Глава I. Литейные сплавы на магниевой основе

Аннотация

В пособии рассмотрены составы, свойства и области применения литейных магниевых сплавов.

Описаны технологические особенности плавки, составы формовочных и стержневых смесей.

Приведены методы расчета литниковых систем и прибылей. Рассмотрены особенности литья в кокиле и под давлением.

Пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области литейного производства сплавов цветных металлов.

 

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

 

 

Г. Ф. Шеметев

 

 

Производство отливок из магниевых сплавов

 

Учебное пособие по курсу «Производство отливок

из сплавов цветных металлов»

(электронный ресурс)

 

 

Санкт-Петербург

2014

ВВЕДЕНИЕ

Магниевые сплавы относятся к числу конструкционных материалов, которые находят все большее применение в различных областях техники, начиная с авиакосмического аппаратостроения до легкой и пищевой промышленности.

Это объясняется, прежде всего, их малой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью поглощать энергию удара и вибрационных колебаний, отличной обрабатываемостью резанием.

В настоящее время состояние  технологических процессов достигло того уровня, который позволяет получать изделия из магниевых сплавов различной сложности и габаритов методами фасонного литья и пластической деформации.

Из магниевых сплавов изготавливают многие  детали современных самолетов и вертолетов, в том числе и детали двигателей. Применяются эти сплавы и в ракетах, и в спутниках. Обладая сравнительно высокой теплоемкостью (почти в 2,5 раза более высокой, чем у стали), они нагреваются медленнее, чем сталь. Поэтому в кратковременно работающих ракетах (типа «воздух — воздух») масса деталей из магниевых сплавов составляет до 90%. Применение магниевых сплавов в конструкциях ракет позволяет снизать их массу на 20-30%, увеличить грузоподъемность и дальность полета.

Возрастающее применение магниевых сплавов обусловлено также большими сырьевыми ресурсами магния, который относится к числу элементов, наиболее распространенных в природе. Содержание его в земной коре составляет 2,4%. По этому показателю он уступает только алюминию и железу. При этом магний образует удобные для разработки рудные месторождения. Особенно много его в магнезите и доломите. Из последнего состоят целые горные хребты. Кроме земных ресурсов практически неисчерпаемым источником запасов магния являются воды Мирового океана. Из 5·10¹⁶ тонн растворенных в воде веществ на долю магния приходится примерно 1,85·10¹⁵ тонн (в каждом литре воды содержится 3,8 грамма хлористого магния). Уже работают заводы, добывающие магний из морской воды. Даже в растительных организмах содержание магния, который является ядром молекулы хлорофилла, оценивается в 100 млрд. тонн.

Высокий уровень свойств магниевых сплавов обеспечивается не только составом, но и организацией технологического процесса плавки и литья.

 

 

ГЛАВА I. ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА МАГНИЕВОЙ ОСНОВЕ

Прежде чем рассмотреть составы и свойства сплавов магния, следует кратко ознакомиться с методами получения магния, которые определяют возможные примеси в нем, а также с основными физико-химическими свойствами, которые оказывают существенное влияние на выбор литейной технологии.

 

Получение магния

История получения чистого магния навсегда связана с именами англичанина Гемфри Деви и французов Бусси, Сент-Клер Девиля и Карона.

В 1808 году Гемфри Деви  при электролизе белого порошка магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Своим названием он обязан тому, что такой же порошок, который использовал Гемфри Деви, получался при прокаливании минерала, найденного в окрестностях греческого города Магнезии. Магний, выделенный Деви, был сильно загрязнен; первый действительно чистый магний был получен в 1829 году Бусси. В дальнейшем Сент-Клер Девиль и Карон получили магний путем восстановления расплавленного хлористого магния металлическим натрием. В дальнейшем промышленное производство магния производилось электролитическим методом.

В нашей стране первые опыты по производству магния были проведены в 1914-1915 годах в Петербургском политехническом институте П. П. Федотьевым и К. Н. Ворониным. Видную роль в становлении электролитического получения магния сыграли работы металлургов-политехников П. П. Федотьева, Ю. В. Баймакова и других.

Исходным сырьем для получения магния служат такие природные минералы, как карналлит (MgCl₂·KCl·6H₂O), магнезит (MgCO₃) или доломит (MgCO·CaCO).

