Плавка цветных сплавов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................
5

1. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ.


1.1.Классификация процессов плавки цветных сплавов


1.2.Шихтовые материалы и расчет шихты..


1.3.Защита расплава при плавке................................


1.4. Рафинирование цветных сплавов..


1.5. Раскисление цветных сплавов


1.6. Модифицирование цветных сплавов.


Вопросы для самоконтроля .


2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЛИГАТУР И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ СПЛАВОВ


Вопросы для самоконтроля.


3. ПЛАВКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ....................................


3.1. Физико-химические особенности плавки


3.2. Технологические особенности плавки.


3.3. Технология плавки некоторых алюминиевых сплавов...........


Вопросы для самоконтроля ..


4. ПЛАВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ..


4.1. Физико-химические особенности плавки
4.2. Технологические особенности защитной плавки
4.3. Приготовление магниевых расплавов..


Вопросы для самоконтроля....


5. ПЛАВКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ


5.1. Физико-химические особенности плавки ..
5.2 Гарнисажная плавка титановых сплавов.
5.3. Конструкции плавильно-заливочных установок для плавки титановых сплавов
Вопросы для самоконтроля


6. ПЛАВКА МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ..


6.1. Физико-химические особенности плавки меди и медных сплавов...
6.2. Технологические особенности плавки меди и медных сплавов..
Вопросы для самоконтроля...


7. ПЛАВКА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ


7.1. Физико-химические особенности плавки никелевых сплавов.
7.2. Технологические особенности плавки никелевых сплавов.
7,3. Плавка современных жаропрочных сплавов..
Вопросы для самоконтроля


8. ПЛАВКА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ.


8.1. Физико-химические особенности плавки..
8.2. Технологические особенности плавки
Вопросы для самоконтроля.


9. ПЛАВКА ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ОЛОВА И СВИНЦА


9.1. Особенности плавки оловянных сплавов
9.2. Плавка свинца и свинцовых сплавов...
Вопросы для самоконтроля.





10. ПЛАВКА СПЛАВОВ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ


10.1. Плавка золота и его сплавов..
10.2. Плавка серебра и его сплавов
Вопросы для самоконтроля.





11. ПЛАВКА СПЛАВОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ


11.1. Особенности плавки тугоплавких металлов


11.2. Плавка циркония и его сплавов
11.3. Плавка молибдена и его сплавов..


Вопросы для самоконтроля.





БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



















Введение

Развитие современного машиностроения неотрывно связано с совершенствованием литейного производства. Продукция литейного производства чрезвычайно разнообразна. Масса отливок колеблется от нескольких граммов до сотен тонн. Размеры отливок лежат в интервале от миллиметров до десятков метров. Постоянно снижается планка в отношении минимальной толщины стенки отливок, повышается степень их точности. Расширяется и номенклатура литейных сплавов, используемых для получения изделий с разнообразными свойствами.
Длительное время главным материалом для отливок служили железоуглеродистые сплавы. По массе отливки из черных сплавов еще долго будут занимать ведущее положение в структуре литейного производства. Однако с каждым годом возрастает доля отливок из, так называемых, цветных сплавов. К ним принято относить все остальные металлические материалы независимо от фактического цвета поверхности.
Справедливости ради следует отметить, что первым литейным материалом, освоенным человеком и был представитель цветных сплавов, а именно бронза. Бронзы и, позднее, латуни на протяжении нескольких веков были основным материалом литейщиков. Из них изготовляли орудия труда, оружие и, конечно, великолепные художественные изделия. В 18-ом веке на первое место выходит более универсальный материал – чугун, послуживший основой развития машинной индустрии. В дальнейшем было освоено и производство отливок из более прочной стали. Ресурсы черных сплавов не исчерпаны по настоящее время, их лидерство неоспоримо, но неоспорим и прогресс в применении цветных сплавов.
В начале двадцатого века были разработаны новые сплавы на основе алюминия и магния. Они позволили существенно расширить номенклатуру металлических промышленных изделий, уменьшить их массу, расширить области применения. Второе рождение отметили и медные сплавы. Началось освоение фасонного литья из специальных бронз и латуней. Чуть позднее разработаны цинковые сплавы для литья под давлением. В предвоенные годы освоено литье из никелевых сплавов. С 1950 года начались работы по разработке технологии плавки и литья титана и его сплавов, а также таких металлов, как цирконий, молибден, вольфрам, хром и редкоземельных металлов.
Освоение новых сплавов послужило толчком к перестройке технологических процессов литейного производства. Появились новые плавильные агрегаты, новые огнеупорные, формовочные и стержневые материалы. Широкое развитие получили специальные способы литья. Все это было бы невозможно осуществить без широкого развития научных исследований литейных процессов. В России появились новые научные школы металловедов и литейщиков. Кафедры литейного производства созданы в МВТУ им. Баумана, в Ленинградском политехническом институте и в Московском институте цветных металлов и золота.
В области литейного производства цветных сплавов следует отметить особую роль А.М. Бочвара и его сына академика А.А. Бочвара. Научные положения и открытия, сделанные А.А. Бочваром, проф. А.Г. Спасским и их учениками позволили обобщить огромный фактический материал по производству отливок и использовать его при разработке современных методов литья. А.А. Бочвару принадлежит заслуга в установлении закономерных связей между составом сплава (положением на диаграмме состояния) и его литейными свойствами.
В настоящее время исследование традиционных цветных сплавов и разработка новых композиций тесно связаны с экономическими проблемами. Цветные металлы в пять – десять и более раз дороже железоуглеродистых сплавов и стоимость их имеет тенденцию к непрерывному росту из-за истощения сырьевых ресурсов и удорожания энергии. С этим связано и стремление к наиболее полному использованию лома и отходов при плавке цветных металлов и сплавов.
Целью настоящего учебного пособия является восполнение недостатка в учебной литературе в части цветных сплавов и технологии их плавки по дисциплине «Литейные сплавы и плавка». В пособие включены и справочные данные по свойствам промышленных сплавов, что облегчает работу студентов над курсовыми проектами и при дипломном проектировании.



1. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

В литейном производстве термином плавка обозначается весь комплекс физических и химических процессов, связанных с приготовлением жидкого сплава, имеющего определенный химический состав, температуру и литейные свойства, необходимые для получения качественной отливки.
Значение плавки для получения отливок с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств трудно переценить. Свойства сплава формируются в ходе плавления исходных твердых материалов, металлургической обработки расплава, кристаллизации и термической обработки отливки.
В процессе плавки литейных сплавов могут участвовать семь основных фаз: твердый металл, покровный флюс, рафинирующий флюс или добавки, газовая фаза, футеровка печи, жидкий сплав, шлак. Все они в различной степени взаимодействуют друг с другом. Некоторые взаимодействия полезны, некоторые приводят к нежелательным последствиям. Для получения качественных расплавов необходимо знать эти процессы и регулировать их протекание в ходе плавки. Для ликвидации вредных последствий необходимо предусматривать проведение специальных методов обработки расплавов: раскисление, рафинирование и модифицирование.
Наибольшее влияние на качество расплава оказывают взаимодействия компонентов сплава с газовой фазой, жидкого сплава со шлаком (флюсами), жидкого металла с футеровкой или тиглем печи.
Располагая сведениями о теплофизических свойствах металлов и их взаимодействии с газами, огнеупорами и шлаками можно разработать научно обоснованную технологию плавки для каждого сплава.

1.1. Классификация процессов плавки цветных сплавов.

Процессы плавки цветных сплавов базируются на общих закономерностях плавки литейных сплавов, но имеются и существенные различия как от плавки железоуглеродистых сплавов в целом, так и между различными группами цветных сплавов.
По условиям плавки (примерно одинаковым взаимодействиям фаз) цветные сплавы можно разделить на следующие группы: 1 – алюминиевые, магниевые и цинковые; 2 – медные и медноникелевые; 3 – титановые, жаропрочные и тугоплавкие; 4 – легкоплавкие и 5 – благородные. В каждой группе сплавов разные рабочие температуры, характер взаимодействия фаз и различные последствия этих взаимодействий. Так сплавы первой группы имеют повышенное сродство к кислороду. При окислении цинка и алюминия образуются плотные окисные пленки, защищающие расплав от дальнейшего окисления, но пленки могут попасть в расплав и привести к браку отливок по пленам. Окисная пленка на поверхности магния защитными свойствами не обладает. Несмотря на различия, все эти сплавы необходимо защищать от окисления при помощи флюсов. Сплавы второй группы растворяют кислород и требуют раскисления. Основы сплавов третьей группы настолько химически активны к газовой атмосфере, что требуется плавка в вакууме.
Все существующие способы плавки подразделяются на моно- и полипроцессы. Классификационная схема процессов плавки приведена на рис. 1.


Рис.1. Классификация процессов плавки литейных сплавов
Монопроцессы организуются в одном плавильном агрегате. При полипроцессах последовательно задействованы два или более плавильных устройств. Полипроцессы применяют в массовом и крупносерийном производстве. Их полезно проводить и при высоких требованиях к качеству расплава, особенно по содержанию вредных примесей.
Для некоторых сплавов применяют переплавные процессы, в ходе которых в отливку превращают не шихту, а готовые исходные слитки.
Под плавильным агрегатом понимается устройство (плавильная печь) состоящее из рабочего пространства и источника генерации теплоты. По виду рабочего пространства различают шахтные, ванные и тигельные печи. По источнику генерации теплоты различают топливные и электрические печи. Топливные печи, схема которых приведена на рис.2, подразделяют на тигельные, отражательные и шахтно-ванные. Они могут работать на твердом, жидком и газообразном топливе. Электрические печи классифицируются в зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые (рис.3), электронно-лучевые, плазменные и некоторые другие (рис.4). Плавильные печи могут быть открытые (плавка на воздухе) и вакуумные (плавка в вакууме). Так для плавки жаропрочных сплавов на никелевой основе применяют индукционные вакуумные плавильные печи, а для плавки титановых сплавов вакуумные электродуговые.

1.2. Шихтовые материалы и расчет шихты

Все материалы, загружаемые в плавильные печи в процессе плавки металлов и сплавов, называют шихтовыми или просто шихтой. В состав шихты при плавке цветных сплавов могут входить:
первичные материалы – металлы и сплавы, поступающие с металлургических заводов;
лигатуры или промежуточные сплавы, поступающие с металлургических заводов или приготовленные на месте;
возврат собственного производства, который делится на отходы литейного цеха (бракованные отливки, литники и прибыли, сплески, стружка от отрезки литников и прибылей) и отходы механических цехов (бракованные детали, стружка);
вторичные цветные металлы и сплавы – переработанный лом и отходы.
модификаторы

а б в

Рис.2. Схемы топливных печей: а – тигельные; б – отражательные; в – шахтно-ванные.

Кроме вышеперечисленного, при плавке цветных сплавов могут использоваться и неметаллические материалы – соли и смеси солей (флюсы).
Первичные металлы и сплавы являются продукцией металлургических предприятий. Их готовят из рудных материалов. В литейные цеха эти материалы поставляют в соответствии с ГОСТами или по ТУ в виде чушек, слитков, или гранул. Маркировка и составы практически всех первичных металлов (алюминия, магния, титана, меди, никеля, олова, свинца и др.) приведены в первой части нашего учебного пособия. Первичные цветные сплавы в чушках производятся большинством металлургических предприятий. Их состав и маркировка совпадают с маркировкой стандартных литейных сплавов. При необходимости можно заказать первичный чушковый сплав с любым составом, в соответствии с потребностями литейного цеха. Первичные металлы и сплавы являются самой дорогой частью шихты и применяются для получения наиболее ответственных отливок.


б в г

Рис. 3. Схемы электрических плавильных печей: а – тигельные сопротивления; б – отражательные сопротивления; в – индукционные тигельные; г – индукционные канальные

Лигатуры (промежуточные сплавы, состоящие из основного компонента рабочего сплава и одного или нескольких легирующих компонентов) применяются в тех случаях, когда введение компонента в чистом виде затруднено по различным причинам.
В виде лигатур наиболее целесообразно вводить тугоплавкие, химически активные, летучие компоненты или очень малые добавки (например, модификаторы). Использование лигатур с тугоплавкими элементами позволяет сократить длительность процесса растворения, потери от окисления, испарения и шлакообразования. Кроме экономии дефицитных легирующих металлов, можно избежать излишнего перегрева расплава, а, следовательно, уменьшить потери и основы сплава. Введение легкоокисляющихся элементов непосредственно в сплав не обеспечивает получение их заданного состава в сплаве из-за неравномерного угара. Использование лигатур с этими элементами позволяет стабилизировать химический состав сплавов.
К лигатурам предъявляются следующие требования:
они должны иметь минимальную температуру плавления;
содержать максимальное количество легирующего компонента;
иметь однородный химический состав;
быть хрупкими для удобства дробления.

Рис. 4. Схемы специальных плавильных печей: а – электродуговая с косвенной дугой; б – электродуговая гарнисажная; в – электродуговая для плавки в кристаллизаторе; г – электрошлаковая; д – электронно-лучевая с кристаллизатором; е – электронно-лучевая с тиглем ж – плазменная камерная; з – плазменная с кристаллизатором; и – плазменная тигельная
Некоторые лигатуры выпускает металлургическая промышленность и их состав должен соответствовать требованиям ГОСТов. В табл. 1 приведены составы и температуры плавления одной разновидности таких стандартных лигатур – меднофосфорных. Эти лигатуры поставляют в виде рифленых плит, которые легко раскалываются на куски по пережимам, или в виде прутков. Лигатуры маркируют цветными полосками: МФ13 – одна голубая полоса; МФ10 – одна белая полоса; МФ9 – одна черная полоса.
Другие лигатуры выпускаются по ТУ металлургических предприятий. Их состав может быть изменен в соответствии с требованиями заказчика.
Большинство промежуточных сплавов можно готовить и непосредственно в литейном цехе. Составы наиболее употребительных двойных и более сложных лигатур приведены в табл.2. Технология плавки некоторых лигатур собственными силами в литейном цехе рассмотрена в разделе 4.2.
Качество лигатур, выпускаемых специализированными предприятиями, всегда выше, чем лигатур собственного приготовления. В зависимости от целей и методов использования лигатуры поставляются в различных формах (табл. 3).

Таблица 1
Химический состав, % (по массе) и назначение лигатуры медь – фосфор по ГОСТ 4515 – 81

Марка лигатуры
Основные компоненты
Темпера-тура плавления, оС
Область применения


Р
Cu




МФ13



МФ10


МФ9


11,0– 14,0



9,5 – 11,0


8,0 – 9,5

Ост.



Ост.


Ост.

900



880


750

Модификатор и лигатура для плавки цветных сплавов, припой

То же


Раскислитель для медных сплавов

Классификацию лигатур по назначению рассмотрим на примере лигатур на основе алюминия:
1. Лигатуры для модифицирования алюминиевых литейных сплавов. Модифицирующий эффект достигается при использовании лигатур Al – Ti, Al – Zr, Al – Sr и Al-Ti-B
2. Лигатуры для изменения (корректировки) химического состава алюминиевых сплавов. Эта многочисленная группа включает в себя всевозможные лигатуры на основе алюминия для подшихтовки при изготовлении сплавов. В эту группу входят и лигатуры, которые применяют для повышения прочности сплава. Примером могут служить : Al – Si, Al – Mn, Al – Mg, Al – Cr, Al – Cu, Al – V.
3. Лигатуры для улучшения определенных физических или механических свойств. Отдельную группу составляют лигатуры для специальных целей (улучшения определенных физических или механических свойств). Например, лигатура алюминий-бор (AlB) добавляется для увеличения электрической проводимости алюминия для электротехнических целей - этот метод часто называют обработкой бором. Лигатура алюминий-бериллий (AlBe), а также в настоящее время и алюминий-кальций (AlCa) добавляют для минимизации образования слоя оксида и шпинели в сплавах системы Al – Mg. Лигатура алюминий-цирконий (AlZr) используют для увеличения температуры рекристаллизации некоторых алюминиевых сплавов.
Возврат собственного производства составляет значительную часть (до 80 %) шихтовых материалов. Чем меньше выход годного и выше процент брака, тем больше накапливается собственных отходов. Крупные куски (бракованные отливки, прибыли, литники) должны быть очищены от остатков литейных форм и стержней. Мелкие отходы, особенно стружку, рекомендуется раздробить, очистить от масел и жидкостей, переплавить и хранить в маркированных чушках.
Вторичные цветные металлы и сплавы широко применяются в шихте для сплавов, в которых допускается повышенное содержание примесей. Лом и отходы цветных металлов перерабатываются на специализированных предприятиях в соответствии с ГОСТ 1639 – 78. Они подразделяются (рис. 5) по видам основного металла на алюминий и его сплавы, медь и ее сплавы и т.д. По внешним признакам лом и отходы делятся на классы: А – лом и кусковые отходы, Б – стружка, В – порошковые отходы, Г – прочие отходы Д,Е и Ж – отходы, содержащие ртуть. По химическому составу предусмотрено деление на группы (І, ІІ, ІІІ,Х); по качеству на сорта 1 – 4. Основным показателем сорта является степень засоренности лома и отходов другими цветными металлами и сплавами.
Модификаторы существенно улучшают механические свойства сплавов. Их применение оправдано при плавке любых сплавов. Часть модифицирующих добавок выпускается в виде лигатур с основой сплава, часть применяется в виде солей и флюсов.

Таблица 2
Составы и температуры плавления некоторых лигатур


Лигатура
Содержа-ние
добавки, %
Темпера-тура
плавле-ния, оС

Лигатура
Содержа-ние добавки, %
Темпера-тура
плавле-ния, оС

Для плавки алюминиевых сплавов
Для плавки медных сплавов

Al - Be
Al – Si
Al – Fe
Al – Mg
Al – Mn
Al
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·70
1060
964 – 1000
880 – 950
860 – 900
1170

Для плавки магниевых сплавов
Cu – Ni
25
1250

Mg – Mn
Al-Mg-Be

Al-Mg-Mn
2 – 4
35 Mg
3 Be
20 Mg
10 Mn
720 – 740

680

700
Cu-Al-Ni

Cu – Cr
Cu – Be
40 – 45 Al
20 – 25 Ni
4 – 6
4 – 11

750 - 800
1120-1140
900 – 970



Таблица 3
Формы поставки лигатур

Форма поставки
Характеристика

1. Лигатуры на основе алюминия

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Пруток (проволока) в бухте
Пруток (проволока) диаметром 9.5 мм в бухте весом 180 - 450 кг

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Мерные отрезки прутка (проволоки)
Пруток (проволока) диаметром 9.5 мм мерными отрезками: длинной 50 см (вес отрезка 100 г) или длинной 100 см (вес отрезка 200 г)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Вафельные слитки
Вафельный слиток весом 7 кг

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Разрезанные слитки
Разрезанный вафельный слиток

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Отрезки слитка полученного непрерывным способом Conticast®
Разрезанный слиток, полученный непрерывным способом весом 500 г или 2,5 кг

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Отрезки слитка полученного непрерывным способом Contiform®
Разрезанный слиток круглого сечения, полученный непрерывным способом весом 100 г или 200 г

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Куски в виде хлопьев
Куски лигатуры в виде хлопьев (чипс-лигатура)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Компактированный порошок
Компактированный порошок в виде таблеток или брикетов


2. Лигатуры на основе меди


[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Вафельная плита
Вафельная плита весом 14 кг




Продолжение таблицы 3

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Цельный или резанный штрипс
Вафельная плита, резанная на штрипс или отдельные куски

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Кусковой материал
Кусковой материал различного размера

3. Лигатуры на основе никеля, кобальта, железа

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Кусковой материал
Кусковой материал различного размера

4. Лигатуры на основе цинка

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Вафельная плита
Вафельная плита весом 14 кг

5. Лигатуры на основе свинца

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Слитки
Слитки различного веса



Рис. 5. Классификация лома и отходов цветных металлов
1.2.1. Расчет шихты

Расчет шихты производится для определения количества тех или иных шихтовых материалов, которые необходимы для получения заданного состава сплава с минимальным содержанием примесей. Задачей расчета шихты является определение массовой доли каждого из компонентов шихты. Необходимо учитывать, что в ходе плавки происходит изменение концентрации каждого из элементов, входящего в состав сплава. Происходит угар или пригар элемента. Эти изменения необходимо учесть на первой стадии расчета, определяя химический состав шихты. При плавке цветных сплавов наблюдается только угар элементов. Величину угара определяют по результатам производственных плавок. Если таких данных еще нет, то можно воспользоваться справочными данными. В табл. 4 приведены величины угара различных металлов

Таблица 4
Средний угар (% по массе) элементов при плавке цветных сплавов

Элемент
Компактная шихта
Мелкая шихта


Тигельные печи
Отражатель-ные печи
Тигельные печи
Отражатель-ные печи

Al
Be
B
V
Fe
Ca
Si
Mg
Mn
Cu
Ni
Sn
Ti
Cr
Ce
Zr
Zn
0,
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·0,0
4,0-5,0
2,0-3,0
5,0-10,0
3,0-5,0

Как видно из таблиц угар существенно зависит от типа плавильного устройства и состояния шихты.
В задачу расчета обычно включается и оптимизация шихты по стоимости.
Перед началом работы необходимо иметь следующие данные:
химический состав приготовляемого сплава и особые требования, предъявляемые к сплаву по содержанию основных компонентов и примесей;
характеристику материалов, имеющихся на складе шихтовых материалов (количество, состав, состояние);
величину угара элементов, входящих в состав сплава;
требуемое количество расплава.

1.2.2. Пример аналитического расчета шихты

В настоящее время на большинстве предприятий имеются программы для расчета шихты с помощью ЭВМ. Для того чтобы понять сущность расчета, рассмотрим последовательность действий на примере «ручного» аналитического расчета шихты для приготовления сплава МЛ5он в индукционной тигельной печи.
Пусть на складе имеются в наличии следующие шихтовые материалы:
магний марки Mг90 в чушках, ГОСТ 804-62;
алюминии А85, ГОСТ 11069-64;
цинк Ц1, ГОСТ 3640-65;
лигатура Al-Mg-Мn, содержащая 67 % Al, 22 % Mg, 11 % Мn;
вторичный сплав MЛ5 состава: 8,3 % Al, 0,4 % Zn, 0,32 % Мn, ост. Mg;
возврат в виде крупных литников и прибылей состава: 8,6 % Аl, 0,3 % Zn, 0,32 % Мn, ост. Mg;
переплав стружки состава: 10,8 % Аl , 0,5 % Zn, 0,28 % Mn, ост. Mg;
лигатура Al-Be, в которой содержится 4% Be.
Расчет ведется в следующей последовательности. Сначала необходимо установить расчетный состав шихты. Для некоторых сплавов есть рекомендации по содержанию легирующих добавок (на верхнем уровне или на нижнем уровне), в зависимости от требований, предъявляемых к отливке. Если нет таких особых указаний по содержанию легирующих элементов и ограничений по примесям, то выбирается средний состав в пределах, установленных ГОСТом, с учетом угара, как это показано в табл. 5. Остаточное содержание магния здесь проставлено без учета примесей.
Таблица 5
Выбор расчетного состава шихты (%, по массе) для плавки сплава МЛ5он

Состав
Al
Mn
Zn
Be*
Mg
Приме-сей не более

Химичес-кий состав по ГОСТ 2856-79
7,5-9,0
0,15-0,50
0,2-0,8
до 0,002
Ост.
0,7

Средний состав
8,25
0,325
0,5
0,002
90,923
0,7

Угар элементов
2,0
10,0
2,0
-
5
-

Расчет-ный состав
8,41
0,36
0,51
0,002
95,47
0,7

*Бериллий вводится в сплав для уменьшения окисления сплава при плавке.
Расчет будем вести на 100 кг готового сплава. При необходимости данные такого расчета можно легко перевести на любую массу сплава. Результаты расчета заносим в таблицу в виде баланса шихтовых материалов (табл. 6).
Обычно в шихту при плавке цветных сплавов допускается вводить не более 80 % вторичных сплавов и отходов. Так как в выплавляемом сплаве допускается довольно высокое содержание примесей (до 0,7 %), то и мы можем использовать максимальное количество собственных отходов. В нашем примере допускаем 70 % данных материалов: 40 % вторичного сплава; 17 % возврата в виде крупных литников и прибылей и 11 % переплава стружки (пропорционально их наличию на складе).
По известному химическому составу этих компонентов шихты определяем путем решения простых пропорций, какое количество магния, алюминия и др. элементов будет внесено с ними и полученные данные заносим в табл. 6. В качестве примера определим внесенное количество алюминия:
в 40 кг вторичного сплава (8,3 % Al) содержится

13 EMBED Equation.3 1415кг Al;

в литниках 13 EMBED Equation.3 1415 кг Al;

в стружке 13 EMBED Equation.3 1415кг Al.

Аналогичные данные получаем по содержанию марганца, магния и цинка. Принимаем, что бериллия в них не содержится, он выгорел в ходе предыдущих плавок. После заполнения этих трех строк видим, что необходимо дополнительно ввести бериллий, марганец, цинк, алюминий и магний.
Дальнейший расчет всегда начинается с компонентов, вводимых в сплав в виде лигатур и содержащихся в наименьших количествах. В нашем примере это бериллий и марганец.
Определяем потребное количество лигатуры Al- Be (4 % Be):
13 EMBED Equation.3 1415кг.
Вместе с шихтой в сплав вносится 0,05 – 0,02 = 0,048 кг Al. Переходим к определению нужного количества лигатуры, содержащей марганец. В шихте должно быть 0,36 кг Мn. Уже внесли в шихту 0,22 кг, осталось добавить с лигатурой 0,36 - 0,22 = 0,14 кг. Потребное количество лигатуры Al-Mg составит:
13 EMBED Equation.3 1415кг.
Вместе с марганцем из лигатуры в шихту добавится:
алюминия 13 EMBED Equation.3 1415кг,
магния 13 EMBED Equation.3 1415кг.
Недостающее количество магния, алюминия и цинка вводим в виде чистых металлов. Так расчетное содержание цинка в сплаве (табл. 5) составляет 0,51 кг. Уже внесено с вторичными сплавами, отходами и стружкой 0,27 кг. Таким образом, надо добавить 0,51 – 0,27 = 0,24 чистого цинка Ц1.
Аналогично определяем количество алюминия и магния.
Если используются вторичные сплавы с повышенным содержанием примесей, то необходимо подсчитать их количество и сравнить с допустимым.
Таблица 6
Баланс шихтовых материалов на 100 кг сплава Мл5

Компонен-ты шихты
Кол-во шихты, кг
Компоненты сплава, кг



Mg
Al
Mn
Zn
Be

Лигатура Al- Be
0,05
-
0,048
-
-
0,002

Лигатура Al-Mg-Mn
1,27
0,28
0,85
0,14
-
-

Вторичный сплав Мл5
40,00
36,38
3,32
0,14
0,16
-

Литники
17,00
15,44
1,46
0,05
0,05
-

Стружка
11,00
9,72
1,19
0,03
0,06
-

Магний Мг90
33,65
33,65
-
-
-
-

Алюминий А85
1,5
-
1,5
-
-
-

Цинк Ц1
0,24
-
-
-
0,24
-

Итого
104,71
95,47
8,41
0,36
0,51
0,002

Для проверки правильности расчета необходимо просчитать сумму компонентов шихты (по вертикали) и сумму компонентов сплава (по горизонтали). Они должны быть одинаковыми.

1.3. Защита расплава при плавке

Плавка металлов и сплавов в большинстве случаев производится на открытом воздухе. Жидкие металлы тем или иным образом взаимодействуют с газами, входящими в состав воздуха. Результатом этого взаимодействия является загрязнение металла растворимыми и нерастворимыми примесями, снижающими качество отливок.
Если взаимодействие с газами ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и образующаяся пленка этих соединений замедляет дальнейшее взаимодействие (алюминий и алюминиевые сплавы, цинковые и оловянносвинцовые сплавы), то можно продолжать плавку при прямом контакте расплава с атмосферой. Но для уменьшения угара все же лучше вести защитную плавку.
Если на расплаве образуется рыхлая пленка, неспособная защитить металл от дальнейшего окисления (магний и его сплавы), то необходимо принимать специальные меры для его защиты.
Защита расплава необходима и в том случае, когда газ растворяется в жидком металле. На первый план выходит защита расплава от кислорода. При плавке сплавов на основе железа, никеля и меди, которые растворяют кислород, металл требуется изолировать от атмосферы печи.
Для защиты расплавленного сплава от взаимодействия с газами печного пространства применяют флюсы, твердые покровные смеси и защитные атмосферы. В некоторых случаях для уменьшения взаимодействия расплава с газами проводят легирование специальными добавками. Так в алюминиевые сплавы с магнием и в магниевые сплавы вводят тысячные доли процента бериллия. Если перечисленных мер оказывается недостаточно, то прибегают к вакуумной плавке.
Наибольшее применение для защиты нашли флюсы, представляющие собой расплавленную смесь различных солей и других химических соединений. Флюсы создают на поверхности металлической ванны сплошной шлаковый покров для изоляции расплава от газовой фазы или для очистки расплава от нежелательных примесей. Применение флюсов дает возможность уменьшить безвозвратные потери металла и повысить качество литья.
Флюсы делятся на покровные, рафинирующие и универсальные.
Все они должны отвечать следующим основным требованиям:
Иметь температуру плавления ниже, чем у расплавляемого металла.
Флюс должен быть нейтральным к металлу, футеровке и атмосфере плавильной печи, т. е. не вступать с ними в химическое взаимодействие, растворять их или растворяться в них.
Флюс должен иметь плотность, значительно отличающуюся от плотности расплава. Чем больше разность плотностей, тем проще отделение флюса от расплава. Плотность покровных флюсов, как правило, должна быть меньше плотности расплава.
Обладать повышенным поверхностным натяжением и минимальной смачивающей способностью по отношению к расплаву, чтобы обеспечивать сплошность покрова над расплавом и легко отделяться от него.
Обладать малой вязкостью при плавлении и повышенной вязкостью при разливке.
Обладать минимальной гигроскопичностью и не содержать водород.
Рафинирующие и универсальные флюсы к дополнению к этому должны обладать адсорбционной способностью к примесям, чтобы растворять или адсорбировать включения или вступать с ними в химическое взаимодействие с образованием частиц, которые будут всплывать в шлак или оседать на дно тигля.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют смеси хлористых и фтористых солей щелочных, щелочноземельных и некоторых других металлов. Главные физические свойства солей, применяемых для приготовления флюсов, приведены в табл. 7. Здесь же показаны и свойства некоторых оксидов.
При составлении составов флюсов необходимо руководствоваться соответствующими диаграммами плавкости солей. Флюсы можно приготовить механическим смешиванием солей, но лучше произвести их сплавление, а затем раздробить на кусочки и хранить в термостате при 120 оС. В том и другом случае соли предварительно обезвоживают путем сушки в нагревательных печах.
Весьма перспективным является использование жидких флюсов, предварительно расплавленных в специальных флюсовых печах.
Следует иметь в виду, что шлаки и флюсы, применяемые при плавке, могут оказывать разрушающее воздействие на огнеупорную футеровку.
Составы, назначение и условия применения флюсов будут рассмотрены в разделах плавки тех или иных сплавов.
Защитные атмосферы могут быть созданы из инертных или нейтральных газов. Они используются в тех случаях, когда невозможно или нежелательно применять флюсы, например, при плавке сплавов, содержащих химически активные добавки. Атмосферы не загрязняют расплав примесями и шлаковыми включениями и не разрушают футеровку. Наиболее надежную защиту дают такие инертные газы, как гелий и аргон. Аргон дешевле и удобнее в работе. Для алюминиевых, магниевых и медных сплавов можно взять азот, который до определенной температуры является инертным по отношению к ним. При повышении температуры выше 750 оС азот образует нитриды AlN в алюминиевых и магниевых сплавах.
При всей эффективности флюсов и защитных атмосфер, наиболее надежным способом получения чистых расплавов будет плавка в вакууме в специальных вакуумных печах или вакуумирование готового расплава в вакуумных камерах.
Расплавленные металлы представляют собой гетерогенные жидкости с большим количеством примесей. Это могут быть примеси металлов и других элементов, находящиеся в растворе. Значительную долю их составляют растворенные газы. Часть примесей находится в виде нерастворимых частиц. Это оксиды основы сплава и легирующих добавок, а также их нитриды и карбиды, частицы шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки.
Процесс очистки металла от таких нежелательных примесей называется рафинированием или дегазацией, если целью рафинирования является удаление растворенных газов. Разнообразие видов примесей, их природы, состава, агрегатного состояния, формы и размеров затрудняет выбор способа рафинирования.
Таблица 7
Свойства хлоридов и фторидов, входящих в состав флюсов и некоторых оксидов

Соединение
Плотность

·, г/см 3,
(при 20 оС)
Температура плавления, оС
Температура кипения, оС

AlCl3
BaCl2
C2Cl6
CaCl2
KCl
KCl
·MgCl2
LiCl
MgCl2
MnCl2
NaCl
NH4Cl
Zn Cl2
AlF3
BaF2
CaF2
KF
MgF2
NaF
Na3AlF6
SiO2
MnO2
Cu2O
CuO
MgO
Na2B4O7
CaCO3

2,44
3,87
2,1
2,5
2,0
1,7
2,1
2,33
2,98
2,16
1,54
2,9
3,07
4,83
3,18
2,48
2,47
2,30
2,9
2,26
5,03
6,0
6,4
3,2 – 3,7
2,37
2,71
180 (возг)
925
187 (возг)
780
770
488
610
718
650
800
58 (разл.)
313
1040
1280
1403
880
1263
842
1100
1470
535
1235
1026(разл.)
2800
741
1339

-
1830
-
1650
1400
-
1350
1412
1190
1440
-
732
1260
2260
2500
1500
2239
1676
-
2230
-
1800
-
3600
1575(разл)
-


Плавка металла в вакууме необходима для титановых и некоторых никелевых сплавов. Остаточное давление в плавильной печи, как правило, не более 0,13 Па.
Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов из-за их испарения. Так как плавка ведется при включенной вакуумной системе, то испарение происходит непрерывно.

