коля / u-lectures

круглений и плавные переходы между стенками отливок.

Оптимальная температура заливки магниевых сплавов 680-740 °С. Заливку ведут с помощью дозаторов (рис. 64), обеспечивающих подачу расплава из миксера в форму по обогреваемым металлопроводам или вручную. Для предотвращения загорания струю металла припудривают порошком серы или обдувают защитным газом (сернистый газ, аргон, смесь азота с шестифтористой серой).

Рис. 64. Пневматический дозатор магниевых сплавов: 1 – плавильная печь; 2 – тигель; 3 – крышка тигля; 4 – трубопровод; 5 – нагреватель; 6 – печь дозатора;

7 – крышка дозатора; 8 – датчик уровня; 9, 10 – дозирующее устройство; 11, 12 – нагреватели; 13 – заливочная труба; 14 – форсунка для подачи защитного газа

Особенностью магниевых сплавов является низкая прочность в горячем состоянии. Это вызывает необходимость быстрого извлечения металлических стержней из отливок, а отливок из форм. Как правило, извлечение отливок из кокилей производят при 350-400 °С без резких толчков и ударов.

Конструкции кокилей, материалы для их изготовления, устройство литниковых и вентиляционных систем и многие другие вопросы технологии литья магниевых сплавов близки к алюминиевым сплавам.

Литье под давлением.

Литьем под давлением изготавливают сложные по конфигурации отливки по 1-3-му классам точности преимущественно из сплавов МЛ5 и МЛ6. Эти сплавы обладают самым высоким уровнем литейных свойств среди магниевых сплавов. Особенностью этих сплавов является низкая энтальпия. Поэтому во избежание незаполнения полости формы заливку ведут с высокими скоростями впуска металла в форму при высоком удельном давлении прессо-

вания (70-100 МПа).

Для получения отливок применяют расширяющиеся литниковые системы с отношением площади сечения питателя к площади входного сечения литника, равным 1,3; 1,5 или 2,0. Рекомендуется применение разветвленных

171

внешних и внутренних литниковых систем, обеспечивающих минимальный путь до любой точки отливки.

Большие скорости впуска при литье магниевых сплавов по сравнению с алюминиевыми требуют лучшей вентиляции пресс-форм, что достигается увеличением числа промывников, суммарный объем которых может составлять ½ объема отливки. Промывники не должны сообщаться между собой. Ширина канала, соединяющего полость формы с промывником, составляет 1/2-3/4 длины промывника, а толщина его со стороны отливки 0,2-0,3 мм. Ширину вентиляционных каналов от промывников к наружному краю прессформы принимают равной ширине соединительного канала, а толщину

0,1-0,2 мм.

Для литья используют машины с холодной и горячей камерами прессования. Более перспективны машины с горячей камерой прессования, так как они обеспечивают более высокую производительность и позволяют автоматизировать процесс. Заливку металла в холодные камеры прессования ведут с помощью дозаторов. Оптимальные режимы литья приведены в табл. 15.

В процессе литья через каждые 10-15 отливок производят смазку прессформ натуральным воском или графитовыми смазками на основе воска (А) или веретенного масла (Б) следующих составов, %: смазка А: натуральный воск 30; вазелин 14; парафин 30; графит 26; смазка Б: веретенное масло 60-65; графит 35-40.

Невысокая прочность отливок в горячем состоянии требует быстрого снятия их со стержней и извлечения из пресс-форм при 400-450 °С.

Выбивка, очистка, обрубка, химическая и термическая обработка отливок.

Выбивку песчаных форм осуществляют так же, как и при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов. Выбивку стержней производят с помощью

172

пневмозубил и простейших вибрационных машин.

Обрезку литников и прибылей на крупных отливках ведут па ленточных пилах; мелкие отливки обрубают на прессах с помощью обрубных штампов.

После обрубки и удаления прибылей отливки подвергают дробеструйной очистке с целью удаления пригара. В качестве дроби используют мелкие кусочки алюминиевой проволоки.