Из магнезита и доломита магний можно выделить карботермическим или силикотермическим способом:

MgO + C ↔ Mg + CO,

2MgO + Si ↔ SiO₂ + 2Mg,                          (1.1).

2MgO + 2CaO + Si ↔ Ca₂SiO₄ + 2Mg

Реакции протекают при температурах, превышающих температуру кипения магния, поэтому он легко удаляется в виде пара из зоны реакции, а затем конденсируется. Поэтому реакции проходят практически вправо до конца.

Однако, основную массу магния получают электролитическим способом из хлористого магния.

По одной  схеме обезвоженный карналлит загружают в электролизные ванны, в которых хлорид магния разлагается на магний и хлор. По другой схеме обожженный магнезит смешивают с углем и брекетируют. Брикеты хлорируют в электропечах шахтного типа. Полученный таким путем расплавленный безводный хлорид магния загружают в электролизеры, в которых он разлагается на магний и хлор. Для получения более легкоплавкого, обладающего благоприятной плотностью, электропроводностью и вязкостью электролита, к хлористому магнию добавляют хлориды калия, натрия и кальция.

Магний-сырец, извлеченный из электролизера вакуум-ковшом, перевозится в отделение рафинирования, где он очищается от примесей, которые делятся на 2 группы:

1. Металлические, попадающие в магний вследствие электролитического разложения загрязнений, содержащихся в исходном сырье и компонентах флюсов.

2. Неметаллические, механически захватываемые при извлечении магния из электролизной ванны.

Рафинирование может осуществляться несколькими способами: электролитическим, отстаиванием или промывкой флюсами, введением таких присадок, как цирконий, марганец, титан, возгонкой в вакууме или зонной плавкой. Рафинирование путем отстаивания и промывки флюсами позволяет избавиться от примесей второго типа, таких как MgCl₂, KCl, NaCl, CaCl₂ и MgO. Применение остальных способов рафинирования позволяет уменьшить содержание металлических примесей первого типа.

Наиболее вредными металлическими примесями являются Fe, Ni, Cu, Si. Они сильно снижают коррозионную стойкость, особенно в морской среде, причем наиболее вредное влияние оказывает никель. Наиболее высокая коррозионная стойкость достигается, когда остаточное содержание примесей не превышает: никель — 0,003%, медь — 0,016%, кремний — 0,062%. Никель легко растворяется в расплавленном магнии. По этой причине не следует плавить магниевые сплавы в чугунных или стальных тиглях, имеющих в составе никель.

В соответствии с ГОСТ 804-93 «Магний первичный в чушках. Технические условия» выпускается 3 марки первичного магния: Мг 96, Мг 90 и Мг 80. Марка обозначает содержание магния сверх 99%. Например, в марке Мг 90 содержание магния составляет 99,90%, суммарное содержание примесей — не более 0,1%.

В литейные цехи магний поступает в виде чушек массой (8 ± 1) кг.

 

Таблица 1.1

№  п/п	Металл	Полиморфная модификация, температура, ^0С	Параметры, А^0		Отношение с/а
			а	с
1	Магний	нет	3,202	5,199	1,62
2	Цирконий	нет	3,23	5,14	1,59
3	Иттрий	α (ГПУ) - до 1479 β (ОЦК) - выше 1479	3,650 —	5,741 —	1,58 —
4	Скандий	α (ГПУ) - до 1330 β (ОЦК) - выше 1330	3,309 —	5,268 —	1,60 —

 

Видно, что при одинаковом типе решеток наиболее близкими для магния параметрами обладает цирконий. Он и является прекрасным модификатором для магния и его сплавов, не содержащих в своем составе алюминий. В присутствии алюминия цирконий образует с ним тугоплавкие интерметаллиды, которые осаждаются на дно печи, а, попадая в металл, оказывают отрицательное влияние на его свойства.

Другими металлургическими методами измельчения зерна в сплавах системы Mg - Al - Zn являются:

1. Перегрев расплава до температуры порядка 875-925⁰ С.

2. Обработка сплава хлором и его соединениями.

3. Обработка расплава углеродистыми веществами и некоторые другие.

