книги / Теория литейных процессов

Характеристики литейного каменноугольного кокса

Характеристика, %	КЛ-1	КЛ-2	КЛ-3
Содержание серы:		0,8	1,2
среднее	0,45
предельное	0,60	1,0	1,4
Зольность:
средняя	10,5	9,5	10,5
предельная	12,0	11,0	12,0
Влага, не более	5,0	5,0	5,0
Выход летучих веществ, не более	1,2	1,2	1,2

Термоантрацит литейный по размеру фракций подразделяют на два класса: 40-80 и 80-120 мм. Термоантрацит должен удовлетворять следующим требованиям: массовая доля влаги - не более 2 %; зольность для первого сорта - не более 6 %, для второго сорта - не более 10 %; содержание серы для первого сорта - не более 1 %, для второго сорта - не более 1,75 %; выход летучих веществ - не более 40 см3/г; мелочь - не более 5 %.

Мазут, используемый в литейном производстве, подразделяют на малосернистый (с массовой долей серы до 0,5 %), сернистый (до 2 %) и высокосернистый (до 3,5 %). Теплота сгорания в пересчете на сухое топливо 39 800-40 600 кДж/кг.

Природный газ применяют в газовых и коксогазовых вагранках, а также в печах для плавки многих видов литейных сплавов. Природный газ состоит главным образом из метана СН4 и имеет теплотворную способность 0нР=33 500 + 35 600 кДж/м3

Флюсы. При плавке чугуна в вагранке в качестве флюса применяют в основном известняк СаС03, который содержит СаО (52 % - 1-й сорт; 50 % - 2-й сорт; 49 % - 3-й сорт; С02 при нагреве улетучивается) и около 10 % других примесей (Si02, А120 3. Fe20 3, Р20 5, S02).

Кроме известняка, при плавке используют следующие флюсы: мел, мрамор (по составу они идентичны известняку), известь (88-93 % СаО), апатитоцефелиновую руду Са(Р04)2 (для получения чугуна с повышенным содержанием фосфора), плавиковый шпат (не менее 75 % CaF2), доломит при основном процессе (-30 % СаО, -20 % MgO, -45 % С02).

При электрошлаковой технологии применяют флюсы, содержащие оксиды и фториды. Так, стандартные флюсы (АНФ-1, АНФ-6 и др.) для электрошлакового литья стали содержат 70-90 % CaF2 и СаО, А120 3.

При плавке цветных металлов в качестве флюсов широко применяют хлористые и фтористые соединения.

5.5.Тепловые и физико-механические воздействия на расплавы

Для повышения физико-механических и эксплуатационных свойств металлических сплавов их обрабатывают в жидком состоянии вводом специальных добавок (рафинирующих, раскисляющих, модифицирующих, легирующих элементов) и методами внешних (тепловых и физико­ механических) воздействий.

В настоящем параграфе рассмотрим только методы внешнего воздействия. Физико-химические процессы, протекающие при модифицировании, легировании, раскислении и рафинировании, будут рассмотрены в соответствующих главах.

В последнее время в области металлургии и литейного производства значительное распространение получили способы повышения качества отливок и сплавов из сталей, чугунов и цветных сплавов, основанные на взаимосвязи строения и свойств этих сплавов в твердом и жидком состояниях.

Перспективной и очень важной сегодня представляется разработка технологических основ повышения качества отливок из различных сплавов на базе анализа некоторых структурно-чувствительных свойств расплавов. Систематические исследования строения и свойств металлических расплавов в [зависимости от термовременной и термоскоростной обработок и установление их роли в процессах формирования структуры и свойств сплавов в отливках представляют большой научный и технический интерес. Анализ литературных данных показывает реальность генетической взаимосвязи состояния расплавленного металла и ее влияние на качество и свойства будущих отливок. Несомненно, такая связь существует и ее необходимо учитывать при определении рациональной технологии плавки сплавов и их легирования.

5.5.1.Аномальный характер изменения физических свойств расплавов и его связь с механическими и литейными характеристиками

На высокотемпературных установках для измерения электросопротивления р и кинематической вязкости v изучали температурные зависимости (политермы) указанных свойств.

Алюминий и его сплавы. Исследовалось влияние температуры перегрева жидкого алюминия и его сплавов на их структуру и физико­ механические свойства отливок с учетом особенностей изменения свойств жидкой фазы.

На рис. 5.6 приведены политермы р жидкого алюминия марок А999 (кривая 1 ) и А99 (кривые 2 и 3), полученные в процессе охлаждения. Как видно, с уменьшением чистоты жидкого алюминия абсолютное значение р возрастает. Аномальный характер изменения р жидкого алюминия наблюдается в районе температур 983-1023 К и 1173-1233 К независимо от степени чистоты алюминия.