Перед поступлением на отделочные операции и термическую обработку отливки проходят химическую обработку по следующей схеме:

-промывка в горячей воде;

-обработка в растворе азотной кислоты (20-30 г/л) при комнатной температуре в течение от 15 с до 2 мин;

-промывка в холодной проточной воде в течение 2-3 мин;

-оксидирование в растворе, содержащем, г/л: 40-50 двухромокислого калия; 65-80 азотной кислоты (ρ = 1,4 г/см3); 0,75-1,25 г/л хлористого аммония; остальное – вода до 1 л. Продолжительность оксидирования 0,5-2,0 мин. Температура раствора 7080 °С;

-промывка в проточной холодной воде в течение 1-2 мин;

-промывка в проточной горячей воде (1-2 мни);

-сушка сжатым воздухом.

Обрубку и зачистку (шабровку) отливок из магниевых сплавов производят теми же способами, что и отливок из алюминиевых сплавов. Опилки, стружка и мелкая пыль магниевых сплавов легко воспламеняются. Поэтому при зачистке и механической обработке отливок необходимо принимать меры предосторожности, обусловленные правилами работы с воспламеняющимися материалами.

После обрубки и шабровки отливки подвергают термической обработке как с целью упрочнения, так и для снятия внутренних напряжений. Нагрев отливок под закалку и для старения ведут в электрических шахтных печах в защитной атмосфере (содержащей 0,5-1,0 % (объемн.) сернистого газа) с принудительной циркуляцией. Для предупреждения местного перегрева отливок в результате теплоизлучения от нагревательных элементов печи снабжают экранами.

После термической обработки отливки не позднее, чем через 3 сут, вновь подвергают химической обработке, а иногда и консервации путем их погружения на 3-5 мин в жидкую пушечную смазку при 110 °С и упаковке в парафинированную бумагу. Такая защита дает возможность хранить отливки более месяца.

Контроль качества отливок из магниевых сплавов и исправление дефектов осуществляют методами, применяемыми для алюминиевых сплавов.

Контрольные вопросы.

173

1.Физико-химические свойства магния.

2.Склонность магния к поглощению водорода.

3.Влияние температуры и давления на расплав и на растворимость водорода в расплаве?

4.Какие примеси снижают коррозионную стойкость магниевых сплавов?

5.Как влияет примесь меди на физико-механические свойства магниевых сплавов?

6.Для каких условий работы предназначены отливки из сплавов МЛ5, МЛ6?

7.Области применения магниевых сплавов.

8.Классификация магниевых сплавов.

9.Элементы, упрочняющие магниевые сплавы.

10.Литейные магниевые сплавы.

11.Деформируемые магниевые сплавы.

12.Флюсы, применяемые при плавке магниевых сплавов?

13.Какие печи позволяют вести бесфлюсовую плавку литейных магниевых сплавов?

14.При каких условиях плавки магниевых сплавов замедляется окисление?

15.Какие печи используют для плавки деформируемых магниевых сплавов?

16.Способы очистки магниевых сплавов от неметаллических включений.

17.Способы очистки магниевых сплавов от металлических примесей.

18.Способы модифицирования магниевых сплавов?

19.Виды термообработки магниевых сплавов.

20.Какие модификаторы используют для измельчения структуры?

21.Что необходимо предусмотреть для получения плотных отливок?

22.Особенности получения отливок из магниевых сплавов при литье в песчано-глинистые формы.

23.Что предусматривают для предупреждения загорания расплава при литье магниевых сплавов в песчано-глинистую форму?

24.Для чего в формовочные смеси при литье магниевых сплавов добавляют специальные присадки?

25.Что является причиной интенсивной коррозии отливок из магниевых сплавов.

26.Что необходимо предусмотреть для получения плотных отливок?

27.Для каких целей при литье магниевых сплавов в литниковопитающей системе применяют шлакоуловитель?

28.Что предусматривают в литниково-питающей системе для предотвращения попадания в отливку окисных включений?

29.Почему при литье в кокиль магниевых сплавов необходимо преду-

174

смотреть установку больших по объему прибылей.

