/
Author: Курдюмов А.В. Пикунов М.В. Бибиков Е.Л.
Tags: цветные металлы в целом металлургия обработка металлов цветные металлы металлы и сплавы
Year: 1986
Text
n to
ПРОИЗВОДСТВО
отливок
ИЗ СПЛАВОВ
ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
ПРОИЗВОДСТВО П-io
отливок
ИЗ СПЛАВОВ
ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по специальности «Литейное производство
черных и цветных металлов»
Б к Б Л * ’ К А
¥
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1986
УДКХ2Х2 : 621.746 '
* ------
66Т Z^S*
Рецензенты: докт. техн, наук Б. И. Бондарев, кафедра металловедения
и литейного производства Андроповского авиационно-технологического института
УДК 669.2 : 621.746
Производство отливок из сплавов цветных металлов. Курдюмов А. В., Пи-
кунов М. В..Чурсин В. М., Бибиков Е. Л.: Учебникдля вузов. М. Ме-
таллургия, 1986, 416 с.
В книге приведены физико-химические свойства цветных металлов и сплавов;
изложены современные представления о взаимодействии металлических расплавов
с газами, футеровкой и флюсами, защите расплавов от взаимодействия с окружающей
средой, рафинировании от металлических и газовых примесей и неметаллических
включений, модифицировании. Описаны оборудование и технология изготовления
фасонных отливок и слитков из алюминиевых, магниевых, медных, никелевых,
титановых, цинковых и других сплавов с учетом новейших достижений данной об-
ласти. Рассмотрены вопросы охраны труда_ и защиты окружающей среды.
Предназначена в качестве учебника для студентов металлургических вузов.
Может быть полезна студентам машиностроительных и политехнических вузов, а
а также инженерно-техническим работникам НИИ и заводов цветной металлургии.
Ил. 182. Табл. 112. Библиогр. список: 49 назв.
р 2603000000-035
040 (019—86
(6) Издательство «Металлургия», .1986
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................................................... 6
Введение........................................................... 8
Раздел I. ФИЗИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОС-
НОВЫ ПЛАВКИ И ЛИТЬЯ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ 11
Глава 1. Общие сведения о цветных металлах и сплавах................ 11
§ 1. Цветные металлы................................................ 11
§ 2. Сплавы цветных металлов........................................ 12
Глава 2. Физические свойства жидких металлов н сплавов ............. 17
§ 1. Температура плавления и плотность металлов и сплавов .......... 17
§ 2. Поверхностная «энергия и вязкость металлических расплавов. Диффу-
зия в жидких металлах............................................... 20
§ 3. Давление пара металлов и сплавов .-........................... 24
§ 4. Тепловые и электрические свойства металлов и сплавов .......... 26
§ 5. О строении металлических расплавов ............................ 30
Глава 3. Взаимодействие жидких металлов с газами, материалами тиглей
и футеровкой плавильных печей....................................... 31
§ 1. Общие закономерности взаимодействия металлических расплавов с га-
зами ............................................................... 32
§ 2. Взаимодействие жидких металлов с водородом, кислородом и азотом 35
§ 3. Взаимодействие жидких металлов со сложными газами.............. 42
§ 4. Взаимодействие жидких металлов с материалом тиглей и футеровкой
плавильных печей ................................................... 46
Глава 4. Основы технологии плавки ................................. 49
§ 1. Основные положения разработки технологии плавки................ 50
§ 2. Расчет шихты .................................................. 55
§ 3. Защита расплавов от взаимодействия с атмосферой при плавке.... 58
§ 4. Рафинирование металлических расплавов.......................... 61
§ 5. Раскисление металлических расплавов............................ 67
§ 6. Модифицирование металлических расплавов........................ 70
Раздел И. ПРОИЗВОДСТВО ФАСОННЫХ ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТ-
НЫХ МЕТАЛЛОВ........................................................ 73
Глава 5. Печи для плавки цветных металлов н сплавов ................ 73
§ 1. Классификация плавильных печей................................. 73
§ 2. Топливные плавильные печи ..................................... 76
§ 3. Электрические печи сопротивления .............................. 80
§ 4. Индукционные тигельные печи '.................................. 83
§ 5. Индукционные канальные печи .................................. 88
§ 6. Эпектродуговые, электронно-лучевые и плазменные печи .......... 91
Глава 6. Общая характеристика н классификация отливок............... 92
§ 1. Требования к отливкам.......................................... 92
§ 2. Классификация отливок.......................................... 95
§ 3. Оптовые цены на отливки....................................... 100
Глава 7. Производство отливок из алюминиевых сплавов............... 100
§ 1. Состав и свойства первичного алюминия . ..................... 100
§ 2. Состав и свойства алюминиевых сплавов. .'..................... 102
Литейные сплавы . . . ......................................... 102
Деформируемые сплавы.......................................... 111
§ 3. Особенности плавки алюминиевых сплавов........................ 114
Рафинирование сплавов.......................................... 124
Модифицирование сплавов ..................•.................... 134
1*
3
§ 4. Особенности технологии производства фасонных отливок............. 137
Литье в песчаные формы..........................., ............... 138
Литье в гипсовые формы .......................................... 144
Литье в оболочковые формы..................................... 145
Литье по выплавляемым моделям..................................... 146
Литье в кокиль .................................................. 147
Литье выжиманием........................................... 150
Литье под низким давлением........................................ 151
Литье под давлением............................................... 152
Выбивка, обрубка, очистка и термическая обработка отливок...... 156
Контроль качества отливок и исправление их дефектов............... 158
Глава 8. Производство отливок из магниевых сплавов................... 159
§ 1. Состав и свойства первичного магния ............ . . . .... 159
§ 2. Состав и свойства магниевых сплавов ............................ 161
Литейные сплавы................................................. 161
Деформируемые сплавы....................................: . . . 166
§ 3. Особенности плавки магниевых сплавов .......................... 168
Рафинирование расплавов........................................ 174
Модифицирование сплавов.......................................... 177
§ 4. Особенности технологии производства фасонных отливок............ 180
Литье в песчаные формы .......................................... 183
Литье в кокиль ........................................... . . 185
Литье под давлением ............................................. 187
Выбивка, очистка, обрубка, химическая и термическая обработка от-
ливок ........................................................... 188
Глава 9. Производство отливок из медных сплавов ...................... 191
§ 1. Состав и свойства меди........................................... 191
§ 2. Состав и свойства медных сплавов . 194
. Литейные сплавы................................................. 194
Деформируемые сплавы............................................ 205
§ 3. Особенности плавки меди и медных сплавов........................ 206
Плавка меди и ее сплавов ......................................... 206
Рафинирование медных расплавов.................................... 215
§ 4. Технология плавки медных сплавов................................. 218
Плавка латуней ................................................. 219
Плавка оловянных бронз . . . .......... ....................' • 222
Плавка безоловянных бронз................................... • 225
Плавка медноникелевых сплавов..................................... 231
§ 5. Технология производства фасонных отливок из медных сплавов .... 233
Литье в песчаные формы ...................................... . 235
Литье по выплавляемым моделям.......................... . . - 242
Литье в кокиль ................................................... 243
Литье под давлением............................................. 245
Жидкая штамповка...................."............................. 247
Обрубка, очистка, термическая обработка и контроль качества отливок 247
Глава 10. Производство отливок нз никелевых сплавов . . 248
§ 1. Свойства никеля.................................................. 248
§ 2. Состав и свойства никелевых сплавов.............................. 249
§ 3. Особенности плавки никелевых сплавов............................. 252
§ 4. Особенности технологии производства фасонных отливок....... 257
Глава 11. Производство отливок нз титановых сплавов .................. 261
§ 1. Свойства титана ............................................... 261
§ 2. Состав и свойства титановых сплавов.............................. 263
§ 3. Особенности плавки титановых сплавов ............................ 270
§ 4. Конструкции плавильно-заливочных установок....................... 273
§ 5. Особенности технологии производства фасонных отливок ....... 280
Литье в уплотняемые (набивные, прессованные) формы................ 281
Литье в оболочковые формы . . . . •............................... 286
4
Литье по выплавляемым моделям........................-.......... 287
Мероприятия по повышению химической инертности форм ............. 290
Способы заполнения литейных форм ................................ 293
Литье под давлением.............................................. 298
Выбивка, обрубка, очистка и контроль качества отливок............ 297
Глава 12. Производство отливок из сплавов тугоплавких металлов . . . 299
§ 1. Свойства тугоплавких металлов................................... 299
§ 2. Свойства ниобиевых и молибденовых сплавов ...................... 301
§ 3. Особенности плавки тугоплавких сплавов ......................... 302
Глава 13. Производство отливок из сплавов легкоплавких металлов . . . 308
§ 1. Состав и свойства цинковых сплавов ............................ 308
§ 2. Особенности плавки цинковых сплавов............................. 312
§ 3. Состав и свойства оловянных сплавов........................... 315
§ 4. Особенности плавки оловянных сплавов ...... .......... 319
• § 5. Состав и свойства свинцовых сплавов ............................ 319
§ 6. Особенности плавки свинцовых сплавов............................ 323
§ 7. Состав и свойства кадмиевых сплавов............................. 325
§ 8. Особенности технологии производства фасонных отливок из легкоплав-
ких сплавов........................•.................................. 326
Глава 14. Производство отливок из сплавов благородных металлов . . . 327
§ 1. Состав и свойства золотых сплавов .............................. 327
§ 2. Состав и свойства серебряных сплавов ........................... 329
§ 3. Состав и свойства платиновых сплавов........................ . 331
§ 4. Состав и свойства палладиевых сплавов........................... 332
§ 5. Производство отливок из сплавов благородных металлов ........... 333
Раздел III. ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕ-
ТАЛЛОВ ...............................................................334
Глава 15. Основы производства слитков................................ 334
§ 1. О качестве слитков.............................................. 334
§ 2. Особенности получения слитков различными способами.............. 338
Литье в изложницы................................................ 339
Непрерывное литье слитков....................................... 343
Непрерывное литье заготовок малых сечений........................ 360
Гранульная технология ........................................... 360
Глава 16. Производство слитков из сплавов легких цветных металлов 363
§ 1. Производство слитков из алюминиевых сплавов..................... 363
§ 2. Производство слитков из магниевых сплавов....................... 375
Глава 17. Производство слитков из сплавов тяжелых цветных металлов 379
§ 1. Производство слитков из медных и никелевых сплавов.............. 379
§ 2. Производство слитков из цинковых сплавов........................ 389
§ 3. Производство слитков из сплавов благородных металлов............ 390
Глава 18. Производство слитков из титановых сплавов .............. 391
§ 1. Печи для производства слитков................................... 392
§ 2. Технологический процесс изготовления слитков в вакуумных электро-
дуговых печах . . . :................................................. 397
§ 3. Производство слитков с использованием гарнисажной плавки....... 402
Глава 19. Охрана труда и окружающей среды в производстве отливок из
сплавов цветных металлов ............................................ 403
§ 1. Правила безопасной работы при плавке сплавов цветных металлов. . 404
§ 2. Защита от вредных (токсичных) веществ..........................‘ 405
§ 3. Правила техники безопасности и охраны окружающей среды в смесе-
приготовительных, формовочных, стержневых и выбивных отделениях
литейных цехов........................................................ 407
Приложения........................................................... 409
Рекомендательный библиографический список , ........................412
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
В XII пятилетке предусматривается значительное увеличение продукции машино-
строения и металлообработки. Около половины заготовок из чугуна, стали, сплавов
цветных металлов, потребляемых машиностроением, представляют собой фасонные
отливки. Практически все заготовки из сплавов цветных металлов, называемые
слитками и используемые в металлообработке, получают способом литья.
Литейное производство сплавов цветных металлов, складывающееся из произ-,
водства слитков и фасонных отливок, в последние десятилетия очень сильно воз-
росло. Поскольку почти вся масса цветных металлов, за исключением очень неболь-
шой доли, приходящейся на редкие тугоплавкие металлы (менее 0,1 %), перераба-
тывается на слитки и фасонные отливки, общие масштабы потребления цветных
металлов дают представление о развитии этой отрасли литейного производства.
В 1955—1960 гг. в мире (без СССР) производилось около 11—12 млн. т.в год всех
цветных металлов. В 1975—1980 гг. выпуск возрос до 32—33 млн. т в год, т. е. уве-
личился за 20 лет почти в 3 раза. Эти цифры относятся к производству цветных ме-
таллов из природных полезных ископаемых. Кроме этого, в мире ежегодно произво-
дится 8—10 млн. т так называемых вторичных цветных металлов, получаемых при
переработке отходов — стружки, обрези, шлаков, различного промышленного и
бытового лома.
Наиболее сильно возросло производство алюминия — с 3—4 млн. т в год в
1955—1960 гг. до 16—18 млн. т в год в 1977—1980 гг.
Мировое производство фасонных отливок из сплавов цветных металлов (без
СССР) в 1980—1982 гг. составило около 5,5 мли. т в год, или 7 % от общего выпуска
фасонных отливок. Из этого количества 3,5 млн. т (65 %) приходится на отливки из
алюминиевых сплавов, которые в основном получают литьем в кокиль и под давле-
нием (более 80 %). В развитых капиталистических странах производство фасонных
отливок из алюминиевых сплавов в значительной мере определяется развитием авто-
мобилестроения, так как на один легковой автомобиль расходуется в среднем 55—
60 кг алюминиевого литья (1982 г.), а по прогнозу на 1990 г. эта цифра возрастет
до 90—95 кг. .
На долю отливок из медных сплавов приходится примерно 18%, отливок из
цинковых сплавов (литье под давлением) 15 % от общего выпуска цветного литья. .
'filv В СССР общий годовой выпуск фасонного литья составляет 25 млн. т, из которых
на долю отливок из сплавов цветных металлов приходится около 5 %.
гЯШ Литейное производство цветных металлов и сплавов является динамичной от-
раслью, в которой активно воспринимаются и осваиваются достижения научно-
технического прогресса и которая постоянно нуждается в притоке молодых инжене-
ров, обладающих необходимой подготовкой по специальности и глубокими знаниями
общетехнических дисциплин.
Настоящий учебник написан в соответствии с программой курса «Производство
отливок из сплавов цветных металлов». Курс предусмотрен типовым учебным пла-
ном подготовки инженеров по специальности 0404 «Литейное производство черных
и цветных металлов» специализации «Литейное производсгво цветных металлов и
сплавов».
Курс «Производство отливок из сплавов цветных металлов» читается на VII
семестре. К этому времени студентами уже изучены курсы «Теоретические основы
литейных процессов», «Технологические основы литейного производства», «Металло-
ведение, рентгенография и термическая обработка», «Теплотехника и теплоэнергетика
металлургического производства». В связи с этим при подготовке данного учебника
авторы, базируясь иа знаниях учащихся, полученных в перечисленных курсах, из-
лагали лишь особенности технологии производства отливок применительно к раз-
личным сплавам цветных металлов.
При изложении- материала в пределах программы авторы преследовали цель
глубже осветить вопросы металлургического характера, связанные с окислением,
газонасыщением, рафинированием и модифицированием расплавов, поскольку именно
эта сторона подготовки студентов отличает специальность 0404 от специальности 0502
«Машины и технология литейного производства». Вместе с тем в учебнике имеется
специальная глава «Печи для плавки цветных металлов и сплавов», поскольку без
6
знания особенностей конструкции плавильного оборудования Невозможно иЗуЧиТЬ
технологию плавки сплавов цветных металлов.
Авторы сочли целесообразным изложить в учебнике свойства металлических
расплавов для того, чтобы помочь студентам более глубоко понять и усвоить способы
и приемы плавки и литья каждой конкретной группы сплавов. Изложены также упро-
щенные способы расчета процесса затвердевания слитков и свойства литых заготовок,
определяющие их поведение при последующем пластическом деформировании. Этот
материал необходим будущим литейщикам-цветникам, так как .разработкой техно-
логии изготовления слитков цветных металлов и сплавов и ее осуществлением зани-
маются по сложившейся традиции именно инженеры-литейщики.
Главы 6, 7, 8, 13, 16 написаны А. В. Курдюмовым, предисловие, введение и гла-
вы 2, 3, 4, 15 — М. В. Пикуновым, главы 1, 9, 14, 17, 19 — В. М. Чурсиным, главы
5, 10, 11, 12, 18— Е. Л. Бибиковым.
Авторы выражают глубокую благодарность заведующему кафедрой металлове-
дения и литейного производства Андроповского авиационно-технологического ин-
ститута докт. техн, наук проф. В. М. Воздвиженскому, доцентам кафедры Г. М. Ким-
стач, П. В. Лебедеву, В. В. Чистякову, Е. С. Борисову, С. П. Серебрякову, А. Я. Ла-
рионову, а также докт. техн, наук проф. Б. И. Бондареву за ценные замечания,
сделанные ими при рецензировании рукописи.
бвЁДЕнйе
Литейное производство — одно из древнейших ремесел, освоенных человечеством.
Первым литейным материалом была бронза. В древности бронзы представляли
собой сложные сплавы на основе меди с добавками олова (5—7 %), цинка (3—5 %),
сурьмы и свинца (1—3 %) и с примесями мышьяка, серы, серебра (десятые доли
процента). Зарождение выплавки бронзы и получения из нее литых изделий (ору-
жия, украшений, посуды и др.) в разных регионах относится к 3—7 тысячелетию
до н. э. По-видимому, дочти одновременно-была освоена плавка самородных серебра,
золота и их сплавов. На территории, где жили восточные славяне, развитое литей-
ное ремесло появилось в первых веках н. э.
Основными способами получения отливок из бронзы и сплавов серебра и золота
были литье в каменные формы и литье по воску. Каменные формы делали из мягких
пород известняка, в которых вырезали рабочую полость. Обычно каменные формы
заливали в открытую, так что одна сторона изделия, образуемая открытой поверх-
ностью расплава, оказывалась плоской. При литье по воску сначала изготовляли
восковые модели как точные копии будущих изделий. Эти модели погружали в жид-
кий глиняный раствор, который затем высушивали и обжигали. Воск выгорал, в об-
разовавшуюся полость заливали расплав.
Большой шаг вперед в развитии бронзового литья был сделан, когда началось
литье колоколов и пушек (XV—XVI вв.). Широко известно мастерство и искусство
русских умельцев, изготовивших уникальные бронзовые отливки — «Царь-пушку»
массой 40 т (Андрей Чехов, 1586 г.), и «Царь-колокол» массой 200 т (Иван и Михаил
Моторины, 1736 г.).
Бронзы и позже латуни на протяжении многих веков были главным' материалом
для изготовления художественных отливок, памятников и скульптур. До наших
дней сохранилась бронзовая скульптура римского императора Марка Аврелия (II
век н. э.). Всемирную известность получили отлитые из бронзы памяники Петру I
в Ленинграде (1775 г.) и памятник «Тысячелетие России» в Новгороде (1862 г.).
В наше время был изготовлен литой бронзовый памятник Юрию Долгорукому —
основателю Москвы (1954 г.).
В XVIII в. на первое место по массовости и универсальности выходит новый
литейный материал —• чугун, послуживший основой развития машинной индустрии
в первой половине XIX в. К началу XX в. литейное производство цветных металлов
и сплавов заключалось в получений фасонных отливок из оловянных бронз и лату-
ней и слитков из меди, бронзы и латуней. Фасонные отливки изготовляли только
литьем в песчаные формы (тогда говорили и писали «земляные формы», «литье в зем-
лю»), Слитки получали массой не более 200 кг литьем в чугунные изложницы.
Следующий этап развития литейного производства цветных металлов и сплавов
начался примерно с 1910—1920 гг., когда были разработаны новые сплавы, прежде
всего на основе алюминия и несколько позже иа основе магния. Одновременно на-
чалось освоение фасонного и заготовительного литья из специальных бронз и лату-
ней — алюминиевых, кремниевых, марганцевых, никелевых, а также освоение про-
изводства слитков из никеля и его сплавов. В 1920—1930 гг. создаются цинковые
сплавы для литья под давлением. В 1930—1940 гг. получает развитие фасонное
литье из никелевых сплавов. Период 1950—1970 гг. был ознаменован разработкой
технологии плавки и литья титана и его сплавов, урана и других радиоактивных ме-
таллов, циркония и сплавов на его основе, молибдена, вольфрама, хрома, ниобия,
бериллия и редкоземельных металлов.
Освоение новых сплавов потребовало коренной перестройки технологии плавки
и плавильного оборудования, применения новых формовочных материалов и новых
способов изготовления форм. Массовый характер производства способствовал раз-
работке новых принципов организации производства, основанных на широкой ме-
ханизации и автоматизации процессов изготовления форм и стержней, плавки,
заливки форм, обработки отливок.
Необходимость обеспечения высокого качества литых заготовок привела к глу-
боким научным исследованиям свойств жидких металлов, процессов взаимодействия
расплавов с газами, огнеупорными материалами, шлаками и флюсами, процессов ра-
финирования от включений и газов, процессов кристаллизации металлических спла-
вов при очень малых и очень больших скоростях охлаждения, процессов заполнеиня
8
литейных форм расплавом, затвердевания отливок с сопутствующими явлениями —
объемной и линейной усадкой, возникновением различной структуры, ликвацией,
напряжениями. Начало этим исследованиям в Советском Союзе было положено-
в 1930—1940 гг. акад. А. А. Бочваром, заложившим основы теории литейных свойств
сплавов.
Начиная с 1920—1930 гг. для плавки цветных металлов и сплавов широко при-
меняют электрические печи — сопротивления, индукционные канальные и тигель-
ные. Плавка тугоплавких металлов практически оказалась возможной только при
использовании дугового разряда в вакууме и электронно-лучевого нагрева. В настоя-
щее время идет освоение плазменной плавки, на очереди — плавка лазерным лу-
чом.
В 1940—1950 гг. произошел массовый переход от литья в песчаные формы к
литью в металлические формы — кокили (алюминиевые сплавы, магниевые и мед-
ные) и к литью под давлением (цинковые, алюминиевые, магниевые сплавы, латуни).
В эти же годы в связи с производством литых турбинных лопаток из жаропрочных
никелевых сплавов возродился на новой основе древний способ литья по воску, на-
званный точным литьем и называемый теперь литьем по выплавляемым моделям.
Этот способ обеспечил получение отливок с очень небольшими припусками на меха-
ническую обработку вследствие очень точных размеров и высокой чистоты поверх-
ности, что было необходимо в связи с крайне трудной обрабатываемостью всех жаро-
прочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах.