Модифицирование перегревом — несложная операция, заключающаяся в том, что приготовленный расплав после его рафинирования нагревают до 875-925⁰ С и выдерживают при этих температурах 15 или 10 минут соответственно. Затем сплав охлаждают до температуры литья и разливают. Механизм модифицирования сводится к тому, что с повышением температуры увеличивается растворимость железа (с 0,035% при температуре 700⁰ С до 0,22% при 950⁰ С). При охлаждении происходит выделение железа в виде различных алюминидов (FeAl, Fe₂Al₅, FeAl₃), которые и оказывают модифицирующий эффект. Наибольшее влияние, по всей видимости, принадлежит FeAl₃, решетка которого изоморфна с решеткой магния. В пользу такого механизма говорит тот факт, что в сплавах без алюминия модифицирования железом не наблюдается. Данный метод имеет недостатки, которые исключают применение его в промышленной практике. Они сводятся к тому, что для перегрева затрачивается дополнительная энергия и время. Кроме того, происходит повышенный износ тиглей и ухудшение коррозионной стойкости сплавов. Замена перегрева на дополнительное введение в расплав железа в виде серного чугуна или хлорного железа не устраняет отрицательного влияния на коррозионную стойкость сплавов.

Обработка расплава хлором также является эффективным способом измельчения зерна в Mg - Al - Zn сплавах. На сплавы без алюминия хлорирование оказывает слабое действие. Механизм модифицирования не совсем ясен. Предполагают, что хлорирование обеспечивает более дисперсное распределение примесей, рафинирование от неметаллических включений и дегазацию расплава.

Недостатком этого способа является образование в расплаве мельчайших частиц хлористого магния, для удаления которых требуется введение точно рассчитанного количества загустителей, в качестве которых используют окись магния и фтористый кальций. Кроме того, ухудшается экологическая обстановка в цехе. По этим причинам способ не нашел применения.

Наиболее подходящим методом модифицирования является обработка расплава углеродсодержащими веществами. Большим достоинством этого метода является возможность получения мелкого зерна без перегрева металла выше температуры литья.

К числу углеродистых материалов относятся: магнезит, мрамор, мел, каменный уголь, кокс, графит, двуокись углерода, природный газ и другие. При флюсовой плавке магниевых сплавов наибольшее применение находит модифицирование магнезитом.

Магнезит в виде мелкой крошки в количестве 0,3-0,4% от массы шихты заворачивается в пакет из тонкой бумаги и с помощью колокольчика в 2-3 приема вводится в расплав, нагретый до температуры 720-740⁰ С. Колокольчик опускают в расплав примерно до половины высоты тигля. При этом происходит разложение магнезита с образованием двуокиси углерода:

MgCO₃ → MgO + CO₂↑ (1.9).

Поднимающиеся пузырьки двуокиси углерода взаимодействуют с магнием:

2Mg + CO₂ → 2MgO + C (1.10),

Освободившийся углерод взаимодействует с находящимся в сплаве алюминием:

4Al + 3C = Al₄C₃ (1.11).

Образовавшийся карбид алюминия имеет одинаковую с магнием гексагональную кристаллическую решетку с близкими параметрами и оказывает модифицирующий эффект.

Обработку продолжают до прекращения выделения пузырьков, дают сплаву отстояться в течение примерно 15 минут и производят разливку.

Недостаток этого способа заключается в том, что образуется большое количество окислов магния. При флюсовой плавке в процессе выстаивания они осаждаются на дно тигля.

При бесфлюсовой плавке модифицирование может осуществляться путем фильтрации расплава через раскаленный кокс или древесный уголь. Этот метод легко использовать при дуплекс-процессе во время раздачи металла из плавильной печи или введения в расплав примерно 0,2% активированного угля.

 

Таблица 1.2

Марка сплава	Химический состав, %				Механические свойства
	Zn	Zr	Ag	Cd	σв, мПа	σ0,2, мПа	δ, %
Мл 18	7-8	0,7-1,1	1,0-1,6	0,4-1,0	330	250	5,0
Мл 22	8-9	0,7-0,8	—	~3,0	310-340	—	5,0-8,0

 

По сравнению со сплавами Mg - Zn - Al сплавы системы Mg - Zn - Zr - (Me) обладают рядом преимуществ:

1. Более высокие значения пределов прочности и текучести.

2. Меньшая чувствительность к толщине стенки отливки, т. к. сплавы  Mg - Zn - Zr проявляют меньшую склонность к развитию микрорыхлоты. Поры располагаются в виде отдельных включений по границам зерен. В сплавах Mg - Al - Zn пористость имеет разветвленный характер и располагается в виде цепочки по границам зерен.

3. Более высокое отношение предела текучести к пределу прочности. У сплавов Mg - Zn - Al оно составляет (1/3 - 1/2,5), в то время как у сплавов Mg - Zn - Zr - (Me) оно примерно равно 2/3.

 

Таблица 1.3

Система	№ в Период. таблице	СП, %	СО, %	СЭ, %	tЭ, ^0C	Вторая фаза в эвтектике
Mg - Y	39	12,0	2,2 (200^0 С)	26,6	565	Mg24Y5
Mg - La	57	16,5	0,01 (300^0 С)	16,5	612	Mg17La2
Mg - Ce	58	20,5	0,04 (300^0 С)	20,5	590	Mg12Ce
Mg - Pr	59	21,0	0,01 (200^0 С)	21,0	575	Mg12Pr
Mg - Nd	60	33,0	0,08 (200^0 С)	33,0	552	Mg41Nd5
Mg - Gd	64	28,0	3,8 (300^0 С)	28,0	544	Mg6Gd

 

Во всех системах Mg с РЗМ температура эвтектики на 100-150⁰ С превышает температуру эвтектик в системе Mg - Al и более чем на 200⁰ С в системе Mg - Zn. Естественно, что разупрочнение в сплавах с РЗМ начинается при более высоких температурах. Переменная растворимость РЗМ в магнии в твердом состоянии создает предпосылки для упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и последующего искусственного старения.

Наиболее полно исследованы механические свойства магниевых сплавов, легированных РЗМ цериевой подгруппы. Выяснено, что до определенного содержания легирование магния лантаном, церием, празеодимом и неодимом способствует возрастанию предела прочности и условного предела текучести при одновременном снижении пластичности. При этом упрочняющее действие разных РЗМ сильно различается. Наиболее низкий уровень упрочнения достигается у сплавов, легированных лантаном. Затем в порядке возрастания прочностных свойств следуют сплавы с церием, празеодимом и неодимом. Возрастание уровня прочностных свойств наблюдается в соответствии с возрастанием порядкового номера РЗМ в таблице Д. И. Менделеева и увеличением предельной растворимости его в магнии при эвтектической температуре. Соответственно, наиболее широкое применение находит сплав Мл 10, содержащий: (2,2-2,8)% неодима, (0,1-0,7)% цинка и (0,4-1,0)% циркония.

Введение цинка оказывает положительное влияние, которое основано на дополнительном упрочнении твердого раствора и на участии в образовании основной упрочняющей фазы (Mg, Zn)₁₂Nd, и дисперсные частицы которой выпадают в процессе старения закаленного на твердый раствор сплава. Кроме того, цинк стимулирует образование и выпадение в процессе нагрева под закалку фаз, содержащих цирконий, — например, Zn₃Zr. При этом увеличивается содержание нерастворенного циркония и уменьшается содержание его в твердом растворе.

Содержание циркония в сплавах системы Mg - Nd - Zr после различных режимов термической обработки

Таблица 1.4

Система	Содержание циркония в твердом растворе, % по массе		Содержание циркония в фазах (нерастворенного), % по массе
	Литое состояние	Т6	Литое состояние	Т4	Т6
Mg - Nd - Zr	0,61	0,52	0,04	0,1	0,11
Mg - Nd - 0,3Zn - Zr	0,61	0,38	0,1	0,20	0,23

 

В состав цирконидов входят также примеси Cu, Ni, Si, Fe, Al, содержащиеся в сплаве. Значительное увеличение содержания цирконидов в результате термической обработки сплавов, легированных цинком,  объясняется, прежде всего, понижением растворимости водорода в твердом растворе и образовании гидридов циркония.

Сплавы типа Мл 10 не склонны к естественному старению. При искусственном старении распад твердого раствора происходит без заметной предварительной стадии, на которой образуются зоны Гинье-Престона.

Сплав Мл 10 предназначен для изготовления высоконагруженных отливок, работающих при температурах 250-300⁰ С.

Дальнейшее повышение механических свойств магниевых сплавов при повышенных температурах достигается за счет дополнительного легирования индием или иттрием. Введение (0,2-0,8)% индия (сплав Мл 9) или (1,4-2,2)% иттрия (сплав Мл 19) способствует уменьшению скорости распада твердого раствора и замедлению коагуляции продуктов распада. Кроме того, иттрий способствует дальнейшему измельчению зерен в литом состоянии сплавов, содержащих цирконий. О степени влияния состава сплавов на свойства при повышенных температурах можно судить по данным таблицы 1.5.

