Взаимод с материалом тигля

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Литейные Al сплавы по ГОСТ 1583-89 маркируют­ся сочетанием букв (означают ЛЭ) и цифр (их среднее содержание). Так, сплав АК5М2 расшифровывается следующим образом: сплав алюмини­евый (А), содержащий в качестве легирующих компонентов 5 % кремния (К5) и 2 % меди (М2).

В литературе могут встречаться обозначения литейных алюми­ниевых сплавов по ГОСТ 2685-73, взамен которого в настоящее время принят ГОСТ 1583-89. В этом случае в марке сплава указа­ны буквы АЛ и далее цифры, обозначающие порядковый номер сплава.

 

Сплавы Cu обозначаются буквами и цифрами, непосредственно определяющими наименование сплава и его химический состав в качественном и количественном отно­шениях. Так, оловянные (ГОСТ 613-79) и безоловянные (ГОСТ 493-79) литейные бронзы обозначаются следующим образом: БрО5Ц5С5, где Бр - бронза, содержащая олово (О), цинк (Ц) и свинец (С), а цифры показывают среднее содержание этих ком ­ понентов в процентах. Таким же образом обозначаются и безоло­вянные бронзы, например алюминиевая бронза БрА9Ж4Н4, где А - алюминий, Ж - железо, Н — никель. В деформируемых брон­зах после наименования сплава Бр идут сначала буквы всех леги­рующих компонентов сплава, а затем указываются цифры, отно­сящиеся к среднему содержанию легирующих, например БрОФ6,5- 0,4, где ф - фосфор.

 

Латуни имеют другое обозначе­ние. Так, по ГОСТ 17711-80 для свинцовистой литейной латуни принята следующая маркировка: ЛЦ40С, где Л - латунь, Ц - цинк со средним содержанием 40 %, С – свинец со средним содержанием 1 %, остальное — медь.

В технической литературе могут встречаться обозначения ли­тейных латуней по старой редакции ГОСТ 17711-72, которые су­щественно отличаются от обозначений действующего ГОСТа. Так, латунь ЛЦ40С ранее обозначалась как латунь марки ЛС59-1 т. е. латунь свинцовистая, со средним содержанием меди (а не цинка, как по действующему

ГОСТу) 59 % и свинца 1 %, остальное – циНК.

 

Для Получения отливок из латуней по ГОСТ 17711-80 выпус­кают литейные латуни в чушках (ГОСТ 1020-77). В этом ГОСТе марки латуней обозначаются без цифровых индексов а указыва­ло наименования легирующих компонентов (например, ЛС - латунь свинцовая, ЛК - латунь кремнистая и т д).

Латуни, обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70), обозна­чаются с указанием среднего содержания в сплаве не цинка (как в литейных латунях), а меди. Так, в латуни Л96 (томпаке) 96 % меди, остальное — цинк. Многокомпонентные латуни маркируют следующим образом: ЛА77-2 - латунь, у которой среднее содер­жание меди 77 %, алюминия 2 %, остальное — цинк.

 

В Ni - НМц2,5 Н — никель, Мц — марганец, которого в сплаве 2,5 %. В Zn - ЦАМ4-1 Ц — цинк, А — алюминий, М — медь; цифры соответственно указывают среднее содержание в сплаве алюминия и меди, ос­тальное - цинк. В оловянном сплаве (баббите) Б83 Б — баббит с 83 % олова, остальное — сурьма и медь.

 

Сплавы цветных металлов по технологическим признакам делят на:

Из деформируемых сплавов производят (отливают) заготовки в виде слитков с различным сечением (круглые, квадратные, плос­кие, прутки, трубные заготовки др.), которые в последующем подвергают разнообразным видам пластической обработки (про­катке, ковке, волочению и т. п).

Согласно общим теоретическим представлениям, хорошее со­четание прочности и пластичности характерно для однородных твердых растворов. Вместе с тем твердые растворы обладают низ­кими литейными свойствами. Поэтому сплавы этого типа исполь­зуют преимущественно как деформируемые.

 

Литейные сплавы применяют для изготовления фасонных отливок.

В качестве литей­ных используют многофазные сплавы преимущественно эвтекти­ческого типа с узким интервалом кристаллизации. Эти сплавы обладают меньшей пластичностью, имеют более низкую способ­ность к обработке давлением, чем однородные твердые раство­ры, но имеют хорошие литейные свойства.

Закономерности влияния состава на литейные свойства в двой­ных системах эвтектического типа и непрерывного ряда твердых растворов сформулированы в теории А. А. Бочвара. Согласно этой теории, в системах эвтектического типа вблизи эвтектики имеет­ся обширная область доэвтектических и заэвтектических спла­вов, имеющих малую линейную усадку, хорошую жидкотекучесть, не склонных к ликвации и образованию литейных трещин и не предрасположенных к образованию усадочной пористости при кристаллизации.

Физические св-ва

Ме	Tпл	ρтв	ρж	Ме	Tпл	ρтв	ρж	Ме	Tпл	ρтв	ρж
Al		2.7	2.38	Si		2,35	2,53	Sn		7,3
Be		1,85	1,69	Li		0,53	0,5	Hg	-39	13,55	13,7
Bi		9,8		Mg		1,74	1,59	Pb		11,35	10,68
W		19,3	16,74	Mn		7,4	6,75	Ag		10,5	9,35
Ga		5,9	6,1	Cu		8,96		Sb		6,7	5,49
Fe		7,87		Mo		10,2	8,9	Ti		4,5	4,1
Au		19,3	17,35	Na		0,97		Cr		7,15	6,3
Cd		8,64	8,02	Ni		8,9	7,9	Zn		7,14	6,57
Ca		1,54		Nb		8,6	7,85	Zr		6,5	5,9

Повышение температуры жидкого металла, или иначе пере­грев, всегда понижает поверхностную энергию. Это понижение невелико и составляет около 2...4 % на 100 К перегрева.

Изменение поверхностной энергии металла от введения в него добавок других металлов, т.е. при образовании сплавов, может проявляться различным образом. Некоторые добавки могут выз­вать резкое снижение поверхностной энергии. Так, при введений в алюминий ~ 0,01 % натрия или 0,1 % висмута поверхностная энергия снижается с 850 до 600 мДж/м². Добавки свинца (0,05... 0,1 %) в медь вызывают падение поверхностной энергии с 1250 до 900 мДж/м³. Кислород (ОД %) снижает поверхностную энергию железа с 1850 до 1100 мДж/м². Добавки, действующие подоб­ным образом, называют ПАВ.

Кроме поверхностной энергии, различают еще межфазную энергию на границе двух жидкостей (жидкий металл — жидкий шлак, жидкий металл — жидкий флюс), на границе жидкость — твердое тело (жидкий металл — огнеупорный материал, жидкий металл — растущий кристалл). Межфазная энергия на границе раздела двух конденсированных фаз всегда существенно меньше поверхностной энергии любой из этих фаз на границе с газовой фазой. Это объясняется тем, что на границе с конденсированной фазой в поверхностном слое жидкости или твердого тела значи­тельно меньше свободных связей, чем на границе с газовой фа­зой.

