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.