Свойства магниевых сплавов при нормальных и повышенных температурах

Таблица 1.5

Сплав, состояние	20^0 С		250^0 С
	σв, мПа	δ, %	σв, мПа	σ0,2, мПа	δ, %
Мл 5 (Т4)	284,2	12,0	118,0	39,0	15,0
Мл 10 (Т6)	265,0	6,0	186,0	122,5	18,6
Мл 9 (Т6)	245,0	6,0	186,0	—	23,0
Мл 19 после 500 час. выдержки при 250^0 С	274,4	8,0	250,0	156,8	10,0

 

Данные этой таблицы наглядно свидетельствуют о больших возможностях работы при повышенных температурах сплавов Mg - Zn - Zr - РЗМ по сравнению со сплавами Mg - Al - Zn.

Сплав Мл 19 является самым жаропрочным литейным магниевым сплавом. По сопротивлению ползучести он в 1,5-2,5 раза превосходит другие жаропрочные магниевые сплавы. Например, по пределу длительной прочности за 100 час. сплав Мл 19 превосходит сплав Мл 10 при 250⁰ С в 1,5 раза, а при 300⁰ С — в 2,5 раза, а сплав Мл 9 при 300⁰ С — в 2 раза. Сплав Мл 19 целесообразно применять при температурах (250-300)⁰ С.

Жаропрочные литейные магниевые сплавы обладают хорошим технологическими свойствами и повышенной герметичностью по сравнению со сплавами Mg - Al - Zn. Все они удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой сваркой. Прочность сварного шва составляет не менее 85% от прочности основного металла.

 

 

Таблица 1.6

№ п/п	Марка сплава, система	Температурный интервал затвердевания, ^0С	Жидкотекучесть, мм	Линейная усадка, %	Склонность к микрорыхлоте	Герметичность	Горячеломкость, мм
1	Мл 5 Mg - Al - Zn	160-170	290-300	1,0-1,2	средняя	средняя	30,0
2	Мл 8 Mg - Zn - Zr	—	335	1,1-1,3	малая	—	25,0-30,0
3	Мл 18 Mg - Zn - Zr - Ag - Cd	80-90	315	1,2-1,4	средняя	повышенная	27,5-30,0
4	Мл 10 Mg - Zn - Zr - Nd	80-90	250	1,2-1,5	малая	повышенная	15-20

 

Магниевые сплавы, кристаллизуясь в широком температурном интервале, склонны к объемному характеру затвердевания. В связи с этим в отливках развиваются дефекты усадочного или ликвационного происхождения: слоистые, концентрированные, хлопьевидные и частично залеченные эвтектикой микрорыхлоты, а также «залеченные» трещины и даже зональная ликвация. Слоистые и концентрированные микрорыхлоты характерны для сплавов систем Mg - Al - Zn и Mg - Zn - Zr. В отливках из сплавов системы Mg - Zn - Zr - Nd встречаются микрорыхлоты всех 4 видов.

Слоистая пористость характеризуется чередованием тонких слоев сплава пониженной плотности, перемежающихся слоями нормальной плотности, располагающимися параллельно продвигающемуся фронту затвердевания. Причиной такого вида пористости является малая прочность сплава в твердо-жидком состоянии. Поэтому возможен отрыв отдельных затвердевающих слоев друг от друга. Возникшая трещина может заполняться эвтектикой. Тогда возникает дефект, определяемый как «залеченная» трещина, в зоне которой наблюдается более высокое содержание легирующих элементов. Концентрированные микрорыхлоты имеют сравнительно небольшие размеры (не более булавочной головки) и располагаются практически равномерно в теле отливки.

Хлопьевидные микрорыхлоты являются разновидностью концентрированных микрорыхлот. Размер хлопьев колеблется от 1 до 5 мм. Хлопья разделены между собой областями сплава нормальной плотности. Если во время кристаллизации в зону формирования усадочной микрорыхлоты фильтруется расплав эвтектического состава, находящийся в междендритных пространствах, возникает дефект, определяемый как «микрорыхлоты с эвтектикой».

