Производство отливок из сплавов цветных металлов. Раздел оптимизация состава плавильной шихты. Учебное пособие

ры Al–Mn (8…10 %) либо в виде хлористого марганца при 850 °С (в трехкратном против расчетного количестве). Цирконий также вводят с помощью лигатур Mg–Zn–Zr (6…7 % Zn, 20…25 % Zr) и Mg–Zr (15…20 % Zr). РЗМ, как правило, вводят в чистом виде или мишметаллом.

При плавке магниевых сплавов недопустим контакт металла, флюса, а также плавильного инструмента и тигля с влагой, так как это может вызвать воспламенение металла.

Для очистки от неметаллических включений магниевые расплавы фильтруют через зернистые фильтры из магнезита или графита, обрабатывают флюсом ВИ2 или ВИ3 или продувают газами (аргоном при 720…760 С). Для связывания водорода в устойчивые гидриды в расплавы перед разливкой вводят до 0,1 % кальция.

Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевые сплавы, содержащие алюминий, подвергают модифицированию углеродсодержащими веществами (мелом, гексахлорэтаном, магнезитом, мрамором и др.) или перегревом. Перед модифицированием для предохранения от загорания в расплавы вводят 0,001…0,002 % бериллия.

При модифицировании перегревом расплав нагревают

встальном тигле до 900 °С, выдерживают при этой температуре 15…20 мин, а затем быстро охлаждают до температуры заливки (680…720 °С). В процессе перегрева магниевые расплавы растворяют некоторое количество железа из стального тигля. При последующем быстром охлаждении железо выделяется в виде

дисперсных частиц FeAl3, которые служат центрами кристаллизации для твердого раствора алюминия в магнии ( Mg).

Более стабильные результаты достигают модифицированием углеродосодержащими веществами (0,3…0,6 % от массы расплава). При 720…780 °С модификаторы разлагаются с выделением углекислого газа, из которого магний восстанавливает углерод. В результате последующего взаимодействия с алюми-

нием образуются тонкодисперспые карбиды алюминия (Аl4С3), являющиеся центрами кристаллизации для Mg твердого раствора.

Для измельчения зерен сплавов, не содержащих алюминия,

врасплав вводят присадки циркония (0,3…1,0 %).

131

7.1.2. Технологические аспекты плавки магниевых сплавов

Для плавки магниевых сплавов применяют отражательные, индукционные и тигельные печи. Первые два типа печей работают только в дуплексе с тигельными. В них из шихты выплавляют предварительный сплав, а доводку его осуществляют в тигельных печах. В качестве шихтовых материалов используют чистые металлы: магний первичный (Мг90, Мг95 и Мг96), алюминий первичный (А7, А8 и А85), цинк первичный (ЦВ, Ц0 и Ц1); сплавы магниевые в чушках (ММ2, ММ2ч, МА8Ц, МА8Цэ, М8АЦч, МА8ЦБч, МА10Ц1 и МЦр1Н3); лигатуры (Mg–Nd, Mg– Zr, Mg–Y и др.) и отходы собственного производства. Технические требования к этим материалам приведены в разделе 4.

При составлении шихты все первичные металлы и лигатуры рассматривают как свежие. Они более чисты по примесям, чем отходы, поэтому из-за опасности загрязнения сплава примесями установлены следующие показатели освежения:

–для сплавов системы Mg–Al–Zn–Mn – не менее 10 %;

–для сплавов систем Mg–Zn–Zr и Mg–Zn–Zr–РЗМ – не менее 30 %;

–для сплавов системы Mg–Mn–РЗМ – не менее 25 %.

Допустимое количество отходов и переплава в составе шихты в зависимости от степени ответственности литья составляет от 10 до 50 %. При этом количество стружки не должно превышать 15 %.

Магниевые сплавы повышенной чистоты выплавляют с использованием первичного магния марок Мг95 и Мг98, а также чушкового магниевого сплава ММ2ч.

Первичный магний марок Мг95 и Мг98 предпочтительнее применять при выплавке магниевых сплавов, содержащих цирконий. В них содержится меньше железа и кремния, чем в других марках первичного магния, и потому обеспечивается лучшая усвояемость циркония.

Технологический процесс плавки магниевых сплавов, как и алюминиевых сплавов, включает следующие этапы: завалку шихты в печь, расплавление шихты и перегрев полученного расплава, рафинирование и модифицирование.

132

При завалке шихты в первую очередь загружают чушки первичного магния и отходы собственного производства. После их расплавления в печь загружают алюминий, лигатуры и в последнюю очередь цинк и кадмий. Плавку осуществляют под слоем покровно-рафинирующего флюса, основу которого, как правило, составляет карналит (MgCl2 · KCl). Но при выплавке магниевых сплавов, содержащих Zr и РЗМ, нецелесообразно применять флюс, содержащий хлористый магний, так как указанные легирующие элементы взаимодействуют с флюсом, вследствие чего угар их возрастает на 10…25 %.

В расплавленный металл перед рафинированием вводят бериллий в количестве 0,001…0,002 % в виде бериллийсодержащих лигатур. Рафинирование магниевых расплавов осуществляют при помощи флюсов. Для нейтрализации водорода расплав обрабатывают кальцием: он образует с водородом стойкий гидрид. Для очистки от неметаллических включений применяют фильтрование.

