17. Плавка цветных сплавов

4.1. Классификация процессов и их общая характеристика. Деление цветных сплавов на группы по условиям плавки. Общая характеристика процессов плавки цветных сплавов. Использование покровных флюсов (шлаков) и защитных атмосфер. Роль раскисления, рафинирования и модифицирования. Шихтовые материалы. Составление и расчет шихты.

Методические указания

В процессе плавки литейных сплавов участвуют семь основных фаз: твердый металл, покровный флюс, рафинирующий флюс, 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. Раскислением называется процесс удаления из расплава растворенного в нем кислорода, или более точно процесс уменьшения активности растворенного кислорода. Данная операция проводится только при плавке тех сплавов, в которых кислород может растворяться (медные и никелевые сплавы). Рафинированию, т.е. очистке расплава от вредных примесей могут подвергаться все цветные металлы и сплавы. Модифицированием называется физико-химическое воздействие на кристаллизующийся металл с целью изменения структуры. Чаще всего модифицирование осуществляют введением специальных добавок – модификаторов.

Наибольшее влияние на качество расплава оказывают взаимодействия: компонентов сплава с газовой фазой, жидкого сплава с флюсами, жидкого металла с футеровкой или тиглем.

По условиям плавки (примерно одинаковым взаимодействиям фаз) цветные сплавы можно разделить на три группы: 1 – алюминиевые, магниевые и цинковые; 2 – медные и никелевые; 3 – титановые и тугоплавкие. В каждой группе сплавов взаимодействие фаз может привести к различным последствиям. 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. Окисная пленка на поверхности магния защитными свойствами не обладает. Несмотря на различия, все эти сплавы необходимо защищать от окисления при помощи флюсов.

Знание физико-химических особенностей каждого базового металла позволяет сделать правильный выбор плавильного агрегата, материала футеровки или тигля, покровного или рафинирующего флюса, назначить температурный режим плавки, сделать выбор необходимой металлургической обработки.

В качестве шихты при плавке цветных материалов используют первичные металлы и сплавы, вторичные сплавы в чушках, собственный возврат, лигатуры. В связи с высокой стоимостью первичных цветных металлов и сплавов в литейном производстве широко используют промышленно переработанный лом и отходы. Предприятия вторичной цветной металлургии выпускают алюминиевые, магниевые и цинковые литейные сплавы в чушках, а также оловянные и безоловянные бронзы и литейные латуни в чушках. Их целесообразно и экономически выгодно использовать при плавке литейных сплавов. Тугоплавкие и легкоокисляющиеся элементы вводят в сплавы при помощи вспомогательных сплавов – лигатур. Состав шихты рассчитывают аналитическим путем с учетом угара каждого компонента.

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8/.

Вопросы для самоконтроля

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

2. Какие фазы участвуют в процессе плавки сплавов?

3. Какие цветные металлы склонны к повышенному газопоглощению?

4. Какие газы, и в каких металлах могут растворяться при плавке?

5. Для чего нужны покровные флюсы?

6. Какие требования предъявляются к покровным флюсам?

7. Что такое раскисление?

8. Цели и методы рафинирования сплавов?

9. Для чего модифицируют сплавы?

10. Какие материалы входят в состав шихты?

11. Для чего применяют лигатуры? Виды лигатур?

4.2. Физико-химические особенности плавки алюминиевых сплавов. Взаимодействие алюминиевых расплавов с атмосферой печи, футеровкой или тиглем и флюсами. Рафинирование и модифицирование. Технология плавки. Выбор печей. Шихтовые материалы. Флюсы. Хранение шихтовых материалов и флюсов. Материалы тиглей и футеровок. Краски для тиглей. Особенности плавки силуминов, магналий и других алюминиевых сплавов.

Методические указания

Алюминий легкий металл (2,7 г/см³) с невысокой температурой плавления 660 ^оС. Отличается повышенной химической активностью по отношению к газам, огнеупорной футеровке и флюсам. Обладает высокой теплопроводностью и скрытой теплотой плавления. В расплавленном алюминии растворяется водород, растворимость которого существенно понижается при переходе в твердое состояние. Выделяющийся из раствора водород становится источником газовой пористости. Основным источником водорода являются водяные пары, содержащиеся в атмосфере, шихтовых материалах, футеровке печи, тиглях, флюсах, продуктах горения топлива.

