книги / Плавка цветных металлов

Для измельчения зерна отливок и повышения уровня эксплуатационных свойств некоторые жаропрочные сплавы подвергают модифицированию присадками бора (0,01–0,03 %) и циркония

(0,03–0,1 %) [9].

250СаО; 50CaF2

370CaO; 30CaF2

450CaF2;50MgF2

542СаО; 25SiO2;33CaF2

При плавке в любых печах сначала загружают никель и крупные кусковые отходы и плавят их под флюсами № 1, 2 или 3 (см. табл. 20). Флюсы в дуговые печи вводят отдельными порциями, чтобы уменьшить науглероживание расплава. После полного расплавления вводят лигатуры и чистые металлы и нагревают расплав до полного растворения тугоплавких элементов. Затем проводят рафинирование и раскисление марганцем (0,25 %), алюминием (0,3–0,5 %), титаном (0,01–0,15 %). Модифицирующие присадки циркония и бора вводят перед разливкой.

7.3. Плавка современных жаропрочных сплавов

Применение чистых шихтовых материалов высших сортов и вакуумная плавка являются необходимыми условиями плавки сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов. Только вакуумная плавка обеспечивает:

•глубокую дегазацию расплава, а следовательно, высокую чистоту металла от окисных плен и неметаллических включений;

•рафинирование металла от вредных примесей, имеющих высокую упругость пара (Pb, Bi и др.);

141

•получение стабильного химического состава сплавов;

•введение в расплав высокоактивных модификаторов (Ce, Y, Zr и др.).

При производстве фасонных отливок из жаропрочных сплавов широко применяют дуплекс-процессы, когда на первом этапе получают шихтовые заготовки с заданным химическим составом, которые затем переплавляют, рафинируют, модифицируют и разливают по литейным формам.

7.3.1.Физико-химические особенности плавки в вакууме

Создание в плавильной камере глубокого вакуума от 1,33 до 0,133 Па (10–2–10–3 мм рт. ст.) существенно влияет на протекание физико-химических процессов при плавке никелевых сплавов.

Одной из наиболее важных задач при плавке никелевых сплавов является проведение раскисления. В вакууме в качестве раскислителей удобнее использовать вещества, которые приводят к образованию газообразных продуктов раскисления. Таким раскислителем для никеля является углерод. При взаимодействии углерода скислородом образуются пузырьки СО и СО2, нерастворимые в расплаве, которые всплывают и переходят в газовую фазу. Всплывающие пузырьки захватывают растворенные в металле водород и азот, а также неметаллические включения, т.е. оказывают рафинирующийэффект.

Раскислительная способность углерода зависит от парциального давления СО в газовой фазе. Чем ниже давление, тем выше раскислительная способность углерода. Однако эта зависимость справедлива только при понижении давления от атмосферного до 1·103 (7,6 мм рт. ст.). При дальнейшем понижении давления вплоть до 0,1 Па (7,6·10–4 мм рт. ст.) возрастает скорость перехода кислорода в металл из плавильного тигля [5].

При плавке в магнезитовом тигле некоторые компоненты расплава (особенно хром) взаимодействуют с оксидами футеровки тигля. Тигель постепенно разрушается, а металл загрязняется металлическими и неметаллическими примесями. Углерод, кроме раскисляющего действия, будет вступать в реакции с магнезитом и восста-

142

навливать магний. Это и приводит к снижению раскислительной способности углерода.

Вакуумная плавка позволяет провести рафинирование от примесей таких металлов, как олово, свинец, сурьма и висмут, снижающих жаропрочность сплавов, так как они образуют легкоплавкие эвтектики или интерметаллиды. В вакууме эти примеси легко испаряются. Влияние вредных примесей может быть устранено и введением в расплав компонентов, которые образуют с ними более тугоплавкие соединения, например церия.

7.3.2. Печи для плавки и заливки никелевых сплавов

Для плавки и заливки никелевых сплавов в настоящее время используют сложные плавильно-заливочные устройства (ПЗУ), в состав которых входят собственно печи и различные вспомогательные устройства. Входящие в состав ПЗУ вакуумные печи могут быть периодического и полунепрерывного действия.

Впечах периодического действия после каждой плавки проводится разгерметизация камеры и извлекается залитая форма. После этого проводится очистка камеры и плавильного тигля. В тигель загружается шихта, а в камеру устанавливается литейная форма. После закрытия камеры печи в ней создают вакуум, производят плавку

изаливку формы [3].

Впечах полунепрерывного действия производится несколько

плавок без нарушения вакуума. Число плавок определяется стойкостью материала тигля. Установка форм и загрузка шихты в таких печах осуществляются при помощи шлюзовых устройств, которые отделены от плавильной камеры печи шиберами. Пока в плавильной камере идет плавка, в загрузочных камерах при атмосферном давлении производят подготовку следующих литейных форм и заполняют корзины шихтой. После окончания предыдущей плавки плавильная камера перекрывается шибером, а залитая форма остается в загрузочной камере до полного охлаждения. В другой, заранее подготовленной, камере собственными насосами создается вакуум, как в плавильной камере. Плавильная камера соединяется с загрузочной, открываются шиберные затворы, и производится следующая плавка.

143

Печи полунепрерывного действия имеют неоспоримые преимущества перед печами периодического действия:

•высокая производительность установок, так как не нужно перед новой плавкой вновь создавать вакуум в плавильной камере;

•повышенная стойкость огнеупорных тиглей, которые не испытывают многократных температурных колебаний, неизбежных при открывании плавильных камер впечах периодического действия;

•стенки тигля меньше пропитываются окислами металлов, остающихся после плавки и окисляющихся атмосферным воздухом при снятии вакуума в печах периодического действия, что уменьшает загрязнение расплава при следующих плавках.

Чтобы полнее реализовать перечисленные преимущества, необходимо поддерживать высокий вакуум (не менее 1,33 Па) в плавильной камере. Для этого в плавильно-заливочном устройстве должны быть надежные уплотнения всех соединительных устройств

ивакуумных шиберных затворов. Величина натекания воздуха (количество воздуха, попадающего в камеру в единицу времени при отключенных насосах) должна быть минимальной. В результате большого натекания воздуха в камеру в расплаве растет число окисных плен. Тигель должен быть химически стойким к расплаву, тугоплавким, прочным и не хрупким, а также обладать стойкостью к тепловым ударам. Перед началом первой плавки тигель необходимо тщательно прокалить с целью его полной дегазации.

В настоящее время для плавки никелевых сплавов используют как печи периодического действия (ИСВ-0,01, ИСП-0,016, ИСВ-0,06, ВПЗА-15/50), так и печи полунепрерывного действия (ВИАМ 100,

ОКБ-694, ИСВ-0,025, ВИАМ-24, УППФ-3М, УППФ-4, УВП-4).

Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М с печью полунепрерывного действия приведена на рис. 36.

Кроме основных элементов ПЗУ, на рис. 36 показаны допол-

нительные приборы управления: N1, N2, N3 – вакуумные насосы; V1, V2, V3, V4, V5 – затворы вакуумные; V6, V8 – клапаны вакуумные для пуска воздуха; V7, V9 – клапаны вакуумные для выравнивания давления; V10 – клапан предохранительный.

144

Рис. 36. Схема плавильно-заливочной установки УППФ-3М: 1 – камера загрузочная; 2 – печь подогрева форм; 3 – электроподвод; 4 – затвор вакуумный; 5 – механизм подачи форм; 6 – пульт пирометриста; 7 – устройство загрузочное; 8 – камера плавильная; 9 – печь индукционная; 10 – крышка задняя; 11 – площадка обслуживания; 12 – путь рельсовый; 13 – лестница; 14 – система водоохлаждения; 15 – тележка; 16 – батарея конденсаторная; 17 – пневмоподвод; 18 – преобразователь тиристорный; 19 – механизм поворота тигля; 20 – шкаф силовой; 21 – токоподвод; 22 – токоподвод печи; 23 – глазок;

24 – шкаф управления; 25 – пульт плавильщика; 26 – гидроразводка

145

7.3.3. Технология плавки жаропрочных никелевых сплавов

Высокие значения температуры плавления и перегрева никелевых сплавов (1550–1650 °С) предъявляют повышенные требования к материалу и качеству плавильных тиглей. Для плавки жаропрочных сплавов рекомендуется применять магнезитовые тигли, полученные изостатическим прессованием.

Обычный способ составления шихты из различных первичных и вторичных компонентов и ввода их в плавильный тигель

влюбое время по ходу плавки в вакуумных печах не пригоден. Необходимо, чтобы все части шихты, в том числе раскислители, рафинирующие и модифицирующие добавки, были загружены в тигель перед началом плавки. В дальнейшем без нарушения вакуума невозможно повлиять на состав выплавляемого сплава. Для удобства ведения плавки в вакуумных печах в качестве шихты используют так называемую мерную шихтовую заготовку, выплавленную

ввакуумных печах. Допускается и частичный переплав отходов собственного производства. Шихтовую заготовку выплавляют по той же технологии, которая применяется для получения рабочих сплавов и будет описана ниже. Разливку сплавов для шихтовой заготовки осуществляют под вакуумом в кокиль. После получения положительного результата по химическому составу шихтовую заготовку режут на мерные куски по массе.

Из кусков шихтовой заготовки и собственных отходов и формируется порция шихты для дальнейшего переплава и заливки в литейную форму. Масса шихты должна быть равной металлоемкости формы с учетом угара (без остатка в тигле).

Перед плавкой ПЗУ необходимо подготовить в соответствии с рекомендациями, которые входят в комплект технической документации, поставляемой вместе с установкой. Особое внимание уделяется очистке внутренних поверхностей плавильных камер и деталей, находящихся в ней. Их очищают щетками и пылесосом от возгонов и пыли, промывают бензином и протирают этиловым техническим спиртом с помощью хлопчатобумажных салфеток, неоставляющих ворса[5].

146

При каждом открытии плавильной камеры производится осмотр состояния плавильного тигля. При обнаружении трещин и износе стенки более чемна половину необходимо произвести замену тигля.

Загрузка шихты на первую плавку производится вручную при открытой плавильной камере. Загрузка шихты для последующих плавок и раскисление сплава в печах полунепрерывного действия осуществляются при помощи загрузочного устройства без нарушения вакуума.

Плавка металла начинается только при достижении вакуума в плавильной камере 6,65·10–1 Па (5·10–3 мм рт. ст). Плавление шихты и перегрев расплава ведутся форсированно при полной мощности печи. Температура металла в тигле контролируется оптическим пирометром. При достижении заданной температуры, которая зависит от состава сплава и стойкости тигля, производится раскисление расплава. Раскислители (углерод, лигатура Ni–C) вводятся загрузочным устройством через камеру загрузки шихты. При использовании качественной, хорошо раскисленной шихтовой заготовки дополнительное раскисление можно не проводить.

Одновременно с плавлением ведется подготовка к заливке литейной формы. Керамическая литейная форма прокаливается при температуре не менее 950 °С, помещается в короб из жаростойкой стали и засыпается огнеупорным наполнителем. Короб с формой устанавливается в печь подогрева ПЗУ через загрузочную камеру. Допускается заливка керамических форм и без наполнителя, если они выдерживают напор жидкого металла.

Заливка форм производится при отсутствии плен на поверхности расплава. В этом случае производится «разгон плен». На индуктор подается максимальная мощность для разогрева металла. Покачивая тигель, плены отгоняют к задней стенке тигля. После этого осторожно сливают металл в форму, не допуская выплесков на ее стенки. Температуру расплава перед разливкой контролируют термопарой погружения при помощи специального механизма погружения. Горячий спай термопары защищают наконечником из огнеупорного материала. Залитую форму выдерживают в печи подогрева не менее 5 мин и извлекают в загрузочную камеру [5].

147

Вопросы для самоконтроля

1.Какие сплавы необходимо 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?

6.Как производят «разгон плен»?

7.Преимущества печей полунепрерывного действия.

8.В чем причины сложной технологии плавки жаропрочных никелевых сплавов?

9.Что такое шихтовая заготовка?

10.При каком остаточном давлении ведут плавку жаропрочных сплавов?

11.Как контролируют температуру: в плавильной камере; расплава при заливке; формы?

12.Что такое натекание?

148

8. ПЛАВКА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ

Цинковые сплавы делятся на литейные (ГОСТ 25140–93) и антифрикционные (ГОСТ 21437–95). В их основе две базовые системы: двойная Zn–Al (сплавы ЦА4о и ЦА4) и тройная Zn–Al–Cu (сплавы ЦА4М1о, ЦА4М1, ЦА4М1в ЦА4М3о и ЦА4М3). Все цинковые сплавы содержат малую добавку магния для подавления эвтектоидного распада, приводящего к росту отливок – увеличению размеров при эксплуатации.

Литейные сплавы наиболее широко используются в автотракторной промышленности, электротехнике и бытовой технике. Из них отливают корпуса карбюраторов, магнето, бензонасосов и другие детали.

8.1. Физико-химические особенности плавки цинковых сплавов

Цинк легко окисляется, особенно в присутствии паров воды. Поскольку в состав сплавов входит алюминий, на поверхности расплава образуется пленка шпинели ZnAl2O4 (ZnО·Al2O3) [12]. При перемешивании и разливке пленка попадает в расплав, а затем

ив тело отливки. Образовавшаяся оксидная плена вначале тормозит окисление, но при повышении температуры защитные свойства теряются.

Кроме ZnAl2O4, в цинковых сплавах можно обнаружить и другие твердые неметаллические включения. В первую очередь это SiO2

и3Al2O3·2SiO2. При насыщении железом в сплавах с алюминием образуется интерметаллидная твердая фаза FeAl3. Суммарное содержа-

ние оксидных включений находится в пределах от 0,2 до 0,6 об. %, а интерметаллидов от 0,2 до 1,5 об. %. До 90 % всех оксидных включений приходится на долю ZnAl2O4. Микротвердость ZnAl2O4 в 2–3 раза выше микротвердости матрицы. Еще более твердыми (в 7–10 раз) являются интерметаллиды. Твердые включения резко ухудшают обрабатываемость резанием и увеличивают шерохова-

149

тость поверхности, поэтому сплавы необходимо рафинировать и не допускать насыщения железом.

Сплавы чувствительны к перегреву, так как с повышением температуры растет окисляемость расплава и увеличиваются потери на испарение.

8.2. Технологические особенности плавки

Ввиду низкой температуры плавления цинка (419 °С) выбор печей для плавки цинковых сплавов не представляет трудностей. Можно использовать любые отражательные и тигельные печи, предназначенные для плавки алюминиевых сплавов. В специализированных цехах применяют плавильные индукционные или отражательные печи большой емкости, из которых расплав разливают в раздаточные тигельные печи. При малых масштабах производства используют плавильно-раздаточные печи, тип САТ (тигельные печи электросопротивления). Футеровка отражательных печей изготовляется из шамотного кирпича. В тигельных печах обычно устанавливают чугунные тигли. Для защиты сплава от насыщения железом поверхность тигля покрывают обмазкой из смеси каолина и жидкого стекла. Плавильный инструмент защищают краской на водной основе из окиси цинка и жидкого стекла.

В качестве шихты применяют чистые металлы (Ц1, Ц2, А95, А85, М1, М2 и Мг90) и собственный возврат. Медь лучше вводить лигатурой Al–Cu (50 % Cu). Кроме того, в соответствии с ГОСТ 19424–93 выпускаются первичные чушковые сплавы, предназначенные для переплавки в литейные сплавы по ГОСТ 25140–95. Состав чушковых сплавов приведен в табл. 21.

Для литья неответственных деталей, в том числе сувениров, можно использовать и вторичные чушковые сплавы (сплав ЦА4М1в).

Маркировка чушек осуществляется краской: ЦА4М1о – одна черная полоса; ЦА4М1в – одна черная и одна красная полосы; ЦА4М1 – одна зеленая полоса; ЦА4 – две красные полосы; ЦА4о – одна красная.

150