Рис. 5.6. Зависимость электросопротивления жидкого алюминия от температуры перегрева: 1 - расплав А999 (охлаждение); 2 - расплав А99 (охлаждение); 3 - А99 (нагрев); 4 - расплав А7 (охлаждение); 5 - расплав А7 (нагрев)

Изменение р в процессе охлаждения жидкого алюминия технической чистоты А7 (кривая 4) подтверждает наличие аномалии в районе температур 1013-1048, 1148-1188 и 1283-1323 К. При последующем измерении р в процессе нагрева (кривая 5) вплоть до 1423 К температурные интервалы аномального изменения электросопротивления жидкой фазы смещаются в сторону более высоких температур: 1048-1073, 1173-1198, 1298-1323 К. Дополнительное измерение р жидкого алюминия А99 при 1273-1673 К показало, что в районе температур 1393-1403 К проявляется перегиб на политерме электросопротивления (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Политермы электросопротивления в высокотемпературной области, расплав А99: 1 - расплав А99 обработан флюсом; 2 - расплав А99

Политерма кинематической вязкости алюминия А99 также имеет аномалии в районах температур 973-993 и 1173-1188 К (рис. 5.8, кривая 1).

Рис. 5.8. Политермы кинематической вязкости расплава: I - расплав А99; 2 - расплав АЛ2

Подобные результаты были получены в работах В. 3. Кисунько и И. А. Новохатского, где отмечалось, что вязкость жидкого алюминия резко

124

изменялась при 993-1043, 1133-1173 и 1373-1483 К. При исследовании физико-химических свойств жидкого алюминия (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, стандартная растворимость водорода) до 1373 К наблюдается их аномальное изменение в области 1173-1233 К. Следовательно, совпадают температурные обработки в области аномалий 953-993 и 1173-1233 К. Политермы параметров структуры жидкого алюминия (положение и высота первого и второго структурных максимумов интенсивности, нормированная функция а (5), кратчайшее наиболее вероятное межатомное расстояние га, числа ближайших соседей Zc и Zn), полученные рентгеноструктурными исследованиями, показали, что по характеру изменений структурных параметров исследованные интервалы температур можно разделить на три структурные области: 7Vui-1233 К, 1233-1723, 1723-1883 К. Вблизи границ этих областей некоторые параметры жидкого состояния изменяются достаточно резко.

Аномальное изменение р расплавов АЛ2, АЛ26 наблюдалось соответственно при 1273 и 1243 К (рис. 5.9, 5.10). Сравнение политерм р, v и структурных параметров показывает, что изменение характеристик расплава вблизи указанных температур не связано с экспериментальными погрешностями, а вызвано структурными превращениями с одновременным разрыхлением структуры расплава, обусловленным уменьшением числа ближайших соседей (В. 3. Кисунько, И. А. Новохатский). Аномальный характер изменения р, v и других структурно-чувствительных свойств жидкого алюминия, а также его сплавов связан с наличием критических температур, характеризующих переход жидкой фазы в качественно новое состояние с большей степенью разрыхления в ближнем порядке расположения атомов. Надо полагать, что такой переход способен вызвать определенные изменения кинетики взаимодействия металла с газами, а также растворения легирующих элементов в расплаве.

5

873

973

1073

1173

1273

1373

1473

Температура, К

Рис. 5 .9 . П олитерм а электросопротивления расплава А Л 2

Рис. 5.10. Политерма сопротивления расплава и механические свойства сплава АЛ26

В рамках принятого механизма структурного изменения расплава представляет практический интерес оценка влияния на свойства алюминиевых

сплавов температурного воздействия (перегрева) относительно порогов аномального изменения физических свойств и структурных параметров.

Сплав АЛ26 (21 % Si; 1,8 % Си; 0,6 % Mg; 0,7 % Мп; 1,5 % Ni; 0,5 % Со; до 0,4 % Fe по массе) после расплавления перегревали до различных температур в атмосфере аргона. При этом находили определенную температуру перегрева, при которой достигался максимум прочностных свойств (см. рис. 5.10). Температура заливки жидкого металла после охлаждения в печи со скоростью 0,13-0,15 К/с оставалась постоянной для всех опытов и равнялась 973 К. Образцы для механических испытаний (ГОСТ 1497-73) изготавливались из цилиндрических слитков, отлитых в сухие песчано-глинистые формы. Максимумы значений <т„ и НВ наблюдались при перегреве расплава на 80 К выше порога аномального изменения р. Металлографический анализ показал, что повышение прочностных свойств обусловлено измельчением структурных составляющих. Наблюдалась обратная корреляция между сгв, НВ и д. Подобная взаимосвязь между свойствами в жидком и твердом состояниях наблюдалась у сплава АД31, представляющего интерес с точки зрения использования отходов прессового производства для синтеза силуминов. Химический состав сплава: 0,3-0,5 % Si; 0,4-0,7 % Mg; 0,01 % Мп; 0,3-0,5 % Fe по массе.

Сплав АЛ9, полученный насыщением расплава отходов прессового производства АД31 кристаллическим кремнием (КР3), перегревали до различных температур и охлаждали до температуры заливки 973 К со скоростью 0,5-0,66 К/с. Образцы для механических испытаний отливались в кокиль, подогретый до 573 К. Одновременно заливали прутковую пробку на жидкотекучесть Я. На рис. 5.11 видно, что значения <тв, <5, Я, сп (линейная усадка) изменяются в зависимости от температуры перегрева немонотонно: максимумы значений <тв, НВ и Я наблюдаются при 1023 и 1273 К. Значения второго максимума достигаются при перегреве над вторым порогом аномального изменения электросопротивления р (1179-1223 К). Микроструктура сплава состоит из дендритов a -твердого раствора, эвтектики и интерметаллидных высококремнистых фаз AlxSiYFez.

Установлено, что строение и размеры структурных составляющих зависят от температурных режимов плавки. Максимальным значениям сгв, S и Я, как правило, соответствует ячеистое строение дендритов твердого раствора размерами 20-30 мкм, однородное строение эвтектической колонии и компактная (встречается крестообразная) форма включения интерметаллидной фазы размерами 60-100 мкм.

о,

Относительное удлинение, %

973

1073

1173

1273

1373

Температура, К

Рис. 5.11. Зависимость механических и технологических свойств синтезированного из отходов силумина расплава от температуры перегрева

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

электросопротивление и вязкость жидкого алюминия немонотонно изменяются от температуры;

аномальный характер изменения свойств жидкого алюминия наблюдался в районах температур 983-1048, 1148-1233 и 1283-1323 К в зависимости от степени чистоты алюминия;

аномальное изменение р расплавов АЛ26 и АЛ2 было зафиксировано соответственно при 1243 и 1273 К, АД31 - 1023-1123 и 1223-1273 К, АЛ 9 - 998-1073 и 1173-1223 К;

механические и литейные свойства алюминиевых сплавов изменяются с температурой перегрева немонотонно: максимум значений этих свойств (сгв, НВ) наблюдался при 1023 и 1273 К; второй максимум свойств наблюдался при определенных перегревах над вторым порогом аномального изменения и существенно превышал значения их первого максимума;

с точки зрения практического приложения результатов исследований можно сделать вывод о том, что для достижения максимальных прочностных (часто и пластических) свойств сплавы должны быть перегреты выше второго аномального изменения физических свойств (р или v) на определенную для каждого конкретного сплава температуру;

повышение прочностных свойств алюминиевых сплавов за счет термического воздействия на жидкую фазу обусловлено получением более гомогенной структуры расплава вследствие равномерного распределения компонентов между структурными агрегатами расплава, о чем свидетельствует как исчезновение в структуре сплавов грубых игловидных выделений интерметаллидных фаз, так и измельчение зерен, а также существенный рост микротвердости а твердого раствора.

5.5.2.Влияние температурных режимов плавки и легирования алюминия

иего сплавов на их механические характеристики

Явление аномального изменения физических свойств жидкого алюминия и его сплавов целесообразно использовать для повышения эффективности легирования.

Жидкий алюминий перегревали до температур, существенно превышающих температуру плавления, и легировали медью (4; 10 мае. %). Температура заливки жидкого металла оставалась постоянной, равной 1023 К. Расплав охлаждали вместе с муфельной печью до температуры заливки и заливали образцы в песчаную и металлическую форму.

Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от температуры легирования носит сложный характер: наблюдаются два максимума прочностных свойств (сгв, НВ) при 1073 и 1373 К, т. е. при определенных перегревах над порогом аномального изменения свойств

расплавов (рис. 5.12, 5.13). Изменение механических свойств исследованных сплавов соответствует структурным изменениям; положение первого максимума <тв (1073 К) - температуре перехода структуры ближнего порядка по типу полиморфных превращений (В. 3. Кисунько, И. А. Новохатский), о чем свидетельствует изменение дифракционной картины отраженного рентгеновского излучения жидким алюминием при 1073 К (А. В. Емельянов).

нв

6

I

40

Рис. 5.12. Механические свойства сплава А1 + 4,0 % Си в зависимости от температуры легирования: 1 - литье в кокиль; 2 - литье в песчаную форму

Положение второго максимума 1373 К на 200 К выше температуры второго порога аномального изменения физических свойств жидкого алюминия (1173 К). Аналогично изменяются с температурой перегрева механические

свойства сплава АЛ2, дополнительно легированного медью	(4 мае. %,
рис. 5.13, б). Положение второго максимума соответствует 1423	К, т. е. выше

порога аномального изменения 1273 К на 150 К. Разупрочнение алюминиевых