Модифицирование магниевых сплавов, содержащих алюминий, производят перегревом или введением модификаторов в виде FeCl3 и углеродсодержащих материалов (графита, мела, мрамора и др.). Модифицирующее действие их связано с образованием интерметаллида FeAl3 и карбида Al4C3, которые выполняют роль дополнительных центров кристаллизации. Теоретические аспекты процессов рафинирования и модифицирования рассмотрены в подразделе 7.1.1.

Угар элементов при плавке магниевых сплавов приведен в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Угар элементов при плавке магниевых сплавов, % отн.

133

7.2. Оптимизация состава шихты при плавке магниевых сплавов

В данном подразделе рассмотрим пример оптимизации компонентного состава шихты при выплавке магниевого сплава МЛ5.

Согласно указаниям раздела 2 задачу оптимизации состава шихты по минимальной стоимости решаем в пять этапов.

На первом этапе определяем расчетный химический состав сплава. Согласно ГОСТ 2856–79 сплав МЛ5 должен иметь химический состав, приведенный в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Химический состав магниевого сплава МЛ5 по ГОСТ 2856–79 (Mg – основа), %

В соответствии с рекомендациями раздела 2 в качестве расчетных элементов включаем все легирующие элементы (Al, Mn и Zn), а в качестве примесей – Si, Fe, Ni, Cu и прочие. При этом не рассматриваем сумму учитываемых примесей (∑Пр), поскольку она складывается из суммы содержаний примесей Si, Fe, Ni, Cu и прочих (Проч). Не включаем в расчет также примеси Be и Zr, так как они могут содержаться в специальных лигатурных материалах.

Таким образом, расчетный состав сплава МЛ5 в соответствии с (2.1) … (2.5) можно записать в виде следующих неравенств:

134

На втором этапе составляем перечень шихтовых материалов, которые можно (или обязательно нужно) использовать при выплавке магниевого сплава марки МЛ5.

Вданном примере рассмотрим вариант составления шихты из чистых металлов с использованием возврата собственного производства в количестве 35 %.

Вкачестве основы сплава в этот перечень входят две марки магния первичного в чушках – Мг90 и Мг95 (ГОСТ 804–93).

Вкачестве алюминийсодержащего компонента используем три марки алюминия первичного технической чистоты А0, А5 и А7 (ГОСТ 11069–2001).

Вкачестве марганецсодержащих компонентов выбираем марганец металлический марок Мн965 и Мн95 (ГОСТ 6008–90).

Вкачестве цинксодержащих компонентов принимаем цинк первичный марок Ц0 и Ц1 (ГОСТ 3640–94).

Втабл. 7.3 приведены сведения о выбранных шихтовых материалах. В возврате содержание легирующих элементов принято как среднее от регламентируемых пределов. В остальных случаях содержание элементов принято как предельное или околопредельное значение.

На третьем этапе устанавливаем угар элементов из шихтовых материалов при плавке сплава МЛ5 в тигельной печи и рассчитываем усредненный химический состав плавильной шихты, который обеспечит требуемый состав сплава.

С учетом данных табл. 7.1 принимаем следующие значения угара элементов:

УMg = 3 %; УAl = 2 %; УMn = 1 %; УZn = 3 %. Угар примесных элементов приравниваем нулю:

УSi = 0 %; УFe = 0; УCu = 0 %. УNi = 0 %. УПроч = 0.

135

Общий угар шихты Уш находим по соотношению (2.25):

При расчете по (7.12) содержание магния находили путем вычитания от 100 % содержания легирующих элементов (Al, Mn и Zn) и содержания прочих примесей (Проч).

Усредненный химический состав плавильной шихты находим по соотношениям (2.16) … (2.19):

136

Таблица 7.3

Сведения о шихтовых материалах для плавки сплава МЛ5

С учетом (7.1) … (7.11) соотношения (7.13) … (7.23) можно за-

137

На четвертом этапе составляют систему расчетных уравнений, которые включают пять групп.

Первую группу образуют балансовые уравнения по основным расчетным элементам в виде (7.24) … (7.29).

Во вторую группу входят балансовые уравнения по контролируемым примесям в виде (7.30) и (7.34).

Третью группу образует балансовое уравнение по количеству шихты в виде (2.24), которое с учетом (7.12) имеет вид

Четвертую группу составляют технологические ограничения, которые имеют вид (2.26) … (2.28). В данном примере ограничимся одним из них, по которому обязательно полное использование возвратных отходов собственного производства. Доля последних зависит от величины выхода годных отливок и обычно составляет 30…40 %. Примем, что она составляет 35 %. Тогда ограничение на полноту использования отходов собственного производства имеет вид

138

Пятую группу образует целевая функция, по которой производится оптимизация состава шихты по критерию минимальной

На пятом этапе проводят решение расчетных уравнений (7.24) … (7.37), которые в развернутом виде с учетом данных табл. 7.3 представлены ниже.

По Si:

0,009 · X1ш + 0,004 · X2ш + 0,5 · X3ш + 0,25 · X4ш +

139

Систему уравнений-неравенств (7.38) … (7.50) с целевой функцией (7.51) решаем симплексным методом линейного про-

140