 

	tпл,°С	tкип,°С	Рпара При tпл, Па		tпл,°С	tкип,°С	Рпара При tпл, Па
Ртуть	-39		10 -4	Марганец
Олово			10-21	Кремний			0,13
Кадмий			13,3	Никель			1,3
Свинец			10 -6	Железо			1,3
Цинк			13,3	Титан			1.3
Магний				Цирконий			10-3
Алюминий			10-6	Хром
Кальций				Молибден			1,3
Медь			0,13	Вольфрам			1,3

 

Для оценки поведения металла при плавке большее значение, чем температура кипения, имеет величина давления пара при тем­пературе плавления, так как именно она предопределяет величи­ну потерь в результате испарения. У таких металлов, как Cd, Zn, Mg, Cа, Mn, Cr, давление пара при тем­пературе плавления превышает 10 Па. Эти металлы называют легколетучими.

Давление пара сплава складывается из суммы парциальных давлений всех компонентов и примесей, входящих в его состав. Значительные трудно­сти возникают при плавке сплавов, в состав которых входят ком­поненты с различным давлением пара. Компоненты, обладаю­щие большим давлением пара, испаряются более интенсивно. Из- за этого расплав обедняется ими, и заданный состав сплава не выдерживается. Поэтому приходится всегда вводить избыток по­добных компонентов в процессе плавки. Этот избыток, как пра­вило, определяют опытным путем.

 

ВЗАИМОД ЖИДК. МЕТАЛЛОВ С ГАЗАМИ

Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с газовой средой и развиваются процессы, направленные к дости­жению равновесия в системе, то возможны следующие 3 типа изменения в составе и состоянии расплава:

1. Газовая среда инертна по отношению к жидкому металлу, поэтому ни растворения газа в расплаве, ни образования каких- либо соединений не происходит. Отсутствие взаимодействия мож­но наблюдать между любым металлом и любым инертным газом нулевой группы периодической системы Д. И. Менделеева, а также в некоторых системах металл—водород (металл — олово, свинец и др.), металл—азот (металл — медь, серебро, цинк и др.).

2. Значительная растворимость газа в расплаве. В системах, где происходит подобное взаимодействие, в конечном итоге будут существовать насыщенный газом жидкий раствор и газовая фаза. Возможно также, что по достижении в расплаве предельного содержания газа начнется образование химического соединения между газом и металлом. Для процесса плавки опре­деляющим обстоятельством является именно образование раствора газа в жидком металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл—водород.

3. Об­разование устойчивых химических соединений металл — газ. Ра­створимость газа в жидком металле в этих случаях настолько мала, что наблюдается во многих системах металл—кислород (А1—О, Мн-0₂ и др.).

Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из нескольких ступеней. Поступление молекул газа к поверхности жидкого металла обеспечивается путем молекулярной диффузии и конвективного массопереноса в нем. Следующая ступень заключается в переходе молекул газа на поверхность расплава – адсорбция.

Атомы газа, адсорбированные на поверхности расплава, гото­вы как для образования молекул химического соединения ме­талл-газ, так и для диффузии в глубь расплава. Если взаимодей­ствие состоит в возникновении нерастворимого в расплаве со­единения, то на поверхности расплава начинает нарастать слой этого соединения.

Водород составляет обычно основную долю газов, обнаружи­ваемых в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода, попадающего в металлы при плавке, влага. Наибольшие содержания растворенного водорода наблюдаются в магнии и никеле, наименьшие в алюминии.

Сплавы алюминия с магнием и сплавы меди с никелем показывают большую растворимость водорода, чем чис­тые алюминий или медь. Цинк вызывает существенное снижение растворимости водорода в латунях по сравнению с чистой медью.

С кислородом подавляющее большинство металлов, находясь на воздухе как в жидком, так и в твердом состоянии, активно взаимодействует. Конечным продуктом взаимодействия явдяются оксиды.

Особенность поведения металлических расплавов чистых ме­таллов, содержащих растворенный кислород, состоит в том, что при их охлаждении и кристаллизации этот газ никогда не выде­ляется из раствора в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (например, в системе Ц—О), либо в твердые со­единения — оксиды, появляющиеся в результате эвтектического превращения (в системах Си—О, N1—0). Это значит, что кисло­род в подобных металлах не вызывает появления газовой порис­тости. Исключение составляет серебро.

Со свободным молекулярным азотом жидкие металлы взаимо­действуют с малой интенсивностью. Эго объясняется очень незна­чительной величиной константы диссоциации молекулярного азо­та. Взаимодействие сильно ускоряется при наличии в атмосфере атомарного азота, появляющегося вследствие различных реакций.

Сплавы на основе легкоплавких металлов, которые в жидком состоянии не растворяют ни углерод, ни кислород, будут вести себя в атмосфере СО примерно так же, как и чистые металлы- основы.

Сплавы серебра и меди между собой, а также с неактивными по отношению к кислороду легкоплавкими металлами ^ВИС^У~ том и свинцом — не окисляются при плавке в атмосфере СО. Сплавы на основе этих же металлов с более активными металла­ми — алюминием, магнием, марганцем, кремнием, хромом, тита­ном, цирконием - покрываются пленкой нерастворимых в рас­плаве оксидов легирующих металлов.

Сплавы на основе металлов, способных растворять кислород и углерод, при плавке в атмосфере СО будут насыщаться обоими этими элементами подобно чистым металлам, но легирующие добавки могут резко снизить растворимость кислорода в этих рас­плавах.

Если рассматривать атмосферу чистого С0₂, то такая газовая сре­да не вызывает окисление лишь таких жидких металлов, облада­ющих малым сродством к кислороду, как висмут, свинец, сереб­ро, медь. Плавку этих металлов можно производить в среде С0₂ без каких-либо нежелательных последствий, расплавы не будут загрязняться твердыми оксидами (висмут, кадмий, свинец) или растворенным кислородом (серебро, медь).

Для всех остальных металлов чистый С0₂ является окисли­тельным газом. Плавка олова, цинка, магния, алюминия в среде этого газа вызывает активное окисление расплава, который по­крывается пленкой нерастворимых в расплаве оксидов. Плавка металлов, способных растворять в себе кислород и углерод, в ат­мосфере чистого СО, приведет к насыщению расплава и кисло­родом и углеродом.

Взаимодействие жидких металлов с метаном. Содержание СН₄ довольно велико в атмосфере пламенных печей, работающих на мазуте и природном газе. Метан при повышенных температурах диссоциирует на элементы, что может вызывать насыщение рас­плава водородом и углеродом одновременно.

 

ВЗАИМОД С МАТЕРИАЛОМ ТИГЛЯ

Взаимодействие с чисто оксидными материалами, -эти риалы могут состоять из чистых тугоплавких оксидов или из сме­си оксидов. Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их сме­сей. Недостаточная огнеупорность материала приводит к механи­ческому разрушению футеровки и загрязнению расплава инород­ными частицами — неметаллическими включениями, которые в данном случае называют экзогенными, подчеркивая их внешнеее по отношению к расплаву происхождение.

Восстановленный элемент растворяется в металлическом расплаве и загрязняет его. Образующийся оксид металла может растворяться в расплаве, оставаться в свободном виде или же образовывать сплав с огнеупорным оксидом. В ре­зультате такого взаимодействия разрушается футеровка и загряз­няется расплав. Подобное взаимодействие имеет место при по­пытке плавить магниевые сплавы на оксидной футеровке, содер­жащей оксид кремния.