1.4. Рафинирование цветных сплавов

При плавке литейных сплавов на воздухе, несмотря на принимаемые меры по защите расплава, чистый металл получить не удается. Кроме того, некоторое количество загрязнений вносится с шихтовыми материалами. Таким образом, в металлических расплавах всегда присутствуют примеси. К ним относятся примеси металлов и элементов, находящиеся в растворенном состоянии. Значительную долю их составляют газы, находящиеся в растворе. Вторую часть примесей составляют вещества, которые находятся в расплаве в виде нерастворенных инородных частиц. К ним относятся оксиды, карбиды, нитриды и сульфиды основы и компонентов сплава, а также частицы шлаков, флюсов и огнеупорной футеровки, оказавшиеся в расплаве.
Для получения качественных отливок необходимо очистить расплав от всех видов примесей, т.е. произвести рафинирование расплава (или дегазацию, если целью рафинирования является очистка расплава от растворенных газов).

1.4.1. Рафинирование от растворенных примесей

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела, однако подобные процессы приходится проводить и в ходе приготовления сплавов в литейном цехе. Для этих целей можно воспользоваться окислением, хлорированием, обработкой флюсами, отстаиванием или вакуумной дистилляцией.
Путем окислительной плавки можно удалить из расплава примеси, обладающие большим сродством к кислороду, из металлов, которые способны растворять кислород. Таким способом можно удалить из меди свинец, мышьяк, висмут, сурьму, а из никеля – кремний, магний, марганец. Если ввести в расплав твердые окислители или продуть его кислородом, то в начале произойдет окисление основного металла и насыщение его кислородом. Затем будут окисляться растворенные примеси. Если образовавшиеся оксиды нерастворимы в расплаве, то они постепенно перейдут в шлак. Избыток кислорода из основного металла удаляется путем раскисления, механизм которого рассмотрен ниже.
Элементы, обладающие большим сродством к хлору, могут быть удалены хлорированием - продувкой расплава хлором. Таким путем проводится очистка алюминиевых сплавов от примесей натрия и магния.
Рафинирование флюсованием применяют для тех примесей, которые растворяются во флюсе или образуют с ним летучие или легко шлакующиеся соединения, нерастворимые в основном металле. Если над алюминиевым расплавом навести флюс, содержащий криолит (Na3AlF6), то можно удалить излишний магний.
Вакуумную дистилляцию используют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем у рафинируемого металла.
Рафинирование отстаиванием применяют для удаления примесей, которые образуют между собой или с основным металлом тугоплавкие соединения, отличающиеся от рафинируемого металла по плотности. Во время выдержки при температуре лежащей ниже точки выпадения из раствора кристаллов тугоплавких соединений, последние всплывают или оседают в расплаве.

1.4.2. Рафинирование расплавов от нерастворимых примесей
Нерастворимые примеси решающим образом влияют на технологические и рабочие свойства металлов. Они резко снижают пластические свойства, существенно понижают коррозионную стойкость.
Нерастворимые примеси представляют собой неметаллические вещества: оксиды, нитриды, карбиды, карбонитриды и т.п. В связи с этим их называют неметаллическими включениями. Они делятся на экзогенные и эндогенные. Экзогенными называют примеси, которые попадают в расплав извне. К ним относятся частицы футеровки, шлака, флюса, литейной формы и других инородных материалов, занесенные в расплав с шихтой или попавшие в него при перемешивании и разливке сплава. К эндогенным относятся неметаллические включения, образовавшиеся при протекании физико-химических процессов в расплаве, например, при раскислении.
Для получения годных отливок необходимо удалить из расплава как растворимые, так и нерастворимые примеси. Как правило, при любом методе рафинирования достигается определенный эффект по одновременному удалению и тех и других примесей.
Различают адсорбционные, неадсорбционные и комбинированные методы рафинирования.
Адсорбционные методы сопровождаются физико-химическим взаимодействием (адсорбцией) между рафинирующим веществом и включением или газом. К ним относятся:
Продувка инертными (нейтральными) газами. В расплав через пористые насадки под небольшим избыточным давлением вдувают аргон или азот (в сплавы, к которым он инертен). Пузырьки инертного или нейтрального газа адсорбируют водород, а также смачивают некоторые неметаллические включения и уносят их на поверхность.
Продувка активными газами. В расплав вдувается газ, вступающий в химическое взаимодействие с основным металлом с образованием нейтрального газа, который и оказывает рафинирующее действие. Так алюминиевые сплавы с большой эффективностью продувают хлором, который образует газообразное соединение AlCl3. Газообразные продукты с рафинирующим действием могут быть получены и при введении в расплав хлористых солей.
Рафинирование флюсами. Флюсы предназначаются для защиты металла при плавке от окисления и насыщения газами. Кроме защитных свойств, некоторые составы флюсов могут растворять примеси или образовывать с ними летучие или шлакующиеся соединения. Такие флюсы называют рафинирующими или универсальными. Они широко применяются при плавке магниевых и алюминиевых сплавов.
Неадсорбционные методы рафинирования также весьма разнообразны:
Отстаивание расплава. Метод основан на разности плотностей расплава и материала включений. Легкие частицы могут всплывать и переходить в шлак. Скорость всплывания частиц не велика. Время всплывания крупных частиц измеряется минутами. Мелкие частицы (менее 5 мкм) удалить отстаиванием практически невозможно. Реальный результат может быть достигнут в том случае, если есть возможность укрупнения частиц и придания им компактной формы.
Вымораживание. Проводится с целью дегазации. Расплав медленно охлаждается почти до температуры кристаллизации. Растворимость газа уменьшается, и он выделяется через открытую поверхность расплава в атмосферу. Затем сплав быстро нагревается до температуры заливки.
Фильтрация расплава через механические фильтры. При заливке металл пропускают через сетчатые, фильтры. Неметаллические включения с размерами больше, чем ячейки фильтра будут задерживаться на нем. Сетчатые фильтры изготовляют из стеклоткани или металлической сетки с размером ячеек не менее 0,2 мм. Обычно сетчатые фильтры устанавливают в литниковой системе под стояком.
Вакуумирование расплавов. Снижение общего давления над расплавом приводит к выделению растворенных газов и увеличению размеров газовых пузырьков, которые будут всплывать к открытой поверхности и удаляться из расплава. Вместе с газовыми пузырьками всплывают и частицы нерастворимых примесей, поры и трещины которых служили центрами образования газовых пузырьков.
Физическое воздействие на расплав. Методы физического воздействия весьма разнообразны. Это может быть простое механическое перемешивание, обработка электрическими или магнитными полями. Хорошие результаты достигаются при введении в расплав ультразвуковых колебаний. В расплаве возникают кавитационные полости с малым парциальным давлением растворенных газов, поэтому они устремляются в них. По достижении определенного размера, образующиеся пузырьки могут всплывать.
Комбинированные методы рафинирования совмещают оба механизма удаления неметаллических включений и газов. Так при фильтрации расплава через активные зернистые или пористые фильтры тонкодисперсные включения (с размерами меньше, размера ячейки) удерживаются за счет поверхностных явлений. Зернистые фильтры изготовляют из кусочков огнеупоров, пропитанных флюсом или из кусочков флюса. Пористые фильтры представляют собой спеченный керамический материал на основе Al2O3 и Cr2O3 с открытыми порами, имеющими размеры в доли миллиметра. Спеченные материалы изготовляют в виде пластин различной толщины, из которых вырезают фильтр с необходимыми размерами. Можно заказывать и фасонные изделия с заданными размерами.
Примерами комбинированного метода рафинирования могут служить, например, обработка ультразвуком в вакууме, отстаивание расплава с замешанным флюсом и т. п.
Использование физических полей для рафинирования часто сопровождается и модифицирующим эффектом. Если при ультразвуковой обработке в качестве волновода использовать титановую проволоку, то она будет растворяться в расплаве и создавать дополнительные центры кристаллизации

1.5. Раскисление цветных сплавов

Раскислением называют удаление из расплава, растворенного в нем кислорода. Иногда кислород после раскисления остается в расплаве в связанном виде (в виде оксидов), поэтому правильнее раскислением называть уменьшение активности растворенного кислорода.
Данная операция по определению производится только при плавке металлов и сплавов, которые в жидком состоянии растворяют кислород. Из цветных металлов кислород растворяют медь, никель и серебро. Раскисление всех сплавов на основе алюминия, магния, цинка, свинца, олова никогда не проводят. Практически не требуется раскислять и сплавы на основе металлов, растворяющих кислород, если в их состав входят легирующие элементы с большим сродством к кислороду: сплавы никеля с алюминием, титаном; сплавы меди с алюминием, цинком, оловом.
Для цветных сплавов можно использовать те же способы раскисления, что и для плавки стали, а именно: осаждающее раскисление, диффузионное раскисление и вакуумирование.
Наиболее часто применяют осаждающее (осадочное) раскисление, которое осуществляется путем введения в расплав специальных добавок – раскислителей, имеющих большее сродство к кислороду, чем у всех компонентов сплава. Процесс раскисления можно описать реакциями:

m[О] + nR RnОm,

[МеО] + [R] = RО + Ме,

где [R] – металл раскислитель, а RnОm – оксид, нерастворимый в расплаве. Чем больше концентрация элемента раскислителя, тем меньше остаточная концентрация кислорода. Раскислитель, остающийся в сплаве не должен оказывать ухудшать свойства сплава. Продукты раскисления остаются в расплаве в виде неметаллических включений, снижающих качество отливок, поэтому в задачу раскисления входит создание условий для их удаления из расплава. Скорость всплывания любой частицы в жидкости v описывается формулой Стокса:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415,
где
·вкл,
·м - плотность включения и металла, г/см8; r- радиус частицы взвешенной фазы, см; g - ускорение силы тяжести, см/с2, ( - динамическая вязкость расплава. Из формулы следует, что быстрее всплывают крупные частицы, так как разница в плотностях невелика. Желательно, чтобы продукты раскисления были жидкими или газообразными, они коалесцируют с большей скоростью, чем коагулируют твердые частицы. При понижении температуры сродство к кислороду повышается, и процесс образования оксидов будет продолжаться до полного затвердевания сплава, поэтому при осаждающем раскислении неизбежно насыщение расплава эндогенными неметаллическими включениями.
Этого недостатка лишено диффузионное раскисление протекающее на поверхности раздела расплав – раскислитель. Так как кислород поступает к месту реакции диффузионным путем, то процесс раскисления протекает медленно. Это сдерживает развитие данного метода. Диффузионное раскисление раскислителями, нерастворимыми в металле, применяется для медных сплавов

1.6.Модифицирование цветных сплавов

Модифицированием называют процессы физико-химического воздействия на кристаллизующийся металл с целью изменения его макро- и микроструктуры.
Наиболее распространенным способом модифицирования является введение в расплав малых количеств специальных добавок - модификаторов. Путем модифицирования можно существенно измельчить зерно, а избыточным фазам (интерметаллические соединения, карбиды, нитриды) придать компактную и мелкодисперсную форму.
Модификаторы впервые были классифицированы академиком П.А. Ребиндером. Все разнообразие модифицирующих присадок он свел к двум основным группам.
В первую группу включены модификаторы, которые образуют в расплаве высокодисперсную взвесь. Отдельные частицы этой взвеси служат зародышами кристаллов. Для литейных сплавов такими модификаторами могут быть различные тугоплавкие металлы или их соединения, нерастворимые в расплаве. Они называются модификаторами I рода.
Во вторую группу модификаторов (модификаторы II рода) вошли те элементы или их соединения, которые растворяются в расплаве, а при кристаллизации могут адсорбироваться на гранях зарождающихся кристаллов и тормозить их рост. Замедление скорости роста кристаллов приводит к увеличению числа центров кристаллизации, а значит, и к измельчению зерна.
Позднее Ю.А. Нехендзи ввел понятие о различных видах модифицирования. Измельчение структуры путем обволакивания растущих кристаллов поверхностно-активными веществами он назвал модифицированием I рода, а измельчение строения путем увеличения числа зародышей - модифицированием II рода. Эта классификация видов модифицирования позднее изменилась (к ней мы еще вернемся), а за группами модификаторов закрепились новые названия. Модификаторы первой группы стали называть модификаторами II рода, а вещества из второй группы - модификаторами I рода. Такая классификация модификаторов встречается в работах [3, 4, 5 и др.]. В данном пособии мы придерживаемся классификации П.А. Ребиндера
Модификаторы I рода Процесс начала кристаллизации облегчается, если в расплаве имеются нерастворимые частицы, способные стать зародышами будущих кристаллов или подложкой, на которой образуется зародыш. Чем больше зародышей образуется при кристаллизации, тем меньшими окажутся конечные размеры кристаллов. В промышленных сплавах, которые в расплавленном состоянии являются гетерогенными жидкостями, всегда присутствуют твердые нерастворимые частицы. Однако наиболее эффективное воздействие на кристаллизацию оказывают частицы, отвечающие принципу структурного соответствия П.Д. Данкова. Этот принцип гласит, что гетерогенное зарождение вызывают примеси, имеющие с металлом или сплавом одинаковое или однотипное кристаллическое строение и незначительно отличающиеся параметры кристаллических решеток (не более 10 %). Для получения мелкозернистой структуры в сплав можно специально вводить вещества (модификаторы), которые увеличивают количество таких частиц.
Итак, к модификаторам I рода относятся вещества, образующие в расплаве нерастворимые примеси, изоморфные (схожие по форме) с кристаллизующимся веществом и имеющие с ним близкие параметры кристаллической решетки.
Исследования показали, что в качестве модификаторов I рода можно использовать:
тугоплавкие нерастворимые вещества, образующие в расплаве самостоятельную фазу;
вещества, частицы твердой фазы которых наиболее полно подчиняются принципу структурного соответствия П.Д. Данкова;
вещества, образующие в расплаве дисперсные частицы с большой суммарной поверхностью, сопоставимые по своим размерам с кластерами, т.е. частицы с размерами от 1 до 10 нм (при больших размерах эффективность снижается);
частицы, обладающие металлическими свойствами;
частицы, представляющие собой устойчивые химические соединения с одним из компонентов или с основой сплава (эндогенные химические соединения).
Наиболее полно соответствуют всем перечисленным требованиям металлы, которые образуют с основой сплава диаграммы состояния эвтектического или перитектического типа с тугоплавкими интерметаллическими соединениями (рис. 6). Точка эвтектики (или перитектики) на диаграмме должна быть приближена к базовому компоненту сплава. Для алюминия этим условиям удовлетворяют такие тугоплавкие металлы, как титан, цирконий, тантал, хром ванадий, бор и др. Левые углы диаграмм состояния на рис. 6 данных металлов с алюминием отличаются координатами характерных перитектических точек Р или эвтектических точек Е и температурой превращения. Все эти элементы уже при малых концентрациях (от сотых до десятых долей процента) образуют с алюминием химические соединения типа MenAlm, которые кристаллизуются раньше, чем сам алюминий или твердые растворы на его основе. Наибольшее промышленное применение для алюминиевых сплавов нашли титан, бор, цирконий.
Для медных сплавов модификаторами I рода служат титан, цирконий, бор, ванадий по одиночке или в различных сочетаниях, чаще всего совместно с бором (Ti + В, Zr + В, V + В).
В качестве модификаторов для магниевых сплавов используются те же редкоземельные металлы, что и для других цветных сплавов, но предпочтение отдается цирконию. Магниевые сплавы, содержащие алюминий, хорошо модифицируются углеродосодержащими добавками: мелом, магнезитом, мрамором.


а б
Рис. 6. Диаграммы состояния алюминия с металлами, которые могут быть модификаторами рода: а – перитектического вида, б – эвтектического вида

Механизм модифицирования добавками I рода сводится к уменьшению работы образования зародыша. В общем случае эта работа может быть определена через соотношение величин поверхностного натяжения на границах раздела кристалла и модификатора между собой и с переохлажденным расплавом
А =K(
·р.к-
·р.м +
·м.к),
где К - коэффициент, учитывающий особенности кристаллизующегося расплава;
· - соответственно поверхностные натяжения на границах расплав - кристалл, расплав - модификатор и модификатор - кристалл. Очевидно, что наибольший эффект будет в том случае, когда вместо частиц модификатора в расплаве будут кристаллы самого сплава (
·м.к = 0,
·р.к =
·p.м и А = 0). Если частица модификатора изоморфна кристаллу, то
·р.к«
·р.м, а
·рк и
·рм близки по значению. Работа образования зародыша уменьшается, а скорость зарождения центров кристаллизации соответственно возрастает.
При определенных условиях модификаторами I рода становятся твердые дисперсные частицы, которые не подчиняются принципу структурно-размерного соответствия. Так, частицы некоторых окислов и других неметаллических включений, образованные в расплаве, вначале не оказывают модифицирующего эффекта, но при последующих переплавах становятся зародышами. Считается, что на поверхности таких частиц, после пребывания в твердой фазе, образуется тонкий, иногда моноатомный переходный слой из основного металла, который не удаляется с частицы при переплаве. Кристаллическая решетка переходного слоя будет изоморфна с кристаллической решеткой основы сплава.
Такие примеси называются активными. При значительных перегревах и длительных выдержках активность частиц вновь снижается из-за расплавления переходного слоя. В ходе длительных выдержек перегретого металла может происходить коагуляция модифицирующих частиц. Они образуют крупные конгломераты, при этом число возможных зародышей уменьшается.
С поведением активных примесей связывают и известное явление наследственности структуры. В практике литья замечено, что после переплава и кристаллизации в прежних условиях отливок или слитков с мелкозернистым строением получают изделия с таким же мелкозернистым строением. Но если при переплаве металл перегревают, то наследственность в кристаллическом строении пропадает. Это объясняется дезактивацией примесей.
Модификаторами II рода называют поверхностно-активные вещества (ПАВ), оказывающие комплексное воздействие на процесс кристаллизации. Поверхностно-активными называют вещества, способные самопроизвольно концентрироваться на поверхности расплава, изменяя химический состав поверхностного слоя и уменьшая поверхностное натяжение. Это явление называется адсорбцией. Как правило, ПАВ растворяются неограниченно в жидкой фазе, но мало в твердом веществе. Примесь, имеющая такой характер распределения между жидкой и твердой фазой, при кристаллизации будет оттесняться в жидкую фазу. Перед растущими кристаллами появится тонкий слой с повышенной концентрацией данной примеси. С одной стороны, этот слой будет тормозить поступление атомов, способствуя измельчению зерна. С другой стороны, этот слой, увеличивая энергию активации атомов (затрудняя их переход из жидкой фазы в расплав), будет уменьшать скорость зарождения центров кристаллизации. Чем меньше центров кристаллизации образуется в единицу времени, тем крупнее зерно. Однако ПАВ уменьшают поверхностное натяжение на границе кристалл -расплав настолько, что скорость образования новых центров кристаллизации возрастает, несмотря на одновременное увеличение энергии активации.
Модификаторами II рода служат: натрий, калий литий, висмут и стронций для алюминия и алюминиевых сплавов с кремнием; олово и сурьма для меди.
Специальные методы модифицирования. Использование добавок - модификаторов - является важнейшим, но не единственным, способом измельчения структуры металлов и сплавов. Такой же эффект может быть достигнут при помощи некоторых физических воздействий на расплав во время его кристаллизации, а именно перемешивания, вибрации, ультразвуковой обработки, введения микрохолодильников, увеличения давления на расплав и т.д.
Еще более эффективным может оказаться комплексное модифицирование путем введения модифицирующих добавок и физического воздействия на кристаллизующийся расплав.
Виды модифицирования. По характеру конечных структурных изменений все способы модифицирования, по классификации М.В. Мальцева [10], можно свести к трем видам. Эта классификация не является общепризнанной, но позволяет систематизировать влияние модификаторов на структуру сплавов.
Модифицирование I вида - это изменение размеров первичных зерен (дендритов) и других продуктов первичной кристаллизации.
Металлические материалы с мелкозернистой структурой отличаются повышенной прочностью и пластичностью, лучше противостоят ударным нагрузкам, имеют меньшую анизотропию свойств. При затрудненной усадке отливок склонность к образованию горячих трещин возрастает с ростом зерна. Оказывает влияние на горячеломкость и форма кристаллов. Мелкая равноосная структура гарантирует существенное снижение горячеломкости. На современном этапе развития литейного производства модифицирование является обязательной операцией технологического процесса.
На рис. 7 показаны фрагменты микроструктуры слитка из алюминиевого сплава. Немодифицированный сплав (см. рис. 7, а) имеет неоднородное кристаллическое строение. В наружном слое выделяется зона столбчатых кристаллов. После модифицирования добавками титана все сечение слитка занято мелкими равноосными кристаллами (рис. 7, б).
Кроме размеров первичных зерен, большое влияние на свойства многофазных сплавов оказывают и другие продукты первичной кристаллизации.
Модифицирование II вида - это изменение внутреннего строения первичных зерен (дендритов). Под внутренним строением понимаются форма, размеры ветвей и разветвленность дендритов. С измельчением внутреннего строения дендритов происходит перераспределение и измельчение избыточных фаз (интерметаллидов), эвтектических колоний и др. и примесей, а также микропор, которые располагаются не только по границам зерен, но и в междуосных пространствах дендритов.


Рис. 7. Макроструктура слитка из алюминиевого сплава до модифицирования (а) и после модифицирования 0,09 % титана (б)

Существенное измельчение внутреннего строения дендритов достигается уже при ускоренном охлаждении. Если необходимо получить еще более тонкое внутреннее строение, то проводят модифицирование. На рис. 8 показана микроструктура сплава АМг10. Основу исходного сплава (см. рис. 8, а) составляют дендритные ячейки твердого раствора магния в алюминии. В междуосных пространствах располагаются более темные вкрапления хрупкой
·-фазы (Mg2Al3). В сплаве, модифицированном добавкой 0,01 % В (см. рис. 8, б), произошло резкое измельчение дендритных ячеек, а хрупкая
·-фаза равномерно распределилась между ними.

Рис. 8. Микроструктура литого сплава АМг10 (х70): а - исходный сплав; б - модифицированный 0,01 % В
Модифицирование III вида - это изменение структуры эвтектик.
Многие литейные сплавы имеют эвтектический состав или содержат то или иное количество эвтектики. Строение эвтектики, форма эвтектических фаз и количественное соотношение между ними оказывают огромное влияние на механические и технологические свойства сплава. Получить желаемое строение эвтектики можно путем модифицирования. Чаще всего добиваются более тонкого строения эвтектических составляющих. Так, при кристаллизации силуминов (сплавов системы алюминий - кремний) в эвтектике образуются крупные кристаллы кремния игольчатой формы (рис. 9, а). Сплавы с таким строением эвтектики имеют низкие пластические свойства. После модифицирования натрием все поле шлифа занимают мелкодисперсные кристаллики кремния на светлом фоне дендритов твердого раствора кремния в алюминии (рис. 9, б)

а б

Рис. 9. Микроструктура эвтектического силумина: а – без модифицирования, б – после модифицирования натрием


Вопросы для самоконтроля

Типы плавильных печей, пригодных для плавки цветных сплавов.
Какие фазы участвуют в процессе плавки сплавов?
На какие группы по условиям плавки можно поделить цветные сплавы?
Какие цветные металлы склонны к повышенному газопоглощению?
Какие газы, и в каких металлах могут растворяться при плавке?
Что такое шихта?
Какие материалы входят в состав шихты?
В каких случаях необходим расчет шихты?
Что такое угар и как его учитывают при расчете шихты?
Для чего нужны покровные флюсы?
Какие требования предъявляются к покровным флюсам?
Цели и методы рафинирования сплавов?
Какие методы рафинирования относятся к адсорбционным?
Перечислите неадсорбционные методы рафинирования.
Что такое раскисление?
Какие металлы необходимо раскислять?
Какие методы раскисления применимы для медных сплавов?
Что такое модифицирование?
Для чего модифицируют сплавы?
Что такое модифицирование?
Как воздействуют на кристаллизацию модификаторы I и II рода?
Какие методы воздействия на расплав, кроме введения модификаторов, можно отнести к модифицированию?
Виды модифицирования по характеру конечных структур.
Приведите примеры модифицирования промышленных сплавов.

2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЛИГАТУР И ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ СПЛАВОВ

Лигатуры можно приготовить путем непосредственного сплавления двух или нескольких металлов или восстановлением легирующего элемента из его окислов. Кроме того, можно воспользоваться электролизом солей, сплавлением металла с солями или другими химическими соединениями легирующих элементов или методами порошковой металлургии.
Метод непосредственного сплавления компонентов может быть применен для приготовления большинства известных лигатур. Удобнее всего для этих целей использовать индукционные тигельные печи. Исходными материалами служат, как правило, свежие металлы. Их можно расплавлять раздельно и смешивать в жидком состоянии путем введения тугоплавкой составляющей в легкоплавкую, или наоборот. Но проще вводить компоненты кусками в расплавленные легкоплавкие или тугоплавкие части. В этом случае можно обойтись лишь одним плавильным агрегатом.
Для приготовления лигатур необходимо использовать чистые шихтовые материалы известного состава. Для получения мелкозернистой структуры, а также для удобства использования, лигатуры следует разливать в изложницы, подогретые до 150 -250 оС, слоем толщиной не более 30 мм.
Технология плавки лигатур предусматривает проведение тех же заключительных операций, что и при плавке сплавов.
Ниже рассмотрены технологические процессы приготовления некоторых лигатур в литейном цехе.
Лигатура алюминий – кремний. Температура плавления кремния 1420 оС значительно выше, чем у алюминия, а плотность несколько меньше 2,37 г /см3.
В качестве шихтовых материалов применяют алюминий технической чистоты марок от А85 до А0 и кристаллический кремний марок от Кр0 до Кр3.
В расплавленный без флюсов и перегретый до температуры 1000 – 1100 оС алюминий небольшими порциями вводят кремний, измельченный на куски 15 – 20 мм, и подогретый до 400 – 600 оС. Для ускорения растворения кусочки кремния притопляют в расплав графитовой мешалкой. Очередная порция вводится после полного растворения предшествующей и перемешивания расплава. Чтобы предотвратить обволакивание кусков кремния пленкой окиси алюминия, рекомендуется предварительно завернуть их в алюминиевую фольгу или смочить их раствором хлористого цинка и затем просушить. После полного растворения всего кремния расплав тщательно перемешивают, рафинируют и при 700 – 720 оС разливают в изложницы непрерывной короткой, широкой струей не допуская разбрызгивания металла. Каждую плавку подвергают анализу на содержание кремния. Чушки маркируют и отправляют на склад.
Следует иметь в виду, что в соответствии с ГОСт 1521 – 76 выпускаются стандартные лигатуры – силумины в чушках, содержащие 10 – 13 % Si и отличающиеся содержанием примесей (не более):


Fe
Mn
Ca
Ti

СИЛ - 00
СИЛ – 0
СИЛ – 1
СИЛ – 2
0,20
0,35
0,50
0.70
0,05
0,10
0,5
0,5
0,07
0,1
0,1
0,2
0,05
0,10
0,15
0,20


По своей сути это готовый сплав АК12 и промежуточный сплав для выплавки других силуминов.
Лигатура алюминий – марганец (до 10 % Mn). Температура плавления марганца достаточно высока 1245 оС. Для приготовления лигатуры рекомендуется использовать индукционную печь с графитовым тиглем. Сначала расплавляют 3/4 навески алюминия. Подогретый марганец марки Мр1 вводят в расплав, перегретый до 900 – 1000 оС, кусками по 15 – 20 мм небольшими порциями. Расплав перемешивают графитовыми мешалками. После каждой порции делают выдержку 10 мин для полного растворения марганца. После растворения всего марганца вводят остаток алюминия, чем снижают температуру расплава до 800 – 850 оС. Проводят рафинирование хлористым марганцем в количестве 0,2 % от массы шихты и при температуре 800 оС разливают в изложницы слоями не выше 25 мм.
Лигатура алюминий – медь (до 50 % Cu). Приготовление лигатуры можно начинать с расплавления алюминия или меди в зависимости от содержания меди в лигатуре. Меньшие перегревы и соответственно насыщение газами достигаются при введении меди в алюминий. Алюминий без флюса перегревают до 750 – 850 оС и частями вводят подогретую до 400 – 600 оС медь. Часть алюминия можно оставить и ввести в лигатуру в конце плавки для понижения температуры. После полного растворения меди расплав рафинируют хлористыми солями цинка или марганца (0,2 % от массы) и разливают по изложницам.
Лигатура алюминий – бериллий (до 5 % Ве). В качестве исходных материалов используют чистый алюминий и металлический бериллий, а также флюс: 60 % хлористого бария и 40 % хлористого калия. Флюс должен быть переплавлен и размолот до порошкообразного состояния.
Плавку необходимо вести в индукционных печах в графитовых тиглях с большой скоростью. Вначале в тигель загружают до 2/3 алюминия, расплавляют и присыпают поверхность флюсом. Температуру в печи доводят до 1100 – 1200 оС. Измельченный (10-20 мм) металлический бериллий вводят небольшими порциями и замешивают всплывающие куски бериллия графитовой мешалкой. Поверхность расплава постоянно присыпается свежим флюсом. После полного растворения бериллия добавляют остальной алюминий, сплав перемешивают, снимают шлак и разливают лигатуру в мелкие изложницы, подогретые до 150 -200 оС. Каждая плавка подвергается анализу на содержание бериллия, маркируется и сдается на склад шихтовых материалов.
Лигатура алюминий – титан (до 5 % Ti). Лигатуру можно готовить из чушкового алюминия, окиси титана и криолита в соотношении: 100: 15: 15 весовых частей. Окись титана и криолит, каждый по отдельности просушивают при температуре 120 оС , затем перемешивают и просеивают через сито. Плавку можно вести в индукционной печи или в газовом горне с графитовыми тиглями. Печь должна быть оборудована хорошей вытяжной вентиляцией. Алюминий расплавляют и перегревают под слоем криолита до температуры 1000 – 1200 оС. Горн выключают и на поверхность алюминия насыпают мелкими порциями смесь окиси титана с криолитом. При этом должна протекать термитная реакция, сопровождающаяся ярким свечением и выделением густого белого дыма. При отсутствии или слабом проявлении этих признаков металл необходимо подогреть. Порошкообразная смесь энергично замешивается сверху вниз подогретой графитовой мешалкой в металл. При этом протекает реакция восстановления титана из окиси

3TiO2 + 4Al = 2Al2O3 + 3Ti + Q.

После окончания ввода смеси в расплав включают печь на 10 – 15 мин и выдерживают расплав под толстым слоем образовавшегося шлака. После этой выдержки, необходимой для частичного удаления растворенных газов, металл интенсивно перемешивают металлической окрашенной мешалкой, чтобы поднять осевшие на дно тигля кристаллы, богатые титаном. Лигатуру быстро разливают в мелкие изложницы (толщина слитка не более 30 мм), придерживая шлак скребком или ложкой. Готовая лигатура имеет высокую вязкость и с трудом заполняет изложницу. При малой скорости разливки кристаллы, богатые титаном продолжают оседать на дне тигля в виде кашеобразной массы. Поверхность затвердевших чушек лигатуры должна быть выпуклой без усадочных раковин и иметь радужные цвета побежалости. Излом лигатуры крупнозернистый с блестками чешуйчатых кристаллов химического соединения титана с алюминием.
Лигатуры со сложной технологией приготовления (Al – Be, Al – Ti, Al – Zr и др.) рекомендуется приобретать в готовом виде. Приготовление лигатуры Al – Be осложняется тем, что пары бериллия и его соединений токсичны, а плавка лигатур с тугоплавкими элементами требует высоких перегревов алюминия до 1200 – 1300 оС, что приводит к повышенному окислению и потерям металла.