При взаимодействии расплавленного алюминия с футеровкой могут протекать реакции восстановления окислов, входящих в состав огнеупоров, что приведет к разрушению футеровки и насыщению сплава восстановленными из окислов элементами.

Для удаления образующихся окисных плен Al₂O₃ и растворенных газов необходимо проводить рафинирование расплава рафинирующими флюсами, продувкой инертными или активными газами, фильтрацией, воздействием физическими полями.

В качестве шихтовых материалов при плавке алюминиевых сплавов используют первичные металлы, силумины, вторичные сплавы в чушках, возврат, лом и отходы. Тугоплавкие и легкоокисляющиеся элементы вводят при помощи специальных сплавов – лигатур.

В конце плавки для измельчения зерна проводится модифицирование.

При изучении данного раздела необходимо обратить особое внимание на защиту расплава от окисления и насыщения водородом. При разработке технологии плавки следует учитывать экономическую целесообразность выбора способа рафинирования и модифицирования расплава в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству отливки.

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 7/.

Вопросы для самоконтроля

1. Как взаимодействует алюминий с кислородом и водородом?

2. В чем проявляется повышенная химическая активность алюминия при плавке?

3. В каких печах плавят алюминиевые сплавы. материал футеровок и тиглей?

4. Как защитить расплав от насыщения железом?

5. Состав покровных флюсов.

6. Какие способы рафинирования и дегазации наиболее эффективны для алюминиевых сплавов?

7. Каков механизм рафинирования флюсами. Состав рафинирующих флюсов?

8. Какие газы можно использовать для рафинирования алюминиевого расплава продувкой?

9. Фильтрация через активные и механические фильтры. Механизм очистки расплава.

10. Цели и методы модифицирования сплавов?

11. Механизм модифицирования натрием.

12. Какие модификаторы дают более длительный эффект, чем натрий?

13. Какой эффект достигается при обработке расплава универсальным флюсом?

14. Чем отличается технология плавки алюминиевых сплавов, содержащих магний?

15. Каким элементом обычно насыщаются алюминиевые сплавы при плавке? Как этого избежать?

4.3. Физико-химические особенности плавки магниевых сплавов (повышенное окисление, поглощение газов, образование незащищающей окисной пленки). Необходимость защитной плавки. Защитные флюсы и атмосферы, защитное легирование. Рафинирование и модифицирование. Технология плавки. Печи, шихта, выбор защиты от окисления. Выбор тиглей и уход за ними. Плавка в две стадии: приготовление предварительного и рабочего сплава. Модифицирование магниевых сплавов. Особенности разливки магниевых сплавов. Техника безопасности при плавке.

Методические указания

Магний имеет плотность 1,74 г/см³, поэтому сплавы на его основе самые легкие, из применяемых в технике. Сдерживает применение этих сплавов сложная и трудоемкая технология плавки и литья, что объясняется высокой химической активностью магния. При плавке расплавленный магний интенсивно взаимодействует с печной атмосферой, футеровкой или плавильным тиглем, покровными и рафинирующими флюсами.

Магний легко окисляется с выделением большого количества теплоты. Объем окислов меньше объема металла, на котором они образуются, поэтому окисная пленка не обладает защитными свойствами. К тому же окисная пленка рыхлая, пористая и малотеплопроводная. При атмосферном давлении температура воспламенения магния на воздухе равна 623 ^оС. Теплота реакции окисления не всегда успевает отводиться в пространство, магний перегревается и может произойти его самовозгорание.

Расплавленный магний взаимодействует с кремнеземом, окислами железа и большинством других окислов. Это затрудняет выбор материалов для футеровки плавильных печей.

Защита магниевых сплавов от окисления осуществляется при помощи покровных флюсов или путем создания защитных атмосфер (нейтральных по отношению к магнию). Хорошие результаты дает легирование микродобавками элементов (бериллий, кальций), которые создают на поверхности сплава плотные защитные окисные пленки.

В настоящее время разработаны достаточно надежные технологические процессы плавки магниевых сплавов, соблюдение которых исключает возгорание сплава. Для плавки обычно используют тигельные печи. Изучите технологию плавки в тигельной печи и ее разновидности: в стационарных и выемных тиглях. Изучите составы стандартных хлористых флюсов для магниевых сплавов, содержащих алюминий, режимы рафинирования и модифицирования этих сплавов. Обратите внимание на особенности плавки магниевых сплавов, содержащих редкоземельные металлы.