Проблема прямой окислительно-восстановительной реакции между металлом и огнеупором практически неразрешима в случае тугоплавких метал­лов, начиная с титана. Все тугоплавкие металлы 4...6-й групп настолько активны по отношению к кислороду, что никакие огнеупорные оксиды не выдерживают воздействия подобных расплавов. Высокая актив­ность в сочетании с большой тугоплавкостью этих металлов вы­нуждает обращаться к особому способу плавки с применением водоохлаждаемых плавильных тиглей, играющих одновременно роль изложниц-кристаллизаторов. Рабочие стенки кристаллизаторов выполняют обычно из меди. Поэтому металлический расплав, соприка­саясь с такой “холодной” стенкой, тотчас затвердевает, образуя так называемый гарнисаж. Плавка совершается практически без прямого соприкосновения расплава с медной рубашкой.

Большую роль во взаимодействии расплавов с огнеупорными материалами играет явление смачивания. Смачивание обычно предшествует химическому взаимодействую. Чистые металлы при отсутствии химического взаимодействия с огнеупорными окси­дами смачивают их плохо. Если расплав способен растворять в себе кислород, смачивание усиливается.

Взаимодействие с графитовыми, карборундовыми, металличес­кими материалами. Графит сам по себе способен работать до 2500 °С. Однако на воздухе он очень быстро сгорает, начиная с

600-700 °С, а в вакууме заметно испаряется выше 2200 *С. Глав­ная особенность графитных материалов состоит в возможном ра­створении углерода в металлических расплавах. Графитовые ог­неупоры вполне пригодны для плавки легкоплавких металлов, включая медь и ее сплавы, однако начиная с 600 °С для долговре­менной работы необходимо защищать их от окисления.

Карбундовые материалы состоят на 80 % и более из карборун­да — карбида кремния 81С, остальное — связка из тугоплавких оксидов. Эти материалы очень огнеупорны (более 1800 °С) и хи­мически стойки. Они не вступают во взаимодействие и не смачи­ваются жидкими металлами от олова до меди включительно, стойки в атмосфере воздуха до 2000 °С.

 

ЗАЩИТА ОТ ГАЗОВ

Для защиты используют шлаки, флюсы и другие защитные покровы, проводят плавку в атмосфере защитных или нейтральных газов, а также плавят металлы в вакууме.

Защитные шлаки и флюсы представляют собою сложные сплавы оксидов и солей. Шлаки и флюсы должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый ме­таллический расплав. Их плотность должна быть меньше плотно­сти жидкого металла. Чтобы надежно защищать металл от газов, шлаки и флюсы должны быть непроницаемыми для газов воздуха и печного пространства. Вязкость шлаков должна быть неболь­шой, чтобы обеспечивать хорошее растекание по поверхности расплава. При разливке металла шлак следует задержать в печи или в ковше на поверхности расплава и частично или полностью удалить. Для этого необходим более вязкий шлак. Повышение вязкости шлака или его загущение достигается введением тугоп­лавких оксидов кварцевого песка, порошка магнезита и т. п.

Для плавки никеля и малолегированных никелевых сплавов используют в качестве шлака обычное стекло. Средний состав стекла: 70...80 % SiO₂; 5...10 % СаО; 10....15 % Nа₂О. Температура перехода стекла в жидкоподвижное состояние находится в пре­делах 1100... 1200 °С.

Для плавки сложнолегированных никеле­вых сплавов применяют известняк с плавиковым шпатом - гор­ной породой, содержащей 90 % СаF2 Плавиковый шпат вообще широко используют для разжижения шлаков..Загущение жидких шлаков достигается добавками магнезита.

 

Шлак для плавки медных сплавов должен быть жидким при 800-850 °С. Основой подобных шлаков является система SiO₂ - Nа₂О, где имеется эвтектика, состоящая из 73 % SiO₂ и 27 % Nа₂О и плавящаяся при 795 °С. В состав шлаков этого вида вводят до 10 % различных солей - буры, хлористого натрия, криолита. Эти добавки еще больше снижают температуру плавления и разжижа­ют шлак.

Для медных сплавов с повышенным содержанием цинка очень перспективными оказались сыпучие шлаки, состоящие в основ­ном из маршаллита (тонкого кварцевого песка) и небольших до­бавок фторидов и хлоридов. В слое такого малотеплопроводного материала толщиной 30...50 мм происходит почти полная кон­денсация паров цинка, выделяющихся из расплава. Поэтому рас­плав оказывается защищенным от атмосферных газов; при этом резко снижаются потери металла, обусловленные испарением ЦИНКа.

 

Для защиты от взаимодействия с газовой средой некоторых алюминиевых и всех магниевых сплавов используют сплавы со­лей, которые называют флюсами. Флюсы состоят из хлоридов тех же металлов. Хлориды натрия, калия, магния очень гигроскопичны, поэтому содержа­щие их флюсы после пребывания на воздухе могут вызывать на­сыщение расплавов водородом.

 

Слой жидкого шлака или флюса толщиной 5...10 мм на повер­хности металлического расплава не только защищает его от взаи­модействия с газовой средой, но и почти подавляет испарение расплава.

Шлаки и флюсы, применяемые при плавке, оказывают разру­шающее действие на огнеупорную футеровку. Шлаки способны растворять в себе оксиды футеровки. Флюсы слабо растворяют огнеупорные оксиды, но смачивают их и поэтому впитываются внутрь футеровки. Из-за этого она делается более теплопровод­ной и становится электропроводной.

Кроме жидких шлаков и флюсов, для защиты расплавов от взаимодействия с газами используют твердые покровы — древес­ный уголь и иногда бой графитовых электродов, которыми защи­щают медь и многие ее сплавы от окисления кислородом воздуха. Защита достигается за счет непрерывного сгорания углерода и поддержания над зеркалом расплава атмосферы, состоящей из азота и оксидов углерода, которые не взаимодействуют со многи­ми медными сплавами.

Атмосферу защитных и инертных тазов применяют в тех слу­чаях, когда невозможно или нежелательно использовать шлак или флюс, например при приготовлении сложных сплавов с химически активными добавками, содержание которых нужно выдержать в узких пределах, а также из-за опасности разъедания футеровки и загрязнения расплава примесями и шлаковыми включениями.

В аргоне часто проводят плавку сложных никелевых, медных сплавов и элекгродуговую плавку хрома.

 

Для многих медных сплавов нейтральными газами явля­ются азот и оксиды углерода, поэтому при плавке меди и латуней применяют генераторный газ, представляющий собою смесь СО и С0₂. Для защиты магниевых сплавов их припыливают порошком серы, кото­рая, сгорая, дает защитный сернистый газ. Применяют также шестифтористую серу — газ, подаваемый из баллонов.

 

Плавку металлов в инертной или защитной атмосфере прово­дят под давлением 1 • 10⁴... 1,2 • 10⁵ Па. Во всех случаях главное внимание уделяют содержанию примесей в применяемых газах, главным образом кислорода и влаги. Содержание влаги опреде­ляется точкой росы, т. е. температурой начала конденсации воды. Если точка росы равна —30 °С, содержание влаги составляет око­ло 0,1 % (объемн.).

 

Состав атмосферы для плавки выбирают, исходя из характера взаимодействия металла с газами. Наиболее на­дежной защитной атмосферой являются инертные газы нулевой группы периодической системы Д. И. Менделеева — гелий или аргон. Обычно используют аргон как более дешевый и удобный для работы.

