книги / Плавка цветных металлов

УДК 621.745.5:669.2/.8(075.8) П37

Авторы: В.Н. Шишляев, А.В. Богомягков, Д.О. Пустовалов, К.В. Шаров

Рецензенты:

канд. техн. наук, доцент С.А. Белова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет); заместитель гл. металлурга А.А. Морозов (АО «ОДК-Пермские моторы», г. Пермь)

Плавка цветных металлов : учеб. пособие / В.Н. Шишляев, П37 А.В. Богомягков, Д.О. Пустовалов, К.В. Шаров. – Пермь :

Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 173 с.

ISBN 978-5-398-02321-3

Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие в ходе получения сплавов. Дано описание технологий получения различных сплавов цветных металлов и оборудования для их получения.

Написано в соответствии с программой курса «Цветные сплавы и плавка» и предназначено для студентов, обучающихся по направлению 15.03.01 «Машиностроение».

УДК 621.745.5:669.2/.8(075.8)

5

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного машиностроения неотрывно связано с совершенствованием литейного производства. Продукция литейного производства чрезвычайно разнообразна. Масса отливок колеблется от нескольких граммов до сотен тонн. Размеры отливок лежат в интервале от миллиметров до десятков метров. Постоянно снижается планка в отношении минимальной толщины стенки отливок, повышается степень их точности. Расширяется и номенклатура литейных сплавов, используемых для получения изделий с разнообразными свойствами.

Длительное время главным материалом для отливок служили железоуглеродистые сплавы. По массе отливки из черных сплавов еще долго будут занимать ведущее положение в структуре литейного производства. Однако с каждым годом возрастает доля отливок из так называемых цветных сплавов. К ним принято относить все остальные металлические материалы независимо от фактического цвета поверхности.

Справедливости ради следует отметить, что первым литейным материалом, освоенным человеком, и был представитель цветных сплавов, а именно бронза. Бронзы и позднее латуни на протяжении нескольких веков были основным материалом литейщиков. Из них изготовляли орудия труда, оружие и, конечно, великолепные художественные изделия. В XVIII в. на первое место выходит более универсальный материал – чугун, послуживший основой развития машинной индустрии. В дальнейшем было освоено и производство отливок из более прочной стали. Ресурсы черных сплавов не исчерпаны по настоящее время, их лидерство неоспоримо, но неоспорим и прогресс в применении цветных сплавов.

Освоение новых сплавов привело к необходимости разработки новых технологических процессов литейного производства. Появились новые плавильные агрегаты, новые огнеупорные, формовочные и стержневые материалы. Широкое развитие получили специальные способы литья. Все это было бы невозможно осуществить без широ-

6

кого развития научных исследований литейных процессов. В России появились новые научные школы металловедов и литейщиков. Кафедры литейного производства созданы в МВТУ им. Н.Э. Баумана, Ленинградском политехническом институте и Московском институте цветных металлов и золота.

Вобласти литейного производства цветных сплавов следует отметить особую роль А.М. Бочвара и его сына академика А.А. Бочвара. Научные положения и открытия, сделанные А.А. Бочваром, профессором А.Г. Спасским и их учениками, позволили обобщить огромный фактический материал по производству отливок и использовать его при разработке современных методов литья. А.А. Бочвару принадлежит заслуга в установлении закономерных связей между составом сплава (положением на диаграмме состояния) и его литейными свойствами.

Внастоящее время исследование традиционных цветных сплавов и разработка новых композиций тесно связаны с экономическими проблемами. Цветные металлы в 5–10 и более раз дороже

железоуглеродистых сплавов, и стоимость их имеет тенденцию к непрерывному росту из-за истощения сырьевых ресурсов и удорожания энергии. С этим связано и стремление к наиболее полному использованию лома и отходов при плавке цветных металлов и сплавов.

Целью настоящего учебного пособия является восполнение недостатка в учебной литературе в части цветных сплавов и технологии их плавки по дисциплине «Литейные сплавы и плавка». В пособие включены и справочные данные по свойствам промышленных сплавов, что облегчает работу студентов над курсовыми проектами и при дипломном проектировании.

Данное пособие было написано на основе работ В.Н. Шиш-

ляева.

7

1. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Значение плавки для получения отливок с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств трудно переоценить. Свойства сплава формируются в ходе плавления исходных твердых материалов, металлургической обработки расплава, кристаллизации

итермической обработки отливки.

Впроцессе плавки литейных сплавов могут участвовать семь основных фаз: твердый металл, покровный флюс, рафинирующий флюс или добавки, 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.

Наибольшее влияние на качество расплава оказывает взаимодействие компонентов сплава с газовой фазой, жидкого сплава со шлаком (флюсами), жидкого металла с футеровкой или тиглем печи.

Располагая сведениями о теплофизических свойствах металлов и их взаимодействии с газами, огнеупорами и шлаками, можно разработать научно обоснованнуютехнологию плавки для каждого сплава.

1.1. Классификация процессов плавки цветных сплавов

Процессы плавки цветных сплавов базируются на общих закономерностях плавки литейных сплавов, но имеются и существенные различия как от плавки железоуглеродистых сплавов в целом, так и между различными группами цветных сплавов.

По условиям плавки (примерно одинаковым взаимодействиям фаз) цветные сплавы можно разделить на следующие группы: 1) алюминиевые, магниевые и цинковые; 2) медные и медно-никелевые; 3) титановые, жаропрочные и тугоплавкие; 4) легкоплавкие и 5) благородные. В каждой группе сплавов разные рабочие температуры, характер взаимодействия фаз и различные последствия этих взаимо-

8

действий. 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 по пленам. Окисная пленка на поверхности магния защитными свойствами не обладает. Несмотря на различия, все эти сплавы необходимо защищать от окисления при помощи флюсов. Сплавы второй группы растворяют кислород и требуют раскисления. Основы сплавов третьей группы настолько химически активны к газовой атмосфере, что требуется плавка в вакууме.

Все существующие способы плавки подразделяют на моно- и полипроцессы. Классификационная схема процессов плавки приведена на рис. 1.

Рис.1. Классификация процессов плавки литейных сплавов

Монопроцессы организуются в одном плавильном агрегате. При полипроцессах последовательно задействованы два или более плавильных устройства. Полипроцессы применяют в массовом и крупносерийном производстве. Их полезно проводить и при высоких требованиях к качеству расплава, особенно по содержанию вредных примесей.

Для некоторых сплавов применяют переплавные процессы, в ходе которых в отливку превращают не шихту, а готовые исходные слитки.

Под плавильным агрегатом понимается устройство (плавильная печь), состоящее из рабочего пространства и источника генера-

9

ции теплоты. По виду рабочего пространства различают шахтные, ванные и тигельные печи. По источнику генерации теплоты различают топливные и электрические печи. Топливные печи, схема которых приведена на рис. 2, подразделяют на тигельные, отражательные и шахтно-ванные. Они могут работать на твердом, жидком и газообразном топливах. Электрические печи классифицируются

взависимости от способа преобразования электрической энергии

втепловую. В литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые (рис. 3), электронно-лучевые, плазменные и некоторые другие (рис. 4).

Рис. 2. Схемы топливных печей: а – тигельные; б – отражательные; в – шахтно-ванные

в г

Рис. 3. Схемыэлектрическихплавильных печей: а– тигельныесопротивления;

б– отражательные сопротивления; в – индукционные тигельные;

г– индукционные канальные

10