Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Физико-химические свойства магния




Аннотация

В пособии рассмотрены составы, свойства и области применения литейных магниевых сплавов.

Описаны технологические особенности плавки, составы формовочных и стержневых смесей.

Приведены методы расчета литниковых систем и прибылей. Рассмотрены особенности литья в кокиле и под давлением.

Пособие предназначено для студентов, специализирующихся в области литейного производства сплавов цветных металлов.

 

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

 

 

Г. Ф. Шеметев

 

 

Производство отливок из магниевых сплавов

 

Учебное пособие по курсу «Производство отливок

из сплавов цветных металлов»

(электронный ресурс)

 

 

Санкт-Петербург

2014

ВВЕДЕНИЕ

Магниевые сплавы относятся к числу конструкционных материалов, которые находят все большее применение в различных областях техники, начиная с авиакосмического аппаратостроения до легкой и пищевой промышленности.

Это объясняется, прежде всего, их малой плотностью, высокой удельной прочностью, способностью поглощать энергию удара и вибрационных колебаний, отличной обрабатываемостью резанием.

В настоящее время состояние  технологических процессов достигло того уровня, который позволяет получать изделия из магниевых сплавов различной сложности и габаритов методами фасонного литья и пластической деформации.

Из магниевых сплавов изготавливают многие  детали современных самолетов и вертолетов, в том числе и детали двигателей. Применяются эти сплавы и в ракетах, и в спутниках. Обладая сравнительно высокой теплоемкостью (почти в 2,5 раза более высокой, чем у стали), они нагреваются медленнее, чем сталь. Поэтому в кратковременно работающих ракетах (типа «воздух — воздух») масса деталей из магниевых сплавов составляет до 90%. Применение магниевых сплавов в конструкциях ракет позволяет снизать их массу на 20-30%, увеличить грузоподъемность и дальность полета.

Возрастающее применение магниевых сплавов обусловлено также большими сырьевыми ресурсами магния, который относится к числу элементов, наиболее распространенных в природе. Содержание его в земной коре составляет 2,4%. По этому показателю он уступает только алюминию и железу. При этом магний образует удобные для разработки рудные месторождения. Особенно много его в магнезите и доломите. Из последнего состоят целые горные хребты. Кроме земных ресурсов практически неисчерпаемым источником запасов магния являются воды Мирового океана. Из 5·1016 тонн растворенных в воде веществ на долю магния приходится примерно 1,85·1015 тонн (в каждом литре воды содержится 3,8 грамма хлористого магния). Уже работают заводы, добывающие магний из морской воды. Даже в растительных организмах содержание магния, который является ядром молекулы хлорофилла, оценивается в 100 млрд. тонн.

Высокий уровень свойств магниевых сплавов обеспечивается не только составом, но и организацией технологического процесса плавки и литья.

 

 

ГЛАВА I. ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА МАГНИЕВОЙ ОСНОВЕ

Прежде чем рассмотреть составы и свойства сплавов магния, следует кратко ознакомиться с методами получения магния, которые определяют возможные примеси в нем, а также с основными физико-химическими свойствами, которые оказывают существенное влияние на выбор литейной технологии.

 

Получение магния

История получения чистого магния навсегда связана с именами англичанина Гемфри Деви и французов Бусси, Сент-Клер Девиля и Карона.

В 1808 году Гемфри Деви  при электролизе белого порошка магнезии с окисью ртути получил амальгаму нового металла, который вскоре был из нее выделен и назван магнием. Своим названием он обязан тому, что такой же порошок, который использовал Гемфри Деви, получался при прокаливании минерала, найденного в окрестностях греческого города Магнезии. Магний, выделенный Деви, был сильно загрязнен; первый действительно чистый магний был получен в 1829 году Бусси. В дальнейшем Сент-Клер Девиль и Карон получили магний путем восстановления расплавленного хлористого магния металлическим натрием. В дальнейшем промышленное производство магния производилось электролитическим методом.

В нашей стране первые опыты по производству магния были проведены в 1914-1915 годах в Петербургском политехническом институте П. П. Федотьевым и К. Н. Ворониным. Видную роль в становлении электролитического получения магния сыграли работы металлургов-политехников П. П. Федотьева, Ю. В. Баймакова и других.

