Все о металле, его обработке и переработке

ЛИТЬЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1. СВОЙСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Особенностью магниевых сплавов является малая плотность и сравнительно большая удельная прочность. Так, удельная проч­ность магниевых сплавов составляет от 12,8 1до 19,4, алюминие­вого сплава АЛ4 — 8,6 — 10,0, высокопрочного чугуна — 6,9— 7,6, углеродистой стали — 7,0—9,5, и легированной конструк­ционной стали — 10,2—12,3 кгс ¦ см3/(г • мм2) [71].

Широкое распространение получили сплавы системы Mg— Al—Zn. К этой группе относятся сплавы МлЗ, Мл4 п. ч., Мл5, Мл5 п. ч., Мл5 о. н. (ГОСТ 2856—68). Основным упрочнителем в них является алюминий. Для улучшения того или иного свой­ства в сплавы вводят дополнительно различные элементы. Так, марганец улучшает коррозионную стойкость, кальций повышает жаропрочность, берилий снижает окисляемость сплавов.

Более высокими механическими свойствами отличаются сплавы группы Mg-Zn—Zr (Мл 12) и особенно с редкоземельными эле­ментами. Из редкоземельных металлов в качестве легирующих до­бавок чаще всего используются ниодим — сплавы Мл9 (ВМл2), МлЮ; лантан — сплав Мл15; редкоземельные цериевой группы — сплав Мл11. Используют также торий и другие элементы.

Сплавы этой группы относятся к тепло — и жаропрочным с до­статочно хорошей прочностью при комнатной температуре. Для литья в кокиль преимущественно используют сплавы Мл5, Млб, МлЮ, Мл12, Мл 15.

Основные недостатки магниевых сплавов: их большая склон­ность к окисляемости в твердом и жидком состояниях и легкая воспламеняемость. Кроме того, они имеют сравнительно низкую жидкотекучесть, повышенную усадку и склонность к образова­нию горячих трещин (табл. 33). Большинство сплавов на магние­вой основе (Мл4, Млб и др.) имеют значительный интервал кри­сталлизации. Последнее, одновременно с повышенным содержа­нием газов в металле и низкой его плотностью, приводит к обра­зованию микрорыхлот (см. гл. IV) и к понижению свойств металла.

Магниевые сплавы (в своем большинстве) чувствительны к влиянию скорости охлаждения. Так, изменение толщины стенки отливки от 4—10 до 30 мм уменьшает величину предела прочности сплава с 215 до 150 МПа (21,5 до 15 кгс/мм2) и относительное удли­нение с 7,5 до 3,5%. Повышение скорости затвердевания магние­вых сплавов увеличивает их плотность, измельчает структуру и, следовательно, улучшает механические свойства.

Ввиду особых свойств магниевые сплавы нашли широкое при­менение для изготовления отливок различного назначения [94, 151]. Из них получают детали от самых простых и мелких до

Рис. 137. Отливка «картер коленчатого вала» , масса 8 кг

Весьма сложных и крупных. Представление о сложности деталей из магниевых сплавов, отливаемых в кокиль, дает рис. 137.

Отливки, изготовленные в кокилях, не только обладают вы­сокими эксплуатационными свойствами, но и имеют хороший внешний вид.

Одной из особенностей отливок из магниевых сплавов является повышенная их склонность к короблению при затвердевании и термической обработке. Поэтому рекомендуется конструировать отливки повышенной жесткости, для чего предусматривать ребра. При этом следует помнить о повышенной склонности магниевых сплавов к горячеломкости. Следовательно, устройство ребер должно быть таким, чтобы не вызывать торможение усадки ко­килем.

Таблица 33

Литейные свойства основных магниевых сплавов, применяемых для литья в кокиль

Марка сплава

Система сплава

Линейная

Усадка,

%

Жидкотеку­честь по прутковой пробе, мм

Склонность к образова­нию горячих трещии (ши­рина коль­ца), MM

Склонность к образова­нию микро­рыхлоты

Мл5

Mg—Al— Zn

1,0—1,2

290—300

30,0

Средняя »

Мл 6

Mg—Al—Zn

1,1—1,2

330

27,5

• Мл 12

Mg-Zn-Zr

1,2—1,4

290

30,3—32,5

»

МлЮ

Mg—Nd—Zr

1,2—1,5

250

15—20

Малая

Мл 15

Mg—2а—Zr

1,2—1,5

320

27,5—30

»

Рекомендации по проектированию отливок из магниевых сплавов (минималь­ная толщина и уклоны стенки, предельные значения длин отверстий, прииуски на механическую обработку) изложены в гл. VIII. При проектировании необ­ходимо руководствоваться и общими требованиями к литым конструкциям, приведенным там же.