Наиболее сильное влияние микрорыхлоты оказывают на относительное удлинение сплава, в меньшей степени — на прочностные характеристики. Из 4 типов микрорыхлот наиболее сильное влияние на снижение механических свойств оказывают концентрированные и микрорыхлоты с эвтектикой. Если микрорыхлоты соединяются с атмосферой, то они обнаруживаются на изломах в виде темных и желтых пятен или червоточин.

В отливках из сплавов Mg - Al - Zn иногда наблюдается обратная ликвация, которая образуется в местах расположения холодильников и проявляется на поверхности оксидированной отливки в виде серых или черных пятен.  Повышение содержания алюминия в сплаве и температуры заливки усиливают этот вид ликвации. Толщина наружного серого слоя, обогащенного алюминием, составляет от нескольких микрон до 1 мм. На механических свойствах этот дефект не сказывается и браковочным признаком не является.

Шихтовые материалы

В состав шихты для изготовления магниевых сплавов могут входить первичные (технически чистые) металлы, первичные сплавы, возврат собственного производства и различные лигатуры.

Металлические шихтовые материалы, применяемые для плавки магниевых сплавов, приведены в таблице 2.2.

Составы бесхлористых флюсов

Таблица 2.5

Флюс	Состав, %
	CaF2	MgF2	AlF3	Na3AlF6	B2O3	Na2B4O7
ВиАМ 1	3,5	—	23,5	33,0	40,0	—
ВиАМ 5	17,5	17,5	15,0	—	50,0	—
№ 6	—	—	—	—	15,0-20,0	85,0-80,0

 

Составляющие этих флюсов,  такие как AlF₃, B₂O₃, термодинамически менее устойчивы, чем фториды и окислы магния и РЗМ, поэтому взаимодействуют с магнием и РЗМ. Правда, благодаря высокой вязкости из-за высокой температуры плавления, взаимодействие протекает с малой скоростью. Эти же причины приводят к тому, что эти флюсы имеют худшие защитные свойства, и если корка нарушается, то возможно загорание магния. Поэтому распространения эти флюсы не получили.

 

Разливка сплавов

Температура разливки в большинстве случаев не превышает 740-760⁰ С, и только в отдельных случаях (крупные тонкостенные отливки) достигает 800⁰ С. Процесс разливки различается в зависимости от способа плавки.

Если плавка производится в стационарных тиглях, то не участке должен находиться тигель с расплавленным флюсом № 2 или карналлитом, который служит для прогрева и очистки разливочных ковшей. Полная замена флюса в промывном тигле производится через 48 часов.

Разбор металла из стационарного тигля производится следующим образом: по достижении нужной температуры сплава прогревают разливочный ковш в тигле с флюсом докрасна, сливают флюс через  носок ковша обратно во флюсовый тигель и тщательно стряхивают остатки флюса с ковша. Отводят донной частью ковша флюс с поверхности расплава и, медленно погружая ковш в расплав, набирают сплав. Сливают до 5% сплава обратно для того, чтобы удалить флюс, находящийся в носке ковша. Затем вынимают ковш со сплавом и дают стечь флюсу с его наружной поверхности. При необходимости, если флюс на поверхности металла в тигле не успевает затянуть нарушенный покров, присыпают зеркало металла свежим флюсом тонким слоем. При разборе металла нужно как можно меньше взбалтывать расплав в тигле и не следует вычерпывать более 2/3 его от емкости тигля.

Ковш с металлом подносят к форме, при необходимости проверяют температуру расплава и, равномерно наклоняя ковш, ведут заливку формы. Необходимо как можно ближе держать носок ковша к литниковой чаше или воронке, держа их заполненными в течение всего времени заливки. Струю металла во время заливки припыливают серным цветом или смесью серы и борной кислоты (в соотношении 1:1) из мешочка из неплотной ткани.

По окончании заливки формы в ковше должно остаться не менее 15% металла от его емкости. Остатки металла сливают в изложницу.

