Производство магния

• Введение
• Особенности литейной формы
• Плавка магниевых сплавов
• Заключение
• Использованная литература

В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью, а также английской, или эпсомской солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO₄ · 7H₂O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита.

Впервые был выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году.

Главные месторождения находятся на территории США, Норвегии, Китая, России.

Большие количества магния находятся в морской воде. Главными видами нахождения магнезиального сырья являются:

· морская вода — (Mg 0,12−0,13%),

· карналлит — MgCl₂ KCl 6H₂O (Mg 8,7%),

· бишофит — MgCl₂ 6H₂O (Mg 11,9%),

· кизерит — MgSO₄ H₂O (Mg 17,6%),

· эпсомит — MgSO₄ 7H₂O (Mg 16,3%),

· каинит — KCl MgSO₄ 3H₂O (Mg 9,8%),

· магнезит — MgCO₃ (Mg 28,7%),

· доломит — CaCO₃· MgCO₃ (Mg 13,1%),

· брусит — Mg (OH) ₂ (Mg 41,6%).

Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения ископаемых солей карналлита осадочного происхождения известны во многих странах.

Магнезит образуется преимущественно в гидротермальных условиях и относится к среднетемпературным гидротермальным месторождениям. Доломит также является важным магниевым сырьём. Месторождения доломита широко распространены, запасы их огромны. Они ассоциируют с карбонатными толщами и большинство из них имеет докембрийский или пермский возраст. Доломитовые залежи образуются осадочным путём, но могут возникать также при воздействии на известняки гидротермальных растворов, подземных или поверхностных вод. [3]

Магний и его сплавы являются хорошим конструкционным материалом, так как он в 4,5 раза легче железа и 1,6 раз легче алюминия. Чистый магний — это металл серебристо-белого цвета. Температура плавления его 650 °C, плотность при 20 °C 1,738 г/см³. Плотность магниевых сплавов 1,75−1,9 г/см^3, по значениям удельной прочности они превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы, обладают поглощением вибрации, что очень важно для авиации и транспорта. Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и после надлежащей обработки не уступают по коррозионной стойкости алюминиевым сплавам.

Магниевые сплавы широко применяют в авиационной промышленности, в приборостроении, в авто — и моторостроении, радиотехнике и других отраслях промышленности. Из магниевых сплавов изготовляют корпуса приборов, бурильных, пневматических и ручных инструментов, корпуса радиоаппаратуры, фотокамер, детали двигателей и др. Масса отливок из магниевых сплавов достигает 300−500 кг.

Наибольшее применение в промышленности нашли магниевые сплавы систем Mg-Al-Mn и Mg-Al-Zn. Основной легирующей добавкой в магниевых сплавах является алюминий, который вводят непосредственно в расплавленный магний в количестве 5,0−11,0%.

Алюминий уменьшает способность магниевых сплавов самовоспламеняться, повышает механические свойства, а также улучшает литейные свойства. При дальнейшем увеличении содержания алюминия в сплаве снижается механическая прочность и увеличивается хрупкость.

Цинк в количестве до 5, 5% способствует повышению механических свойств, но ухудшает литейные свойства сплавов. Коррозионная стойкость их выше сплавов системы Mg-Al-Mn.

Марганец вводят в магниевые сплавы для повышения их коррозионной стойкости в количестве до 2−2,5%, а в сплавах системы Mg-Al-Zn от 0,1 до 0,5%. Добавка до 1,5−2% марганца повышает механические свойства сплава, плотность отливок, улучшает свариваемость, но ухудшает жидкотекучесть и увеличивает склонность к горячим трещинам.

Цирконий измельчает структуру, повышает механические свойства, но ухудшает литейные свойства. В настоящее время получают отливки с прочностью при растяжении до 35кгс/мм² и удлинением 5−15%.

Сплав магния с марганцем Мл2 применяют сравнительно редко из-за невысоких механических и литейных свойств.

Наибольшее распространение получили сплавы магния с алюминием Мл4 и Мл5.

