Тема: Технология формирования и свойства пористых магниевых сплавов

Невысокие значения плотности плотность, «низкий коэффициент теплопроводности, способность поглощать акустические и электромагнитные колебания, возможность деформироваться при постоянной нагрузке делают пористые металлы перспективными материалами для применения в различных поглотителях механической, звуковой, электромагнитной энергии» [27, 8, 72, 26].
«Пористые металлы интенсивно производятся с 2000 года в Европе, США и Японии. В основном разрабатываются способы производства и применяются пористые металлы на основе алюминия и его сплавов, но в последнее время возрастает интерес и к другим пористым металлам, и сплавам на их основе» [4, 69, 66].
Магний заслуживает особое внимание как основа пористых металлических изделий. Магний «легче алюминия в 1,5 раза и также обладает высокой способностью поглощать энергию удара и вибрационных колебаний. Учитывая более низкую плотность и высокие демпфирующие свойства магния, изделия из пористого магния имеют преимущество при изготовлении различных поглотителях механической, звуковой, электромагнитной энергии. Изделия из пористого магния перспективны в автомобилестроении, авиастроении, железнодорожном транспорте» [64, 23, 74].
В последнее время возрастает интерес к биоразлагаемым металлическим материалам, среди которых интенсивно исследуются магний и его сплавы. Биоразлагаемый магний и его сплавы являются многообещающими материалами для имплантируемых устройств. «Ортопедические имплантаты на основе магния оказывают благотворное влияние на формирование новых кровеносных сосудов и костной ткани. Ионы магния усиливают минерализацию внеклеточного матрикса за счет увеличения выработки коллагена-X и фактора роста эндотелия сосудов» [3]. Биоразлагаемые магниевые стенты позволяют преодолеть ограничения традиционных
металлических стентов, которые могут поддерживать просвет в течение определенного периода времени, а затем постепенно разрушаться после положительного эффекта ремоделирование сосудов [34]. Пористые
магниевые сплавы обладают еще большим комплексом положительных свойств, позволяющим считать их перспективным материалом в медицине для имплантологии, поскольку наличие сквозной пористости позволяет костной ткани прорастать сквозь импланты и надежно фиксировать конструкцию [75, 31, 5].
«В настоящее время пористые металлы получают различными способами, но наиболее применяемыми являются способы, основанные на замешивании в алюминиевый расплав газа (аргона, азота, углекислого газа, водяного пара) или порофора (вещества, которое при нагреве выделяет газы) и формировании пористой структуры в процессе затвердевания алюминиевого расплава» [27, 8, 72, 26]. Нестабильность пор по размерам и расположению и однородности, что, как следствие приводит к нестабильности механических и эксплуатационных свойств пористого материала является основным ограничивающим фактором применения данных технологий.
«Альтернативой являются способы формирования пористой структуры за счет использования растворимых гранул, которыми предварительно заполняют форму, а затем, после заливки формы гранулы выщелачивают» [39, 62, 67, 71]. Возможность управления размером пор, однородность пористости по сечению отливки, а также простота и достаточно высокая производительность процесса являются причинами, делающими этот способ перспективным.
Возможности получения пористых отливок из магния, достижимые толщины формируемых пористых изделий, возможные размеры пор определяются прежде всего тепловыми и гидродинамическими режимами литья пористого магния. Качество магниевых пористых изделий определяется полнотой заполнения магнием гранульной засыпки, наличием незаполненных объемов слоя, однородностью пористости. Однородность пористости в большей степени зависит от однородности размеров водорастворимых гранул, их формы. Полнота заполнения гранульной засыпки, наличие или отсутствие недоливов в большей степени определяется тепловыми и гидродинамическими режимами литья. Управляя тепловыми и гидродинамическими режимами литья, можно управлять качеством пористого магниевого изделия.
Следовательно, целью работы является расширение области
применения пористых магниевых сплавов за счет проведения исследований и разработки технологий производства пористых магниевых изделий инфильтрации жидкого магния через водорастворимые соли.
Купить

В ходе выполнения работы было установлено:
- для получения изделий из пористого магния предложена технология инфильтрации жидкого расплава через водорастворимые соли, которая разработана и применяется для получения пористого алюминия, и которая отличается от других способов: простотой, универсальностью, низкой себестоимостью;
- предложены критерии при выборе солей для изготовления гранул, используемых при получении пористого магния инфильтрацией жидкого расплава. На основании сформулированных критериев проанализированы и предложены натриевые соли для получения пористого магния и магниевых сплавов;
- исходя из теоретических и экспериментальных исследований установлено, что заметного химического взаимодействия расплавленного магния и хлоридов, карбонатов и сульфатов натрия при инфильтрации не наблюдается. Однако, из-за высокой коррозии магния при выщелачивании в хлористых растворах, карбонат и сульфат натрия имеют предпочтение перед хлоридом натрия. При получении пористых отливок из распространенных магниевых сплавов системы Mg-Al-Zn скорость коррозии при выщелачивании значительно ниже;
- учитывая технологические сложности изготовления гранул из сульфата и карбоната натрия предложено использовать гидрокарбонат натрия с последующей прокалкой выше температуры разложения. В процессе прокалки гранул гидрокарбонат разлагается с образованием карбоната натрия, который при выщелачивании обеспечивает минимальную потерю массы пористого магния в водных растворах из рассмотренных натриевых солей;
- для удаления продуктов коррозии после выщелачивания пористых магниевых отливок эффективно их обрабатывать в 10-40% растворе уксусной кислоты. Учитывая значительное разложение магния в растворе, время обработки должно составлять несколько минут (1-2 мин). При этом хлорид натрия ускоряет процесс разложения магния, а карбоната натрия замедляет;
- низкие литейные свойства магния и магниевых сплавов, а также специфичные гидравлические и тепловые условия получения пористых металлов инфильтрацией не позволяют изготавливать отливки из пористого магния с размером пор меньше 4 мм гравитационной заливкой. Для получения пористого магния с меньшим размером пор необходимо применять внешнее дополнительное физическое воздействие на расплавленный металл в процессе заливки с целью повышения его жидкотекучести и заполняемости формы с гранулами. В качестве такого воздействия при литье успешно применяют вибрационную обработку расплавленного металла и предварительное вакуумирование формы;
- проведенные исследования показали, что вибрационная обработка в процессе заливки и затвердевания магния МГ90 обеспечивает увеличение жидкотекучести расплава, а также способствует измельчению структуры и повышению твердости и прочности магния и магниевых сплавов;
- вибрационная обработка магниевого расплава в процессе заливки обеспечивает более равномерное заполнение пористой формы и увеличивает глубину пропитки гранульной засыпки магнием и магниевыми сплавами в 5-7 раз, а также позволяет получать изделия с размером пор до 2 мм;
- проведенные исследования показали, что вакуумирование формы с гранулами в процессе заливки и формировании пористых отливок из
магния способствует повышению скорости заполнения формы
расплавом в 4-40 раз по сравнению с гравитационной заливкой. Вакумирование формы при инфильтрации в зависимости от глубины вакуума увеличивает глубину пропитки в 5-10 раз и обеспечивает формирование пористой структуры с размером пор до 1 мм. Совместное воздействие на расплавленный металл (вакуумирование с вибрацией) позволяют увеличить глубину пропитки еще на 10-30%, но усложняется технология и оборудование для литья пористого магния.
Купить