2. ОСОБЕННОСТИ ЛИТЬЯ

Применение кокилей позволяет добиться значительного упро­щения технологии производства и сокращения стоимости (при­мерно в 2 раза) отливок из магниевых сплавов. Прежде всего это объясняется отсутствием химического взаимодействия металла с формой. При заливке в песчаную форму магниевый сплав ин­тенсивно реагирует с влагой, поэтому требуются специальные меры для предупреждения его окисления, что усложняет техно­логический процесс изготовления отливок. Однако литье в ко­киль ввиду пониженных литейных свойств магниевых сплавов (низкая жидкотекучесть, высокие усадка и склонность к образо­ванию горячих трещин) имеет свои сложности, которые прояв­ляются в необходимости строгого регламентирования параметров технологического процесса.

При литье из сплава Млб тонкостенных отливок оптимальными являются значения T3an = 1000ч-1020К и Т2н = 670 К, а для простых толстостенных отливок T3an = 950 К и T2h = 570 -=- ч — 620 К — По данным А. М. Осокина, при литье сплава Млб в ко­кили удается устранять горячеломкость отливок при Т2н = = 670 К и T3an = 1070 К — При этих параметрах уменьшается отрицательное влияние большого интервала кристаллизации и по­является возможность залечивания образующихся кристаллиза­ционных микротрещин.

Следует, однако, учитывать, что повышение температуры за­ливки приводит к интенсивному окислению сплава, загрязне­нию отливки окислами, увели­чению размеров зерна и к ухуд­шению механических свойств. Поэтому считается более эф­фективным введение в расплав церия и висмута, благоприятно действующих на снижение горя — челомкости [61 ].

Ввиду повышенной склон­ности магниевых сплавов к об­разованию трещин при затруд­ненной усадке необходимо обе-

T, В

Рис. 138. Литниковая система картера: 1 — стояк; 2 — металлоприемник; 3 — рас­секатель; 4 — подпитывающие бобышки: 5 — выпор; 6 — кольцевая прибыль

Спечить своевременный «подрыв» (извлечение) металлического стержня или применять песчаные стержни. Учитывая особенности литейных свойств рассматриваемых сплавов, следует широко приме­нять верхние и отводные (боковые) прибыли совместно (рис. 138). Даже в литых образцах, предназначенных для испытания на раз­рыв (рис. 139), были достигнуты стабильные показатели меха­нических свойств сплава Мл5 после применения специальных вертикальных подпитывающих бобышек [9].

В работе [76] приводятся данные о влиянии на механические свойства и квазиизотропность (однородность) сплава Мл5 мо­дифицирования расплава магнезитом и воздействия ультразвуком в период кристаллизации в кокиле. Воздействие на расплав уль­тразвуком повысило механические свойства сплава Мл5 в цен­тральной части слитка диаметром 80 мм и высотой 260 мм (масса слитка 2,15 кг) на 40—50%. Менее эффективно действует моди­фицирование.

3. ЛИТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Основным условием получения качественных отливок из маг­ниевых сплавов является предупреждение окисления расплава и обеспечение его ламинарного движения в литейной полости формы. Завихрение потока магния на любом пути металла в ко­киле может привести к образованию вторичного шлака, микроне­плотностей и газовых раковин_в отливках. Литниковые системы для магниевых сплавов чаще всего состоят из стояка, коллектора и питателей. Вместо зумпфов у основания стояка устраивают рас­секатели (рис. 140). В некоторых случаях вместо коллектора уста­навливают металлоприемник с рассекателем (см. рис. 138).

Стояки применяют трех видов — цилиндрические, плоские и змееобразные. Змееобразные распространены для крупных отли­вок. Цилиндрические и плоские стояки рекомендуется выполнять наклонными. В ряде случаев перед заливкой кокиль наклоняют в сторону стояка на 40—50° от вертикали и в таком положении начинают его заливку. По мере заполнения стояка сплавом форму

Рис. 140. Типы рассекателей

Постепенно возвращают в начальное поло­жение. Такой способ обеспечивает плавное заполнение формы металлом независимо от габаритных размеров отливки. Он особенно целесообразен при литье отли* вок, имеющих большие горизонтально расположенные поверхности.

Питатели чаще всего применяют щеле­вые горизонтальные или вертикальные, реже рожковые. Целесообразно обеспе­чивать рассредоточенный подвод металла через несколько питателей во избежание местного перегрева, а также для более быстрого заполнения формы.