Сплав Мл4 (6% Al, 2,5% Zn и 0,3% Mn, остальное Mg) имеет высокие механические свойства в литом состоянии и повышенную коррозионную стойкость после оксидирования. Из сплава Мл4 изготовляют детали агрегатов и приборов, от которых требуется повышенная стойкость против коррозии. Но при литье этот сплав сильно окисляется и имеет склонность к образованию микрорыхлот, горячих трещин, большую усадку, что вызывает затруднения при получении отливок сложной конфигурации из этого сплава.

Сплав Мл5, содержащий 8,5% Al, 0,5% Zn, 0,3% Mn, остальное Mg, обладает более высокими технологическими свойствами, чем сплав Мл4, так как он менее склонен к образованию микрорыхлот, горячих трещин и по жидкотекучести уступает только сплаву Мл6 (10% Al, 1% Zn, 0,3% Mn, остальное Mg). Сплавы Мл5 и Мл6 применяют для литья в разовые песчаные формы, кокиль Кокиль (фр. coquille, англ. chill mould) — разборная форма для литья. Обычно изготавливается из металла и могут выдерживать от 100 до 10 000 заливок. Могут быть изготовлены без разъёма, с одним или несколькими разъёмами использоваться для литья многократно. В кокилях получают отливки из чугуна, стали, меди, латуни, алюминиевых, магниевых и др. сплавов. Широко используется при серийном производстве в металлургии. и под давлением при производстве высоконагруженных деталей. Сплавы Мл9, Мл10, Мл12 и др. применяются для работы при повышенных температурах порядка 150−350°С. [1, с.394−396,2, с.214−215]

Особенности литейной формы

Отличительной особенностью магниевых сплавов является их способность сильно окисляться и даже воспламеняться при плавке и заливке.

При заливке магниевых сплавов в разовую песчаную форму, не содержащую специальных защитных присадок, магний реагирует с влагой формы и с кислородом воздуха, содержащимся в порах формы, а в местах наибольшего разогрева формы — с кремнеземом. При этом могут происходить реакции с выделением большого количества теплоты и загорания сплава:

Mg + H₂O > MgO + H₂ +77,5 ккал;

2Mg + O₂ > 2MgO + 287,2 ккал.

Для того, чтобы предотвратить горение магния в форме, в состав формовочных смесей вводят защитные присадки в виде фтористых солей аммония NH₄F или фторборкислого аммония NH₄BF₄, или смеси, состоящей из борной кислоты HBO₃. Технической мочевины СО (NH₂) ₃ и сернокислого алюминия Al₂ (SO₄) ₃. Присадки (85% NH₄ или NH₄BF₄ и 15% HBO₃) вводят в формовочную смесь в количестве 4−8% массы смеси. В стержневые смеси добавляют 0,25−1,0% смеси борной кислоты и серы. Компоненты присадок соединяются с магнием или продуктами его окисления и образуют на поверхности металла защитные плёнки MgO•B₂O₃; Al₂O₃•B₂O₃ и др., которые более плотны, чем плёнки MgO. Кроме того, присадки образуют газообразные продукты, создающие инертный защитный слой газа. Эта газовая оболочка препятствует контакту сплава с парами воды и газов формы.

Формовочные и стержневые смеси (табл.1) для литья магниевых сплавов приготовляют из обычных песков и глин с минимально возможной влажностью, высокой газопроницаемостью, так как фторсодержащие присадки очень газотворны.

Высококачественные формовочные смеси приготовляют из отмытых от глины песков с добавкой 2−4% бентонита и с минимальной влажностью. Стержневые смеси

Таблица 1. Типовые составы формовочных и стержневых смесей для отливок из магниевых сплавов, %

Приготовляют на связующих: М, 4Гу, сульфитно-спиртовой барде и др. Для стержней следует выбирать связующие, которые высыхают при низких температурах сушки стержней во избежание выгорания защитной присадки (серы).

Литниковые системы для магниевых сплавов почти ничем не отличаются от литниковых систем для алюминиевых сплавов. Литниковые чаши должны быть металлоёмкими для удержания в них шлака. Предпочтительно использовать вертикально-щелевую литниковую систему. Для устранения пористости усадочного происхождения ускоряют затвердевание отливки установкой наружных холодильников и соответствующим подводом металла. Литниковую систему можно рассчитать по формуле:

F_п = =

где G — масса отливки, г;

г — плотность металла, г/см³;

х — скорость истечения металла, см/с;

м — коэффициент сопротивления;

ф — продолжительность заливки, с;

g — ускорение свободного падения, см/с²;

H_{p -} расчётный статический напор, см.

Расчётный статический напор зависит от размера отливки и определяется из следующего соотношения:

H_p =

где H — высота стояка от места подвода металла в форму, см;

С — высота оливки, см;

Р — высота отливки от места подвода металла в форму, см.

Соотношение площадей поперечного сечения элементов литниковой системы следующие:

F_ст: F_шл: nF_лит = 1: 2: 4; 1: 3: 1; 1: 3: 6; 1: 4: 2.

Широкое распространение нашёл разработанный А. Г. Спасским и А. А. Бочваром способ литья в разовые формы, помещаемые в автоклавы с повышенным давлением. Собранную форму помещают в автоклав (рис.1), который герметически закрывают.

Рисунок 1. Заливка форм в автоклав.

1-автоклав, 2-отверстие для заливки, 3-крышка, 4-форма, 5-клапаны.

Через специальное отверстие металл из ковша заливают в форму, затем отверстие герметично закрывают, в автоклав подают сжатый воздух под избыточным давлением 5−7 ат. Внешнее давление усиливает питающее действие прибылей и одновременно препятствует выделению газов из охлаждающего металла, это способствует повышению плотности отливок и их механических свойств.

Для получения плотных отливок из магниевых сплавов применяют наружные холодильники.

Наружные холодильники делают из меди и медных сплавов, чугуна, графита стали и алюминия.

Рабочие поверхности покрываются различными красками.

Для магниевых сплавов характерны низкое теплосодержание, малая плотность и незначительное металлостатическое давление, поэтому прибыли в фасонных отливках из этих сплавов делают более массивными, чем на отливках из алюминиевых сплавов. [1, с.396−399]

Плавка магниевых сплавов

Плавка магниевых сплавов требует применения защитных средств, изолирующих расплав от соприкосновения с воздухом, так как он в расплавленном состоянии энергично реагирует с кислородом воздуха.

В настоящее время в промышленности применяют плавку магниевых сплавов в вакууме; в водороде и аргоне, с добавкой металлов, понижающих окисляемость, под слоем защитных флюсов.

Плавка в вакууме — сложный способ, так как требует специальной плавильной печи с вакуумной установкой, применяется редко.

Плавка в атмосфере нейтральных газов водорода и аргона ввиду сложности не нашла широкого применения в промышленности.

Плавка с добавкой металлов, понижающих окисляемость, — распространенный способ. Чаще всего как добавку используют бериллий. После введения 0,001−0,002% бериллия окисляемость магниевого сплава резко снижается. Бериллий уплотняет оксидную пленку, находящуюся на поверхности магния, придавая ей защитные свойства. Однако бериллий снижает качество отливок, так как способствует образованию крупных зерен, что может привести к появлению трещин и других литейных пороков.

Плавка под слоем защитных флюсов — самый распространенный способ. Флюсы создают на поверхности расплава защитный покров, изолирующий сплав от контакта с воздухом, а также удаляют из расплава окислы и другие вредные соединения, образовавшиеся во время плавки. Плавку магниевых сплавов под слоем защитных флюсов осуществляют в выемных тиглях.

Тигли перед началом плавки очищают от остатков предыдущей плавки и проверяют. Затем тигель устанавливают в газовую или электрическую печь, нагревают до температуры 400−500°С и присыпают дно и стенки флюсом (MgCl₂ 34−40%, КCl 25−36%, NaCl + CaCl₂ не больше 8%, CaF₂ 15−20%, MgO 7−10%). Флюс составляет 2 — 3% массы загружаемой шихты. После расплавления флюса производят загрузку шихтовых материалов в твердом или жидком состоянии. Твердые шихтовые материалы сверху засыпают флюсами и следят за тем, чтобы они во время расплавления не загорались. Если загорание все же происходит, его присыпают флюсом.

Расплав нагревают до 700−720°С и рафинируют. При рафинировании, которое длится 4−6 мин, расплав осторожно перемешивают, а зеркало расплава засыпают флюсом. Затем с поверхности снимают загрязненный флюс и шлак и подогревают расплав для модифицирования различными присадками до температуры 720−780°С. После модифицирования засыпают свежий флюс и выдерживают расплав в течение 10−15 мин. В это время берут пробу на химический экспресс-анализ (быстрый), а затем заливают расплав в пресс-форму. При этом следят, чтобы в пресс-форму не попал флюс.

Цехи и отделения, занимающиеся плавкой и обработкой магниевых сплавов, должны быть обеспечены материалами для тушения очагов возгорания. На тушение 1 кг магния требуется 100 г молотого флюса или до 2 кг сухого кварцевого песка или сухого графита в порошке, или сухого магнезита, или окиси магния. [1, с.399−402]

магний плавка литейная форма

Заключение

В последние годы за рубежом положение магния как одного из масштабных промышленных металлов упрочнилось: в 1980 году впервые в мирное время был превзойдён максимальный уровень производства магния военного 1943 года. Самым крупным производителем и потребителем первичного магния за рубежом остаются США, но их доля в мировом потреблении за 1975;85гг сократилось с 51,7% до 41,5%. Норвегия и США — крупнейшие экспортёры магния: по 36−45 тыс. тонн в год. США являются также крупнейшим производителем магния из вторичного сырья.

Магний за рубежом используется во многих отраслях промышленности. Всё разнообразие направлений использования можно условно разделить на 3 группы:

Применение магния в производстве алюминиевых сплавов, в которых добавляют от 0,5% до 10% магния. Алюминиевые сплавы, содержащие магний, отличаются высокой удельной прочностью, коррозийной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием.

Приготовление сплавов конструкционного назначения на основе магния. Содержание магния в таких сплавах 90−98%. Деформируемые магниевые сплавы и литые заготовки из них находят применение в ряде отраслей промышленности, прежде всего в аэрокосмической промышленности, далее идут военная и автомобильная.

Использование магния в качестве химического реагента в чёрной и цветной металлургии для восстановления Be, Ti, U, Zr, Hf и др. металлов, в химии (в основном в реакции Гриньяра), также в качестве расходуемых анодов для катодной защиты от коррозии стальных конструкций, подземных трубопроводов и резервуаров. Магний в этих процессах полностью расходуется. Лом и отходы не образуются, в отличие от первых двух групп, где он может повторно использоваться в виде вторичных сплавов.

Использование магния в аппаратах космической и авиационной техники, автомобилестроении, различных агрегатах и ответственных приборах предъявляя особые требования к технологии производства литья из магниевых сплавов. Потребность народного хозяйства в магнии и магниевых сплавах значительно превышает возможность их производства. Это ставит перед металлургами, технологами и разработчиками новые проблемы повышения качества литья, использования лома и стружки, создание безотходных и малоотходных технологий производства. Обостряются вопросы экологии. [4, с.180−188]

Использованная литература

1. Титов Н. Д., Степанов Ю. А. Технология литейного производства, М. «Машиностроение», 1974 г. — 472 с.

2. Пейсахов А. М., Кучер А. М. Материаловедения и технология конструкционных материалов. Учебник. — СПб.: Изд-во Михайлова В. А., 2003 г. — 407 с.

3. http://ru. wikipedia.org/wiki/Магний

4. Дракин С. И., Чукуров П. М. Производство магния, М., 1979.