Свойства титана.

Титан расположен в IV-A подгруппе первого большого периода периодической системы Д.И. Менделеева. Температура плавления титана 1668 °С, температура кипения 3000 °С, атомная масса 47,90. Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемпературная α-модификация существует до 882,5 °С, обладает гексагональной плотноупакованной решеткой. При 25 °С

α = 0,295111 нм, с = 0,468433 нм, с/а = 1,587. Высокотемпературная β-

модификация устойчива от 882,5 °С до температуры плавления, имеет объемно центрированную кубическую решетку с периодом 0,3282 нм. Плотность титана при комнатной температуре равна 4,50 г/см3. Плотность β-титана при 900 °С равна 4,31 г/см3, а жидкого титана при температуре, близкой к температуре кристаллизации, 4,1 г/см3.

Титан высокой чистоты обладает хорошей пластичностью и низкой прочностью (при 20 °С σв = 200-250 МПа, δ = 50-60 %). Титан технической чистоты содержит примеси: кислород, азот, водород, углерод и др., которые значительно увеличивают твердость и прочность титана и уменьшают его пластичность (рис. 65). Модуль упругости титана невелик (Е = 112 гПа).

Рис. 65. Влияние кислорода и азота на механические свойства титана

В ряде агрессивных сред титан обладает высокой коррозионной стойкостью, которая в большинстве случаев выше, чем у лучших марок нержавею-

175

щих сталей. Такое поведение титана связано с образованием на его поверхности плотной оксидной пленки ТiO2, которая надежно защищает металл от окисления до температур 300-500 °С. Поэтому титан химически инертен в тех средах, которые либо не разрушают ТiO2, либо способствуют ее образованию. Титан устойчив в разбавленной до 5 % серной кислоте, уксусной и молочной кислотах, сероводороде, во влажной хлорной атмосфере, в царской водке, в морской воде и в ряде других агрессивных сред.

Вместе с тем титан интенсивно взаимодействует с плавиковой, соляной и серной кислотами, с горячими растворами щавелевой, трихлоруксусной и трифторуксусной кислот, с галогенами. При температуре выше 500-700 °С оксидная пленка растрескивается и ее защитные функции резко снижаются. Поэтому при высоких температурах и, особенно в жидком состоянии, титан активно взаимодействует практически со всеми известными простыми и сложными по химическому составу веществами, особенно с газами: кислородом, азотом, водородом, СО, СO2, водяным паром и др.

Титан получают магнийтермическим способом. Исходным сырьем являются руда, содержащая главным образом рутил ТiO2 и ильменит TiFeO3. Из руды получают титановую губку, которая является сырьем для производства титана и его сплавов. Она представляет собой пористый бесформенный материал серого цвета со сравнительно небольшой плотностью (800-2500 кг/м3). Путем переплавки в вакуумных печах титановая губка перерабатывается в компактный металл – слиток.

Титановая губка содержит примеси: кислород, азот, водород, железо, магний, кремний, углерод, хлор и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на свойства титана и его сплавов. С увеличением содержания кислорода, азота, углерода, железа резко снижаются пластические характеристики титановых сплавов с одновременным увеличением прочности и твердости. Водород – особо вредная примесь в титановых сплавах, приводящая к резкому снижению ударной вязкости сплава и его охрупчиванию (водородная хрупкость).

Количество примесей, содержащихся в губчатом титане, определяется технологией его получения и чистотой используемых материалов (тетрахлорид титана, магний и аргон). Ряд элементов (железо, хром и др.) попадают в титан из материала реактора, в котором получают губчатый титан.

В табл. 16 приведен химический состав и марки титановой губки по ГОСТ 17746-96. Титановую губку маркируют по твердости выплавленных из нее эталонных образцов и поставляют партиями массой от 500 до 5000 кг. Хранят и транспортируют титановую губку в алюминиевых барабанах.

Состав и свойства титановых сплавов.