В заготовительном литье (получение слитков для последующего деформирования
с целью изготовления» полуфабрикатов) в 1920—1930 гг. вместо чугунных начали
широко использовать водоохлаждаемые изложницы. В 1940—1950 гг. происходит
внедрение полунепрерывного и непрерывного литья слитков из алюминиевых, маг-
ниевых, медных и никелевых сплавов.
В 1930—1940 гг. произошли коренные изменения в принципах построения тех-
нологии заливки литейных форм и затвердевания отливок. Эти изменения были обус-
ловлены как резким отличием свойств новых литейных сплавов от свойств тради-
ционного серого чугуна и оловянной бронзы (образование прочных оксидных плен,
большая объемная усадка, меняющийся от сплава к сплаву интервал кристаллиза-
ции), так и возросшим уровнем требований к отливкам по прочности, плотности
и однородности.
Были разработаны конструкции новых расширяющихся литниковых систем
в отличие от старых сужающихся. В расширяющихся системах площади поперечного
сечения каналов увеличиваются от стояка к литникам-питателям, так что самым уз-
ким местом является сечение стояка на переходе к шлаковику-коллектору. В этом
случае первые порции металла, вытекающие из стояка в шлаковик, не могут его за-
полнить. Истечение расплавав из шлаковика в литники происходит под действием
очень небольшого напора в незаполненном шлаковике. Этот небольшой напор соз-
дает соответственно небольшую линейную скорость поступления расплава в полость
литейной формы. Струи расплава в форме не разбиваются на капли, не захватывают
воздух; не разрушается оксидная плена на поверхности расплава в форме, расплав
не загрязняется пленами. Благодаря таким достоинствам расширяющихся литни-
ковых систем их применяют в настоящее время для получения ответственных отли-
вок из всех сплавов.
Другим важным достижением в технологии получения качественных отливок,
развитым и реализованным в период освоения фасонного литья из новых сплавов
цветных металлов, является причин направленного затвердевания отливок.
Опыт, накопленный при получении отливок из традиционных, «старых» литей-
ных сплавов — серого чугуна и оловянной бронзы, свидетельствовал о том, что не-
обходимо рассредоточить подвод расплава в литейную форму, обеспечивая в первую
очередь надежное заполнение полости формы и не допуская местного ее разогрева.
Объем серого чугуна почти не меняется при кристаллизации, и поэтому отливки
из этого сплава практически не поражаются усадочной пористостью или раковина-
ми и не нуждаются в прибылях.
«Старые» оловянные бронзы с 8—10 % олова имели очень большой интервал
кристаллизации, поэтому при литье в песчаные формы вся объемная усадка в отлив-
ках проявлялась в виде мелкой рассеянной пористости, неразличимой простым гла-
зом. Создавалось впечатление, что металл в отливке плотный и что использование
опыта получения чугунных отливок, с подводом металла к тонким частям ее, оправ-
9
дывает себя и в случае литья изделий из бронзы. Прибыли как технологические при-
ливы на отливках просто не существовали. В форме предусматривался лишь выпор —
вертикальный канал из полости формы, появление расплава в котором служило
признаком заполнения литейной формы.
Для получения отливок высокого качества из новых сплавов оказалось необхо-
димым осуществить направленное затвердевание от тонких частей, которые, естествен-
но, затвердевают первыми, к более массивным и далее к прибылям. При этом убыль
объема прн кристаллизации каждого ранее затвердевающего участка восполняется
расплавом из участка, еще не начавшего затвердевать, и, наконец, нз прибылей,
которые затвердевают последними. Такое направленное затвердевание требует очень
грамотного выбора места подвода расплава в форму. Нельзя подводить расплав
в самый тонкий по сечению участок, рациональнее осуществить подвод жидкого ме-
талла около прибыли с тем, чтобы в ходе заполнения эта часть формы разогрелась.
Для создания направленного затвердевания необходимо намеренно захолаживать те
части формы, где затвердевание должно произойти быстрее. Это достигается с помо-
щью холодильников в песчаных формах или специальным охлаждением в металличе-
ских формах. Там, где затвердевание должно совершаться в последнюю очередь,
форму намеренно утепляют или разогревают.
Принцип направленного затвердевания, осознанный и сформулированный при
освоении производства отливок нз алюминиевых и магниевых сплавов, сейчас со-
вершенно обязателен для получения качественных отлнвок из любых сплавов.
В Советском Союзе разработка научных основ плавки сплавов цветных металлов,
их кристаллизации, освоение технологии получения фасонных отливок и слитков
является заслугой большой группы ученых, многие из которых были тесно связаны
с высшей школой. К ним в первую очередь следует отнести А. А. Бочвара, С. М. Во-
ронова, И. Е. Горшкова, И. Ф. Колобнева, Н. В. Окромешко, А. Г. Спасского,
М. В. Шарова.
Научные разработки н производственные процессы в области литейного произ-
водства цветных металлов в нашей стране соответствуют передовым достижениям
научно-технического прогресса. Их результатом, в частности, явилось создание со-
временных цехов кокильного литья и литья под давлением на Волжском автомобиль-
ном заводе и ряде других предприятий. На Заволжском моторном заводе успешно ра-
ботают крупные машины литья под давлением н усилием запирания пресс-формы
35 МН, на которых получают блоки цилиндров из алюминиевых сплавов для авто-
машины «Волга». На Алтайском моторном заводе освоена автоматизированная ли-
ния по получению отлнвок литьем под давлением. В Советском Союзе впервые в мире
разработан и освоен процесс непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов
в электромагнитный кристаллизатор. Этот способ существенно повышает качество
слитков и позволяет снизить количество отходов в виде стружкн при их обточке.
Основная задача, стоящая перед литейным производством в нашей стране, за-
ключается в существенном общем повышении качества отливок, которое должно
найти выражение в уменьшении толщины стенок, снижении припусков на механиче-
скую обработку н на литниково-питающие системы при сохранении должных эк-
сплуатационных свойств изделий. Конечным итогом этой работы должно быть обеспе-
чение возросших потребностей машиностроения необходимым количеством литых
заготовок без существенного роста общего выпуска отливок по массе.
Проблема повышения качества отливок тесно связана с проблемой экономного
расходования металла. Применительно к цветным металлам обе этн проблемы при-
обретают особую остроту. В связи с истощением богатых месторождений цветных
металлов стоимость их производства непрерывно и существенно возрастает. Сейчас
цветные металлы в пять—десять и более раз дороже чугуна и углеродистой стали.
Поэтому экономное расходование цветных металлов, сокращение потерь, разумное
использование отходов является непременным условием развития литейного произ-
водства.
В промышленности постоянно увеличивается доля сплавов цветных металлов,
получаемых путем переработки отходов — обрези, стружки, различного лома и шла-
ков. Эти сплавы содержат повышенное количество разнообразных примесей, способ-
ных снизить их технологические свойства и эксплуатационные характеристики изде-
лий. Поэтому в настоящее время ведутся широкие исследования для выработки спо-
собов рафинирования подобных расплавов и ртработкн технологии получения каче-
ственных литых заготовок.
10
Раздел L ФИЗИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПЛАВКИ И ЛИТЬЯ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Глава 1
•
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
§ 1. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Цветные металлы — промышленное название всех металлов, кроме железа. Свойства
цветных металлов определяются особенностями их атомного строения и определен-
ным образом связаны с атомными номерами элементов в периодической системе
Д. И. Менделеева. Установлена четко выраженная периодическая зависимость мно-
гих свойств элементов от их атомного номера.
Цветные металлы и сплавы условно подразделяют на легкие и тяжелые. К легким
относятся металлы, у которых плотность не превышает 5 г/см3: магний, бериллий,
алюминий, титан и др. Самым легким металлом является литий (0,536 г/см3), который
применяют в качестве легирующего компонента в магниевых и алюминиевых спла-
вах, а такжедля раскисления меди. К тяжелым относят металлы, у которых плот-
ность выше 5 г/см3. Самыми тяжелыми элементами являются осмий (22,48 г/см3),
иридий (22,46 г/см3), рений (21,0 г/см3), а также золото (19,3 г/см3) и вольфрам
(19,3 г/см3).
Цветные металлы подразделяют также по температурам плавления. К легко-
плавким относятся металлы, имеющие температуру плавления до 600 °C — цинк,
свинец, кадмий, висмут, олово, щелочные металлы, галлий, ртуть. Тугоплавкими
считаются металлы, плавящиеся при температурах свыше 1600 °C — титан, хром,
ванадий, цирконий, молибден и др.
Среди цветных металлов имеются малопрочные с временным сопротивлением при
растяжении ав < 50 МПа. К ним относятся олово, свинец, висмут, кадмий. Практи-
чески все металлы, которые являются основой современных конструкционных спла-
вов (алюминий, магний, медь, цинк, никель, кобальт, серебро и др.), имеют ав до
500 МПа. По пластичности цветные металлы подразделяют на пластичные с 6 >
>• 3—5 % и хрупкие с 6 < 3 %. Большинство цветных металлов являются пластич-
ными. К типичным хрупким металлам относятся галлий, висмут, сурьма, марганец.
Пластичность металлов в значительной степени зависит от концентрации & них
естественных примесей. Чем чище металл, тем выше пластичность. Так, если 20 лет
назад хром считали хрупким металлом, то в настоящее время за счет высокой очистки
удалось получить пластичный хром с 6 порядка 5—10 %.
Из многих замечательных свойств некоторых цветных металлов следует отметить
их высокую электро- и теплопроводность. Сравнительной мерой электропроводности
в технике служит ее обратная величина — удельное электросопротивление.
Высокой электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий,
которые широко используются как проводниковые материалы. За эталон электропро-
водности (и теплопроводности) принята электропроводность чистой меди, у которой
обратная характеристика — электросопротивление — составляет 1,72* 10~8 Ом-м
(100 % электропроводности). Соотношение электропроводности основных проводни-
ковых материалов — меди, серебра, золота и алюминия — составляет соответствен-
но 100 : 108 : 71 : 57, т.' е. наибольшей электропроводностью обладает серебро. Ряд
цветных металлов имеет очень низкую электропроводность: висмут 1, сурьма 7, гал-
лий 5 (в % от электропроводности меди).
Коррозионная стойкость различных металлов сравнивается по величине скоро-
сти потерн массы (в мг) с 1 см2 в -1 ч в азотной кислоте с концентрацией 30—60 %
при нормальной температуре. Чем меньше эта величина, тем более устойчив против
коррозии металл. Однако фактическая стойкость против коррозии является более
И
Таблица 1. Оптовые цены на наиболее распространенные цветные металлы
Металл ГОСТ Марка, сорт Оптовая цена, руб/кг.
Алюминий ' ГОСТ 11070—74 АО 0,735
Железо ГОСТ 9849—61 пж 0,175
Кадмий ГОСТ 1467—67 Кд-0 10,0
Кобальт ГОСТ 123—78 КО 23,0 ,
Литий ГОСТ 8774—75 ЛЭ-1 55,2
Магний ГОСТ 804—72 Мг90 1,13
Медь ГОСТ 546-79 Ml 1,22
Никель ГОСТ 849—70 Н-0 4,3
Олово ГОСТ 860—75 01 21,45
Сурьма ГОСТ 1089—73 СуО 3,32
Свинец ГОСТ 3778—74 С1 0,905
Титан ГОСТ 17746—72 ТГ-110 2,65
Цинк ГОСТ 3640—75 Ц0 0,81
сложной характеристикой, так как металл, не стойкий в азотной кислоте, может
в другой среде превосходить элемент, который стоек в азотной кислоте. •
Коррозионностойкнмн являются золото, хром, ниобий, тантал, свинец. Совер-
шенно нестойки щелочные и щелочноземельные металлы.
Чистые цветные металлы благодаря их высоким коррозионным свойствам при-
меняют для покрытия поверхности некоррозионностойких металлов и сплавов.
Так, почти половина выплавляемого цинка идет на защиту углеродистой стали (оцин-
кованное железо). Чистый алюминий применяют для покрытия (плакирования)
прочных алюминиевых сплавов с медью (дуралюмннов), которые имеют меньшую
коррозионную стойкость, чем чистый алюминий. Чистое олово применяют для
покрытия пищевой жести, которая идет на изготовление консервных банок.
Важным показателем в практическом использовании различных цветных ме-
таллов является их стоимость. Цветные металлы являются дорогостоящими и де-
фицитными материалами, поэтому экономное их расходование, сокращение их по-
терь на различных стадиях литейного передела является важнейшей задачей в литей-
ном производстве. В табл. 1 приведены действующие в СССР оптовые цены на наибо-
лее распространенные цветные металлы.
В настоящее время в мире (без СССР) производится из первичного сырья еже-
годно 12—14 млн. т алюминия, 7—8 млн. т меди, 5—6 млн. т цинка, 4,—5 млн. т
свинца, 0,5—0,7 млн. т никеля, 0,2—0,3 млн. т магния, 0,20—0,25 млн. т олова,
около 150 тыс. т молибдена, 100 тыс. т титана.
§ 2. СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Сплавы состоят из нескольких компонентов. Компоненты — это элементы, которые
вводят в состав сплава с целью повышения его свойств. Основным компонентом или
основой сплава принято считать элемент, содержание которого превышает 50 %.*
Кроме основы сплава, в его состав входят легирующие компоненты, специально
вводимые для придания тех или иных свойств, и различные примеси, которые обычно
являются нежелательными (вредными) или допустимыми. По внешним признакам
(цвету, плотности и др.) и по основным физико-химическим свойствам сплавы схожи
с основным металлом. Однако имеются и исключения. Некоторые сплавы по цвету,
внешнему виду и свойствам могут быть похожими не на основу сплава, а восприни-
мать характерные признаки основных легирующих компонентов. Так, нейзильбер
(65 % Си; 20 % Zn; 15 % Ni) имеет белый цвет и по свойствам ближе стоит к никеле-
Здесь и далее — в процентах по массе.
12
йь1М, <1еМ к медйым сплавам; то же относится н к Мельхиорам (19—30 % Mi, осталь-
ное — Си), а также к так называемому «белому» золоту. Присутствие в золоте нике-
ля и цинка (в сумме 10—30 %) придает золоту белый цвет. Алюминиевые литейные
сплавы, содержащие магний (8—12 %), прн плавке ведут себя как магниевые спла-
вы, так как, в частности, требуют специальных мер, предотвращающих окисление
сплава при плавке и литье в контакте с воздухом и влагой формы.
Составы сплавов в Советском Союзе регламентируются государственными стан-
дартами (ГОСТ), техническими условиями (ТУ), постоянными, либо временными,
различными отраслевыми стандартами и нормалями. В современной технике приме-
няют большое число сплавов цветных металлов. Только стандартных деформируемых
сплавов цветных металлов насчитывается более 300. Литейных сплавов цветных
металлов имеется свыше 100.
Сплавы цветных металлов в настоящее время не имеют единого стандартного
обозначения. Алюминиевые и магниевые сплавы в гостах обозначаются буквами,
указывающими либо на принадлежность к основному металлу (А — алюминиевые,
М — магниевые), либо к определенному типу сплавов (Д — дуралюмины), либо
обозначающими одновременно основу сплава и его назначение (АК — алюминие-
вый, ковочный, АЛ — алюминиевый, литейный). Вслед за буквами идут цифры, ко-
торые обозначают нумерацию сплава, обычно не связанную ни с.его химическим со-
ставом, ни со свойствами. Примерно по такому же принципу построёны обозначения
титановых сплавов (ВТ-1, ВТ-2), где буква В означет организацию-разработчика
(ВИАМ), буква Т — титановый.
Алюминиевые сплавы в чушках (ГОСТ 1583—73), выплавленные нз лома, иногда
называют вторичными. Онн имеют обозначения, отличающиеся от литейных пер-
вичных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685—73). Так, сплав АК5М2 (основной алю-
миниевый вторичный литейный сплав) расшифровывается следующим образом:
сплав алюминиевый (А), содержащий в качестве легирующих компонентов 5 %
кремния (К5) н 2 % медн (М2).
Значительно более показательно н удобнее обозначаются стандартные медные,
никелевые, цинковые и некоторые другие сплавы цветных металлов. Медные сплавы
обозначаются буквами и цифрами, непосредственно определяющими наименование
сплава и его химический состав в качественном и количественном отношениях. Так,
оловянные (ГОСТ 613—79) н безоловянные (ГОСТ 493—79) литейные бронзы обозна-
чаются следующим образом: БрО5Ц5С5, где Бр — бронза, содержащая олово (О),
цинк (Ц) и свинец (С), а цифры показывают среднее содержание этих компонентов
в процентах. Таким же образом обозначаются и безоловянные бронзы, например алю-
миниевая бронза БрА9Ж4Н4. 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.
Сплавы медноцинковые или 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
ЛС 59—1, т. е. латунь свинцовистая, со средним содержанием медн (а не цннка, как
по действующему госту) 59 % и свинца 1 %, остальное — цинк.
Для получения отливок из латуней по ГОСТ 17711—70 выпускают литейные
латуни в чушках (ГОСТ 1020—77). В этом ГОСТе марки латуней обозначаются без
цифровых индексов, а указываются только нанменовання легирующих компонентов
(например, ЛС — латунь свинцовая, ЛК — латунь кремнистая и т. д.).
Латуни, обрабатываемые давлением (ГОСТ 15527—70), обозначаются с указа-
нием среднего содержания в сплаве не цинка (как в литейных латунях), а меди.
Так, в латуни Л96 (томпаке) 96 % меди остальное — цинк, в латуни Л63 63 %
меди, остальное — цннк. Многокомпонентные латуни маркируют следующим обра-
зом: ЛА77-2 — латунь, у которой среднее содержание медн 77%, алюминия 2%,
остальное — цинк.
Удобные и сходные обозначения имеют никелевые и цинковые сплавы. Так,
в никелевом сплаве НМц2,5, Н — никель; Мц — марганец, которого в сплаве 2,5 %,
остальное — никель. В цинковом сплаве ЦАМ4-1 Ц — цинк, А — алюминий, М —
13
медь; цифры соответствен А о указывают среднее содержание в сплаве алюминия и ме-
ди, остальное цинк. В оловянном сплаве (баббите) Б83 Б — баббит с 83 % олова,
остальное — сурьма и медь.
Государственные стандарты не только регламентируют химический состав, но
и представляют широкие возможности умело варьировать составом, выбирая те
или иные оптимальные соотношения легирующих компонентов, обеспечивающие мак-
симально возможные свойства для регламентированного химического состава. Та-
кую возможность можно проиллюстрировать на примере алюминиевой бронзы
БрАЭЖЗЛ (ГОСТ 493—79). В этой бронзе по ГОСТу допускается содержание алюми-
ния от 8 до 10,5 %. Алюминий в большинстве алюминиевых бронз определяет пока-
затели механических свойств. Если в бронзе содержание алюминия будет на нижнем
допустимом пределе (при прочих равных количествах других компонентов и приме-
сей), то пластичность литого металла будет в 1,5—2,0 раза выше, а прочность в
1,5—1,7 раза меньше, чем в бронзе, содержащей алюминий на верхнем допустимом
пределе. Вместе с тем концентрация алюминия отражается на коррозионной стой-
кости отливок из алюминиевых бронз. В частности, для обеспечения повышенных
коррозионных свойств верхний предел концентрации алюминия в бронзе не должен
превышать 9%.- Необходимо также учитывать и экономический фактор: если в
бронзе меньше алюминия, то соответственно больше меди и себестоимость такой брон-
зы будет несколько выше чем у бронзы, в которой концентрация алюминия на верх-
нем пределе (алюминий дешевле меди примерно в 1,5 раза).
Сплавы цветных металлов по технологическим признакам подразделяют на две
основные группы: литейные и деформируемые. Из деформируемых сплавов произво-
дят (отливают) заготовки в виде слитков с различным сечением (круглые,
квадратные, плоские, прутки, трубные заготовки и др.), которые в последую-
щем подвергают разнообразным видам пластической обработки (прокатке, ковке,
волочению и т. п.). Литейные сплавы применяют для изготовления фасонных от-
ливок.
При выборе химического состава сплавов обеих групп руководствуются обычно
необходимостью получения высоких механических, технологических и эксплуата-
ционных свойств. При этом литейные сплавы должны обладать высокой жидкотеку-
честью, малой усадкой, низкой склонностью к образованию пористости, зональной
ликвации и трещин при затрудненной усадке, а деформируемые — хорошей пластич-
ностью и высокой способностью к обработке давлением.'
Уровень технологических свойств литейных и деформируемых сплавов опреде-
ляется совокупностью физико-химических (интервал кристаллизации, теплоемкость,
теплопроводность, растворимость газов и др.) и механических свойств и характером
взаимодействия компонентов сплава.
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 этбго типа ис-
пользуют преимущественно, как деформируемые. В качестве литейных используют
многофазные сплавы преимущественно эвтектического типа с узким интервалом кри-
сталлизации. 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, согласно А. А. Боч-
вару, показаны на рис. 1, из которого следует, что в системах эвтектического типа
вблизи эвтектики имеется обширная область доэвтектических и заэвтектическнх спла-
вов, имеющих малую линейную усадку, хорошую жидкотекучесть, не склонных
к ликвации и образованию литейных трещин и непредрасположенных к образованию
усадочной пористости при кристаллизации.
Из сплавов цветных металлов получают фасонные отливки различной конфи-
гурации и массой от десятых долей грамма до десятков тонн (так, из медных сплавов
отливают гребные винты массой 30—50 т). '
Благодаря хорошим литейным свойствам (особенно высокой жидкотекучести)
и сравнительно невысоким температурам плавления алюминиевых, магниевых и
других сплавов удается получать из них отливки сложной конфигурации с толщиной
стенок до 0,5—2 мм, т. с. создавать экономные легкие конструкции с высокими свой-
ствами.
/
14
Рис. 1. Зависимость литейных свойств от
состава сплавов в системах эвтектического
типа и непрерывного ряда твердых раство-
ров:
1 — жидкотекучесть при постоянном пере-
греве над температурой лнквндуса; 2 —
жидкотекучесть при постоянной темпера-
туре заливки; т. я. л. у. — температура
начала линейной усадки; VnOp — объем
пор; VpaK — объем раковины
Темпы производства фасонных от-
ливок из легких алюминиевых спла-
вов значительно опережают рост про-
изводства отливок из чугуна и стали.
Производство фасонных отливок из
алюминиевых сплавов за последние
25 лет возросло более чем в три раза.
В настоящее время валовой выпуск
отливок из различных сплавов цвет-
ных металлов в промышленно развитых
странах характеризуется следующими
соотношениями: алюминиевые сплавы
60—65 %, цинковые 15-^20 %, медные
15—18%, магниевые 3,0—3,5%.
