CC BY
63
УДК 621.74.043.1-034.721
Л. С. ЯНУШЕВСКИИ В. В. КОРШУНОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ПРОИЗВОДСТВО МЛГНИЕВЫХ ОТЛИВОК В МЕТЛЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
В предлагаемой работе проанализированы результаты исследований в области магниевого литья и производственного опыта в получении качественных отливок. Установлено, что н а ка чество литой поверхности изделия, н а р а змерную точность отливок и на их механические свойства оказывают влияние температура заливки, состав и свойство стержневых материалов, методы упрочнение стержней, составы защитных кокильных красок.
Ключевые слова: плавка, заливка, флюс, рафинирование, модифицирование, магниевый сплав.
В промышленности широко применяются литые заготовки из магниевых сплавов, отличающиеся малой металлоемкостью, высокими механическими и служебными характеристиками и технологичностью [1]. Внедрение их в производство сопровождается созданием новых технологических процессов (плавки, заливки и применяемых исходным материалов). Производство цветного литья развивается по следующим основным направлениям:
— увеличение объема и номенклатуры отливок, получаемых наиболее прогрессивными методами литья;
— оснащение производства современным литейным оборудованием;
— повышение уровня технологической культуры литейного производства;
— снижение себестоимости литья.
Производство фасонных отливок в постоянные
металлические формы (кокили) получает все большее распространение вследствие значительных преимуществ этого способа перед обычным литьем в песчано-глинистую форму. В настоящее время литье легких сплавов в металлических формах является основным технологическим процессом во многих отраслях машиностроения, несмотря на существующие проблемы применения этого способа. Большое распространение литье легких сплавов в кокиль получило в авиационной промышленности. В связи с ростом производства магниевых деталей номенклатура литья значительно расширяется. Как показали исследования, получение магниевых отливок в металлическую форму возможно не только для мелких и средних отливок, но и для сложных крупных массой до 300 кг и более.
Однако технологические и организационно-технические вопросы, связанные с применением кокилей для литья деталей из легких сплавов, в литературе освещены недостаточно полно. Имеется лишь сравнительно небольшое количество работ по отдельным вопросам литья в кокиль.
Технологический процесс изготовления отливок состоит из следующих операций: подготовки металлической формы, плавки шихтовых материалов, изготовления и установки в форму песчаных и ме-
таллических стержней, заливки расплава, охлаждения и выбивки отливок, термообработки.
Для получения отливок высокого качества необходимо приготовить расплав заданного состава, свободного от неметаллических включений (окислов, нитридов, растворенных газов) и вредных металлических примесей (щелочных металлов, железа, никеля и др.), применять совершенные методы разливки и рациональные литниковые системы. Существующие методы плавки имеют общие технологические приемы и в то же время отличаются.
При плавке в стационарном тигле [1, с. 138] его предварительно нагревают до температуры красного каления, загружают флюс 1 — 1,5 % от веса шихты, затем загружают и плавят шихту. После расплавления температуру расплава доводят до 700 — 720 °С и рафинируют для достижения однородности расплава и очистки его от примесей и включений. Рафинирование проводят замешиванием покровного флюса в расплаве в течение 4 — 6 мин, периодически присыпая зеркало металла свежим флюсом. Расход флюса при рафинировании составляет приблизительно 1 % от веса шихты. Рафинирование заканчивают по достижению блестящей поверхности расплава. После рафинирования с поверхности металла снимают шлак и загрязненный флюс, затем наносят свежий флюс, повышают температуру расплава до 750 — 780 °С и выдерживают при этой температуре 10— 15 мин. Затем берут пробы для экспресс-анализа и снижают температуру расплава до температуры заливки (при удовлетворительном анализе). По окончанию заливки очищают стенки и дно тигля от осадка. При загрузке новой порции шихты иногда вводят до 1 % свежего флюса от общей емкости тигля (2 — 2,5 кг). Полную замену флюса производят не более чем через 20 плавок. Такой способ плавки относится к приготовлению сплава в бесскрапных тиглях. На практике при плавке цветных сплавов в стационарных тиглях применяют графитовые и металлические тигли. Плавка магниевых сплавов в графитовых тиглях не рекомендуется из-за высокой активности фтористых и хлористых солей, составляющих большинство флюсов с материалом тигля [2, с. 317]. При работе с выемными тиглями
о
оэ >
устраняется дополнительная переливка расплава, излишнее его окисление и легко осуществляется заполнение расплавом относительно крупных форм [3].
