Лабораторная работа №2 Тема: «Исследование эффективности различных методов рафинирования магниевых сплавов от оксидных плён и шлаковых включений»
1. Теоретическое введение
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 щелочно - земельных металлов. Основой большей части флюсов является карналлит (МgС12∙КСl). 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. 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 3МgСl2 + 2Се → 2СеСl3 + 3Мg и 3МgСl2 + Y → 2YСl3 + 3Mg имеют место значительные потери редкоземельных элементов и иттрия.
В настоящее время разработана технология бесфлюсовой плавки. Защита расплавов от интенсивного окисления при этом осуществляется введением в печную атмосферу 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 ВИ3. 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 сплавов с печными газами, футеровкой и влагой сопровождается обогащением их оксидами 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 ВИ3. 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.
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 Fт. вк., занятой неметаллическими (темными) включениями, к общей Fиз. площади излома, т. е. коэффициентом пораженности излома