В общем рбъеме производства полуфабрикатов и заготовок из легких сплавов
массовая доля фасонных отливок весьма существенна и составляет для алюминия
и его сплавов 20—25 %, магниевых 50—60 %.
Требования к деформируемым и литейным сплавам в современной технике по-
стоянно возрастают. К конструкционным сплавам предъявляются повышенные тре-
бования к ресурсу эксплуатации, что предполагает более высокие свойства при од-
новременном облегчении конструкции.
Цветные сплавы являются дефицитными и дорогими материалами (табл. 2).
Для приготовления сплавов применяют первичные металлы, а также вторичные цвет-
ные металлы, которые готовятся из лома и отходов. Производство вторичных цветных
металлов и сплавов увеличивается с каждым годом. В Советском Союзе созданы ор-
ганизации по сбору, хранению и сортировке вторичного сырья цветных металлов,
а переработку сырья производят на специальных заводах цветной металлургии. Спла-
вы, приготовленные из вторичных металлов, как правило, значительно дешевле,
чем те же сплавы, но приготовленные из чистых первичных металлов. Между соста-
вами тех и других аналогичных сплавов имеются различия лишь в несколько повы-
шенных допусках на содержание отдельных примесей во вторичных сплавах. Од-
нако при использовании для плавки современных плавильных агрегатов и оптималь-
ных технологических процессов плавки можно обеспечить производство из вторич-
ных сплавов литых изделий, не уступающих по качеству отливкам, изготовленным из
первичных металлов. Конструкторы и технологи-литейщики должны всегда стре-
миться к использованию вторичных сплавов, так как они обеспечивают более высо-
кие экономические показатели литейного производства. Это объясняется тем, что
в- себестоимости производства отливок доля стоимости сплава составляет более
80%.
Доля металлов и сплавов, производимых из вторичного сырья, в общем
объеме производства и потребления цветных металлов все время увеличивается
(табл. 3).
Лом цветных металлов образуется в результате естественного износа машин
и оборудования, а отходы цветных металлов — при их механической обработке,
в процессах плавки и пластической обработки. Отходы при разливке металла
в литейных цехах — это прибыли, литники, съемы, крупные затвердевшие
брызги и т. п. Количество отходов в литейных цехах определяется совершенст-
вом технологии и уровнем производственной дисциплины. Чем чище поверх-
ность отливок, меньше припуски на механическую обработку, выше точность
размеров изделий, тем меньще отходов образуется на стадии механической обра-
ботки.
15
Таблица 2. Оптовые цены на некоторые сплавы цветных металлов в СССР
Сплав Марка сплава ГОСТ Пена, руб/т
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые литейные АК7 ГОСТ 1583—73 780
сплавы в чушках АК9 ГОСТ 1583—73 785
АК5М2 ГОСТ 1583—73 555
Медные сплавы
Оловянные бронзы в чуш- БрОЗЦ8С4Н1 ГОСТ 614—73 1 250
ках БрО5Ц6С5 ГОСТ 614—73 1 490
Безоловянные бронзы в чуш- БрАЮЖЗ ГОСТ 614—73 900
ках БрА10ЖЗМц2 ГОСТ 614—73 910
Латуни в чушках ЛЦ40С ГОСТ 1020—77 830
ЛЦ16К4 ГОСТ 1020—77 935
ЛЦ23А6ЖЗМц2 ГОСТ 1020—77 875
Магниевые сплавы
Магниевые сплавы в чушках МА8ц ГОСТ 2581—78 1 080
МЦр1НЗ ГОСТ 2581—78 3 560
Оловянные сплавы
Оловянные и свинцовые баб- Б83 ГОСТ 1320—74 18 300
биты Б16 ГОСТ 1320—74 3 070
В среднем доля отходов в общих сырьевых ресурсах составляет 57 %, а доля
амортизационного лома 43 % *,
Отходы цветных металлов, образующиеся в литейных цехах, подразделяются
на оборотные и товарные. К оборотным относятся отходы, которые можно использо-
вать в качестве составляющих шихты (прибыли, литники и другие крупные отходы
производства) на том же предприятии, в том же литейном цехе, где они образовались,
а к товарным — часть отходов цветных
металлов, которые планируются пред- Таблица 3. Ежегодный выпуск
приятиям для сдачи (продажи) специа-
лизированным организациям Союзвтор-
цветмета. Для более рационального
использования вторичного сырья в
народном хозяйстве на лом и отходы
цветных металлов установлен Государ-
ственный стандарт (ГОСТ 1639—79).
Объемы производства вторичных
сплавов цветных металлов, особенно
сплавов на основе алюминия, в Совет-
ском Союзе постоянно возрастают.
* Технология вторичных цветных
металлов/Худяков И. Ф., Дороше-
вич А. П., Кляйн С. Э. и др. Учебник
для вузов—'М.: Металлургия, 1981.
280 с.
16
первичных н вторичных цветных
металлов, млн. т (по зарубежным
данным)
Металл Произведено, млн. т Доля вторич- ных металлов от общего выпуска, %
из РУДЫ из вто- ричного сырья
Алюми- ний 12—14 2,5—3.0 20—25
Медь 7—8 . 2,5—3,0 25—30
Цинк 5—6 0,8—1,0 15—20
Свинец 4—5 1,0—1,8 25—30
Олово 0,2— 0,25 0,04—0,05 20—25
Глава 2
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ
И СПЛАВОВ
Приготовление металлического расплава, пригодного для последу-
ющей заливки в литейную форму, даже в случае переплавки чистого
металла или готового сплава не сводится просто к расплавлению
исходного материала и перегреву расплава до температуры, доста-
точной для обеспечения заполнения литейной формы. Проводя эти
операции, следует предупреждать возможное загрязнение расплава
нежелательными примесями из атмосферы и из огнеупорных материа-
лов, с которыми будет соприкасаться расплав. Как правило, такое
загрязнение все же происходит, и поэтому возникает необходимость
в очистке, рафинировании расплава от примесей. Во многих случаях
сплавы используют в модифицированном состоянии. Операцию
модифицирования осуществляют в ходе приготовления расплава.
При плавке необходимо обеспечить минимальные потери металла,
связанные с испарением, окислением, шлакообразованием. Наконец,
необходим правильный выбор плавильной установки, на которой
можно достичь нужной температуры и которая имела бы достаточ-
ные мощность и емкость для получения заданного количества рас-
плава. Нужно также оценить возможные источники вредного воз-
действия на работающих и на окружающую среду.
Таким образом, проведение плавки требует предварительного
решения многих разнообразных вопросов. Для этого необходимо
в первую очередь иметь представление о свойствах жидких металлов
и о процессах, которые могут проходить между расплавом и атмо-
сферой, применяемыми огнеупорными материалами и флюсами.
Необходимо также правильно проводить рафинирование, раскисле-
ние, модифицирование расплавов.
Следует отметить, что при проведении процесса плавки нужно
учитывать многие физические свойства металлов. С развитием науки
и техники и с появлением новых источников нагрева становятся
важными такие свойства, как электросопротивление, магнитная про-
ницаемость и магнитная восприимчивость расплавов (нагрев в элект-
ромагнитном поле), термоэлектронная эмиссия расплава (электронно-
лучевая плавка).
§ 1. ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ И ПЛОТНОСТЬ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Температура плавления металла во многом предопределяет способ
его плавки. В зависимости от величины температуры плавления вы-
бирают вид и источник энергии плавильной установки. Температура
плавления определяет материал футеровки плавильной печи или
тигля, а также материал литейной формы. При этом необходимо учи-
тывать, что расплав обычно перегревается выше точки плавления
металла или выше точки ликвидуса сплава примерно на 100—200 °C.
17
Б И Б Л И Т Е К А
ГО
шяаиаурпмю^—....сгнтп
Таблица 4. Температура плавления и плотность металлов
Металл Атомная масса <пЛ. °C П20 °C, Ртв г/см8 р'пл, ж г/см3 *пл-Ь100°С ж , г/см3 X
т х Ртв / -.х юо, %
Алюминий 27 660 2,70 2,38 J 2,35 6,5
Бериллий 9 1285 1,85, 1,69 Т —
Висмут 209 271 9,80 10,00 Т 9,92 -3,3
Вольфрам 184 3400 19,301 16,74 •— 3
Галлий 70 30 5,90 6,10 6,04 -3,5
Германий 73 937 5,30 5,50 5,44 -5,0
Железо 56 1539 7,87 7,00 6,91 5,0
Золото 197 1063 19,30 17,35 17,25 5,0
Кадмий 112 321 8,64 8,02 7,95 4,3
Кальций 40 840 1,54 .—. 1
Кремний 28 . 1420 2,35 2,53 2,50 —10,0
Литий 7 181 0,53 0,50 -—-
Магний 24 650 1,74 1,59 1,55 5
Марганец 55 1240 7,40 6,75 —.
Медь 64 1083 8,96 8,00 7,92 5,5
Молибден 96 2620 10,20 8,9 —. 4
Натрий 23 98 0,97 — —
Никель 59 1455 8,90 7,90 7,78 5,3
Ниобий 93 2460 8,60 7,85 .—
Олово 119 232 7,30 7,00 6,90 3,5
Ртуть 201 —39 13,55*2 13,70 13,46 3,7
Свинец 207 327 11,35 10,68 10,55 3,5
Серебро 108 961 10,50 9,35 9,26 4,0
Сурьма 122 630 6,70 6,49 6,43 -1,0
Титан 48 1670 4,50 4,10 4,03 4
Хром 52 1815 7,15 6,30 — 6
Цинк 65 419 7,14 6,57 6,46 4,0
Цирконий 91 1850 6,50 6,0 — 5
** Изменение плотности при кристаллизации.
В жидком состоянии.
Температура плавления почти всех используемых в настоящее
время металлов и их плотность приведены в табл. 4. Как следует
из данных таблицы, температура плавления металлов охватывает
очень большой промежуток — от —39 (ртуть) до 3400 °C (вольфрам).
Плотность металлов, измеряемая массой в единице объема, не-
обходима для вычисления массы отливок по .их геометрическим раз-
мерам, обозначаемым на чертежах. Вычисление массы расплава, за-
ключенной в плавильной ванне или в тигле, также невозможно без
знания плотности этого расплава. В некоторых случаях приходится
решать обратную задачу— определить объем расплава по его
массе.
18
Из приведенных в табл. 4 металлов самым Легким является ли-
тий, который примерно в два раза легче воды. Наиболее тяжелые
металлы —вольфрам и золото, имеющие плотность более 19 г/см3.
В технике принято выделять группу легких металлов, служа-
щих основой конструкционных металлических материалов в авиации
и ракетостроении и имеющих плотность не более 5 г/см3. В эту группу
входят титан, алюминий, магний, бериллий.
С повышением температуры плотность всех металлов в твердом
состоянии уменьшается. У большинства металлов нагрев от комнат-
ной температуры до температуры плавления вызывает уменьшение
плотности на 3—5 %.
Переход металла в жидкое состояние сопровождается в большин-
стве случаев увеличением объема на несколько процентов и соответ-
ствующим уменьшением плотности. Су-
ществует, однако, несколько металлов и
неметаллов, у которых наблюдается обрат-
ное изменение плотности при плавлении.
Так, геллий, висмут, сурьма, германий
и кремний при плавлении уменьшаются
в объеме, т. ё. ведут себя подобно воде.
Повышение температуры жидкого ме-
талла вызывает дальнейшее уменьшение
плотности. На рис. 2 приведена общая
зависимость плотности от температуры.
Металл А является представителем боль-
шинства металлов, указанных в табл. 4.
t
Рис. 2. Завис нм ость плотно-
сти р металлов от температуры t
Металл В относится к тем металлам и
неметаллам, которые-при плавлении уменьшаются в объеме. Строго
говоря, график функции р = f (/) не является прямой линией ни
для твердого, ни для жидкого состояния. Однако экспериментальные
данные обычно аппроксимируются прямолинейными зависимостями,
особенно если рассматриваются изменения в небольшом температур-
ном интервале. Поэтому в справочниках нередко приводится зави-
симость вида pt = ро (1 —- /гД/), где k — постоянная величина.
Переходя к плотности сплавов, надо отметить, что сплавы как
в твердом, так и в жидком состоянии не являются совершенными
растворами, и сплавление всегда сопряжено с изменением объема.
Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнении
с суммарным объемом чистых компонентов. Однако для технических
расчетов этим можно пренебречь, и плотность сплава рспп может
быть определена по правилу аддитивности, т. е. по значениям плот,
ности исходных компонентов с учетом их содержания в сплаве из
равенства 100/рспп = (хл/рл) + (хв/рв) + .... где рл, рв, ... —
плотность компонентов сплава при заданной температуре; хл-
хв, ... —их содержание в сплаве, %.
Изменение плотности жидкого металла или сплава до начала и
в процессе кристаллизации предопределяет важнейшее литейное
свойство — объемную усадку, которая проявляется в виде усадоч-
ных раковин и пористости (рыхлоты) в теле отливки. В отливках из
19
металлов и сплавов, имеющих отрицательные значения Ар, обнару-
живается не усадка, а так называемый рост —выдавливание рас-
плава на поверхность.
§ 2. ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭНЕРГИЯ и вязкость
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ. ДИФФУЗИЯ В ЖИДКИХ МЕТАЛЛАХ
Как известно, на поверхности раздела конденсированных фаз между
собою или с газовой фазой имеется избыточная энергия из-за того,
что по одну сторону поверхности раздела часть связей атомов ока-
зывается свободной. Эта избыточная энергия в общем случае назы-
вается межфазной, а для поверхности раздела жидкость —собст-
венный пар ее называют поверхностной.
Межфазная энергия оценивается работой, необходимой для соз-
дания единицы соответствующей поверхности раздела. Наряду с по-
верхностной энергией используется характеристика, именуемая по-
верхностным натяжением. Поверхностное напряжение равно силе,
действующей на единицу длины поверхности. Численные значения
поверхностной энергии и поверхностного натяжения, если они выра-
жены в одной системе единиц, совпадают по величине.
Ниже приведены значения поверхностной энергии а некоторых
металлов при температуре на 10—20 °C выше точки плавления, при
этом металлы расположены по возрастанию температуры плавле-
ния:
Металл.................. Hg Ga Sn Pb Zn Mg Al
о, мДж/м2 ............. 450 700 550 450 750 550 850
Металл.................. Cu Ni Fe Ti Mo W
а, мДж/м2 ............. 1250 1800 1800 1650 2250 2500
Как видно, жидкие металлы имеют большие значения поверхност-
ной энергии. Чем более тугоплавок металл, тем больше у него по-
верхностная энергия. Эта закономерность не является строгой.
Так поверхностная энергия жидкого магния меньше, чем более лег-
коплавкого цинка, а поверхностная энергия легкоплавкого галлия
больше, чем олова, свинца и магния.
Повышение температуры жидкого металла или иначе перегрев
всегда понижают поверхностную энергию. Это понижение невелико
и составляет обычно 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 введении в алю-
миний ~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/м2.
Кислород (0,1 %) снижает поверхностную энергию железа с. 1850
до 1100 мДж/м2. Добавки, действующие подобным образом, называют
поверхностно-активными. При малых содержаниях они не распреде-
ляются равномерно по всему объему расплава, а сосредотачиваются
20
в Поверхностном слое. Поверхностно-активными добавками по от-
ношению к данному металлу обычно являются такие металлы или
элементы, которые резко отличаются от него по своим свойствам.
На диаграммах состояния это различие выражается либо в разрыве
растворимости в жидкой фазе, либо в существовании простой очень
легкоплавкой эвтектики между основным металлом и добавкой.
Во всех случаях отмечается ничтожная растворимость добавки в
твердом металле-основе.
Более часто вводимые в металл добавки вызывают постепенное
.изменение поверхностной энергии основного металла, примерно про-
порциональное ее содержанию в образующемся сплаве. Такие слу-
чаи можно видеть у сплавов на основе меди с добавками до 5—10 %
(каждого) олова, цинка, алюминия, кремния, а также у сплавов на
основе алюминия с медью, цинком, магнием. В системе Си—Ni при
1550 °C отмечается почти прямолинейное изменение поверхностной
эйергии от 1200 (100 % меди) до 1800 мДж/м2 (100 % никеля).
Нередко введение второго компонента практически не сказыва-
ется на поверхностной энергии основного металла. Такие случаи
наблюдаются у сплавов на основе алюминия с небольшим содержа-
нием (до 2—3 %) кремния, циркония, титана, хрома, никеля.
Кроме поверхностной энергии, различают еще межфазную энер-
гию на границе двух жидкостей (жидкий металл —жидкий шлак,
жидких металл—жидкий флюс), на границе жидкость—твердое
тело (жидкий металл—огнеупорный материал, жидкий металл —
растущйй кристалл). Межфазная энергия на границе раздела двух
конденсированных фаз всегда существенно меньше поверхностной
энергии любой из этих фаз на границе с газовой фазой. Это объяс-
няется тем, что на границе с конденсированной фазой в поверхност-
ном слое жидкости или твердого тела значительно меньше свобод-
ных связей, чем на границе с газовой фазой.
Значения поверхностного натяжения расплавов, с которыми
приходится иметь дело при плавке и литье, обычно заметно отлича-
ются от справочных данных. У металлов и сплавов, которые не спо-
собны растворять кислород и покрываются на воздухе пленкой не-
растворимых оксидов, наблюдаются заметно большие (в 1,2—1,5
раза) значения поверхностного натяжения, чем приводимые в спра-
вочниках. Это относится к цинку, магнию, алюминию и всем сплавам
на их основе. В этих случаях приходится говорить не о поверхностном
натяжении, а о прочности'поверхностного слоя, которая во многом
зависит от свойств оксидов.
Когда расплав загрязняется растворенными примесями, в пер-
вую очередь кислородом, поверхностное натяжение может сущест-
венно снижаться. Этот случай характерен для серебра, меди, никеля,
медносеребряных и медноникелевых сплавов, сплавов на основе ни-
келя с малым содержанием углерода, кремния и марганца.
Поверхностные силы определяют явление смачивания. Условия
смачивания зависят от соотношения межфазных энергий на трех по-
верхностях раздела фаз <т12, о23, <т13 (рис. 3). Это соотношение выра-
жается косинусом краевого угла смачивания cos 0 = (о13 — о12)/о
23 •
21
3
Рис. 3. Плохое (а)и хорошее (б) сма4
чивание фазы 1 фазой 2 в среде 3
Если угол 0 больше 90°, фаза 2 плохо смачивает фазу 1. Если же 0
меньше 90°, фаза 2 хорошо смачивает фазу 1.
Условия смачивания фазы 1 фазой 2 оцениваются также величи-
ной работы адгезии 1Г12, которая равна 1Г12 = <т23 + о13 — <т12.
С учетом соотношений, определяемых косинусом краевого угла сма-
чивания, выражение работы адгезии упрощается: 1Г12 = о23 (1 +
+ cos 0). Чем больше работа адгезии фазы 2 к фазе 1, тем полнее
проходит смачивание. Как видно, это достигается при увеличении
<т23 и росте cos 0, т. е. при уменьшении краевого угла смачива-
ния 0.
Поверхностные свойства расплава чрезвычайно важны для пла-
вки и литья. Во всех случаях стремятся, чтобы,расплав не смачивал
футеровку плавильных печей и литейную форму. Подбирая должным
образом материалы для футеровки плавильной печи и литейной
формы, регулируя состав атмосферы над расплавом при плавке и
в литейной форме, удается во многих -случаях избежать смачи-
вания.
Известно, что даже при 0 > 90° возможно затекание жидкости
в цилиндрический канал радиусом г. Для затекания необходимо
избыточное давление р, величину которого определяют по формуле
Лапласа: р = 2<т cos (180—0)/г, где <т—межфазная энергия на
границе жидкость—атмосфера; 0 —краевой угол смачивания мате-
риала стенок канала жидкостью в данной газовой среде. Давление р
создается столбом жидкого расплава. При заданной технологии
(размер отливки, футеровки и литейной формы, атмосфера в форме)
оказываются неизменными все величины, входящие в формулу Лап-
ласа, кроме радиуса канала г. Этот радиус определяется размерами
частиц зерновой составляющей смеси, из которой изготовлена ли-
тейная форма. Чем больше величина зерен, тем больше радиус
каналов между ними. Чтобы предотвратить проникновение расплава
в стенки формы, необходимо уменьшить размеры каналов. Это мо-
жет быть достигнуто покрытием рабочей поверхности формы слоем
мелкозернистого материала. На этом основан подбор так называемых
облицовочных формовочных смесей и литейных красок для рабочей
поверхности литейных форм.
Вязкость жидкости определяет силу сопротивления, возникаю-
щую при движении двух соседних ее слоев с разными скоростям^.
Различают динамическую г| и кинематическую вязкость v = ij/p,
где р — плотность жидкости. В системе СИ единицами измерения ди-
намической вязкости служат паскаль-секунды, кинематической вяз-
кости — квадратные метры на секунду.
22
Ниже приведены значения динамической вязкости некоторых ме-
таллов при перегреве над точкой плавления на 10—20 °C:
Металл . . . Hg Sn Zn Mg Al Cu Ni Fe
T], мПа-c . . 1,6 1,7 3,2 1,3 1,2 3,5 4,5 5,5
Как видно, динамическая вязкость легкоплавких металлов невы-
сокая и близка к вязкости воды (1,5 МПа-с). У более тугоплавких
металлов наблюдаются заметно большие значения динамической вяз-
кости.
Динамическая вязкость уменьшается при повышении температуры
металла. Так, вязкость алюминия уменьшается в 1,5 раза при на-
греве от 700 до 800 °C. Температурная зависимость динамической
вязкости выражается экспоненциальным законом т] = A exp Q’RT,
где А — постоянная величина; R — газовая постоянная; Т. — тем-
пература; Q —энергия активации вязкого течения.
Динамическая вязкость сплавов в зависимости от состава меня-
ется сложным образом. Изменение вязкости от вводимых добавок в
сплав осложняется тем, что одновременно меняется температура
начала кристаллизации сплавов в соответствии с видом диаграммы
состояния. Поэтому на изменение вязкости, вызываемое присутствием
легирующих компонентов, накладываются изменения, вызываемые
температурой^ поскольку меняется удаленность от температуры
ликвидуса в случае определения изотерм вязкости. Переход к сопо-
ставлению вязкости сплавов при равном перегреве над ликвидусом
дает в общем плавное изменение этого свойства в зависимости от
состава. У сплавов эвтектического состава обычно наблюдаются не-
сколько пониженные значения вязкости.
Отмечаемые иногда на практике случаи заметного возрастания
вязкости расплавов всегда связаны либо с началом кристаллизации,
либо с очень сильным загрязнением расплавов взвешенными части-
цами шлака или оксидов.
В металлических расплавах имеет место диффузия — самопроиз-
вольное перемещение атомов (ионов). Явление диффузии описывается
законами Фика. Первый закон Фика определяет поток вещества
I в зависимости от градиента концентрации dCldx-. I = —DdCldx.
Величина D — коэффициент диффузии. Обычно используемая раз-
мерность коэффициента диффузии —см2/с.
Различные металлы, растворенные в одной основе, обладают
различными коэффициентами диффузии. Однако для подавляющего
большинства металлов коэффициент диффузии в жидком металле-осно-
ве находится в пределах (1—5) 10-5 см2/с. Такая же величина харак-
терна и для коэффициента самодиффузии металлов. Те элементы,
которые в твердом металле образуют твердые растворы внедрения,
обладают в расплавленном металле значительно большим коэффи-
циентом диффузии. Так, если медь и железо имеют коэффициент диф-
фузии в жидком никеле около 5-10-5 см2/с, то у азота и углерода
этот коэффициент примерно в 10 раз больше, а коэффициент диффузии
водорода в никеле и в других металлах имеет величину около 10"3
см2/с. Это объясняется малыми размерами атомов этих элементов.
Для сравнения в твердых металлах вблизи точки плавления коэф-
фициент диффузии компонентов, образующих растворы замещения,
составляет около 10-8 см2/с.
Повышение температуры жидкого металла вызывает довольно
быстрый рост коэффициента диффузии следующему закону: D =
= Do exp (—QIRT), где Do—постоянная величина; Т —темпера-
тура; R —газовая постоянная; Q —энергия активации.
Несмотря на то что в жидких металлах коэффициент диффузии
примерно в 1000 раз больше, чем в твердых, практически нельзя
добиться необходимого усреднения состава сплава при плавке только
за счет диффузионного массопереноса. Это видно из следующего при-
мера. При контакте жидкого металла В с большим объемом жид-
кого металла А распределение концентрации В в А описывается
параболическим законом х = m^ADx, где х —расстояние, на кото-
ром находится слой с заданной концентрацией; m — коэффициент
пропорциональности; D — коэффициент диффузии; т — время.
В месте соприкосновения двух металлов концентрация В может
быть принята Сх=о =1- В толще расплава Сх-^оо = 0. Найдем
расстояние х, на котором находится слой с концентрацией Св,
например, равной 0,5. Величину коэффициента m можно рассчитать.
В данном случае m = 1,03. Таким образом, х — 1,03]/Пт. Если D —
— 5-10~5 см2/с, т = 1 ч = 3600 с, то х = 1,03]/5-10-5-3600 =
= 0,436 см.
В жидких металлах, кроме диффузионного, имеет место и конвек-
тивный массоперенос. Интенсивность конвективного массопереноса
определяется кинематической вязкостью расплава, температурным
коэффициентом объемного расширения, перепадом температур в рас-
плаве, формой и размерами емкости, в которой находится расплав,
величиной земного ускорения. Линейные скорости движения отдель-
ных слоев расплава в условиях свободной конвекции могут превы-
шать 1 м/с.
В общем случае при плавке невозможно достичь необходимого
усреднения состава расплава за счет диффузии или конвективного
массопереноса. Поэтому при плавке всегда прибегают к механиче-
скому или электромагнитному перемешиванию расплава. Такое пере-
мешивание совершенно необходимо по окончании плавки перед
разливкой.
§ 3. ДАВЛЕНИЕ ПАРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Давление пара жидких металлов обычно выражается формулой вида
1g р = ~А!Т + В — С lg Т. .Ниже даны значения постоянных ве-
личин А, В и С для р, выраженного в паскалях, для некоторых,
металлов:
А в С А в с
Алюминий 16 450 14,48 1,02 Кремний 20 900 12,84 0,57
Железо 19 710 15,39 1,27 Магний 7 550 14,91 1,41
Кадмий 5 819 14,41 1,27 Марганец 13 900 19,39 2,52
Кальций 9 600 14,67 1,21 Медь 17 650 15,51 1,27
24
Никель 22 400 18,0? 2,01 Титан 23 200 13,86 0,66
Олово 15 500 .10,35 — Цинк 6 670 14,12 1,13
Свинец 10 130 13,28 0,99 Цир коний 30 300 11,50 —
Серебро 14 260 14,35 1,06
Пары металлов, как правило, состоят из одноатомных частиц.
В парах таких элементов, как углерод, кремний, сера, имеется опре-
деленная доля двухатомных и более сложных частиц.
Ниже приведены данные о давлении паров некоторых металлов
при температуре плавления, а также их температуры плавления и
кипения (температура, при которой давление пара вещества дости-
гает атмосферного, т. е. 0,101 МПа):
Vе f °C ГКИП’ ь рпара. при 'пл> Па 'пл- °с t °C кип- рпара при 'пл- Па
Ртуть —39 357 ю-* Марганец 1240 2100 133
Олово 232 2600 10“ 21 Кремний 1420 3200 0,13
Кадмий 321 770 13,3 Никель 1455 2900 1,3
Свинец 327 1900 10-е Железо 1539 2900 1,3
Цинк 419 910 13,3 Титан. 1670 3100 1,3
Магний 650 1100 520 Цирконий 1850 4300 1о-3
Алюминий 660 2500 Ю’6 Хром 1875 2500 1020
Кальций 840 1500 270 Молибден 2620 4600 1,3
Медь 1083 2500 0,13 Вольфрам 3400 5500 1’,3
Из приведенных данных можно прежде всего сделать вывод о
том, что прямой связи между температурой кипения металлов и его
температурой плавления нет. Легкоплавкое олово кипит при 2600 °C,
а более тугоплавкий цинк имеет температуру кипения всего 910 °C.
Точно так же марганец, плавящийся при 1240 °C, обладает температу-
рой кипения 2100 °C, а медь с точкой плавления 1083 °C кипит при
2500 °C.
Для оценки поведения металла при плавке большее значение,
чем температура кипения, имеет величина давления пара при тем-
пературе плавления, так как именно она предопределяет величину
потерь в результате испарения. У таких металлов, например, как
кадмий, цинк, магний, кальций, марганец, хром, давление пара при
температуре плавления превышает 10 Па. Эти металлы называют
легколетучими.
Давление пара сплава складывается из суммы парциальных дав-
лений всех компонентов и примесей, входящих в его состав. Если
сплав рассматривать как совершенный раствор, то парциальное дав-
ление пара любого компонента или примеси pt определяется законом
Рауля: pi = piNi, где рЧ —давление пара чистого компонента;
Nt — его атомная доля в сплаве. Если сплав нельзя считать совер-
шенным раствором, то в данную формулу вводят коэффициент актив-
ности у данного компонента в сплаве. Тогда парциальное давление
пара компонентов сплава будут выражаться pt = ytp^Ni, а давле-
ние пара сплава рспл = = ^ViPiNt.
Произведение ytNt называется активностью компонента. Актив-
ность выражает кажущуюся концентрацию компонента в сплаве.
25
Коэффициент активности у может быть больше или меньше единицы.
Он отражает сложные явления в сплаве, связанные с взаимодействием
атомов компонентов. В совершенном растворе 7 = 1, и активность
совпадает с концентрацией, выраженной в атомных долях или атом-
ных процентах.
Давление пара металла предопределяет не только величину по-
терь вследствие испарения при плавке. Значительные трудности
возникают при плавке сплавов, в состав которых входят компоненты
с различным давлением пара. Компоненты, обладающие большим-дав-
лением 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.
Число загружаемых в расплав легколетучих компонентов может
превышать оговоренное ГОСТом или ТУ в 1,5—2 раза.
§ 4. ТЕПЛОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Главнейшими тепловыми свойствами, имеющими значение для про-
цессов приготовления сплавов и затвердевания отливок, являются
теплоемкость, теплопроводность, теплота плавления. Для процесса
плавки в ряде случаев приобретает значение теплота образования
сплавов. Теплоемкость и теплота плавления определяют количество
энергии, необходимое для расплавления металла и нагрева расплава
до нужной температуры. Теплопроводность предопределяет скорость
прогрева металла. Все эти характеристики имеют решающее значе-
ние при затвердевании и охлаждении отливок. От их величин за-
висит время затвердевания и распределение температуры в отливке.
Ниже приведены значения теплоты плавления q некоторых эле-
ментов:
Q ^мол Q ?мол
Олово Дж/г 60 кДж/моль 7,1 Медь Дж/г кДж/мо-ль 205 13,0
Висмут 55 11,5 Бериллий . 1390 12,5
Свинец 24 5,0 Кремний . 1700 48
Цинк 110 7,1 Никель . - 290 17
Магний 370 8,9 Железо 270 15
Алюминий .... 400 10,8 Титан 350 17
Германий .... 450 33 'Молибден . . . . 340 33
В величинах теплоты плавления, выраженных в Дж/г, видна
очень большая разница у различных металлов и элементов. У легко-
плавких металлов — олова, висмута, свинца — теплота плавления
составляет всего несколько десятков Дж/г. У более тугоплавких —
от цинка до молибдена —она равно 100—400 Дж/г. Чрезвычайно
большую теплоту плавления имеют бериллий и кремний: 1390 и
1700 Дж/г. Физически правильнее сравнивать так называемую мо-
лярную теплоту плавления, которая равна энергии, необходимой для
плавления 1 моля вещества, т. е. такого объема кристаллической
26
решетки, где имеется 6,023-1023 структурных единиц (число Аво-
гадро). Переход к молярной теплоте плавления дает возможность
увидеть, что у непереходных металлов эта характеристика возрастает
от 5 кДж/моль у свинца до 12—13 кДж/моль у меди и бериллия.
Переходные металлы — никель, железо, титан, молибден — имеют
существенно большую молярную теплоту плавления. Это связано
с тем, что в их кристаллической решетке имеется определенная доля
ковалентных связей, которые значительно прочнее, чем чисто ме-
таллические. По молярной теплоте плавления выпадают олово и
висмут и особенно германий и кремний. Германий и кремний имеют
кристаллическую .решетку с ковалентными связями между атомами.
Поэтому у них молярная теплота плавления превышает теплоту
плавления металлов в 3—4 раза. Олово и висмут обладают р&хлыми
кристаллическими решетками, в которых некоторая доля связей
ковалентна. В связи с этим их молярная теплота плавления состав-
ляет 7—11 вместо ожидаемых 3—5 кДж/моль.
Теплоемкость с некоторых металлов в жидком состоянии вблизи
точки кристаллизации имеет следующие значения:
Sn Pb Zn Al Си Ni Fe
с, Дж/(г-К)...................... 0,25 0,14 0,42 1,09 0,51 0,63 0,71
смол, Дж/(моль-К) ............... 29,8 29,0 27,2 29,4 32,6 37,2 39,8
По сравнению с теплоемкостью твердого металла при температуре
плавления эти значения выше примерно в 1,1—1,5 раза. Какой-
либо закономерности не усматривается при сравнении теплоемкости,
выраженной через Дж/(г-К). Переход к молярной теплоемкости
показывает, что у жидких металлов она составляет 29 —40 Дж/(моль х
хК) и явно возрастает с увеличением температуры плавления ме-
таллов. Теплоемкость жидких металлов почти не меняется с повы-
шением температуры.
Теплопроводность 1 жидких металлов составляет примерно 0,5—
0,6 от теплопроводности твердых металлов вблизи точки плавления:
Sn Zn Al Cu Fe
1, Вт/(м-К):
твердого металла ................
жидкого » .................
Хж/Лтв.............................
59 96 185 300 29
35 60 90 — 17
0,59 0,63 0,49 — 0,62
Теплообмен в жидких металлах осуществляется не только тепло-
проводностью, но и посредством свободной конвекции, которая опре-
деляется зависимостью плотности жидкого металла от температуры,
вязкостью металла, его теплопроводностью и земным ускорением.
Теплообмен в этом случае характеризуется коэффициентом теплоот-
дачи а [Вт/(м2-К)1 от жидкого металла с температурой /с к стенке
с температурой поверхности tn. Величина tc — tn = А/ определяет
теплообмен. Зависимость между а и А/ выражается в критериальной
форме':
Nu = CGrnmPr™,
Zl
где Nu = al/K — критерий Нуссельта, в котором а — коэффициент
теплоотдачи; X —теплопроводность жидкого металла; I —линей-
ный размер стенки в вертикальном направлении; С — постоянный
множитель, величину которого определяют по справочникам в за-
висимости от величины критерия Грасгофа—Gr — gl3fimAt/y\ где
g — земное ускорение; I — характерный линейный размер стенки —
ее высота; v — кинетическая вязкость жидкого металла; — тем-
пературный коэффициент объемного расширения жидкого металла.
Показатель степени п зависит от величин С и Gr. Он указан в спра-
вочниках.
Величина Pr = у/а = х\сГк называется критерием Прандтля.
В этом критерии у — кинематическая вязкость жидкого металла;
а—его температуропроводность; с—теплоемкость; X—тепло-
проводность. Индекс т у критериев Gr и Рг означает, что свойства,
входящие в эти критерии и зависящие от температуры, выбирают
при средней температуре.
Теплота образования жидких сплавов измеряется той энергией,
которая поглощается или выделяется при взаимном растворении двух
жидких металлов, взятых при одинаковой температуре. В термодина-
мике принято считать положительной энергию, поглощенную систе-
мой, и приписывать ей знак «+». Энергия, выделившаяся из системы,
считается отрицательной. Количество энергии, поглощенное или
выделенное при образовании сплавов, относят к 1 молю сплава и на-
зывают интегральной молярной теплотой смешения или образования.
В двухкомпонентных сплавах теплота образования, обозначаемая
АН, обычно меняется по кривой с экстремумом. Экстремум кривой при-
ходится на сплавы примерно эквиатомного состава, т. е. при атом-
ной доле каждого из компонентов около 0,5. Эта наибольшая по
абсолютному значению теплота образования обозначается АН^.
В табл. 5 приведены величины ДЯтах для некоторых систем.
Из приведенных дацрых можно сделать следующие выводы.
Теплота образования сплавов близка к нулю или имеет небольшую
величину в том случае, если в системе наблюдаются непрерывные
Таблица 5. Теплота образования двойных жидких сплавов
Система А— В t. °C кДж/моль Тип системы
Au—Си 1150 0 Неограниченные растворы
Bi—Sb 800 + 1,3 То же
Ag—Си 1200 +3,8 Простая эвтектическая система
Bi—Sn 350 —2,0 То же
Pb—Sn 500 + 1,3 »
Al—Si 1450 —3,8 »
Mg—Sn 800 —14 Система с промежуточными фазами
Al—Си 1150 —19 То же
Fe—Si 1600 —38 »
Al—Y 1600 —50 »
Ni—Si 1600 —59 »
Y—Si 1600 —80 »
28
твердые растворы от А до В. Примером таких систем могут служить
Au—Си, Bi—Sb. Если же в системе при переходе в твердое состоя-
ние образуются два ограниченных твердых раствора с простым эвте-
ктическим или перитектическим превращением, то ЛНтах может иметь
как положительный, так и отрицательный знак, а абсолютное зна-
чение может доходить до нескольких килоджоулей на моль. В табл. 5
к подобным системам относятся Ag—Си и А1—Si. Наконец, если
в системе в твердом состоянии имеются промежуточные фазы, то
теплота образования жидких сплавов всегда отрицательна и может
быть очень большой. В табл. 5 к таким системам относятся Mg—Sn
и все расположенные ниже ее. Рекордной в этом отношении является
система Y—Si, где АНтах достигает величины 80 кДж/моль.
Необходимо помнить, что отрицательный знак теплоты образова-
ния свидетельствует о выделении тепла при сплавлении. Так, при
введении в жидкую медь твердого алюминия или в жидкий никель
твердого кремния в количестве 10—20 % отмечается саморазогрев
расплава, причем температура повышается на 100—200 °C.
Электрическое сопротивление металлов и сплавов приходится
принимать во внимание при плавке в индукционных печах, где теп-
ловая энергия’ выделяется в самом расплаве при прохождении элек-
трического тока. Электрическое сопротивление вещества характери-
зуется удельным электросопротивлением р.
Ниже приведены значения удельного электросопротивления ря-
да металлов мкОм-см:
Твердый металл при 20 °C Твердый металл п₽и 'пл Жидкий металл ПРИ 'пл Твердый металл при 20 °C Твердый металл при /пл Жидки и металл п₽и 'пл
Sn и 23 50 ' Ag 1,6 8 17
Bi 110 500 150 Си 1,7 10 21
Pb 19 50 100 Si 103—10е 102—103 80
Zn 6 17 40 Ni 8 65 85
Sb 40 185 115 Fe 10 130’ 140
Mg 4 15 27 Ti 40 80 175
Al 2,6 11 24 Mo 5 85 .—.
Ge 108 103 70 W 5- 100 130
Электросопротивление твердых металлов с ростом температуры
возрастает. К моменту достижения температуры плавления электро-
сопротивление большинства металлов увеличивается в 2—10 раз
по сравнению со значением при комнатной температуре. Плавление
металла сопровождается существенным увеличением электросо-
противления металлов —примерно в 1,2—2,2 раза. Металлы, у ко-
торых между атомами в решетке частично действуют ковалентные
связи, при плавлении показывают снижение электросопротивления.
Это снижение сравнительно невелико у сурьмы и висмута (в 1,5-
3,5 раза). У германия и кремния, решетка которых целиком удер-
живается ковалентными силами, это снижение очень значительно
(в 15—30 раз). Падение электросопротивления у этих элементов объяс-
няется появлением свободных электронов. Повышение температуры
вызывает у всех жидких металлов возрастание электросопротивления.
‘ 29
Полезно помнить, что электрическое сопротивление металлов в жид-
ком состоянии лежит в пределах 20—150 мкОм-см.
Электросопротивление жидких сплавов находится в сложной за-
висимости от их состава. Имеются случаи, когда оно плавно изме-
няется в пределах, определяемых значениями этого свойства у чис-
тых компонентов. Для технических расчетов электросопротивление
жидких малолегированных сплавов можно принимать изменяющимся
пропорционально объемному содержанию компонентов.
§ 5. О СТРОЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Переход металла в жидкое состояние внешне проявляется в коренном
изменении его поведения: жидкий металл приобретает высокую те-
кучесть и перестает сохрайять свою форму. Однако по большинству
других физических свойств, как указывалось выше, изменения не
такие значительные. Теплоемкость, теплопроводность, электро-
проводность, давление пара металлов, находящихся в жидком со-
стоянии, имеют тот же порядок величин, что и металлов, находя-
щихся в твердом состоянии вблизи температуры плавления. Это
говорит о том, что взаимодействие между частицами в жидком ме-
талле определяется теми же силами, что и в твердом. Об этом же
свидетельствует очень небольшое изменение расстояний между ча-
стицами, поскольку, как было показано, изменение объема при плав-
лении составляет несколько процентов.
В жидких металлах с помощью структурных исследований обна-
ружен так называемый ближний порядок в размещении частиц.
Сущность ближнего порядка состоит в том, что ближайшие соседи
у каждого атома размещены не беспорядочно, а занимают определен-
ные позиции. Выяснилось, что у металлов с плотноупакованной кри-
сталлической структурой ближний порядок в жидком состоянии
очень похож на ближний порядок в кристаллической решетке. У та-
ких металлов координационное число, т. е. число ближайших сосе-
дей, у каждого атома при плавлении уменьшается с 12 до 10—11.
То, что плавление не вызывает в металлах полного разрушения
связей между атомами, видно из сравнения теплоты сублимации и
теплоты плавления. Теплота сублимации, необходимая для перевода
металла в газообразное состояние, когда рвутся все связи у каждого
атома (пары металлов одноатомны), в десятки раз превышает теплоту
плавления. После того как было установлено существование опре-
деленной упорядоченности в жидких металлах, было сделано пред-
положение, что жидкий металл можно рассматривать как массу
беспорядочно ориентированных кристаллов, которые назвали сибо-
таксическими группами. Однако такая модель не могла быть полно-
стью приемлема с позиций термодинамики. Кроме того, позже было
выяснено, что в металлической жидкости имеются и другие группи-
ровки, непохожие по своему строению на кристаллы твердого ме-
талла. Исследования, проведенные в последнее время, показали, что
в большинстве жидких металлов имеются группировки с различным
строением, как напоминающим структуру кристаллов, так и отлича-
30
1б1цймся от нее, Группировки Всех Видов назвали кластерами. Кроме
них, в жидком металле, по-видимому, имеются и «бесструктурные»
области. Повышение температуры расплава и удаление от точки кри-
сталлизации во всех случаях вызывают постепенное уменьшение доли
группировок, обладающих какой-либо структурой, и превращение
жидкого металла в бесструктурную жидкость. Очень разноречивы
данные о структуре жидких сплавов. В некоторых сплавах эвтекти-
ческого состава обнаружены два вида группировок, обогащенных
каждым из компонентов.
Следует отметить, что в настоящее время еще не создана общая
теория жидкого состояния металлов, способная с единых позиций
объяснить закономерности изменений свойств и структуры,"вызывае-
мых температурой и легированием. Несмотря на' незавершенность
теоретических представлений о металлических расплавах, ведутся
активные поиски способов различного воздействия на расплав с це-
лью влияния на свойства твердого металла. Имеются сведения,
что, в частности, перегрев некоторых расплавов до определенной
температуры с последующим ускоренным охлаждением способен
вызвать изменения структуры и механических свойств твердых
сплавов.
Глава 3
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ С ГАЗАМИ,
МАТЕРИАЛАМИ ТИГЛЕЙ И ФУТЕРОВКОЙ
ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Газовой средой, в которой осуществляется плавка, может быть обык-
новенный воздух, продукты сгорания органического топлива, содер-
жащие оксиды углерода, пары воды, оксиды серы, несгоревшие угле-
водороды, а также искусственно создаваемая атмосфера различных
газов. Газовой средой при плавке может быть вакуум — среда
с очень малым содержанием газа, характеризуемая так называемым
остаточным давлением, доводимым до 10"1—10-3 Па. В любом слу-
чае в газовой среде над расплавом имеются пары самого металла,
парциальное давление .которых определяется температурой расплава.
Соприкосновение металлического расплава с газовой средой
вызывает различные процессы, направленные в сторону достижения
равновесия между соприкасающимися средами. Результатом этих
процессов чаще всего является загрязнение металлического расплава
различными растворимыми и нерастворимыми примесями. Однако
возможны и обратные случаи, когда металлический расплав очища-
ется от загрязнений вследствие перехода их в газовую среду.