 

Плавка в вакууме является наиболее надежным способом по­лучения чистых расплавов. Вакуумом называют состояние газа при низком давлении и характеризуют величиной этого давле­ния, которое называют остаточным.

Для исключения образования свободного соеди­нения металл — газ необходимо, чтобы остаточное давление дан­ного газа над расплавом было меньше, чем равновесное давление диссоциации рассматриваемого соединения при заданной темпе­ратуре. Может происходить не диссоциация соединения металл — газ, а его испарение. В этом случае остаточное давле­ние над расплавом следует держать меньшим, чем равновесное давление пара данного соединения. Если же газ способен образо­вывать раствор в металлическом расплаве, то остаточное давле­ние данного газа над расплавом необходимо поддерживать мень­шим, чем равновесное давление газа над раствором предельно допустимой концентрации.

 

Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов вследствие испарения. Особенно много осложнений вносит нео­динаковое испарение компонентов сплава, приводящее к изме­нению его состава.

РАФИНИРОВАНИЕ

Рафинирование (очистка) расплавов от растворенных приме­сей обычно является задачей металлургического передела путем окисления, хлорирования, обработки флюсами или вакуумной дистилляцией.

Рафинирование окислением применимо в тех случаях, когда сплав способен растворять кислород. Этим методом можно очи­стить расплав от примесей, имеющих большее сродство к кисло­роду, чем основной компонент рафинируемого сплава при усло­вии, если оксиды примесей не растворяются в расплаве. Данный метод применяют для очистки меди от свинца, мышьяка, висму­та, сурьмы и никеля — от кремния, магния и марганца.

 

Окисление примесей производят продувкой воздуха через рас­плавленный металл или подачей воздуха на поверхность распла­ва. Иногда для этой цели в расплав вводят окислители (оксиды и соединения, легко отдающие кислород).

При контакте расплава с кислородом прежде всего происходит окисление основного ме­талла, и расплав насыщается кислородом. После этого раство­ренные примеси, соединяясь с кислородом, образуют соответ­ствующие оксиды, которые, будучи нерастворимыми в расплаве, постепенно переходят в шлак. Для наиболее полного удаления примесей необходима высокая концентрация кислорода в рас­плаве. После проведения окислительного рафинирования необ­ходимо удалить избыток растворенного кислорода. Это достига­ется путем раскисления (см. ниже).

Хлорирование - продувка расплавов газообразным хлором ~ применяется для удаления примесей, обладающих большим срод­ством к хлору, чем основной и главные легирующие компоненты сплава. Хлорированием можно удалять примеси натрия и магния из алюминиевых сплавов.

Рафинирование флюсованием применяют в том случае, если примесь растворяется во флюсе или взаимодействует с ним с об­разованием летучих или легко шлакующихся соединений, не ра­створяющихся в основном металле, например: очистка алюминиевых сплавов от магния криолитом при производстве вторичного алюминия.

Вакуумную дистилляцию используют для удаления тех приме­сей, которые имеют большее давление пара, чем рафинируемый металл. Этот способ можно применять для рафинирования вто­ричных алюминиевых сплавов от магния и цинка.

 

Рафинирование расплавов от нерастворимых примесей очень часто производят в процессе приготовления сплавов. Нераство­римые примеси находятся в расплаве в виде частиц самых разно­образных размеров - от миллиметров до долей микрометра. Встречаются также карбиды, нитриды, оксикарбиды, карбонитриды. По этой причи­не частицы нерастворимых примесей называют неметаллически­ми включениями.

Как правило, НВ резко снижают плас­тические свойства металла, особенно при ударных нагрузках и низких температурах. Они также способны существенно пони­зить коррозионную стойкость металлов.

Экзогенные попавшие извне НВ в результате механического захва­та.

Эндогенные появились в резуль­тате физико-химических процессов с участием самого расплава. Большую долю эндогенных неметаллических включений составля­ют продукты раскисления расплавов. Наконец, эндогенные вклю­чения могут самостоятельно возникнуть в расплаве, содержащем растворимые примеси, при его охлаждении и кристаллизации.

Нерастворимые примеси можно удалять отстаиванием, про­дувкой газами, вакуумированием, обработкой флюсами и шлака­ми, фильтрованием.

 

Отстаивание расплава как способ рафинирования основано на разности плотностей расплава и материала, составляющего нера­створимые частицы. Кинетика этого процесса упрощенно опи­сывается формулой Стокса.

 

Рафинирование расплавов путем продувки газами основано на флотирующем действии пузырьков газа по отношению к находя­щимся в расплаве частицам нерастворимых примесей. Пузырьки вводимого в расплав и нерастворимого в нем газа прилипают к встретившимся инородным включениям и выносят их на поверх­ность расплава. Для успешного рафинирования этим способом необходимо, чтобы пузырьки газа, вводимого в расплав, были достаточно мелкими и пронизывали весь объем расплава.

 

Рафинирование путем фильтрования является одним из наи­более действенных способов удаления из расплава частиц нера­створимых примесей. Фильтрование производится через сетча­тые, зернистые и пористые фильтры. Сетчатые фильтры изготав­ливают из стеклоткани или металлической сетки с размером яче­ек 0,2 мм и более. Работа сетчатых фильтров основана на механи­ческом удержании частиц, которые по размерам больше ячейки.

 

Рафинирование расплавов от растворенных газов называют также дегазацией расплавов. Дегазация означает удаление из рас­плавов водорода, азота, оксида углерода, может быть осуществлена вымораживанием, продувкой нерастворимыми газами, вакуумированием, обработкой флюсами, различными физическими воз­действиями на расплав.

Дегазация «вымораживанием» основана на уменьшении раство­римости газов при понижении температуры.

 

Для продувки расплавов используют аргон (любые сплавы), азот (медные и алюминиевые сплавы), азот с добавкой хлора (алю­миниевые сплавы). В последнем случае можно использовать чис­тый хлор. Наряду с газами используют также летучие соедине­ния: хлористый марганец (для медных и алюминиевых сплавов), хлористый цинк и гексахлорэтан (для алюминиевых сплавов). Во всех случаях необходима достаточно высокая чистота газов и со­единений по содержанию влаги и кислорода.

 

Вакуумирование позволяет наиболее надежно дегазировать металлические расплавы. Понижение общего давления над рас­плавом при вакуумировании приводит к выделению растворен­ных газов не только через зеркало расплава, но и в объеме рас­плава в виде пузырьков различного размера.

 

РАСКИСЛЕНИЕ

Раскислением называют удаление из металлического расплава растворенного кислорода. Поэтому данную операцию произво­дят лишь при плавке тех металлов и сплавов, которые способны, находясь в жидком состоянии, растворять кислород. Известно несколько способов раскисления: осадочное или глубинное, кон­тактное или диффузионное, обработкой расплава водородом с последующим вакуумированием, плавкой в достаточно глубоком вакууме при малом остаточном давлении.

 

Наиболее часто применяют осадочное раскисление, которое заключается в том, что растворенный кислород связывают в не­растворимые в расплаве оксиды с помощью специально вводи­мых в расплав добавок, называемых раскислителями.

 

Для успешного раскисления необходимо удаление из расплава продуктов раскисления, которые являются типичными неметал­лическими включениями.

