» » Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов
23.04.2015

Технология производства фасонных отливок из магниевых сплавов по многим параметрам близка к технологии производства отливок из алюминиевых сплавов, изготовление отливок производят одинаковыми способами литья, используют близкие по составу формовочные и стержневые смеси, близкие температурные режимы заливки форм и практически одинаковые режимы выбивки, обрубки, заварки и пропитки отливок. Вместе с тем в технологии изготовления отливок из магниевых сплавов имеется ряд особенностей, обусловленных отличием их физико-химических свойств.
Магниевые расплавы окисляются с образованием неплотной, рыхлой и малотеплопроводной окисной пленки. Это обусловливает легкое загорание расплава при заливке литейных форм. Чтобы предотвратить это, струю металла во время заливки припыливают порошком серы. Образующийся при горении сернистый газ замедляет окисление и предотвращает загорание.
Магниевые расплавы интенсивно взаимодействуют с кремнеземом формовочных и стержневых смесей по реакциям: SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si и SiO2 + 4Mg → 2MgO + Mg2Si.
Продукты обменных реакций загрязняют расплавы оксидами и хрупкими интерметаллидами, существенно снижающими пластические свойства сплавов. По этой причине формовочные и стержневые смеси содержат в своем составе специальные присадки, предотвращающие такое взаимодействие.
При литье магниевых сплавов большое внимание уделяют разработке мер по предотвращению попадания флюсов в полость литейной формы. Высокая гигроскопичность карналлитовых флюсов является причиной интенсивной коррозии отливок. Для уплотнения окисной пленки отливки из магниевых сплавов подвергают специальной химической обработке.
Сплавы системы магний — алюминий — цинк имеют больший интервал кристаллизации, чем алюминиево-кремниевые сплавы, и растворяют значительно большее количество водорода (до 24 см3/100 г). Поэтому при литье магниевых сплавов проблема получения плотных отливок стоит значительно острее, чем для алюминиевых сплавов.
Магниевые сплавы в большей мере, чем алюминиевые, склонны к образованию трещин при затрудненной усадке, особенно в местах резких переходов сечений и в острых углах.
Отливки из магниевых сплавов, так же как и алюминиевые, делят на шесть групп сложности и три категории ответственности.
Для отливок категории ответственности I предусмотрено (ОСТ 90248—77) выборочное испытание механических свойств на образцах, вырезанных из тела контрольных отливок с одновременным испытанием механических свойств на отдельно отлитых образцах от каждой плавки или поштучное испытание на образцах, вырезанных из прилитой к каждой отливке заготовки, а также поштучный контроль на плотность. Для отливок категории II предусмотрено испытание механических свойств на отдельно отлитых образцах от плавки или выборочное испытание на образцах, вырезанных из прилитой к отливке заготовки, а также поштучный или выборочный контроль на плотность.
Испытание механических свойств на отдельно отлитых образцах от плавки или выборочное испытание на образцах, вырезанных из прилитой к отливке заготовки, назначается для отливок категории III.
По химическому составу и механическим свойствам отливки из магниевых сплавов должны соответствовать требованиям ГОСТ 2856—79; по величине припуска на механическую обработку, допускам на размеры и классу точности — ОСТ 141154—72; по чистоте поверхности — ОСТ 90021—71. Отливки поставляют заказчикам в термически обработанном состоянии с оксидированной поверхностью. В них не допускаются неслитины, трещины, сквозные раковины и рыхлоты. На поверхности отливок и готовых деталей после химической обработки не допускаются флюсовые включения.