Содержание газов в металлах принято выражать в процентах по
массе, атомных процентах или долях, а также объемом газа в 1 см3,
'приходящимся на 100*г металла. В последнем случае весь содержа-
щийся в металле газ считают выделенным в свободном состоянии и
приведенным к нормальным условиям (температура 20 °C и давление
1,01-К)6 Па).
31
Взаимодействие ЖиДкиХ металлов с материалами, которые исполь-
зуют для футеровки плавильных печей и разливочных ковшей, а
также для изготовления тиглей и кристаллизаторов, многообразно
и сложно. Материал плавильной емкости должен прежде всего вы-
держивать механические нагрузки при соответствующих темпера-
турах. Это механическое взаимодействие усугубляется сложными
физико-химичес'кими явлениями между расплавом и соприкасаю-
щимся с ним твердым материалом. При этом возможны процессы
восстановления-окисления, взаимного растворения, не исключено
также пропитывание футеровки печи расплавом.
§ 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ С ГАЗАМИ
Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с га-
зовой средой и развиваются процессы, направленные к достижению
равновесия в системе, то возможны следующие три типа изменения
в составе и состоянии расплава:
1. Газовая среда инертна по отношению к жидкому металлу, по-
этому ни растворения газа в расплаве, ни образования каких-либо
соединений не происходит. Отсутствие растворения газа оценива-
ется с практической точки зрения. Сюда относятся случаи с доста-
точно малой растворимостью, не имеющей значения для процесса
плавки металлов. Отсутствие взаимодействия можно наблюдать
между любым металлом и любым инертным газом нулевой группы
периодической системы Д. И. Менделеева, а также в системах Си—N,
Ag—N, Sn—N.
2. При взаимодействии жидкого металла с газом отмечается зна-
чительная растворимость газа в расплаве. Здесь также имеется в виду
практически значимая растворимость, которая ощутимо влияет на
качество сплава и определяет технологию плавки. В системах, где
происходит подобное взаимодействие, в конечном итоге будут суще-
ствовать насыщенный, газом жидкий раствор и газовая фаза. Воз-
можно также, что по достижении предельной концентрации газа
в жидком растворе начнется образование химического соединения
между газом и металлом. Для процесса плавки определяющим об-
стоятельством является именно образование раствора газа в жидком
металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих систе-
мах металл—водород.
3. Взаимодействие жидкого металла с газом выражается в обра-
зовании устойчивых химических соединений металл—газ. Раствори-
мость газа в жидком металле в этих случаях настолько мала, что
не имеет практического значения. Подобного рода взаимодействие
наблюдается во многих системах металл—кислород (А1—О2, Mg—О2
и др.).
Тип взаимодействия жидкого металла с газом определяется при-
родой металла и газа, температурой и давлением газа над расплавом.
Для двойной системы металл—газ характер взаимодействия и об-
32
разуЮщиеСя фазы моэйно дойольно лейко установить По соответству-
ющим диаграммам состояния.
Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из
нескольких ступеней. Поступление молекул газа к поверхности
жидкого металла обеспечивается посредством молекулярной диф-
фузии и конвективного массопереноса в нем. При давлении, состав-
ляющем 104 Па и более, массоперенос в газах осуществляется в ос-
новном конвекцией.
Следующая ступень заключается в переходе молекул газа на по-
верхность расплава. Этот процесс называется адсорбцией. При вы-
соких температурах основная роль принадлежит активированной
адсорбции или хемосорбции, которая выражается не только в оса-
ждении молекул газа на поверхности расплава, но и в частичной их
диссоциации на атомы. Об этом свидетельствует большая величина
теплоты хемосорбции, близкая к теплоте диссоциации двухатомных
газов.
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 по-
верхности расплава начинает нарастать слой этого соединения.
Скорость взаимодействия определяется, кроме прочих обстоятельств,
сплошностью этого слоя, которую можно оценить, сравнивая объемы
образующегося соединения и расходуемого металла с учетом стехио-
метрии соединения и плотностей металла и соединения.
Если объем возникающего соединения значительно меньше объема
расходуемого металла, слой соединения неизбежно должен иметь
надрывы и трещины, куда свободно проникает газ. В этих случаях
взаимодействие проходит с неизменной скоростью. Если же указанные
объемы близки друг к другу, то газ должен диффундировать через
слой соединения. Поскольку толщина слоя непрерывно увеличива-
ется, скорость взаимодействия будет уменьшаться. Так происходит,
например, взаимодействие жидкого алюминия с кислородом, при-
водящее к образованию пленки оксида алюминия на поверхности
расплава.
При экзотермическом процессе образования соединения металл—
газ может происходить местное повышение температуры, приводящее
к возгоранию расплава. Это наблюдается, например, при перегреве
жидкого магния и его сплавов на воздухе выше 700 °C, а также при
перегреве цинка выше 600 °C.
Если расплав способен растворять газ, то адсорбированные атомы га-
за диффундируют в глубь расплава. В металлических расплавах га-
зы могут растворяться лишь в атомарном состоянии. Процесс раст-
ворения газа в приповерхностном слое целиком определяется диф-
фузией. В глубине расплава распространение атомов газов осущест-
вляется главным образом конвективным массопереносом. Нередко
вследствие ограниченности массопереноса в жидкой фазе на поверх-
ности расплава возникает слой соединения, хотя во всей массе рас-
плава предельная концентрация газа в растворе еще не достигнута.
2 Заказ 235
33
Равновесная растворимость [Г] двухатомного газа в металле
в общем случае описывается зависимостью
1Л = /рКАехр(-------(1)
где ргг — давление газа над расплавом; Ао — постоянный множи-
тель; АН — теплота растворения газа, отнесенная к 1 молю раство-
ренного газа; . R — газовая постоянная; Т — температура, К.
Логарифмирование формулы (1) дает следующее выражение:
1g [Г] = 1/21g рг,-ф Л — В/Т. (2)
При постоянной температуре зависимость (1) переходит в закон
квадратного корня (закон Сивертса): [Г] = k Крл , из которого
с очевидностью следует, что растворы газов в металлах одноатомны
(k — постоянный множитель).
Во многих системах металл—газ растворение газа проходит
с поглощением тепла. Следовательно, величина ДН > 0, и поэтому
увеличение температуры вызывает рост растворимости газа. Имеется
также большое число металлов, в которых растворение газа сопро-
вождается выделением тепла (ДН < 0). В таких металлах повышение
температуры сопровождается снижением растворимости газа в рас-
плаве.
Изменение растворимости газов в металлах в зависимости от
температуры и давления следует равновесным значениям лишь при
достаточно медленных изменениях внешних условий. Если же эти
изменения происходят быстро, растворимость начинает отставать от
значений, определяемых приведенными формулами, из-за того, что
некоторые из ступеней общего процесса растворения не обеспечива-
ют передачу нужного количества газа. Обычно таким узким местом
является диффузия. В итоге получаются завышенные или занижен-
ные значения содержания растворенного в металле газа.
Особенно осложняются явления при уменьшении температуры и
давлении газа над расплавом, если при этом должна снижаться ра-
створимость газа. В большинстве случаев газ, выделяющийся из
раствора, не успевает проходить через свободную поверхность рас-
плава. Усиливающееся перенасыщение расплава приводит к возник-
вению внутри него пузырьков газа. Гомогенное зарождение газовых
пузырьков в расплаве, по-видимому, невозможно. Они могут возник-
нуть лишь на готовых зародышах, представляющих собой поры
и трещины в нерастворимых в расплаве частицах примесей. Подоб-
ные несплошности заполнены инертными для данного металла га-
зами. Именно в эти готовые полости устремляются атомы выделяю-
щихся из раствора газов, и здесь начинает расти газовый пузырек.
Особенность существования газового пузырька в расплаве со-
стоит в том, что давление в нем рп определяется зависимостью ра =
= Рвн + Pgh + 2о/г, где рвн — внешнее давление над расплавом;
pgh — металлостатическое давление, зависящее от плотно’сти рас-
плава р; ускорения силы тяжести g; расстояния от зеркала металла
34
(глубины) h; 2olr — капиллярное давление, зависящее от межфаз-
ной энергии а на грайице расплав—газ и радиуса пузырька г.
При понижении температуры со скоростью более нескольких гра-
дусов в секунду наблюдается неполное выделение газа из раствора
в металле. Газ может почти полностью остаться в растворе в случае
еще больших скоростей охлаждения. Иначе говоря, происходит
закалка раствора газа сначала в жидком металле, а'затем и в твердом.
Этим явлением широко пользуются при отборе проб расплава для
определения содержания газов.
Газы, оставшиеся в пересыщенном растворе в твердом металле,
нельзя считать безвредными. Они могут влиять на прочностные свой-
ства, снижать показатели пластичности металла, изменять коррози-
онные свойства. Происходящий постепенный распад раствора при-
водит к выделению свободного газа, который скапливается на гра-
ницах зерен, в микротрещинах, около неметаллических включений,
образуя поры. Подогрев ускоряет распад раствора и усиливает опас-
ность разрушения металла. Такие виды брака, как расслоения в де-
формируемых цветных сплавах, объясняются именно выделением
газов из раствора.
§ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ С ВОДОРОДОМ,
КИСЛОРОДОМ И АЗОТОМ
Водород составляет обычно основную долю газов, обнаруживаемых
в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода,
попадающего в металлы при плавке, влага. Влага появляется
в результате сгорания углеводородов природного газа и нефти, она
адсорбирована на поверхности металлических материалов, подле-
жащих плавке, содержится в шлаках, флюсах, в свежей футеровке
печей и ковшей. Влага также адсорбирована на поверхности плави-
льно-литейного инструмента. При соприкосновении металлического
расплава с влагой происходит окисление металла и, соответственно,
восстановление водорода. Водород находится в атомарном состоянии
и поэтому легко переходит в раствор. Поскольку по ходу плавки вся
или почти вся влага, содержащаяся в исходных материалах, испа-
ряется, то в конце плавки расплав оказывается в пересыщенном со-
стоянии по отношению к атмосфере воздуха.
Другим источником водорода при плавке являются углеводороды,
содержащиеся в газообразном и жидком топливе. Простейший из
них — метан — заметно диссоциирует выше 500 °C с выделением
атомарного водорода.
Для некоторых жидких металлов в общем уравнении раствори-
мости газов (2) применительно к водороду (при этом растворимость
водорода [Н] выражена в см3/100 г, давление в паскалях) коэффи-
циенты А и В имеют следующие значения:
Al Си Ni Fe Ti
А 0,296 —0,101 —0,2 —0,183 • —0,69
В 2760 2270 1176 1160 —2460
2*
35
г:
Приведенные данные действуют начиная с точки плавления ме-
талла и до температуры, которая выше ее на 300—400. К- Раствори-
мость водорода в ряде металлов характеризуется следующими ве-
личинами при /?н2 = Ю5 Па, см3/100
Mg Al Си Ni Fe п
Жидкий металл:
при /пг1 + 100 °C ... . . . . 40 1 7 45 30 1200
» inti . . 30 0,7 5 ’ 40 24 1000
Твердый металл при /,,л ... . . . . 20 0,05 3 20 12 5000 *х
п *а . : . . . . 0,5 13 0,67 1 1 —
потенциального пересыщения
при кри-
*1 При 1000 °C; *2 п — коэффициент
сталлизации; п = {([Н]лге}к - [Н]ме1В)/[Н]метв}<пл.
Из приведенных данных видно, что потенциальное пересыщение
при кристаллизации наиболее велико у алюминия. Следовательно,
для алюминия наиболее вероятно поражение газовой пористостью
водородного происхождения, несмотря на то что он обладает наимень-
шей абсолютной растворимостью водорода в жидком состоянии.
Многие легкоплавкие металлы в жидком состоянии поглощают
такие малые количества водорода, что этот газ для них может счи-
таться практически нейтральным. В приведенном ниже ряду взаимо-
отношение с водородом отражено знаками «+» и «—». Знак «+»
означает, что данный металл в жидком состоянии растворяет водород
в практически значимых количествах. Знак «—» свидетельствует
о том, что растворимостью водорода в данном металле можно прене-
бречь: Hg Sn Bi Cd Pb Zn Mg Al Ag Cu Mn Ni Fe Ji V. Ti
Как видно, легкоплавкие металлы от ртути до цинка практиче-
ски не растворяют водород. Следовательно, атмосфера этого газа
для них при плавке безвредна с точки зрения насыщения им. Все
остальные металлы, начиная с магния, растворяют водород, который
при их плавке может насытить расплав и вызвать затем нежелатель-
ные последствия.
Металлы, способные растворять водород и отмеченные в приве-
денном ряду знаком «+», отличаются по знаку теплоты растворения
газа в металле. Более легкоплавкие из них (от магния до железа
включительно) взаимодействуют с водородом с поглощением тепла,
поэтому знак теплоты растворения у них положителен и с увеличе-
нием температуры расплава растворимость в нем водорода возрастает.
Более тугоплавкие металлы в приведенном ряду — титан и ва-
надий — взаимодействуют с водородом с выделением тепла. Так же
ведут себя все тугоплавкие металлы 4-й и 5-й группы периодической
системы Д. И. Менделеева, все 14 редкоземельных металлов, скандий,
иттрий, лантан, а также палладий. Поскольку знак теплоты раство-
рения водорода отрицателен, повышение температуры сопровожда-
ется падением растворимости водорода в этих металлах как в твердом,
так и в жидком состояниях. В тугоплавких металлах 6-й группы —
молибдене и вольфраме — водород растворяется в очень малых
количествах.
36
Отмеченное различие в температурной зависимости растворимости
водорода имеет очень большое значение. В металлах от магния до
железа, растворимость у которых уменьшается с понижением тем-
пературы, охлаждение и кристаллизация расплава могут вызывать
появление газовых пузырей и газовой пористости в отливках. В ме-
таллах, у которых растворимость водорода с уменьшением температу-
ры возрастает, охлаждение не вызывает выделение водорода, водо-
родная газовая пористость в отливках не образуется.
Относительно взаимодействия жидкого сплава с водородом в пер-
вом приближении можно считать, что растворимость водорода в спла-
ве будет величиной аддитивной. Поэтому введение в сплав компо-
нентов с повышенной способностью растворять водород должно вы-
звать возрастание растворимости водорода. Действительно, сплавы
алюминия с магнием и сплавы меди с никелем показывают большую
растворимость водорода, чем чистые алюминий или медь. Цинк вы-
зывает 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 взаимо-
действует. Конечным продуктом взаимодействия являются оксиды.
Это объясняется тем, что равновесное давление кислорода над ок-
сидами составляет величину, значительно меньшую 2-104Па—
парциального давления кислорода в атмосфере воздуха
(табл. 6).
Хотя с повышением температуры равновесное давление кислорода
над оксидами возрастает, однако при температурах плавления чистых
металлов эта величина остается очень малой. Так, для оксида меди
Си2О при 1200 °C равновесное давление кислорода равно всего 10 Па,
а для оксидов других металлов оно на много порядков меньше. Ис-
ключение составляет оксид серебра Ag2O, у которого при 600 °C
равновесное давление кислорода равно 106 Па.
В табл. 7 приведены значения ДЯ и AS свободных оксидов не-
которых металлов. У всех металлов теплота образования ДЯ окси-
дов отрицательна, т. е. реакция окисления экзотермична. Во многих
металлах образованию свободных оксидов предшествует растворение
кислорода в жидком металле. В табл. 7 приведены также величины
ДЯ и Д5 этого процесса.
Таблица 6. Равновесное давление кислорода над оксидами некоторых металлов
при повышенных температурах, Па
t, °C РЬО ZnO MgO A12O3 Ag2O Cu2O NiO FeO
600 Ю-м 10-28 <10~26 <10-26 10е IO’6 10-18 10-20
-- 800 10“8 10-IS <io-26 <10-26 10s 10-4 10-12 10-M
1000 io-4 10"18 <10-26 <10-26 IO10 . 10-1 10-’ 10-10
1200 10’1 IO-6 10-26 10-24 >101° 10 - 10~4 10-7
1400 10 IO"8 10- 28 lO-is >1'O10 108 10 10-8
1600 103 1 10-17 10-16 >1010 104 108 10-8
37
Таблица 7. Термодинамические данные об образовании свободных оксидов
и растворов кислорода в жидких металлах в стандартном состоянии
при pOi = 105 Па (ДО° = ДЯ + A.ST)
Свободный оксид Раствор кислорода
в жидком металле
£
Элемент» о
оксид т, к АН. кДж/моль о, л R О а т, К дн. кДж/моль 10] (моль (
Э со кг сокг
< « < к
Ag; Ag2O 298—500 —62 0,132 1250—1500 —15 0,044
Al; A12OS 900—2300 —1126 0,217 —. — —.
Ограф’ 298—2000 —230 —0,172 — — —-
Сграф; ^^2 298—2000 —397 +0,085 —. — —
Ca; CaO 1120—1760 —1285 0,221 -— —
Cu; Cu2O 1350—1500 —405 0,184 1350—1450 —73 0,009
Fe; FeO 1800—3000 —480 0,992 1890—2000 — 117 0,025
H; H2O 400—3000 —502 0,114 •— — —
Mg; MgO 950—1350 —1220 0,233 — — —
Mo; MoO2 2900—3000 —579 0,154 •— •—. —
Ni; NiO 1750—2250 —508 0,191 1800—1950 —149 0,050
P: P2O6 1000—2000 —633 0,195 •— — ——
Pb; PbO 600—1150 —438 0,197 600—850 — 123 0,057
S; SO2 800—3000 —357 0,073 — — —
Si; SiO2 1700—2000 —950 0,199 — — -—
Sn; SnO2 550—1900 —582 0,205 800—1300 —181 0,066
Ti; TiO2 1950—2150 —953 0,183 — — —.
Zn; ZnO 700—1200 —705 0,211 — — —
Для плавки металлов важны возможность образования не только
свободного оксида, но и растворов кислорода в расплаве. Если
расположить металлы по возрастанию температуры плавления,
то окажется, что легкоплавкие металлы от олова до алюминия не
растворяют кислород (знак «—»), а серебро и более тугоплавкие ме-
таллы этот газ растворяют (знак «+»):
Sn Bi Cd Pb Zn Mg Al Ag Cu Ni Fe Ti V Mo.
: --------------------+++++++
Нужно отметить, что в жидких олове, висмуте, свинце при тем-
пературах более 700—800 °C наблюдается небольшая растворимость
кислорода, но для плавки этих металлов она значения не имеет,
Способность серебра и других металлов, отмеченных в приве-
денном ряду знаком «+», хорошо видна на диаграммах состояния
металл—кислород, где имеются обширные области жидких растворов
кислорода в металле (рис. 4—6).
Особенность поведения металлических расплавов чистых метал-
лов, содержащих растворенный кислород, состоит в том, что при их
охлаждении и кристаллизации, этот газ никогда не выделяется из
38
Рис. 5. Диаграмма состояния системы
Си—О8
Рис. 4. Диаграмма состояния системы
Ag—О8
раствора в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый
раствор (например, в системе Ti—О), либо в твердые соединения —
оксиды, появляющиеся в результате эвтектического превращения
(в системах Си—О, Ni—О). Это значит, что кислород в подобных
металлах не вызывает появления газовой пористости. Исключение
составляет серебро, оксид которого
устойчив лишь до 190 °C. Поэтому
при кристаллизации серебра, содер-
жащего растворенный кислород, этот
газ выделяется в свободном виде при
940 °C по так называемой газоэвтек-
тической реакции: жидкрсть ->кри-
сталлы + газ. В результате в литом
металле образуется газовая пори-
стость кислородного происхождения.
Взаимодействие жидких сплавов
с кислородом проходит более сложно
и приводит к различным результа-
там в зависимости от основы сплава
и легирующих компонентов. Сплавы
на основе легкоплавких металлов
при любых легирующих компонентах
ведут себя с кислородом подобно чис-
тым металлам-основе, т. е. при сопри-
Рис 6. Диаграмма состояния системы Т1 — О2
39
косновении таких расплавов стазовой средой, содержащей кислород,
на поверхности расплавов возникает пленка нерастворимых оксидов.
Состав этой пленки определяется условием наименьшего значения AG
реакций образования свободных оксидов, их соединений или раство-
ров между собой и содержанием компонентов в сплаве.
Жидйие сплавы из таких металлов, как серебро, медь, никель,
при взаимодействии с кислородом растворяют этот газ в количествах,
промежуточных в сравнении с чистыми металлами. При избытке
кислорода появляется свободный жидкий или твердый оксид менее
благородного металла из числа содержащихся в сплаве. Кристалли-
зация этих сплавов, содержащих растворенный кислород, не сопро-
вождается выделением газа в свободном виде. Кислород из жидкого
раствора переходит в оксидную фазу по эвтектической реакции.
Для оценки взаимодействия жидких сплавов с кислородом необ-
ходимо учитывать изменение активности кислорода в растворе через
параметры взаимодействия. Поскольку этих данных для сплавов
цветных металлов очень немного, можно ограничиться следующим.
Сплавы на основе серебра и меди с металлами, обладающими боль-
шим сродством к кислороду (оловом, цинком, алюминием, кремнием),
при взаимодействии с кислородом почти неспособны растворять его.
Поэтому подобные расплавы очень быстро насыщаются кислородом
и затем покрываются пленкой нерастворимых оксидов, которые со-
стоят из соединений более активного по отношению к этому газу
металла. В результате расплав загрязняется неметаллическими
включениями оксидного характера.
Несколько отличается от описанного поведение сплавов на ос-
нове никеля. В жидких сплавах никеля с небольшими добавками
марганца и кремния кислород способен растворяться в несколько
больших количествах. Между содержанием легирующих компонентов
и содержанием кислорода наблюдается обратная пропорциональ-
ность. При охлаждении такого жидкого раствора-расплава из него
выделяется самостоятельная оксидная фаза до начала кристаллиза-
ции, образуя неметаллические включения. Строго говоря, подобным
же образом ведут себя все сплавы на основе серебра, меди, никеля
с добавками более активных к кислороду металлов. Однако количе-
ство растворенного кислорода настолько мало, что им в большинстве
случаев можно пренебречь. Сплавы никеля с углеродом взаимодей-
ствуют с кислородом с образованием газа — оксида углерода. Сле-
довательно, в рассматриваемых сплавах не происходит загрязнения
расплава неметаллическими включениями, но при охлаждении и
кристаллизации сплавов никеля, содержащих до 0,5 % С, возможно
выделение оксида углерода, -вызывающего образование пор и пу-
зырей .
Сплавы на основе тугоплавких металлов 4-й и 6-й групп периоди-
ческой системы Д. И. Менделеева в жидком состоянии взаимодейст-
вуют с кислородом подобно чистым металлам-основам.
Со свободным молекулярным азотом жидкие металлы взаимодейст-
вуют с малой интенсивностью. Это объясняется очень незначитель-
ной величиной константы диссоциации молекулярного азота. Взаи-
40
модействие сильно ускоряется при наличии в атмосфере атомарного
азота, появляющегося вследствие различных реакций. Атомарный
азот либо растворяется в расплаве, либо образует свободные нитриды.
Взаимодействие жидких металлов с азотом отражено в приведен-
ном ниже ряду, где металлы расположены по возрастанию темпера-
туры плавления. Практическое отсутствие растворимости газа в рас-
плаве отмечено знаком «—», а возможность растворения в заметных
количествах — знаком «+»: Sn Pb Zn Mg Al Ag Cu Mn Ni Fe
— — — _|_
Ti V Cr Mo.
+ + + +
Как видно, в легкоплавких металлах от олова до меду включи-
тельно азот не растворяется. Для них этот газ может считаться
нейтральным. Некоторая особенность во взаимодействии с азотом
имеется у магния и алюминия. Эти металлы способны реагировать
с азотом с образованием нерастворимых в расплаве твердых нитри-
дов Mg3N2 и A1N. В более тугоплавких металлах, начиная с мар-
ганца, азот растворяется.
Растворимость азота в жидком никеле описывается уравнением
lg [N] % (ат.) = 1/2 1g pN2 — 3,51 — 2340/7 (давление в Па). Для
растворения азота в жидком никеле величина AG° = 44,83 +
+ 0,0577 кДж/моль [NJ. Зависимости справедливы при темпера-
туре 1730—2000 К- Поскольку теплота растворения азота в жидком
никеле положительна (Д7/ = 44,83 кДж/моль [N]), повышение тем-
пературы вызывает увеличение растворимости азота. Так, при р ~
= 10® Па и 1460 °C в жидком металле она составляет 1,6 см3/100 г,
а при 1600 °C 2,4 см3/100 г. При кристаллизации никеля раствори-
мость снижается до 0,5 см3/100 г.Понятно, что по этим причинам
в литом никеле возможна пористость, вызванная азотом. Все туго-
плавкие металлы 4-й и 5-й групп периодической системы Д. И. Мен-
делеева растворяют азот с выделением тепла. При этом расплавы
способны растворять очень большие количества азота, что хорошо
видно на диаграмме состояния (рис. 7, а). Также взаимодействует
с азотом хром (рис. 7, б). При кристаллизации расплавов всех этих
металлов азот не должен выделяться в свободном виде. Он будет либо
полностью переходить в твердый раствор, либо образовывать пер-
вично кристаллизующиеся или эвтектические нитриды, поэтому
газовая пористость не возникнет.
Все редкоземельные металлы, от церия до лютеция, а также
скандий, иттрий и лантан растворяют азот с выделением тепла и
образуют термически стойкие нитриды, которые совершенно нестойки
в контакте с влагой.
Взаимодействие жидких сплавов с азотом отличается большим
разнообразием по сравнению с поведением чистых металлов. Сплавы
на основе легкоплавких металлов в рассмотренном выше ряду до
алюминия включительно, а также сплавы на основе серебра и меди
при обычных температурах плавки не реагируют с азотом и не раст-
воряют его подобно чистым металлам-основам. Взаимоотношение
с азотом жидких сплавов на основе никеля может быть приблизи-
Рис. 7. Диаграмма состояния систем Ti—N2 (а) и Сг —Ns (б)
тельно оценено как промежуточное между поведением чистой основы
и чистого легирующего компонента. Введение элементов, способных
в большей мере поглощать азот, чем основа, увеличивает раствори-
мость азота в расплаве. Так, добавка хрома заметно увеличивает
равновесное содержание азота в сплавах на основе никеля при оди-
наковых температурах и давлениях. Если легирующий элемент
образует тугоплавкий нитрид, то такой нитрид может появиться
в твердом виде в расплаве.
Сплавы на основе тугоплавких металлов 4—6-й групп периодиче-
ской системы Д. И. Менделеева взаимодействуют с азотом практи-
чески как чистые металлы-основы.
§ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ
СО СЛОЖНЫМИ ГАЗАМИ
В атмосфере плавильных печей и установок могут находиться сле-
дующие сложные газы: пары воды Н2О, оксиды углерода СО и СО2,
сернистый газ SO2, метан СН4.
Во всех случаях взаимодействия сложных газов с жидкими ме-
таллами происходит разрушение молекул газа, сопровождаемое об-
разованием новых соединений, появлением свободных элементов,
входящих в состав сложного газа, возникновением растворов одного
или обоих этих элементов в жидком металле.
В связи с тем, что в состав сложных газов входят углерод и сера,
необходимо учитывать взаимодействие жидких металлов и с этими
элементами. Данные табл. 8 характеризуют взаимодействие жидких
металлов с простыми газами, а также с серой и углеродом. Эти по-
следние два элемента называют газообразующими. В этой таблице
не отражается наличие соединений метадл—раз иди металл—газо-
образующий элемент,
42
Примечания: 1. Металлы в таблице расположены по возрастанию температуры
плавления.
2. Знак «—» указывает на практически незначимую растворимость элемента в жидком
металле. Знаком «-]-» отмечена практически значимая растворимость.
3. Растворимость водорода в жидких металлах 6-й группы (хром, молнбдеи, вольфрам)
весьма незначительна.
4. При температуре выше 700 °C в олове, висмуте и свиице растворимость кислорода
повышается до заметной величины.
5. Растворимость кислорода н азота в жидких молибдене и вольфраме весьма незна-
чительна.
Взаимодействие жидких металлов с парами воды. Как показывают
термодинамические расчеты, почти все металлы при тех температу-
рах, когда они находятся в жидком состоянии при плавке, взаимо-
действуют с парами воды. Из данных табл. 8 можно видеть, что
легкоплавкие металлы до цинка включительно не растворяют в себе
ни кислород, ни водород. Следовательно, эти металлы в жидком со-
стоянии будут окисляться парами воды и покрываться пленкой не-
растворимых оксидов. Освобождающийся водород будет уходить
в атмосферу. Жидкие магний и алюминий будут также покрываться
слоем нерастворимого в металле "оксида, но выделяющийся водород
будет растворяться в расплаве. Таким образом, плавка этих метал-
лов в атмосфере, содержащей водяные пары, будет вызывать не
только загрязнение расплава неметаллическими включениями оксид-
ного характера, но и приводить к насыщению его растворенным во-
дородом. .Для этих двух металлов вследствие их большого сродства
к кислороду реакция с водяными парами практически нацело сдви-
нута в сторону образования оксида металла и водорода.
Все остальные металлы табл. 8 способны растворять и кислород,
и водород. Поэтому при плавке в атмосфере, содержащей водяные
пары, они будут загрязняться и кислородом и водородом.
Взаимодействие жидких металлов с оксидом углерода СО. По-
скольку легкоплавкие металлы, указанные в табл. 8, до алюминия
включительно не растворяют ни кислород, ни углерод, рассматри-
ваемое взаимодействие для них можно описать следующим уравне-
нием: Me + СО УИеО + С. Взаимодействие будет определяться
величинами AG° образования СО и оксидов металлов. Для оксидов
висмута и свинца эта величина при 300—500 °C более отрицательна
(на 50—100 кДж на 1 моль О2), чем для СО. Поэтому эти металлы
43
he должны реагировать с оксидом углерода, который способен вос-
станавливать их оксиды до свободного металла.
Более активные металлы из данной группы (олово, цинк, магний,
алюминий) будут окисляться в атмосфере СО при обычных темпера-
турах плавки, поскольку Дб° их оксидов существенно более отрица-
тельна, чем AG° оксида углерода. Поэтому атмосфера этого газа для
данного металла является окислительной, вызывающей загрязнение
расплава оксидными неметаллическими включениями.
Жидкие медь и серебро способны растворять кислород; но в кон-
такте с СО расплавы обоих металлов вполне устойчивы. Это объяс-
няется тем, что реакция между металлом и оксидом углерода в дан-
ном случае практически не идет, равновесие смещено полностью
влево. Оксид углерода является надежной защитной средой при
плавке этих металлов, позволяющей получать чистые незагрязнен-
ные газовыми примесями расплавы.
Все остальные металлы, указанные в табл. 8, в жидком состоя-
нии растворяют в себе и кислород, и углерод. Поэтому при контакте
чистого металла с СО расплав поглощает определенные количества
этих элементов, в результате чего устанавливается равновесие ме-
жду газовой средой и расплавом. Равновесие определяется тем-
пературой, давлением СО и термодинамическими свойствами раст-
вора кислорода и углерода’в жидком металле. В первом приближении
при заданном давлении СО и постоянной температуре произведение
концентраций [С] [О] в расплаве должно быть постоянным. Дей-
ствительно, для никеля при 1525 °C и давлении СО 10® Па это про-
изведение составляет около 1-10-4- %2.
Для плавки никеля и его сплавов очень важным обстоятельст-
вом является то, что при снижении температуры и особенно при кри-
сталлизации равновесие СО [С] + [О] сдвигается влево. В ре-
зультате выделения СО литой металл может оказаться пораженным
порами и пузырьками, образованными этим газом.
• Сплавы на основе легкоплавких металлов, которые в жидком со-
стоянии 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 — висмутом 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 легирую-
щих 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 мо-
гут резко снизить растворимость кислорода в этих расплавах.
Взаимодействие жидких металлов с СО2. Это взаимодействие в об-
щем виде изображается уравнением Me + СО2 УИеО -ф- СО. Если
рассматривать атмосферу чистого СО2, то такая газовая среда не
вызывает окисление лишь 'таких жидких металлов, обладающих
44
Малым сродством к кислороду, как висмут, свинец, серебро, медь.
Плавку этих металлов можно производить в среде СО2 без каких-
либо нежелательных последствий, расплавы не будут загрязняться
твердыми оксидами (висмут, кадмий, свинец) или растворенным ки-
слородом (серебро, медь).
Для всех остальных металлов чистый СО2 является окислитель-
ным газом. Плавка олова, цинка, магния, алюминия в среде этого
газа вызывает активное окисление расплава, который покрывается
пленкой нерастворимых в расплаве оксидов. Плавка металлов, спо-
собных растворять в себе кислород и углерод, в атмосфере чистого
СО2 приведет к насыщению расплава и кислородом и углеродом.
Если плавка ведется в замкнутом пространстве, где вначале созда-
ется атмосфера только СО2, то по ходу плавки вследствие прошед-
шего взаимодействия с расплавом в атмосфере появится СО, и ко-
нечное равновесие будет определяться давлением обоих оксидов угле-
рода и температурой.
Поведение жидких сплавов в атмосфере СО2 в общем будет по-
добно поведению основных компонентов сплавов с учетом тех уточ-
нений, которые были сделаны относительно поведения сплавов в ат-
мосфере СО.
Взаимодействие жидких металлов с сернистым газом. Для кад-
мия, цинка и магния это взаимодействие может быть изображено
уравнением ЗЛ1е + SO2 ** 2МеО + MtS. Величина Дбэ образования
сульфидов указанных металлов при их температурах плавления со-
ставляет соответственно —150, —200 и —350 кДж на 1 моль суль-
фида. С учетом Лбэ образования оксидов серы и указанных метал-
лов для рассматриваемой реакции AG° составляет в случае кадмия
—500 кДж, цинка —750 кДж и магния —2100 кДж. Следова-
тельно, взаимодействие пойдет весьма энергично и расплав будет
загрязняться включениями оксидов и сульфидов.
Олово, висмут, свинец и алюминий в жидком состоянии раство-
ряют серу, но не растворяют кислород. Для них справедливо рав- ,
новесие 2Ме SO2 2Л4еО 4- (S ]. Для олова и алюминия эта ре-
акция значительно сдвинута вправо, поэтому расплавы будут за-
грязняться включениями оксидов и растворенной серой.
Жидкие серебро, медь, марганец, никель и железо способны ра-
створять кислород и серу. Для них реакция с SO2 может быть за-
писана следующим образом: Me + SO2 ** Me + [Si + [О].
Для серебра и меди вследствие малых теплот растворения серы
и кислорода в сравнении с теплотой образования SO2 рассматривае-
мая реакция эндотермична. Поэтому при понижении температуры
равновесие смещается влево. Это может привести к образованию
в литом металле газовых пузырей. Для никеля данная реакция экзо-
термична и поэтому с понижением температуры равновесие сдвига-
ется вправо, в связи с этим выделение SO2 из расплава невозможно.
Поведение сплавов при плавке в атмосфере, содержащей SO2,
в первом приближении подобно поведению чистых металлов. Необ-
ходимо лишь учитывать влияние легирующих добавок на снижение
растворимости кислорода. Присутствие в расплавах серебра и меди
45
Любых легирующих компонентов подавляет выделение SO2 при оХ"
лаждении и кристаллизации вследствие того, что почти все металлы
обладают большим сродством к сере и кислороду.
Взаимодействие жидких металлов с метаном. Содержание СН4
довольно велико в атмосфере пламенных печей, работающих на ма-
зуте и природном газе. Метан при повышенных температурах дис-
социирует на элементы, что может вызвать насыщение расплава
водородом или водородом и углеродом одновременно. Поскольку
в одной молекуле метана имеются 4 атома водорода, а водород раст-
воряется в атомарном состоянии, растворимость водорода в металлах
будет пропорциональна корню четвертой степени из давления метана.
§ 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ
С МАТЕРИАЛОМ ТИГЛЕЙ И ФУТЕРОВКОЙ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Материалы, v которыми соприкасаются жидкие металлы, находясь
в плавильных печах и тиглях, можно разделить на чисто оксидные,
оксидно-графитовые, чисто графитовые, карборундовые, металли-
ческие.
Взаимодействие с чисто оксидными материалами. Эти материалы
могут состоять из чистых тугоплавких оксидов или из смеси оксидов.
В табл. 9 перечислены огнеупорные материалы, состоящие из сме-
сей оксидов, с указанием их состава и огнеупорности. Это свойство
характеризуется температурой в градусах Цельсия, при которой
наступает полная потеря прочности, атакже.более низкой температу-
рой, при которой напряжение 0,2 МПа вызывает начало деформации.
Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их смесей.
Это видно из приведенных ниже данных:
Si02
/пл, °C . ................. 1730
^размягч, С..................1650
р, г/см3...................... 2,3
MgO ALOS CaO Cr2O3 ZrO2
2800 2050 -2600 2250 2650
2000 2000 1900 1800 2000
3,6 3,9 3,3 5,2 5,6
Недостаточная огнеупорность материала приводит к механиче-
скому разрушению футеровки и загрязнению расплава инородными
Таблица 9. Состав огнеупорных оксидных материалов, %
Материал SiO2 MgO А12Од ZrO2 Сг2Оя СаО Огнеупор- ность, °C *
Динас >95 1 1 1600/1700
Шамот 72—60 —- 28—40 —. -—. 1300/1600
Высокоглиноземистые 20—55 —. 80—45 — — —. 1500/1900
огнеупоры Магнезит 90 10 1550/1800
Хромомагнезит <10 45—50 <5 —' 30—35 <^5 1500/1900
Корунд 1 1 >95 — —- 1 1700/1900
Циркон 32 — — 65 — <5 1700/1900
В числителе — начало деформации, в
знаменателе — потеря прочности.
46
частицами неметаллических включений, которые в данном случае
называют экзогенными, подчеркивая их внешнее по отношению
к расплаву происхождение.
Наиболее опасным является взаимодействие металлических рас-
плавов с оксидными огнеупорными материалами по реакции Me 4-
4- УИеО 4- I/?]- Восстановленный элемент растворяется в ме-
таллическом расплаве и загрязняет его. Образующийся оксид ме-
талла может растворяться в расплаве, оставаться в свободном виде
или же образовывать сплав с огнеупорным оксидом. В результате
такого взаимодействия разрушается футеровка и загрязняется рас-
плав. Подобное взаимодействие имеет место при попытке плавить
магниевые сплавы на оксидной футеровке, содержащей оксид крем-
ния SiO2. Именно по этой причине магниевые сплавы никогда не
плавят в условиях, при которых расплав может соприкасаться с SiO2.
-Такое же взаимодействие происходит при плавке алюминиевых спла-
вов на шамотной футеровке, но реакция между алюминием и кремне-
земом футеровки идет довольно медленно.
Проблема прямой окислительно-восстановительной реакции ме-
жду расплавленным металлом и огнеупорной футеровкой становится
практически неразрешимой в случае тугоплавких металлов, начиная
с титана. Все тугоплавкие металлы 4—6-й групп периодической си-
стемы Д. И. Менделеева настолько активны по отношению к кисло-
роду, что никакие огнеупорные оксиды не выдерживают воздействия
подобных расплавов. Высокая активность в сочетании с большой ту-
гоплавкостью этих металлов вынуждает обращаться к особому спо-
собу плавки с применением водоохлаждаемых плавильных тиглей,
играющих одновременно роль изложниц-кристаллизаторов. В таких
плавильных установках огнеупорных материалов вообще нет. Рас-
плав контактирует с твердой коркой, нарастающей на металличе-
ской поверхности, охлаждаемой с противоположной стороны водой.
Большую роль во взаимодействии расплавов с огнеупорными ма-
териалами играет явление смачивания. Смачивание обычно пред-
шествует химическому взаимодействию. Чистые металлы при от-
сутствии химического взаимодействия с огнеупорными оксидами сма-
чивают их плохо. Если расплав способен растворять в себе кислород,
смачивание усиливается.
Химическое взаимодействие расплава с футеровкой и смачивание
ее расплавом вызывают так называемую металлизацию футеровки.
Внешне это выражается в том, что прилежащий к расплаву слой фу-
теровки меняет свой цвет; существенно возрастает его физическая
плотность. Происходящее явление можно представить следующим
образом. Если расплав химически нё реагирует с футеровкой, то
металлизация происходит только за счет пропитывания пористой
футеровки расплавом. При условии плохого смачивания футеровки
расплавом краевой угол 6 > 90°. Это значит, что расплав будет за-
текать в пору радиусом г только под избыточным давлением р =
= 2<т cos (180 — 0)/г, где о — поверхностное натяжение расплава.
Это избыточное давление определяется столбом расплава высотой h:
Р = f’gh, где Р — плотность расплава; g — ускорение силы тяжести.
47
Следовательно, расплав может затечь в поры радиусом г
2о cos (180 — Q)/pgh.
Явление существенно меняется, если краевой угол смачивания
0 < 90°. При этом условии мениск в капиллярах из выпуклого ста-
новится вогнутым. Использованное ранее равенство определяет
теперь добавочное давление, возникающее в самой поре и способное
поднять в ней расплав на высоту h. Это значит, что при 0 < 90°
во всех порах футеровки действует сумма давлений, металлостатиче-
ского и капиллярного. Под действием этого суммарного давления
расплав способен заполнить поры любых размеров в слоях футе-
ровки, лежащих не только ниже уровня расплава, но и выше его
на высоту h.
Если между расплавом и оксидной футеровкой возможна химиче-
ская реакция, межфазная энергия снижается до нуля. Это приводит
к соответствующему уменьшению 0 и вызывает самопроизвольное
втягивание расплава в поры.
' Взаимодействие металлического расплава с оксидной футеров-
кой может сопровождаться также такими явлениями, как разъеда-
ние футеровки или образование настылей. Настылью в металлургии
называют участок твердого металла или шлака, самопроизвольно
возникающий в расплаве. В данном случае речь идет о самопроиз-
вольном нарастании твердого конгломерата оксидов на стенках пла-
вильной ванны в металлическом расплаве.
г Разъедание оксидной футеровки объясняется появлением жид-
кого сплава оксида металла Л4еО с оксидом футеровки 7?О. Появ-
ление такого жидкого сплава возможно, если в системе Л1еО—
имеется область легкоплавких составов, а плавка ведется при темпера-
турах, превышающих точки плавления этих легкоплавких составов.
Подобное явление можно наблюдать при плавке меди и некоторых
ее сплавов. Особенно легко и интенсивно разъедается шамотная фу-
теровка при плавке бронз с большим содержанием свинца, поскольку
в системе РЬО—SiO2 имеются очень легкоплавкие эвтектики, вплоть
до 715 °C.
Образование оксидных настылей объясняется самоспеканием
частиц оксидов металла, находящихся в расплаве,на отдельных уча-
стках футеровки, где имеется достаточно высокая температура.
Подобные настыли образуются при плавке алюминиевых спла-
вов, а также алюминиевых бронз в индукционных печах.
Чтобы избежать образования настылей или разъедания футеровки,
необходимо подбирать такой материал для плавильной печи, чтобы
температура плавки была значительно ниже не только точек плавле-
ния оксидов огнеупорного материала, но и возможных эвтектических
температур в системах УИеО—/?О.
Взаимодействие с оксидно-графитовыми материалами. Из подоб-
ных материалов в литейном производстве для плавки металлов чаще
всего используют смесь огнеупорной глины — шамота с 30—45 %
графита. Из этой смеси изготавливают так называемые шамотно-
графитовые плавильные тигли и различные блоки и пластины для
футеровки плавильных ванн.
48
При работе подобных материалов на воздухе графит в поверх-
ностном слое довольно быстро выгорает, так что поверхность оста-
ется почти чисто оксидной. Но все же смачивание огнеупорных ма-
териалов, содержащих углерод, металлическими расплавами значи-
тельно меньше, чем чисто оксидных. Основная особенность материа-
лов, содержащих углерод, заключается в возможности растворения
углерода в металлическом расплаве. Шамотно-графитовые тигли
обычно способны работать лишь до 1400 °C, поэтому их используют
для плавки цинка, алюминия, меди и их сплавов, а также сплавов на
основе золота и серебра.
Взаимодействие с графитовыми, карборундовыми, металличес-
кими материалами. Графит сам по себе способен работать до 2500 °C.
Однако на воздухе он очень быстро сгорает, начиная с 600—700 °C,
а в вакууме заметно испаряется выше 2200 °C. Главная особенность
графитных материалов состоит в возможном растворении углерода
в металлических расплавах. Графитовые огнеупоры вполне пригодны
для плавки легкоплавких метеллов, включая медь и ее сплавы, од-
нако начиная с 600 °C для долговременной работы необходимо за-
щищать их от окисления.
Карборундовые материалы состоят на 80 % и более из карбо-
рунда — карбида кремния SiC, остальное — связка из тугоплавких
оксидов. Эти материалы очень огнеупорны (более 1800 °C) и хими-
чески стойки. Они не вступают во взаимодействие и не смачиваются
жидкими металлами от олова до меди включительно, стойки в атмо-
сфере воздуха до 2000 °C.