При литье магниевых сплавов приме­няют расширяющуюся литниковую си­стему, обеспечивающую более спокойное поступление металла в полость формы. Обычно рекомендуется соотношение эле­ментов литниковой системы (стояка, кол­лектора и питателей) для мелких и средних отливок Fct : Flion : Fn = 1 : 2 : 3, а для крупных и сложных отливок Fct : Fkoji : : Fn = 1:3:6.

(139)

Расчет литниковой системы начинают с определения площади сечения стояка (см2)

Af1

0,1 Ht1VH ‘

Где M1 — масса отливки с литниковой системой и прибылями, кг; |х — коэффициент расхода, — равный 0,7—0,8; I1 — продолжи­тельность заливки, с; Я — средний металлостатический напор, см.

S1M1

Продолжительность заливки вычисляют по формуле

(140)

Где k — коэффициент, зависящий от массы отливки;. — средняя толщина стенки отливки, мм.

Происхождение формулы {139) легко понять, если сравнить ее с выражением (135).

Г)

Как уже отмечалось, при литье магниевых сплавов необходимо использовать прибыли. Объем прибыли должен превосходить объем питаемого узла в 1,5—2 раза, форма прибыли зависит от конфигурации этого узла.

4. ПОДГОТОВКА И ЗАЛИВКА КОКИЛЕЙ

В основном эксплуатация кокилей при литье магниевых спла­вов мало чем отличается от эксплуатации их при литье алюминие­вых сплавов. Перед окраской поверхность кокиля тщательно очищают и нагревают до 470—530 К, после чего пульверизатором наносят краску.

В табл. 34 представлены некоторые составы красок.

Таблица 34

Состав (% по массе) краски для кокилей

Назначение

Прокален­ный асбест

Борная кислота

Мел

I Окись магния

Окись цинка

Тальк j

Жидкое стекло

Вода

Для отливок сложной кон­

Фигурации…………………………..

4,0 3,0

15,0

15,0

3,8 3,0

78,0 79,0

2,5

18,0

2,5

77,0

Для средних и мелких отли­вок.

_____

2,0

5,0

__

,____

5,0

2,0

86,0

Для утепления литников и выпоров……………………………….

15,0

4,0

10,0

__

—.

__

3,0

68,0

Для окраски литников и выпоров……………………………………………

6,0

2,5

__

5,0

2,0

84,0

Для окраски литников и прибыли……………………………………………

25

20,0

6,5

100

Применяют краски и иных составов. Так, на Мелитопольском заводе «Автоцветлит» хорошо себя зарекомендовала краска, содер­жащая пирофиллит. Состав ее (% по массе): 13,5 — 15,0 пиро­филлита; 4,5—5,0 талька; 1,8—2,0 жидкого стекла; 5,8—6,0 бор­ной кислоты; воды — до плотности 1,12—1,2 г/см3.

Окрашенный кокиль собирают, подогревают до требуемой тем­пературы и заливают. Для лучшего прогрева кокиля и высушива­ния краски используют теплоту первых двух-трех отливок, ко­торые затем идут на переплав.

При получении сложных отливок тепловой режим кокиля ре­гулируют искусственным нагревом или охлаждением. В случае применения металлических стержней им необходимо уделить осо­бое внимание (окраска, подогрев и охлаждение, своевременное извлечение из отливки).

Кроме’тщательного проведения плавки с обязательным рафини­рованием," необходимо обеспечить защиту расплава от вторичного окисления при заливке. Для этого зеркало металла в ковше и кромки кокиля у литниковой чаши и выпора присыпают серным цветом. Последний, сгорая, образует защитную атмосферу. За­ливочный ковш перед каждым наполнением его металлом необ­ходимо промывать в расплавленном и перегретом до 1020—1070 К флюсе.

Металлические чаши, через которые ведется заливка, предва­рительно окрашивают. Перед нанесением краски их нагревают до 420—470 К, а после окрашивания просушивают при 520—570 К — Для окрашивания литниковых чаш рекомендуются следующие краски (в % по массе): 1) 25 окиси цинка, 2,5 графита в порошке, 5,0 жидкого стекла и 67,5 воды; 2) 32,5 окиси цинка, 1,5 жидкого стекла и 66 воды.

Сплавы, легированные цирконием, заливают через фильтр. В качестве фильтра используют бой шамотного кирпича разме­ром 10—15 мм. Бой, предварительно нагретый до —1170 К, насы­пают в чашу слоем от 80 до 150 мм в зависимости от массы заливае­мого сплава.

