(288.67 кб)

ВИАМ/2012-206049
Исследование воспламеняемости литейных
магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr
В.А. Дуюнова
кандидат технических наук
З.П. Уридия
Май 2012
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Литейщик
России», № 11, 2012 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Исследование воспламеняемости литейных
магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr
В.А. Дуюнова, З.П. Уридия
Всероссийский институт авиационных материалов
Рассмотрены результаты исследований на воспламеняемость опытных
литейных магниевых сплавов, проведенных специалистами ФГУП «ВИАМ».
Выявлены технологические параметры, влияющие на скорость окисления
сплавов магния.
Ключевые слова: литейные магниевые сплавы, воспламеняемость,
окисление магния.
The article gives the results of research of experimental foundry magnesium
alloys inflammability, carried out by the specialists of FSUE «VIAM».
Technological parameters that influence the magnesium alloys oxidation rate, are
shown.
Key words: foundry magnesium alloys, inflammability, magnesium oxidation.
В ФГУП «ВИАМ» проведен ряд исследований самовоспламенения
литейных магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr. Первоначальной целью
работы была проверка качества и воспламеняемости полученных образцов
при заливке магниевым расплавом форм из песчано-глинистых смесей,
содержащих противопригарные присадочные материалы марок ВМ-У2 и
ВМ-У3. Впоследствии, были проведены исследования микроструктуры
полученных сплавов в термообработанном состоянии по выбранным
режимам и дана оценка влияния легирующих компонентов на скорость
окисления магния.
На
опытном
участке
лаборатории
были
приготовлены
партии
формовочной смеси с двумя составами противопригарного присадочного
материала марок ВМ-У2 и ВМ-У3 [1, 2], проведены плавки. Из формовочной
смеси в литейном цехе были изготовлены формы для заливки жидким
магниевым расплавом системы Mg–Zn–Zr с различным содержанием
легирующих компонентов. Химический состав сплава в обоих случаях был
выбран опытный, а состав противопригарных присадочных материалов
марок ВМ-У2 и ВМ-У3 соответствовал разработанной ФГУП «ВИАМ»
нормативной документации. Визуальный осмотр полученных образцов на
предмет обнаружения дефектов (загаров, вскипов, раковин) показал, что
образцы годные, поверхность гладкая, следов горения и засоров нет.
Образцы для исследования воспламеняемости были вырезаны из плит и
имели следующие размеры:
• длина образца – 110–130 мм;
• толщина образца – 5–7 мм;
• угол кромки образца – 10–15 град;
• вид образца: с одной стороны – литейная корка, другая сторона –
отфрезерованная.
Все проведенные исследования на воспламеняемость опытных литейных
магниевых сплавов соответствовали требованиям авиационных правил
(АП-25).
Поскольку
критерии
испытаний
предназначены
для
неметаллических материалов, была выбрана процедура вертикальных
испытаний, которая заключалась в следующем: образец закрепляли в
металлической рамке так, чтобы его верхняя часть надежно фиксировалась в
ней. Кромка, к которой подносилось пламя горелки, не была защищенным
краем образца.
Образец подвергали воздействию пламени горелки Бунзена с соплом,
имеющим номинальный внутренний диаметр 9,5 мм, высота пламени 38 мм.
Температура
пламени,
измеренная
в
его
центре
калиброванным
термоэлектрическим пирометром, составляла 850±5°С. Нижняя кромка
образца находилась на высоте 19 мм над верхним краем горелки. Пламя
проводили по оси нижней кромки образца. При испытании образцов
продолжительность воздействия пламени составляла 3–10 мин, после чего
пламя удаляли. Результаты испытаний на воспламеняемость литейных
магниевых сплавов системы Мg–Zn–Zr приведены в таблице. Регистрировали
время появления первых искр и загорания образца с ярким свечением,
продолжительность воздействия пламени на образец, длину обугливания
(горения). Испытания проводили в шкафу без тяги.
Результаты испытаний на воспламеняемость литейных
магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr
№
Длина
Длина
Толщина Угол ТемпераВремя
Время
образца/ образца до
образца
образца, кромки
тура
появления загорания
плавки испытаний,
после
мм
образца, пламени,
первых
образца с
мм
испытаний,
град
°С
искр,
ярким
мм
мин
свечением,
мин
1–2/1
130
117
6
15
850±5
4
5
2–1/2
115
113
7
8
5,33
–
Продолжительность
воздействия
пламени
на образец,
мин
9
9
Длина
обугливания
(горения),
мм
25
6
Проведение испытаний
Плавка №1. Сплав системы Mg–Zn–Zr–In–B, присадочный материал
ВМ-У2.
Образец 1–2:
• длина 130 мм;
• толщина – 6 мм;
• угол кромки – 15 град.
На 4-ой мин появились искры с дальнейшим самозатуханием.
На 5-ой мин и на 8-ой мин 30 с образец загорался с ярким свечением, при
удалении пламени горелки самозатухал.
На 9-ой мин снаружи образца образовалась прочная оксидная пленка.
Дальше образец не подвергали нагреву (рис. 1).
Рисунок 1. Образец 1–2 после испытаний:
а – сторона отфрезерованная; б – сторона с литейной коркой
Плавка № 2. Сплав системы Mg–Zn–Zr–Cd–Gd, присадочный материал ВМ-У3.
Образец 2–1:
• длина 115 мм;
• толщина – 7 мм;
• угол кромки – 8 град.
На 5-ой мин 20 с появлялись искры с дальнейшим самозатуханием.
На 9-ой мин образец не загорался, но появлялись самозатухающие искры,
при отводе горелки образец полностью самозатухал. Дальше образец не
подвергали нагреву (рис. 2).
а
б
Рисунок 2. Образец 2–1 после испытаний:
а – сторона отфрезерованная; б – сторона с литейной коркой
Изучение влияния различных легирующих элементов на скорость
окисления магния при температуре выше 450°С позволило выявить, что
линейный закон окисления соблюдается иногда с небольшими отклонениями.
Проведенные исследования воспламеняемости опытных сплавов системы
Mg–Zn–Zr показали, что добавка Cd мало влияет на скорость окисления, a Gd
замедляет процесс окисления в сплаве (образец 2–1). Добавки In и В (образец
1–2) защищают опытный сплав от окисления, но несколько слабее.
На рис. 3 показано влияние легирующих элементов на скорость
окисления магния.
Рисунок 3. Влияние легирующих элементов на скорость окисления магния
Для
исследований
воспламеняемости
были
взяты
образцы
без
предварительной термической обработки. Правильный выбор режимов
термообработки сплавов системы Mg–Zn–Zr позволяет получить равноосное
мелкое зерно, обеспечивающее высокие прочностные характеристики. На
рис. 4, 5 представлены микроструктуры сплавов системы Mg–Zn–Zr с
различными добавками.
Рисунок 4. Микроструктура сплава системы Mg–Zn–Zr–Cd–Gd,
термообработанного по выбранному режиму:
а – ×100; б – ×500
Рисунок 5. Микроструктура сплава системы Mg–Zn–Zr–In–B,
термообработанного по выбранному режиму:
а – ×100; б – ×500
Исследования микроструктуры показали, что опытный сплав системы
Mg–Zn–Zr–Cd–Gd имеет более мелкое зерно, чем опытный сплав системы
Mg–Zn–Zr–In–B.
Это
показывает
зависимость
окисления
сплава
от
процентного содержания в сплаве легирующих компонентов.
Основу литого сплава составляют кристаллы α-твердого раствора цинка,
циркония, индия (частично гадолиния) в магнии, по границам зерен
располагаются соединения Mg 2 Zn 3 , MgZn, Mg x Gd y , циркониды, соединения
цинка и циркония, циркония и бора. В результате термической обработки
большая часть этих фаз переводится в твердый раствор, упрочняя его.
Сплавы с такой структурой сохраняют большой запас прочности и
пластичности и, следовательно, скорость воспламенения этих сплавов
минимальна.
Выводы
Скорость окисления магния и его сплавов (содержащих от 85 до 98%
магния по массе) и степень их пожарной опасности возрастают с
увеличением температуры нагрева и степени раздробленности частиц, т. е. с
увеличением поверхности соприкосновения магния с кислородом. В
компактном виде при нормальной температуре изделия из стандартных
магниевых сплавов невоспламеняемы и практически неогнеопасны. Это
объясняется тем, что магний очень хорошо проводит тепло, и деталь или
образец не успевают сильно нагреться: тепло быстро «растекается» по всей
массе материала.
Анализ проведенных экспериментов показал, что образцы опытных
литейных магниевых сплавов системы Mg–Zn–Zr с различными добавками не
воспламеняются при кратковременном контакте с открытым пламенем. Это еще
раз подтверждает высокую теплопроводность магния, а также то, что наличие в
сплаве легирующих компонентов снижает окисляемость магния.
Литые изделия из магниевых сплавов могут загореться только после начала
общего или местного оплавления и появления первых частиц жидкого металла.
Список литературы:
1. Дуюнова В.А. Методы защиты магниевых сплавов в отечественном литейном
производстве с 1930-х гг. до настоящего времени // Литейщик России. 2010. №10.
С. 35–37.
2. Дуюнова В.А., Мухина И.Ю., Уридия З.П. Новые противопригарные присадочные
материалы для литейных форм магниевых отливок // Литейное производство. 2009. №9.
С. 19–21.