Из металлических материалов, используемых для изготовления
плавильных емкостей, широко применяют лишь сталь и чугун.
Понятно, что плавильные тигли из этих материалов можно исполь-
зовать лишь для сравнительно легкоплавких металлов. Одновременно
необходимо считаться и с возможностью растворения железа в при-
готовляемом расплаве. Все эти сведения легко можно получить из
диаграмм состояния систем железо — расплавляемый металл.
Как уже говорилось, для плавки тугоплавких металлов исполь-
зуют водоохлаждаемые тигли-кристаллизаторы. Рабочие стенки кри-
сталлизаторов выполняют обычно из меди. Благодаря водяному
охлаждению медная стенка на рабочей поверхности нагревается до
300—400 °C. Поэтому металлический расплав, соприкасаясь с такой
«холодной» стенкой, тотчас затвердевает, образуя так называемый
гарнисаж. Плавка совершается практически без прямого соприкос-
новения расплава с медной рубашкой.
Глава 4
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ
Располагая сведениями о свойствах металлов и их взаимодействии
с газами и огнеупорными материалами, можно создавать научно
обоснованную технологию пдавки. Разработка технологии плавки
для конкретной обстановки включает в себя выбор плавильного
49
Литье по выплавляемым моделям................................... 287
Мероприятия по повышению химической инертности форм ............. 290
Способы заполнения литейных форм ................................ 293
Литье под давлением.............................................. 298
Выбивка, обрубка, очистка и контроль качества отливок............ 297
Глава 12. Производство отливок из сплавов тугоплавких металлов . . . 299
§ 1. Свойства тугоплавких металлов................................... 299
§ 2. Свойства ниобиевых и молибденовых сплавов ...................... 301
§ 3. Особенности плавки тугоплавких сплавов ......................... 302
Глава 13. Производство отливок из сплавов легкоплавких металлов . . . 308
§ 1. Состав и свойства цинковых сплавов ............................ 308
§ 2. Особенности плавки цинковых сплавов............................. 312
§ 3. Состав и свойства оловянных сплавов........................... 315
§ 4. Особенности плавки оловянных сплавов ...... .......... 319
• § 5. Состав и свойства свинцовых сплавов ............................ 319
§ 6. Особенности плавки свинцовых сплавов............................ 323
§ 7. Состав и свойства кадмиевых сплавов............................. 325
§ 8. Особенности технологии производства фасонных отливок из легкоплав-
ких сплавов.......................................................... 326
Глава 14. Производство отливок из сплавов благородных металлов . . . 327
§ 1. Состав и свойства золотых сплавов .............................. 327
§ 2. Состав и свойства серебряных сплавов ........................... 329
§ 3. Состав и свойства платиновых сплавов.......................-. . 331
§ 4. Состав и свойства палладиевых сплавов........................... 332
§ 5. Производство отливок из сплавов благородных металлов ........... 333
Раздел III. ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕ-
ТАЛЛОВ ...............................................................334
Глава 15. Основы производства слитков................................ 334
§ 1. О качестве слитков.............................................. 334
§ 2. Особенности получения слитков различными способами.............. 338
Литье в изложницы................................................ 339
Непрерывное литье слитков....................................... 343
Непрерывное литье заготовок малых сечений........................ 360
Гранульная технология ........................................... 360
Глава 16. Производство слитков из сплавов легких цветных металлов 363
§ 1. Производство слитков из алюминиевых сплавов..................... 363
§ 2. Производство слитков из магниевых сплавов....................... 375
Глава 17. Производство слитков из сплавов тижелых цветных металлов 379
§ 1. Производство слитков из медных и никелевых сплавов.............. 379
§ 2. Производство слитков из цинковых сплавов........................ 389
§ 3. Производство слитков из сплавов благородных металлов............ 390
Глава 18. Производство слитков из титановых сплавов .............. 391
§ 1. Печи для производства слитков................................... 392
§ 2. Технологический процесс изготовления слитков в вакуумных электро-
дуговых печах . . . ;................................................. 397
§ 3. Производство слитков с использованием гарнисажной плавки....... 402
Глава 19. Охрана труда и окружающей среды в производстве отливок из
сплавов цветных металлов............................................. 403
§ 1. Правила безопасной работы при плавке сплавов цветных металлов. . 404
§ 2. Защита от вредных (токсичных) веществ..........................’ 405
§ 3. Правила техники безопасности и охраны окружающей среды в смесе-
приготовительных, формовочных, стержневых и выбивных отделениях
литейных цехов........................................................ 407
Приложения........................................................... 409
Рекомендательный библиографический список , ...................... 412
5
агрегата, вида энергии, выбор материала футеровки печи, опреде-
ление необходимого состава атмосферы в печи при плавке. Создавая
технологию, решают вопрос о способах предотвращения возможного
загрязнения расплава и способах его рафинирования. Рассматри-
вают также необходимость раскисления и модифицирования
сплава.
Очень важным вопросом является правильный выбор шихтовых
материалов, т. е. тех материалов, которые подлежат сплавлению.
При создании технологии предусматривают также уменьшение рас-
хода металлов, вспомогательных материалов, энергии, труда. Эти
вопросы могут быть решены лишь в совершенно конкретной обста-
новке.
Следует иметь в виду, что приведенные выше сведения о свойст-
вах металлов и протекающих процессах относились к условиям
«чистого» эксперимента, когда влияние прочих процессов намеренно
сводилось к минимуму. В реальной обстановке это влияние может
существенно изменить отдельные свойства. Кроме того, в реальной
обстановке расплав как система никогда не находится в равновесии
с окружающей средой, он оказывается либо пересыщенным, либо
недосыщенным. В связи с этим приобретает большое значение кине-
тическая сторона процесса. Количественная оценка кинетики весьма
затруднительна ввиду неопределенности уравнений, описывающих
во времени процессы газонасыщения, дегазации, взаимодействия
с футеровкой и т. п. Поэтому в итоге оказывается, что для правиль-
ного суждения о протекающих при плавке явлениях важны не только
количественные расчеты отдельных процессов, но и возможны более
полный учет и оценка наибольшего числа этих процессов.
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ
Отправными точками при создании технологии плавки металла
или сплава являются его состав, который включает в себя основу,
легирующие компоненты и примеси, и заданный уровень механиче-
ских и других свойств сплава в отливке. Кроме-того, учитывается
количественная потребность в расплаве в единицу времени. Вид
плавильной печи подбирают, исходя- из температуры плавления ос-
новного компонента сплава и химической активности как его, так и
всех легирующих компонентов и наиболее вредных примесей. Одно-
временно решается вопрос о материале футеровки печи.
В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если,взаимо-
действие с воздухом ограничивается образованием на поверхности
нерастворимых в расплаве соединений и возникающая пленка этих
соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие,
то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого вза-
имодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте рас-
плава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства
алюминиевых, цинковых, оловянносвинцовых сплавов. Если же
образующаяся пленка нерастворимых соединений непрочна и не-
способна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия (магний
50
й его сплавы), то принимают специальные меры, используя флюсУ
или защитную атмосферу.
Защита расплава от взаимодействия с газами совершенно необ-
ходима, если газ растворяется в жидком металле. Главным образом
стремятся предотвратить взаимодействие расплава с кислородом.
Это относится к плавке сплавов на основе никеля и медных сплавов,
способных растворять кислород, где расплавы обязательно защи-
щают от взаимодействия с атмосферой печи. Защита расплава до-
стигается прежде всего применением шлаков, флюсов и других за-
щитных покровов. Если подобные меры оказываются недостаточными
или невозможными, прибегают к плавке в атмосфере защитных или
инертных газов. Наконец, используют плавку в вакууме, т. е. при
пониженном до определенного уровня давлении газов. В некоторых
случаях для уменьшения интенсивности взаимодействия расплава
с кислородом в него вводят добавки бериллия (сотые доли процента
в алюминиевомагниевые и магниевые сплавы), кремния и алюминия
(десятые доли процента в латуни).
Несмотря на защиту, металлические расплавы все же загряз-
няются различными примесями выше допустимого предела. Нередко
в шихтовых материалах имеется слишком много примесей. Поэтому
часто при плавке проводят рафинирование расплавов — очистку
от растворимых и нерастворимых примесей, а также раскисление —•
удаление растворенного кислорода.
Многие сплавы находят применение в модифицированном состоя-
нии, когда они приобретают мелкокристаллическое строение и более
высокие механические или технологические свойства. Операция мо-
дифицирования проводится как одна из последних ступеней процесса
плавки непосредственно перед разливкой. При разработке техно-
логии плавки учитывают, что масса полученного жидкого металла
всегда будет несколько меньше массы металлической шихты из-за
потерь металла в шлаке и потерь на угар. Эти потери составляют
в сумме 2—5 %, при этом чем больше масса единичной плавки, тем
меньше потери.
Шлак, всегда появляющийся на поверхности расплава,' пред-
ставляет собою сложную систему из сплавов-растворов и смесей окси-
дов основного компонента сплава, легирующих компонентов и при-
месей. Кроме того, в шлаке обязательно присутствуют оксиды фу-
теровки плавильной печи. Такой естественно возникающий на рас-
плаве первичный шлак может быть полностью жидким, частично жид-
ким (творожистым) и твердым. Кроме оксидов, шлаки всегда содер-
жат некоторое количество свободного металла. В жидких и творо-
жистых шлаках свободный металл находится в виде отдельных ка-
пель-корольков. Если же оксиды, составляющие шлак, находятся
ниже своей точки плавления, то они являются твердыми. При пере-
мешивании расплава и попытках удаления с него шлака происходит
замешивание этих оксидов, часто имеющих вид плен, в расплав.
Таким образом, несмотря на тугоплавкость оксидов, образующийся
и удаляемый шлак имеет жидкую консистенцию, которая обуслов-
лена большим количеством захваченного расплава. В таком шлаке
51
Количество свободного металла составляет около 50 % от всей массы
удаляемого шлака, тогда как в действительно жидких шлаках его
содержание не превышает 10—30 %.
Потери металлов при плавке на угар определяются их испарением
и взаимодействием с футеровкой, выражающемся в ее металлиза-
ции.
Металл, находящийся в шлаке, может быть возвращен в произ-
водство. Наиболее просто это достигается по отношению к свобод-
ному металлу, не связанному в какие-либо соединения. Дробление
и просев шлака позволяют возвратить 70—80 % свободного металла.
Оставшийся шлак представляет собой доброкачественное металлур-
гическое сырье, и его направляют на металлургические предприятия
для выделения наиболее ценных компонентов.
При определении потерь металла при плавке на угар и со шла-
ком нельзя забывать о загрязненности шихтовых материалов ино-
родными неметаллическими примесями и включениями в виде остат-
ков масла, эмульсии, воды, шлака, формовочной и стержневой
смесей. Масса этих примесей при невнимательной работе автомати-
чески засчитывается как масса подвергаемого плавке металла,
и в итоге получается небоснованно завышенная величина потерь
при плавке.
Важной стороной технологии является температурный режим
плавки, порядок загрузки шихтовых материалов и введения отдель-
ных компонентов сплава, последовательность технологических опе-
раций металлургической обработки расплава.
Плавку всегда проводят в предварительно разогретой печи,
температура в которой должна быть на 100—200 °C выше темпера-
туры плавления основного компонента сплава. Желательно, чтобы
все загружаемые в печь материалы были нагреты до 150—200 °C
с тем, чтобы в них не оставалась влага. Первым в плавильную печь
загружают тот шихтовой материал, который составляет наибольшую
долю в навеске. В случае приготовления сплава из чистых металлов
первым всегда загружают основной компонент сплава. Если плавку
ведут с применением шлаков и флюсов, то их обычно засыпают сверху
загружаемой металлической шихты.
Если условия производства позволяют, новую плавку начинают,
оставляя в печи некоторое количество расплава от предыдущей
плавки. Загрузка шихты в жидкую ванну существенно ускоряет
процесс плавки и снижает потери металла. Сначала в жидкую ванну
загружают более тугоплавкую шихту. Периодически добавляют
свежий шлак или флюс и, если необходимо, удаляют старый. Если
по технологии необходимо раскисление расплава (удаление раство-
ренного кислорода),.то его проводят таким образом, чтобы избежать
образования в расплаве трудно удаляемых и вредных неметалли-
ческих включений и обеспечить надежное удаление продуктов рас-
кисления (см. ниже). В последнюю очередь в расплав вводят летучие
и химически активные компоненты сплава, чтобы уменьшить их
потери. Затем проводят рафинирование расплава. Непосредственно
перед разливкой расплав модифицируют.
52
Условий вёёДёний отдельных ЁиДов ШиЯты или компонентой
сплава в жидкую ванну целесообразно определять, сопоставляя
температуру плавления загружаемого материала и его плотность
с температурой плавления и плотностью сплава. Необходимо также
знать хотя бы двойные диаграммы состояния основного компонента
сплава с легирующими компонентами, примесями и модифициру-
ющими добавками.
В подавляющем большинстве случаев все легирующие компоненты
и примеси растворяются в жидкой основе сплава, так что расплав
можно считать раствором. Однако получение и образование такого
раствора осуществляют различными путями. Если очередная твердая
добавка будет иметь температуру начала плавления более высокую,
чем расплав, то возможно лишь обычное растворение твердого тела
в жидком. Для этого необходимо активное- принудительное пере-
мешивание. Указанная тугоплавкая добавка может иметь плотность,
меньшую плотности расплава, и в этом случае она будет плавать
на поверхности, где возможно ее окисление, запутывание в шлак.
Отсюда возникает опасность непопадания в заданный состав сплава.
Если такая «легкая» добавка имеет меньшую температуру плавления,
чем расплав, она переходит в жидкое состояние и поэтому ее даль-
нейшее растворение в расплаве существенно облегчается. В некото-
рых случаях, чтобы избежать окисления и потерь, подобные добавки
вводят в расплав с помощью так называемого колокольчика —
дырчатого стакана, в который закладывают вводимую добавку,
и затем погружают в расплав. Если добавка тяжелее расплава, она
погружается на дно жидкой ванны, поэтому ее окисление мало-
вероятно. Однако трудно проследить за растворением таких добавок,
особенно если они более тугоплавки, чем расплав. Необходимо
достаточно длительное и тщательное перемешивание всей массы
расплава, чтобы обеспечить полное растворение.
Знание диаграмм состояния основа — добавка необходимо для
того, чтобы предвидеть некоторые особенности поведения отдельных
добавок при их введении в расплав. Так, при получении сплава 1
(рис. 8, а) введение добавки В в жидкий металл А будет затруднено
тем, что может образоваться тугоплавкое и поэтому труднораствори-
мое соединение АтВп. В случае, если в системе имеется область
несмешивания жидких фаз (рис. 8, б), расплав нужно держать при
температуре не ниже tlt иначе в нем появятся капли несмешива-
ющейся жидкости ж2. Кроме того, растворение В в А будет про-
ходить с трудом, так как первоначально В будет неизбежно нахо-
диться в виде капель или слоя несмешивающейся с основным рас-
плавом жидкости.
Большие трудности возникают при необходимости введения
в расплав летучей добавки, не обладающей практически значимой
растворимостью ни в твердой, ни в жидкой основе сплава
(рис. 8, в). Как следует из рисунка, у добавки В температура кипения
при атмосферном давлении меньше, чем температура плавления А.
Введение В в А в попытке получить сплав состава 1 приведет к вски-
панию В. В таких случаях приходится прибегать к применению
‘ 53
Рис. 8. Системы, в которых приготовление сплавов иа основе компонента А затруднено из-за
тугоплавкой промежуточной фазы (а), из-за частичной несмешиваемости компонентов
в жидком состоянии (б), из-за полной несмешиваемости компонентов и низкой температуры
кипения второго компонента (в)
автоклавов, где ввод В производят под повышенным давлением,
в результате чего область жидкого состояния В распространяется
до более высоких температур.
Для приготовления сплавов нередко пользуются лигатурами.
Так называют промежуточные сплавы, состоящие обычно из основ-
ного компонента рабочего сплава с одним или несколькими легиру-
ющими компонентами, но в значительно больших содержаниях,
чём в рабочем сплаве. К использованию лигатур приходится при-
бегать в тех случаях, когда введение компонента-добавки в чистом
виде затруднено по различным причинам. Такими причинами могут
быть длительность процесса растворения, потери от окисления,
испарения, шлакообразования.
В виде лигатур целесообразно вводить тугоплавкие добавки.
Как следует из рис. 9, а, чистый В значительно более тугоплавок,
чем А, поэтому получение сплава состава 1 потребовало бы длитель-
ного растворения твердого В в расплаве А. Если же воспользоваться
Рис. 9. Системы, в которых для получения сплавов состава I целесообразно
использовать лигатуры состава 2
54
лигатурой состава 2, то растворение будет проходить более легко
и быстро.
Точно так же в уже рассмотренной системе, приведенной на;
рис. 8, а, где введение В осложнено образованием тугоплавкого
соединения, использование лигатуры состава 2 облегчит и ускорит
процесс плавки.
Лигатуры целесообразно применять и при введении летучих:
компонентов, которые в -чистом виде при температуре расплава
находятся в газообразном состоянии (рис. 9, б). При необходимости
получения сплава 1 нужно использовать не чистый В, а лигатуру
состава 2, которая при температуре /раеПл находится в устойчивом
жидком состоянии. Точно так же' следует прибегнуть к лигатурам
для получения сплава 1 в системе, изображенной на рис. 8, в. В та-
ких случаях приходится использовать лигатуры не на основе А,
а на основе какого-либо другого металла, входящего в состав рабо-
чего сплава и образующего жидкий раствор с летучим В.
Лигатуры используют также при введении химически активных
добавок, которые на воздухе в свободном виде могут взаимодейство-
вать с кислородом и азотом. Лигатуры широко используют и в тех
случаях, когда чистый элемент-добавка слишком дорог или его
вообще не получают, производство же сплавов-лигатур уже освоено,,
они доступны и достаточно дешевы.
Наконец, лигатуры целесообразно применять при необходимости
введения в сплав очень малых добавок. Навеска чистой добавки
может составлять всего несколько сот граммов на несколько сот
килограммов расплава. Надежно ввести такое малое количество
легирующего компонента практически невозможно из-за различ-
ного рода потерь и неравномерности распределения. Использование
лигатуры, которую вводят в значительно большем количестве,
устраняет эти трудности.
Следует отметить, что общим правилом технологии плавки спла-
вов является как можно меньшее время процесса. Это способствует
уменьшению затрат энергии, потерь металла, загрязнения расплава
газами и примесями. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что
для полного растворения всех компонентов и усреднения состава
сплава обязательно следует «проварить» расплав — выдержать его
при наибольшей допустимой температуре в течение 10—15 мин.
§ 2. РАСЧЕТ ШИХТЫ
В качестве шихтовых материалов при плавке используют чистые,
металлы, возвраты и отходы того же состава, что и приготовляемый
сплав, а также отходы других сплавов. Выбор шихтовых материалов
определяется прежде всего возможностью получения из них сплава
заданного состава, а также технико-экономическими данными: нали-
чием материала, его ценой, возможностью переработки в выбранном
плавильном агрегате.
Наиболее низкую цену имеют возвраты и отходы. Однако они,
дак правило, загрязненц примесям.и, поэтому из них составить всю
55
шихту нельзя, так как удаление примесей по ходу плавки далеко
не всегда возможно и целесообразно. Кроме того, в отходах и возвра-
тах часто содержатся неопределяемые примеси, которые ухудшают
свойства металла. В связи с этим долю отходов и возвратов в шихте
часто задают из условия допустимого содержания оговоренных
примесей.
Количество шихтовых материалов определяют путем расчета
шихты. При расчете учитывают ожидаемые потери металла. Для
расчета шихты необходимо иметь возможно более полный химический
анализ всех шихтовых материалов.
Ниже приведен пример обычного аналитического («ручного»)
расчета шихты.
Требуется рассчитать шихту для получения 5000 кг расплава
бронзы БрОЗЦ7С5Н1. По техническим условиям бронза должна
иметь следующее содержание основных легирующих элементов:
Sn 2,5—4,0 %; Zn 6,0—9,5 %; Pb 3,0—6,0 %; Ni 0,5—2,0 %; Cu —
остальное. Примеси, %, не более: Sb 0,5 %; Fe 0,4 %; Si 0,02 %.
Потери при плавке составляют 2,0 % от массы шихты, при этом
потери цинка равны 13 % от содержания его в шихте. Шихта должна
быть составлена на 50 % из возвратов бронзы БрОЗЦ7С5Н1 и на
50 % из отходов бронз БрОЮЦ2, БрО5С25, латуни ЛЦ42, нейзиль-
бера МН15Ц20 и из катодной меди марки М4.
В табл. 10 приведен состав шихтовых материалов. Указаны также
нужные при расчете обозначения каждого из шихтовых матери-
алов — х, у, z, р, q, I. Цель расчета шихты состоит в определении
количества шихтовых материалов, т. е.- в отыскании величин х, у,
г, р, q, I.
Для удобства и наглядности расчет ведем на 100 кг сплава.
Содержание легирующих компонентов задаем по среднему составу
бронзы. Таким образом, в 100 кг сплава должно содержаться олова
3 кг (3 %), свинца 5 кг (5 %), никеля 1 кг (1 %), цинка 8 кг (8 %),
остальное — медь. Считаем, что при плавке средние потери олова,
свинца, никеля и меди составляет 2 %. Содержание цинка из-за
потерь необходимо увеличить: 8-100/[100 — (13 — 2) ] =9,20 кг.
Общее количество шихты для приготовления 100 кг сплава с учетом
Таблица 10. Состав шихты, %, для получения бронзы БрОЗЦ7С5Н1
Шихтовый материал Обозна- чение Легирующие компоненты Примеси
Sn Zn Pb Ni Sb Fe Si
Возвраты БрОЗЦ7С5Н1 X 3,1 7,5 4,0 1,5 0,4 0,3 0,01
Отходы БрОЮЦ2 У 9,5 2,5 — —. 0,2 0,1 0,01
Отходы БрО5С25 Z 5,0 — 26,0 .— 0,2 0,2 0,02
Отходы ЛЦ42 р —- 43,0 — —. 0,1 0,1 0,01
Отходы Л1Н15Ц20 q — 21,0 — 14,0 0,01 0,5 0,15
Медь катодная М4 1 — — — — 0,2 0,1 —
Примечание. Си — остальное, в катодной меди >99,0 Си.
56
2 % потерь равно 166/(160 — 2) — 162,64 кг. Ё соответствий с этим
составляем балансовые уравнения по легирующим элементам и коли-
честву шихты:
1. х-3,1/100 + у-9,5/100 + z-5,0/100 =3,0 (баланс по олову).