Если сравнивать этот способ с плавкой в газовых тигельных печах рекуперативного типа беспламенного горения, рассчитанных на емкость металла до 2 т, то последний способ оказался менее востребованным в производственных условиях из-за дороговизны изготовления качественных тиглей такой большой емкости. Увеличение емкости тигля влечет за собой дополнительно насыщение расплава железом до 0,003 %, что существенно влияет на коррозионную стойкость металла. Еще одним недостатком является низкий КПД из-за высоких теплопотерь 10—12 % [4].
При приготовлении рабочего расплава с использованием скрапных и раздаточных тиглей [5, с. 66] для нормального ведения плавки необходимо иметь не менее трех печей. В первой скрапной печи расплавляют вторичный сплав. После расплавления проводят рафинирование сплава по описанной выше технологии. После рафинирования расплав переливают в раздаточную печь. В раздаточной печи готовят рабочий расплав, заполняя при этом печь на 2/3 объема и догружая по ходу плавки чушками первичного сплава. Затем проводят повторное рафинирование при температурном режиме 700 — 720 °С, снимают с поверхности шлак и присыпают свежим флюсом. Третья печь служит для расплавления кар-наллитового флюса, для промывки разливочного инструмента при температуре 760 — 800 °С. Если рассматривать процесс плавки в выемных тиглях, то по способу приготовления расплава он ничем не отличается от плавки в стационарных скрапных тиглях. Этот способ нашел широкое применение при небольших масштабах производства.
Комбинированный способ плавки [1, с. 139] применяется при литье деталей в крупном серийном производстве. Как правило, плавку ведут в отражательной печи. Отражательные печи работают на газовом или нефтяном топливе. Предпочтительно использовать газовый обогрев печи, так как он характеризуется меньшими потерями на угар по сравнению с мазутом. Рабочий температурный режим такой печи составляет от 800 до 900 °С. В разогретую до 800 — 850 °С печь загружают от 5 до 8 % флюса для промывки пода печи. Среди множества флюсов самым распространенным в настоящее время является промышленный флюс ВИ-2, который используется как покровный и рафинирующий. В ванну отражательной печи загружают шихту, попутно снижая температуру нагрева. Поверх шихты засыпают флюс в количестве 3 — 4 % от массы шихты. В ходе расплавления очаги горения присыпают флюсом. Плавка в отражательной печи исключает применение обычных кислых огнеупорных футеровок из-за высокого сродства магния к кислороду. Для футеровки печи применяют магнезит. При достижении температуры до 710 — 720 °С с поверхности расплава снимают загрязненный флюс и присыпают свежий. После осаждения порции свежего флюса по объему ванны производят рафинирование путем перемешивания расплава. По окончанию процесса рафинирования с поверхности расплава снимают шлак и загрязненный флюс, присыпают поверхность свежим флюсом и отстаивают в течение 15 — 20 мин при температуре 700 — 710 °С. После выстаивания расплав сливают в выемные тигли, установленные в нагревательные стенды.
Плавка в индукционной печи [6] по сравнению с процессом плавки в отражательной печи отлича-
ется быстротой процесса плавки, высокой производительностью, высоким КПД, малой поверхностью зеркала расплава, что способствует меньшему окислению зеркала металла, а также малые потери на угар металла, что в конечном итоге положительно сказывается на свойствах сплава. Плавка в индукционных печах не рекомендуется, если масса шихты составляет менее 70 % емкости тигля. Нагрев и плавка осуществляются как за счет тепла, индуктированного в материал шихты (при тонкостенных тиглях), так и за счет тепла, индуктированного в материал тигля (при толстостенных тиглях). Основным достоинством, позволяющим применять индукционные печи промышленной частоты, является наилучшее соотношение между площадью зеркала жидкого металла и массой металла. Еще одно важное достоинство индукционных печей [7] — это способность расплава циркулировать по объему тигля за счет колебаний расплава при наведении токов высокой частоты. Данный аспект позволяет исключить ручное перемешивание расплава при рафинировании, тем самым обеспечивая более качественный процесс очистки расплава от нежелательных примесей и взвесей.