 

МОДИФИЦИРОВАНИЕ

Модифицирование, как правило, означает измельчение струк­туры. При этом под словом структура понимаются самые разно­образные черты макро- и микростроения литого металла

 

СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ

Алюминий обладает ГЦК крис­таллической решеткой и не испытывает аллотропических пре­вращений. Он имеет малую плотность (2,7 г/см³), невысо­кую температуру плавления (660 °С), обладает высоким относи­тельным удлинением при растяжении (до 60 %), хорошей элект­ропроводностью и высокой удельной прочностью.

Алюминий имеет большую объемную усадку кристаллизации (6,5 %) и боль­шую линейную усадку (1,7 %); он легко окисляется с образовани­ем плотной защитной оксидной пленки из А1₂0₃. \

 

ГОСТ 11069—74 предусматривает выпуск первичного алюми­ния 13 марок, различающихся содержанием примесей. Алюминий выпускают в виде чушек массой 5, 15, 1000 и 2000 кг.

Основными примесями алюминия являются железо и кремний. Они существенно снижают его пластические свой­ства, увеличивают твердость, повышают температуру рекристал­лизации. В процессе плавки содержание этих примесей увеличи­вается из-за взаимодействия алюминия с огнеупорной футеров­кой и стальным плавильным инструментом.

Литейные сплавы

Для изготовления отливок в промышленности используют пять групп литейных алюминиевых сплавов:

I — сплавы на основе системы А1—81—Ме;

II — сплавы на основе системы А1-8НСи;

III — сплавы на основе системы А1—Си;

IV — сплавы на основе системы А1—Ме;

V — сплавы на основе системы А1—прочие компоненты.

 

Сплавы I группы (силумины) по содержанию кремния (6... 13 %) все они, за исключением сплава АК12(АЛ2), являются доэвтектическими в системе А1-Si и имеют узкий интервал кристаллизации и хорошие литейные свойства — небольшую линейную усадку, повышенную жидкотекучесть, ма­лую склонность к образованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной пористости. Основными структур­ными составляющими двойных сплавов алюминия с кремнием являются первичные кристаллы твердого раствора и двойная эвтектика + Зь

 

Наиболее вредной из примесей в доэвтекгических силуминах является железо, образующее с компо­нентами сплава тройную промежуточную фазу р(А1Ре81), крис­таллизующуюся в форме грубых иглообразных выделений (рис. 31, а), резко снижающих пластические свойства сплавов (рис. 32). По мере измельчения структуры сплавов вредное влияние железа уменьшается. Поэтому допустимое содержание железа в силуми­нах при литье в песчаные формы (0,6 %) ниже, чем при литье в металлические (1...1,5 %). Для нейтрализации вредного влияния железа в сплавы вводят 0,3...0,4 % марганца или бериллия, кото­рые подавляют образование р-фазы и способствуют выделению более сложных фаз (А1—Мп—Ре—81) и (А1₇Ре₃Ве₇), кристаллизую­щихся в компактной форме Двойные сплавы алюминия с кремнием незначительно упроч­няются в процессе термической обработки. Для того чтобы при­дать им восприимчивость к упрочнению, их легируют магнием (0,2...0,55 %), образующим фазу-упрочнитель Мв₂$1, имеющую переменную растворимость в алюминии. Для измельчения зерна а_м твердого раствора в силумины вводят титан (0,08...0,3 %).

 

При изготовлении толстостенных отливок литьем в кокиль и в песчаные формы сплавы I группы применяют только в модифи­цированном состоянии, так как немодифицированные сплавы имеют низкие пластические свойства, обусловленные грубыми выделениями эвтектического кремния. Модифициро­вание осуществляют введением в расплав 0,05...0,1 % натрия или 0,06...0,08 % стронция.

 

Примеси кальция, бария и натрия в эвтектических и заэвтектических сплавах, лежащих вблизи эвтектики, способствуют об­разованию сферолитов и глубоких локальных усадочных раковин (“провалов”) на поверхности отливок при литье в песчаные фор­мы (рис. 34). Действие кальция и бария усиливается, если сплав модифицируют натрием. Примеси кальция, бария, лития и на­трия способствуют развитию газоусадочной пористости.

Заэвтекгические сплавы (14...20 % 81) отличаются жаропроч­ностью, повышенной износостойкостью и пониженным коэф­фициентом термического расширения. Основными структурны­ми составляющими этих сплавов являются первичные кристаллы кремния и эвтектика + 81. Заэвтекгические силумины также применяют в модифицированном состоянии так как немодифи- цированные сплавы с грубыми выделениями первичного крем­ния плохо обрабатываются резанием, обладают хрупкостью и склонны к ликвации кремния. Модифицирование фосфором су­щественно улучшает их свойства.

 

Сплавы II группы в качестве основных ЛЭ содержат кремний (4...22 %) и медь (0,5...8 %). В некоторые сплавы для измельчения зерна вводят титан. Их широко применяют при изготовлении отливок с повышенной твердостью и прочностью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработан­ной поверхности.

Они обладают хорошей жидкотекучестыо, малой линейной усадкой, но более склонны, чем сплавы I группы, к образованию усадочной пористости и трещин при зат­рудненной усадке.

 

Сплавы на основе системы А1—Си (III группа) отличаются вы­сокими механическими свойствами и низкой коррозионной стой­костью. В отличие от сплавов I группы они хорошо обрабатыва­ются резанием. Обладая широким интервалом кристаллизации (рис. 37), сплавы этой системы склонны к образованию усадоч­ных трещин и рассеянной усадочной пористости; они менее жид­котекучи, чем сплавы I группы. Основными структурными со­ставляющими сплавов III группы являются а_Л твердый раствор меди в алюминии и эвтектика а_Л + СиА1_г Кроме того, в структуре сплавов всегда обнаруживаются выделения железистой состав­ляющей (А1-Мп-Ре-81). Для измельчения зерна отливок и по­вышения механических и литейных свойств двойные сплавы ле­гируют марганцем, титаном, цирконием или церием. Прочност­ные характеристики сплавов могут быть повышены термической обработкой.

Примеси кальция, лития и натрия ухудшают литейные свой­ства сплавов этой группы. Взаимодействуя с влагой литейных форм, они способствуют увеличению газовой пористости отли­вок.

 

Сплавы системы А1—Мg (IV группа) отличаются малой плот­ностью, высокими коррозионной стойкостью и прочностью; их используют для изготовления отливок, несущих большие вибра­ционные нагрузки. Эти сплавы имеют низкие литейные свой­ства: обладают повышенной склонностью к окислению и образо­ванию усадочных трещин и рыхлот, взаимодействуют с влагой литейных форм, имеют низкую жидкотекучесть. Основными струк­турными составляющими сплавов этой группы являются а^-твер- дый раствор магния в алюминии и двойная эвтектика + А1,М§₅ (рис. 38). При неравновесной кристаллизации сплавов системы А1-М§ образующаяся вследствие дендритной ликвации неравно­весная интерметаллидная фаза |3 (А1₈Мй₅) выделяется по грани­цам дендритных ячеек а^-твердого раствора.

Для повышения механических свойств и снижения газовыделения при кристаллизации двойные сплавы легируют цирконием (0,3 %); коррозионную стойкость повышают введением хрома или марганца. Присадки бериллия и бора предохраняют расплав от загорания. Примеси меди, железа и кремния снижают пластичес­кие свойства сплавов, образуя химические соединения, выделяющиеся по границам зерен. Сплавы IV группы подвергают упроч­няющей термической обработке.

