Под защитой флюса

Металлы — один из самых востребованных типов материалов в современном производстве. Посудите сами: они (в большинстве) доступны в крупных объемах, могут подвергаться самым разнообразным методам обработки, обладают высокой прочностью, большей жесткостью по сравнению с пластиком и даже, при прочих равных, легки по сравнению, например, с камнем, бетоном или деревом. И тем не менее, существует немало технических областей, для нужд которых металлы оказываются слишком тяжелыми. К таким областям, например, относятся авиа- или автомобилестроение, где идет борьба за каждый килограмм. Насколько можно облегчить металлическую конструкцию, если использовать в ней самые легкие из доступных металлов? К сожалению, здесь мы наталкиваемся на естественные ограничения: выбор металлов не так уж велик, а выбор легких металлов и вовсе практически отсутствует. Разбираемся в этом вопросе совместно с НИТУ «МИСиС», партнером этого материала.

Если открыть периодическую систему, то мы увидим, что металлы с самой низкой атомной массой — это литий и бериллий, за которыми идут натрий, магний и алюминий. Литий и натрий практически сразу приходится отмести из-за их высокой реакционной способности и недостаточной жесткости. Бериллий, по сути, является самым легким металлом, пригодным для конструкционных нагрузок, к тому же сплавы бериллия обладают высокой огнестойкостью. Тем не менее, высокая стоимость бериллия, его токсичность и сложность в обработке делают его пригодным лишь для некоторых высокотехнологичных областей, например космической, и препятствуют его широкому распространению в производстве.

Следом за бериллием в ряду конструкционных металлов идет магний. И здесь удачно сходятся сразу несколько качеств: крайне низкая плотность (около 1,738 грамма на кубический сантиметр — в полтора раза легче алюминия, почти в три раза легче титана и в четыре раза легче стали), высокая удельная прочность (до 170*10³ квадратных метров на секунду в квадрате у литейных магниевых сплавов против 122 у литейных алюминиевых сплавов и 153 у качественной легированной стали) и сравнительная доступность. Все это делает магний привлекательным для «легких» областей вроде авиастроения, но надо отметить, что магний сам по себе в чистом виде в машиностроении не используют, а используются магниевые сплавы, которые после легирования и термообработки обладают многократно улучшенными механическими и антикоррозионными свойствами.

Но за всеми этими преимуществами не стоит забывать, что магний — химически активный щелочно-земельный металл: одно из самых известных его исторических применений — порошок для вспышек фотоаппаратов. Да, компактный (в виде больших кусков) магний или его сплав не самовозгораются на воздухе, как калий, и не взрываются при контакте с водой, как натрий, но только при комнатной температуре. В ходе производства расплавленный магний все же настолько активен, что его приходится всячески «защищать» от окружающей среды, и именно здесь мы переходим к обсуждению проекта, выполненного в НИТУ «МИСиС».

О чем проект?

Как мы уже сказали, расплавленный магний, вследствие проницаемости оксидной пленки на поверхности, активно взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, поэтому во избежание возгорания поверхность магния приходится защищать пленкой, непроницаемой для газов. С этой целью можно использовать так называемые защитные газы, реагирующие с расплавленным металлом с образованием соединений, уплотняющих оксидную пленку, или флюсы — смеси неорганических солей, которые плавятся и образуют непроницаемый для газов слой на поверхности магния, защищая его таким образом от контакта с воздухом.

И защитные газы, и флюсы не очень хороши при использовании в производстве. Если защитные газы попросту дороги и наносят урон окружающей среде (выброс килограмма самого распространенного защитного газа — SF₆, или «элегаза», эквивалентен выбросу 23,9 тонны CO₂), то использование флюсов зачастую снижает чистоту и ухудшает свойства готового металла. В частности, это приводит к повышению содержания хлоридов, что резко снижает коррозионную стойкость сплава и делает его непригодным для той же авиастроительной промышленности.

Недостатки флюсов заставляют производителей отказываться от них в пользу защитных газов, тем самым резко увеличивая стоимость полученных отливок из магниевых сплавов, или вовсе использовать вместо магниевых деталей с повышенным содержанием хлоридов алюминиевые. Они, хоть и тяжелее в полтора раза, но устойчивее к коррозии. В НИТУ «МИСиС» предложили альтернативный подход: разработку флюса такого состава, который обеспечивал бы получение металла нужной чистоты. И такие флюсы были получены и выпущены под марками ФР10 и ФР30, о которых мы сейчас и расскажем.

Кто его придумал?

Новые составы были разработаны под руководством Игоря Михайловича Комелина, ведущего инженера НИТУ «МИСиС». В настоящий момент они проходят тестовые испытания на нескольких предприятиях по производству магниевых сплавов. Существует серьезное ограничение на более широкое распространение тестовых образцов — несоответствие их отраслевому стандарту на флюсы для магниевых сплавов (ОСТ 1 90380–88). Согласно принятым нормам, в наиболее строго контролируемых отраслях (в частности, оборонной) допустимы лишь флюсы на основе карналлита с добавкой хлорида бария, которые, однако, не в состоянии обеспечить нужную чистоту готовых сплавов по содержанию хлоридов. Этот парадокс решается отказом от флюсов в пользу защитных газов, но в то же время тормозит принятие новых, более технологичных флюсов.

А что, раньше ничего такого не было?

Одним из ключевых компонентов новых флюсов является хлорид кальция, который используется вместо хлорида бария для увеличения плотности. Такие составы встречались и ранее, однако в России не получили широкого распространения. Причина этому — малая доступность хлорида кальция с достаточно низким содержанием воды. А поскольку обезвоживание хлорида кальция — сравнительно дорогая процедура, до сих пор от него отказывались и использовали хлорид бария, который обезвоживается сравнительно легко.

Кому такое вообще нужно?

В России в настоящее время работает довольно много производств по отливке магниевых деталей: ОАО «Рубин» (Балашиха), КУЛЗа (Каменск-Уральский), КМПО (Казань), НПО Сатурн (Рыбинск) и АВИТЕК (Киров), Иркут, Росвертол, ПАО «Кузнецов» и другие. На Арсеньевской авиационной компании «Прогресс» имени Н.И. Сазыкина и Ржевском ООО «НПЦ «АвиаЛит» вместо флюсов используются защитные газы, на других вместо флюсов российского производства используются немецкие аналоги, которые стоят значительно дороже, но обеспечивают более высокое качество отливок.

Тем не менее, на многих из перечисленных заводов удалось провести испытания флюсов новой разработки, в ходе которых оказалось, что они или не уступают, или превосходят аналоги, в том числе и более дорогостоящие. Однако на других заводах испытания так и не удалось провести, так как отсутствует разрешение на использование флюсов, не соответствующих текущим стандартам.

И какая там наука?

Помимо очевидного применения флюсов — защиты расплавленного магния от контакта с воздухом, существует и другое применение — рафинирование сплава, в ходе которого его очищают от неметаллических включений, попавших в состав в ходе плавки и отливки. Звучит немного парадоксально, но одна из главных задач флюсов на этом этапе — это очистка сплава от капель того же флюса, попавших туда на этапе выплавки. Более того, на этой же стадии может развиться замкнутый порочный круг: расплавленный и очищенный магний под защитной пленкой флюса зачерпывают специальным ковшом для последующего отлива в форму. Ковш естественным образом разрушает защитную пленку, а открытый металл загорается на воздухе. Чтобы его потушить, область возгорания засыпают флюсом, который плавится и образует капли, загрязняющие расплав.... И так далее.

Для того чтобы избежать этого и обеспечить максимальную защиту расплавленному металлу, необходимо очень тщательно подобрать физико-химические свойства флюса. Наибольшую роль здесь играет плотность, которая не должна быть меньше плотности сплава (чтобы флюс тонул и захватывал мелкие капли загрязнений), но при этом не должна быть намного больше плотности магния, чтобы флюс не тонул слишком быстро. Другой важной характеристикой является поверхностное натяжение флюса, обеспечивающее достаточные смачиваемость и скорость растекания флюса по поверхности металла. Именно для того, чтобы подобрать оптимальные свойства флюса, в его состав вводят разные соли в строго определенных соотношениях. Использование «моновещества», например чистого хлорида магния, в данной области попросту невозможно.

На этом правда можно заработать деньги?

Это зависит от результатов испытаний на соответствующих производствах, но если все пройдет успешно, то проект станет рентабельным. Объем производства, по самым предварительным оценкам, составляет 400 тонн в год. При этом ожидается, что за счет снижения процента брака отливок стоимость магниевого литья удастся снизить на 20–30 процентов.

Сколько такая штука может стоить?

Если вы вдруг надумали открывать собственное магниевое производство, ориентируйтесь на 80 рублей за килограмм нового флюса.

С НДС и доставкой.

Тарас Молотилин