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 7/.

Вопросы для самоконтроля

1. Как взаимодействует магний и его сплавы с газами печной атмосферы?

2. Чем характеризуется окисление магния?

3. В каких тиглях плавят магниевые сплавы?

4. Какие флюсы используют для защиты от окисления?

5. Для чего вводят во флюсы компоненты – утяжелители?

6. Каково назначение промывочных флюсов?

7. Какие защитные атмосферы применяют при плавке?

8. Для чего в магниевые сплавы вводят бериллий?

9. Почему при плавке сплавов с РЗМ рекомендуются бесхлористые флюсы?

10. Как рафинируют магниевые сплавы?

11. Как модифицируют магниевые сплавы?

12. В чем механизм модифицирования перегревом?

13. Чем устраняют очаги горения магниевых расплавов?

4.4. Физико-химические особенности плавки меди и медных сплавов. Взаимодействие компонентов сплавов с атмосферой печи, футеровкой или тиглем и флюсами. Раскисление и рафинирование медных сплавов. Технология плавки. Печи, применяемые для меди и медных сплавов. Шихтовые материалы, лигатуры, флюсы и раскислители.

Плавка оловянных бронз. Особенности плавки из чистых материалов. Порядок ввода легирующих добавок. Плавка с использованием вторичных чушковых сплавов.

Плавка специальных бронз. Особенности плавки алюминиевых бронз. Дегазация и рафинирование от окисных плен.

Плавка латуней. Особенности плавки многокомпонентных латуней. Температурные режимы плавки и разливки бронз и латуней.

Известно, что при содержании цинка (или его эквивалентного значения) более 45 % латунь имеет однофазную β- структуру. Такая латунь (рис. 6) имеет максимальную прочность, но низкую пластичность. При более высоком содержании цинка в структуре латуни появляется хрупкая γ – фаза, которая резко снижает и прочность и пластичность. Такие сплавы не пригодны к эксплуатации. Зависимости, приведенные на рис. 6, получены для двойных латуней. Влияние легирующих элементов в многокомпонентных сплавах учитывается при помощи коэффициентов эквивалентности Гийе (см. раздел ). Аналитическим путем, используя эти коэффициенты, можно прогнозировать структуру латуни любого состава. При содержании меди на нижнем уровне (64 %), а алюминия на верхнем (7 %) возможно появление γ – фазы со всеми отрицательными последствиями.

Методические указания

При плавке медных сплавов необходимо учитывать, что они способны растворять кислород и насыщаться водородом. При этом имеется гиперболическая зависимость между содержанием этих газов в расплаве. Наличие в расплаве одного из них резко снижает растворимость другого. Целесообразнее плавить сплавы в слегка окислительной атмосфере. Удалить растворенный кислород легче, чем водород.

Для удаления кислорода производят раскисление. Для этих целей используют элементы – раскислители, имеющие большое сродство к кислороду и хорошо растворяющиеся в расплаве. К ним относятся фосфор, бор, литий. При этом образуются жидкие продукты раскисления (фосфиды или бораты меди, оксид лития), которые легко удаляются из расплава. Применяют и поверхностные раскислители: борид магния, карбид кальция, борный шлак. Наибольшее распространение получило раскисление фосфором в виде лигатуры медь – фосфор ( 10 % Р). Обратите внимание на то, что раскисление необходимо в том случае, когда латуни или бронзы готовят из чистой меди и легирующих добавок. Если сплавы готовят путем переплава отходов, содержащих Al, Zn, Si, Sn, то раскисление излишне. При содержании этих элементов в количестве более 0,5 %, кислород в медных сплавах не растворяется.

На практике для защиты расплава применяют защитные флюсы или твердые покровы из прокаленного древесного угля.

В технологии плавки различных медных сплавов много общего, но каждая группа медных сплавов имеет и свои технологические особенности.

Технологию плавки медных сплавов рекомендуется изучать в следующей последовательности: обоснование выбора плавильного агрегата, огнеупорной футеровки и материала тигля; возможные шихтовые материалы и порядок ввода легирующих добавок; выбор способа защиты от насыщения газами, выбор способа раскисления, рафинирования или дегазации, а также модифицирования.