 

Сплавы V группы относятся к системам А1—81—2п (АК7Ц9, АК9Ц6) и А1—2п—Мй (АЦ4Мг) и являются свариваемыми литей­ными алюминиевыми сплавами.

Основными избыточными фазами в сплаве АЦ4Мг являются 7’(А1₂2п₃М8₃) и /7 (М§2п₂) (рис. 39). Добавка марганца (до 0,5 %) образует фазу МпА1₆, в которой может растворяться примесь же­леза (до 0,5 %). Также возможно образование других железосо­держащих фаз ((Ре,Мп)А1₃ или (А1,Мп,Ре,81)).

Основными структурными составляющими цинковистых си­луминов являются Первичные кристаллы твердого раствора «д, и двойная эвтектика + 81 (рис. 40). Примесь железа (до 1,5 %) при отсутствии в сплаве марганца образует игольчатые выделе­ния промежуточной фазы р (А1,Ре,81), снижающей механические свойства сплавов. В присутствии марганца образуются компакт­ные выделения (А1,Мп,Ре,50-составляющей, которая не оказы­вает вредного влияния на механические свойства.

ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В зависимости от масштаба и специфики производства плавку алюминиевых литейных сплавов ведут в тигельных и отражатель­ных печах, работающих на электроэнергии, жидком или газооб­разном топливе. Особенно широко применяют электрические индукционные печи.

(раздаточной печью). Это позволяет осуществлять перелив металла закрытой струей с помощью сифона, обеспечивая минимальное окисление и загрязнение его неметаллическими включениями. Сифонный перелив исключает необходимость использования ковшей и обеспечивает безопас­ность труда.

Плавка большинства алюминиевых сплавов не составляет труд­ностей. ЛЭ, за исключением магния, цин­ка, а иногда и меди, вводят в виде лигатур. Медь вводят в расплав при 740...750 °С, лигатуру А1—Si - при 700...740 °С; цинк загружа­ют перед магнием, который обычно вводят перед сливом метал­ла.

Загрузку шихтовых материалов ведут в следующей последова­тельности: чушковый алюминий, крупногабаритные отходы, пе­реплав, лигатуры или чистые металлы. Максимально допустимый перегрев для литейных сплавов 840...860 °С.

При плавке на воздухе алюминий окисляется. Основными окис­лителями являются кислород и пары воды.

По мере окисления на поверхности твердого и жидкого алюми­ния образуется плотная, прочная пленка оксида толщиной 0,1...0,3 мкм. При достижении такой толщины окисление практически приостанавливается, так как скорость диффузии кислорода через пленку резко замедляется. Скорость окисления сильно возраста­ет с повышением температуры расплава.

Сплавы алюминия с магнием образуют оксидную плену пере­менного состава. При малом содержании магния (до 0,005 %) оксидная плена имеет структуру у-А1,0_3.

Перемешивание расплава в процессе плавки сопровождается нарушением целостности оксидной плены и замешиванием об­рывков ее в расплав. Обогащение расплавов оксидными включе­ниями происходит в результате обменных реакций с футеровкой плавильных устройств. Наиболее существенное влияние на сте­пень загрязнения расплавов пленами оказывает поверхностная окисленность исходных первичных и вторичных шихтовых мате­риалов. Отрицательная роль этого фактора возрастает по мере уменьшения компактности и увеличения удельной поверхности материала.

Сильно снижают окисляемость алюминиевых расплавов фтор и газообразные фториды (81Р₄, ВР₃, 8Р, и др.), которые вводят в печную атмосферу в количестве до 0,1 %. Адсорбируясь на повер­хности оксидной плены, они уменьшают скорость проникнове­ния кислорода к поверхности металла.

Введение в шихту собственных возвратов связано с неизбеж­ным накоплением в сплавах вредной примеси железа, образую­щего с компонентами сплавов сложные твердые интерметалли­ческие соединения, снижающие пластические свойства и ухуд­шающие обработку отливок резанием.

НВ способ­ствуют развитию в отлив­ках усадочных рыхлот и пористости. Не менее отрицательное воздействие оказывают плены и шла­ковые включения. Являясь готовыми центрами кристалли­зации, тонкодисперсные неметаллические включения вызывают измельчение макрозерна отливок и способствуют снижению пластических свойств сплавов. Степень воздействия интерметаллидов в зна­чительной мере определяется количеством, твердостью, размера­ми и формой выделения их в структуре отливок. Резкое снижение пластических свойств (относительного удлинения и ударной вязкости) вызывает тонкие иглообразные выделения хрупких кри­сталлов железистой составляющей (РеА1₃ или АкЗ^Рег).

 

Во время плавки алюминий насыщается водородом, содержа­ние которого может достигать см³ на 100 г металла. Влияние легирующих элементов и примесей на равновесную растворимость водорода в алюминии выражается в следующем. Медь и кремний уменьшают растворимость водорода, а магний увеличивает.

Для каждого сплава существуют предельные концентрации водорода, ниже которых в отливках при заданных скоростях ох­лаждения газовые поры не образуются. Так, для того чтобы пре­дотвратить образование газовых пор в отливках из сплава алюми­ния с 7 % 51 при литье в песчаные формы, необходимо, чтобы содержание водорода в расплаве не превышало 0,15 см³/100 г.

 

Содержание оксидных включений и растворенных газов в алю­миниевых расплавах возрастает по мере увеличения времени вы- дсржки в плавильных и раздаточных печах.

 

Максимальная скорость плав­ки и минимальная длительность выдержки расплавов в печи пе­ред разливкой являются необходимыми условиями повышения их чистоты. В этом отношении особый интерес приобретает тех­нология плавки в газовых отражательных печах с применением кислорода. Кроме значительного повышения скорости плавле­ния (в 1,5 раза) и снижения потерь металла (на 25 %), примене­ние кислорода способствует снижению пористости отливок.

Алюминиевые расплавы предохраняют от окисления и насы­щения водородом ведением плавки в вакууме, атмосфере инерт­ных газов, в воздушной среде, содержащей фториды, примене­нием покровных флюсов при плавке в слабоокислительной ат­мосфере, защитным легированием. Наиболее эффективными из перечисленных способов защиты являются плавки в вакууме и в среде защитных газов. Однако эти способы плавки недостаточно высокопроизводительны и дороги. Поэтому в производственных условиях для защиты расплавов от взаимодействия с газовой сре­дой широко используют покровные флюсы. (45 %NaCl-55 %KCl).

Для алюминиевомагниевых сплавов, содержащих более 1 % Мg, в качестве защитного флюса используют карналлит (МgС1₂-КС1) и смесь карналлита с 10... 15 % фтористого кальция или фтористого магния, так как флюс из хлоридов натрия и ка­лия плохо смачивает оксид магния. Недопустимо применение флю­сов, содержащих фториды натрия, так как обогащение алюминиевомагниевых расплавов натрием существенно ухудшает техно­логические свойства этих сплавов.

 

Рафинирование сплавов

Во время плавки алюминиевые расплавы подвергают очистке от растворенных металлических примесей (натрия, магния, же­леза и цинка), взвешенных оксидных (неметаллических) включе­ний и растворенного водорода. Для этих целей применяют раз­личные методы продувки расплавов инертными и активными га­зами, отстаивание, обработку хлористыми солями и флюсами, вакуумирование и фильтрование через сетчатые, зернистые и спе­ченные керамические фильтры.