Полученный в процессе любого способа плавки металлический расплав содержит в себе примеси: шлаковые включения, окисную плену, газы, которые существенно ухудшают механические свойства отливок. Для их удаления осуществляется рафинирование.
На практике различают три способа рафинирования магниевых сплавов:
— рафинирование от неметаллических включений;
— рафинирование от металлических включений;
— рафинирование от газовых включений.
Исследования показали [4, с. 338; 8, с. 266], что
при повышении температуры сплава (перегреве), неметаллические включения осаждаются на дно тигля. При 750 °С обеспечивается почти полное осаждение окислов и нитридов. Это, по-видимому, связано с разностью плотностей сплава и взвешенных частиц. Исключение составляют неметаллические включения в сплавах, содержащих цирконий, при введении последнего из хлористых солей 2тС14, Ыа2С16, К62тС16. По сравнению с другими загрязнениями эти включения не удаляются из расплава даже после неоднократного переплава. Поэтому их применение не рекомендовано для введения циркония.
Для более полного удаления примесей используют покровные флюсы. Важная особенность рафинирования флюсом [9] — это обеспечение смачиваемости неметаллических частиц в расплаве. Для улучшения адсорбции неметаллических частиц на дно тигля и увеличения сил конвекции необходимо перемешивать сплав, замешивая флюс в глубь расплава. Очищение расплава от взвеси хлоридов и окислов будет тем более полным, чем меньше поверхностная активность флюса по отношению к расплаву, чем больше плотность флюса и чем больше времени будет происходить отстаивание расплава. Оптимальное количество флюса в процессе рафинирования составляет 6 — 8 % от массы шихты. В процессе плавки и рафинирования необходимо постоянно контролировать количество введенного флюса. Необходимо помнить, что избыток фтористых солей сгущает флюс. Для повышения плотности флюса, например промышленного флюса № 2, к нему добавляют хлористый барий, который, взаимодействуя с основой флюса — плавленым карналлитом, придает флюсу хорошие литейные свойства, например,
такие как возможность легкого его отвода с поверхности металла при зачерпывании ковшом. В отличие от хлористых флюсов, бесхлористые наносят на поверхность расплава после рафинирования первым флюсом и выдерживают до момента разливки. Бесхлористые флюсы адсорбируют остатки хлористых флюсов вместе с неметаллическими включениями и при попадании в отливку не вызывают ее коррозии.
Присутствие железа в магниевых сплавах даже в сотых долях процента снижает коррозионную стойкость отливок. Для удаления железа из расплава в него вводят марганец в количестве, растворимом в расплаве. Затем расплав выдерживают 20 — 30 минут при температуре 700 °С. Растворимость марганца при такой температуре понижается и железо вместе с избыточными, первично кристаллизующимися частицами марганцовистой фазы ликвируют на дно ванны. Такое же действие оказывают добавки церия и циркония. Этот способ позволяет снизить содержание железа в сплаве до тысячных долей процента.
Рафинирование от газовых включений заключается в обработке последнего инертными газами. При пропускании пузырьков инертного газа через расплав водород, находящийся в жидком металле, диффундирует в пузырек инертного газа до тех пор, пока парциальное давление водорода внутри пузырька не выровняется с давлением в сплаве. Продувку осуществляют при температуре 740 — 750 °С. Время продувки, составляет около 30 минут. Скорость продувки должна быть такой, чтобы расплав бурлил, не выплескиваясь на стенки тигля и за его пределы. Чем выше дегазация сплава, тем крупнее зерно по микроструктуре. Лучший результат наблюдается при продувке расплава четыреххлористым углеродом из расчета 80—100 см3 на 250 — 300 кг сплава. На практике также широко распространен способ продувки расплава аргоном. Для более полного удаления водорода при продувке аргоном, применяют специальные рассеивающие устройства. Полученные отливки, после использования данного способа рафинирования, отличаются малой пористостью и низкой склонностью к образованию микрорыхлоты. В отличие от продувки расплава аргоном, продувка расплава хлором сверх 3 % приводит к значительному огрублению зерна и снижению механических свойств отливок. Применение добавок кальция не способствует удалению водорода из расплава, однако при введении его в расплав до 0,1 % наблюдается снижение микрорыхлоты в отливках.
