книги / Плавка цветных металлов

Производственное опробование элегаза на заводе им. Дзержинского (г. Пермь) показало, что отливки имели более светлую поверхность по сравнению с отливками, полученными с защитой из ВИ2, и практически не были подвержены коррозии. Механические свойства сплава МЛ5 остались без изменения.

Основной причиной коррозионного разрушения магниевых сплавов при эксплуатации являются шлаковые включения хлористых флюсов. Главным достоинством защитных атмосфер является существенное повышение коррозионной стойкости отливок.

4.2.3. Рафинирование магниевых сплавов

После расплавления металл насыщается водородом, содержит много взвешенных неметаллических включений. Для получения качественных отливок расплав необходимо рафинировать.

Самый простой способ отделения неметаллических включений – отстаивание. Чем выше температура и длительнее выдержка,

тем больше всплывает (ρвкл < ρсплава) или оседает (ρвкл > ρсплава) неметаллических включений. Но этот способ малоэффективен, особенно

при отделении мелких включений, требует больших затрат времени и снижает производительность печи.

Общепринятым способом очистки магниевых сплавов является обработка расплава флюсами. На поверхность насыпают порцию свежего рафинирующего флюса (ВИ2, ВИЗ и др.) в количестве 1 % от массы сплава и замешивают его на 2/3 глубины тигля плавными движениями ложки-шумовки. При замешивании периодически подсыпают свежий флюс [8].

В производственных условиях принят следующий режим рафинирования: замешивание флюса при 700–720 °С в течение 5–6 мин, снятие использованного флюса и нанесение свежего, нагрев сплава до 750–780 °С и отстаивание 10–15 мин. Рафинирование считается законченным, когда поверхность расплава приобретает зеркальный блеск. Степень очистки от неметаллических включений контролируют по излому. Черные пятна указывают на присутствие оксидов магния, флюсовые включения имеют серый цвет (рис. 22).

91

а

б

Рис. 22. Дефекты в изломе отливок из магниевых сплавов: а – черные пятна оксидов магния; б – серые пятна флюсовых включений [12]

При обработке флюсами наблюдается частичная дегазация расплава. Более полное удаление водорода достигается при продувке магниевых расплавов аргоном, гелием, азотом, хлором или смесью гелия с хлоридами. При продувке азотом температура не должна превышать 685 °С, чтобы не происходило насыщения сплава нитридами. Обработку гелием, аргоном или хлором ведут при 740–760 °С. Длительность продувки составляет от 15 до 30 мин в зависимости от глубины ванны. Расход газа 0,3–0,5 м3 на тонну расплава.

Для увеличения полноты очистки расплава от неметаллических включений при разливке магниевых сплавов необходимо проводить фильтрацию через механические или активные фильтры. Чаще применяют зернистые фильтры из магнезита или графита. Хорошие результаты достигаются и при пропускании сплава через жидкие флюсы.

Для оценки качества рафинирования в графитовых изложницах с пережимом (рис. 23) отливают технологические пробы и подсчитывают количество включений в изломе.

При плавке в стальных тиглях и при контакте с плавильным инструментом сплавы насыщаются железом, снижающим коррозионную стойкость сплавов. Железо из магниевых сплавов можно удалять присадками марганца, циркония или церия, вводимыми при 800–850 °С. Последующая выдержка расплава в течение 20–30 мин при 700 °С сопровождается кристаллизацией тугоплавких интерметаллидов, обогащенных железом, и оседанием их на дно тигля.

92

Рис. 23. Изложница для отливки пробы на излом

4.2.4. Модифицирование магниевых сплавов

При проведении некоторых технологических операций магниевые расплавы приходится перегревать. Это приводит к получению крупнозернистой структуры, особенно при литье в разовые формы. Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевые сплавы системы Mg–Al–Zn (МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6) необходимо модифицировать. В состав остальных сплавов входит цирконий, который и оказывает модифицирующее действие.

Модифицирование сплавов, содержащих алюминий, можно осуществить: перегревом, введением углеродосодержащих добавок (мел, мрамор, магнезит, гексахлорэтан, углекислый газ) или хлорным железом.

Эффект измельчения зерна наблюдается при 10–15-минутной выдержке расплава, перегретого до 850–900 °С, в стальном тигле. После этого сплав нужно быстро охладить до температуры заливки (700– 720 °С). При охлаждении сплава выделяются мелкодисперсные частицы тугоплавкого интерметаллида FeAl3, которые служат дополнительными центрами кристаллизации. Модифицирование перегревом проходит успешно в том случае, если в сплаве не менее 0,001 % Fe и 0,2 % Мn. На практике перегревом пользуются редко, так как снижаются технико-экономические показатели плавки, растетугар сплава.

Наиболее распространенным методом является модифицирование углеродосодержащими веществами. При нагреве магнезит или

93

мрамор разлагаются с выделением CO2, который вступает во взаимодействие с магнием:

CaCO3 → CaO + CO2;

MgCO3 → MgO + CO2;

2Mg + CO2 = 2MgO = C.

Выделившийся углерод образует карбиды Al4C3 в мелкодисперсной форме. Они и служат дополнительными центрами кристаллизации.

Аналогичный эффект достигается при введении в расплав хлорного железа. Центрами кристаллизации служат дисперсные час-

тицы FeAl3.

Режимы модифицирования магниевых сплавов системы Mg–Al–Zn приведены в табл. 15.

					Таблица 15
	Режимы модифицирования магниевых сплавов
Модифи-	Расход, %	Размеры	Температура	Время за-	Время от-
катор	от массы	кусков, мм	расплава, °С	мешива-	стаивания,
	шихты			ния, мин	мин
Мел	0,5–0,6	Порошок	760–780	5–8	15–40
Мрамор	0,5–0,6	Крошка	760–780	5–8	15–40
Магнезит	0,3–0,4	10–25	720–730	8–12	15–40
С2Сl6	0,05–0,5	Порошок	720–760	8–12	15–40
FeCl3	0,5–1,0	Порошок	750–770	15–20	10–40

Магниевые сплавы, содержащие РЗМ, модифицируют цирконием. Если он не входит в состав сплава, то его добавляют в количестве 0,3–1,0 %. Качество модифицирования проверяется по размеру макрозерна, излому и дисперсности микроструктуры.

4.2.5.Технология приготовления магниевых расплавов

Сучетом высокой химической активности магния в литейных цехах сложилась сложная многоступенчатая технология плавки магниевых сплавов. В зависимости от назначения различают:

94

•первичные сплавы – чушки готовых стандартных сплавов, поставляемые металлургическими предприятиями;

•предварительные сплавы – сплавы, которые готовят из свежих металлов, металлов и возвратов, из одних возвратов и мелких отходов, разливают в изложницы и используют для плавки промежуточных и рабочих сплавов;

•промежуточные сплавы – сплавы, приготовленные в плавильных печах для перелива в раздаточные печи;

•рабочие сплавы – сплавы в тигле плавильной или раздаточной печи, готовые для разливки по формам.

В зависимости от серийности производства и развеса литья рабочие сплавы можно приготовить (рис. 24) одноступенчатым или комбинированным методом (дуплекс-процессом).

Рис. 24. Схема одно- и двухстадийной плавки магниевых сплавов

При одноступенчатом методе разливка сплава в формы или изложницы производится непосредственно из печей, в которых производилась плавка: с помощью раздаточных ковшей из печей со стационарным тиглем или непосредственно из плавильного тигля, если плавка ведется в печах с выемными стальными тиглями.

При двухступенчатом методе плавку начинают в печах большой емкости (ваннах отражательных или индукционных тигельных со стационарным тиглем). Готовый металл сливают в раздаточные

95

печи со стационарными или выемными тиглями. После этого металл разливается по формам раздаточными ковшами или непосредственно из выемных тиглей.

При любом методе реализуются две разновидности плавки: в стационарных тиглях и в выемных тиглях. Для них характерна следующая последовательность приготовления сплавов: расплавление под защитными флюсами или защитными атмосферами, перегрев, рафинирование, модифицирование и разливка.

Для непрерывного обеспечения литейного цеха жидким металлом необходима организация плавильного участка, оснащенного блоком различных печей. Минимальное количество таких печей – 3: печь для переплава возвратов собственного производства, печь для плавки рабочего сплава (раздаточная печь) и печь с тиглем для промывки ковшей и инструмента в расплавленном флюсе. Количество и емкость печей зависит от производственной мощности.

При плавке магниевых сплавов необходим постоянный контроль за состоянием тиглей. Новые тигли рекомендуется опробовать на плавке флюса в течение 2–3 ч. Тигли, бывшие в употреблении, проверяются через каждые 48–72 ч. Тигель очищается от окалины, и производится внешний осмотр, простукивание молотком и измерение толщины стенки контрольным приспособлением. Тигли с трещинами и местным утонением стенки сверх 50 % к эксплуатации не допускаются. Сварные тигли контролируются после окончания каждой смены. Особое внимание обращается на состояние сварных швов.

Различные группы магниевых сплавов имеют существенные отличия в технологии плавки.

4.2.5.1. Плавка сплавов системы Mg–Al–Zn

Сплавы этой системы (МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6) наиболее широко применяются в литейном производстве. Технология их плавки под защитными флюсами отработана еще в середине прошлого века.

Плавку рабочих сплавов в стационарных тиглях применяют при серийном производстве мелких отливок. В стальной литой тигель, нагретый до температуры 400–500 °С, загружают флюс ВИ2 (1,0–1,5 % от массы шихты), присыпают стенки тигля этим же флю-

96

сом (0,1–0,25 %) и расплавляют. В тигель под флюс загружают отдельными порциями подогретую шихту в следующей последовательности: чушки первичного или вторичного сплава, возвраты, магний, лигатуры, алюминий. Выступающие куски шихты присыпают флюсом. После полного расплавления шихты температуру доводят до 680–720 °С, вводят цинк и лигатуру Al–Be. Если бериллий вводится в виде фторбериллата натрия, то температура повышается до 730–750 °С. С поверхности металла снимают загрязненный флюс, присыпают свежий и приступают к рафинированию. Для этого в течение 5 мин интенсивно замешивают флюс движением шумовки сверху вниз, далее от себя, затем снизу вверх и поверху к себе. Обнажающиеся места на зеркале расплава посыпают флюсом. Расход флюса на рафинирование – около 1 %. Рафинирование считается законченным, когда поверхность металла приобретает блестящий зеркальный вид. После рафинирования с поверхности металла снимают остатки загрязненного флюса и засыпают свежий флюс.

Модифицирование осуществляют углеродосодержащими добавками. Подготовленные модификаторы вводят в расплав при помощи колокольчика примерно на половину глубины тигля. Состав модификаторов и режимы модифицирования приведены ранее в табл. 15.

После модифицирования проводится отбор проб на спектральный или химический анализ и отбор технологической пробы на излом для проверки эффективности модифицирования. Если излом пробы не соответствует эталону, то операцию модифицирования необходимо повторить.

Общий расход флюса ВИ2 при плавке сплавов, содержащих алюминий, составляет от 3 до 5 %.

Расплав выдерживают в тигле не менее 15 мин, доводят температуру металла до заданной в технологической карте и приступают к разливке.

Заливка форм из стационарных тиглей производится разливочными ковшами, которые предварительно нагревают до красного каления во флюсовой печи. Донной частью ковша отводят в сторону флюсовый покров и, медленно погружая ковш, набирают расплав.

97

Небольшое количество расплава (2–3 %) сливают через носок обратно в тигель, чтобы удалить флюс, попавший в ковш. Возможные очаги загорания металла в ковше следует тушить серой или смесью серы и борной кислоты. Зеркало металла в тигле присыпают флюсом. Повторный забор металла из тигля производится через 3–5 мин.

Из печей со стационарным тиглем допускается разбор не более 80 % всего металла, находящегося в печи. Остаток металла разливают в изложницы.

Плавку рабочих сплавов в выемных тиглях проводят при полу-

чении крупных отливок. Технологические приемы и последовательность операций при использовании выемных тиглей такие же, как и при плавке в стационарных тиглях. Отличие заключается в том, что необходимо использовать флюс ВИ3, который имеет большую вязкость и лучше защищает расплав при перемещении тигля к месту разливки. Разливают металл непосредственно через сливной носок тигля, отодвинув корку флюса. Флюс от попадания в форму хорошо удерживается при наличии перегородки в тигле.

Дуплекс-процессы плавки магниевых сплавов реализуются в литейных цехах с крупносерийным или массовым производством отливок любого развеса. Для расплавления шихты можно использовать отражательные печи емкостью до 3 т или индукционные печи большой емкости со стационарным тиглем. Металл из плавильной печи переливается в раздаточные тигельные печи со стационарными или выемными тиглями. Технологию плавки в отражательной печи рассмотрим на примере сплава МЛ5.

Печь очищают от остатков предыдущей плавки и нагревают до температуры 750–850 °С. Для промывки пода в печь загружают 0,3–0,5 % флюса ВИ2. Шихту, подогретую до 120–150 °С (допускается загружать холодную шихту, если в печи нет расплавленного флюса или металла), загружают в следующем порядке: возвраты, магний, лигатура Al–Mn, алюминий и цинк. Поверх шихты засыпается порошкообразный флюс ВИ2 в количестве 2–3 % от веса шихты. После расплавления шихты при температуре 690–720 °С вводится марганец при помощи лигатуры, металлический цинк и лигатура Al–Be. Очаги загорания металла тушить флюсом при помощи рас-

98

пылителя в струе азота. Далее проводится рафинирование путем замешивания в расплав флюса в течение 3–5 мин. После рафинирования поверхность металла очищается от загрязнений и засыпается свежий флюс. Металл выдерживается в течение 15–20 мин. За это время берется проба на спектральный анализ, и при соответствии химического состава приступают к разливке промежуточного сплава в печи со стационарными или выемными тиглями. Дальнейшая подготовка расплава производится так же, как было описано выше.

4.2.5.2. Плавка сплавов с редкоземельными металлами

Все магниевые сплавы, начиная с МЛ8 и заканчивая МЛ19, легированы цирконием. В состав некоторых из них входит лантан и другие РЗМ.

Цирконий и РЗМ требуют бережного отношения при плавке. Если не принимать специальные меры защиты, то будет происходить повышенный угар этих дорогих металлов. Максимальный угар наблюдается при плавке в отражательных печах, меньше всего потерь при плавке в тигельных печах. Металлический цирконий (Тпл = = 1850 °С) трудно вводится в расплав. Эту операцию можно упростить путем применения лигатуры Mg–Zr, соли – фторцирконата калия или шлак-лигатуры, которую получают сплавлением фторцирконата калия с магнием. При использовании лигатуры Mg–Zr расплав необходимо перегреть до температуры не ниже 850 °С. Экономически целесообразнее вводить цирконий в виде солей. Преимуществом шлак-лигатуры перед фторцирконатом калия является то, что плавку можно вести при температуре 800 °С вместо 900–920 °С. Усвоение циркония зависит от наличия металлических примесей в сплаве. Незначительные количества алюминия, кремния и в меньшей степени марганца приводят к резкому снижению содержания циркония. В связи с этим требуется высокая чистота исходных шихтовых материалов. При использовании возврата необходимо исключать возможность попадания в шихту отходов сплавов, содержащих алюминий. Не следует вести плавку магниево-циркониевых сплавов в тиглях, в которых ранее плавили сплавы Мл3, МЛ4, МЛ5 иМЛ6.

99

Шлак-лигатуру получают сплавлением 50 % K2ZrF6 c 25 % карналлита и 25 % Mg. Сначала расплавляют карналлит и при 720–730 °С в него вводят фторцирконат калия. В другом тигле плавят магний и приливают его в расплавленную соль. При температуре 720 °С сливают солевую часть и разливают лигатуру. Содержание циркония в ней колеблется от 25 до 50 %.

Как было показано выше, при плавке под флюсами ВИ2 или ВИ3 наблюдаются повышенные потери лантана и других РЗМ: лантана 20–25 %, неодима и цериевого мишметалла по 10–15 %. Эти потери можно сократить в 2–3 раза, если использовать бесхлоридные флюсы.

Для введения в расплав РЗМ применяют чистые лантан и неодим или лигатуры Mg–La и Mg–Nd, содержащие до 40 % этих металлов.

Для введения церия применяют мишметалл, содержащий

50–65 % Се.

Порядок плавки рассмотрим на примере сплава МЛ10. В качестве шихты применяются: чистый магний Мг95 или Мг90, неодим металлический или лигатура Mg–Nd, шлак-лигатура Mg–Zr и возврат сплава МЛ10 (очищенные от загрязнений бракованные отливки, крупные и мелкие выпоры и т.п.). Расчет шихты производится на средний состав. При использовании возврата необходимо компенсировать потери Zr и Nd (по 10–15 % каждого) в ходе их переплава.

Порядок плавки принимается следующий. В тщательно очищенный и подогретый до темно-красного каления тигель загружают магний, возвраты и шлак-лигатуру. Плавку ведут под флюсами ВИ2 в стационарных тиглях или ВИ3 в выемных тиглях. В шлак-лигатуре уже есть хлориды, поэтому и используют такие же хлоридные флюсы. При 780 °С производят тщательное перемешивание расплава в течение 5 мин для лучшего усвоения циркония. Затем вводят лигатуру Mg–Nd и рафинируют расплав свежими флюсами. К разливке приступают через 15–20 мин.

100