Титан и его сплавы обладают замечательной совокупностью свойств, которые выгодно выделяют их из остальных сплавов. Во-первых, это высокая прочность при малой плотности. Детали из титановых сплавов при одинако-

176

вой массе с деталями, изготовленными из других конструкционных сплавов, оказываются примерно в два раза прочнее.

Во-вторых, титановые сплавы отличаются высокой химической стойкостью при температурах до 300-500 °С. Во влажном воздухе, морской воде, азотной кислоте они противостоят коррозии не хуже лучших марок нержавеющих сталей, а в соляной кислоте – во много раз лучше их. Введение в титан таких легирующих элементов, как молибден, цирконий, ниобий, тантал, повышает коррозионную стойкость.

Указанные свойства титановых сплавов определяют широкое использование их в авиационной, судостроительной, химической и в ряде других отраслей промышленности.

К недостаткам титана и его сплавов относятся:

-высокая химическая активность титана при высоких температурах, особенно в жидком состоянии. Это обстоятельство серьезно осложняет проведение технологических операций, при которых требуется нагрев металла до высоких температур (плавка и литье, сварка, обработка давлением и др.);

-плохая обрабатываемость резанием;

-более высокая стоимость производства титана по сравнению с железом, алюминием, магнием, медью.

В технике используют литейные и деформируемые сплавы титана, по структуре на пять групп:

I группа – α-сплавы, структура которых представлена α-фазой.

II группа – псевдо-α-сплавы, структура которых представлена α-фазой и небольшим количеством β-фазы (не более 5 %) или интерметаллидов.

III группа – α + β-сплавы, структура которых представлена α- и β- фазами; сплавы этого типа могут содержать интерметаллиды.

IV группа – псевдо-β-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной β-фазой и небольшим количеством α-фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией из β-области можно легко получить однофазную β-структуру.

V группа – β-сплавы, структура которых представлена термически стабильной β-фазой.

По химическому составу (легирующие элементы) литейные и деформируемые сплавы одинаковы. Различие заключается в том, что в литейных

177

сплавах допускается большее содержание примесей.

Из литейных титановых сплавов можно получать сложные по конфигурации и тонкостенные фасонные отливки для деталей ответственного назначения. В значительной степени литейные свойства зависят от величины температурного интервала кристаллизации сплава. Для промышленных литейных титановых сплавов эта величина невелика, она не превышает 50-70 °С.

Большинство титановых сплавов в качестве легирующего элемента содержат алюминий. С введением алюминия повышается жаропрочность титана, снижается плотность, возрастает коррозионная стойкость. Кроме того, алюминий благоприятно влияет на литейные и технологические характеристики титана: возрастает жидкотекучесть, сплавы хорошо свариваются. Однако содержание алюминия в титане не должно превышать 6-8 %, так как в противном случае прочностные и пластические характеристики титана резко падают.

На рис. 66 представлена диаграмма состояния Ti-Al. Растворимость алюминия в α-титане с понижением температуры уменьшается с 11,6 % при 1080 °С до 6 % при 550 °С. В богатой титаном области системы Ti-Al образуются при 1460 °С по перитектической реакции интерметаллид TiAl и при 1250 °С интерметаллид Ti3Al.

Рис. 66. Диаграмма состояния системы Ti-Аl

Кроме алюминия в титан вводят ванадий, цирконий, молибден, хром, кремний, марганец, олово, железо и другие элементы. Все легирующие элементы, а также неизбежно попадаемые в металл примеси, изменяют температуру полиморфного превращения титана. По этому признаку элементы подразделяют на две группы:

I группа – α-стабилизаторы – элементы, повышающие температуру полиморфного превращения (алюминий, кислород, азот, углерод и др.);

II группа – β-стабилизаторы – элементы, понижающие температуру по-

178

лиморфного превращения (цирконий, ниобий, ванадий, молибден, марганец, железо, хром, кобальт и др.).