Механизм рафинирования магния и его сплавов от железа пока полностью не изучен и не может быть в полноте своей объяснен. Не выяснено, образуется ли твердый раствор Бе — Мп, химические соединения, не растворимые в магнии металле и его сплавах, или богатые церием и цирконием первичные кристаллы, для которых частицы железа выполняют роль зародышей. При приготовлении магниевых сплавов с цирконием, вводимым в расплав с помощью солей, необходимо учитывать возможность загрязнения расплава в результате химического взаимодействия сплава с солями по типу реакции замещения.
Для получения мелкозернистой структуры магниевых сплавов ряда систем [8, с. 268] их подвергают нагреву до высоких температур или вводят в их состав различного рода модификаторы, углерод-содержащие добавки, служащие центрами кристаллизации. Сплав после его рафинирования подвергают нагреву до 830 — 900 °С с последующей выдержкой при этих температурах 10 — 20 мин. Действие модифицирования пропадает при дальнейшей выдержке
сплава при низких температурах 680 — 720 °С. Повторный перегрев вновь приводит к измельчению микроструктуры зерна. Предполагается, что перегрев способствует образованию мелкодисперсных частиц в расплаве, которые, в свою очередь, являются центрами кристаллизации. Повышение температуры до 1000 °С и выше приводит к укрупнению зерна. Модифицирование расплава 0,2 % марганца при содержании 0,01 —0,03 % железа в расплаве приводит к значительному измельчению зерна.
К недостаткам метода можно отнести: повышенный расход энергии на перегрев, снижение производительности печей, повышенная окисляемость сплава при высоких температурах, повышенный износ плавильных тиглей.
Измельчение зерна сплавов при модифицировании углеродсодержащими добавками можно достигнуть путем продувки расплава сухим углекислым газом или ацетиленом; введением в расплав карбидов, например, карбида алюминия, карбида кальция; введением графита, углекислых солей (мела, мрамора, магнезита). Наиболее распространенным является способ введения в расплав мела, магнезита и мрамора.
Модифицирование мелом или мрамором [10] осуществляется в измельчении компонентов на мелкую фракцию и введении в расплав 0,5 — 0,6 % от массы шихты. Способ введения в расплав, в пакете из тонкой бумаги с помощью колокольчиков в 2 — 3 приема в разогретый до 760 — 780 °С расплав. Колокольчик опускают в расплав примерно на половину высоты тигля. Модифицирование продолжается 5 — 8 мин до окончания бурления расплава. Время выдержки составляет от 15 до 40 мин. К недостаткам можно отнести насыщение сплава водородом за счет влаги, находящейся в меле и мраморе, которая приводит к микрорыхлоте в отливках. По сравнению с другими модификаторами, модифицирование магнезитом в ряду своей малой гигроскопичности возможно проводить при более низких температурах 730 — 740 °С в соотношении 0,3 — 04 % от массы сплава. Ввод в расплав осуществляется способом, описанным ранее. К основным недостаткам модифицирования магнезитом можно отнести вероятность загрязнения сплава окисью магния и примесями.
Сплавы, содержащие в своей основе цирконий, в отличие от сплавов без циркония, не требуют специальной обработки для измельчения структуры зерна. Эти сплавы приобретают мелкозернистую структуру при всех условиях, если только содержание циркония в сплаве более 0,5 % по массе металла.
