книги / Плавка цветных металлов

Таблица 21

Химический состав, мас. %, цинковых литейных сплавов в чушках по ГОСТ 19424–93

Марка спла-	Легирующие элементы				Примеси, не более
ва	Al	(Zn – ост.)
		Cu	Mg	Cu	Pb	Fe	Sn	Cd	Ni
ZnAl4A*	3,5–4,3	–	0,03–0,06	0,03	0,003	0,03	0,001	0,002	–
ЦА4о	3,9–4,3	–	0,03–0,06	0,03	0,04	0,05	0,001	0,002	0,015
ЦА4	3,5–4,3	–	0,03–0,06	0,03	0,01	0,05	0,002	0,005	0,015
ZnAl4Cu1A*	3,5–4,3	0,7–1,2	0,03–0,06	–	0,003	0,03	0,001	0,002	–
ЦА4М1о	3,9–4,3	0,7–1,2	0,03–0,06	–	0,004	0,05	0,001	0,002	0,015
ЦА4М1	3,9–4,3	0,7–1,2	0,03–0,06	–	0,01	0,01	0,002	0,005	0,015
ZnAl4Cu3A*	3,5–4,3	2,5–3,5	0,03–0,06	–	0,003	0,03	0,001	0,002	–
ZnAl4Cu3*	3,5–4,3	2,5–3,5	0,03–0,06	–	0,005	0,05	0,001	0,002	–
ЦА4М3	3,5–4,3	2,5–3,5	0,03–0,06	–	0,01	0,05	0,002	0,005	–
ЦА4М1в	3,5–4,3	0,6–1,2	≥0,1	–	0,02	0,10	0,005	0,015	0,03

Примечание: * – сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.

Кроме литейных, выплавляются и чушковые антифрикционные сплавы марок ЦА9М1, 5Ч и ЦА10М5Ч.

Для повышения качества отливок проводят рафинирование расплава. Используют следующие методы:

1)отстаивание;

2)обработка хлористыми солями;

3)продувка инертными газами;

4)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 °С и перемешают его круговыми движениями до прекращения выделения продуктов реакции. Таким методом удаляется до 80 % оксидов и 70 % интерметаллидов [16].

151

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 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. 37. В этом случае металл зачерпывают мерной ложкой из стакана над фильтром.

Рис. 37. Установка фильтра в тигле раздаточной печи: 1 – тигель; 2 – стакан; 3 – кусковой фильтр

Можно использовать и более современные пенокерамические фильтры.

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 °С вводят алюминий. После растворения алюминия добавляют частями оставшийся цинк. Металл охлаждается до 420–450 °С.

152

Расплав тщательно перемешивают, снимают уголь и шлак и колокольчиком вводят магний [1]. После этого металл рафинируют хлористыми солями и приступают к разливке.

Готовый расплав нельзя перегревать выше 480 °С 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

1.Защищает ли окисная пленка от окисления цинковые рас-

плавы?

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?

153

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 существенная разница в значениях температуры плавления и плотности компонентов сплавов. Так, в оловянных баббитах, пусть и в небольших количествах, присутствуют элементы с более высокой температурой плавления, чем у олова: сурьма (630 °С), медь (1083 °С), никель (1455 °С). По плотности в этих сплавах выделяется более тяжелый свинец. Разница в значениях температуры 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 постоянноетщательное перемешиваниерасплава.

Сплавы выплавляют в тигельных печах, работающих на всех видах топлива, с чугунными или стальными тиглями.

Взависимости от того, какой металл преобладает в сплаве, имеются некоторые особенности в технологии плавки.

9.1.Особенности плавки оловянных сплавов

Влитейных цехах может возникнуть необходимость плавки оловянных сплавов любой из трех групп, применяемых в промыш-

ленности: антифрикционных, сплавов для литья под давлением

иприпоев.

Всостав 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

154

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 °С 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 [10]. 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 такими, 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 °С, дают отстояться 10–15 мин в выключенной печи, вновь перемешивают, снимают шлак и при 475–500 °С 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 °С (баббиты Б83 и Б83С) или 380–420 °С (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 оловян-

ным 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 га-

155

зовые раковины и пористость. Потери от окисления снижаются при использовании покрова из древесного угля.

Чистый свинец после расплавления нагревают до температуры 375–400 °С и рафинируют хлористым аммонием (0,15 % от массы расплава). 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 °С вводят кусковой мышьяк (баббиты Б6 и БН). Расплав тщательно перемешивают и загружают остальную часть шихты. Последними при температуре 420–450 °С 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 (сурьму, медь и лигатуры). В тигле большей емкости плавят основную массу легкоплавких компонентов, в том числе отходы. Плавление ведется одновременно в обоих тиглях под древесным углем. После расплавления составляющих шихты расплав из малого тигля с температурой около 700 °С переливают в тигель большей емкости с температурой не выше 500 °С. 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 спла-

156

ва) можно производить в большой тигель после полного слива тугоплавкого расплава [10].

Такой способ ведения плавки требует наличия двух печей.

Вопросы для самоконтроля

1.Что облегчает технологию плавки оловянных и свинцовых сплавов?

2.В каких печах и тиглях можно плавить легкоплавкие

сплавы?

3.Как рафинируют баббиты?

4.Какие покровы используют для защиты от окисления?

5.Можно ли вести плавку без покровных флюсов?

6.Как защитить отливку от неметаллических включений?

157

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. 38 показана установки для плавки 0,5 кг. Для определения массы золота указанную емкость тиглей надо умножить на 2,27, а для серебра поправочный коэффициент составляет 1,23.

Рис. 38. Установка индукционная плавильная УИП-3-440-0,5 [14]

158

Для плавки драгоценных металлов и сплавов с высокой температурой плавления (до 2000 °С) можно рекомендовать УИП с вакуумным литьем модели УИП-3-440-0,5 ВЛ (рис. 39). 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. 40)

и УИПЦ-3-440-1,0.

Рис. 39. Установка индукционная плавильная с вакуумным литьем УИП-3-440-0,5 ВЛ:

общий вид [14]

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. 22.

159

а б

Рис. 40. УстановкаиндукционнаяплавильнаяцентробежнаяУИПЦ-3-440-0,5: а – общий вид; б – тигель и форма в центробежном устройстве [14]

						Таблица 22
Технические характеристики УИП малой емкости
	Емкость		Время	Мощ-	Час-	Габариты
						(длина × шири-
Тип установки	(по меди), кг,			ность,	тота,
	и тип тигля		плавки, ч	кВт	кГц	на × высота),
						мм
УИП-3-440-0,25	0,25	(алунд)	0,1	3	440	500×500
УИП-10-22-3,0	3,0	(ТГ-3)	0,3	10	22	1000×480
УИП-16-10-5,0	5,0	(ТГ-5)	0,25	16	10	1000×480
УИП-3-440-0,5ВЛ	0,5 (графит, корунд)		0,5	2,7	440	400×605×100
УИПЦ-3-440-0,5	0,5 (графит, корунд)		0,5	3; 5	440	–

Графитовые тигли можно использовать при значениях температуры до 1300 °С, а корундовые выдерживают рабочие значения температуры до 2000 °С.

10.1. Плавка золота и его сплавов

Чистое золото в расплавленном состоянии практически не взаимодействует с газами и огнеупорами.

Температура кипения золота 2600 °С, при температуре 1400 °С давление паров составляет всего лишь 9,3 Па, поэтому угар золота

160