 

Удаление примеси натрия из алюминия и алюминиевомагние­вых сплавов АМг2 и АМгб можно осуществить продувкой рас­плава хлором, смесью инертного газа с хлором (на 100 объемных частей инертного газа 1...10 объемных частей хлора), парами хло­ридов (С₂С1_6> СС1₄, Т1С1₊), фреоном (СС1₃Р₂) и фильтрованием через зернистые филыры из А1Р₃ или А1₂0₃, активированные хлором или фтором. Расход рафинирующего газа составляет 0,2...0,5 м³ на 1 т расплава. Длительность продувки через керамические на­садки или пористые керамические вставки 10... 15 мин при темпе­ратуре расплава 700...720 С. В процессе продувки из расплава удаляются также примеси лития, калия и кальция и теряется до 0,2 7Ь магния. Фильтрование расплавов ведут через фильтры тол­щиной 150...200 мм из зерен диаметром 4...6 мм. Перечисленные методы рафинирования позволяют довести остаточное содержа­ние натрия в расплаве до (2...3)10-⁴ %.

Продувку газами широко используют для дегазации расплавов и очистки их от неметаллических включений. Рафинирование осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков продуваемого газа и равномернее распределение их по объему расплава. Продувку, как правило, ведут через пористые вставки из спеченного глинозема, которые обеспечивают получение газо­вых пузырьков диаметром 1,5...2 мм.

Продувку азотом или аргоном ведут при 720...730 °С. Длитель­ность продувки в зависимости от объема расплава колеблется в пределах 5...20 мин; расход газа составляет 0,5...1 м³ на 1 т рас­плава.

Обработку расплавов хлором осуществляют в герметичных каме­рах или ковшах, имеющих крышку с отводом газов в вентиляционную систему. Хлор вводят в расплав че­рез трубки с насадками при

.720 °С. Длительность рафини­рования при давлении хлора 0,11...0,12 МПа составляет 10...12мин; расход хлора 0,3...0,5 м³ на 1 т расплава. Применение хлора обеспечивает более высокий уровень очистки по сравнению с техническим азотом и аргоном. Однако токсичность хлора, необ­ходимость обработки расплавов в специальных камерах и труд­ности, связанные с его очисткой, существенно ограничивают при­менение хлорирования расплавов в промышленных условиях.

Продувка газами сопровождается потерями магния. При обра­ботке азотом теряется 0,01 % магния; дегазация хлором увеличи­вает эти потери до 0,2 %.

Необходимой операцией после продувки является выдержка расплава в течение 10...30 мин для удаления мельчайших газовых пузырьков. Использование расплавов сразу же после окончания продувки без выдержки всегда сопряжено с образованием боль­шого числа газовых дефектов в отливках.

Рафинирование хлоридами широко используют в фасонноли­тейном производстве. Для этой цели применяют хлористый цинк, хлорид марганца, гексахлорэтан, четыреххлористый титан и ряд других хлоридов.

В больших масштабах для очистки алюминиевых расплавов от неметаллических включений применяют фильтрование через сет­чатые, зернистые и пористые керамические фильтры.

Самый эффективный способ очистки алюминиевых расплавов от плен и крупных неметаллических включений — электрофлюсовое рафинирование. Оптимальный режим этого про­цесса предусматривает пропускание струи металла диаметром 5...7 мм, нагретого до 700..,720 С, через слой расплавленного флюса с наложением поля постоянного тока си­лон 600...800 А и напряжением 6...12 В с катодной поляризацией

 

Для электрофлюсового ра­финирования используют футерован­ные шамотом емкости с выемной перегородкой, образующей в них два отсека, соединенные между собой в нижней части емкости (см. рис. 59, в). В большой отсек помещают сталь­ной кольцевой токоподвод. Затем емкость на 2/3 по высоте заполняют металлом. После этого в большой отсек заливают флюс с таким расче­том, чтобы уровень его перекрыл кольцевой токоподвод, а толщина слоя флюса была не менее 100 мм. При расходе флюса (карналлитового с 10...15 % СаР₂, МвР₂ или КзА1Р₆ для сплавов А1— М§ и А1—М&—81 и крио- литового для других алюминиевых сплавов) 4...6 кг на 1 т расплава и тщательном удалении влаги из флю­са и разливочных устройств.

Элекгрофлюсовое рафинирование в отличие от зернистых фильтров не сопровождается дегазацией расплава и очисткой от тонкодисперсных включений и не оказывает влияния на макро­структуру отливок.

 

Очистку вторичных алюминиевых сплавов от примесей маг­ния, цинка и железа осуществляют флюсованием, вакуумной ди­стилляцией и отстаиванием с последующим фильтрованием.

Модифицирование сплавов

Для измельчения макрозерна в расплавы вводят титан, цирко­ний, бор или ванадий в количестве 0,05...0,15 % от массы распла­ва. При взаимодействии с алюминием элементы-модификаторы образуют тугоплавкие интерметалл иды СПА1₃, 2гА1₃, ТШ₂ и др.), обладающие однотипностью кристаллических решеток и размер­ным соответствием их параметров в некоторых кристаллографи­ческих плоскостях с кристаллическими решетками а^-твердых ра­створов сплавов. В расплавах появляется большое число центров кристаллизации, что обусловливает измельчение зерна в отлив­ках. Этот вид модифицирования широко используют при литье деформируемых сплавов (В95, Д16, АК6 и др.); при литье фасон­ных отливок он не нашел широкого применения. Модификаторы вводят в виде лигатур с алюминием при 720...750 °С.

 

Литейные доэвтектические и эвтектические сплавы АК12(АЛ2), АК9ч(АЛ4), АК7ч(АЛ9), АК7Ц9(АЛ11), АК8(АЛ34) для измельче­ния выделений эвтектического кремния модифицируют натрием или стронцием Металлический натрий вводят при 750...780 °С на дно распла­ва с помощью колокольчика. Ввиду низкой температуры кипения (880 °С) и большой химической активности введение натрия свя­зано с некоторыми затруднениями — большим угаром модифика­тора и газонасыщением расплава, поскольку натрий хранят в ке­росине. Поэтому в производственных условиях чистый натрий для модифицирования не применяют. Для этой цели используют соли натрия.

Хорошими модифицирующими свойствами обладает стронций. В отличие от натрия этот элемент медленнее выгорает из алюми­ниевых расплавов, что позволяет сохранять эффект модифици­рования до 2...3 ч; он в меньшей степени, чем натрий, увеличива­ет окисляемость силуминов и их склонность к газопоглощению. Для введения стронция используют лигатуру А1—5г (10 % 5г).

К числу модификаторов длительного действия относят также иттрий и сурьму, которые вводят в количестве 0,15...0,3 %.

Заэвтекгические силумины (>13 % §0 кристаллизуются с вы­делением хорошо ограненных крупных частиц кремния (см. рис. 35, а). Обладая высокой твердостью и хрупкостью, первичные кристаллы кремния существенно затрудняют механическую обработку отливок и обусловливают полную потерю ими пластич­ности (6 = 0). Измельчение первичных кристаллов кремния в этих сплавах осуществляют введением в расплав 0,05...0,1 % фосфора.

 

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОННЫХ ОТЛИВОК

Изготовление фасонных отливок из алюминиевых сплавов производится всеми известными способами литья.

При разработке технологии изготовления отливок необходимо учитывать особенности отдельных групп алюминиевых спла­вов.

Сплавы I группы (АК12(АЛ2), АК9ч(АЛ4), АК7ч(АЛ9), АК9, АК8(АЛ34)), обладающие хорошими литейными свойствами, могут быть использованы для изготовления сложных по конфигурации отливок без особого опасения образования в них трещин при затрудненной усадке. Основным недостатком силу­минов является склонность к образованию рассеянной газовой пористости. Поэтому при литье силуминов особое внимание уделяют рафинированию расплавов от растворенного водорода.

Сплавы II группы (АК5М(АЛ5), АК8М(АЛ32)) имеют более широкий, чем сплавы I группы, интервал кристаллизации и ме­нее склонны к образованию газовой пористости. Изготовление сложных по конфигурации отливок из этих сплавов требует тща­тельной разработки теплового режима форм.

Сплавы III группы (АМ5(АЛ19)) обладают широким интерва­лом кристаллизации и низкими литейными свойствами. Большая линейная усадка и склонность к образованию трещин при зат­рудненной усадке обусловливают применение их для изготовле­ния отливок несложной конфигурации с равномерными по тол­щине стенками. Внутренние полости в отливках из этих сплавов выполняют обычно податливыми песчаными стержнями; при использовании металлических стержней их необходимо своевре­менно удалять из отливки. Отливки из этой группы сплавов склон­ны к короблению из-за неравномерного охлаждения в кокилях. Поэтому в конструкциях отливок предусматривают ребра жест­кости и технологические стяжки. Для снятия термических напря­жений отливки иногда подвергают отжигу.

Сплавы IV группы (АМг5К(АЛ13), АМг11(АЛ22), АМг6л(АЛ23), АМг10(АЛ27)) склонны к образованию усадочных трещин, име­ют большую линейную усадку и предрасположены к окислению и образованию оксидных плен. Отливки из сплавов с высоким со­держанием магния (АМг11(АЛ22), АМгЮ(АЛ27)) отличаются хруп­костью и требуют очень осторожного обращения при извлечении из кокиля. Из сплавов этой группы изготавливают отливки про­стой конфигурации.

Сплавы V группы (АК7Ц9 (АЛИ), АЦ4Мг (АЛ24)) и сложнолегированные сплавы II группы (АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛ30)) обладают повышенной склонностью к образованию тре­щин при затрудненной усадке. При тщательной отработке тепло­вого режима литья из сплавов можно изготавливать отливки слож­ной конфигурации.

Литье в песчаные формы

Литьё в разовые формы наи­более широкое применение при изготовлении отливок из алюми­ниевых сплавов получило литье в сырые песчаные формы. Это обусловлено невысокой плотностью сплавов, небольшим сило­вым воздействием металла на форму и низкими температурами литья (680...800 °С).

Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138-91), формовочных глин (ГОСТ 3226-77), свя­зующих и вспомогательных материалов.

Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью стержней, изготавливаемых в основном по горячим (220...300 С) стержневым ящикам. Для этой цели используют плакированный кварцевый песок или смесь песка с термореактивной смолой и катализатором. Для изготовления стержней широко используют однопозиционные пескострельные автоматы и установки, а так­же карусельные многопозиционные установки.

Стержни, подвергающиеся сушке, изготавливают на встряхи­вающих, пескодувных и пескострельных машинах или вручную из смесей с масляными или водорастворимыми связующими. Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч) зависит от массы и раз­меров стержней и определяется обычно опытным путем. Темпе­ратуру сушки назначают в зависимости от природы связующего: для масляных связующих 250...280 °С, а для водорастворимых160-200 °С.

Для изготовления крупных массивных стержней все большее применение получают смеси холодного твердения (ХТС) или жидкоподвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холод­ного твердения в качестве связующего содержат синтетические смолы, а катализатором холодного твердения обычно служит ор- тофосфорная кислота. Смеси ЖСС содержат поверхностно-ак­тивное вещество, способствующее текучести материала.

Соединение стержней в узлы производят склейкой или путем заливки алюминиевых расплавов в специальные отверстия в знаковых частях.

 

Усадка сплава при охлаждении обеспечивает необ­ходимую прочность соединения.

 

Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм обеспечивается применением расширяющихся ЛС с соотношением площадей сечений основных элементов Р_ст: Р: Р =1:2:3: 1:2:4; 1:3:6.

Щелевою или многоярусного подвода металла к полости литеиной формы…

 

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отлив­ки, сложности ее конфигурации и расположения в форме. Залив­ку форм для отливок сложной конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних литниковых си­стем. При большой высоте отливок и тонких стенках предпочти­тельно применение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допус­тимо заливать через верхние литниковые системы. При этом вы­сота падения струи металла в полость формы не должна превы­шать 80 мм.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в по­лость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления — уста­навливают сетки.

 

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечени­ям (стенкам) отливок рассредоточенно по периметру с учетом удобства их последующего отделения при обработке. Подвод ме­талла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образова­ние в них усадочных раковин, макрорыхлот и усадочных Сплавы с узким интервалом кристаллизации (АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8 (АЛ34), АК9, АК12М2МгН (АЛ25), АК12ММгН (АЛЗО)) предрасположены к образованию концент­рированных усадочных раковин в тепловых узлах отливок. Для выведения этих раковин за пределы отливок широко используют установку массивных прибылей. Для тонкостенных (4...5 мм) и мелких отливок масса прибыли в 2...3 раза превышает массу от­ливок, для толстостенных — до 1,5 раз. Высоту прибыли выбира­ют в зависимости от высоты отливки. При высоте менее 150 мм высоту прибыли Я_при6 принимают равной высоте отливки Я_отл. Для более высоких отливок отношение Н_а&и6/Н принимают равным 0,3...0,5. Соотношение между высотой прибыли и ее толщиной составляет в среднем 2...3. Наибольшее применение при литье алюминиевых сплавов находят верхние открытые прибыли круг­лого или овального сечения; боковые прибыли в большинстве случаев делают закрытыми. Для повышения эффективности ра­боты прибылей их утепляют, заполняют горячим металлом, доли­вают. Утепление обычно осуществляют наклейкой на поверхность формы листового асбеста с последующей подсушкой газовым пламенем.

Сплавы с широким интервалом кристаллизации, например АМ5(АЛ19), склонны к образованию рассеянной усадочной по­ристости. Пропитка усадочных пор при помощи прибылей мало­эффективна. Поэтому при изготовлении отливок из подобных сплавов не рекомендуется применять массивные прибыли. Для получения высококачественных отливок осуществляют направ­ленную кристаллизацию, широко используя для этой цели уста­новку холодильников из чугуна и алюминиевых сплавов. Опти­мальные условия для направленной кристаллизации создает вер­тикально-щелевая литниковая система.

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отлив­ки, сложности ее конфигурации и расположения в форме.

При большой высоте отливок и тонких стенках предпочти­тельно применение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допус­тимо заливать через верхние литниковые системы. При этом вы­сота падения струи металла в полость формы не должна превы­шать 80 мм.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в по­лость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления — уста­навливают сетки.

 

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечени­ям (стенкам) отливок рассредоточенно по периметру с учетом удобства их последующего отделения при обработке. Подвод ме­талла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образова­ние в них усадочных раковин.

Усадка сплава при охлаждении обеспечивает необ­ходимую прочность соединения.

 

Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм обеспечивается применением расширяющихся литниковых сис­тем с соотношением площаде