2.1. Приготовление предварительных чушковых сплавов

Предварительные чушковые сплавы выплавляют в том случае, когда необходимо получить высококачественный рабочий сплав стабильного состава, соответствующего требованиям ГОСТа. Такие предварительные сплавы готовят из чистых шихтовых материалов. Собственный возврат (бракованные отливки, литники и прибыли) подвергают тщательной очистке. В ходе плавки проводят тщательное рафинирование или дегазацию.
При плавке и разливке предварительного сплава необходимо:
избегать лишнего перегрева расплава и поддерживать его температуру максимально приближенной к температуре разливки;
плавление сплава вести с максимальной скоростью, чтобы избежать насыщения металла газами.
Каждую плавку подвергают химическому анализу на содержание всех легирующих добавок и примесей. Использование предварительных сплавов с известным химическим составом существенно упрощает получение рабочих сплавов. Если состав предварительного сплава будет отличается от заданного, то его можно легко откорректировать при последующем переплаве.
В цехах, где нет оборудования для проведения экспресс-анализа спектральным методом, результаты химического анализа получают не ранее, чем через 2 дня. Если выплавлять сразу рабочий сплав, то отливки из него до получения результатов должны лежать на складе. Кроме того, вся партия отливок может быть забракована из-за несоответствия химического состава.
Чушки предварительного сплава должны иметь чистую и светлую поверхность и мелкозернистый излом без шлаковых и флюсовых включений.
Наиболее часто предварительные сплавы используют при получении отливок из многокомпонентных сплавов и сплавов, в которых содержание легирующих добавок ограничено узкими пределами, как, например, в сплавах системы алюминий-магний. При плавке таких сплавов велика опасность получения рабочего сплава с отклонениями по химическому составу.

Вопросы для самоконтроля

Что такое лигатура?
Для чего применяют лигатуры? Виды лигатур?
В какой форме поставляют лигатуры?
Для чего готовят предварительные чушковые сплавы?

ПЛАВКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Отливки из алюминиевых сплавов занимают ведущее положение в цветном литье. Их доля в общем выпуске отливок из цветных сплавов достигает 75 %. В связи с этим при разработке технологии плавки алюминиевых сплавов необходимо добиваться максимальной экономичности процессов, снижения затрат металла, труда и энергии на тонну годных отливок.
Развитие технологии плавки и литья алюминиевых сплавов проводится с учетом физико-химических особенностей взаимодействия всех твердых, жидких и газообразных фаз, участвующих в процессе плавки.
3.1. Физико-химические особенности плавки
Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см3 )и невысокую температуру плавления (660 оС).
Из физических свойств алюминия следует отметить высокие теплоемкость, теплопроводность и скрытую теплоту плавления. В связи с этим плавление алюминия и его сплавов является довольно энергозатратной операцией. Количество теплоты, необходимой для нагрева и расплавления 1 кг алюминия (660 оС) сопоставимо с теплотой, затрачиваемой на расплавление такого же количества чугуна (1250 оС). Малое удельное электросопротивление алюминия уменьшает тепловой КПД индукционных печей.
Процесс плавления алюминиевых сплавов ускоряется при погружении щихты в расплав, когда одновременно с прогревом шихты идет ее растворение в расплаве. Трудность растворения в алюминии других более тугоплавких элементов вызывает необходимость использования лигатур.
Главные сложности при плавке вызывает повышенная химическая активность алюминия, особенно высокое сродство к кислороду. Алюминий и его сплавы склонны к взаимодействию с газами печной атмосферы, огнеупорными материалами и флюсами.
При плавке на воздухе алюминиевые сплавы окисляются, и на поверхности твердого и жидкого алюминия образуется плотная, прочная пленка А1203 толщиной от 0,1 до 10 мкм в зависимости от времени и температуры. Основными окислителями являются кислород воздуха и пары воды.
Кинетика дальнейшего взаимодействия будет зависеть от соотношения объемов оксида (Vмео) и металла (Vме), израсходованного на его образование. Ниже приведены указанные соотношения для некоторых металлов:

Оксид
MgО
Al2О3
BeО
ZnО
Fe2O3
Fe3O4


Vмео/Vме
0,75
1,14
1,67
1,46
2,14
2,09

Если объем оксида меньше объема металла (Vмео/Vме <1) то оксидный слой будет неплотным, рыхлым, способным свободно пропускать газ к поверхности металла. Взаимодействие кислорода с таким металлом (Mg) будет проходить с постоянной скоростью или даже усиливаться. Если объем оксида больше объема металла (Vмео/Vме >1), то оксидная пленка становится плотной и при определенной толщине доступ кислорода в зону реакции прекращается. На поверхности алюминия и алюминиевых сплавов образуются именно такие защитные оксидные пленки.
Большинство легирующих элементов (Cu, Si, Mn) не оказывают существенного влияния на процесс окисления и защитные свойства окисной плены. При обычных концентрациях этих элементов в сплавах окисная плена состоит только из А1203 .Окисляемость увеличивается под влиянием щелочных и щелочноземельных металлов (K, Na, Li, Ca, Sr, Mg) и Zn. С их участием образуются рыхлые оксидные плены. Так при содержании Mg более 1 % окисная плена почти полностью состоит из MgО, которая не обладает защитными свойствами. Бериллий и лантан (до 0,01 %) снижают окисляемость таких сплавов. Снизить окисляемость алюминия можно и путем добавления в атмосферу (до 0,1 %) газообразных фтористых соединений SiF4, BF3, SiF6 и др. Фториды адсорбируются на поверхности оксидной плены и уменьшают скорость проникновения кислорода к металлу.
Введение в расплав дополнительных порций шихты, перемешивание расплава в процессе плавки, забор сплава ковшом при разливке нарушают сплошность защитной оксидной пленки. Она неизбежно замешивается в расплав, и длительное время находится во взвешенном состоянии, а на ее месте появляется новая.
Алюминий является хорошим восстановителем для окислов большинства металлов, что затрудняет выбор огнеупорного материала для футеровки плавильных печей. Из-за восстанавливающего действия алюминия по отношению к материалам плавки и футеровки окислы образуются и в объеме сплава. Наиболее существенное влияние на степень загрязнения расплава оксидами оказывает поверхностная окисленность шихтовых материалов. Чем мельче шихта, тем больше удельная поверхность шихты и выше степень загрязнения сплава оксидами.
Кроме кислорода алюминий может вступать в химическое взаимодействие с азотом и углеродом с образованием нитридов и карбидов. Таким образом, кроме оксидов А1203 и MgО в расплаве могут находиться нитриды алюминия, магния и титана (AlN, TiN, Mg3N2) и карбид Al4C3. Эти соединения встречаются в расплаве в виде дисперсных частиц с размерами 0,03 – 0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему. Несмотря на разность в плотностях они очень медленно отделяются от расплава. Окисные плены более крупные с толщиной 0,1 – 1,0 мкм, и протяженностью до нескольких мм. При выстаивании сплава крупные включения должны оседать на дно или всплывать на поверхность, но этот процесс протекает медленно. Таким образом, при заполнении форм алюминиевым расплавом всегда велика вероятность попадания в отливку плен и мелкодисперсных неметаллических включений. Это приводит к образованию несплошностей, снижению механических свойств и появлению очагов коррозии.
Расплавленный алюминий и алюминиевые сплавы растворяют водород, содержание которого может достигать до 1,0 – 1,5 см3/100 г.
Содержание газа в металле может быть выражено в процентах по массе, в атомных процентах, а также объемом водорода, растворенного в 100 г металла (см3/100 г). В последнем случае предполагается, что весь растворенный водород выделен из раствора и находится в молекулярном состоянии при нормальных условиях: Рн2 = 105 Па, Т = 273,15 К. Пересчет единиц измерения производится с учетом закона Авогадро, согласно которому в нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22 413 см3. Масса 1моля водорода 2 г. Таким образом, если содержание водорода составляет 0,0001 % по массе, то в 100 г металла будет 0,0001 г водорода. Его объем х можно найти из пропорции: 2 : 22 413 = 0,0001 : х . Отсюда находим х = 1,12 см3 , т.е. 1 см3/100 г ( 0,0001 %.
Основным источником водорода являются пары воды, парциальное давление которых в атмосфере печи может достигать 8 – 16 кПа. При контакте расплавленного алюминия с влагой протекает реакция:

2 Al + 3 Н2О = Al2О3 + 6 [ H ] Ме.

Водород в атомарном виде растворяется в металле, а кислород образует оксид, нерастворимый в расплаве.
Влага содержится в шихтовых материалах, подлежащих плавке, во флюсах, в свежей футеровке печей и ковшей, адсорбируется на плавильном инструменте. Оксидная плена на шихтовых материалах, хранившихся во влажных помещениях, содержит гидрооксид алюминия Аl(OH)3. Химически связанная влага плохо удаляется с поверхности шихтовых материалов даже при 900 оС. В связи с этим необходимо хранить отходы и возвраты таким образом, чтобы исключить их окисление и коррозию. Мелкие отходы с развитой поверхностью желательно подвергать предварительному переплаву. Углеводороды жидкого и газообразного топлива, например, метан, также служат источником поступления водорода к расплаву.
Как известно, влияние растворенного водорода на качество отливки оценивается не по его количеству в жидком металле, а по так называемому коэффициенту потенциального перенасыщения металла водородом при кристаллизации n, который определяется из соотношения:

n = (H Ме.ж–HМе.тв) / HМе.тв.

Чем больше численное значение этого коэффициента, тем больше склонность металла к образованию газовых дефектов из-за уменьшения растворимости газа при затвердевании. В алюминии растворимость водорода меньше, чем в других металлах Несмотря на это алюминий наиболее подвержен образованию газовой пористости, так как у него самое большое значение коэффициента потенциального перенасыщения (n = 13). В твердом алюминии растворимость водорода всего лишь 0,05 см3/100 г, поэтому он будет выделяться из жидкого раствора более интенсивно, чем из других металлов.
Взаимодействие водорода не с чистым алюминием, а со сплавами на его основе, определяется их составом. Если в сплав входят компоненты, обладающие большей растворимостью газа, чем у основы, то растворимость газа в сплаве будет возрастать и наоборот. Так, например, в алюминиевых сплавах, содержащих магний растворимость водорода больше, чем в алюминии или в сплавах алюминия с медью.
Перечисленные особенности алюминиевых сплавов указывают на необходимость защиты расплава от контакта с атмосферой и проведения тщательного рафинирования или дегазации расплава.

3.2. Технологические особенности плавки

Знание перечисленных физико-химических особенностей алюминия позволяет составить общую схему технологического процесса плавки: выбрать плавильный агрегат, шихтовые материалы, способы рафинирования и модифицирования расплава, установить температурный режим плавки

3.2.1. Печи для плавки алюминиевых сплавов

Выбор типа печей осуществляется в зависимости от масштабов производства, характера литья (требований к качеству отливки) и энергетических возможностей. Плавка алюминиевых сплавов может производиться в разнообразных электрических и топливных печах.
Топливные печи могут быть тигельными, отражательными и шахтно-ванными. Наибольшее применение для алюминиевых сплавов нашли тигельные и ванные печи на газовом и жидком топливе.
При небольших объемах производства удобно использовать тигельные поворотные печи с мазутным или газовым обогревом. В них можно легко перейти от приготовления одного сплава к другому, провести рафинирование и модифицирование. В этих печах происходит минимальный угар металла (0,5 – 1,0 %). К недостаткам можно отнести малый тепловой кпд и необходимость частой замены тиглей. Тигельные топливные печи (рис. 10) состоят из следующих элементов: металлического корпуса 1, горелок или форсунок 2 и плавильного тигля 3. Корпус печи защищен теплоизоляционным слоем и огнеупорной кладкой. Над печью устанавливают вытяжной зонт для отвода дымовых газов. Для слива металла корпус имеет ручное поворотное устройство.
Тигельные топливные печи также применяют для плавки магниевых, медных, цинковых и других сплавов.
Из электрических печей для плавки алюминиевых сплавов подходят тигельные или отражательные печи электросопротивления) и индукционные печи.
Тигельные печи сопротивления типа САТ (рис. 11, а) используют для плавки небольших количеств (до 250 кг) алюминиевых сплавов. Чаще всего их применяют в качестве плавильно-раздаточных для поддержания температуры металла во время разливки по формам. Нагреватели печей САТ изготовляют из нихромовой проволоки.
В камерных отражательных печах типа САК (рис. 11,б) емкостью до 650 кг нагревательные элементы из нихрома или карборунда установлены в своде печи. Разбор металла производится через рабочее окно. Шихта загружается с противоположной стороны.


Рис. 10. Поворотная тигельная печь

Электропечи типа САН (рис. 11,в) наиболее металлоемкие (до 3000 кг). Они имеют механизм наклона для слива металла через сливной носок. Нагреватели изготовляют из нихромовой проволоки. Эти печи отличаются большой производительностью. Их экономически выгодно использовать при крупносерийном и массовом производстве, а также при переплаве отходов. Доводку и рафинирование сплавов осуществляют в раздаточных печах малой емкости.
Наиболее прогрессивным способом плавки алюминиевых сплавов в литейных цехах с серийным производством является индукционный нагрев токами промышленной, средней и высокой частоты. Для алюминиевых сплавов наиболее подходят открытые индукционные тигельные печи. Они имеют следующие преимущества:
высокая производительность;
интенсивная циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая выравнивание температуры и химического состава по всему объему ванны;
возможность проведения плавки при любом давлении (от атмосферного до вакуума) и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной или нейтральной);
простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процессом плавки;
хорошие санитарно – гигиенические условия труда.

Рис. 11. Электрические печи сопротивления для плавки алюминиевых сплавов: а – тигельная печь типа САТ; б – отражательная печь типа САК; в – отражательная печь типа САН; 1 – термопара; 2 – крышка; 3 – нагреватели; 4 – тигель; 5 – вытяжной зонт

В настоящее время ряд специализированных отечественных и зарубежных фирм поставляет комплектные индукционные плавильные установки (УИП). Так отечественная группа компаний РЭЛТЕК поставляет установки в состав которых входят: одна или две индукционные плавильные печи (ППИ), двухконтурная станция охлаждения индуктора с ионно-обменным фильтром, пульт дистанционного управления, гидропривод поворота печи, системы контроля футеровки тигля и охлаждающей воды.
Если в состав УИП входит одна печь, то комплект электрооборудования (рис. 12) включает в себя: устройство ввода высокого напряжения (УВН), силовой трансформатор (Тр), тиристорный преобразователь частоты (ТПЧП) и блок компенсирующих конденсаторов (БК).




























Рис. 12. Схемы комплектования электрооборудования индукционных плавильных печей

Для более гибкого снабжения литейного цеха жидким металлом, повышения коэффициента использования печей и повышения производительности можно реализовать двухпостовую тандемную схему плавки. В этом случае в состав УИП входят две печи. Возможны три варианта электроснабжения тандемной плавки. Наиболее простой из них предусматривает один ТПЧП и дополнительное силовое переключающее устройство (СПУ). Когда в одной печи подготовлен расплав, то электроснабжение переключается на вторую печь. Такая система способствует снижению простоя УИП, производительность возрастает незначительно.
Более производительная работа УИП достигается при наличии второго ТПЧП малой мощности не более 10 % основного канала или при использовании двухэнергоканальных преобразователей частоты, которые дополнительно включают в себя дроссели (ДР) и инверторы (И).
Современные УИП позволяют автоматизировать процесс плавки и вести статистическую обработку параметров процесса плавки. С этой целью предусмотрена возможность постоянного точного взвешивания расплава в печи на любой стадии работы, а значит, регулировать химический состав и осуществлять учет загружаемой шихты и слитого металла.
Печи, входящие в состав УИП, могут иметь емкость от нескольких килограммов до нескольких тонн. Независимо от емкости индукционные тигельные печи имеют одинаковые конструктивные узлы и отличаются мощностью электрооборудования и производительностью. На рис. 13 показана печь ИАТ – 2,5 емкостью 2,5 т.
В связи с высокой химической активностью алюминиевого расплава большое значение уделяется материалам для футеровки и тиглей.
Футеровку отражательных печей выполняют из магнезита или шамота. Для уменьшения взаимодействия с расплавом футеровку покрывают обмазкой из флюса (23 - 25 % Na3AlF6, 20 – 27 % B2O3, ост. NaCl), смешанного с жидкой глиной. Обмазку прокаливают при 900 – 950 оС.
Тигли для плавки алюминиевых сплавов изготовляют из серого или легированного чугуна. Можно использовать и графитошамотные тигли, предназначенные для плавки меди и медных сплавов. Их емкость от 0,5 до 500 марок. Условная единица емкости – марка, показывает объем, занимаемый 1 кг расплавленной меди. Зная плотности меди и сплава, можно определить массу сплава в тигле.




Рис.13. Индукционная тигельная печь ИАТ – 2,5 для плавки алюминиевых сплавов: 1 – магнитопроводы; 2 – индуктор; 3 – набивной тигель; 4 – каркас печи; 5 – рабочая площадка; 6 – сливной носок; 7 – ось поворотного устройства

Для защиты от насыщения расплава железом рабочие поверхности литых чугунных тиглей покрывают защитными огнеупорными обмазками, а весь плавильный инструмент – огнеупорными красками.
Для чугунных тиглей применяют обмазку, состоящую из (%, по массе): 17 – графита; 18 – огнеупорной глины; 5 – жидкого стекла и 60 – воды. Обмазку наносят слоем толщиной не менее 5 мм
В состав красок для инструмента входят мел, оксид цинка, огнеупорная глина, тальк, коллоидный графит и другие вещества. Чаще всего используют краску, состоящую из 50 частей (по массе) отмученного мела, 50 ч оксида цинка, 5 ч жидкого стекла, 100 ч воды или краску из 32,5 ч отмученного мела или окиси цинка, 1,5 ч жидкого стекла и 66 ч воды. Краску наносят на подогретые до 90 – 150 оС поверхности при помощи распылителя или кистью.
Футеровку индукционных тигельных печей для алюминиевых сплавов рекомендуется выполнять набивкой из жаростойких бетонов. Хорошо зарекомендовали себя бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием. Они имеют следующий состав, %: 28,8 - тонкомолотый магнезит; 25,0 - шамотная крошка размером 0,15 – 0,50 мм; 30,0 – шамотная крошка размером 5 – 10 мм; 15 – жидкое стекло с плотностью 1,36 – 1,38 и 1,2 – кремнефтористый натрий. Высокую прочность жаропрочный бетон приобретает после обжига при температуре выше 800 оС.

3.2.2. Выбор и подготовка шихтовых материалов

В качестве исходных шихтовых материалов применяют первичные и вторичные металлы и сплавы, лигатуры, возврат и отходы. Соотношение этих материалов зависит от назначения отливок. Чем выше требования к их качеству, тем больше доля первичных материалов. Основное внимание обращается на содержание примесей. Для рядовых отливок обычно используют первичный алюминий технической чистоты марок от А0 до А85. Для отливок ответственного назначения – алюминий высокой чистоты А99 или А995. Для введения всех легирующих добавок необходимо использовать лигатуры, состав которых приведен в табл. 2. В чистом виде можно вводить только цинк марок Ц1, Ц2 и магний марок Мг90, Мг95, Мг96, температура плавления которых ниже чем у чистого алюминия. При необходимости можно заказать любой первичный алюминиевый сплав с заданным содержанием примесей. Самые дешевые составляющие шихты – вторичные чушковые сплавы и собственные отходы.
Шихтовые материалы для плавки алюминиевых сплавов, а также флюсы, рафинирующие и модифицирующие материалы должны храниться в специально оборудованном сухом помещении – складе шихтовых материалов раздельно по маркам. Собственные отходы и возврат очищают от песка в очистных устройствах вместе с отливками и маркируют клеймом плавки или красками. Мелкие отходы и стружку, а также отходы, загрязненные маслом и эмульсией, необходимо переплавлять и хранить в виде маркированных чушек.
Все компоненты шихты перед загрузкой в расплавленный металл должны быть нагреты до 150 – 200 оС на борту печи во избежание выбросов металла.

3.2.3. Защита от окисления и насыщения газами

Для предохранения от окисления и насыщения водородом можно вести плавку в вакууме, под защитной атмосферой инертных или нейтральных газов, в воздушной среде, содержащей фториды, и под покровными флюсами. Если при плавлении приоритет отдается защите от насыщения водородом, то применяют плавку под слабоокислительной атмосферой. В производственных условиях наиболее распространена защита расплава покровными флюсами из смеси хлоридов и фторидов натрия, калия, кальция и магния. Состав некоторых покровных флюсов приведен в табл. 8.

Таблица 8.
Состав покровных флюсов для плавки алюминиевых сплавов

Номер
флюса
Содержание компонентов, %
Область применения

1
45 NaCl, 55 KCl
Для большинства сплавов, кроме алюминиево-магниевых

2
37 NaCl, 50 KCl, 6,6 Na3AlF6,6,4 CaF2
То же

3
42-46 NaCl, 43-47 KCL,7-15 Na3AlF6
Для деформируемых сплавов, кроме алюминиево-магниевых

4
100 MgCl2(KCl
Для алюминиево-магниевых сплавов

5
85 MgCl2(KCl, 15 CaF2
То же

6
85 MgCl2(KCl, 15 MgF2
То же


Флюс номер 1 имеет температуру плавления 650 оС, хорошо смачивает поверхность расплава и оксиды алюминия. Расход флюса 1 – 2 % от массы шихты. Его всегда используют при плавке в отражательных печах. При больших скоростях плавления в тигельных печах покровный флюс можно не применять.
Для сплавов, содержащих магний, применяют флюсы на основе карналлита (MgCl2(KCl), которые смачивают оксид магния.
Несмотря на меры предосторожности, расплав в той или иной степени загрязняется металлическими и неметаллическими включениями и насыщается водородом. Для получения качественных отливок его необходимо рафинировать.

3.2.4. Рафинирование алюминиевых сплавов.

Очистка алюминиевых сплавов от различных включений и водорода может быть проведена отстаиванием расплава, продувкой инертными и активными газами, обработкой хлористыми солями и флюсами, вакуумированием и фильтрацией.
Отстаивание основано на всплывании или осаждении включений за счет различия в плотности с расплавом. Эта разница невелика, невелика и эффективность данного метода. Даже при длительной выдержке удаляются только крупные частицы. Если выдерживать расплав в выключенной печи и охладить расплав до температуры плавления (произвести вымораживание расплава) то можно частично удалить растворенный водород.
Продувка расплавов газами сопровождается диффузией растворенного газа (водорода) в пузырьки продуваемого газа и флотирующим действием пузырьков по отношению к некоторым включениям. Используют инертные (аргон, гелий) или нейтральные газы (азот) и активный газ – хлор или смесь азота с хлором. Для алюминиевых сплавов обычно выбирают более дешевый азот. При температурах до 800 °С, азот не вступает во взаимодействие с расплавленным алюминием, т.е. является нейтральным газом по отношению к алюминию. При более высоких температурах образуются нитриды алюминия.
Механизм рафинирования продувкой инертными или нейтральными газами, в частности азотом, приведен на рис. 14. Газ можно подавать в расплав при помощи керамических (или футерованных металлических) трубок с пористыми наконечниками (рис. 14, а) в плавильный тигель или разливочный ковш, а также через пористые керамические вставки, смонтированные в дно ковша (рис. 14, б). Трубку с газом необходимо перемещать по всему объему расплава. Газ поступает из баллона через редуктор. Давление газа увеличивают постепенно до появления легкого бурления над расплавом. В систему подачи газа должен быть встроен осушитель, наполненный гранулами силикагеля.















Рис. 14. Способы продувки расплава азотом через трубку с пористым наконечником (а) и через пористую вставку (б): 1 – тигель (ковш); 2 – трубка; 3 – пористая вставка; 4 – пористая вставка; 5 – кожух для подачи газа

На рис. 15 показано распределение парциальных давлений в поднимающемся пузырьке азота. Так как парциальное давление водорода во вновь образованном пузырьке равно нулю, то начинается диффузия растворенного в расплаве водорода в этот пузырек, несмотря на то, что давление азота в нем больше атмосферного (иначе он не будет всплывать). Растворенный газ будет переходить из расплава в пузырек до тех пор, пока не наступит равновесие между газовой фазой и расплавом – раствором. Чем больше суммарная поверхность пузырьков инертного газа (меньше размер пузырьков), тем выше скорость дегазации. Этим объясняется использование при продувке пористых материалов с диаметром пор не более 0,1 – 0,5 мм.
Всплывающие газовые пузырьки всегда оказывают флотирующий эффект по отношению к неметаллическим включениям, которые плохо смачиваются расплавом (являются гидрофобными телами). Пузырьки «прилипают» к поверхности включений. Этот процесс энергетически выгоден. В результате в расплаве образуются целые агрегаты из пузырьков газа и неметаллических включений, (рис. 16). В агрегате может быть один пузырек и одна или несколько частиц, а может быть несколько пузырьков и одна или несколько частиц. Как только суммарная плотность такого агрегата станет меньше плотности расплава, он поднимется на поверхность и перейдет в шлак.

















Рис. 15. Парциальные давления газов в всплывающем пузырьке азота

















Рис. 16. Агрегаты неметаллических включений и газовых пузырьков


Высокие результаты достигаются при продувке активным хлором. Пузырьки хлора, введенного в расплав, в первую очередь взаимодействуют с алюминием по реакции:

2 Al + 3 Cl2 = 2 AlCl3

Хлористый алюминий (температура кипения 180 оС) мгновенно превращается в пар и образует дополнительные газовые пузырьки. Часть хлора вступает в реакцию с растворенным водородом:

Cl2 + 2 Н = 2 НCl

Хлористый водород также находится в парообразном состоянии. Пузырьки AlCl3 и НCl будут всплывать на поверхность. Так как парциальное давление водорода в них в начальный момент равно нулю, то водород, растворенный в металле, вследствие разности парциальных давлений будет диффундировать в пузырьки рафинирующих газов. Так же, как и при использовании инертного или нейтрального газа, этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не сравняются парциальные давления водорода в расплаве и в газовом пузырьке.
Если на пути газовых пузырьков встретятся твердые частицы, смачиваемые газом, то они также будут всплывать на поверхность расплава.
Расход хлора 0,3 – 0,5 м3 на тонну сплава, длительность продувки при 710 – 730 °С может составлять 10 – 12 мин. Давление хлора поддерживают на уровне 0,11 – 0,12 МПа, при котором наблюдается легкое бурление на поверхности расплава. Обработку хлором проводят в герметичных камерах или в ковшах с крышкой, соединенной с вентиляционной системой.
Хлор - токсичный газ, поэтому необходимо тщательно соблюдать меры по охране труда. По этой причине продувка хлором в настоящее время практически не применяется на производстве.
Продувку азотом или аргоном ведут при 720 – 730 °С в течение 5-20 мин. Расход этих газов составляет 0,5 – 1,0 м3 на тонну сплава. Эффективность метода возрастает, если продувку вести через пористые керамические вставки. Чем меньше размеры пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение по объему расплава, тем чище расплав.
Продувку расплава газами целесообразнее проводить при плавке в тигельных печах. В отражательных печах глубина ванны мала и пузырьки всплывают очень быстро.
Обработка хлористыми слоями сопровождается протеканием обменных, реакций с расплавом. Применят хлористые цинк и марганец (0,05-0,2 % при температуре 700 – 730 °С), гексахлорэтан С2Cl6 (0,3 – 0,7 % при температуре 740 – 750 °С), а также TiCl4, и другие хлориды. При протекании реакций

3 TiCl4 + 4 Al = 4 AlCl3 + 3 Ti

3ZnCl2 + 2 Al = 2 AlCl3 + 3 Zn

3MnCl2 + 2 Al 2 AlCl3 + 3 Mn

образуются газообразные продукты реакции (AlCl3), которые оказывают рафинирующее действие, как при продувке газами.
Хлористые неорганические соли обладают высокой гигроскопичностью. Для удаления влаги соли подвергают сушке (МnС12) или переплавляют (ZnСl2) и вводят в расплав при помощи колокольчика в несколько приемов. После обработки расплав выстаивают 10-15 мин. Подготовленные соли после переплава или сушки необходимо хранить в термостате при 120 – 150 °С. Металлы, восстановленные из солей, остаются в расплаве. Некоторые из них полезны и могут играть роль модификаторов, но для ряда сплавов могут оказаться вредными примесями.
Органические хлориды, и в первую очередь гексахлорэтан, отличаются пониженной гигроскопичностью, недефицитны и обладают хорошей дегазирующей способностью. Гексахлорэтан С2Cl6 (бесцветное кристаллическое вещество с температурой возгонки 187 °С и плотностью 2,1 г/см3) постепенно вытесняет другие соли. При взаимодействии с расплавленным алюминием образуются два газообразных продукта:

3 C2Cl6 + 2 Al = 3 C2Cl4 + 2 AlCl3.

Тетрахлорэтилен (C2Cl4) вскипает при 121 С и вместе с AlCl3 оказывает рафинирующее действие. Если в сплаве содержится магний, то рафинирующее действие солей снижается из-за протекания реакции

3 Mg + 2 AlCl3 = 2 Al + 3 MgCl2

и образования жидкого хлористого магния.
В настоящее время на основе гексахлорэтана производится препарат «Дегазер» в виде таблеток в вакуумной упаковке. Для увеличения плотности в препарат добавлен хлористый барий (10 %), поэтому таблетки опускаются на дно, увеличивая объем обрабатываемого расплава.
Общим недостатком всех адсорбционных методов рафинирования является то, что они не могут охватить весь объем расплава и очищают только те участки расплава, через которые проходит адсорбент.
Обработка рафинирующими флюсами является более универсальным и эффективным методом рафинирования алюминиевых сплавов, чем продувка газами и обработка солями.
В основу этого метода рафинирования положено физико-химическое взаимодействие между флюсом и примесями, а именно способность флюса адсорбировать и растворять неметаллические примеси или химически связывать их в прочные соединения, которые легче удаляются из расплава в виде шлака. Главную роль играют поверхностные явления. Включения переходят во флюс под действием межфазных сил. Такими свойствами обладают флюсы на основе хлористых и фтористых солей с содержанием не менее 10 % фторидов (NaF, CaF2, Na3AlF6, Na2SiF6 и др.) Составы основных рафинирующих флюсов приведены в табл. 9.

Таблица 9
Составы рафинирующих и универсальных флюсов для плавки алюминиевых сплавов

Номер
флюса
Содержание компонентов, %
Область применения

1
2
47 KCl; 30 NaCl; 23 Na3AlF6
Рафинирующие флюсы для всех сплавов без магния


35 KCl; 50 NaCl; 15 Na2SiF6


3
4
5
6
7
8
9
60 MgCl2(KCl; 40 KF
80 MgCl2 KCl; 12 – 15 KCl; 5 – 8 BaCl2
80 MgCl2(KCl; 20 CaF2
85 MgCl2(KCl; 15 MgF2
90 MgCl2(KCl; 10 K3AlF6
90 MgCl2(KCl; 10 KF
90 MgCl2(KCl; 10 AlF3
Рафинирующие флюсы для алюминиево-магниевых сплавов

10
11
12
13
11,5 KCl; 56,5 NaCl; 25 NaF;7 Na3AlF6
10 KCl; 50 NaCl; 10 Na3AlF6; 30 NaF
45 NaCl; 15 Na3AlF6; 40 NaF
40 KCl; 35 NaCl; 10 NaF
Универсальные (рафинирующие и моди-фицирующие) флюсы для силуминов


Для алюминиевых сплавов применяют преимущественно верхнее флюсование и флюсование по всему объему. Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5-1,0 % от массы металла засыпают на поверхность и энергично замешивают в расплав при температуре 700-750 °С в течение 3-5 мин. Затем шлак снимают и дают сплаву отстояться 10-15 мин. После повторного снятия шлака металл готов к разливке. Целесообразнее вводить флюсы при помощи "колокольчика", который перемещают по всему объему тигля до полного расплавления флюсов и прекращения взаимодействия с расплавом (прекращения бурления металла).
Флюс № 1 используют для рафинирования деформируемых сплавов, а флюсы № 2 и №13 для рафинирования литейных силуминов. Для сплавов системы Al – Mg применяют рафинирующие флюсы № 3 – 9 на основе карналлита.
Для ускорения процесса рафинирования и повышения его эффективности флюсы лучше использовать в жидком виде. С этой целью их расплавляют в отдельной флюсовой печи.
Вакуумирование является одним из наиболее надежных способов дегазации металлических расплавов. Ковш с расплавом помещают в вакуумную камеру и выдерживают при остаточном давлении 13,3 – 133 Па в течение 10-15 мин. Схема процесса вакуумирования представлена на рис. 17. В вакуумной камере 1 установлена печь 3 с газовым обогревом, в которую устанавливается тигель 2 с расплавленным металлом. Расплав перегревают на 40 – 50 °С, убирают газовую горелку 5 и закрывают камеру крышкой. При помощи ресивера 8 в камере быстро (1 – 2 мин) создается необходимое разрежение. Из ресивера воздух предварительно откачивают вакуумным насосом 6. Остаточное давление в ресивере, а потом и в камере контролируют при помощи вакуумметров 7.


