книги / Плавка цветных металлов

ские 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. 8, а).

Рис. 7. Микроструктура литого сплава АМг10 (×70): а – исходный сплав; б – модифицированный 0,01 % В [18]

Рис. 8. Микроструктура эвтектического силумина: а – без модифицирования; б – после модифицирования натрием [18]

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. 8, б).

41

Вопросы для самоконтроля

1.Типы плавильных печей, пригодных для плавки цветных сплавов.

2.Какие фазы участвуют в процессе плавки сплавов?

3.На какие группы по условиям плавки можно разделить цветные сплавы?

4.Какие цветные металлы склонны к повышенному газопоглощению?

5.Какие газы и в каких металлах могут растворяться при

плавке?

6.Что такое шихта?

7.Какие материалы входят в состав шихты?

8.В каких случаях необходим расчет шихты?

9.Что такое угар и как его учитывают при расчете шихты?

10.Для чего нужны покровные флюсы?

11.Какие требования предъявляют к покровным флюсам?

12.Цели и методы рафинирования сплавов?

13.Какие методы рафинирования относятся к адсорбционным?

14.Перечислите неадсорбционные методы рафинирования.

15.Что такое раскисление?

16.Какие металлы необходимо раскислять?

17.Какиеметодыраскисления применимы длямедных сплавов?

18.Что такое модифицирование?

19.Для чего модифицируют сплавы?

20. Как воздействуют на кристаллизацию модификаторы I

иII рода?

21.Какие методы воздействия на расплав, кроме введения модификаторов, можно отнести к модифицированию?

22.Виды модифицирования по характеру конечных структур.

23.Приведите примеры модифицирования промышленных

сплавов.

42

2.ПРИГОТОВЛЕНИЕ ЛИГАТУР

ИПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ СПЛАВОВ

2.1. Приготовление лигатур

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 либо 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 °С, 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 значительно выше (1420 °С), 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.

43

В расплавленный без флюсов и перегретый до температуры 1000–1100 °С алюминий небольшими порциями вводят кремний, измельченный на куски 15–20 мм и подогретый до 400–600 °С. Для ускорения растворения кусочки кремния притопляют в расплав графитовой мешалкой. Очередная порция вводится после полного растворения предшествующей и перемешивания расплава. После полного растворения всего кремния расплав тщательно перемешивают, рафинируют и при 700–720 °С разливают в изложницы непрерывной короткой широкой струей, не допуская разбрызгивания металла. Каждую плавку подвергают анализу на содержание кремния. Чушки маркируют и отправляют на склад.

Стандартные лигатуры-силумины в чушках (табл. 9) выпускаются промышленностью в соответствии с ГОСТ 1583–93.

По сути, это готовый сплав АК12 и промежуточный сплав для выплавки других силуминов.

Лигатура алюминий–марганец (до 10 % Mn). Температура плавления марганца достаточно высока – 1245 °С. 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 °С, 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 °С. Проводят рафинирование хло-

44

ристым марганцем в количестве 0,2 % от массы шихты и при температуре 800 °С 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 °С и частями вводят подогретую до 400–600 °С 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 исход-

ных 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 °С. 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 °С. Каждая плавка подвергается анализу на содержание бериллия, маркируется исдается на склад шихтовых материалов.

Лигатура алюминий–титан (до 5 % Ti). Лигатуру можно го-

товить 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 °С, 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 °С. Горн выключают и на поверхность алюминия насы-

45

пают 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 в металл сверху вниз подогретой графитовой мешалкой. 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 дно 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 °С, что приводит к повышенному окислению и потерям металла.

2.2. 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.

46

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 делать слдующее:

•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 отличаться от заданного, то его можно легко откорректировать при последующем переплаве.

В цехах, где нет оборудования для проведения экспрессанализа 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 плав-

ке таких сплавов велика опасность получения рабочего сплава с отклонениями по химическому составу.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое лигатура?

2.Для чего применяют лигатуры? Виды лигатур.

3.В какой форме поставляют лигатуры?

4.Для чего готовят предварительные чушковые сплавы?

47

3. 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 °С).

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 °С), сопоставимо с теплотой, затрачиваемой на расплавление такого же количества чугуна (1250 °С). Малое удельное электросопротивление алюминия уменьшает тепловой КПД индукционных печей.

Процесс плавления алюминиевых сплавов ускоряется при погружении шихты 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.

48

При плавке на воздухе алюминиевые сплавы окисляются, и на поверхности твердого и жидкого алюминия образуется плотная, прочная пленка А12O3 толщиной от 0,1 до 10 мкм в зависимости от времени и температуры. Основными окислителями являются кислород воздуха и пары воды [11].

Кинетика дальнейшего взаимодействия будет зависеть от соотношения объемов оксида (Vмео) и металла (Vме), израсходованного на его образование. Ниже приведены указанные соотношения для некоторых металлов:

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 А12O3. Окисляемость увеличивается под влиянием щелочных и щелочно-земельных металлов (K, Na, Li, Ca, Sr, Mg), а также цинка. С их участием образуются рыхлые оксидные плены. Так, при содержании Mg более 1 % окисная плена почти полностью состоит из MgО и 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.

49

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 А12O3 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 размером 0,03–0,5 мкм, равномерно распределенных по всему объему. Несмотря на разность в значениях плотности, они очень медленно отделяются от расплава. Окисные плены более крупные, толщиной 0,1–1,0 мкм и протяженностью до нескольких миллиметров. 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, содержаниекоторогоможетдостигатьзначений1,0–1,5 см3/100 г.

Основным источником водорода являются пары воды, парциальное давление которых в атмосфере печи может достигать 8–16 кПа. При контактерасплавленного алюминия с влагой протекаетреакция

50