Модифицирование сплавов Mg - Al - Zn

Гексагональная плотноупакованная решетка магния предполагает образование крупнокристаллического строения. Это «наследственное» влияние проявляется и в Mg - Al - Zn сплавах. Мелкокристаллическое строение и повышение механических свойств можно получить с помощью модифицирования.

Большое разнообразие способов измельчения зерна магния и его сплавов можно разделить на 2 группы:

1. Физические.

2. Металлургические.

Физические методы связаны с динамическими воздействиями на расплав в процессе его кристаллизации. Это достигается при введении в расплав звуковых и ультразвуковых колебаний или за счет использования магнитных или электрических полей, приводящих к перемешиванию затвердевающего металла. Эти способы требуют специального оборудования, и их технологически легче осуществить при производстве слитков. Для фасонолитейного производства более приемлемыми являются металлургические методы, которые основаны на «затравочном» действии модифицирующих добавок, вводимых в расплав в процессе приготовлении сплава. В соответствии с принципом структурного и размерного соответствия добавка действует тем эффективнее, чем ближе кристаллическое строение и параметр решетки ее к основному металлу.

Одинаковый с магнием тип решетки (ГПУ) и близкие параметры решеток имеют цирконий, иттрий и скандий (табл. 1.1).

 

Параметры кристаллических решеток металлов, обладающих ГПУ строением

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.