Непременным условием для получения плотных отливок является последовательное направленное затвердевание их в сторону прибылей. Наиболее плотные отливки получают в тех случаях, когда в вышележащие части отливки поступает горячий металл и обеспечивается полная пропитка нижележащих частей. Для обеспечения плавного поступления металла в полость формы применяют расширяющиеся литниковые системы с нижним или вертикально-щелевым подводом металла. В некоторых случаях при изготовлении сложных по конфигурации или высоких отливок применяют двухъярусную литниковую систему с подводом металла в нижние и верхние части формы. Оптимальными являются следующие соотношения площадей сечений литниковых каналов: ΣFст:ΣFшл:ΣFлитн = 1:2:4 или 1:3:6.
Для создания направленного затвердевания широко используют холодильники, окраску стержней и форм малотеплопроводными красками, утепление прибылей, объем которых принимают на 30—50 % больше объема прибылей для отливок из алюминиевых сплавов.
В зависимости от величины объемной усадки сплавов диаметр нижнего основания открытой конической прибыли (Dп) принимают равным 1,2—1,6 диаметра окружности, вписанной в тепловой узел (Dy). Высота открытой прибыли составляет Hп = (1,9/2,1)Dп; высота закрытой прибыли принимается равной Hп = (1,2/1,4) Dц. Объем прибыли может быть рассчитан по формуле Намюра.
Спокойное заполнение форм имеет место, если начальная скорость подъема металла в форме не превышает vнач < 3/6 см/с для мелких отливок и vнач < 4,2 δ для крупных отливок, где δ — толщина стенки отливки, см. Средняя скорость подъема металла в форме должна быть в пределах 0,45—1,4 см/с.
Как правило, литниковые системы для литья магниевых сплавов содержат все элементы: литниковую чашу, стояк, металлоприемник, коллектор, шлаковыпор, питатели, прибыли.
Литниковые чаши чугунные или из стержневой смеси применяют при изготовлении средних или крупных отливок массой более 10 кг. Емкость их принимают равной 30—40 % от массы отливок среднего развеса и 40—50 % от массы крупных отливок.
Стояки делают прямыми или змеевидными с круглым или прямоугольным сечением. Форму и размеры стояков выбирают в зависимости от массы отливок и их габаритов. Для мелких отливок массой до 10 кг при высоте падения металла в стояке до 300 мм применяют прямые стояки круглого сечения. Захват воздуха в них предупреждается выбором минимально возможного диаметра стояка (12—15 мм) Для средних и крупных отливок с высотой падения от 300 до 400 мм применяют плоские (щелевые) стояки, в которых не образуются завихрения. Для крупных и средних отливок с высотой падения металла более 400 мм рекомендуются змеевидные стояки. Щелевые и змеевидные стояки выполняют стержнями. Для смягчения удара струи металла под стояками размещают металлоприемники, а между ними помещают сетку из листового железа толщиной 0,5—1,0 мм с диаметром отверстий 1,8—2,0 мм. Сечения коллекторов, как правило, выполняют в форме трапеции, верхнее основание которой составляет 0,8 нижнего. Рассредоточенный подвод металла к тонким частям отливок осуществляют плоскими питателями толщиной 4—6 мм.
Толщину щели в вертикально-щелевых литниковых системах определяют из соотношения: а = (1/1,5) δ, где δ — толщина стенки отливки, а диаметр вертикальных цилиндрических шлаковиков из соотношения: d = (4/6) δ.
Для задержания шлаков, увлеченных металлом в литниковую систему, наряду с металлическими сетками широко практикуют установку шлаковыпоров в местах перемены направления движения металла в литниковых каналах или местах резкого изменения поперечного сечения канала. Иногда роль шлаковыпора выполняют наколы диаметром 10—20 мм в концах коллектора.
Для изготовления крупногабаритных, тонкостенных ответственных отливок, так же как и при литье алюминиевых сплавов, широко используют метод литья с последовательно направленной кристаллизацией.
Разливку магниевых сплавов ведут ковшами чайникового типа (рис. 110), которые исключают увлечение флюса металлом в литниковую систему и в полость формы. Хорошие результаты дает фильтрование расплавов через фильтры из магнезита, впитывающего хлористые соли. В тех же случаях, когда применение флюса недопустимо, в расплавы вводят 0,002—0,005 % (по массе) бериллия. Большое внимание во время заливки уделяют предупреждению попадания в отливку окисных включений.
Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов

Поскольку нижняя часть расплавов в тиглях в процессе рафинирования обогащается оксидами магния и загрязненным флюсом, для заливки форм ее не используют (заливают менее 2/3 объема расплава). Третью часть расплава сливают в изложницы и перерабатывают на подготовительные сплавы.
Для предотвращения загрязнения расплава окисными включениями разливочный инструмент систематически промывают в расплавленном карналлите. Весьма эффективным средством снижения содержания окисных пленок в отливках является фильтрование расплавов во время заливки форм через зернистые фильтры.
Литье в разовые формы

Для изготовления разовых форм используют смеси, состав которых приведен в табл. 25. Они отличаются от формовочных смесей для алюминиевых сплавов наличием газообразующих защитных добавок. В связи с этим смеси должны иметь повышенную газопроницаемость.
Для обеспечения стабильности свойств формовочные смеси после каждого производственного цикла освежают. Присадку BM вводят в виде водного раствора или порошка. В состав присадки BM входят 58—62 % (по массе) мочевины [CO(NH2)2], 13—17 % борной кислоты H3BO3 и 15—19 % нефелинового коагулянта Al2(SO4)3*18Н20.
Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов

Во время заливки разовых форм в присутствии влаги происходит разложение мочевины и гидролиз сернокислого алюминия, обусловливающие связывание паров воды с образованием на поверхности отливки сульфата магния. Газообразные и парообразные продукты гидролиза и деструкции присадки образуют газовую прослойку между расплавом и формой, заполняют полость формы и вытесняют из нее воздух, уменьшая тем самым окисление расплава.
Борная кислота при нагревании диссоциирует. Образующийся борный ангидрид, взаимодействует с магнием по реакции B2O3 + + 3Mg → 3MgO + 2В.
Выделяющийся при этом бор внедряется в поверхностные слои отливок, способствуя повышению плотности окисной пленки.
Образование защитной газовой среды в полости формы происходит в интервале 130—300 °С.
Состав и свойства типовых стержневых смесей, применяемых при литье магниевых сплавов, приведен в табл. 26. Эти смеси также содержат газообразующие добавки, предотвращающие взаимодействие расплавов с материалом стержней.
Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов

Заделку швов и поврежденных готовых песчаных форм и стержней производят пастой, состоящей из формовочной смеси (50 %), талька прокаленного (10 %), силлиманита в порошке (30—31 %), водного коллоидно-графитового препарата (5 %), калия борфтористого (2—3 %), воды (10 %), этилового спирта (10—15 %). Формы и стержни окрашивают спиртовой краской, содержащей борную кислоту (1 %), тальк прокаленный (20—25 %), связующее ПК104 (1—2 %), цирконовый концентрат (5 %) и гидролизный спирт (64—68 %).
Интенсивное выделение продуктов разложения защитных присадок вызывает необходимость на участках заливки и выбивки форм предусматривать местную вытяжную вентиляцию.
Литье в формы многократного использования

Литьем в многократные формы (кокиль и под давлением) изготавливают около 35—45 % от общего выпуска отливок из магниевых сплавов.
Литье в кокиль. Литьем в кокиль получают отливки с минимальной толщиной стенок 3,5 мм и массой до 50 кг.
Магниевые сплавы имеют большую склонность к образованию усадочных трещин, чем алюминиевые сплавы, меньшую плотность и пониженную жидкотекучесть. Поэтому получение качественных отливок из них связано с большими трудностями, особенно при изготовлении тонкостенных отливок сложной конфигурации.
Рабочая температура матриц кокиля должна быть не менее 250—350 °С, а металлических стержней 300—450 °С. Высокая температура формы является, как известно, эффективным средством борьбы с усадочными трещинами. Для поддержания такой температуры обычно предусматривается электрический подогрев нагревателями, размещенными в стенках кокиля. Оптимальная температура заливки сплавов 680—740 °С.
Малая плотность и относительно широкие интервалы кристаллизации большинства магниевых литейных сплавов предопределяют необходимость установки больших по объему прибылей, чем для алюминиевых сплавов. Для создания направленной кристаллизации рабочую поверхность кокилей и металлических стержней окрашивают теплоизоляционными красками следующих составов: 100 ч оксида цинка, 30 ч. жидкого стекла, 60 ч. борной кислоты и 1000 ч. воды или 80 ч. отмученного мела, 20 ч. оксида магния, 30 ч. жидкого стекла, 60 ч. борной кислоты, 1000 ч. воды. Извлечение отливок из кокиля производят при 350—450 °С.
Для изготовления ответственных крупногабаритных отливок, внутренняя полость которых выполняется песчаными стержнями, широко используют метод последовательного направленного затвердевания. Заливку кокилей осуществляют с помощью дозаторов и вручную.
Литье под давлением. Литьем под давлением получают отливки по 2-му классу точности. Рекомендуется применять разветвленные литниковые системы с шириной литника, равной 1/2—2/3 диаметра камеры прессования, и толщиной 5—6 мм для мелких отливок, 6—12 мм для средних и 15 мм для крупных. Ширину питателя принимают больше ширины литника; толщину питателя назначают для мелких отливок 0,8—1,2 мм, средних 1,2 мм и крупных 2,5—3 мм. Оптимальные режимы литья приведены в табл. 27.
Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов

Большие скорости впуска при литье магниевых сплавов по сравнению с алюминиевыми связаны с необходимостью лучшей тентиляции пресс-формы, что достигается увеличением числа промывников, суммарный объем которых может составлять 1/2 объема отливки. Промывники не должны сообщаться между собой. Ширина канала, соединяющего полость формы с промывником, должна составлять 1/2—3/4 ширимы промывника, а толщина его со стороны отливки 0,2—0,3 мм. Ширина вентиляционных каналов от промывников к наружному краю пресс-формы принимается равной ширине соединительного канала, а толщина 0,1—0,2 мм.
Для литья используют машины с горизонтальной холодной и вертикальной горячей камерами прессования. Более перспективны машины с горячей камерой прессования, так как обеспечивают более высокую производительность и позволяют автоматизировать процесс. Заливку металла в холодную камеру прессования ведут с помощью дозатора.
Очистка, обрубка, химическая и термическая обработка отливок

Отливки, извлеченные из разовых форм и кокилей и освобожденные от стержней, перед поступлением на отделочные операции и термическую обработку проходят химическую обработку по схеме (операции 1—6): 1) дробеструйная очистка алюминиевой дробью; 2) кипячение (100 °С) 30—60 мин в растворе, содержащем 15—25 г углекислой соды в 1 л воды или выдержка 8—12 мин в растворе хромового ангидрида (20—30 г/л) при 60—70 °С; 3) промывка в холодной воде: 4) обработка в растворе хромового ангидрида (20—30 г/л) при 60—70 °C 8—12 мин; 5) промывка в горячей воде, 6) сушка.
Обрубку и зачистку отливок из магниевых сплавов проводят теми же методами, которые применяются для обработки отливок из алюминиевых сплавов.
Опилки, стружка и мелкая пыль магниевых сплавов способны воспламеняться Поэтому при зачистке и механической обработке отливок необходимо принимать меры предосторожности, предусмотренные правилами работы с воспламеняющимися материалами.
После обрубки и шабровки отливки подвергают термической обработке как с целью упрочнения, так и для снятия внутренних напряжений. Наиболее распространенные режимы термической обработки приведены в табл. 28.
Особенности технологии производства фасонных отливок из магниевых сплавов

Нагрев отливок под закачку и для старения ведут в электрических шахтных печах в защитной атмосфере (воздух, содержащий 0,5—1 % сернистого газа) с принудительной циркуляцией газа. Для предупреждения местного перегрева отливок от спиралей печи снабжены экранами.
После термической обработки отливки не позднее чем через трое суток подвергают химической обработке по следующей схеме (операции 1—12) 1) обезжиривание в 0,5—1,8 %-ном растворе соды в течение 20—30 мин при 100 С; 2) промывка в горячей воде; 3) промывка в холодной воде; 4) обработка в растворе хромового ангидрида (20—30 г/л) при 60—70 °C 8—12 мин; 5) промывка в холодной воде; 6) оксидирование в растворе, содержащем: 20—55 г двухромовокислого калия, 70—120 г азотной кислоты (1,4 г/см3), 0,75—1,25 г хлористого аммония на 1 л воды в течение 0,4—2 мин при 70—80 °С; 7) промывка в холодной воде; 8) промывка в горячей воде; 9) обработка в растворе двухромовокислого калия (80—100 г/л) при 95—100 °С, 25— 35 мин; 10) промывка в теплой воде; 11) сушка, 12) консервация.
Обработка в растворе двухромовокислого калия и консервация (операции 9—12) производятся в тех случаях, когда отливки хранятся более одного месяца.
Контроль качества отливок и исправление дефектов осуществляются такими же методами, как и отливок из алюминиевых сплавов.