При работе с выемным тиглем при достижении необходимой температуры тигель вынимают из печи и переносят к месту заливки. Если при этом нарушается корка флюса, то очаги загорания тушатся смесью серы и борной кислоты. Не следует тушить очаги загорания свежей порцией флюса, т. к. последний, не успев загустеть, может попасть в отливку. Когда температура металла в тигле становится равной температуре заливки, тщательно очищают носок тигля от флюса, отводят корку флюса счищалкой от носка тигля, поднимают тигель и, осторожно наклоняя его к литниковой чаше или воронке, начинают заливку. Необходимо при этом припыливать струю серным цветом или смесью серы и борной кислоты и держать чашу или воронку все время заполненными. В случае заливки нескольких форм при переносе тигля от одной формы к другой следует оставлять его в наклонном положении, оставшемся после заливки предыдущей формы, чтобы исключить повреждение флюсовой корки. По окончании заливки в тигле должно оставаться не менее 15% жидкого металла от емкости тигля.

Технология флюсовой плавки имеет существенные недостатки:

1. Неблагоприятное влияние испаряющихся флюсов на здоровье работающих и экологическую обстановку цеха.

2. Большой возврат металла в виде сливов из ковшей для последующего переплава, что влечет за собой потери металла, рабочего времени и энергетические затраты.

3. Коррозия металлического оборудования в цехе (металлические корпуса печей, краны и подкрановые пути и др.).

4. Возможность попадания флюса в отливку и развитие флюсовой коррозии отливок, механизм которой заключается в следующем:

MgCl₂ + H₂O → MgO + 2 HCl

2HCl + Mg → MgCl₂ + H₂             (2.4),

и т. д.

На отливке появляются очаги коррозии, которые, разрастаясь со временем, приведут к разрушению отливки.

Для обнаружения флюсовой коррозии отливки выдерживают в течение 48 часов в туманных камерах, в которых содержание водяных паров близко к 100%, затем проводится визуальный контроль. Отливки с очагами флюсовой коррозии бракуются.

 

Составы стержневых смесей

Повышение прочности стержней за счет сушки их при температуре выше 130⁰ С не позволяет использовать добавку ВМ в качестве защитной присадки ввиду ее разложения. Поэтому в стержневые смеси в качестве защитных добавок вводятся сера и борная кислота. Защитное действие их сводится к следующему. Сера, температура плавления которой равняется  (112-119)⁰ С при нагреве стержня расплавляется, а при охлаждении его кристаллизуется снова. При повторном нагреве под влиянием температуры залитого металла происходит повторное расплавление и испарение серы. Ниже приводятся значения упругости паров серы при различных температурах:

Температура, ^0С	242	341	379
Упругость паров, кПа	1,1	14,1	33,3

 

которые показывают, что при температуре около 380⁰ С парциальное давление паров серы может доходить до трети атмосферного давления. Пары серы при взаимодействии с кислородом окисляются до сернистого ангидрида SO₂, который, будучи в 2,7 раза тяжелее воздуха, разбавляет газовую среду формы на границе контакта металла со стержнем и делает ее менее реакционноспособной по отношению к металлу. В присутствии кислорода сернистый ангидрид окисляется до серного ангидрида (SO₃). Последний, взаимодействуя с влагой, образует серную кислоту. Серная кислота, соединяясь с магнием, образует сульфаты магния, находящиеся на поверхности металла.

Борная кислота разлагается с образованием в конечном итоге элементарного бора, который уплотняет поверхностную пленку. Таким образом, защитное действие серы и борной кислоты сводится к тем же факторам, как и защитное действие добавки ВМ.

Защитное влияние пленок, образующихся на границе сплава с формой, зависит от состава пленки, который определяет величину критерия Пиллинга и Бедворта (отношение объема образовавшейся пленки к объему металла, израсходованного на образование этой пленки). В таблице 3.1 приведены критерии Пиллинга и Бедворта (α = ) для некоторых соединений магния.

Типы литниковых систем

Для магниевого литья могут применяться типы литниковых систем, показанные на рис. 4.4.

 

 

Рис. 4.4. Типы литниковых систем: а — верхняя, б — нижняя, в — боковая (по разъему), г — вертикально-щелевая, д — ярусная с горизонтально расположенными питателями, е — ярусная с вертикально расположенными питателями, ж — комбинированная; 1 — чаша, 2 — стояк, 3 — зумпф, 4 — металлоприемник (промежуточный канал), 5 — коллектор, 6 — питатель горизонтальный, 7 — отливка, 8 — прибыль, 9 — колодец (обратный стояк), 10 — вертикальная щель, 11 — шлакосборник, 12 — питающая бобышка, 13 — питатель вертикальный, 14 — выпор.

Верхняя литниковая система обеспечивает хорошую заполняемость при кратчайшем пути металла до формы, создает наиболее благоприятные условия для последовательно-направленной кристаллизации  отливки снизу к прибылям. Она требует наименьшего расхода металла, легко удаляется при обрубке литья.

Основной недостаток — трудность обеспечения спокойного поступления металла в форму и исключения замешивания шлаков в отливке.

Нижняя литниковая система обеспечивает спокойное поступление металла в форму без окисления, разбрызгивания и образования вторичных шлаков и способствует задержанию включений, проникающих из стояка. Она обеспечивает последовательное  удаление воздуха из полости формы.

Однако из-за перегрева нижних слоев формы может расстроиться тепловой режим, нарушив направленность затвердевания. Это, в свою очередь, может привести к образованию в отливке усадочных дефектов. При нижней литниковой системе трудно обеспечить заполняемость протяженных тонкостенных отливок.

Вертикально-щелевая система, обладая достоинствами нижней литниковой системы, обеспечивает хорошие условия для заполнения тонкостенных  отливок и лучший тепловой режим.

К недостаткам следует отнести сложность выполнения ее в форме и удаления от отливки.

Ярусная литниковая система обеспечивает спокойное заполнение формы и создание правильного теплового режима. Недостаток ее — сложность изготовления, так как требуется наличие нескольких горизонтальных разъемов формы.

Комбинированная литниковая система совмещает одновременно несколько типов систем. Эту систему применяют для заливки крупногабаритных отливок сложной конфигурации в песчаных формах. Недостаток — сложность выполнения и удаления ее при обрубке.

Боковая литниковая система обеспечивает заполнение нижней части формы сверху, а верхней — снизу; соответственно, сочетает преимущества и недостатки этих литниковых систем.

Чаще всего используются верхняя, нижняя и вертикально-щелевая литниковые системы.

Выбор той или иной литниковой системы для конкретной отливки определяется ее массой, габаритными размерами и положением отливки в форме. Для отливок из магниевых сплавов, для которых определено положение их в форме, выбор типа литниковой системы может производиться по номограмме (рис. 4.5). Несмотря на то, что номограмма разрабатывалась для сплава Мл 5, она может применяться для всех магниевых сплавов.

 

 

Рис. 4.5. Номограмма для выбора типа литниковой системы для отливок из сплава Мл 5.

Для выбора типа литниковой системы по номограмме необходимо предварительно определить:

1. высоту отливки без прибылей (мм); определяется по чертежу отливки и положению ее в форме;

2. среднюю толщину отливки (мм), включая припуск на механическую обработку;

3. массу отливки без прибылей (кг), определяемую по чертежу детали и умноженную на коэффициент для деталей типа:

- колес и цилиндров — 1,8;

- каркасов, рам, кронштейнов — 1,6;

- деталей моторного литья (картеры, помпы, блоки и др.) — 1,5.

Коэффициенты уменьшаются, если отливки не подвергаются механической обработке.

Номограмма имеет 3 зоны, соответствующие вертикально-щелевой, нижней и верхней литниковой системе. Для определения типа литниковой системы необходимо выяснить следующее:

1. На оси ординат находят точку, соответствующую массе отливки (вес отливки на номограмме) — точка «а», и проводят горизонтальную линию 1 до конца номограммы.

2. На той же оси в нижней части находят точку «б», равную высоте отливки, и от нее  проводят горизонтальную линию 2 до конца номограммы.

3. На оси абсцисс номограммы, в зоне, где линия 2 пересекает наклонные линии, находят точки «в», отвечающие средней толщине стенок отливки, проводят линии 3 до пересечения с  линией 2.

4. Из точек «г», полученных от пересечений линии 2, отвечающей высоте отливки, с линиями 3, отвечающими средней толщине стенок отливки, проводят вверх линии, параллельные оси ординат, до пересечения с линией 1, отвечающей массе отливки (точки «д»).

5. Положение точек «д», полученных в каждом из секторов (в верхней части номограммы, отделенных жирными кривыми), определяет тип пригодной литниковой системы.

Если выпадает случай, что пригодны 2 типа литниковой системы (в нашем случае пригодны вертикально-щелевая и нижняя, или могут быть пригодны нижняя и верхняя литниковая системы), то выбирается нижняя литниковая система.

Анализируя номограмму, можно отметить: