Процессы обработки магниевых сплавов и проблемы возгорания. Решение от Petrofer

Магний и его сплавы с номинальной плотностью около 1,8 г/см³ являются одним из самых легких конструкционных металлов, обладающих превосходными механическими свойствами, включая высокие показатели прочности и жесткости по отношению к весу.  Использование магниевых сплавов в качестве автомобильных компонентов очень эффективно влияет на снижение веса транспортных средств, что приводит к уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и энергопотребления. В промышленности, широко используемые магниевые сплавы можно классифицировать как сплавы алюминия и цинка, AMц – алюминия и марганца, и силумин – сплава алюминия и кремния.

Однако при всех его достоинствах есть серьезный недостаток -  стружка Mg и его сплавов при механической обработке может воспламеняться, что часто приводит к пожарам.  Безопасность при обработке в значительной степени зависит от температуры, создаваемой в зоне резания. Современные технологии обработки основаны на эффективных и производительных технологических параметрах процесса. Стоит отметить, что при высокоскоростной обработке ЧПУ, увеличение скорости резания  при неизменной эффективности процесса приводит к снижению усилий резания. Количество тепла, выделяемого в зоне резания, также уменьшается. Это, в свою очередь, приводит к значительному снижению деформации стружки. Время до воспламенения является еще одним важным параметром, поскольку оно напрямую влияет на безопасность процесса. Для оценки безопасности обработки с учетом конкретных параметров, применение анализа фракций стружки, а также поиск следов частичного оплавления/прожога на поверхности стружки будут полезными, поскольку появление любого из этих явлений является важным признаком возгорания.

Рис. 1. Пример процесса фрезерования детали из магниевого сплава

Рис. 2. Примеры использования  магниевых сплавов

Теоретическая часть

Вопрос о безопасной обработке магниевых сплавов может быть проанализирован с учетом технологических параметров процесса. Практические ограничения, связанные с обработкой, можно разделить на несколько категорий в зависимости от характера применяемого процесса:

- опасность воспламенения во время обработки,

- воспламенение масляного тумана (с минимальным количеством смазки),

- опасность обратного воспламенения или взрыва смеси воздуха и масляного тумана,

- образование наростов (наклепа),

 - необходимость очистки обрабатываемой детали, а также проникновение молекул масла в воздух в виде аэрозоля (обработка с применением жидкостей, несмешивающихся с водой, например масел),

- риск образования водорода на поверхности заготовки и стружки, трудности с утилизацией стружки (механическая обработка с применением жидкостей, смешивающихся с водой, т.е. СОЖ).

В случае точения и сухого фрезерования риск воспламенения напрямую связан с операцией фрезерования (в конкретных технологических условиях). Образование наростов (наклепа) является результатом трибохимических реакций между режущим инструментом и обрабатываемой деталью, которые происходят только после достижения определенной температуры плавления Mg-Al (в обрабатываемом материале для Mg17Al12 температура плавления = 437С). При механической обработке риск воспламенения связан с повышением температуры во время образования стружки. Целью является получение стружки с максимальной устойчивостью к воспламенению во время механической обработки. Порошкообразная стружка, а также игольчатая спиральная стружка имеют меньшую толщину пластин (по сравнению с трубчатой спиральной стружкой или длинной ленточной стружкой) легко воспламеняется и может вызывать непрерывные вспышки. Скорость резания, глубина резания, а также марка магниевого сплава (его химический состав) определяют тип стружки, образующейся при фрезеровании. Рекомендуется избегать технологических параметров, которые приводят к измельчению стружки, а также образованию промежуточных фракций стружки.

Рекомендации по предупреждению возгорания

Сплавы, содержащие большее количество алюминия, препятствуют воспламенению.  Воспламенение стружки может быть затруднено по мере увеличения содержания алюминия в магнии, особенно при меньшей глубине резания и более высоких скоростях резания.  Также, стойкость к воспламенению регулируется добавлением редкоземельных элементов, таких как иттрий и церий.

Морфология стружки из магниевых сплавов имеет решающее значение с точки зрения безопасности процессов механической обработки. Предлагаемый метод оценки безопасности при механической обработке заключается в поиске следов частичного оплавления и прожога на кромках стружки. При превышении температуры плавления, для Mg примерно +650°C, в процессе производства может возникнуть опасность возгорания. Чипсы из магниевого сплава отличаются особой структурой. С одной стороны, их поверхность гладкая (в результате контакта инструмента со стружкой), с другой стороны, образуются так называемые пластинчатые структуры. Ламели представляют собой правильные структуры, расположенные по диагонали рядом друг с другом. При фрезеровании увеличение скорости резания не влияет на среднюю толщину стружки. В то же время такие параметры, как скорость подачи и глубина резания, оказывают такое влияние. Увеличение этих параметров приводит к увеличению толщины стружки. Кроме того, анализ с помощью высокоскоростной камеры выявил зоны нестабильной температуры, что предполагает необходимость анализа ввода и вывода инструмента. Более того, при резании не наблюдалось частичного расплавления поверхности стружки, скорость vc=400 м/мин, указывает на то, что обработка при таких рабочих параметрах должна быть безопасной. При высокоскоростном фрезеровании деформация стружки сведена к минимуму, что приводит к малому количеству тепла, передаваемого обрабатываемой детали, и отсутствию существенного упрочнения ее поверхности. Тепло, выделяющееся в процессе механической обработки, отводится стружкой.

Методика и объем исследований (1)

Методика исследования воспламеняемости магниевых сплавов AZ31 и AZ91 представлена ниже. Механическая обработка проводилась на вертикальном обрабатывающем центре Avia VMC800HS. В качестве инструмента использовалась твердосплавная концевая фреза диаметром 16 мм. Ширина пропила была равна = 14 мм. Технологические параметры обработки следующие: ap= 0,5÷6 мм, fz= 0,05÷0,3 мм/зуб, vc= 400÷1200 м/мин.

Результаты

Приводим результаты исследования  влияния  температуры нагревательной плиты на время воспламенения стружки из магниевых сплавов AZ31 и AZ91. Хронология изменений температуры нагревательной плиты показана на рисунке 3.

Рис. 3. Хронология изменения температуры нагревательной плиты

Рис. 4. Металлографические изображения кристаллов из магниевого сплава AZ91HP (а) сплав AZ31 (b) полученных с использованием технологических параметров: скорость обработки vc=1200 м/мин, подача fz=0,3 мм. Металлографический анализ сколов проводился с помощью оптического микроскопа Leica DFC450 C.

Рис. 5. Изображения магниевых чипсов, подвергшихся воздействию температуры +500ºC на горячей плите

Воспламенению стружки, наблюдаемому на специальной нагревательной плите, предшествует интенсивное размягчение стружки, вызванное высокой температурой. Анализ воспламенения проводился  высокоскоростной камере Phantom 9.1. На рис. 6 представлены этапы до воспламенения стружки сплава AZ31.

Рис.6  Последовательные этапы, предшествующие воспламенению стружки сплава AZ31: a) контакт стружки с нагревательной плитой, b) начальное размягчение стружки, c) полное размягчение стружки, d) начальное воспламенение стружки, e) полное воспламенение стружки;

Выводы

Данное исследование позволяет сформулировать следующие выводы: Основным параметром, определяющим безопасность обработки магниевых сплавов, является время до воспламенения. При температуре примерно 500°C это время составляет от 2-х  до 10 секунд.  Стоит отметить, что при более низких температурах время воспламенения стружки увеличивается. Микроскопический анализ стружки, образовавшейся при скорости резания, равной vc= 1200 м/мин, и подаче на fz=0,3 мм/зуб, показал наличие острых, четко очерченных кромок без следов частичного оплавления или прожога, которые могли бы свидетельствовать о возможном воспламенении при обработке с такими параметрами.

Решения с применением СОЖ Petrofer EMULCUT 2800 MG

Мелкая порошкообразная стружка и ее скопление не только представляют собой опасность пожара, но и могут повредить детали станка, загрязняя чувствительные зоны в условиях сухой обработки. Кроме того, высокая температура процесса приводит к снижению точности формы и размеров заготовки и ухудшению качества обрабатываемой поверхности. По этой причине концепция смазывания зоны резания специальными водоэмульсионными СОЖ является оптимальным решением. Компания Petrofer предлагает специальный продукт Emulcut 2800 MG  разработанный для обработки  магния и его сплавов.

Благодаря высокоэффективной системе присадок EMULCUT 2800 MG, срок службы инструмента увеличивается даже при таких сложных операциях обработки, как развертывание алюминиевых сплавов, при  этом достигается как высокая скорость резания, так и превосходная чистота поверхности.

EMULCUT 2800 MG специально разработан для обработки магния с учетом как особых требований  безопасности, так и обрабатываемости. При контакте с водными средами магний образует водород, который  при смешивании с кислородом в определенных соотношениях является горючим и взрывоопасным. Состав  EMULCUT 2800 MG разработан таким образом, чтобы минимизировать образование водорода. При  растворении магния содержание ионов магния в эмульсии повышается, что приводит к увеличению  жесткости воды. EMULCUT 2800 MG не чувствителен к жесткой воде до 300°dH. Благодаря эффективной системе антикоррозионных добавок EMULCUT 2800 MG обеспечивает длительную  стабильность рН и отличные антикоррозионные свойства.

СОЖ EMULCUT 2800 MG успешно применяется на предприятии АО «Лыткаринский завод оптического стекла (АО ЛЗОС).

Используемые материалы:

(1) статья: «Investigation of Ignition Temperature, Time to Ignition and Chip Morphology after the High-Speed Dry Milling of Magnesium Alloys» , журнал Aircraft Engineering and Aerospace, январь  2015г.