Титановые α-сплавы легированы алюминием и небольшим количеством олова и циркония. К этой группе относятся широко распространенные сплавы ВТ5 и ВТ5Л, которые используют для фасонного литья и литья слитков. Сплав ВТ5Л имеет хорошие литейные свойства, хорошо сваривается. Детали, изготовленные из сплава ВТ5Л, обладают высокой коррозионной стойкостью и могут работать длительное время до 400 °С. С повышением температуры начинается довольно интенсивный процесс окисления.

К недостаткам α-сплавов относится их сравнительно невысокая прочность; сплавы этого класса термически не упрочняются.

Псевдо-α-сплавы легированы алюминием и в небольшом количестве β- стабилизирующими элементами (марганец, молибден, ванадий, хром). При комнатной температуре псевдо-α-сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью по сравнению с α-сплавами, что обусловлено положительным влиянием β-фазы, имеющей кубическую структуру. С повышением температуры в структуре непрерывно увеличивается количество β-фазы, что вызывает увеличение пластичности сплавов.

Сплавы этой группы – ОТ4-0, ОТ4-1 и ОТ4 – обладают высокой технологической пластичностью. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях и слитки из этих сплавов идут в основном для изготовления листов, лент и полос. Из этих сплавов получают также поковки, прутки, трубы и профили. Сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки. Детали успешно работают до 350 °С. Невысокая прочность и большая склонность к водородной хрупкости – основные недостатки этих сплавов.

Сплав ВТ-18 относится к наиболее жаропрочным титановым сплавам: он может длительно работать при 550-600 °С. Однако, сплав имеет низкие технологические свойства: плохо сваривается, невысока технологическая пластичность.

Сплавы типа АТ2 обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью и сохраняют ее при криогенных температурах.

Наиболее благоприятное сочетание всех свойств (механических, технологических, физических) характерно для сплавов, состоящих из смеси α- и β- фаз (α + β-сплавы). Эти сплавы характеризуются лучшей технологической пластичностью, высокой прочностью, способностью к термическому упрочнению закалкой и старением, меньшей склонностью к водородной хрупкости. Широкое распространение в промышленности находит сплав ВТ6. При комнатной температуре в структуре сплава ВТ6 содержится 5-10 % β-фазы (отожженное состояние).

Для сплава ВТ6 (и его аналогов) характерно удачное сочетание высоких прочностных, пластических и технологических свойств. Из сплава ВТ6 изготавливают листы, прутки, трубы, профили, поковки и штамповки. Они хорошо свариваются.

179

Сплав ВТ16 в отожженном состоянии содержит в структуре 25-30 % β- фазы. Его применяют в отожженном и термически упрочненном состояниях. Сплав обладает высокими технологическими свойствами. Его используют для изготовления крепежных изделий: болтов, винтов, заклепок и т.п.

Сплав ВТ22 относится к самым прочным титановым сплавам в отожженном состоянии. В структуре сплава в этих условиях содержится примерно равное количество α и β-фазы. Из сплава ВТ22 изготавливают высоконагруженные детали и конструкции, длительно работающие до 350-400 °С. Сплав ВТ23 – более технологичен и широко используется для изготовления деталей различными методами пластической деформации (ковка, штамповка, вытяжка, отбортовка и другие операции).

Сплав ВТ3-1 относится к числу наиболее освоенных в производстве сплавов. Из него изготавливают прутки, профили, плиты, поковки, штамповки. Аналог сплава ВТ3-1 сплав ВТ3-1Л используют для получения фасонных отливок. Литейные свойства сплава ниже, чем сплавов ВТ5Л и ВТ1Л. Сплав предназначен для изготовления деталей, длительно работающих при 400-450 °С. На рис. 67 приведена макроструктура слитков сплава ВТ3-1.

в

Рис. 67. Макроструктура слитков сплава ВТ3-1:

а – 120 мм; б – 350 мм; в – 850 мм

Высоколегированные титановые сплавы, содержащие до 20 % элементов β-стабплизаторов, относятся к псевдо-β-сплавам. При закалке их образуется нестабильная β-фаза, распадающаяся при старении с выделением дисперсной α-фазы. К основным преимуществам этих сплавов относят высокую

180