Рис. 17. Схема установки для вакуумирования алюминиевых расплавов

Фильтрация расплавов в настоящее время стала неотъемлемой частью технологического процесса плавки и разливки алюминиевых сплавов на всех предприятиях. Применяют сетчатые, зернистые и пористые керамические фильтры.
Сетчатые фильтры изготовляют из стеклоткани или металлосетки с размерами ячеек от 0,5 Ч 0,5 мм до 1,5 Ч 1,5 мм. Фильтры отделяют те включения, размер которых больше ячейки сетки. Их применение позволяет в 1,5 – 2 раза снизить содержание крупных включений и пленок. Но они не оказывают влияния на содержание мелкодисперсных включений и водорода. Обычно их устанавливают по разъему формы под стояком.
Значительно эффективнее зернистые фильтры. Их получают из крошки шамота, магнезита, алунда, кремнезема, сплавов хлористых и фтористых солей (рафинирующих флюсов) и других материалов. Полнота удаления взвешенных неметаллических включений зависит от природы материала фильтра, диаметра и длины межзеренных каналов. Очистка обусловлена механическими и адгезионными процессами. Фильтры из крошки переплавленных флюсов называют активными. За счет адгезионных процессов они позволяют отделить до 40 % тонкодисперсных взвесей и на 10 – 20 % снизить содержание водорода в сплавах, прошедших рафинирование флюсами.
Зернистые фильтры, как и сетчатые, устанавливают на пути заливаемого в форму металла. Средний размер зерен фильтрующего материала от 4 до 15 мм в поперечнике, а высота слоя 100 – 150 мм. Располагают зернистые фильтры в раздаточном тигле, в стояке или в литниковой чаше. Заливку ведут таким образом, чтобы фильтр был закрыт слоем расплава 10 – 15 мм. Зернистые фильтры рекомендуется нагревать до 700 – 720 °С. Это позволяет удалить адсорбированную влагу и предотвратить замораживание металла в тонких каналах. Существенное влияние на полноту отделения включений и плен оказывает скорость течения расплава по межзеренным каналам фильтров. При большой скорости течения уменьшается возможность осаждения включений и увеличивается вероятность смыва уже осевших частиц.
Насыпные зернистые фильтры не всегда обеспечивают стабильность процесса очистки расплава. При случайном расположении между крупными зернами могут образоваться каналы большого сечения. Этих недостатков лишены современные объемные пористые керамические фильтры любой формы (рис. 18) с любым заданным сечением каналов. Их изготовляют из Al2O3, SiO2, ZrO2 и других материалов. Фильтры могут поставляться в виде крупных блоков или фасонных изделий любой формы по требованию заказчика

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
а
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
б


Рис. 18. Пенокерамические фильтры для фильтрации металлических расплавов: а – форма фильтров, б – структура фильтра

Пенокерамические фильтры можно установить в любой части литниковой системы.
Фильтры из муллитокорундовой керамики производства Минского института порошковой металлургии имеют следующие характеристики:
открытая пористость..
75-85%

предел прочности при изгибе
1-5 МПа

максимальная рабочая температура .....
1550oC

средний размер пор
1-5 мм;

вязкостный коэффициент проницаемости ..
10-9-10-8 м2

максимальный линейный размер.
180 мм

толщина
10-25 мм


Эффективность их использования рассмотрим на примере фильтрации эвтектического поршневого сплава АК12ММгН:

Характеристики металла
без очистки
с очисткой

Предел прочности при растяжении, МПа
140-145
165-170

Содержание неметаллических включений, мм2/см2
0.20-0.25
0.05-0.06

Балл пористости
3
1



Модифицирование алюминиевых сплавов

Из всех групп алюминиевых литейных сплавов в первую очередь требуют модифицирования силумины. Доэвтектические и эвтектические сплавы (АК12, АК9, АК7, АК12ММгН, и др.) для измельчения выделений эвтектического кремния модифицируют натрием, стронцием, иттрием, сурьмой. Для заэвтектических силуминов (
·13 % Si.) применяют фосфор. Большинство деформируемых сплавов и литейные сплавы системы Al – Mg модифицируют тугоплавкими элементами (Тi, B, Zr, Y и др.). Состав некоторых модификаторов и режимы обработки приведены в табл. 10.
Алюминий и деформируемые алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения макрозерна, чтобы облегчить последующую обработку давлением. Наиболее оптимальным вариантом является использование тройной лигатуры Al – Ti – В. Базовая лигатура содержит 5 % Ti и 1 % В. Для сплавов, выплавляемых из шихты с большим содержанием отходов, используют ее модификации с меньшим содержанием титана (3% Ti, 1% B и 3% Ti, 0,2% B). Лигатура может быть использована во всех типах плавильных агрегатов, разливочных ковшей и миксеров. Лигатурой можно обрабатывать как весь объем расплава в печи или ковше, так и вести обработку расплава в струе, потоке или кристаллизаторах.
Лигатура Al – Ti – В обеспечивает эффективное измельчение зерна алюминиевых сплавов за счет введения в расплав мелкодисперсных кристаллов диборида титана, служащих центрами кристаллизации. Ввод данной лигатуры приводит к улучшению механических свойств и уменьшению газовой пористости. Лигатура применима и для литейных сплавов. Лигатура поставляется в прутках (проволоки) диаметром 9,5 мм в бухтах или в слитках различного веса. Норма расхода уточняется технологом с учетом конкретных условий производства.
Эти же модифицирующие элементы могут быть внесены в расплав при помощи препарата Зернолит или модификатора № 6 (см. табл. 10), который оказывает дополнительное рафинирующее действие.
Силумины в производственных условиях чаще модифицируют солями натрия. Чистый натрий в производственных условиях уже не применяют из-за большого угара натрия и опасности газонасыщения (натрий содержит много водорода). Различают двойные, тройные модификаторы и универсальные флюсы (соответственно модификаторы 6 – 9 в табл. 10). Тройной модификатор и универсальный флюс имеют меньшую температуру плавления и их вводят при более низкой температуре расплава, что улучшает технико-экономические показатели плавки и уменьшает неблагоприятные последствия перегрева. Обезвоженные модификаторы засыпают на поверхность расплава, и после оплавления замешивают на глубину 50 – 100 мм. В результате взаимодействия с расплавом выделяется натрий:
6NaF + Al = Na3АlF6 + 3Na,
который адсорбируется на границах растущих кристаллов кремния и затрудняет их рост. Вследствие этого наступает более глубокое переохлаждение, образуются новые центры кристаллизации и в итоге формируется мелкозернистая структура эвтектики. Металл под двойным модификатором выдерживают 12 – 15 мин, а под тройным 6 – 7 мин. После снятия шлака расплав должен быть разлит по формам в течение 25 – 30 мин. При большей выдержке эффект модифицирования постепенно пропадает из-за выгорания натрия. Малый срок сохранения эффекта модифицирования является главным недостатком натриевых модификаторов.
Хорошими модифицирующими свойствами в отношении эвтектики Al – Si. обладает стронций. Этот элемент выгорает медленнее, чем натрий и эффект модифицирования сохраняется до 5 часов. Вводят стронций в количестве 0,06 – 0,08 % в виде лигатуры алюминий–стронций (10 % Sr ).
К модификаторам длительного действия относятся также сурьма и иттрий (расход 0,15 – 0,3 %). Широкого распространения они пока не получили.
Заэвтектические силумины модифицируют фосфором (модификаторы 11 – 14, табл. 10), чтобы избежать выделения крупных кристаллов первичного кремния.

3.3. Технология плавки некоторых алюминиевых сплавов

Для обеспечения соответствия химического состава и свойств выплавляемых сплавов необходимо соблюдать определенную последовательность загрузки в печь шихтовых материалов. Для всех алюминиевых сплавов применимы следующие общие положения:
При проведении плавки на свежих чушковых металлах и лигатурах в первую очередь загружают алюминий, а затем растворяют лигатуры.
Если плавка ведется на предварительном чушковом сплаве или на чушковом силумине, то в первую очередь загружают и расплавляют чушковые сплавы, а затем подшихтовывают сплав расчетным количеством алюминия и лигатур.
Сильно угорающие элементы (магний, цинк) вводят в последнюю очередь.
Если шихта состоит из отходов и чушковых сплавов, то в первую очередь загружают в печь и расплавляют наибольшую составную часть шихты.
Если позволяют габариты печи, то вместе загружают те части шихты, которые имеют близкую температуру плавления, например, силумин, отходы, чистый алюминий.
Отходы перед плавкой должны быть подвергнуты поверхностной очистке от загрязнений, коррозионной пленки, влаги, масла, формовочных материалов и т.д.
Стружка употребляется в шихту только после предварительного переплава, рафинирования и разливки в чушки.
Соблюдение рекомендуемого порядка загрузки позволяет уменьшить угар различных элементов, ускорить процесс плавки и снизить максимальные температуры ведения плавки, что уменьшает насыщение расплава газами и неметаллическими включениями.
При составлении шихты в первую очередь необходимо стремиться к полному использованию собственных отходов и переплава стружки, если это не приведет к превышению допустимого содержания примесей. Бракованные отливки, крупные прибыли и литники (кроме брака по химическому составу) можно добавлять в шихту в неограниченном количестве. Переплав мелких отходов и стружки можно добавлять в шихту до 30 %.
Плавку сплавов повышенной чистоты (АК7пч, АК9пч) для отливок деталей с высокими требованиями по герметичности ведут только с использованием первичных шихтовых материалов.

3.3.1. Плавка силуминов

Эта наиболее представительная группа алюминиевых сплавов не вызывает особых технологических трудностей при плавке. Сплавы с большим количеством эвтектики (АК12, АК9, АК7) необходимо модифицировать. Медистые силумины с низким содержанием кремния (АК5М, АК6М2, АК5М4) можно готовить без проведения этой операции.
Сплав АК12 выплавляют с использованием чушковых силуминов (СИЛ00, СИЛ0, СИЛ1 или СИЛ2) и отходов (до 80 %). Шихту загружают в прогретый до темно-красного каления тигель, расплавляют, перемешивают и снимают шлак. При необходимости корректировки состава добавляют чистый алюминий. При температуре 720 – 730 оС производят рафинирование и модифицирование одним из универсальных флюсов (10 – 13, табл. 9). Если нет силуминов, то сплав готовят из чушкового алюминия и лигатуры Al – Si. В этом случае в тигель вначале загружают чушки алюминия и отходы, а после их расплавления вводят лигатуру. Рафинируют и модифицируют сплав, как и в первом случае.
Если разливка сплава из раздаточной печи продолжается более 25 мин, то в качестве модификатора необходимо использовать лигатуру Al – Sr. В этом случае для рафинирования удобнее использовать препарат «Дегазер».
Сплавы АК13, АК9, АК8л, АК7 и их модификации дополнительно содержат марганец и магний. Марганец вводят лигатурой Al – Mn, а магний в чистом виде перед рафинированием.
Необходимо учитывать повышенный угар магния при плавке за счет взаимодействия с хлористыми солями или выгорания при длительном времени разливки. Если требуется повышенная прочность и твердость, то магний шихтуют по верхнему пределу, при повышенных требованиях к пластичности – по нижнему. Марганец в этих сплавах нейтрализует вредное влияние примесей железа. Если есть опасность насыщения этой примесью, то содержание марганца должно быть близким к верхнему пределу.
Сплавы (АК9пч) для отливок, к которым предъявляют повышенные требования по герметичности, готовят из первичного чушкового сплава АК9 с минимальным количеством отходов. Расплав защищают от взаимодействия покровным флюсом. Чтобы избежать газовой пористости в отливках расплав следует тщательно рафинировать универсальными флюсами. Хорошие результаты дает вакуумирование расплава и ультразвуковая обработка. Заливку ответственных

Таблица 10
Модификаторы для алюминиевых сплавов

Номер
Состав модификаторов, % (по массе)
Количество, % (по массе)
Тем-ра
процесса,
оС
Область применения



модификатора
модифицирую-щего элемента



1
2

3

4
Лигатура Al- Ti (2,5 Ti)
Лигатура Al- Ti В (5 Ti, 1 В)

Препарат Зернолит (55 K2TiF6, 27 KBF4, 15 C2Cl6, 3 K2SiF6)
Флюс (35 NaCl, 35 KCl, 20 K2TiF6, 10 KBF4)
1 – 3
1 – 2

0,2 – 0,5

0,5 – 1,0
0,05 – 0,15 Ti
0,05 – 0,15 Ti
0,01 – 0,02 B
0,01 – 0,02 B
0,05 – 0,1 Ti
0,01 -0,02 B
0,05 – 0,10 Ti



720 - 750
Для чистого алюминия и деформируемых сплавов

5
6
7
8
9
10
Металлический натрий
Флюс (67 NaF, 33 NaCl)
Флюс (62.5 NaCl, 25 NaF, 12.5 KCl)
Флюс(50 NaCl, 30 NaF, 10 KCl, 10 Na3AlF6)
Флюс (35 NaCl, 40 KCl, 10 NaF, 15 Na3AlF6)
Лигатура Al- Sr (10 Sr0
0,05 – 0,10
1,0 – 2,0
1,0 – 2,0
0,5 – 1,0
1,0 - 1.5
0,60 – 0,80
0,05 – 0,10 Na
0,05 – 0,10 Na
0,05 – 0,10 Na
0,05 – 0,10 Na
0,05 – 0,10 Na
0,06 – 0,08 Sr
750 – 780
780 – 810
730 – 750
720 – 750
740 – 760
750 – 780
Для доэвтектических силуминов

11
12
13

14
Лигатура Cu -P
Смесь (20 красного фосфора, 10 K2ZrF6, 70 KCl)
Смесь(58 K2ZrF6, 34 порошок алюминия, 8 красного фосфора)
Фосфороорганические вещества (трифенилфосфат, хлорофос)
0,5 – 1,0
1,5 – 2,0

0,3 – 0,4

0,4 – 0,6


0,05 - 0,10 Р
790 – 820
790 – 825

790 – 825

760 – 780
Для заэвтектических силуминов

крупногабаритных и массивных деталей следует производить в автоклавах при давлении 0,5 – 0,7 МПа.
Перед разливкой проверяют остаточное содержание растворенного водорода вакуум-пробой.
Медистые силумины (АК5М, АК6М2, АК5М4, АК8М и др.) плавят в такой же последовательности, как обычные силумины. Медь вводят лигатурой Al – Cu, чушковый магний или лигатуру Al – Mg в последнюю очередь. Расплав рафинируют флюсами с криолитом, нагревают до заданной температуры и разливают по формам.
Заэвтектический силумин АК21М2,5Н2,5 отличается порядком проведения модифицирования. Кроме того, такое высокое содержание кремния может быть достигнуто только с помощью лигатуры Al – Si, содержащей более 25 % Si.
Модифицирование проводят фосфором, который образует с алюминием фосфат, частицы которого служат центрами кристаллизации.
Если расплав модифицируют лигатурой Cu – P, то ее загружают в измельченном виде (куски не более 10 мм) вместе с металлической шихтой в количестве 0,05 – 1,0 %. Сплав перегревается до 790 – 820 оС, рафинируется гексахлорэтаном или препаратом «Дегазер» и разливается по формам.
При модифицировании флюсами, содержащими фосфор (№№ 12, 13 в табл. 10), расплав перегревают до 790 – 825 оС. Соли в количестве 1,5 – 2,0 % от массы шихты вводят при помощи колокольчика. После окончания модифицирования расплав перемешивается и рафинируется гексахлорэтаном или препаратом «Дегазер» и разливается по формам.

3.3.2. Плавка сплавов системы Al - Cu

Из этой системы в новом стандарте остался только сплав АМ5. Он отличается жесткими требованиями по содержанию примесей (не более 0,2 % Fe, 0,3 % Si, 0,05 % Mg). Готовить сплав следует из алюминия с низким содержанием алюминия. Удобно использовать тройную лигатуру Al–Cu–Mn с соотношением Cu:Mn = 6:1 и лигатуру Al–Ti, или даже четверную лигатуру Al–Cu–Mn–Ti. В шихте не рекомендуется использовать более 60 % возврата.
Для снижения склонности к образованию горячих трещин содержание меди должно быть ближе к верхнему пределу, а содержание марганца – ближе к нижнему. Расчет шихты рекомендуется вести исходя из получения состава : 5,0 % Cu, 0,8 % Mn и 0,3 % Ti.
Лигатуры вводят после расплавления основной части шихты. Время до разливки сплава после полного расплавления лигатуры не должно превышать 30 мин. Расплав рафинируют продувкой хлором или аргоном, или хлористым марганцем. Хлористый цинк использовать нежелательно, так как цинк отрицательно влияет на жаропрочность сплава.
Для повышения механических свойств проводят модифицирование фторцирконатом калия в количестве 0,3 – 0,5 % от массы шихты при 740 оС. Содержание циркония после модифицирования не должно превышать 0,2 %.
Продолжительность плавки и время разливки должны быть минимальными.
Не рекомендуется перегрев расплава выше 750 оС.

3.3.3. Плавка сплавов системы Al - Mg

Процесс приготовления этих сплавов сложнее, чем других алюминиевых сплавов из-за высокой окисляемости магния. Для этих сплавов характерно и низкое допустимое содержание примесей. Для уменьшения насыщения расплава железом плавку рекомендуется проводить в шамотно-графитовых тиглях и использовать плавильные инструменты из титана.
В качестве компонентов шихты используют алюминий высокой чистоты марок А97, А95, магний марки Мг90, лигатуры Al – Be, Al – Ti и Al – Zr и собственные отходы.
В прогретый тигель загружают алюминий и лигатуру Al – Be. После расплавления шихты при температуре 700 оС загружают остальные лигатуры, очищают поверхность от шлака, перемешивают расплав, засыпают один из покровно – рафинирующих флюсов № 3 – 9 (табл. ) и колокольчиком под флюс вводят магний. Интенсивным замешиванием флюса производят рафинирование до тех пор пока расплав не будет иметь чистую зеркальную поверхность. Разливку сплава лучше производить чайниковым ковшом, не снимая шлака. Температура разливки 660 – 670 оС. Дополнительного модифицирования не требуется. Модифицирующий эффект оказывают добавки титана и циркония, входящие в состав сплава.
Для обеспечения большей точности сплава по химическому составу и содержанию примесей рекомендуется сначала выплавить предварительный сплав (технология плавки такая же, как описано выше) и разлить его в изложницы. После проверки химического состава и металлургического качества, чушковый сплав расплавляют под покровным флюсом и получают рабочий сплав.

Вопросы для самоконтроля

Как взаимодействует алюминий с кислородом и водородом?
В чем проявляется повышенная химическая активность алюминия при плавке?
В каких печах плавят алюминиевые сплавы. Материал футеровок и тиглей?
Как защитить расплав от насыщения железом?
Состав покровных флюсов.
Какие способы рафинирования и дегазации наиболее эффективны для алюминиевых сплавов?
Каков механизм рафинирования флюсами. Состав рафинирующих флюсов?
Какие газы можно использовать для рафинирования алюминиевого расплава продувкой?
Фильтрация через активные и механические фильтры. Механизм очистки расплава.
Какие фильтры позволяют отделить только крупные включения?
Где устанавливают зернистые фильтры?
Из чего изготовляют пористые фильтры?
Цели и методы модифицирования сплавов?
Механизм модифицирования натрием.
Каков основной недостаток натрия, как модификатора?
Какие модификаторы дают более длительный эффект, чем натрий?
Какой эффект достигается при обработке расплава универсальным флюсом?
Какой способ рафинирования позволяет достичь максимальной дегазации расплава?
Чем отличается технология плавки алюминиевых сплавов, содержащих магний?


4. ПЛАВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

4.1. Физико-химические особенности плавки магниевых сплавов
Магний имеет плотность 1,738 г/см3, поэтому сплавы на его основе самые легкие, из всех применяемых в технике. Магний отличается высокой химической активностью. Поэтому при плавке магниевых сплавов протекают сложные процессы взаимодействия между материалами шихты, с одной стороны, и материалами футеровки и тиглей плавильных устройств, печной атмосферой, легирующими компонентами, покровными и рафинирующими флюсами, защитными средами, с другой.
Магний легко окисляется с выделением большого количества теплоты по реакции
2Mg + O2 = 2MgO + 287,2 ккал.
Объем окислов меньше объема металла, на котором они образуются (VMgO/VMg = 0,75, см. раздел 3.1) поэтому окисная пленка не обладает защитными свойствами, скорость окисления с ростом толщины окисной пленки не уменьшается. Интенсивное окисление магния начинается при температурах выше 400 оС. Так как окисная пленка пористая и малотеплопроводная, то теплота реакции окисления не успевает отводиться в пространство, магний перегревается и может произойти возгорание. При атмосферном давлении температура воспламенения магния на воздухе равна 623 °С. Окисляемость магния может быть понижена небольшими добавками бериллия, образующего свою плотную окисную пленку ВеО, обладающую защитным действием (Vвео/Vвe =1,67). В промышленные сплавы с этой целью вводят до 0,002 % Ве. Более высокие концентрации Ве ухудшают механические свойства. Аналогичный эффект дает и добавка 0,03 – 0,05 % кальция.
Более тяжелые оксиды магния MgO (3,1 г/см3 против 1,57 – 1,65 г/см3 у магниевых расплавов) не удерживаются на поверхности ванны и осаждаются на дно. Рыхлые (пушистые) окисные включения небольшого размера оседают медленно. Тепловая конвенция и перемешивание расплава вызывают всплывание (взмучивание) окислов и попадание их в отливку.
Расплавленный магний энергично взаимодействует с кремнеземом и окислами железа, с углекислым газом, азотом и хлором и продолжает гореть в среде этих газов. Хорошо восстанавливает магний и большинство других окислов. Это затрудняет подбор материалов для футеровки плавильных печей или плавильных тиглей.
Магний способен растворять значительные количества водорода. Содержание водорода в 100 г перегретого расплава достигает более 40 см3. Только у титана растворимость водорода больше, чем у магния. Так как в твердом магнии растворимость водорода тоже высока, то степень перенасыщения твердого раствора водородом меньше, чем у алюминиевых сплавов, поэтому после дегазации можно получать довольно плотные отливки.
Расплавленный магний интенсивно взаимодействует с водой с выделением водорода, который может стать причиной взрыва из-за образования гремучего газа.
При температуре выше 750 °С магний образует нерастворимый в расплаве твердый и хрупкий нитрид Mq3N2, снижающий пластичность сплава. Взаимодействует магний и с другими газами, содержащимися в печной атмосфере (С02 ,Н2О, S02), с образованием MgO, MgSO4 и паров серы. Взаимодействие магния с S02 и СО2 идет значительно медленнее, чем с кислородом, водяными паром или азотом, поэтому они находят применение для защиты поверхности расплава от окисления, тем более что пленка сульфата магния (MgSO4) тормозит доступ кислорода к расплаву. При разливке на струю металла всегда присыпают серу, чтобы создать защитную атмосферу S02 вокруг струи металла.
Специфические физико-химические свойства магния определяют такие элементы технологии приготовления магниевых сплавов и отливок, как:
проведение защитной плавки под защитой флюсов или газовой атмосферы;
строгое соблюдение правил пожарной безопасности;
необходимость тщательного рафинирования расплава для удаления неметаллических включений;
применение особых формовочных и стержневых смесей со специальными добавками и присадками;
литье в защитной атмосфере сернистого или других газов;
необходимость антикоррозионной обработки отливок.
4.2. Технологические особенности плавки магниевых сплавов
Магниевые сплавы плавят в тигельных топливных печах, отражательных печах, футерованных магнезитом, и индукционных печах средней и промышленной частоты, При плавке магниевых сплавов важное значение приобретают вопросы пожаро -и взрывобезопасности. Особенно недопустим контакт расплава с водой. В связи с этим для плавки магниевых сплавов разработаны специальные индукционные печи с принудительным воздушным охлаждением индуктора.
В обычных индукционных печах металл может интенсивно перемешиваться под действием электродинамических сил. Такое перемешивание приводит к нарушению защитного флюсового покрова, что недопустимо при плавке магниевых сплавов. Специальные индукционные печи для плавки магниевых сплавов (рис. 19) состоят из тигля с крышкой, теплоизоляции, индуктора и магнитопровода.


Рис. 19. Индукционная тигельная печь для плавки магниевых сплавов ИГТ – 1,6: 1 – рама; 2 – стальной тигель; 3 – крышка; 4 – механизм подъема крышки; 5 – индуктор; 6 – рабочая площадка

Для плавки магниевых сплавов применяются литые и сварные стальные тигли (рис. 20). Железо существенно снижает коррозионную стойкость сплавов, однако при температурах до 750 °С оно растворяется медленно, поэтому тигли и плавильный инструмент можно изготовлять из малоуглеродистой стали (чем больше углерода в стали, тем больше растворимость железа в сплаве). Недопустимо применение для этих целей нержавеющих и жаропрочных сталей, содержащих никель, который ещё более резко снижает коррозионную стойкость.
Сварные тигли имеют емкость до 300 кг. Их изготовляют из листовой малоуглеродистой стали толщиной от 8 до 15 мм. Они бывают простые (рис. 20, б) и с дополнительной перегородкой для удержания шлака (рис. 20, в). Тигли имеют конусную форму. Днище тигля штампуется такой формы, чтобы сварной кольцевой шов работал на растяжение. Толщина днища больше, чем стенок и достигает до 25 мм.
Литые тигли (рис. 20, а) получают из сталей 15Л или 20Л. Они имеют значительно больший срок службы и более безопасны в работе, чем сварные. Для печей большой емкости применяются толстостенные (20 – 25 мм) тигли (рис. 20, г).
В печах с толстостенным литым тиглем теплота индуктируется в тигель, а затем передается к шихте. В этом случае металл экранируется тиглем от магнитного поля и находится в спокойном состоянии. В печах с тонкостенными сварными тиглями часть магнитного поля проходит во внутрь тигля, особенно при температурах выше магнитного превращения, и металл приходит в движение. При рафинировании флюсами это можно рассматривать как положительное явление. Отпадает необходимость ручного перемешивания. Однако последующее выстаивание расплава и разливку сплава надо проводить при выключенной печи.
Для защиты от насыщения железом тигли и плавильный инструмент покрывают краской следующего состава (%, по массе): борная кислота – 3,5; графит – 7.0; мел – 25,5; вода – ост.
Из-за высокой химической активности расплавленного магния необходимо свести к минимуму операции с его переливом из тигля в тигель. В связи с этим разработано несколько вариантов плавки: в стационарных тиглях с забором металла разливочными ковшами; в выемных тиглях с заливкой форм из тигля и комбинированным способом. Литые стальные тигли используют как стационарные, а сварные тигли более пригодны для второго варианта плавки – в выемных тиглях.
В качестве шихтовых материалов применяются чушковые первичные металлы (магний, алюминий, цинк), первичные магниевые сплавы в чушках, лигатуры, соли и возврат собственного производства.
Марганец вводят лигатурой Al-Мn или при помощи соли МnСl2. Марганец восстанавливается магнием и переходит в сплав, а образовавшийся хлористый магний во флюс. При использовании соли не требуется излишний перегрев сплава. Количество соли берут таким, чтобы содержание марганца в ней в три раза превышало содержание марганца в сплаве.
Цирконий вводят лигатурами Al – Zr (3 – 5 % Zr) или Mg – Zr (до 15 % Zr), фторцирконатом калия(К2ZrF6) или шлак-лигатурой (40 % K2ZrF6, 40 % карналлита и 20 % магния). Расплав перед введением циркония перегревают до 850-900 °С. Восстановление циркония происходит по реакции:

K2ZrF6 + 2 Mg = 2 KF + 2 MgF2 + Zr.

Из-за неполноты протекания реакции в расплав переходит треть циркония, содержащегося в соли. Ориентировочно можно считать, что для введения 1 % Zr в сплав, нужно израсходовать 3 % K2ZrF6. Для более полного восстановления циркония из фторцирконата калия предварительно готовят шлак-лигатуру. В расплавленный криолит порциями вводят фторцирконат калия при температуре 720-750 °С. В расплавленные соли приливают расплавленный магний.
Лантан, неодим и иттрий вводят в чистом виде или лигатурами с магнием, а бериллий лигатурами Al – Bе, Аl – Мg – Bе или фторбериллатом натрия (Na2BeF4). Лучшее усвоение бериллия наблюдается при введении его смесью солей (50 % карналлита и 50 % фторбериллата натрия) во время рафинирования при 720-750 °С.
Все шихтовые материалы должны быть очищены от продуктов коррозии, масла, эмульсии и т.п. Возвраты предварительно разделяют по сортам: 1-й сорт - бракованные отливки, крупные и мелкие чистые выпоры, чистые литники и коллекторы; 2-й сорт – мелкие отходы, сплески, стояки; 3-й сорт - стружка, опилки и металл, извлеченный из сплесков. Возврат 1-го сорта используется в шихте без переплава. Отходы 2-го и 3-го сортов вводятся в шихту в переплавленном виде.

Рис. 20. Тигли для плавки магниевых сплавов: а – стальной литой тигель емкостью 250 – 300 кг; б и в – сварные тигли из листовой стали; г – стальной тигель большой емкости

Шихтовые первичные материалы загружают в следующей последовательности: магний, лигатуры и возврат, алюминий, затем цинк и кадмий. При использовании чушковых сплавов и переплавов сначала расплавляют их, а затем проводят подшихтовку чистыми металлами в приведенной последовательности.
При плавке магниевых сплавов недопустим контакт металла, флюсов, плавильного инструмента и материала форм с влагой. Это может вызвать воспламенение металла, выбросы его из печи или формы и ухудшение качества отливок. Весь плавильный инструмент рекомендуется хранить в специальной тигельной печи в расплавленном флюсе.
Плавку ведут под защитными флюсами или защитными атмосферами.

4.2.1. Защитные флюсы для магниевых сплавов

Для магниевых сплавов, как и для других цветных сплавов, применяют флюсы, состоящие из хлористых и фтористых солей, щелочных и щелочноземельных металлов. Плотный слой флюсов надежно защищает сплав от окисления. Общие требования к флюсам сформулированы ранее (см. разд. 1.3).
Основные затруднения при подборе составов флюсов для плавки магниевых сплавов связаны с малой плотностью расплава и невысокой температурой плавления. Для рабочих температур 680 – 720 °С, флюсы должны иметь температуру плавления 620 – 650 °С, не более. Все соли, которые входят в состав покровно-рафинирующих флюсов для цветных сплавов (см. табл. 7), имеют плотность равную или большую, чем расплавленный магний или магниевые сплавы. В расплавленном состоянии плотность солей будет существенно ниже, но все равно только смеси KCl·LiCl и (МgСl2 (КСl)·LiCl содержащие более50 % LiCl, оказываются легче магниевого расплава. Они имеют малую вязкость и малое поверхностное натяжение, что затрудняет отделение флюса от расплава. Кроме того эти флюсы гигроскопичны, дороги и химически активны к футеровке, поэтому не нашли применения в промышленности (флюсы, состоящие из хлористого и фтористого лития используют при плавке магниево-литиевых сплавов).
Основу большинства флюсов составляет карналлит (МgСl2(КСl). Плотность карналлита несколько больше, чем магниевого расплава. Для лучшего отделения флюсов от сплава в них вводят утяжелители (BaCl2, CaCl2) и сгустители (MgO, CaF2). Такие флюсы, хотя и более тяжелые, чем расплав, удерживаются на поверхности за счет сил поверхностного натяжения и постепенно стекают на дно по стенкам тигля. Таким образом плавка магниевых сплавов протекает в своеобразном флюсовом мешке (рис. 21) Отдельные частицы флюса, попавшие в металл, опускаются на дно и увлекают за собой неметаллические частицы. Поэтому в дополнение к общим требованиям, предъявляемым к флюсам, флюсы для магниевых сплавов должны смачивать стенки тигля и под печи.


Рис. 21. Схема плавки магниевых сплавов под флюсами

При плавке сплавов, содержащих РЗМ (Ce, Y, Nd, La, а также кальций), могут протекать обменные реакции, которые приведут к потере этих ценных металлов:

3MgCl2 + 2Cе = 2CeCl3 + 3Mg,

3MgCl2 + 2Y = 2YCl3 + 3Mg,

MgCl2 + Ca = CaCl2 + Mg.
Для таких сплавов необходимо применять бесхлоридные флюсы, состоящие из более дорогих фтористых солей. Если таких флюсов нет, то РЗМ для уменьшения потери, необходимо вводить за 2 – 3 мин до разливки сплава.
Состав некоторых флюсов, применяемых при плавке магниевых сплавов, приведен в табл. 11.


Таблица 11
Составы некоторых флюсов для плавки магниевых сплавов
Марка
флюса
Состав, % (по массе)
Назначение

№2


·40 MgCl2, 34 – 40 KCl,
·8 (NaCl + CaCl2); 5 – 8 BCl2;
·1,5 MgO;
·1,5 н.о.;
·2 Н2О
Для промывки плавильного инструмента

ВИ2

38 – 46 MgCl2; 32 – 40 KCl; 5 – 8 BCl2;
·8 (NaCl + CaCl2);
·1,5 MgO;
·1,5 н.о.;
·3 Н2О
Для плавки в стационарных тиглях

ВИ3

34 - 40 MgCl2; 25 – 36 KCl; 15 – 20 СаF2;
·8 (NaCl + CaCl2); 7 - 10 MgO;
·1,5 н.о.;
·3 Н2О

Универсальный флюс для плавки в выемных тиглях


ФЛ5

25 – 42 MgCl2; 20 – 36 KCl; 4 – 8 BCl2; < СаF2 3 – 11 MgF2; 3 – 14 AlF3;1,8 B2O3
Единый флюс


ФЛ10

20 – 35 MgCl2; 16 – 29 KCl; 8 – 12 BCl2; 14 -23 СаF2 14 – 23 MgF2; 0,5 - 8 B2O3
Универсальный флюс


ФЛ1
13 CaF2; 32 MgF2; 40 AlF3; 15 B2O
Бесхлоридный флюс

ВАМИ1

3,5 CaF2; 23,5 AlF3; 40 B2O3; 33 Na3AlF6
То же

ВАМИ5

17,5 CaF2; 17,5 MgF2; 15 AlF3; 50 B2O3
То же



Флюсы №2, ВИ2 и ВИ3 на основе карналлита были первыми, рекомендованными для плавки магниевых сплавов. Они содержат некоторое количество нерастворимого осадка(н.о.) и влаги. Флюс №2 представляет собой переплавленный карналлит с добавкой BaCl2 для уменьшения вязкости. ВИ2 и ВИ3 получены на базе этого флюса.
Флюс ВИ2 для плавки в стационарных тиглях обладает достаточно высокой вязкостью для отделения флюса во время зачерпывания и заливки металла и образует эластичный покров без образования корки во время выстаивания.
Флюс ВИ3 для плавки в выемных тиглях содержит больше сгустителей (CaF2) для образования плотной корки, которая сдвигается во время разливки от носка тигля.
Другие флюсы, приведенные в табл.11 ,представляют собой более современные композиции на основе тех же хлоридов и фторидов, а также бесхлоридые флюсы, предназначенные для плавки магниевых сплавов с РЗМ.
Технология плавки под защитными флюсами имеет существенные недостатки. Частицы хлористых флюсов, при попадании в отливку быстро становятся очагами коррозии. Некоторые соли могут вступать в химические реакции с магнием, увеличивать потери сплава, менять его состав и загрязнять неметаллическими включениями. За состоянием поверхности флюса необходим постоянный контроль, чтобы не допустить нарушения сплошности покрова. Во флюсе могут запутываться корольки металла, что увеличивает потери сплава. Испарения хлористых солей приводят к коррозии всех металлических конструкций цеха.

4.2.2. Защитные атмосферы для магниевых сплавов

На ряде отечественных и зарубежных заводов успешно внедрена технология бесфлюсовой плавки магниевых сплавов с использованием защитных атмосфер из аргона, азота, углекислого и сернистого газов в герметичных закрытых печах. Из них только аргон не реагирует с магнием. Углекислый и сернистый газы (CO2, SO2) являются окислителями, но менее активными, чем кислород. Так, например, при использовании SO2 на поверхности сплава протекают следующие реакции:

3Mg + SO2 2 MgO + MgS,

MgS + SO2 MgSO4 + S2,

MgSO4 + MgO SO2 + O,

Mg + O MgO

4Мg + 2SO2 4MgO + S2

Вторая и третья реакции протекают не полностью. В результате на поверхности спокойной ванны образуется плотная пленка, содержащая из MgS и MgSO4 и защищающая сплав от интенсивного горения. Однако такая атмосфера не предотвращает образование шлаков на поверхности ванны. При их удалении происходят вспышки магния. Кроме того, применение требует надежной вытяжной вентиляции.
Двуокись углерода CO2 дает неплохие результаты, если ее концентрация в атмосфере превышает 90 %.
Азот технической чистоты частично взаимодействует с магнием и примесями в сплаве. Происходит засорение расплава нитридами.
Аргон обеспечивает более полную защиту, чем другие газы, но требуется герметизация печи, чтобы уменьшить его потери, к тому же он не исключает испарения магния.
Удовлетворительные результаты принесло введение малых добавок SO2, BF3 и SF6 к защитным газам или непосредственно в воздух. Ввод до 0,1 % этих веществ в атмосферу CO2 повышает выход годного до 96 – 99 %. Аналогичные добавки к аргону уменьшают испарение магния. Особо эффективно применение шестифтористой серы (элегаза). Она в пять раз тяжелее воздуха, поэтому равномерно распределяется над ванной и создает надежный защитный спой, содержащий фториды магния. Расход SF6 составляет 1 л/час, что соответствует концентрации в воздухе 0,1 %. Элегаз – это нетоксичный газ без запаха и цвета. Молекулярное строение близко к инертным газам, чем и объясняются высокие защитные свойства. На поверхности магниевого расплава элегаз вступает с ним в химическое взаимодействие по реакции

5 Mg + SF6 = Mg2S + 3 MgF2 ,

продукты которой образуют плотную пленку, предохраняющую жидкий металл от окисления.
Схема подачи элегаза к печи СМТ - 0,1 приведена на рис. 22. Печь должна иметь герметичную крышку.


Рис. 22. Схема подачи элегаза:1 – крышка тигля, 2 – подводящая трубка, 3 – ротаметр, 4 – игольчатый вентиль, 5 – редуктор, 6 – баллон.
Производственное опробование элегаза на заводе им. Дзержинского (г. Пермь) показало, что отливки имели более светлую поверхность по сравнению с отливками, полученными с защитой из ВИ2 и практически не были подвержены коррозии. Механические свойства сплава МЛ5 остались без изменения.
Основной причиной коррозионного разрушения магниевых сплавов при эксплуатации являются шлаковые включения хлористых флюсов. Главным достоинством защитных атмосфер и является существенное повышение коррозионной стойкости отливок.
4.2.3. Рафинирование магниевых сплавов
После расплавления металл насыщается водородом, содержит много взвешенных неметаллических включений. Для получения качественных отливок расплав необходимо рафинировать.
Самый простой способ отделения неметаллических включений - отстаивание. Чем выше температура и длительнее выдержка, тем больше всплывает (
·вкл<
·сплава) или оседает (
·вкл>
·сплава). неметаллических включений. Но этот способ малоэффективен, особенно при отделении мелких включений, требует больших затрат времени, снижает производительность печи.
Общепринятым способом очистки магниевых сплавов является обработка расплава флюсами. В основе очистки лежит процесс адсорбции включений жидкими солями. Чем больше величина поверхности контакта металла с флюсом и меньше межфазное натяжение на границе металл - флюс, тем эффективнее очистка. При рафинировании подогревают расплав до 700-720 °С, удаляют покровный флюс и вводят в сплав бериллий (0,001-0,002 % от массы сплава) или реже кальций (0,05 %), для защиты сплава от окисления и загорания. На поверхность насыпают порцию свежего рафинирующего флюса (ВИ2, ВИЗ и др.) в количестве I % от массы сплава и замешивают его на 2/3 глубины тигля плавными движениями ложки-шумовки. При замешивании периодически подсыпают свежий флюс.
В производственных условиях принят следующий режим рафинирования: замешивание флюса при 700 - 720 °С в течение 5 – 6 мин, снятие использованного флюса и нанесение свежего, нагрев сплава до 750 -780 °С и отстаивание 10 - 15 мин. Рафинирование считается законченным, когда поверхность расплава приобретает зеркальный блеск. Степень очистки от неметаллических включений контролируют по излому. Черные пятна указывают на присутствие оксидов магния, флюсовые включения имеют серый цвет (рис. 23)


а б
Рис.23. Дефекты в изломе отливок из магниевых сплавов: а – черные пятна оксидов магния, б – серые пятна флюсовых включений

При обработке флюсами наблюдается частичная дегазация расплава. Более полное удаление водорода достигается при продувке магниевых расплавов аргоном, гелием, азотом, хлором или смесью гелия с хлоридами. При продувке азотом температура не должна превышать 685 °С, чтобы не происходило насыщения сплава нитридами. Обработку гелием, аргоном или хлором ведут при 740-760 °С. Длительность продувки - от 15 до 30 мин в зависимости от глубины ванны. Расход газа 0,3-0,5 м3 на тонну расплава.
Для увеличения полноты очистки расплава от неметаллических включений при разливке магниевых сплавов необходимо проводить фильтрацию через механические или активные фильтры. Чаще применяют зернистые фильтры из магнезита или графита. Хорошие результаты достигаются и при пропускании сплава через жидкие флюсы.
Для оценки качества рафинирования в графитовых изложницах с пережимом (рис.24) отливают технологические пробы и подсчитывают количество включений в изломе


Рис. 24. Изложница для отливки пробы на излом
При плавке в стальных тиглях и при контакте с плавильным инструментом сплавы насыщаются железом, снижающим коррозионную стойкость сплавов. Железо из магниевых сплавов можно удалять присадками марганца, циркония или церия, вводимыми при 800-850 °С. Последующая выдержка расплава в течение 20-30 мин при 700 °С сопровождается кристаллизацией тугоплавких интерметаллидов, обогащенных железом, и оседанием их на дно тигля.
4.2.4. Модифицирование магниевых сплавов
При проведении некоторых технологических операций магниевые расплавы приходится перегревать. Это приводит к получению крупнозернистой структуры, особенно при литье в разовые формы. Для измельчения зерна и повышения механических свойств магниевые сплавы системы Mg – Al - Zn ( МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6) необходимо модифицировать. В состав остальных сплавов входит цирконий, который и оказывает модифицирующее действие.
Модифицирование сплавов, содержащих алюминий, можно осуществить: перегревом; введением углеродосодержащих добавок (мел, мрамор, магнезит, гексахлорэтан, углекислый газ); или хлорным железом.
Эффект измельчения зерна наблюдается при 10-15 минутной выдержке расплава, перегретого до 850-900 °С, в стальном тигле. После этого сплав нужно быстро охладить до температуры заливки (700 – 720 оС). При охлаждении сплава выделяются мелкодисперсные частицы тугоплавкого интерметаллида FeAl3, которые служат дополнительными центрами кристаллизации. Модифицирование перегревом проходит успешно, в том случае, если в сплаве не менее 0,001 % Fe и 0,2 % Мn. На практике перегревом пользуются редко, так как снижаются технико-экономические показатели плавки, растет угар сплава.
Наиболее распространенным методом является модифицирование углеродосодержащими веществами. При нагреве магнезит или мрамор разлагаются с выделением CO2, который вступает во взаимодействие с магнием:

CaCO3 CaO + CO2
MgCO3 MgO + CO2
2 Mg + CO2 = 2 MgO = C

Выделившийся углерод образует карбиды Al4C3 в мелкодисперсной форме. Они и служат дополнительными центрами кристаллизации.
Аналогичный эффект достигается при введении в расплав хлорного железа. Центрами кристаллизации служат дисперсные частицы FeAl3
Режимы модифицирования магниевых сплавов системы Mg – Al – Zn приведены в таблице 12.
Таблица 12
Режимы модифицирования магниевых сплавов
Модифи-катор
Расход, %
от массы
шихты
Размеры кусков, мм
Темпера-тура рас-плава, оС
Время замеши-вания, мин
Время отстаива-ния, мин


Мел
Мрамор
Магнезит
С2Сl6
FeCl3

0,5 – 0,6
0,5 – 0,6
0,3 – 0,4
0,05 – 0,5
0,5 – 1,0

Порошок
Крошка
10 – 25
Порошок
Порошок

760–780
760–780
720–730
720–760
750–770

5 – 8
5 – 8
8 – 12
8 – 12
15 – 20

15 – 40
15 – 40
15 – 40
15 – 40
10 – 40


Магниевые сплавы, содержащие РЗМ, модифицируют цирконием. Если он не входит в состав сплав, то его добавляют в количестве 0,3 – 1,0 %. Качество модифицирования проверяется по размеру макрозерна, излому и дисперсности микроструктуры.
4.2.5. Технология приготовления магниевых расплавов

С учетом высокой химической активности магния в литейных цехах сложилась сложная многоступенчатая технология плавки магниевых сплавов. В зависимости от назначения различают:
первичные сплавы – чушки готовых стандартных сплавов, поставляемые металлургическими предприятиями;
предварительные сплавы – сплавы, которые готовят из свежих металлов, металлов и возвратов, из одних возвратов и мелких отходов, разливают в изложницы и используют для плавки промежуточных и рабочих сплавов;
промежуточные сплавы – сплавы, приготовленные в плавильных печах для перелива в раздаточные печи;
рабочие сплавы – сплавы в тигле плавильной или раздаточной печи, готовые для разливки по формам.
В зависимости от серийности производства и развеса литья рабочие сплавы можно приготовить (рис. 25) одноступенчатым или комбинированным методом (дуплекс – процессом).

Одноступенчатый метод

Двухступенчатый метод
(дуплекс – процесс)













Печь со стацио-нарным тиглем

Печь с выемным тиглем

Отражатель-ная печь

Тигельная печь со стационарным тиглем













Раздаточ-
ный ковш




Печь со ста-ционарным тиглем

Печь с выемным тиглем










п



Литейная форма


Раздаточный ковш

















Литейная форма


Рис. 25. Схема одно- и двух стадийной плавки магниевых сплавов

При одноступенчатом методе разливка сплава в формы или изложницы производится непосредственно из печей, в которых производилась плавка: с помощью раздаточных ковшей из печей со стационарным тиглем или непосредственно из плавильного тигля, если плавка ведется в печах с выемными стальными тиглями.
При двухступенчатом методе плавку начинают в печах большой емкости (ванных отражательных или индукционных тигельных со стационарным тиглем). Готовый металл сливают в раздаточные печи со стационарными или выемными тиглями. После этого металл разливается по формам раздаточными ковшами или непосредственно из выемных тиглей.
При любом методе реализуются две разновидности плавки: в стационарных тиглях и в выемных тиглях. Для них характерна следующая последовательность приготовления сплавов: расплавление под защитными флюсами или защитными атмосферами, перегрев, рафинирование, модифицирование и разливка.
Для непрерывного обеспечения литейного цеха жидким металлом необходима организация плавильного участка, оснащенного блоком различных печей. Минимальное количество таких печей три: печь для переплава возвратов собственного производства, печь для плавки рабочего сплава (раздаточная печь) и печь с тиглем для промывки ковшей и инструмента в расплавленном флюсе. Количество и емкость печей зависит от производственной мощности.
При плавке магниевых сплавов необходим постоянный контроль за состоянием тиглей. Новые тигли рекомендуется опробовать на плавке флюса в течение 2 – 3 часов. Тигли бывшие в употреблении проверяются через каждые 48 – 72 часа. Тигель очищается от окалины и производится внешний осмотр, простукивание молотком и измерение толщины стенки контрольным приспособлением. Тигли с трещинами и местным утонением стенки сверх 50 % к эксплуатации не допускаются. Сварные тигли контролируются после окончания каждой смены. Особое внимание обращается на состояние сварных швов.
Различные группы магниевых сплавов имеют существенные отличия в технологии плавки.

4.2.5.1. Плавка сплавов системы Mg – Al – Zn

Сплавы этой системы (МЛ3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6) наиболее широко применяются в литейном производстве. Технология их плавки под защитными флюсами отработана еще в середине прошлого века.
Плавку рабочих сплавов в стационарных тиглях применяют при серийном производстве мелких отливок. В стальной литой тигель, нагретый до температуры 400 – 500 оС, загружают флюс ВИ2 (1,0 – 1,5 % от массы шихты), присыпают стенки тигля этим же флюсом (0,1 – 0,25 %) и расплавляют. В тигель под флюс загружают отдельными порциями подогретую шихту в следующей последовательности: чушки первичного или вторичного сплава, возвраты, магний, лигатуры, алюминий. Выступающие куски шихты присыпают флюсом. После полного расплавления шихты температуру доводят до 680 – 720 оС, вводят цинк и лигатуру Al – Be. Если бериллий вводится в виде фторбериллата натрия, то температура повышается до 730 – 750 оС. поверхности металла снимают загрязненный флюс, присыпают свежий и приступают к рафинированию. Для этого в течение 5 мин интенсивно замешивают флюс движением шумовки сверху вниз, далее от себя, затем снизу вверх и поверху к себе. Обнажающиеся места на зеркале расплава посыпают флюсом. Расход флюса на рафинирование около 1 %. Рафинирование считается законченным, когда поверхность металла приобретает блестящий зеркальный вид. После рафинирования с поверхности металла снимают остатки загрязненного флюса и засыпают свежий флюс.
Модифицирование осуществляют углеродосодержащими добавками. Подготовленные модификаторы вводят в расплав при помощи колокольчика примерно на половину глубины тигля. Составы модификаторов и режимы модифицирования приведены ранее в табл. 12.
После модифицирования проводится отбор проб на спектральный или химический анализ и отбор технологической пробы на излом для проверки эффективности модифицирования. Если излом пробы не соответствует эталону, то операцию модифицирования необходимо повторить.
Общий расход флюса ВИ2 при плавке сплавов, содержащих алюминий, составляет от 3 до 5 %.
Расплав выдерживают в тигле не менее 15 мин, доводят температуру металла до заданной в технологической карте, и приступают к разливке.
Заливка форм из стационарных тиглей производится разливочными ковшами, которые предварительно нагревают до красного каления во флюсовой печи. Донной частью ковша отводят в сторону флюсовый покров и медленно погружая ковш набирают расплав. Небольшое количество расплава (2 – 3 %) сливают через носок обратно в тигель, чтобы удалить флюс, попавший в ковш. Возможные очаги загорания металла в ковше следует тушить серой или смесью серы и борной кислоты. Зеркало металла в тигле присыпают флюсом. Повторный забор металла из тигля производится через 3 – 5 мин.
Из печей со стационарным тиглем допускается разбор не более 80 % всего металла, находящегося в печи. Остаток металла разливают в изложницы.
Плавку рабочих сплавов в выемных тиглях проводят при получении крупных отливок. Технологические приемы и последовательность операций при использовании выемных тиглей такие же, как и при плавке в стационарных тиглях. Отличие заключается в том, что необходимо использовать флюс ВИ3, который имеет большую вязкость и лучше защищает расплав при перемещении тигля к месту разливки. Разливают металл непосредственно через сливной носок тигля, отодвинув корку флюса. Флюс от попадания в форму хорошо удерживается при наличии перегородки в тигле.
Дуплекс – процессы плавки магниевых сплавов реализуются в литейных цехах с крупносерийным или массовым производством отливок любого развеса. Для расплавления шихты можно использовать отражательные печи емкостью до 3 тонн или индукционные печи большой емкости со стационарным тиглем. Металл из плавильной печи переливается в раздаточные тигельные печи со стационарными или выемными тиглями. Технологию плавки в отражательной печи рассмотрим на примере сплава МЛ5.
Печь очищают от остатков предыдущей плавки и нагревают до температуры 750 – 850 оС. Для промывки пода в печь загружают 0,3 – 0,5 % флюса ВИ2. Шихту, подогретую до 120 – 150 оС (допускается загружать холодную шихту, если в печи нет расплавленного флюса или металла), загружают в следующем порядке: возвраты, магний, лигатура Al – Mn, алюминий, цинк. Поверх шихты засыпается порошкообразный флюс ВИ2 в количестве 2 – 3 % от веса шихты. После расплавления шихты при температуре 690 – 720 оС вводится марганец при помощи лигатуры, металлический цинк и лигатура Al – Be. Очаги загорания металла тушить флюсом при помощи распылителя в струе азота. Далее проводится рафинирование путем замешивания в расплав флюса в течение 3 – 5 мин. После рафинирования поверхность металла очищается от загрязнений и засыпается свежий флюс. Металл выдерживается в течение 15 – 20 мин. За это время берется проба на спектральный анализ и при соответствии химического состава приступают к разливке промежуточного сплава в печи со стационарными или выемными тиглями. Дальнейшая подготовка расплава производится так же, как было описано выше.

4.2.5.2. Плавка сплавов с РЗМ

Все магниевые сплавы, начиная с МЛ8 по МЛ19, легированы цирконием. В состав некоторых из них входят лантан и другие РЗМ.
Цирконий и РЗМ требуют бережного отношения при плавке. Если не предпринимать специальные меры защиты, то будет происходить повышенный угар этих дорогих металлов. Максимальный угар наблюдается при плавке в отражательных печах, меньше всего потерь при плавке в тигельных печах. Металлический цирконий (Тпл = 1850 оС) трудно вводится в расплав. Эту операцию можно упростить путем применения лигатуры Mg – Zr, соли – фторцирконата калия или шлак-лигатуры, которую получают сплавлением фторцирконата калия с магнием. При использовании лигатуры Mg – Zr расплав необходимо перегреть до температуры не ниже 850 оС. Экономически целесообразнее вводить цирконий в виде солей. Преимуществом шлак-лигатуры перед фторцирконатом калия является то, что плавку можно вести при температуре 800 оС, вместо 900 – 920 оС. Усвоение циркония зависит от наличия металлических примесей в сплаве. Незначительные количества алюминия, кремния и в меньшей степени марганца приводят к резкому снижению содержания циркония. В связи с этим требуется высокая чистота исходных шихтовых материалов. При использовании возврата необходимо исключать возможность попадания в шихту отходов сплавов, содержащих алюминий. Не следует вести плавку магниевоциркониевых сплавов в тиглях, в которых ранее плавили сплавы Мл3, МЛ4, МЛ5 и МЛ6.
Шлак-лигатуру получают сплавлением 50 % K2ZrF6 c 25 % карналлита и 25 % Mg. Сначала расплавляют карналлит и при 720 – 730 оС в него вводят фторцирконат калия. В другом тигле плавят магний и приливают его в расплавленную соль. При температуре 720 оС сливают солевую часть и разливают лигатуру. Содержание циркония в ней колеблется от 25 до 50 %.
Как было показано выше, при плавке под флюсами ВИ2 или ВИ3 наблюдаются повышенные потери лантана и других РЗМ: лантана 20 – 25 %, неодима и цериевого мишметалла по 10 – 15 %. Эти потери можно сократить в 2 – 3 раза, если использовать бесхлоридные флюсы.
Для введения в расплав РЗМ применяют чистые лантан и неодим или лигатуры Mg – La и Mg – Nd, содержащие до 40 % этих металлов.
Для введения церия применяют мишметалл, содержащий 50 – 65 % Се.
Порядок плавки рассмотрим на примере сплава МЛ10. В качестве шихты применяются: чистый магний Мг95 или Мг90, неодим металлический или лигатура Mg – Nd, шлак-лигатура Mg – Zr и возврат сплава МЛ10 (очищенные от загрязнений бракованные отливки, крупные и мелкие выпоры и т.п.). Расчет шихты производится на средний состав. При использовании возврата необходимо компенсировать потери Zr и Nd (по 10 – 15 % каждого) в ходе их переплава.
Порядок плавки принимается следующий. В тщательно очищенный и подогретый до темно-красного каления тигель загружают магний, возвраты и шлак-лигатуру. Плавку ведут под флюсами ВИ2 в стационарных тиглях или ВИ3 в выемных тиглях. В шлак-лигатуре уже есть хлориды, поэтому и используют такие же хлоридные флюсы. При 780 оС производят тщательное перемешивание расплава в течение 5 мин для лучшего усвоения циркония. Затем вводят лигатуру Mg – Nd и рафинируют расплав свежими флюсами. К разливке приступают через 15 – 20 мин.

Вопросы для самоконтроля

Как взаимодействует магний и его сплавы с газами печной атмосферы?
Чем характеризуется окисление магния?
В каких тиглях плавят магниевые сплавы?
Какие флюсы используют для защиты от окисления?
Для чего вводят компоненты – утяжелители во флюсы?
Каково назначение промывочных флюсов?
Какие защитные атмосферы применяют при плавке?
Для чего в магниевые сплавы вводят бериллий?
Почему при плавке сплавов с РЗМ рекомендуются бесхлоридные флюсы?
Какие газы можно использовать для плавки под защитными атмосферами?
Что собой представляет элегаз?
Как рафинируют магниевые сплавы?
Как проверяют качество рафинирования?
Как модифицируют магниевые сплавы?
В чем механизм модифицирования перегревом?
Чем устраняют очаги горения магниевых расплавов?

5. Плавка титановых сплавов

Освоение технологии плавки титановых сплавов вызвало наибольшие трудности среди всех других литейных материалов. Это связано с высокой химической активностью титана. Долгое время отливки из титана получали только в лабораториях отраслевых институтов. В настоящее время все трудности преодолены и на ряде машиностроительных заводов успешно действуют участки фасонного титанового литья, оснащенные современным плавильно-заливочным оборудованием.

5.1. Физико-химические особенности плавки титановых сплавов

Титан активно взаимодействует со всеми газами, – кислородом, азотом, водородом и др.
При взаимодействии с кислородом на поверхности титана образуется плотный слой оксида TiO2, который при температурах ниже 500 оС защищает металл от дальнейшего окисления. При нагреве на воздухе кислород диффундирует внутрь и под слоем TiO2 появляется рыхлая прослойка из смеси TiO2 и TiO, а под ними слой насыщенный кислородом. Кислород повышает стабильность
· -фазы, поэтому этот слой называют альфированным. В расплавленном титане кислород растворяется, а при кристаллизации переходит в твердый раствор. Растворенный кислород увеличивает прочность и твердость титана, но резко снижает пластичность и ударную вязкость. В связи с этим содержание кислорода в титановых сплавах не должно превышать 0,2 %.
Азот также растворяется титане и его сплавах. При кристаллизации азот остается в твердом растворе и образует нитрид TiN, снижающий пластичность. Влияние азота на механические свойства сплава проявляется в большей степени, чем влияние кислорода (табл.13) и его содержание в сплаве не должно превышать 0,05 %.

Таблица 13
Влияние газов и углерода на механические свойства титана

Свойство
Влияние на свойство 0,01 % добавки


O2
N2
H2
C



·, МПа
НВ, МПа

·, %


12,3
39,0
- (1-2)

19,6
59,0







7
19



Растворимость водорода в титане исключительно велика. В отличие от других металлов, составляющих основу промышленных сплавов, растворимость водорода в титане уменьшается с ростом температуры от 7000 см3/100 г при комнатной до 400 - 150 см3/100 г в расплаве, перегретом на 50 – 100 оС. Часть водорода удаляется при плавке. Оставшийся водород стабилизирует
·- фазу и охрупчивает сплав. Поэтому его содержание не должно превышать 0,015 %. Расплавленный титан взаимодействует с парами воды, углеводородами, СО, СО2 и другими газами.
С углеродом титан образует карбид TiC. Каждая сотая доля процента углерода повышает предел прочности на 7 МПа и твердость на 20 МПа.
Вторая особенность титана заключается в том, что он в жидком состоянии реагирует со всеми известными огнеупорными материалами и материалами литейных форм. Практически невозможно полностью исключить взаимодействие расплава с плавильным тиглем и литейной формой.

5.2. Гарнисажная плавка титановых сплавов

С учетом высокой химической активности титана, его плавку и разливку можно вести только в вакуумных печах. Плавильно-заливочные установки включают в себя: вакуумную электродуговую гарнисажную печь, камеру для установки и заливки форм, механизмы загрузки и выгрузки форм, вакуумную систему и источник питания. Источником нагрева служит электрическая дуга. Плавку металла гарнисажным способом ведут в водоохлаждемом тигле, на стенках которого намораживается корка твердого металла (гарнисаж), которая изолирует расплав от стенки тигля. Плавку можно вести с расходуемым или нерасходуемым электродом.
При освоении технологии плавки титана предпочтение отдавали тиглям из плотного электродного графита. При всех предосторожностях гарнисажной плавки происходило насыщение металла углеродом. В связи с ужесточением требований к чистоте металла переходят на плавку в медных водоохлаждаемых тиглях, которые позволяют увеличить количество переплавляемых отходов и температуру перегрева сплава, что имеет большое значение при получении тонкостенных крупногабаритных отливок.
Расходуемыми электродами служат слитки одинарного или двойного переплава или кованые прутки заданного химического состава. Нерасходуемые электроды изготовляют из тугоплавких металлов, например, вольфрама. Возможно получение расходуемого электрода из отходов, которые режут на мерные заготовки, загружают в цилиндрическую изложницу и заливают жидким сплавом. В итоге получается монолитный электрод, который можно использовать для получения фасонных отливок.
Сущность гарнисажной плавки показана на рис. 26. Перед началом плавки на дно тигля 2 укладывается до 30 % собственных отходов (прибыли, литники, бракованные отливки).


Рис. 26. Схема гарнисажной плавки.

Между отходами и электродом 1 разжигается электрическая дуга. Торцевая часть электрода расплавляется и капли жидкого металла стекают в тигель. Плавку ведут до получения необходимого количества расплава 4. Так как тигель установлен в медном водоохлаждаемом корпусе 5, то на стенках тигля образуется твердая корочка металла 3, называемая гарнисажем.
В ходе плавки должна строго выдерживаться оптимальная толщина гарнисажа
· (50 - 60 мм в донной части, 12 – 16 мм на стенках). В случае ее уменьшения жидкий металл насыщается углеродом. Увеличение толщины приведет к уменьшению массы готового сплава и к снижению его температуры. Толщина гарнисажа регулируется мощностью электрической дуги и интенсивностью теплоотвода.
Отходы собственного производства перед загрузкой в тигель подвергаются механической и химической очистке. Механическая очистка производится в галтовочных барабанах, дробеструйных или дробеметных барабанах. С поверхности отходов может быть удалено до 0,1 мм поверхностного слоя. После этого отходы обрабатываются в горячих (130 – 145 оС) щелочных растворах состава, г/л: 600 – 650 NaOH, 200 – 250 NaN03 и 50 – 60 NaNO2, или 500 – 700 NaOH и 150 - 250 NaN03. Время обработки может доходить до 2 часов. Затем отходы промывают теплой и холодной водой и травят при комнатной температуре в кислотном растворе: 60 – 70 мл/л H2SO4 и 60 – 140 мл/л HF. Скорость травления 0,2 – 0,5 мм/ч. Очищенные отходы промывают холодной водой и сушат при 110 – 150 оС.
Некондиционные отходы (сплески, заливы, гарнисаж тиглей, литники с засорами) могут быть использованы при производстве ферротитана или для изготовления таких деталей и изделий, к которым не предъявляются повышенные требования по коррозионной стойкости и механическим свойствам.
Перед загрузкой отходов рабочее пространство печи очищается от пыли и других загрязнений при помощи пылесоса и протирается спиртом. После загрузки отходов печь герметизируется, электрод приваривается к огарку (остатку электрода предыдущей плавки) и начинается плавка.
Давление в камере плавильно-заливочной установки должно составлять 0,13 – 1,33 Па. Для создания вакуума используют мощные вакуумные системы, которые поддерживают в камере заданное разрежение

5.3. Конструкции плавильно-заливочных установок для плавки титановых сплавов

Процесс плавки и заливки титановых форм осуществляется в одном устройстве – плавильно-заливочной установке (ПЗУ).
В состав любой ПЗУ входят собственно вакуумная электродуговая гарнисажная печь, источник питания и вакуумная система. Современные ПЗУ снабжены устройствами для загрузки и выгрузки форм.
Питание плавильных печей производится постоянным током, обеспечивающим устойчивое горение дуги. Катодом служит электрод, а анодом ванна жидкого титана. Такая схема называется схемой прямой полярности. Источниками питания являются полупроводниковые выпрямительные устройства, которые выдают постоянный ток силой от 5 до 40 кА с напряжением 75 В.
Конструкция печи зависит от способа разливки металла по формам. По этому признаку все печи делятся на две группы: печи с разливкой металла при горящей дуге (разливка из под дуги) и печи с разливкой металла после выключения дуги. Различные схемы разливки металла по формам показаны на рис. 27.