Исходным сырьем для получения магния служат такие природные минералы, как карналлит (MgCl2·KCl·6H2O), магнезит (MgCO3) или доломит (MgCO·CaCO).

Из магнезита и доломита магний можно выделить карботермическим или силикотермическим способом:

MgO + C ↔ Mg + CO,

2MgO + Si ↔ SiO2 + 2Mg,                          (1.1).

2MgO + 2CaO + Si ↔ Ca2SiO4 + 2Mg

Реакции протекают при температурах, превышающих температуру кипения магния, поэтому он легко удаляется в виде пара из зоны реакции, а затем конденсируется. Поэтому реакции проходят практически вправо до конца.

Однако, основную массу магния получают электролитическим способом из хлористого магния.

По одной  схеме обезвоженный карналлит загружают в электролизные ванны, в которых хлорид магния разлагается на магний и хлор. По другой схеме обожженный магнезит смешивают с углем и брекетируют. Брикеты хлорируют в электропечах шахтного типа. Полученный таким путем расплавленный безводный хлорид магния загружают в электролизеры, в которых он разлагается на магний и хлор. Для получения более легкоплавкого, обладающего благоприятной плотностью, электропроводностью и вязкостью электролита, к хлористому магнию добавляют хлориды калия, натрия и кальция.

Магний-сырец, извлеченный из электролизера вакуум-ковшом, перевозится в отделение рафинирования, где он очищается от примесей, которые делятся на 2 группы:

1. Металлические, попадающие в магний вследствие электролитического разложения загрязнений, содержащихся в исходном сырье и компонентах флюсов.

2. Неметаллические, механически захватываемые при извлечении магния из электролизной ванны.

Рафинирование может осуществляться несколькими способами: электролитическим, отстаиванием или промывкой флюсами, введением таких присадок, как цирконий, марганец, титан, возгонкой в вакууме или зонной плавкой. Рафинирование путем отстаивания и промывки флюсами позволяет избавиться от примесей второго типа, таких как MgCl2, KCl, NaCl, CaCl2 и MgO. Применение остальных способов рафинирования позволяет уменьшить содержание металлических примесей первого типа.

Наиболее вредными металлическими примесями являются Fe, Ni, Cu, Si. Они сильно снижают коррозионную стойкость, особенно в морской среде, причем наиболее вредное влияние оказывает никель. Наиболее высокая коррозионная стойкость достигается, когда остаточное содержание примесей не превышает: никель — 0,003%, медь — 0,016%, кремний — 0,062%. Никель легко растворяется в расплавленном магнии. По этой причине не следует плавить магниевые сплавы в чугунных или стальных тиглях, имеющих в составе никель.

В соответствии с ГОСТ 804-93 «Магний первичный в чушках. Технические условия» выпускается 3 марки первичного магния: Мг 96, Мг 90 и Мг 80. Марка обозначает содержание магния сверх 99%. Например, в марке Мг 90 содержание магния составляет 99,90%, суммарное содержание примесей — не более 0,1%.

В литейные цехи магний поступает в виде чушек массой (8 ± 1) кг.

 

Физико-химические свойства магния

1. Магний — металл серебристо-белого цвета, имеющий гексагональную плотноупакованную решетку (а = 3,21А0, с = 5,21А0). При обычных условиях поверхность металла, хранящегося в сухом помещении, покрыта прочной защитной пленкой MgO, которая при нагреве разрушается, теряет свои защитные свойства, скорость окисления возрастает.

Окисление протекает с выделением большого количества тепла:

Mg + 1/2O2 → MgO + 610,3 Дж/моль (1.2).

Выделяющаяся теплота нагревает металл, скорость окисления возрастает и в итоге при температуре около 6000 С магний загорается.

Температура самовоспламенения магния (максимальная температура, при которой магний еще не горит при очень больших выдержках) зависит от физического состояния и уменьшается с уменьшением крупности магния. Например, она увеличивается от 4500 С (для порошкового магния) до 6000 С (для кускового). Так же интенсивно протекает реакция с водой:

Mg + H2O → MgO + H2 + 324,4 Дж/моль (1.3).

Загоревшийся магний нельзя потушить водой. Магний взаимодействует с азотом:

3Mg + N2 → Mg3N2 + 482,2 Дж/моль (1.4).

Нитрид магния разлагается парами воды:

Mg3N2 + 6H2O → 3Mg(OH)3 + 2NH3 (1.5).

Происходит взаимодействие с двуокисью и окисью углерода и сернистым газом по реакциям:

Mg + 1/2CO2 → MgO + 1/2C + 831,8 Дж/моль (1.6),

Mg + CO → Mg + C + 501,1 Дж/моль (1.7),

4Mg + 2 SO2 → 4MgO + S2 (1.8).

Последняя реакция при температурах плавки протекает медленно, поэтому сернистый газ используют в качестве защитного при разливке магниевых сплавов.

2. Отличительной особенностью магния является его малая плотность. При 200 С она равняется 1740 кг/м3, что в 5 раз легче меди, в 4,5 раза легче железа. Даже алюминий, который тоже относится к легким металлам, в 1,5 раза тяжелее его.

Это свойство магния обеспечивает сплавам высокую удельную прочность (относительная прочность на единицу массы) и, следовательно, широкое использование их в аэрокосмическом комплексе, в транспортном машиностроении и изделиях бытового назначения.

3. Температура плавления магния равняется 6500 С, что позволяет использовать его для приготовления расплава в фасонолитейных цехах тигельные печи сопротивления или индукционного нагрева.

4. В то же время магний имеет достаточно низкую температуру кипения, равную 11070 С и высокую упругость паров не только в жидком, но даже и в твердом состоянии, о чем свидетельствуют приведенные ниже данные:

 

Температура, 0 С 621 651 702 909 1034
Упругость паров, кПа 0,13 0,33 0,66 13,3 53,3

 

Это обстоятельство исключает плавку магния и его сплавов в вакуумных печах, но  дает возможность осуществлять рафинирование магния путем возгонки в вакууме при остаточном давлении 13-26 Па.

5. Теплота плавления магния и его теплоемкость, отнесенные к единице массы, несколько ниже, чем у алюминия, о чем свидетельствуют приведенные ниже значения:

 

Свойство

Металл

Mg Al
Теплота плавления, Дж/г 376 398
Теплоемкость, Дж/г ∙ К 1,04 1,09

 

В то же время, несмотря на почти одинаковые температуры плавления (6600 С для Al), для получения одинаковых объемов расплава магний требует в 1,5 раза больших затрат тепловой энергии.

6. Объемная усадка магния достаточно высока и составляет 3,9-4,4%, что соответственно влечет за собой установку достаточно массивных прибылей.

Механические свойства магния в литом состоянии невелики. Предел прочности его составляет 80-100 мПа, что, однако, значительно выше предела прочности литого алюминия (50-60 мПа); при этом относительное удлинение составляет 6-8%, в то время как для Al аналогичный показатель — в разы выше (40-50%). В связи с низкими механическими свойствами в качестве материала для фасонного литья чистый магний не используется.

8. Сплавы магния по сравнению со сплавами на других основах обладают более высокой удельной вибрационной прочностью (почти в 100 раз больше, чем у дюралюмина и в 20 раз большей, чем у легированной стали), что очень важно для авиации и транспорта.

Большую выгоду дает применение магниевых сплавов в деталях, работающих на изгиб. Удельная жесткость магниевых сплавов при изгибе и кручении превышает удельную жесткость большинства алюминиевых сплавов примерно на 20%, а сталей — на 50%.

9. Следует отметить исключительно высокую обрабатываемость резанием. Мощность, требуемая для снятия одинакового объема металла, при обработке алюминиевых сплавов в 1,5-2 раза выше, а при обработке стали — в 6-7 раз выше, чем для магния.

10. Магниевые сплавы в горячем состоянии хорошо куются, прессуются, прокатываются. Все это выдвинуло магниевые сплавы на одно из лидирующих мест среди современных конструкционных материалов, особенно для применения их в аэрокосмическом комплексе.

 










Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 642.

stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда...