

і-шцу, выявлено следующее (о характере разливки мож­ но судить по виду краев слитка — при конвейерной раз­ ливке края острые).

1. В слитке магния, отлитом в стационарную излож­ ницу, дендритов ни в корочке, ни в основном поле не об­ наружено. Кристаллы везде столбчатые крупные. При конвейерной разливке видны одиночные упавшие денд­ риты; вся структура несколько тоньше (рис. 48, а).

2.В слитке сплава при литье в стационарную излож­ ницу верхняя корочка имеет очень тонкую разветвлен­ ную структуру, однако упавших кристаллов очень мало

иони мелки. Структура сплава, отлитого на конвейере, рассмотрена выше (рис. 48, б ) .

3.Предполагалось, что значительные изменения ст­ руктуры возникают при снятии пленки с поверхности слитка. Однако эта операция не оказывает большого вли­ яния ни на количество, ни на глубину падения дендритов. Следует отметить лишь плохую травимость неснятой

окисной пленки.

Таким образом, при исследовании кристаллизации магния и сплава, разливаемых на конвейере, выявлено следующее:

1)характер строения верхней корочки различных ме­ таллов неодинаков: у сплава корочка имеет более развет­ вленную дендритную структуру;

2)при разливке на конвейере, сопровождающейся

сотрясением жидкого металла, происходит падение денд­ ритов, образующихся на открытой поверхности слитка, причем у сплава падение более интенсивное, чем у чисто­ го магния;

3)при разливке в неподвижную изложницу у сплава наблюдается падение одиночных мелких дендритов, у чи­ стого магния мелких дендритов нет;

4)операция по снятию пленки практически не влияет

на интенсивность «дождя» дендритов.

2. ОСОБЕННОСТИ КОНВЕЙЕРНОЙ РАЗЛИВКИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Как мы указывали ранее, магниевые сплавы двух си­ стем Mg — Mn и Mg — Al — Zn — Mn выпускают в чуш­ ках.

Разливка магниевых сплавов в отличие от разливки чушек магния имеет существенные особенности метал­ лургического характера.

140

Сплавы системы Mg — Al — Zn —Mn, наиболее упот­ ребляемые для изготовления отливок, имеют широкий интервал кристаллизации. Так, температура ликвидуса и солидуса сплава МЛ4 составляет соответственно 610 и 400° С [1], т. е. интервал кристаллизации сплава 210°С. Поэтому необходимо охлаждать чушку сплава в излож­ нице до более низкой температуры, чем чушку магния, во избежание вытекания жидкой фазы при извлечении

также из-за большей горячеломкости отливок из этого сплава, поскольку при выпадении из изложницы конвей­ ера на приемный лоток чушка может разрушиться. Это осложняет условия разливки сплавов и требует предва­ рительных технологических и теплотехнических исследо­ ваний.

Основной целью нашего исследования было установ­ ление технологического режима работы литейного кон­ вейера, при котором бы обеспечивалось затвердевание сплава и охлаждение чушки до нужной температуры и нормальная тепловая работа изложниц.

Анализ статей расхода и прихода тепла при состав­ лении баланса слитка и изложницы (табл. 34) показал, что при литье сплавов с большим интервалом кристалли­ зации изложница испытывает большие тепловые удары,

141

продолжительность нахождения слитка сплава в излож­ нице в два раза больше, чем слитка магния, при этом ос­ новная часть тепла аккумулируется изложницей. Это ве­ дет к необходимости более интенсивного охлаждения из­ ложницы водой для снятия аккумулированного ею тепла.

Таким образом, изложницы для отливки сплавов с широким интервалом кристаллизации будут работать в более жестких тепловых условиях, чем при литье магния.

Проведенные исследования на основании балансов и данных, полученных при снятии температурных полей из­ ложницы и слитка, позволили рекомендовать следующий технологический режим литья чушек на конвейере:

Полученные теплотехнические и технологические пока­ затели могут быть взяты за основу и при разливке про­ текторов или других изделий ■на конвейере из сплавов магния системы Mg — Al — Zn — Mn.

Г л а в а IX

НОВОЕ В ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. ПРОИЗВОДСТВО ПРОТЕКТОРОВ

Критериями, определяющими эффективность и прак­ тическую применимость протекторных и, в частности, магниевых сплавов, являются: высокий и стабильный электроотрицательный потенциал; высокий и стабильный выход по току; невысокая стоимость и недефицитность компонентов протекторных сплавов; простота технологии изготовления и удовлетворительные механические свой­ ства.

142