Рис. 27. Схемы разливки металла в дуговых гарнисажных печах: а, б – при горящей дуге; в – при отключенной дуге

В печах первой группы при сливе металла не происходит охлаждение ванны, что способствует сохранению жидкотекучести расплава и лучшему заполнению литейных форм. Однако эта схема разливки усложняет конструкцию печей и условия их эксплуатации.
В печах с малым объемом тигля, работающих по схеме с разливкой металла при горящей дуге (рис 27, а), узел электрод – тигель и литейная форма жестко связаны с корпусом печи, и разливка осуществляется путем ее поворота. В промышленных печах такая схема реализуется путем наклоняющегося узла тигель – электрод внутри неподвижного корпуса или поворотного коробчатого тигля (рис. 27, б). В боковой стенке такого тигля расположено сливное отверстие (летка) с таким расчетом, чтобы до него не доходил уровень жидкого металла при плавке. После поворота тигля на 90о летка оказывается внизу, а относительное положение электрода и зеркала ванны не меняется, поэтому дуга может гореть во время слива.
В печах второй группы, чтобы не препятствовать повороту тигля, остаток электрода поднимается, прерывая горение дуги. Такие печи широко распространены в промышленности.
На рис. 28 приведена конструкция такой печи типа ВДЛ-1. Расплав после поворота корпуса попадает в литейную форму путем свободной заливки из тигля.
Основные технические характеристики некоторых современных ПЗУ приведены в таблице 14.

Рис. 28. Схема гарнисажной печи поворотного типа: 1 – токоподвод;. 2 – кожух литейной формы; 3 – форма; 4 – электрододержатель; 5 – электрод; 6 – графитовый тигель; 7 – смотровое окно

Таблица 14
Технические характеристики некоторых гарнисажных ПЗУ

Тип ПЗУ
Ем-
кость тигля, кг
Сила тока дуги, кА
Заливочный контейнер
Габариты, мм




Коли-чество
Диа-метр, мм
Высо-
та,мм
Длина
Шири-
на
Высо-
та


833Д
ДВЛ-200
ДВЛ-250
ДВЛ-250М
ДВЛ-160М

130

250

400

600

400

16

25

25

37,5

25

1

1

2

2

-

1000

1350

1380

2200

2250

640

1000

1350

800

1800

7000

10000

12400

12400

-

6500

10000

9700

8700

-

7600

9450

10200

10200

-

Для получения тонкостенных отливок в печах использован метод принудительного заполнения форм под действием центробежных сил или дополнительного давления.
На рис. 29 показана конструкция ПЗУ 833Д. Она предназначена для мелкосерийного производства титановых отливок небольших и средних габаритов. Графитовый водоохлаждаемый тигель 1 расположен внутри цилиндрической вакуумной камеры 2. Механизм подачи электрода 3 состоит из электропривода рабочей подачи и пневмоцилиндра для отброса электрода перед разливкой. Контейнер 4 с литейными формами устанавливают при помощи консольного крана 5 на центробежный стол с бесступенчатым приводом 8. Скорость вращения стола диаметром 1000 мм от 200 до 600 об/мин. Разливка металла производится после выключения дуги поворотом тигля с помощью гидропривода (не показан) вокруг оси, проходящей через сливной носок, по направляющему лотку 7. Краном 5 производится и установка нового электрода 6 на позицию приварки к огарку. ПЗУ 833Д является агрегатом периодического действия с продолжительным циклом получения отливок. После заливки форм останавливают центробежный стол, охлаждают в вакууме отливки до температуры 300 - 400 оС, производят разгерметизацию камеры печи и извлекают контейнер с литейными формами.
ПЗУ ДВЛ-160М (рис.30) отличается более высокой производительностью, так как является многопозиционной. Она состоит из одной плавильной 1, трех заливочных камер 2 и стенда приварки электродов 3. В каждой заливочной камере размещен центробежный стол диаметром 2250 мм.
Плавильная камера перемещается на тележке 4 над стендом приварки и заливочными камерами по рельсам 5. Стыковка плавильной камеры с заливочными камерами производится при помощи вакуумных затворов. Каждая заливочная камера имеет свою вакуумную систему. Плавка ведется в графитовом тигле емкостью 400 кг. После разливки плавильная камера отсоединяется от заливочной камеры без нарушения в них вакуума и перемещается по рельсам к следующей заливочной камере, подготовленной к заливке.
Технологический процесс плавки титановых сплавов в любой ПЗУ проводится в следующей последовательности: подготовка печи к плавке, установка и приварка расходуемого электрода к огарку или электрододержателю, создание вакуума в камере печи, плавка металла и заливка форм.


Рис. 29. Вакуумная плавильно-заливочная установка 833Д


Рис. 30. Вакуумная плавильно-заливочная установка ДВЛ-160М

Приварка расходуемого электрода производится в вакууме с остаточным давлением 67 – 13 Па. Электрододержатель (огарок) подводится к электроду и за счет электрической дуги на торце электрода расплавляют лунку жидкого металла. Далее выключается электрический ток и электрододержатель прижимается к оплавленному электроду.
Герметизация печи и откачка вакуума длятся от 20 до 40 мин.
Пока в ПЗУ наибольшее применение нашли графитовые тигли с водяным охлаждением стенок через водоохлаждаемый медный токоподвод. Дно охлаждается за счет теплового излучения. Толщина стенок тигля от 60 мм в нижней части до 20 мм вверху. Толщина дна достигает до 100 мм. Тигли могут быть изготовлены из меди или нержавеющей стали, но их применение сдерживается из-за опасности проплавления и взрыва.
Перспективным методом является индукционный способ плавки в «холодных» тиглях.

Вопросы для самоконтроля

Почему необходима вакуумная плавка титана?
Какая глубина вакуума необходима при плавке титана?
Как влияют на свойства титановых сплавов примеси?
Принцип работы вакуумной гарнисажной печи?
Что такое гарнисаж?
Из чего выполнен тигель гарнисажной печи?
Какова оптимальная толщина гарнисажа?
Какая сила тока необходима для плавления титана?
Можно ли переплавлять отходы в гарнисажных печах?
Как готовят отходы к переплавке?
Можно ли вести разливку расплава с включенной дугой?
Где размещается литейная форма при гарнисажной плавке?
Из чего выполняются расходуемые электроды?
Как осуществляется приварка электродов?
В какие литейные формы заливают титановые сплавы?
Что предусмотрено в ПЗУ для улучшения заполняемости форм?
Назовите основной недостаток печей периодического действия.

6. Плавка меди и медных сплавов

В промышленности широко используются как чистая медь, так и различные литейные, и деформируемые сплавы на медной основе: оловянные бронзы, безоловянные (специальные) бронзы и латуни.
Оловянные литейные бронзы (ГОСТ 613-79) обладают хорошими литейными, механическими и эксплуатационными (коррозионными и антифрикционными) свойствами. Из них изготовляют арматуру, подшипники, шестерни, втулки, работающие в условиях трения. Оловянные бронзы имеют большой интервал кристаллизации (150 – 200 °С), поэтому отливки могут быть подвержены газоусадочной пористости. Наиболее вредными примесями являются алюминий и кремний.
Безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79) по механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам не уступают оловянным, а по некоторым превосходят их. Более широкое распространение получили алюминиевые бронзы. Из них изготовляют детали зубчатых и червячных передач, гребные винты и др. детали. Алюминиевые бронзы относятся к сплавам с узким интервалом кристаллизации.
Литейные латуни (ГОСТ 17711-80) в зависимости от состава имеют широкий диапазон механических и эксплуатационных свойств. Для изготовления фасонных отливок чаще всего используются кремнистая латунь ЛЦ16К4 и свинцовистая латунь ЛЦ40С, а также высокопрочные сложнолегированные латуни (ЛЦ23А6Ж3Мц2 и др.).
В чистом виде медь применяют для изготовления таких фасонных отливок, как фурмы доменных печей и кислородных конвертеров, а также токопроводящих фасонных изделий.
Медь является дефицитным цветным металлом, поэтому при получении изделий из меди и медных сплавов особое внимание обращается на разработку малоотходных экономичных технологических процессов плавки и литья. В качестве шихтовых материалов широко применяются вторичные чушковые сплавы и собственный возврат.
Плавка чистой меди и каждой группы сплавов на ее основе имеет свои отличия, но они базируются на общих закономерностях, которые рассмотрены ниже.
6.1. Физико-химические особенности плавки меди и медных сплавов

Медь имеет плотность 8,96 г/см3, температуру плавления 1083°С, а температуру кипения 2595 °С.
Наиболее важными для плавки меди являются такие физико-химические процессы, как взаимодействие расплава с кислородом, водородом, серой, а также с футеровкой, печи, шлаками и флюсами.
Плавку меди можно вести на воздухе, в среде защитных газов, под защитным покровом и в вакууме. При плавке на воздухе медь окисляется до закиси Сu2О, которая в дальнейшем растворяется в расплаве. При 1200 °С в меди может быть растворено до 1,5 % кислорода в виде Сu2О. При кристаллизации закись меди образует эвтектику Сu – Сu2О, которая располагается по границам зерен и снижает пластичность сплавов
Расплавленная медь взаимодействует с сернистым газом, образуя растворимый сульфид Сu2S, который также ухудшает пластические свойства.
Медь в ходе плавки интенсивно поглощает водород. При температурах перегрева до II00 – I300 °С растворимость водорода может достигать 5-7 см3/100 г. Источниками водорода при плавке меди и медных сплавов служат водяной пар, а также влага, попадающая в расплав из свежей футеровки, шихты и флюсов. Наибольший вклад в насыщение водородом вносит водяной пар. Его парциальное давление в печной атмосфере в реальных условиях колеблется в пределах от 0,0001 до 0,02 МПа. В практических расчетах допустимо считать, что РН2 ( РН2О и для расчета равновесной концентрации водорода в расплаве пользоваться известным уравнением Сивертса

13 EMBED Equation.3 1415

где КН - растворимость водорода в сплаве при расчетной температуре и давлении РН2 = 0,101 Мпа.
Растворение водорода идет тем интенсивнее, чем выше температура (рис. 31). При температуре плавления растворимость возрастает скачкообразно в 2-3 раза. По сравнению с другими металлами растворимость водорода в меди не так уж и велика, но существенная разность растворимостей в жидком и твердом состояниях указывает на возможность появления газовой пористости.
Легирующие элементы и примеси меняют растворимость водорода. Так, между содержанием кислорода и водорода, как видно из рис. 32, в расплаве меди устанавливается динамическое равновесие. Чем больше в меди кислорода, тем меньше будет её насыщение водородом, и наоборот. Влияние других элементов показано на рис. 33. Более склонны к насыщению водородом бронзы и латуни, легированные никелем, железом, хромом и марганцем.












Рис. 31. Влияние температуры на растворимость водорода в различных металлах: 1 – в алюминии; 2 – в меди; 3 – в железе; 4 – в никеле; 5 – в магнии

При кристаллизации и охлаждении отливок избыточный водород ухудшает свойства медных сплавов, способствует образованию в отливках газовой или газоусадочной пористости. Предельно допустимая концентрация водорода зависит от скорости охлаждения. При литье в кокиль (быстрое охлаждение) можно допустить более высокое содержание водорода, чем при литье в песчаные формы.
В любом случае при плавке необходимо принимать меры против насыщения расплава водородом и проводить дегазацию перед разливкой.
Расплавы меди и медных сплавов могут вступать в химическое взаимодействие с материалом футеровки и огнеупорных тиглей. Наиболее пригодны для данных сплавов футеровки из основных материалов: магнезита и хромомагнезита. При использовании кислых футеровок для плавки окисленной меди возможно оплавление футеровки из-за образования легкоплавких силикатов:

mCu2O + nSiO2 ( mCu20(nSi02.

При плавке бронз с повышенным содержанием свинца в печах с шамотной футеровкой может наблюдаться интенсивное разъедание огнеупоров за счет образования легкоплавких эвтектик (715 °С) в системе Pb0-Si02.



Рис. 32. Зависимость растворимости водорода в меди от содержания кислорода при 1473 К (кривая Аллена)



Рис. 33. Влияние некоторых элементов (Хi) на равновесную растворимость водорода в меди при 1423 К и РН2 = 0,101 МПа

На практике для плавки меди и медных сплавов широко применяют графитошамотные плавильные тигли (смесь шамота с 30-40 % графита).
Для предохранения расплава от взаимодействия с газами печной атмосферы, плавку необходимо вести быстро, целесообразно применять защитные покровы из древесного угля. Уголь должен быть тщательно просушен, а ещё лучше прокален, для удаления адсорбированной влаги и продуктов сухой перегонки, в противном случае может произойти насыщение расплава водородом.

6.1.1. Раскисление меди и медных сплавов

Даже при плавке под защитными покровами и флюсами происходит частичное окисление меди. Кислород является нежелательной примесью в меди и медных сплавах, его необходимо удалить из расплава. Этот процесс называется раскислением. Раскисление осуществляют путем введения в расплав более активных к кислороду, чем медь, веществ – раскислителей, чтобы восстановить растворенную в расплаве закись меди. Раскислители могут быть разделены на две группы: поверхностные нерастворимые и объемные растворимые в металле.
К первой группе относятся: карбид кальция СаС2 , борид магния Мg3B2, углерод и борный шлак B2O2(МgО. Процесс раскисления может быть описан следующими реакциями:

5Сu20 + СaС2 = СаО + 2СОг + 1ОСu,

5Cu2 О + Мg3 B2 = ЗМgО + B2O2 + 1ОСu,

2Сu2О + С = СО2 + 4Сu,

Cu2O + B2O2(MgO = MgO(B2O3 + 2Cu.

Реакции раскисления идут только на поверхности контакта расплава и раскислителей, поэтому процесс идет медленно. Для ускорения рекомендуется замешивать раскислители в расплав.
Преимуществом раскислителей первой группы является то, что они не переходят в расплав и не ухудшают качества металла.
Расход поверхностных раскислителей составляет 1-3 % от массы расплава.
К растворимым раскислителям относят:
раскислители, дающие газообразные продукты раскисления, (водород, углеводороды и окись углерода);
раскислители, образующие парообразные или жидкие продукты раскисления (фоcфор, литий);
раскислители, дающие твердые продукты раскисления (кальций, магний, алюминий, кремний, марганец).
Растворимые раскислители восстановливают медь по всему объему расплава, поэтому процесс протекает значительно быстрее.
Восстановление окислов раскислителями 2-й и 3-й групп (R) может быть описано реакцией

[Сu2О] + [R] ( (RО) + 2[Сu].

В качестве растворимых раскислителей чаще всего применяют фосфор, литий и бор. Они образуют продукты раскисления, которые легко удаляются из расплава. Следует иметь в виду, что избыток раскислителя остается в расплаве и может оказывать неблагоприятное воздействие на эксплуатационные свойства меди. Так, фосфор резко снижает электропроводность.
В литейных цехах при плавке меди и сплавов, от которых не требуется высокая электропроводность, наибольшее распространение получило раскисление фосфором. Его вводят в расплав в виде лигатуры медь - фосфор (8-12 % Р ). При введении медно-фоcфорной лигатуры возможно протекание следующих реакций:

5Cu2O + 2P ( P2 O5 + 1OСu,

P2O5 + Cu2O (2CuPO3,

ЗСu2О +Р ( СuРО3 + 5Cu.

Фосфорно-кислая соль СuРО3 при температуре свыше 1000 °С находится в жидком состоянии и всплывает на поверхность расплава.
Для получения бескислородной меди, идущей на электротехнические цели, применяют вакуумный переплав, а при плавке в открытых печах производят так называемое "дразнение". Для этого с поверхности расплава снимают шлак, засыпают слой прокаленного древесного угля и создают в печи восстановительную атмосферу (горение топлива с недостатком воздуха). В расплав погружают сырую древесину. Водяной пар и углеводороды - продукты сухой перегонки древесины интенсивно перемешивают расплав, разбрызгивают медь, выбрасывая капли в восстановительную атмосферу. Восстановление меди протекает пo реакциям:

Сu2О +СH4 = СO2 +2H2O + 8 Cu

Сu2О + СO4 = СO2 + 2Сu ,

2Сu2O + С = СO2 + 4Сu,

Сu2О + H2 = Н2О + 2Сu .

Результаты раскисления проверяются путем определения концентрации кислорода в расплавленной или твердой меди. Содержание кислорода в расплавленной меди определяют путем измерения его активности с использованием концентрационных гальванических ячеек. Одним из электродов такого гальванического элемента служит исследуемый расплав, а другой электрод имеет постоянный окислительный потенциал
Содержание кислорода в твердой меди определяют металлографическим путем по площади, занимаемой эвтектикой Сu+Сu2O или методом вакуум - плавления.
Наиболее простым способом проверки степени раскисленности меди является изучение характера и вида излома плоского слитка из выплавленного сплава. Окисленная медь легко ломается. В изломе имеет грубую кристаллическую структуру темно-красного (кирпичного) цвета. После раскисления медь приобретает большую пластичность. Излом становится мелкокристаллическим светло-розового цвета. Сравнивая излом слитка с эталонами, можно по углу изгиба и цвету определить примерное остаточное содержание кислорода.

6.1.2. Рафинирование и дегазация медных сплавов

Меди и медные сплавы выплавляют с использованием различных покровов или защитных флюсов. Лучшим покровом считается прокаленный древесный уголь. Сгорая на поверхности расплава, уголь создает восстановительную атмосферу и тем самым уменьшает скорость окисления. Кроме того, уголь является хорошим поверхностным раскислителем. Преимуществом покрова из древесного угля является и легкость его удаления с расплава перед заливкой.
Для получения качественных отливок расплавы медных сплавов необходимо очистить от неметаллических включений и растворенного водорода.
Дегазацию медных расплавов осуществляют путем продувки азотом или инертными газами, вакуумированием и обработкой хлористыми солями.
Продувку газами ведут при температуре II50-I200 °С в течение 5-10 мин. давление газа 19,6-29,4 кПа.
Хлористые соли (МnСl2, ZnCl2 ,C2Cl6. и др.) вводят "колокольчиком" при II50-I200 °С в количестве 0,1-0,22 % от массы расплава. Разливку сплава производят через 5-10 мин после обработки.
Вакуумирование ведут при остаточном давлении 0,66-1,3 кПа в течение 16-25 минут при температуре 1150-1300 °С. Нельзя вакуумировать сплавы, содержащие компоненты с высоким давлением пара, например цинк, чтобы избежать высоких потерь этих элементов.
Неметаллическими включениями чаще загрязнены сплавы, легированные легкоокисляющимися элементами, алюминием, титаном, бериллием, цирконием. Для очистки расплава от окислов этих элементов наиболее эффективна фильтрация через зернистые и жидкие фильтры, а также стеклоткань.
Для предотвращения загрязнения сплава газами и включениями плавку обычно ведут с применением покровов или флюсов. Наиболее часто используют покров из древесного угля, который сгорает на поверхности, создает восстановительную атмосферу и защищает сплав от окисления и насыщения водородом.
Покровно-рафинирующие флюсы для медных сплавов готовят на основе стекла (nSiO2 mNa2O), буры(Na2B4O7) и кальцинированной соды Na2CO3. Для медных сплавов нет универсальных составов флюсов, которые полностью удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым к ним. Флюсы на основе стекла хорошо покрывают расплавы и практически не взаимодействуют с футеровкой, но они имеют высокую вязкость. Флюсы на основе буры более дефицитные. Они маловязкие и легко взаимодействуют с кислой футеровкой. Добавки фтористых солей улучшают технологические свойства флюсов, но делают их более агрессивными по отношению к футеровке.
Состав флюсов выбирают для каждой марки сплава в зависимости от конкретных условий производства. Составы некоторых флюсов для плавки медных сплавов приведены в таблице 15.

Таблица 15
Составы флюсов для плавки медных сплавов


N п/п


Состав, % (по массе)

Назначение

1
41 – 47 SiO2; 25 – 32 MnO2; 10 – 15 Na2O; 11 – 14 Al2O3
Покровные флюсы для оловянных бронз при плавке в печах с шамотной футеровкой

2
50 SiO2; 30 Na2B4O7; 20 СuО


3
10 – 30 SiO2; Na2B4O7 - ост.
Покровный флюс для оловянных бронз при плавке в печах с магнезитовой футеровкой

4

7 Na2B4O7; 60 Na2CO3; 33 CаF2
Покровно-рафинирующий для оловянных бронз

5
30 SiO2; 30 Na2CO3; 40 CаF2
Покровные флюсы для кремнистых и простых латуней

6
50 Na2CO3; 50 CаF2


7
50 Na2CO3; 50 – бой стекла
Покровный для алюминиевых бронз

8

60 NaCl; 30 Na2CO3; 10 Na3AlF6
Покровный флюс для латуней

9
50 Mg F2; 50 CаF2
Покровно-рафинирующие для алюминиевых бронз


10
20 CаF2; 60 NaF; 20 Na3AlF6


11
35 KCl; 10 NaCl; 25 Na3AlF6; 28 Na2B4O7; 2 древесный уголь


12

50 силикат-глыба (mNa2O nSiO2); 30 Na2B4O7; 20 Na3AlF6


13
90 – бой стекла; 10 - CаF2






6.2. Технологические особенности плавки меди и медных сплавов

Для плавки меди и медных сплавов можно использовать любые печи, которые позволяют быстро нагреть металл до температуры 1100 – 1300 оС. Это могут быть тигельные, отражательные, дуговые и индукционные печи. С учетом того, что медь является дефицитным металлом, выбирают печи, в которых наблюдаются наименьшие потери металла на угар и потери со шлаком. В этом отношении лучшие результаты достигаются в индукционных печах. Угар в них не превышает 1,5 %. Для сравнения в отражательных печах потери металла могут достигать до 8 %, если не применять защитные покровы и флюсы. При плавке в таких печах под флюсами или древесным углем потери снижаются, но остаются весьма высокими (2,5 – 4,5 %).
Индукционные печи различного типа (тигельные печи высокой, средней или промышленной частоты или канальные с железным сердечником) получили наибольшее распространение. Из других плавильных агрегатов в малых литейных цехах можно встретить электродуговые барабанные печи с косвенной дугой и тигельные топливные печи.
Конструкции индукционных тигельных печей рассмотрены ранее при плавке алюминиевых сплавов. Футеровку этих печей для меди и медных сплавов выполняют из шамота, динаса, кварца или графита. Эти печи можно применять для плавки любых медных сплавов.
При плавке латуней хорошо зарекомендовали себя индукционные канальные печи с железным сердечником типа ИЛТ. Схема такой печи приведена на рис. 34.
Основными элементами канальной печи являются ванна 1, футерованная огнеупорным материалом и заключенная в кожух. Для выпуска металла в футеровке выполнен сливной носок 2. Кольцевой канал 4 выполнен в подовом камне. Канал образует кольцо (виток) вокруг магнитопровода 3 из листовой трансформаторной стали. Индуктор 5 изготовлен из медной трубки с электрической изоляцией. Индуктирование вихревых токов и выделение тепловой энергии происходит в расплавленном металле, находящемся в канале печи.


Рис. 34. Схема индукционной канальной печи

Под воздействием магнитного поля, а также нагрева расплава, в канале начинается циркуляция жидкого металла. В перемешивание вовлекается и металл в ванне печи. До начала работы канал должен быть заполнен жидким металлом из другой плавильной печи. Чтобы обеспечить плавление загружаемой шихты, в канале должен сохраняться расплав. Поэтому при сливе готового расплава в печи оставляют часть его, составляющую от 40 до 60 % от полезной вместимости ванны. Этот остаток называется «болото».
На некоторых предприятиях по настоящее время сохранились печи, разработанные специально для плавки медных сплавов. К ним относятся топливная печь «Мечта» (рис. 35) и дуговые однофазные печи с косвенным нагревом типа ДМК и ДМ (рис. 36).
Для топливных тигельных и индукционных печей при плавке меди и медных сплавов широко используют стандартные тигли, спрессованные из графита или графито-шамота. Эскиз таких тиглей и их конструктивные размеры приведены в таблице 16.
В настоящее время многие фирмы производят огнеупорные графитосодержащие тигли для плавки цветных металлов и сплавов, а также тигли для плавки драгоценных металлов.


Рис. 35. Плавильная печь для медных сплавов «Мечта»: 1 – форкамера для сжигания топлива; 2 – плавильная камера
















Рис. 36. Электродуговая печь с косвенным нагревом для плавки медных сплавов: 1 – обод; 2 – кожух печи; 3 – тепловая изоляция;4 – футеровка; 5 – графитизированный электрод; 6 – водоохлаждаемая коробка; 7 – электрододержатель; 8 – механизм перемещения электрода; 9 – электрическая дуга; 10 – рабочее окно; 11 – ролик для вращения печи; 12 – механизм поворота
Таблица 16


Для перемешивания расплава используют графитовые палочки.
Температурный режим и последовательность операций плавки устанавливают исходя из конкретных условий производства. Полученный сплав по должен соответствовать требованиям ГОСТа или технических условий по содержанию основных компонентов и примесей, быть свободным от неметаллических включений и газов и обладать заданными физико-механическими свойствами.
Выполнение этих требований зависит от следующих факторов:
вида плавильной печи и характера взаимодействия расплава с печной атмосферой, футеровкой и покровом;
состава шихты и ее подготовки к плавке;
последовательности загрузки и расплавления частей шихты;
скорости плавления и температурного режима плавления;
методов металлургической обработки расплава (рафинирования, модифицирования);
температурного режима разливки сплавов.
Ниже рассмотрены технологические процессы плавки меди и различных видов медных сплавов. Основное внимание и будет обращено на перечисленные факторы.

6.2.1. Плавка чистой меди

Плавку чистой меди обычно проводят в заготовительных цехах. Для производства отливок чистая медь применяется редко, но иногда такая необходимость возникает в литейном цехе. В этом случае используют плавильные агрегаты, которые применяются в цехе для плавки других медных сплавов. Обычно это индукционные плавильные установки с графитошамотными тиглями. Футеровка печи может быть выполнена из молотого кварцита с бурой в качестве связующего.
При плавке меди промышленной чистоты марок М0, М1, М2 в качестве шихты можно использовать катодную медь соответствующих марок и отходы. Разделанные на куски катоды и отходы загружают в тигель, на дно которого загружена часть древесного угля и сверху вновь засыпают древесным углем. После расплавления поверхность металла должна быть постоянно закрыта слоем угля толщиной 150 – 200 мм. Уголь предохраняет расплав от окисления и одновременно служит раскислителем. Плавку меди ведут с максимально возможной скоростью. Дополнительное раскисление фосфорной медью можно не проводить, так как остаточный фосфор отрицательно сказывается на свойствах меди.
Расплав перегревают до температуры не выше 1200 °С и быстро разливают по формам или в изложницы.

6.2.2. Плавка оловянных бронз

Качество расплава зависит от состояния шихтовых материалов и условий плавки, т. е взаимодействия металла с атмосферой, футеровкой печи и с защитными покровами. Продолжительность плавки должна быть минимальной, чтобы снизить угар дефицитных металлов.
В литейных цехах для плавки бронз выбирают индукционные тигельные печи. Тигли могут быть графитошамотные или граффито- корундовые. Более высокая стойкость достигается при плавке в печах с набивной футеровкой.
Оловянные бронзы можно выплавлять из чистых металлов либо из вторичных чушковых сплавов. Из экономических соображений чистые металлы используют только для отливок ответственного назначения. Примеси, которые всегда присутствуют во вторичных сплавах, существенно снижают технологические свойства оловянных бронз.
При плавке из чистых металлов расплавляют медь под покровом древесного угля и подогревают до 1150 -1200 °С. Медь раскисляют фосфором. Расчетное количество фосфора зависит от содержания кислорода. При плавке в тигельных индукционных печах содержание кислорода не превышает 0,01 – 0,04 %. Одна часть фосфора связывает 1,8 частей кислорода, поэтому для раскисления необходимо ввести 0,005 – 0,02 % фосфора. Максимальное насыщение кислородом (0,04 – 0,1 %) происходит в пламенных печах. В этом случае необходимо ввести 0,02 – 0,05 % фосфора. Указанные концентрации фосфора рекомендуется увеличить на 20 – 30 %. Фосфор вводят в виде медно- фосфорных лигатур МФ9, МФ10 или МФ13 (см. табл.1.). Цифра в маркировке указывает среднее содержание фосфора. Таким образом, количество вводимой лигатуры примерно в 10 раз больше расчетного количества фосфора. Лигатуру подогревают до 500 – 700 °С, кусочками (лигатура хрупкая и легко раскалывается на части) вводят расплав и перемешивают графитовыми мешалками до полного растворения.
В раскисленную медь вводят цинк, затем олово и отходы. Последним в расплав вводят свинец и нагревают до 1100 – 1200 °С, рафинируют хлористым цинком или продувкой азотом и разливают по формам.
Плавка оловянных бронз из шихты на основе чушковой бронзы ведется быстрее. В тигель можно загрузить всю шихту (чушки и отходы) одновременно. При плавке бронзы происходит повышенный угар цинка. Это учтено в химическом составе чушковых бронз. Содержание цинка в них на 1 % больше, чем в одноименных стандартных литейных бронзах, поэтому дополнительная подшихтовка цинком при плавке не требуется. После полного расплавления расплав перегревают до 1100 – 1200 °С, и вводят медно-фосфорную лигатуру в количестве 0,2 – 0,4 %. Это облегчает удаление твердых оксидов цинка, так как образуются жидкие продукты раскисления – фосфаты 3ZnО·P2O5. Фосфор оказывает благотворное влияние на жидкотекучесть бронз, но избыток фосфора может привести к нежелательным последствиям при литье в сырые песчаные формы. При взаимодействии расплава с формой выделяется водород, который может вызвать пористость отливок. При литье толстостенных отливок (20 – 40 мм) содержание фосфора не должно превышать 0,01 – 0,02 %. Для тонкостенных отливок допускается 0,02 – 0,04 % фосфора.
Кроме покровов из древесного угля для оловянных бронз можно использовать и покровы из древесного угля с добавками буры (0,1 – 0,2 %) или других флюсов. Защитные свойства таких комбинированных покровов лучше, чем у древесного угля. Используют и жидкие покровные солевые флюсы № 1 – 4 (см. табл. 15). Флюсы загружают вместе с шихтой и, при необходимости, добавляют на зеркало расплава.
Как указывалось ранее, дегазацию расплава осуществляют путем продувки осушенным азотом. Время продувки составляет от 3 до 10 мин в зависимости от емкости печи. Расход азота составляет 0,6 – 0,8 л/(мин кг). При плавке небольшого количества бронзы дегазацию удобнее проводить хлористыми солями. Чаще используют хлористый цинк, так как цинк входит в состав бронзы. Навеску соли в количестве 0,1 – 0,5 % от массы металла вводят в расплав при помощи колокольчика или утяжеленных таблеток.
Преимуществом индукционных печей является и то обстоятельство, что благодаря интенсивному перемешиванию расплава предотвращается гравитационная ликвация свинца, который входит в состав большинства оловянных бронз.
Следует учитывать, что наиболее вредной примесью для оловянных бронз является алюминий. Если в цехе ограниченное количество плавильных печей и приходится выплавлять оловянную бронзу в том тигле, в котором ранее выплавляли алюминиевую бронзу или латунь, то необходимо провести промывочную плавку чистой меди. Расплав разливают в изложницы, маркируют и используют в качестве шихты для плавки медных сплавов, содержащих алюминий. Так же поступают и при необходимости плавить алюминиевую бронзу после оловянной.



6.2.3 Плавка безоловянных бронз

Технология плавки безоловянных бронз определяется физико-химическими особенностями основного легирующего элемента. Наибольшее распространение в промышленности получили алюминиевые бронзы. Поэтому основное внимание будет уделено плавке этих сплавов.
Плавку алюминиевых бронз можно вести в различных плавильных агрегатах: нефтяных или газовых тигельных и отражательных печах, электрических дуговых или индукционных печах. Отражательные и электрические дуговые печи применяют при больших объемах производства отливок, тигельные печи целесообразно использовать в небольших литейных цехах и участках.
Для тигельных печей обычно выбирают стандартные графитошамотные тигли.
Если до приготовления алюминиевых бронз в печи выплавляли другие сплавы, содержавшие олово, свинец, кремний или цинк, то необходимо провести промывочную плавку меди.
В качестве шихты используют чистые металлы, чушковые бронзы, лигатуры и отходы литейного производства. Стружка и мелкие отходы могут быть использованы только после предварительного переплава. Количество оборотных отходов и чушек переплава стружки известного состава может достигать до 75 %. Если при многократных переплавах содержание примесей и газов достигнет верхнего предела, то производят освежение шихты чистыми металлами.
Из чистых металлов используют катодную медь марок от М00 до М2, алюминий первичный А7, А6 или А5, никель марок Н-2, Н-3,Н-4 и марганец марокМр1, Мр2, Мр3. Железо вводят в виде обрезков мягкой стали (листы, проволока, дробленая стружка). Но все компоненты бронзы рекомендуется вводить в виде двойных или даже тройных лигатур.
Основные трудности при плавке алюминиевых бронз связаны с повышенной склонностью к насыщению водородом и образованию твердых оксидных плен, загрязняющих расплав.
Перед началом плавки печь или тигель тщательно очищают от остатков металла и шлака и нагревают до температуры 600 – 700 °С (до вишнево-красного каления).
В чистый тигель или на под печи загружают медь и железо (если оно входит в состав бронзы). Часть меди рекомендуют оставить до конца плавки. Возвраты и чушки загружают вместе с медью. Медь плавят под покровом из древесного угля. Хорошо просушенный древесный уголь, засыпают на твердую шихту и добавляют в ходе плавки, если открывается зеркало металла. Вместо древесного угля можно использовать флюсы, например флюс, содержащий 90 % битого стекла и 10 % плавикового шпата. В расплавленную и подогретую до 1200 °С медь для раскисления вводят фосфористую медь в количестве 0,3 – 0,4 % от массы.
Чистые металлы (кроме алюминия) вводят перед лигатурами: сначала железо, потом марганец и никель.
Все лигатуры подогревают и загружают в той же последовательности, что и чистые металлы.
При плавке алюминиевых бронз недопустимы высокие перегревы, способствующие образованию оксидов. Введение чистого алюминия в медь сопровождается существенным повышением температуры расплава из-за высокой теплоты растворения. В связи с этим алюминий вводят в несколько приемов, перемешивая сплав после каждой порции. Для снижения перегрева в расплав вводят остатки меди.
Для очистки расплава от включений Al2О3 расплав необходимо рафинировать жидкими флюсами из смесей хлористых и фтористых солей щелочных элементов. Наибольший эффект достигается при использовании флюсов, содержащих криолит Na3AlF6.
Процесс рафинирования можно ускорить, если расплав вливать в ковш с флюсом, расплавленным в дополнительной флюсовой печи. Очистить расплав можно и хлористыми солями (МnСl2, С2Сl6 и др.), которые вводят графитовым колокольчиком. Его плавными движениями перемещают по всему объему расплава. Всплывающие пузырьки хлористого алюминия смачиваю оксиды и выносят на поверхность в шлак. После обработки в течение 30 – 60 с металл выдерживают в течение 3 – 10 мин для полного всплывания твердых частиц.
Хорошие результаты достигаются и при продувке расплавленной бронзы азотом или аргоном в течение 5 – 7 мин с удельным расходом газа 0,05 л/мин через пористые насадки.
При получении отливок ответственного назначения, и в первую очередь крупных толстостенных отливок, рекомендуется проводить модифицирование ванадием, вольфрамом, бором, титаном или цирконием. Модификаторы вводят в виде лигатур с медью или с алюминием. В количестве 0,05 – 0,15 % при температуре 1200 – 1250 °С.
При разливке алюминиевых бронз по формам большое значение имеет температура расплава. Оптимальные температуры разливки при фасонном литье лежат в интервале 1100 – 1200 °С. При температурах ниже оптимальной на поверхности расплава образуется твердая малопластичная оксидная пленка, которую трудно отделить от расплава. При повышенных температурах растет скорость окисления алюминия и увеличивается количество плен.
Надежным способом удаления твердых неметаллических частиц является фильтрация через сетчатые, зернистые или пористые керамические фильтры. Для зернистых фильтров крошку (5 – 10 мм) магнезита, алунда, фторидов кальция и магния. Толщина слоя от 60 до 150 мм. Перед фильтрацией зернистые фильтры подогревают до 700 – 800 °С.

6.2.4 Плавка латуней

Наибольшая экономичность при плавке латуней достигается в индукционных канальных печах с железным сердечником типа ИЛК или ИЛКА. Эти печи используют в специализированных цехах с высоким объемом производства. В небольших литейных цехах наибольшее распространение получили индукционные тигельные печи (ИЛТ, ИЧТ или ИСТ) с набивной футеровкой из кварцита или высокоглиноземистого шамота. Как и для других медных сплавов, удобно использовать прессованные графито-шамотные тигли.
Цинк имеет низкую температуру кипения (907 оС). Высокая упругость паров цинка в расплавленном состоянии приводит к значительным потерям (от 0,5 до 5,0 %) этого элемента путем угара. Проведение плавки с минимальным угаром и потерями металла является основным требованием при разработке технологии плавки латуней.
Двойные латуни (Л63, Л68 и др.) выплавляют из чистых металлов, вторичных сплавов и отходов собственного производства. Сначала расплавляют медь под покровом из древесного угля и раскисляют фосфором. В расплав вводят цинкосодержащие отходы и вторичную латунь. Сплав нагревают до 1000 – 1050 оС и перед разливкой, если необходимо по расчету, вводят цинк. Медь можно и не раскислять, так как цинк сам является хорошим раскислителем
Литейные латуни плавят из шихты, в состав которой входят металлы промышленной чистоты, лигатуры, вторичные чушковые латуни и собственные отходы. Чушковые вторичные сплавы выпускаются для всех марок литейных латуней. Использование чушек готового состава существенно упрощает плавку, повышает производительность плавильных агрегатов и снижает себестоимость отливок. Необходимо иметь в виду, что чушковые сплавы содержат повышенное количество примесей. Перед плавкой необходимо свериться с сертификатом, а еще лучше произвести химический анализ чушковой латуни, и сделать вывод о допустимом количестве этой составляющей в шихте.
Латунь для отливки можно получить путем переплава соответствующего чушкового сплава. В этом случае в разогретый тигель печи загружают чушки и крупные собственные отходы. Если на складе имеется стружка или другие мелкие отходы, то для уменьшения угара их перемешивают с флюсом и загружают на расплав. При плавке необходимо использовать защитные покровы.
При плавке многокомпонентных литейных латуней из шихты, содержащей чистые металлы, сначала расплавляют медь, перегревают до 1130 – 1150 оС и раскисляют фосфором. Плавку меди нужно вести быстро под древесным углем или под флюсами (см. табл. 15). Вместе с медью можно загрузить лигатуры с тугоплавкими добавками (железо, марганец, никель). Затем в расплав погружают чушки и крупные отходы. Легкоплавкие (алюминий, свинец, олово) и легкоокисляющиеся компоненты (кремний) вводят в конце плавки.
Для удаления неметаллических включений литейные латуни подвергают рафинированию хлористым марганцем. Разливку латуней по формам рекомендуется осуществлять через фильтры.
Наибольшие сложности возникают при плавке кремнистых и алюминиевых латуней.
Кремнистые латуни отличаются повышенной склонностью к поглощению водорода, особенно в присутствии примесей алюминия. Перед началом плавки печь тщательно очищают от остатков металла предыдущей плавки. Если в печи проводилась плавка сплавов, содержащих вредные для кремнистой латуни примеси (например, алюминий или олово в одноименных бронзах), то рекомендуется провести промывочную плавку.
Газонасыщенность резко возрастает при температурах выше 1100 оС, поэтому расплавы кремнистой латуни нельзя перегревать и выдерживать при высоких температурах. Плавку ведут под покровными флюсами (№ 5 и 6 в табл. 15) Кремний лучше вводить лигатурой медь – кремний (20 % Si). После расплавления заливается технологическая проба на излом и газонасыщенность. Если излом мелкокристаллический, а поверхность, вогнутая от усадки без наплывов и выпотов, то сплав разливают по формам при температуре 950 – 980 оС. Если поверхность выпуклая со следами вздутий, выпотов, то расплав подвергаю дегазации путем продувки азотом или аргоном. При использовании вторичной латуни необходимо отбраковать чушки с белесой поверхность и вздутой поверхностью. Это явные признаки, что латунь содержит примеси алюминия и имеет повышенное содержание растворенного водорода.
Латуни, содержащие алюминий, склонны к пленообразованию. Они не допускают больших перегревов. Лигатуру медь – алюминий вводят только в хорошо раскисленную медь. Плавку ведут под покровным флюсом. Для удаления плен расплав рафинируют хлористыми солями или продувкой газом.

6.2.5. Плавка медноникелевых сплавов

Медноникелевые сплавы по своему составу могут быть приравнены к безоловянным бронзам. Но они имеют и существенные отличия. Так температура плавления гораздо выше, чем у остальных медных сплавов. Температура в плавильной печи может достигать 1350 – 1450 оС. при таких температурах выше опасность насыщения кислородом и водородом.
Присутствие в сплавах никеля увеличивает растворимость углерода, что затрудняет выбор огнеупорных футеровок и защитных покровов.
Плавку медноникелевых сплавов можно вести в индукционных тигельных и электродуговых печах. Футеровку предпочтительнее выполнять основной из сухих набивных масс (98 % магнезита и 2 % буры). Можно рекомендовать и высокоглиноземистую футеровку на основе дистенсиллиманита с добавками электрокорунда (40 – 45 %) и 1,5 – 2,0 % борной кислоты. Удобно использовать и графитошамотные тигли. В этом случае сплав не должен перегреваться до температуры выше 1350 оС. Лучше выбирать специальные графитошамотные тигли глазурованные изнутри. На поверхности таких тиглей графит отсутствует, и опасность насыщения металла углеродом снижается.
Медноникелевые сплавы готовят из чистых металлов и возвратов до 50 %. Стружку и мелкие отходы рекомендуется предварительно переплавить, разлить в чушки и затем вводить в состав шихты.
Плавка мельхиора. Эти сплавы (МН19, МНЖМц30-1-1) имеют высокую температуру плавления. Необходима защита от окисления и насыщения газами. Если использовать защитные покровы из древесного угля, то содержание углерода превысит допустимые 0,5 %. В связи с этим в качестве защитного покрова рекомендуется применять жидкие флюсы на основе жидкого стекла и буры. Допускается использование комбинированного углеродосодержащего флюса состоящего из 30 – 40 % древесного угля, 45 – 60 % стекла и 10 – 15 % криолита или флюса следующего состава: 16 – 20 % боя графита, 9 – 12 % буры; остальное – бой шамота или графитшамотных тиглей. В контакте с углеродосодержащими покровами расплав должен находиться не более 10 мин.
В тигель сначала загружают никель и железо, и крупные отходы. Затем добавляют чистый марганец или лигатуру Cu – Mn и куски меди. После расплавления расплав перемешивают и проводят раскисление фосфором (0,0005 %), марганцем (0,0015 %), магнием и кремнием (по 0,0015 %). Марганцем раскисляют только мельхиоры, не содержащие марганец в качестве легирующей добавки. Можно использовать в качестве раскислителя лигатуру АМС (24,5 % Al, 5 % Si, 19 % Fe, ост. – Mn). Ее вводят в количестве 0,4 % от массы шихты.
Плавка нейзильбера (МНЦ 15-20) осуществляется при меньших перегревах, чем при плавке мельхиора. Поэтому допускается применение древесного угля. Очередность загрузки шихты такая, как при плавке мельхиора. Цинк вводят последним, после расплавления отходов.
Плавку куниалей (МНА 13-3) также ведут под покровом из древесного угля. Для уменьшения окисления алюминия в покровы добавляют криолит. Алюминий вводят в последнюю очередь небольшими порциями. К этому моменту плавки расплав должен быть раскислен марганцем или комплексными раскислителями.

Вопросы для самоконтроля

Какие печи предназначены специально для плавки меди и медных сплавов?
В каких тиглях плавят медь и медные сплавы?
Какое влияние на свойства меди оказывает водород?
Какая связь между содержанием кислорода и водорода?
Как защитить медь от окисления?
Назовите основной источник попадания водорода в расплав?
Какие раскислители применяют при плавке меди?
Какие продукты раскисления легче удаляются из расплава?
Для чего используют древесный уголь?
Какие покровные и рафинирующие флюсы применяют при плавке медных сплавов?
Какие элементы лучше вводить в медные сплавы при помощи лигатур?
Как рафинируют и дегазируют медные сплавы?
К чему склонны алюминиевые бронзы при плавке?
В каких случаях не проводят раскисление?
Какие раскислители применяют при плавке медноникелевых сплавов.
Почему не рекомендуется использовать покров из древесного угля при плавке мельхиора?

7 ПЛАВКА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Никель используется в современной технике как конструкционный и электротехнический материал. Он является основой современных жаростойких, коррозионностойких и жаропрочных сплавов. В настоящее время особенно велика роль жаропрочных сложнолегированных сплавов, идущих на изготовление ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей.

7.1. Физико-химические особенности плавки никелевых сплавов

Плотность никеля 8,9 г/см3, температура плавления 1455 оС, температура кипения 2900 оС. Наиболее вредными примесями являются сера, кислород и углерод. Эти примеси при кристаллизации выделяются по границам зерен в виде эвтектик Ni – NiS, Ni – NiO и никель – графит. Легкоплавкая эвтектика (645 оС) вызывает горячеломкость, а эвтектики Ni – NiO и никель – графит ухудшают пластичность. Также снижают физические, механические и технологические свойства Bi, Pb, P, Cd, Sb и As.
Чистый никель и никелевые сплавы отличаются повышенной склонностью к взаимодействию с газами печной атмосферы. В нем растворяются водород (до 43 см3/100 г), кислород (до 0,5 %) и до 2,5 % углерода. Растворимость газов уменьшается при понижении температуры. При взаимодействии с парами воды происходит одновременное загрязнение никеля кислородом и водородом. Избыточный кислород вступает в химическое взаимодействие с компонентами сплава с образованием оксидных неметаллических включений. Выделение водорода при кристаллизации является основной причиной появления газовой пористости.
Определенные сложности вызывает и выбор огнеупорных материалов для никелевых сплавов, особенно жаропрочных, в состав которых входят до 12 легирующих элементов, в том числе с высокой химической активностью.
Таким образом, при разработке технологии плавки никелевых сплавов необходимо предусматривать защиту от насыщения газами, проведение дегазации, раскисления и рафинирования от неметаллических включений.


7.2. Технологические особенности плавки никелевых сплавов

Для никелевых сплавов можно применить один из следующих технологических процессов плавки:
плавка в электрических печах (дуговых или индукционных) на открытом воздухе;
плавка в электрических печах (дуговых или индукционных) в вакууме;
электрошлаковый переплав слитков открытой или вакуумной плавки;
плазменная плавка;
плазменная гарнисажная плавка;
электронно-лучевая плавка и др.
Чистый никель, жаростойкие и коррозионностойкие никелевые сплавы, а также некоторые марки жаропрочных сплавов, идущих для изготовления малоответственных деталей, можно плавить в открытых индукционных тигельных, индукционных канальных и электродуговых печах.
Современные жаропрочные сложнолегированные сплавы при плавке на открытом воздухе могут интенсивно окисляться с образованием стойких окисных плен, загрязняющих металл. В открытых печах невозможно полностью удалить такие вредные примеси, как кремний, сера и др. Необходимо проведение вакуумной плавки. Наибольшее распространение получили индукционные вакуумные печи. Перспективно также применение различных вариантов дуплекс-процессов с использованием электроннолучевых, электрошлаковых и плазменных способов ведения плавки.

7.2.1. Плавка чистого никеля

В большинстве случаев для плавки чистого никеля выбирают индукционные тигельные или канальные печи, которые обеспечивают высокую скорость нагрева и плавления. Никель для вакуумной техники необходимо плавить в вакуумных индукционных печах.
Футеровка индукционных печей должна быть основная или нейтральная. Набивная футеровка выполняется из плавленого магнезита и 2 % буры или борной кислоты. Можно использовать пластичную массу состава: 80 % магнезита, 8 % жидкого стекла и 12 % воды. Можно использовать графитовые или графитошамотные тигли. Поверхность таких тиглей рекомендуется покрыть магнезитовой обмазкой, чтобы избежать насыщения расплава углеродом и образования карбидов легирующих элементов.
В качестве шихты используют катодный никель марок Н-0 и Н-1 и крупный собственный возврат в количестве до 50 %. Катоды режут на куски с размерами 150 Ч 150 мм. Листы с шишковатыми наростами, указывающими на повышенное содержание водорода, должны быть отбракованы.
На дно тигля сначала загружают отходы и плавят их под слоем флюса (бой стекла, плавиковый шпат, известь, магнезит). Расход флюсов от 3 до 5 % от массы шихты. При этом толщина слоя составляет 10 – 15 мм. После расплавления отходов начинают вводить катодный никель. Температуру расплава доводят до 1500 -1600 оС и приступают к раскислению и десульфурации. Основным раскислителем является углерод. Его вводят с первой порцией шихты в виде графита (бой, стружка и др.) или лигатуры никель-углерод (1,5 – 2 % С). Избыток углерода придает никелю хрупкость. Поэтому при помощи углерода удаляют основное количество кислорода, а его остаток – кремнием, марганцем, магнием. Углерод вводят в количестве 0,05 – 0,1 %, кремний 0,07 – 015 %, марганец 0,05 – 0,2 %, магний 0,05 – 0,1 %. На практике удобнее использовать комплексные раскислители, содержащие все четыре раскислителя в соотношении 1:1,5:1,5:1. Общее количество такого комплексного раскислителя принимают в количестве 0,18 – 0,22 % от массы расплава.
После раскисления металл перемешивают никелевой мешалкой, выдерживают и после небольшой выдержки разливают по формам при температуре 1550 – 1650 оС.
Если для плавки используют загрязненную шихту с большим количеством отходов, то примеси удаляют путем окисления. Для этого сдвигают флюс и в расплав вводят закись никеля. После окисления примесей необходимо раскислить расплав комплексным раскислителем. Степень раскисления определяют при помощи технологической пробы. В графитовую форму заливают слиток диаметром 20 мм и наблюдают за его затвердеванием. Если он дает усадку, то металл раскислен. Если наблюдается рост поверхности слитка, то необходимо дополнительное раскисление.


7.2.2. Плавка жаростойких и коррозионно-стойких никелевых сплавов

Эти сплавы можно выплавлять в открытых печах, поэтому технология плавки аналогична технологии плавки чистого никеля. При плавке сплавов в контакте с воздухом происходит окисление расплава и насыщение водородом. Как следствие, металл загрязняется твердыми нерастворимыми включениями оксидов легирующих элементов (TiO2, Cr2O, BeO и др.), образуются газовые раковины и пористость в отливках. Для получения наиболее ответственных отливок рекомендуется плавка в вакуумных печах. Для всех прочих сплавов можно использовать открытые индукционные тигельные, индукционные канальные и электродуговые печи
Для предохранения взаимодействия с газами применяют флюсы в количестве от 2 до 5 % от массы расплава. Состав наиболее употребительных флюсов приведен в таблице 16.
Флюсы не дают полной защиты от насыщения расплава водородом. С этой целью можно вести плавку под окислительным шлаком (MnO2 + CuO + Na2CO3 + SiO2) с последующим раскислением до введения легкоокисляющихся легирующих компонентов. Перед разливкой рекомендуется проведение дегазации продувкой нейтральными или инертными газами.

Таблица 16
Состав флюсов для плавки никелевых сплавов

Номер
Состав, % (по массе)
Назначение

1
2
3
4
5
100 СаО
50 СаО; 50 CaF2
70 CaO; 30 CaF2
50 CaF2;50 Mg F2
42 СаО; 25 SiO2;33 CaF2
Покровно-рафинирующие

6
7
100 бой бутылочного стекла
30 MnO2; 30 NiO; 20 Fe2O3;20 SiO2
Покровные


Для измельчения зерна отливок и повышения уровня эксплуатационных свойств некоторые жаропрочные сплавы подвергают модифицированию присадками бора (0,01 – 0,03 %) и циркония (0,03 – 0,1 %).
При плавке в любых печах сначала загружают никель и крупные кусковые отходы и плавят их под флюсами 1, 2 или 3 (см. табл. 16). Флюсы в дуговые печи вводят отдельными порциями, чтобы уменьшить науглераживание расплава. После полного расплавления вводят лигатуры и чистые металлы и нагревают расплав до полного растворения тугоплавких элементов. Затем проводят рафинирование и раскисление марганцем (0,25 %), алюминием (0,3 – 0,5 %), титаном (0,01 – 0,15 %). Модифицирующие присадки циркония и бора вводят перед разливкой.

7.3. Плавка современных жаропрочных сплавов

Применение чистых шихтовых материалов высших сортов и вакуумная плавка являются необходимыми условиями плавки сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов. Только вакуумная плавка обеспечивает:
глубокую дегазацию расплава, а, следовательно, высокую чистоту металла от окисных плен и неметаллических включений;
рафинирование металла от вредных примесей, имеющих высокую упругость пара (Pb, Bi и др.);
получение стабильного химического состава сплавов;
введение в расплав высокоактивных модификаторов (Ce, Y, Zr и др.).
При производстве фасонных отливок из жаропрочных сплавов широко применяют дуплекс-процессы, когда на первом этапе получают шихтовые заготовки с заданным химическим составом, которые затем переплавляют, рафинируют, модифицируют и разливают по литейным формам.

7.3.1. Физико-химические особенности плавки в вакууме

Создание в плавильной камере глубокого вакуума от 1,33 до 0,133 Па (10-2 – 10-3 мм рт. ст.) существенно влияет на протекание физико-химических процессов при плавке никелевых сплавов.
Одной из наиболее важных задач при плавке никелевых сплавов является проведение раскисления. В вакууме в качестве раскислителей удобнее использовать вещества, которые приводят к образованию газообразных продуктов раскисления. Таким раскислителем для никеля является углерод. При взаимодействии углерода с кислородом образуются пузырьки СО и СО2, нерастворимые в расплаве, которые всплывают и переходят в газовую фазу. Всплывающие пузырьки захватывают растворенные в металле водород и азот, а также неметаллические включения, т.е оказывают рафинирующий эффект.
Раскислительная способность углерода зависит от парциального давления СО в газовой фазе. Чем ниже давление, тем выше раскислительная способность углерода. Однако эта зависимость справедлива только при понижении давления от атмосферного до 1·103 (7,6 мм. рт. ст.). При дальнейшем понижении давления вплоть до 0,1 Па (7,6·10 -4 мм. рт. ст.) возрастает скорость перехода кислорода в металл из плавильного тигля.
При плавке в магнезитовом тигле некоторые компоненты расплава (особенно хром) взаимодействуют с оксидами футеровки тигля. Тигель постепенно разрушается, а металл загрязняется металлическими и неметаллическими примесями. Углерод, кроме раскисляющего действия, будет вступать в реакции с магнезитом и восстанавливать магний. Это и приводит к снижению раскислительной способности углерода.
Вакуумная плавка позволяет провести рафинирование от примесей таких металлов, как олово, свинец, сурьма и висмут, снижающих жаропрочность сплавов, так как они образуют легкоплавкие эвтектики или интерметаллиды. В вакууме эти примеси легко испаряются. Влияние вредных примесей может быть устранено и введением в расплав компонентов, которые образуют с ними более тугоплавкие соединения, например церия.

7.3.2. Печи для плавки и заливки никелевых сплавов

Для плавки и заливки никелевых сплавов в настоящее время используют сложные плавильно – заливочные устройства (ПЗУ), в состав которых входят собственно печи и различные вспомогательные устройства. Входящие в состав ПЗУ, вакуумные печи могут быть периодического и полунепрерывного действия.
В печах периодического действия после каждой плавки проводится разгерметизация камеры и извлекается залитая форма. После этого проводится очистка камеры и плавильного тигля. В тигель загружается шихта, а в камеру устанавливается литейная форма. После закрытия камеры печи, в ней создают вакуум, производят плавку и заливку формы.
Такие печи имеют низкую производительность. После разгерметизации камеры, на ее поверхности и на стенках тигля адсорбируется влага. Остаток металла в тигле окисляется с поверхности. Расплав в печах периодического действия может быть загрязнен окисными пленами, газами и примесями.
В печах полунепрерывного действия производится несколько плавок без нарушения вакуума. Число плавок определяется стойкостью материала тигля. Установка форм и загрузка шихты в таких печах осуществляется при помощи шлюзовых устройств, которые отделены от плавильной камеры печи шиберами. Пока в плавильной камере идет плавка в загрузочных камерах при атмосферном давлении производят подготовку следующих литейных форм и заполняют корзины шихтой. После окончания предыдущей плавки плавильная камера перекрывается шибером, а залитая форма остается в загрузочной камере до полного охлаждения. В другой, заранее подготовленной камере, собственными насосами создается вакуум, как в плавильной камере. Плавильная камера соединяется с загрузочной, открываются шиберные затворы, и производится следующая плавка.
Печи полунепрерывного действия имеют неоспоримые преимущества перед печами периодического действия:
высокая производительность установок, так как не нужно перед новой плавкой вновь создавать вакуум в плавильной камере;
повышенная стойкость огнеупорных тиглей, которые не испытывают многократных температурных колебаний, неизбежных при открывании плавильных камер в печах периодического действия;
стенки тигля меньше пропитываются окислами металлов, остающихся после плавки и окисляющихся атмосферным воздухом при снятии вакуума в печах периодического действия, что уменьшает загрязнение расплава при следующих плавках.
Чтобы полнее реализовать перечисленные преимущества необходимо поддерживать высокий вакуум (не менее 1,33 Па) в плавильной камере. Для этого в плавильно-заливочном устройстве должны быть надежные уплотнения всех соединительных устройств и вакуумных шиберных затворов. Величина натекания воздуха (количество воздуха попадающего в камеру в единицу времени при отключенных насосах) должна быть минимальной. В результате большого натекания воздуха в камеру в расплаве растет число окисных плен. Тигель должен быть химически стойким к расплаву, тугоплавким, прочным и не хрупким, а также обладать стойкостью к тепловым ударам. Перед началом первой плавки тигель необходимо тщательно прокалить с целью его полной дегазации.
В настоящее время для плавки никелевых сплавов используют как печи периодического действия (ИСВ-0,01, ИСП-0,016, ИСВ-0,06, ВПЗА-15/50) так и печи полунепрерывного действия (ВИАМ 100, ОКБ-694, ИСВ- 0,025, ВИАМ-24, УППФ-3М, УППФ-4, УВП-4). Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М с печью полунепрерывного действия приведена на рис. 37.
Кроме основных элементов ПЗУ на рис. 37 показаны дополнительные приборы управления: N1, N2– ; N3– вакуумные насосы; V1, V2, V3, V4, V5– затворы вакуумные; V6, V8 – клапаны вакуумные для пуска воздуха; V7, V9– клапаны вакуумные для выравнивания давления; V10– клапан предохранительный





Рис. 37. Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М: 1–камера загрузочная; 2– печь подогрева форм; 3– электроподвод; 4– затвор вакуумный; 5– механизм подачи форм; 6– пульт пирометриста; 7– устройство загрузочное; 8– камера плавильная; 9– печь индукционная; 10– крышка задняя; 11– площадка обслуживания; 12– путь рельсовый; 13– лестница; 14– система водоохлаждения; 15– тележка; 16– батарея конденсаторная; 17 пневмоподвод; 18– преобразователь тиристорный; 19– механизм поворота тигля; 20– шкаф силовой; 21– токоподвод; 22– токоподвод печи; 23– глазок; 24– шкаф управления; 25– пульт плавильщика; 26– гидроразводка
7.3.3. Технология плавки жаропрочных никелевых сплавов

Высокие температуры плавления и перегрева никелевых сплавов (1550 – 1650 оС) предъявляют повышенные требования к материалу и качеству плавильных тиглей. Для плавки жаропрочных сплавов рекомендуется применять магнезитовые тигли, полученные изостатическим прессованием.
Обычный способ составления шихты из различных первичных и вторичных компонентов и ввода их в плавильный тигель в любое время по ходу плавки в вакуумных печах не пригоден. Необходимо, чтобы все части шихты, в том числе раскислители, рафинирующие и модифицирующие добавки, были загружены в тигель перед началом плавки. В дальнейшем без нарушения вакуума невозможно повлиять на состав выплавляемого сплава. Для удобства ведения плавки в вакуумных печах в качестве шихты используют так называемую мерную шихтовую заготовку, выплавленную в вакуумных печах. Допускается и частичный переплав отходов собственного производства. Шихтовую заготовку выплавляют по той же технологии, которая применяется для получения рабочих сплавов и будет описана ниже. Разливку сплавов для шихтовой заготовки осуществляют под вакуумом в кокиль. После получения положительного результата по химическому составу, шихтовую заготовку режут на мерные куски по массе.

Из кусков шихтовой заготовки и собственных отходов и формируется порция шихты для дальнейшего переплава и заливки в литейную форму. Масса шихты должна быть равной металлоемкости формы с учетом угара (без остатка в тигле).
Перед плавкой ПЗУ необходимо подготовить в соответствии с рекомендациями, которые входят в комплект технической документации, поставляемой вместе с установкой. Особое внимание уделяется очистке внутренних поверхностей плавильных камер и деталей, находящихся в ней. Их очищают щетками и пылесосом от возгонов и пыли, промывают бензином и протирают этиловым техническим спиртом с помощью хлопчатобумажных салфеток, не оставляющих ворса.
При каждом открытии плавильной камеры производится осмотр состояния плавильного тигля. При обнаружении трещин и износе стенки более чем на половину, необходимо произвести замену тигля.
Загрузка шихты на первую плавку производится вручную при открытой плавильной камере. Загрузка шихты для последующих плавок и раскисление сплава в печах полунепрерывного действия осуществляется при помощи загрузочного устройства без нарушения вакуума.
Плавка металла начинается только при достижении вакуума в плавильной камере 6,65·10-1 Па (5·10-3 мм рт. ст). Плавление шихты и перегрев расплава ведутся форсированно при полной мощности печи. Температура металла в тигле контролируется оптическим пирометром. При достижении заданной температуры, которая зависит от состава сплава и стойкости тигля, производится раскисление расплава. Раскислители (углерод, лигатура Ni – C) вводятся загрузочным устройством через камеру загрузки шихты. При использовании качественной хорошо раскисленной шихтовой заготовки дополнительное раскисление можно не проводить.
Одновременно с плавлением ведется подготовка к заливке литейной формы. Керамическая литейная форма прокаливается при температуре не менее 950 оС, помещается в короб из жаростойкой стали и засыпается огнеупорным наполнителем. Короб с формой устанавливается в печь подогрева ПЗУ через загрузочную камеру. Допускается заливка керамических форм и без наполнителя, если они выдерживают напор жидкого металла.
Температура формы перед заливкой контролируется путем замера температуры в печи подогрева. Это возможно только через 5 – 10 мин, когда температура формы сравняется с температурой в печи подогрева. Современные ПЗУ позволяют нагревать формы до температуры 1200 оС. Температура формы перед заливкой указывается в технологической карте. Она зависит от марки сплава и категории сложности отливки.
Заливка форм производится при отсутствии плен на поверхности расплава. В этом случае производится «разгон плен». На индуктор подается максимальная мощность для разогрева металла. Покачивая тигель, плены отгоняют к задней стенке тигля. После этого осторожно сливают металл в форму, не допуская выплесков на ее стенки. Температуру расплава перед разливкой контролируют термопарой погружения при помощи специального механизма погружения. Горячий спай термопары защищают наконечником из огнеупорного материала. Залитую форму выдерживают в печи подогрева не менее 5 минут и извлекают в загрузочную камеру.

Вопросы для самоконтроля

Какие сплавы необходимо плавить в вакуумных печах?
Материал огнеупорных футеровок для никелевых сплавов.
Что входит в состав покровных флюсов при плавке никелевых сплавов?
Какие газы могут растворяться в никелевых сплавах
Чем раскисляют никелевые сплавы?
Как производят «разгон плен»
Преимущества печей полунепрерывного действия
В чем причины сложной технологии плавки жаропрочных никелевых сплавов?
Что такое шихтовая заготовка?
При каком остаточном давлении ведут плавку жаропрочных сплавов?
Как контролируют температуру: в плавильной камере; расплава при заливке; формы?
Что такое натекание?

8. ПЛАВКА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ

Цинковые сплавы делятся на литейные (ГОСТ 25140 – 93) и антифрикционные (ГОСТ 21437 – 95). В их основе две базовые системы: двойная Zn – Al (сплавы ЦА4о и ЦА4) и тройная Zn – Al – Cu (сплавы ЦА4М1о, ЦА4М1, ЦА4М1в ЦА4М3о и ЦА4М3). Все цинковые сплавы содержат малую добавку магния для подавления эвтектоидного распада, приводящего к росту отливок – увеличению размеров при эксплуатации.
Литейные сплавы наиболее широко используются в автотракторной промышленности, электротехнике и бытовой технике. Из них отливают корпуса карбюраторов, магнето, бензонасосов и др. детали.

8.1. Физико-химические особенности плавки цинковых сплавов

Цинк легко окисляется, особенно в присутствии паров воды. Так как в состав сплавов входит алюминий, то на поверхности расплава образуется пленка шпинели ZnAl2O4 (ZnО·Al2O3). При перемешивании и разливке пленка попадает в расплав, а затем и в тело отливки. Образовавшаяся оксидная плена вначале тормозит окисление, но при повышении температуры защитные свойства теряются.
Кроме ZnAl2O4 в цинковых сплавах можно обнаружить и другие твердые неметаллические включения. В первую очередь это SiO2 и 3Al2O3·2SiO2. При насыщении железом в сплавах с алюминием образуется интерметаллидная твердая фаза FeAl3. Суммарное содержание оксидных включений находится в пределах от 0,2 до 0,6 % (объемн.), а интерметаллидов от 0,2 до 1,5 % (объемн.). До 90 % всех оксидных включений приходится на долю ZnAl2O4. Микротвердость ZnAl2O4 в 2 – 3 раза выше микротвердости матрицы. Еще более твердыми (в 7 – 10 раз) являются интерметаллиды. Твердые включения резко ухудшают обрабатываемость резанием и увеличивают шероховатость поверхности, поэтому сплавы необходимо рафинировать и не допускать насыщения железом.
Сплавы чувствительны к перегреву, так как с повышением температуры растет окисляемость расплава и увеличиваются потери на испарение.

8.2. Технологические особенности плавки

В виду низкой температуры плавления цинка (419 оС) выбор печей для плавки цинковых сплавов не представляет трудностей. Можно использовать любые отражательные и тигельные печи, предназначенные для плавки алюминиевых сплавов. В специализированных цехах применяют плавильные индукционные или отражательные печи большой емкости, из которых расплав разливают в раздаточные тигельные печи. При малых масштабах производства используют плавильно-раздаточные печи тип САТ (тигельные печи электросопротивления). Футеровка отражательных печей изготовляется из шамотного кирпича. В тигельных печах обычно устанавливают чугунные тигли. Для защиты сплава от насыщения железом поверхность тигля покрывают обмазкой из смеси каолина и жидкого стекла. Плавильный инструмент защищают краской на водной основе из окиси цинка и жидкого стекла.
В качестве шихты применяют чистые металлы (Ц1, Ц2, А95,А85, М1, М2 и Мг90) и собственный возврат. Медь лучше вводить лигатурой Al – Cu (50 Cu %). Кроме того, в соответствии с ГОСТ 19424-93 выпускаются первичные чушковые сплавы, предназначенные для переплавки в литейные сплавы по ГОСТ 25140 – 95. Состав чушковых сплавов приведен в табл. 17.

Таблица 17
Химический состав, % (по массе) цинковых литейных сплавов в чушках по ГОСТ 19424 - 93

Марка
сплава
Легирующие элементы (Zn – ост.)
Примеси, не более


AL
Cu
Mg
Cu
Pb
Fe
Sn
Cd
Ni

ZnAl4A*

ЦА4о

ЦА4

ZnAl4Cu1A*

ЦА4М1о

ЦА4М1

ZnAl4Cu3A*

ZnAl4Cu3*

ЦА4М3

ЦА4М1в

3,5 – 4,3
3,9 – 4,3
3,5 – 4,3
3,5 – 4,3
3,9 – 4,3
3,9 – 4,3
3,5 – 4,3
3,5 – 4,3
3,5 – 4,3
3,5 – 4,3






0,7 – 1,2
0,7 – 1,2
0,7 – 1,2
2,5 – 3,5
2,5 – 3,5
2,5 – 3,5
0,6 – 1,2
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06
0,03 – 0,06

·0,1

0,03

0,03

0,03















0,003

0,04

0,01

0,003

0,004

0,01

0,003

0,005

0,01

0,02
0,03

0.05

0,05

0,03

0,05

0,01

0,03

0,05

0,05

0,10
0,001

0,001

0,002

0,001

0,001

0,002

0,001

0,001

0,002

0,005
0,002

0,002

0,005

0,002

0,002

0,005

0,002

0,002

0,005

0,015


0,015

0,015



0,015

0,015







0,03

* Сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.


Для литья неответственных деталей, в том числе сувениров, можно использовать и вторичные чушковые сплавы (сплав ЦА4М1в).
Маркировка чушек осуществляется краской: ЦА4М1о – одна черная полоса; ЦА4М1в – одна черная и одна красная полосы; ЦА4М1 – одна зеленая полоса; ЦА4 – две красные полосы; ЦА4о – одна красная.
Кроме литейных выплавляются и чушковые антифрикционные сплавы марок ЦА9М1,5Ч и ЦА10М5Ч
Для повышения качества отливок проводят рафинирование расплава. Используют следующие методы:
отстаивание;
обработка хлористыми солями;
продувка инертными газами;
фильтрация.
Оксиды значительно легче расплава и при выдержке (отстаивании) могут всплывать на поверхность, но очистка идет медленно.
Достаточно эффективна обработка хлористыми солями. Хлористый аммоний (0,1 – 0,2 %) или гексахлорэтан (0,3 – 0,4 %) вводят в расплав колокольчиком при температуре 450 – 470 оС и перемешают его круговыми движениями до прекращения выделения продуктов реакции. Таким методом удаляется до 80 % оксидов и 70 % интерметаллидов.
Продувка азотом является достаточно простым способом рафинирования, но очистка менее полная, чем при обработке солями.
Самая глубокая очистка (до 90 % оксидов и до 85 % интерметаллидов) происходит при фильтровании через механические сетчатые или активные фильтры. Наиболее простые фильтры готовят из кусочков магнезита или рафинируюших флюсов со средним размером 2 – 3 мм. Толщина слоя не менее 100 мм. Фильтрование производят при переливе сплава из плавильной печи в раздаточную и перед разливкой в литейную форму. При литье в разовые формы или в кокиль фильтр устанавливают в литниковой чаше. При ЛПД фильтры удобно размещать непосредственно в раздаточной печи, как показано на рис. 38. В этом случае металл зачерпывают мерной ложкой из стакана над фильтром.
Можно использовать и более современные пенокерамические фильтры.



Рис. 38. Установка фильтра в тигле раздаточной печи: 1 – тигель, 2 – стакан, 3 – кусковой фильтр

При плавке из чистых металлов в печь загружают половину расчетного количества цинка, отходы и лигатуру. Шихту засыпают прокаленным древесным углем, расплавляют и при температуре не выше 550 оС вводят алюминий. После растворения алюминия добавляют частями оставшийся цинк. Металл охлаждается до 420 – 450 оС. Расплав тщательно перемешивают, снимают уголь и шлак, и колокольчиком вводят магний. После этого металл рафинируют хлористыми солями и приступают к разливке.
Готовый расплав нельзя перегревать выше 480 оС и долго выдерживать в тигле печи. Недопустимо оставлять жидкий металл в печи в нерабочую смену. Неиспользованный сплав нужно разлить по изложницам.
Технология плавки цинковых антифрикционных сплавов ЦА9М1,5Л и ЦА10М5Л такая же, как и для литейных сплавов.

Вопросы для самоконтроля

Защищает ли окисная пленка от окисления цинковые расплавы?
Чем опасен перегрев цинковых сплавов?
Какое влияние на свойства сплавов оказывает железо?
В каких печах можно плавить цинковые сплавы?
Как рафинируют цинковые сплавы?
Нужно ли модифицировать цинковые сплавы?

9. ПЛАВКА ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ОЛОВА И СВИНЦА

Низкая температура плавления, малая склонность к окислению и поглощению газов объясняют сравнительную простоту технологии их плавки. Но есть и факторы, которые необходимо учитывать, чтобы получить качественные расплавы. В первую очередь это существенные разницы в температурах плавления и в плотностях компонентов сплавов. Так в оловянных баббитах, пусть и небольших количествах, присутствуют элементы с более высокой температурой плавления, чем у олова: сурьма (630 оС); медь (1083 оС); никель (1455 оС). По плотности в этих сплавах выделяется более тяжелый свинец. Разница в температурах плавления усложняет введение компонентов шихты, приводит к необходимости перегрева, а значит, увеличивает потери расплава. Разница в плотности может вызвать ликвационную неоднородность состава. Чтобы избежать ликвации требуется постоянное тщательное перемешивание расплава.
Сплавы выплавляют в тигельных печах, работающих на всех видах топлива, с чугунными или стальными тиглями.
В зависимости от того, какой металл преобладает в сплаве, имеются некоторые особенности в технологии плавки

9.1. Особенности плавки оловянных сплавов

В литейных цехах может возникнуть необходимость плавки оловянных сплавов любой из трех групп, применяемых в промышленности: антифрикционных, сплавов для литья под давлением и припоев.
В состав антифрикционных сплавов (баббитов) входят такие элементы, как сурьма, медь, кадмий, никель и свинец. В зависимости от того, какой из этих элементов преобладает, разрабатывается соответствующий технологический процесс плавки.
При использовании чистых металлов и лигатур плавку можно вести без защитных покровов или флюсов. Когда в составе шихты используют много лома и отходов, то плавку ведут под покровом из древесного угля. Перед разливкой расплавы рекомендуется рафинировать или фильтровать
Высокооловянные баббиты Б88, Б83 и Б83С обычно плавят из чистых материалов в следующей последовательности. Тигель нагревают до температуры 600 – 700 оС и загружают более тугоплавкие компоненты: лигатуру Cu – Sb, чистые медь и сурьму, и часть олова. Это составляет 20 – 25 % от всей массы шихты. На поверхность загруженной шихты засыпают мелкий прокаленный древесный уголь. После расплавления шихты с поверхности снимают образовавшийся шлак и остатки покрова и добавляют в тигель малыми частями оставшуюся часть олова. После каждой добавки олова расплав тщательно перемешивают (порции олова должны быть таким, чтобы не произошло «замерзание» плавки). Такой порядок ввода компонентов шихты позволяет экономить затраты энергии на плавку.
После расплавления всей шихты температуру расплава доводят до 500 – 550 оС, дают отстояться 10 -15 мин в выключенной печи, вновь перемешивают, снимают шлак и при 475 – 500 оС рафинируют от неметаллических и интерметаллидных включений хлористого аммония в количестве 0,1 – 0,15 % от массы сплава.
Готовым сплавом заливают подшипники (или разливают по изложницам) при температуре: 440 – 460 оС (баббиты Б83 и Б83С) или 380 – 420 оС (баббит Б88) через зернистые или пористые фильтры. Зернистые фильтры готовят из кусочков (2 – 4 мм в поперечнике) магнезита или других огнеупоров.
Сплавы для литья под давлением по составу близки к оловянным баббитам. Технология плавки этих сплавов также мало отличается от технологии плавки баббитов.

9.2. Плавка свинца и свинцовых сплавов

Чистый свинец и свинцовые сплавы, как и оловянные, плавят в чугунных тиглях под слоем древесного угля. Технология плавки облегчается низкой температурой плавления исходных материалов. Сплавы мало поглощают газы, поэтому в отливках отсутствуют газовые раковины и пористость. Потери от окисления снижаются при использовании покрова из древесного угля.
Чистый свинец после расплавления нагревают до температуры 375 – 400 оС и рафинируют хлористым аммонием (0,15 % от массы расплав). Соль вводят при помощи колокольчика.
В качестве шихты для плавки баббитов используют чистые металлы, лигатуры:Cu – Sb; Sb – Te; Sn – Sb – Ni и подготовительные сплавы, выплавленные из лома и отходов.
Технологии плавки рабочих и подготовительных сплавов одинаковы. Сначала в тигель загружают более тугоплавкую часть шихты (сурьму, лигатуры с медью и никелем) и 10 – 20 % легкоплавкой части шихты (свинец, лом и отходы, подготовительные сплавы). Плавление ведут под покровом древесного угля. С расплава снимают шлак и при температуре 600 оС вводят кусковой мышьяк (баббиты Б6 и БН). Расплав тщательно перемешивают и загружают остальную часть шихты. Последними при температуре 420 -450 оС загружают чистые олово, кадмий и теллур. Расплав вновь тщательно перемешивают и рафинируют хлористым аммонием (0,15 %). К разливке приступают через 10 – 15 мин после рафинирования.
Плавка баббитов в одном тигле неизбежно приводит к перегреву расплава. Этого можно избежать, если вести плавку в двух тиглях разной емкости. В тигле меньшей емкости плавят более тугоплавкие компоненты шихты (сурьма, медь, лигатуры). В тигле большей емкости плавят основную массу легкоплавких компонентов, в том числе отходы. Плавление ведется одновременно в обеих тиглях под древесным углем. После расплавления составляющих шихты, расплав из малого тигля с температурой около 700 оС переливают в тигель большей емкости с температурой не выше 500 оС. Скорость вливания должна быть такой, чтобы не произошел местный перегрев (высокая скорость) расплава или не образовались твердые куски (малая скорость). Кроме того, расплав в малом тигле легче, чем расплав на основе свинца. Он может плавать на поверхности, поэтому требуется тщательное перемешивание. Добавки мышьяка, олова, кадмия или теллура (в зависимости от марки сплава) можно производить в большой тигель после полного слива тугоплавкого расплава.
Такой способ ведения плавки требует наличия двух печей.


Вопросы для самоконтроля

Что облегчает технологию плавки оловянных и свинцовых сплавов?
В каких печах и тиглях можно плавить легкоплавкие сплавы?
Как рафинируют баббиты?
Какие покровы используют для защиты от окисления?
Можно ли вести плавку без покровных флюсов?
Как защитить отливку от неметаллических включений?


10. Плавка сплавов благородных металлов

Технология плавки сплавов этой группы наиболее проста, так как благородные металлы практически не взаимодействуют с газами и огнеупорными материалами. Однако легирующие элементы, входящие в состав сплавов, несколько меняют условия плавки. Ниже будут рассмотрены особенности плавки сплавов благородных металлов для целей ювелирного и художественного литья. Как правило, это отливки с небольшой массой и для плавки необходимы печи с малой емкостью тигля. Наиболее подходят для плавки сплавов благородных металлов индукционные плавильные установки (УИП), в состав которых кроме печи входят полупроводниковый преобразователь частоты, блок компенсации и автономная система охлаждения. Они имеют емкость плавильного тигля от 0,25 до 30 кг (по меди). На рис. 39 и 38 показаны установки для плавки 0,5 и 10 кг. Для определения массы золота указанную емкость тиглей надо умножить на 2,27, а для серебра поправочный коэффициент составляет 1,23.
Для плавки драгоценных металлов и сплавов с высокой температурой плавления (до 2000 оС) можно рекомендовать УИП с вакуумным литьем модели УИП-3-440-0,5 ВЛ (рис. 41) Плавка металла осуществляется в открытом тигле в атмосфере аргона. Прогретая форма устанавливается в вакуумный контейнер с остаточным давлением 0,01 Па, установленный над тиглем. Литье осуществляется переворотом системы «тигель – форма». Данный метод позволяет получать ажурные ювелирные отливки или стоматологическое литье. Для этих же целей предназначены УИП с центробежным принудительным заполнением форм моделей УИПЦ-3-440-0,5 (рис. 42) и УИПЦ-3-440-1,0.














Рис. 39. Установка индукционная плавильная УИП – 3 – 440 – 0,5

Плавка осуществляется в графитовых или керамических тиглях на открытом воздухе или в среде аргона. Литье производится путем подъема тигля к центробежному механизму с формой. Жидкий металл под действием центробежных сил заполняет любые полости литейной формы. Технические характеристики УИП приведены в табл. 18.














Рис. 40. Установка индукционная плавильная УИПП-16-10-10,0:
а – общий вид установки; б – индукционная плавильная печь















Рис. 41. Установка индукционная плавильная с вакуумным литьем УИП-3-440-0,5 ВЛ: а- общий вид; б – печь плавильная индукционная ППИ- 0,5 ВЛ




















Рис. 42. Установка индукционная плавильная центробежная УИПЦ-3-440-0,5: а- общий вид; б – тигель и форма в центробежном устройстве


Таблица 18
Технические характеристики УИП малой емкости

Тип установки
Емкость (по меди),
кг и тип тигля
Время плавки, ч
Мощ-ность,
кВт
Часто-та,
кГц
Габариты
(длина Ч ширина Ч высота), мм


УИП-3-440-0,25
УИП-10-22-3,0
УИП-16-10-5,0
УИП-3-440-0,5ВЛ

УИПЦ-3-440-0,5



0,25 (алунд)
3,0 (ТГ-3)
5,0 (ТГ-5)
0,5 (графит, корунд)
0,5 (графит, корунд)


0,1
0,3
0,25
0,5

0,5



3
10
16
2,7

3; 5



440
22
10
440

440

500 Ч 500
1000 Ч 480
1000 Ч 480
400Ч605Ч100

-


Графитовые тигли можно использовать при температурах до 1300 оС, а корундовые выдерживают рабочие температуры до 2000 оС.

10.1. Плавка золота и его сплавов

Чистое золото в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с газами и огнеупорами.
Температура кипения золота 2600 оС, при температуре 1400 оС, давление паров составляет всего лишь 9,3 Па, поэтому угар золота при плавке не превышает 0,01 – 0,02 %. Легирующие (неблагородные) металлы несколько усиливают физико-химические взаимодействия расплава с другими фазами и увеличивают угар. Так медь и серебро повышают растворимость кислорода, водорода и серы.
Чистое золото можно плавить в графитошамотных, графитовых или корундовых тиглях без покровных флюсов. Для уменьшения угара плавку надо вести быстро и не допускать высоких перегревов (выше 1200 оС). Мелкие отходы, например опилки, рекомендуется очистить от посторонних примесей (примеси железа от инструмента можно удалить магнитом) и брикетировать. Если в шихте мелких отходов много, то можно навести флюс из буры.
Малые количества золота (до 50 – 100 г) можно плавить в тигле открытым пламенем газовой горелки.
При плавке золотых сплавов, как и других драгоценных металлов, необходимо произвести точный расчет и взвешивание шихтовых материалов, чтобы готовый сплав соответствовал пробе.
Сплавы золота с медью и серебром плавят с использованием защитных покровов: древесного угля, буры или комбинированных флюсов (уголь + бура). Шихту (золотые слитки, медь) загружают одновременно. Если используют возвратные отходы, то сначала плавят золото и отходы, а потом добавляют медь. Серебро вводят в расплав последним. Покровы или флюсы вводят в тигель вместе с твердой шихтой. Слой прокаленного древесного угля должен быть не менее 30 – 50 мм. Расход буры составляет 0,5 – 1,0 % от массы шихты. Этого количества достаточно для наведения слоя флюса толщиной 10 – 15 мм. Готовый расплав перемешивают графитовыми мешалками. При этом происходит частичное раскисление сплава углеродом. Окончательное раскисление проводят фосфором (0,01 – 0,025 %) в виде медно-фосфорной лигатуры при помощи графитового колокольчика, перемешивающими движениями последнего. После выдержки в течение 2 – 5 мин для всплывания продуктов раскисления приступают к разливке. Температура сплава при разливке должна быть на 150 – 200 оС выше температуры плавления.
Такие элементы с невысокой температурой плавления, как цинк, кадмий вводят в последнюю очередь в уже раскисленный металл при помощи колокольчика. Другой вариант плавки заключается в использовании лигатур Cu – Zn и Ag – Cd, которые можно загружать одновременно с другими шихтовыми материалами.
Тугоплавкие металлы (платина, палладий, никель, марганец) вводят в расплав остальных элементов. Сначала загружают платину и палладий, затем никель и последним легкоокисляющийся марганец.
При плавке необходимо обращать внимание на чистоту шихтовых материалов по содержанию вредных примесей, в первую очередь свинца, который снижает пластичность золотых сплавов. Его содержание не должно превышать 0,005 %.

10.2. Плавка серебра и серебряных сплавов

Расплавленное серебро способно растворять кислород и водород. При температуре плавления растворимость кислорода составляет 208 см3/100 г и возрастает с повышением температуры. Серебро, это единственный металл, из которого кислород может выделяться при охлаждении в свободном виде. Если пузыри кислорода не успеют всплыть, то в металле образуется газовая пористость кислородного происхождения.
В значительных количествах в серебре может растворяться и водород. Растворимость углерода в жидком металле мала. Азот не растворяется ни в твердом, ни в жидком серебре. Все основные легирующие добавки для сплавов серебра снижают растворимость кислорода. Медь подавляет способность кислорода выделяться в свободном виде и образовывать пористость.
Чистое серебро плавят в графитошамотных тиглях под покровом из древесного угля. Толщина слоя не менее 1/4 от высоты расплава. Сначала загружают компактную шихту. Мелкие отходы вводят в расплав. Серебро раскисляют фосфором в количестве 0,025 – 0,03 % от массы шихты и разливают при температуре 1100 – 1150 оС. Если серебро предназначено для электротехнических целей, то раскисляют литием или кадмием. (0,01 % от массы шихты), так как фосфор снижает электропроводность. При температуре разливки упругость давления паров серебра существенно выше, чем у золота (9,3 -11,3 Па против 0,93 Па), поэтому выше и угар при плавке. Длительная выдержка расплава в печи не рекомендуется.
Сплавы серебра с медью при плавке необходимо защищать от насыщения водородом и кислородом, поэтому применяют защитные покровы. Кроме древесного угля, как и при плавке золота можно использовать жидкие флюсы из буры или комбинированные покровы из угля и буры. В ювелирных сплавах системы Ag –Cu преобладает серебро, поэтому вначале загружают и расплавляют слитки и крупные куски серебра, а потом добавляют медь. Мелкие отходы загружают в последнюю очередь. Расплав раскисляют медно-фосфорной лигатурой из расчета не более 0,03 % фосфора, перемешивают графитовой мешалкой и разливают. Перегрев должен быть минимальным. Для простых отливок (слитков) не более 50 оС. Поверхность раскисленного сплава чистая, блестящая розового цвета. На перегретом металле появляется патина.
Если плавят малые количества серебряных сплавов с медью, то с целью уменьшения окисляемости медь прокатывают в тонкие полосы, покрывают борной кислотой и нагревают до появления на поверхности металла защитной глазури. Если использовать медь в виде толстых заготовок, то в слитке из-за протекания обратной зональной ликвации на поверхности будут видны пятна меди, которые быстро тускнеют и приводят к затруднениям при обработке. Первым расплавляют чистое серебро и добавляют в него подготовленную медь. Следует помнить, что медь из-за своей высокой теплоемкости требует существенно большего количества тепла, чем серебро. Если внести в расплав металла сразу слишком много меди, то может случиться, что он застынет в виде слитка, который трудно расплавить
Серебряные припои кроме меди содержат легкоплавкие и легколетучие компоненты Zn и Cd, их вводят в конце плавки в чистом виде или лигатурами Ag – Cd и Cu – Zn.

Вопросы для самоконтроля















11. ПЛАВКА СПЛАВОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

К наиболее распространенным тугоплавким металлам относятся титан, ванадий, хром, вольфрам, молибден, рений, ниобий, цирконий, тантал и др. Их используют как в чистом виде, так и в виде сплавов. Особое место из них занимает легкий титан, который благодаря малой плотности получил широкое применение в современной технике. Особенности плавки титановых сплавов подробно рассмотрены в главе 5. В данном разделе описаны процессы плавки некоторых других тугоплавких металлов и сплавов, а именно циркониевых, ниобиевых и молибденовых сплавов.

11.1. Особенности плавки тугоплавких металлов

Все тугоплавкие металлы отличаются высокой химической активностью, особенно в расплавленном состоянии. Они активно взаимодействуют с кислородом, азотом, водородом и углеродом. При загрязнении этими примесями резко снижается пластичность тугоплавких металлов. Для защиты сплавов от насыщения вредными примесями из газовой атмосферы нагрев и плавку ведут в вакууме или в среде защитных газов в вакуумных дуговых (ВДП) или электронно-лучевых печах (ЭЛП).

11.1.1. Вакуумнодуговая плавка

Вакуумные дуговые печи являются основными плавильными агрегатами при производстве фасонных отливок из титановых сплавов, а также широко используются для плавки тугоплавких металлов, молибдена, ниобия. ВДП для тугоплавких металлов по своей принципиальной схеме не отличаются от аналогичных печей для плавки титановых сплавов, которые рассмотрены ранее.
Вакуумные дуговые гарнисажные печи применяют при производстве фасонных отливок. Для плавки и литья слитков используют ВДП с глухим кристаллизатором (рис. 43.), в который постепенно наплавляется слиток, или ВДП с проходным кристаллизатором для вытягивания из него выплавляемого слитка (рис. 44).
При гарнисажной плавке тугоплавких металлов применяют графитовые или металлические (медные) водоохлаждаемые тигли.
Степень очистки металла от примесей при плавке в ЭДП ниже, чем при электронно-лучевой плавке.








Рис. 43. Вакуумная дуговая печь с глухим кристаллизатором:
1 – электрододержатели, 2 – ходовые винты, 3 – гибкие кабели, 4 – шток электрододержателя, 5 – механизм перемещения элетрода, 6 – вакуумная камера, 7 - патрубок для присоединения насосов, 8 – расходуемый электрод, 9 – кристаллизатор, 10 – водоохлаждаемая рубашка, 11 - соленоид для перемешивания расплава, 12 – слиток, 13 - поддон


Рис. 44. Вакуумная дуговая печь с вытягиванием слитка:
1 – механизм перемещения электрода 2 – электрододержатель, 3 – расходуемый электрод, 4 – вакуумная камера, 5 – патрубок для присоединения насосов, 6 – кристаллизатор, 7 – соленоид для перемешивания расплава, 8 – камера охлаждения слитка, 9 – механизм вытягивания слитка


11.1.2. Электронно-лучевая плавка

Электронно-лучевой нагрев происходит в результате превращения кинетической энергии электронов, разогнанных в электрическом поле до высоких скоростей (50 – 60 тыс. км/с), в тепловую энергию при их торможении о поверхность металла. Поток электронов создается специальными устройствами, называющимися электронными пушками. В электронных пушках происходит испускание, ускорение и фокусирование электронов в плотный пучок, называемый электронным лучом. При столкновении электронного луча с частицами газов происходит заметная потеря мощности. В связи с этим электронный нагрев целесообразно вести в вакууме с остаточным давлением менее 0,05 Па.
Существует несколько схем электронно-лучевой плавки, которые приведены на рис. 45 и 46. В печах, изображенных на рис. 45, переплавляется заготовка, полученная в другом металлургическом агрегате при помощи одной или нескольких электронных пушек. В печах, работающих по другой схеме можно переплавлять сыпучую шихту, например, измельченные кусковые отходы.


Рис.45. Схемы электронно-лучевой плавки с боковой (а) и вертикальной (б) подачей заготовки:
1 – электронная пушка, 2 – электронный луч, 3 – переплавляемая заготовка, 4 – водоохлаждаемый кристаллизатор, 5 - слиток
















Рис. 46. Схемы электронно-лучевой плавки с подачей сыпучей шихты шнеком (а) и вибрационным лотком (б):
1 – электронная пушка, 2 – электронный луч, 3 – переплавляемая шихта, 4 – Вращающаяся трубчатая направляющая, 5 – контейнер со шнеком, 6 – бункер, 7 – вибрационный лоток 8 –кристаллизатор, 9 - слиток

В современных ЭЛП получают слитки круглого, квадратного или прямоугольных сечений или фасонные отливки. Схема ЭЛП ПЭЛ-1000 для выплавки слитков длиной до 3 м приведена на рис. 47.

11.1.3 Технологические особенности плавки

Высокая температура металла и достаточно низкое давление в камере электронно-лучевой печи (13,3 – 1,3 МПа) позволяют производить глубокую очистку металла от всех видов примесей. Это достигается путем введения в шихту активных раскислителей (С, В и др.), обезуглераживающих и карбидообразующих добавок (Ti, Zr и др.).
При электронно-лучевой плавке путем испарения удаляются металлические и неметаллические примеси, давление пара которых выше давления основного металла. К ним относятся такие элементы, как Fe, Ni, Cu, Mn, Cr, Al, Pb, Bi, Sb, Ca, Mg, Zr, P и S.

а б

Рис. 47. Схема электронно-лучевой печи ПЭЛ-1000 (а) и камера слитка (б):
1 – электронная пушка, 2 – плавильная камера, 3 – загрузочное устройство, 4 – смотровое окно, 5 – кристаллизатор, 6 – камера слитка, 7 – подвижная платформа, 8 – вакуумные насосы, 9 – фланец с вакуумным уплотнением для присоединения камеры слитка к плавильной камере, 10 – охладители слитка, 11 – слиток, 12 – поддон-затравка, 13 механизм вытягивания слитка

В шихте для плавки тугоплавких металлов обычно содержится повышенное количество примесей, поэтому в ходе плавки необходимо предусматривать рафинирование расплава.
Наиболее важное значение имеет глубокое рафинирование от водорода, кислорода, азота и углерода. Снижение их содержания сопровождается существенным повышением пластичности и обрабатываемости тугоплавких металлов.
В качестве шихты применяют штабики и отходы промышленного и собственного производства. Штабики представляют собой бруски, спеченные из порошкообразных тугоплавких металлов. Штабики сваривают в пакеты, которые используют в качестве расходуемых электродов.
В зависимости от требований, предъявляемых к литым заготовкам, а также от марки выплавляемого сплава и вида расходуемой шихты, применяют различные варианты плавки с использованием ВДП и ЭЛП.
Если требуется получение заготовок с требуемыми химическим составом, структурой и свойствами, то применяют двойной переплав. Сначала плавят исходную шихту (расходуемые электроды из штабиков, кусковые отходы, брикеты, крупный порошок и др.) и получают литые круглые слитки (первый переплав). Затем полученные слитки (расходуемые электроды) переплавляют в готовую продукцию (второй переплав). Если требования к чистоте металла невелики, то первый и второй переплав осуществляют в ВДП гарнисажного типа. Для получения высококачественных изделий первый переплав проводят в ЭЛП, а второй в ЭДП или снова в ЭЛП.

11.2. Плавка циркония и его сплавов

Цирконий используют в качестве легирующей добавки ко многим цветным сплавам, но применяют и для получения фасонных изделий. Наибольшее распространение цирконий нашел в атомной технике.
При изготовлении фасонных отливок плавку циркониевых сплавов ведут дуговых гарнисажных печах в графитовых тиглях. Для получения слитков применяют водоохлаждаемые медные изложницы. Технология плавки имеет много общего с технологией плавки титановых сплавов.
Электрод изготовляют прессованием в проходную матрицу или спеканием с последующей сваркой в нейтральной атмосфере. Легирующие компоненты запрессовывают в центр расходуемого электрода или вводят в печь в виде брикетов. Плавку ведут на постоянном или переменном токе. Более стабильное горение доги достигается при постоянном токе. Остаточное давление в вакуумных печах 2,7 Па. Вакуум можно заменить нейтральной атмосферой из смеси аргона и гелия в отношении 1 : 4. Перед заполнением печи нейтральным газом производят двойную или тройную откачку до давления 20 Па. Давление смеси инертных газов доводят до атмосферного.
Плавка с нерасходуемым электродом из вольфрама не получила широкого распространения из-за насыщения расплава вольфрамом.

11.3. Плавка молибдена и его сплавов.

Плавку молибдена и его сплавов ведут в дуговых печах с расходуемым электродом в вакууме (1,33 – 6,65) Ч 10 -4, или в атмосфере аргона. Для фасонного литья используют печи с графитовым или медным тиглем.
Расходуемые электроды изготовляют из молибденового порошка. Сначала прессуют квадратные штабики, которые спекают в водороде, а затем их собирают в пакет и сваривают. Расходуемый электрод присоединяют к отрицательному электроду. Легирующие компоненты вводят в состав расходуемого электрода при прессовании.
Технический молибден содержит до 0,01 % кислорода. При плавке необходимо провести раскисление. В ДВП качестве раскислителя используют углерод в количестве 0,01 %. При плавке в атмосфере аргона раскисляют алюминием. Применение углерода в качестве раскислителя при плавке в аргоне приводит к образованию пористости.
В ЭЛП плавку ведут при остаточном давлении 133 Ч 10-5 Па. Это позволяет произвести очистку от примесей кислорода, азота, углерода, железа, меди, никеля, марганца и кобальта. Легирующие присадки подают в ванну расплавленного металла в виде гранул или порошка.
По аналогичной технологии ведут плавку вольфрама и тантала.

Вопросы для самоконтроля









































13PAGE 15


13PAGE 1416115





Приложенные файлы

  • doc 6726716
    Размер файла: 8 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий