книги / Плавка цветных металлов

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 °С). 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.

Сплавы золота с медью и серебром плавят с использованием защитных покровов: древесного угля, буры или комбинированных флюсов (уголь + бура) [12]. Шихту (золотые слитки и медь) загружают одновременно. Если используют возвратные отходы, то сначала плавят золото и отходы, а потом добавляют медь. Серебро вводят

врасплав 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 %)

ввиде 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 °С 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.

161

Тугоплавкие металлы (платина, палладий, никель, марганец) вводят в расплав остальных элементов. Сначала загружают платину и палладий, затем никельи последнимлегкоокисляющийсямарганец.

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 % [9].

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 [16]. 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.

Взначительных количествах в серебре может растворяться

иводород. 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 °С. 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

162

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 меднофосфорной лигатурой из расчета не более 0,03 % фосфора, перемешивают графитовой мешалкой и разливают. Перегрев должен быть минимальным. Для простых отливок (слитков) не более 50 °С. 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.

Вопросы для самоконтроля

1.В каких печах и тиглях можно проводить плавку сплавов благородных металлов?

2.Как проводят плавку чистого золота?

3.Как влияет на пластичность добавление свинцавсплав золота?

4.Как взаимодействует расплавленное серебро с кислородом?

5.Как проводят плавку сплава серебра с медью?

163

11.ПЛАВКА СПЛАВОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Кнаиболее 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 среди них занимает легкий титан, который благодаря малой плотности получил широкое применение в современной технике. Особенности плавки титановых сплавов подробно рассмотрены в подразд. 5. В данном подразделе 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 [2]. 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 элек- тронно-лучевых печах (ЭЛП).

11.1.1. Вакуумно-дуговая 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. 41), в который постепенно наплавляется слиток, или ВДП с проходным кристаллизатором для вытягивания из него выплавляемого слитка (рис. 42).

164

13 – поддон

165

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.

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 [3].

Существует несколько схем электронно-лучевой плавки, которые приведены на рис. 43 и 44. В печах, изображенных на рис. 43, переплавляется заготовка, полученная в другом металлургическом агрегате при помощи одной или нескольких электронных пушек. В печах, работающих по другой схеме (см. рис. 44), можно переплавлять сыпучую шихту, например измельченные кусковые отходы.

В современных ЭЛП получают слиткикруглого, квадратного или прямоугольного сечения или фасонные отливки. Схема ЭЛП ПЭЛ-1000 для выплавки слитков длиной до 3 м приведенанарис. 45.

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

идр.), обезуглероживающих и карбидообразующих добавок (Ti, Zr

идр.) [1].

166

Рис. 43. 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

а б

Рис. 44. 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

167

Рис. 45. 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 – механизмвытягиванияслитка

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.

Вшихте 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.

Вкачестве 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.

168

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 распространениецирконий нашелв атомнойтехнике.

При изготовлении фасонных отливок плавку циркониевых сплавов ведут в 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 дуги 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.

169

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)·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 расходуемогоэлектрода при прессовании.

Технический молибден содержит до 0,01 % кислорода. При плавке необходимо провести раскисление. В ДВП в качестве раскислителя используют углерод в количестве 0,01 %. При плавке

ватмосфере аргона раскисляют алюминием. Применение углерода

вкачестве раскислителя при плавке в аргоне приводит к образованию пористости.

ВЭЛП плавку ведут при остаточном давлении 133·10–5 Па. Это позволяет произвести очистку от примесей кислорода, азота, углерода, железа, меди, никеля, марганца и кобальта. Легирующие присадки подают в ванну расплавленного металлав виде гранулили порошка.

По аналогичной технологии ведут плавку вольфрама и тантала.

Вопросы для самоконтроля

1.Взаимодействие с какими элементами расплавов тугоплавких металлов приводит к снижению их пластичности?

2.Какими способами проводят плавку тугоплавких металлов?

3.Как проводят плавку циркониевых сплавов?

4.Как изготавливают расходуемые электроды для последующей плавки молибдена и его сплавов?

5.Как проводят плавку сплавов на основе вольфрама?

170