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 8/.

Вопросы для самоконтроля

1. Какое влияние на свойства меди оказывает водород?

2. Какая связь между содержанием кислорода и водорода?

3. Как защитить медь от окисления?

4. Назовите основной источник попадания водорода в расплав?

5. Какие раскислители применяют при плавке меди?

6. Какие продукты раскисления легче удаляются из расплава?

7. Для чего используют древесный уголь?

8. Какие покровные и рафинирующие флюсы применяют при плавке медных сплавов?

9. Какие элементы лучше вводить в медные сплавы при помощи лигатур?

10. Как рафинируют и дегазируют медные сплавы?

11. К чему склонны алюминиевые бронзы при плавке?

12. В каких случаях не проводят раскисление?

4.5. Физико-химические особенности плавки никеля и никелевых сплавов. Технология плавки. Выбор печей, подбор шихты и покровных флюсов. Раскисление. Модифицирование. Особенности плавки в вакуумных печах.

Методические указания

Никель имеет высокую температуру плавления 1455 ^оС. Плотность никеля близка к плотности меди 8,8 г/см³. Чистый никель можно плавить в открытых печах, так как на поверхности образуется плотная окисная пленка закиси никеля NiO, обладающая защитными свойствами. Некоторое количество закиси никеля, растворяется в расплаве. Свойства этой пленки изменяются под влиянием легирующих элементов. Медь не нарушает защитные свойства. Сплавы никеля с медью (монель) можно плавить как специальные бронзы.

Наибольшую сложность имеет плавка жаропрочных никелевых сплавов, содержащих Cr, Al, Ti, Si и другие элементы, которые восстанавливают никель из окисла и образуют на поверхности шлак из собственных оксидов. Под таким шлаком продолжается окисление элементов, обладающих большим сродством к кислороду, а также происходит насыщение расплава водородом и азотом. В связи с этим жаропрочные никелевые сплавы необходимо плавить в вакуумных печах.

Никелевые сплавы, не содержащие высокоактивные элементы, плавят под покровными флюсами

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 7, 8/.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие сплавы требуется плавить в вакуумных печах?

2. Материал огнеупорных футеровок для никелевых сплавов.

3. Что входит в состав покровных флюсов при плавке никелевых сплавов?

4. Какие газы могут растворяться в никелевых сплавах

5. Чем раскисляют никелевые сплавы?

4.6. Физико-химические особенности плавки цинковых сплавов. Технология плавки. Печи, тигли, шихтовые материалы. Рафинирование сплавов.

Методические указания

Цинк является тяжелым металлом (7,13 г/см³) с низкой температурой плавления (420 ^оС). При комнатной температуре на поверхности цинка образуется плотная окисная пленка, обладающая защитными свойствами. При повышении температуры защитные свойства пленки падают и расплав интенсивно окисляется, особенно в присутствии паров воды. Для защиты от окисления при плавке необходимо использовать защитные атмосферы (азот) или создавать восстановительную атмосферу при помощи древесного угля.

Нагрев выше 550 ^оС приводит к увеличению испарения цинка, обогащению расплава оксидами и инетерметаллидами.

При плавке в чугунных или стальных тиглях происходит насыщение расплава железом. Примеси железа существенно охрупчивают цинковые сплавы, поэтому стенки тиглей и плавильный инструмент необходимо окрашивать водным раствором окиси цинка или покрывать обмазкой из смеси каолина и жидкого стекла.

В литейных цехах плавку обычно ведут в тигельных печах электросопротивления с чугунным тиглем. Для повышения качества отливок проводят рафинирование расплава обработкой хлористыми солями, продувкой инертными газами, фильтрацией.

Литература: /1, 2, 3, 4, 5, 8/.

Вопросы для самоконтроля

1. Защищает ли окисная пленка от окисления цинковые расплавы?

2. Чем опасен перегрев цинковых сплавов?

3. Какое влияние на свойства сплавов оказывает железо?

4. В каких печах можно плавить цинковые сплавы?

5. Как рафинируют цинковые сплавы?

6. Нужно ли модифицировать цинковые сплавы?

4.7. Физико-химические особенности плавки титановых сплавов. Высокая химическая активность титана. Выбор печей. Технология плавки в вакуумных дуговых печах с расходуемым электродом. Исходные материалы. Гарнисажная плавка. Возможности плавки в электронно-дуговых печах. Использование отходов собственного производства.

Методические указания

Титан имеет наибольшую химическую активность из всех металлов являющихся базой литейных сплавов. Он активно взаимодействует практически со всеми газами печной атмосферы и со всеми огнеупорными материалами. Чтобы исключить контакт с газовой фазой, плавку ведут в вакуумных дуговых печах. Несмотря на то, что содержание углерода в титановых сплавах строго ограничено, в качестве материала тигля выбран плотный графит. Тигель устанавливается в водоохлаждаемое кольцо. В ходе первой плавки на поверхности тигля намораживается слой титана, называемый гарнисажем. Плавку можно вести с расходуемым электродом из заданного титанового сплава или с нерасходуемым электродом из вольфрама. Конструкция печи затрудняется тем, что в вакуумной камере должна находиться и литейная форма. Для заливки расплава печь должна иметь поворотное устройство.

Для плавки титановых сплавов используют и электронно-лучевые печи. В таких печах шихта загружается в тигель.

Технологический процесс плавки в вакуумной гарнисажной печи включает следующие операции: чистка камеры, установка формы, создание вакуума с остаточным давлением 0,133 н/м², приварка электрода к огарку (остатку от предыдущей плавки), предварительный разогрев, плавление электрода, заливку формы, охлаждение формы. Ознакомьтесь с сущностью этих операций и технологическими параметрами плавки.

Литература: /1, 2, 4, 5, 7/.

Вопросы для самоконтроля

1. Почему необходима вакуумная плавка титана?

2. Принцип работы вакуумной гарнисажной печи?

3. Можно ли переплавлять отходы в гарнисажных печах?

4. Из чего выполняются расходуемые электроды?

5. Как осуществляется приварка электродов?

6. В какие литейные формы заливают титановые сплавы?

Библиографический список

1. Алюминиевые сплавы. Справочник. Плавка и литье алюминиевых сплавов /Под ред. В.И. Добаткина. – М. Металлургия, 1983. – 351 с.

2. Братухин А.Г., Бибиков Е.Л., Глазунов С.Г. Производство фасонных отливок из титановых сплавов. – М.: ВИЛС, 1998. – 292 с.

3. Воздвиженский В.М., Грачев В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. – М.: Машиностроение, 1984. – 431 с.

4. Грачев В.А., Расулов С.А. Металлургия литейного производства. – Ташкент: Укитувчи, 1987. – 303 с.

5. Грачев В.А. Печи литейных цехов. – М.: Изд-во МГОУ АО «Росвузнаука»,1994. – 634 с.

6. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов. – М.: Металлургия, 1984. – 160 с.

7. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) – М.: Изд-во МИСИС,2001. – 632 с.

8. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: металлургия, 1981. – 416 с.

9. Колобнев И.Ф., Крымов, В.В. Мельников А.Е. Справочник литейщика. Цветное литье из легких сплавов. – М.: Машиностроение, 1974. – 310 с.

10. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1964. – 214 с.

11. Н.Д. Орлов, В.М. Чурсин. Справочник литейщика. Фасонное литье тяжелых цветных металлов. - М.: Машиностроение, 1971, 256 с.

12. Производство отливок из сплавов цветных металлов./А.В., Курдюмов, М.В Пикунов., В.М Чурсин., Е.Л Бибиков.: Учебник для вузов. М. Металлургия, 2002. – 502 с.

13. Трухов А.П. Литейные сплавы и плавка: Учебник для студентов вузов /А.П. Трухов, А.И. Маляров. –М.: Издат. центр «Академия», 2004. – 336 с.

14. Цветное литье. Н.М Галдин., Д.Ф Чернега., Д.Ф Иванчук. и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 527 с.

15. Чурсин В.М. Плавка медных сплавов. – М.: Металлургия, 1982, - 152 с.

Формат 60×84/16. Набор компьютерный.

Объем 1,5 п.л.

Тираж 100.

Отпечатано на ризографе в издательстве Пермского государственного технического университета

Адрес: 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113

тел. [phone].

1