Приготовление рабочих сплавов для литья в кокиль ничем не отличается от приготовления сплавов для литья в песчаные формы.

5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ВИДЫ БРАКА

Термическую обработку отливок из магниевых сплавов при­меняют в основном с целью повышения их механических свойств; в некоторых случаях (для сложных, разностенных отливок) — для уменьшения внутренних напряжений. В первом случае ис­пользуют искусственное старение, закалку и закалку с последую­щим старением, во втором случае — отжиг.

Вследствие медленного протекания диффузионных процессов в магниевых сплавах требуется длительное время нагрева отливок под закалку и старение для перевода различных фаз в твердый раствор. Кроме того, с целью уменьшения опасности окисления и оплавления отливок применяют двух — и трехступенчатый нагрев. Вначале ведут нагрев до более низкой температуры, при которой в твердый раствор переходят легкоплавкие составляющие, а за­тем производят нагрев и выдержку при повышенной температуре.

Продолжительность термообработки отливок, полученных в ко­килях, примерно в 1,5—2,0 раза меньше, чем отливок, изготов­ляемых в песчано-глинистых формах. Это связано с тем, что в пер­вом случае металл отличается мелкозернистой структурой, в ре­зультате чего диффузионные процессы протекают с большей ско­ростью. Например, для отливок из сплава Млб, отливаемых в пес — чано-глинистые формы, требуется двухступенчатый нагрев под за­калку. Первая ступень состоит в нагреве до 630 К и выдержки при ней в течение 3 ч, вторая ступень: нагрев до 690 К с выдержкой перед закалкой 21—29 ч. Для отливок из того же сплава, но от­литых в кокиль, достаточным является одноступенчатый нагрев под закалку до 688 К с последующей выдержкой в течение 8—16 ч,

Максимальное повышение прочности магниевого сплава обес­печивается искусственным старением или закалкой с последую­щим старением. Одной закалкой достигается максимальная пла­стичность, что можно объяснить образованием однородного твер­дого раствора. Старение же приводит к Выпадению из этого рас­твора различных упрочняющих фаз, снижающих пластичность.

В работе [94 ] приведены два режима термообработки сплава Мл5, модифицированного магнезитом. Первый режим (нагрев и выдержка 12 ч при 688 К (415° С) с охлаждением на воздухе) поз­волили исходные свойства ав = 182 МПа (18,2 кгс/мм2), crx = = 159 МПа (15,9 кгс/мм2) и б =4,1% изменить соответственно на 193, 103 и 8,5. Второй режим (выдержка 12 ч при 450 К (175° С) с последующим охлаждением на воздухе) позволил получить ств =211 МПа, crT = 157 МПа и б = 3,5%.

Отжиг обязательно применяют для отливок, которые не под­вергаются другим видам термообработки.

При термообработке нагрев выше 575 К необходимо проводить в защитной атмосфере. По этой же причине не проводят закалку в воду. Ввиду малой скорости диффузии вполне достаточно охла­ждение в струе воздуха. Иногда используют горячую (369 К) воду.

Основными видами брака отливок из магниевых сплавов при литье в кокиль являются: горячие трещины, недоливы, неспаи, усадочные рыхлоты, газовые раковины, неметаллические включе­ния и утяжины.

Горячие трещины образуются в местах резких переходов сечений отливки или в перегретых участках. Основные меры борьбы с тре­щинами прежде всего должны заключаться в соблюдении устано­вленного темпа работы кокиля, в применении рассредоточенной си­стемы питателей и в своевременном извлечении отливки из кокиля.

Неспаи и недоливы могут быть связаны с низкой температурой заливаемого металла и кокиля. В этом случае необходимо экспе­риментально уточнить температуру заливки и температуру подо­грева кокиля.

Рыхлоты и утяжины возникают в результате дефицита питания отливок. Чтобы предупредить этот вид брака, необходимо отре­гулировать систему охлаждения кокиля, обеспечив равномерное или направленное затвердевание отливки. Для этого используют окраску (различной толщины) кокиля, его искусственное охла­ждение или обогрев. Кроме этого, необходимо организовать хо­рошее питание массивных частей отливки, применять подвод ме­талла Через несколько питателей во избежание местного перегрева.

Газовые раковины преимущественно образуются в результате плохой подготовки сплава, недостаточной вентиляции формы, мест­ного перегрева. Во избежание неметаллических включений следует прежде всего тщательно приготовлять сплав и вести заливку формы. В некоторых случаях требуется изменение литниковой системы.