В настоящее время существуют разные методы разливки сплавов. В литейных цехах по-прежнему распространены способы разливки (заливки) сплавов вручную и при помощи специальных устройств [5, с. 229], позволяющих разливать сплавы непосредственно из тигля, не прибегая к зачерпыванию сплава ручными ковшами. Разливочный инструмент предварительно прогревают в расплавленном карнал-литовом флюсе до красного цвета. Перед зачерпыванием расплава в ковш покровный флюс, покрывающий поверхность расплава, отводят в сторону донной частью ковша и зачерпывают сплав. Затем дают стечь со стенок ковша остаткам флюса и сливают часть сплава с носика ковша (до 5 %) обратно в тигель, чтобы удалить флюс, оставшийся в носке. После этого транспортируют ковш к месту заливки. Не рекомендуется зачерпывать расплав с тигля более двух раз за один прием (двумя ковшами) во избежание зачерпывания флюса. Не рекомендуется вычер-
о
оэ >
пывать весь расплав из тигля. Также не рекомендуется при малых интервалах времени между заливкой форм присыпать зеркало металла свежим флюсом во избежание попадания флюса в полость заливаемой формы. Открытые очаги горения лучше всего присыпать серой, так как она создает вокруг расплава защитную среду, вытесняя кислород. При литье магниевых сплавов всегда следует помнить о бурной реакции жидкого сплава с влагой. Ковш с металлом нельзя ставить непосредственно на пол, а только на асбестовые или прогретые металлические поддоны. Следует также помнить, что пленки плавильного флюса имеют большое поверхностное натяжение и при попадании в кокиль прилипают к форме настолько сильно, что кокильную краску придется очищать и заново перекрашивать. Процесс оседания флюса на дно тигля может оказать влияние на температурный режим сплава.
При разливке сплава из выемного тигля [11] его с готовым расплавом вынимают из печи и устанавливают в транспортировочное устройство. Появившиеся очаги горения на поверхности расплава, вызванные неплотностью флюсового покрова, присыпают серой. Не рекомендуется присыпать очаги горения флюсом, так как он не успевает осесть на дно тигля и с большой вероятностью попадет в полость формы.
Вывод. При изготовлении отливок из магниевых сплавов, в связи со значительной их склонностью к окислению, необходимо уделять большое внимание защите расплава от контакта с атмосферой. Существующие методы плавки позволяют выбрать оптимальный вариант при любом характере производства. Предпочтительными являются способы плавки, обеспечивающие минимальные переливы расплава с использованием специальных заливочно-дозиру-щих устройств.
Свойства отливок в значительной степени зависят от рафинирования и модифицирования расплава, режимы которых необходимо тщательно отрабатывать в каждом конкретном случае.
Библиографический список
2. Трухов А. П., Маляров А. И. Литейные сплавы и плавка: учеб. для вузов. М.: Академия, 2004. 335 с.
3. Галдин Н. М., Чернега Д. Ф., Иванчук Д. Ф. [и др.]. Цветное литье: справ. М.: Машиностроение, 1989. 527 с.
4. Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В. Плавка и литье легких сплавов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1969. 680 с.
5. Бундин А. Т. Литье легких сплавов в кокили. М.: Оборонгиз, 1949. 344 с.
6. Цыганов В. А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия, 1974. 247 с.
7. Сахаревич А. Н. Индукционные тигельные печи. Конструктивные отличия, эксплуатация // Литье и металлургия. 2012. № 3. С. 242-245.
8. Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М. Литейное производство цветных и редких металлов: учеб. пособие. М.: Металлургия, 1982. 352 с.
9. Трофимов Н. В., Леонова А. А., Дуюнова В. А., Уридия 3. П. Литейные магниевые сплавы (обзор) // Труды ВИАМ. 2016. № 12 (48). URL: http://viam-works.ru/ru/articles? art_id = 1038 (дата обращения: 19.12.2016).
10. Шаломеев В. А. Улучшение макро- и микроструктуры авиационного литья из магниевых сплавов // Вестник двигателестроения. 2013. № 1. C. 127-132.
11. Передельский К. В. Литье цветных сплавов в металлические формы. М.: Машгиз, 1951. 243 с.
ЯНУШЕВСКИЙ Александр Сергеевич, магистрант гр. Мм-153 факультета элитного образования и магистратуры Омского государственного технического университета (ОмГТУ); инженер-технолог филиала «Омское моторостроительное объединение имени П. И. Баранова» АО «НПЦ газотурбостроения «Салют», г. Москва.
КОРШУНОВ Виктор Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент секции «Машины и технология литейного производства» кафедры «Машиностроение и материаловедение» ОмГТУ.
Адрес для переписки: victorvala@rambler.ru
1. Арбузов Б. А. [и др.]. Цветное литье. Легкие сплавы / под ред. И. Ф. Колобнева. М.: Машиностроение, 1966. 391 с.
Статья поступила в редакцию 21.12.2016 г. © А. С. Янушевский, В. В. Коршунов