2. х-7,5/100 + у-2,5/100 + р-43/100 + </-21/100 = 9,2 (баланс
по цинку).
3. х-4,0/100 + z-26/ЮО =5,0 (баланс по свинцу).
4. х-1,5/100 + q-14/100 =1,0 (баланс по никелю).
5. х = 50 (ограничение по количеству возврата).
6. x + y + z+ p + q + l = 102,04 (баланс по количеству шихты).
Решение этой системы линейных алгебраических уравнений дает:
х — 50,00 кг; у =9,19 кг; г — 11,54 кг; р = 11,38 кг; q = 1,79 кг
и I = 18,14 кг.
Проверяем содержание примесей в шихте. Примесь сурьмы:
0,004 X 50 + 0,002-9,19 + 0,002-11,54 + 0,001-10,38 + 0,0001 X
X 1,79 + 0,002-18,14 =0,29 кг, или 0,29 %, что меньше допусти-
мых 0,5 %. Примесь железа: 0,003-50 + 0,001-9,19 + 0,002-11,54 +
+ 0,001-10,38 + 0,005-1,79 + 0,001-18,14 = 0,22 кг, или 0,22 %,
что меньше допустимых 0,4 %. Примесь кремния: 0,0001-50 +
+ 0,0001-9,19 + 0,0002-11,54 + 0,0001-10,38 + 0,0015-1,79 =
= 0,012 кг, или 0,012 %, что меньше допустимых 0,02 %. Таким
образом, в рассчитанной шихте содержание примесей не превышает
допустимых пределов.
Пересчитаем найденные значения х, у, г, р, q, I для получения
5000 кг расплава. Для этого данные значения умножим
на 50 (5000 : 100). Окончательно имеем следующие количества ших-
товых материалов: возвраты бронзы БрОЗЦ7С5Н1 2500 кг, отходы
БрОЮЦ2 459,5 кг, отходы БрО5С25 577 кг, отходы латуни ЛЦ42
569 кг, отходы нейзильбера МН15Ц20 89,5 кг, катодной меди М4
907 кг. В сумме это составит 5102 кг.
Описанный «ручной» расчет шихты становится очень громоздким
и утомительным, если число шихтовых материалов превышает семь —
восемь. Кроме того, в таком расчете не участвует оценка стоимости
шихтовых материалов. В связи с этим прибегают к расчету шихты
на ЭВМ. Использование ЭВМ позволяет найти оптимальный набор
шихтовых материалов по стоимости. Эта задача обычно решается
методами линейного программирования. Балансовые соотношения
.по расчетным элементам и ограничения по количеству шихтовых
материалов при линейном программировании могут быть заданы как
в виде равенств, так и неравенств. Так, расчетное содержание свинца
для рассмотренного выше примера может быть задано в интервале
3,5 с %РЬ с 5. Тогда баланс по свинцу записывают-в виде двух
неравенств:
х-4,0/100 + z-26/100 « 5;
х*4,0/100 + z-26/ЮО > 3,5.
Аналогично записывают балансовые соотношения по всем леги-
рующим элементам. При этом нижний и верхний пределы по содер-
57
жанию элементов устанавливают, исходя из регламентируемогд
состава сплава с учетом отклонений, обусловленных погрешностью
дозирования шихтовых материалов и колебанием в них содержания
легирующих элементов. Представление балансовых соотношений
в виде неравенств позволяет включить в расчет содержание при-
месей. Так, баланс по сурьме записывают в следующем виде:
' х-0,4/100 + ^-0,2/100 + z-0,2/100 + р-0,1/100 + <? 0,01/100 +
+ /0,2/100 < 0,5.
Ограничения по числу компонентов шихты также задают в виде
равенств или неравенств (например, х = 0,5 или х 0,3 и х <
< 0,5). Баланс по количеству шихты записывают, как в аналитиче-
ском методе, в виде равенства. Кроме того, в число расчетнйх' урав-
нений в методах линейного программирования включают целевую
функцию, которая является математическим выражением общей
стоимости шихты:
Ц = Цхх/100 + Цуу/100 + Дг-г/100 + Др-р/100 +
+ Цд-д/100 Z/; //100=>min,
где Ц — стоимость шихты для выплавки 1 т сплава, руб/т; Цх ...
... — цены компонентов шихты, руб/т; х ... I — масса каждого
шихтового материала, необходимая для выплавки 100 кг сплава.
. Таким образом, расчет оптимального состава шихты заключается
в нахождении минимального значения целевой функции Цт1п при
условиях-ограничениях, которые представляют собой систему балан-
совых соотношений по всем расчетным легирующим компонентам
сплава и примесям, по видам шихтовых материалов (собственные
возвраты, отходы со стороны, свежие и вторичные металлы и сплавы)
и по общему количеству шихты.
Задачу оптимизации состава шихты обычно решают симплексным
методом линейного программирования. Программы решения задач
линейного программирования сейчас входят в набор стандартных
программ, имеющихся в вычислительных центрах. Практически
задача сводится к введению в ЭВМ целевой функции и системы
балансовых соотношений в натуральной форме или в виде матрицы
из коэффициентов целевой функции и балансовых соотношений
и подаче команды на расчет.
§ 3. ЗАЩИТА РАСПЛАВОВ ОТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С АТМОСФЕРОЙ
ПРИ ПЛАВКЕ
Для защиты металлических расплавов от взаимодействия с газами
печного пространства 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, загружаемых на поверхность расплава. Шлаки
и флюсы должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый метал-
58
лический 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. Вместе
с тем шлаки и флюсы должны удаляться с поверхности жидкого
металла или задерживаться при разливке. Лучше всего, если вяз-
кость шлака или флюса удается менять, сохраняя ее небольшой при
плавке и увеличивая при разливке.
Для плавки никеля и малолегированных никелевых сплавов
используют в качестве шлака обычное стекло. Средний состав стекла:
70—80 % SiO2; 5—10 % СаО; 10—15 % Na2O. Температура перехода
стекла, в жидкоподвижное состояние находится в пределах 1100—
1200 °СГ Для плавки сложнолегированных никелевых сплавов при- .
меняют известняк е плавиковым шпатом — горной породой, содер-
жащей 90 % CaF2. Плавиковый шпат вообще широко используют для
разжижения шлаков. Загущение жидких шлаков достигается до-
бавками магнезита.
Шлак для плавки медных сплавов должен быть жидким при
800—850 °C. Основой подобных шлаков является система SiO2—Na2O,
где имеется эвтектика, состоящая из 73 % SiO2 и 27 % Na2O и пла-
вящаяся при 795 °C. 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 защиты от взаимодействия с газовой- средой некоторых алю-
миниевых и всех магниевых сплавов используют сплавы солей,
которые называют флюсами. Флюсы состоят почти исключительно
из хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов с добавками
фторидов тех же металлов. Свойства этих веществ указаны в табл. 11.
Хлориды натрия, калия, магния очень гигроскопичны, поэтому
содержащие их флюсы после пребывания на воздухе могут вызывать
насыщение расплавов водородом. В связи с этим необходимо исполь-
зовать только свежепереплавленный флюс.
Шлак или флюс способен вступать в химическое взаимодействие
с компонентами сплава и изменять его состав. Вероятность этого
взаимодействия определяется величиной AG соответствующей реак-
ции. Так, при плавке медных сплавов, содержащих хром, цирконий,
магний, бор, под шлаком на основе силиката натрия эти элементы
окисляются кремнеземом и переходят в шлак, а восстановленный
кремний растворяется в расплаве и загрязняет его. Магний из алю-
миниевомагниевых сплавов активно удаляется при плавке под
флюсами, содержащими криолит. Это связано с прохождением
реакций:
Mg + 2NaF-r*-MgFa -ф 2Na, AGjoook = — 13 кДж;
3Mg + 2A1F3 3MgFa -ф 2AI, AGJoook = — 639 кДж.
В аргоне часто проводят плавку сложных никелевых и медных
сплавов. Электродуговую плавку хрома осуществляют также в ар-
59
ПРЕДИСЛОВИЕ
В XII пятилетке предусматривается значительное увеличение продукции машино-
строения и металлообработки. Около половины заготовок из чугуна, стали, сплавов
цветных металлов, потребляемых машиностроением, представляют собой фасонные
отливки. Практически все заготовки из сплавов цветных металлов, называемые
слитками и используемые в металлообработке, получают способом литья.
Литейное производство сплавов цветных металлов, складывающееся из произ-,
водства слитков и фасонных отливок, в последние десятилетия очень сильно воз-
росло. Поскольку почти вся масса цветных металлов, за исключением очень неболь-
шой доли, приходящейся на редкие тугоплавкие металлы (менее 0,1 %), перераба-
тывается на слитки и фасонные отливки, общие масштабы потребления цветных
металлов дают представление о развитии этой отрасли литейного производства.
В 1955—1960 гг. в мире (без СССР) производилось около 11—12 млн. т.в год всех
цветных металлов. В 1975—1980 гг. выпуск возрос до 32—33 млн. т в год, т. е. уве-
личился за 20 лет почти в 3 раза. Эти цифры относятся к производству цветных ме-
таллов из природных полезных ископаемых. Кроме этого, в мире ежегодно произво-
дится 8—10 млн. т так называемых вторичных цветных металлов, получаемых при
переработке отходов — стружки, обрези, шлаков, различного промышленного и
бытового лома.
Наиболее сильно возросло производство алюминия — с 3—4 млн. т в год в
1955—1960 гг. до 16—18 млн. т в год в 1977—1980 гг.
Мировое производство фасонных отливок из сплавов цветных металлов (без
СССР) в 1980—1982 гг. составило около 5,5 млн. т в год, или 7 % от общего выпуска
фасонных отливок. Из этого количества 3,5 млн. т (65 %) приходится на отливки из
алюминиевых сплавов, которые в основном получают литьем в кокиль и под давле-
нием (более 80 %). В развитых капиталистических странах производство фасонных
отливок из алюминиевых сплавов в значительной мере определяется развитием авто-
мобилестроения, так как на один легковой автомобиль расходуется в среднем 55—
60 кг алюминиевого литья (1982 г.), а по прогнозу на 1990 г. эта цифра возрастет
до 90—95 кг. .
На долю отливок из медных сплавов приходится примерно 18 %, отливок из
цинковых сплавов (литье под давлением) 15 % от общего выпуска цветного литья. .
MV В СССР общий годовой выпуск фасонного литья составляет 25 млн. т, из которых
на долю отливок из сплавов цветных металлов приходится около 5 %.
Я3|й Литейное производство цветных металлов и сплавов является динамичной от-
раслью, в которой активно воспринимаются и осваиваются достижения научно-
технического прогресса и которая постоянно нуждается в притоке молодых инжене-
ров, обладающих необходимой подготовкой по специальности и глубокими знаниями
общетехнических дисциплин.
Настоящий учебник написан в соответствии с программой курса «Производство
отливок из сплавов цветных металлов». Курс предусмотрен типовым учебным пла-
ном подготовки инженеров по специальности 0404 «Литейное производство черных
и цветных металлов» специализации «Литейное производство цветных металлов и
сплавов».
Курс «Производство отливок из сплавов цветных металлов» читается на VII
семестре. К этому времени студентами уже изучены курсы «Теоретические основы
литейных процессов», «Технологические основы литейного производства», «Металло-
ведение, рентгенография и термическая обработка», «Теплотехника и теплоэнергетика
металлургического производства». В связи с этим при подготовке данного учебника
авторы, базируясь на знаниях учащихся, полученных в перечисленных курсах, из-
лагали лишь особенности технологии производства отливок применительно к раз-
личным сплавам цветных металлов.
При изложении- материала в пределах программы авторы преследовали цель
глубже осветить вопросы металлургического характера, связанные с окислением,
газонасыщением, рафинированием и модифицированием расплавов, поскольку именно
эта сторона подготовки студентов отличает специальность 0404 от специальности 0502
«Машины и технология литейного производства». Вместе с тем в учебнике имеется
специальная глава «Печи для плавки цветных металлов и сплавов», поскольку без
6
Таблица 11. Свойства хлоридов и-фторидов
Соединение p при 20 °C, т/см3 «ПЛ- °c ^кип»- °C АН, кДж/моль С12, F2 AS. кДж/(моль Cl2. F2)- К
А1С18 2,4 180 (возг.) —466 0,112
ВаС12 4,0 960 1830 —861 0,126
С2С16 2,1 187 (возг.) •— •— ‘.
СаС12 2,5 780 1650 —797 0,114
КС1 2,0 770 1400 —872 0,166
KCl-MgCl2 1,7 265 •— —730 —
LiCl 2,1 610 1350 —818 0,116
MgCl2 2,3 710 1420 —641 0,090
MnCl2 3,5 650 1200 467 0,117
NaCl 2,2 800 1450 —814 0,144
NH4C1 1,5 338 (возг.) — •— —
ZnCla 2,9 280 730 —416 0,108
A1F8 3,1 1040 1250 —900 0,070
BaF2 4,7 1350 2250 —1200 0,100
CaF2 3,2 1420 2500 — 1215 0,070
KF 1,6 860 1500 — 1126 0,134
KgAlFg 2,0 985 •— — —
LiF 2,3 850 1670 —3530 0,226
MgF2 3,0 1250 2250 —1103 0,060
NaF 2,6 1000 1700 —1103 0,110
NagAlFg 2,9 1000 •—. —1100 •—.
KaSiFe 3,0 Дисс. — •— —
KaTiFe 2,0 900 •—. •—. —
Na2SiF6 2,7 — — —900 —
Примечание. ДС° = ДН + Д-S- Т кДж/моль С1„ F2 (Т = 500—1500 К).
гоне. Для многих медных сплавов нейтральными газами являются
азот и оксиды углерода, поэтому при плавке меди и латуней при-
меняют генераторный газ, представляющий собою смесь Na, СО
и СО2. Для защиты магниевых сплавов от окисления и загорания
при разливке широко используют сернистый газ, который подают
либо из баллонов, либо получают в результате окисления порошка
серы, подаваемого на струю металла.
Плавку металлов в инертной или защитной атмосфере проводят
под давлением 1-104—1,2-106 Па. Во всех случаях главное внимание
уделяют содержанию примесей в применяемых газах, главным
образом кислорода и влаги.
Слой жидкого шлака или флюса толщиной 5—10 мм на поверх-
ности металлического расплава не только защищает его от взаимо-
действия с газовой средой, но и почти полностью подавляет испаре-
ние расплава.
Шлаки и флюсы, применяемые при плавке, оказывают разруша-
ющее действие на огнеупорную футеровку. Шлаки способны рас-
творять. в себе оксиды футеровки. Флюсы слабо растворяют огне-
упорные оксиды, но смачивают их и поэтому впитываются внутрь
футеровки. Из-за этого она делается более теплопроводной и стано-
вится электропроводной.
60
Кроме жидких шлаков и флюсов, для защиты расплавов от вза-
имодействия, 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 спла-
вами.
Атмосферузащитных и инертных газов применяют в тех случаях,
когда невозможно или нежелательно использовать шлак или флюс,
например при приготовлении сложных» сплавов с химически актив-
ными добавками, содержание которых нужно выдержать в узких
пределах, а также из-за опасности разъедания футеровки и загряз-
нения расплава примесями и шлаковыми включениями.
Состав атмосферы для - плавки выбирают, исходя из характера
взаимодействия металлического расплава с газами. Наиболее надеж-
ной 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 получе-
ния чистых расплавов. Вакуумом называют состояние газа при
низком давлении и характеризуют величиной этого давления, кото-
' рое называют остаточным. Уровень остаточного давления при ва-
куумной плавке выбирают с учетом термодинамических свойств
возможных соединений металл—газ или растворов газов в металле.
Для исключения образования свободного соединения металл—газ
необходимо, чтобы остаточное давление данного газа над расплавом
было меньше, чем равновесное давление диссоциации рассматрива-
емого 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 оста-
точное давление данного газа над расплавом необходимо поддержи-
вать меньшим, чем равновесное давление газа над раствором пре-
дельно допустимой концентрации.
Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов
вследствие испарения. Особенно много осложнений вносит неодина;
ковое испарение компонентов сплава, приводящее к изменению его
состава.
§ 4. РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
В металлических расплавах всегда присутствуют примеси. Это
прежде всего примеси металлов и элементов, находящиеся в рас-
творенном состоянии. Значительную долю составляют примеси га-
зов, также находящиеся в растворе. Наконец, определенное
количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых
инородных частиц. Подобными частицами могут быть оксиды основ-
ного и легирующих компонентов приготовляемого сплава, а также
61
их карбиды и нитриды. К подобным примесям относятся также
частицы шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки.
Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило,
является задачей металлургического передела. Однако в некоторых
случаях подобные процессы приходится проводить и в литейном
производстве. Рафинирование расплавов от растворенных примесей
может быть осуществлено окислением, хлорированием, обработкой
расплава флюсами, вакуумной дистилляцией'.
Рафинирование окислением применимо в тех случаях, когда сплав
способен растворять кислород. Этим методом можно очистить рас-
плав от примесей, имеющий большее сродство к кислороду, чем
основной компонент рафинируемого сплава при условии, если
оксиды примесей не растворяются в расплаве. Данный метод при-
меняют для очистки меди от свинца, мышьяка, висмута и сурьмы
и никеля — от кремния, магния и марганца.
Окисление примесей производят продувкой воздуха через рас-
плавленный металл или подачей воздуха на поверхность расплава.
Иногда для этой цели в расплав вводят окислители (оксиды и соеди-
нения, легко отдающие кислород). При контакте расплава с кисло-
родом прежде всего происходит окисление основного металла,
и расплав насыщается кислородом. После этого растворенные при-
меси, соединяясь с кислородом, образуют соответствующие оксиды,
которые, будучи нерастворимыми в расплаве, постепенно переходят
в шлак. Для наиболее полного удаления примесей необходима высо-
кая концентрация кислорода в расплаве. После проведения окисли-
тельного рафинирования необходимо удалить избыток растворенного
кислорода. Это достигается путем раскисления (см. ниже).
Хлорирование — продувка расплавов газообразным хлором —
применяется для удаления примесей, обладающих большим срод-
ством 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 при-
месь растворяется во флюсе или взаимодействует с ним с образова-
нием летучих или легко шлакующихся соединений, не растворя-
ющихся в основном металле. Примером такого способа рафинирова-
ния служит 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 широко применяют при рафинировании вторичных
алюминиевых сплавов от магния и цинка.
Рафинирование расплавов от нерастворимых примесей очень
чаето производят в процессе приготовления сплавов. Нерастворимые
примеси находятся в расплаве в виде частиц самых разнообразных
размеров — от миллиметров до долей микрометра. Подавляющая
доля нерастворимых в расплавах примесей представлена различными
оксидными соединениями. Встречаются также карбиды, нитриды,
оксикарбиды, карбонитриды. По этой причине частицы нераствори-
62
Мых примесей назыййют неметаллическими включениями. Проблема
неметаллических включений является одной из главнейших в метал-
лургии и литейном производстве, поскольку эти включения реша-
ющим образом влияют на технологические и рабочие свойства ме-
таллов. Как правило, неметаллические включения резко снижают
пластические свойства металла особенно при ударных нагрузках
и низких температурах. Они также способны существенно понизить
коррозионную стойкость металлов.
Принято называть экзогенными те неметаллические включения,
которые попали в расплав извне в результате механического за-
хвата. Экзогенными включениями являются частицы футеровки,
частицы материала литейной формы, захваченные струей расплава
при заливке, частицы шлака, флюса и других инородных материалов,
попавшие в расплав при перемешивании и разливке или занесенные
вместе с шихтой. Другую часть неметаллических включений назы-
вают эндогенными, подчеркивая, что они появились в результате
физико-химических процессов с участием самого расплава. Боль-
шую долю эндогенных неметаллических включений составляют
продукты раскисления расплавов. Наконец, эндогенные включения
могут самостоятельно возникнуть в расплаве, содержащем раствори-
мые примеси*, при его охлаждении и кристаллизации.
Нерастворимые примеси можно удалять отстаиванием, продувкой
газами, вакуумированием, обработкой флюсами и шлаками, филь-
трованием. Все эти способы называют единым термином — рафини-
рованием расплавов.
Отстаивание расплава как способ рафинирования основано на
разности плотностей расплава и материала, составляющего нерас-
творимые частицы. Кинетика этого процесса упрощенно описывается
формулой Стокса. На нерастворимую частицу-включение, имеющую
форму шара радиусом г из материала плотностью рвкл, находящуюся
4
в расплаве с плотностью рр, действуют сила тяжести рг= — лг3рвкл§
и выталкивающая сила F2 =-^~nrspvg. Равнодействующая этих сил
4
Fo = — F2 = -3- лг3 (рвкл — рр) g направлена вниз при рвкл > рр,
в этом случае включение тонет в расплаве.- При рвкл < рр сила
направлена вверх, и включение всплывает. Движущийся со ско-
ростью v шар в жидкости с динамической вязкостью т] испытывает
силу сопротивления Fcouv = 6лт]гу. Шар должен двигаться равно-
мерно и прямолинейно, если Fo = Fconp- Отсюда после преобразова-
ний получаем:
V — — Рвкл ~ Рр г^а
*9 т]
Если принять т] = 1 мПа-с, рвкл =2,5 г/см3, рр =7,0 г/см8
и g = 981 см/с2, то получаются следующие значения скорости всплы-
вания v в зависимости от радиуса г:
Г., мкм......1000 100 50 20 10 1
v, см/с....... 2000 20 5 0,8 0,2 0,002
63
^ти данные необходимо исйользоватЬ для оцёнки реальных Про-
цессов со следующими ограничениями. Во-первых, формула спра-
ведлива лишь для ламинарного потока жидкости. Поэтому для
скоростей более 1 см/с она неприменима. Во-вторых, частицы меньше
1 мкм участвуют уже в броуновском движении и для них вычислен-
ные скорости всплывания теряют смысл. Реальные неметаллические
включения нередко имеют вид плен и конгломератов с развитой
поверхностью. Поэтому действительные скорости всплывания не-
растворимых примесей в несколько раз меньше, чем расчетные. Тем
не менее существуют теоретические положения по очистке расплавов
от нерастворимых примесей. Они заключаются в следующем. Для
удаления подобных частиц необходимо время, исчисляемое десят-
ками минут. Крупные частицы отделяются за несколько минут,
мелкие (менее 5 мкм) практически невозможно отделить отстаива-
нием. Для наиболее полного удаления желательно перевести вклю-
чени я в компактную форму. Очень важно обеспечить возможность
укрупнения частиц нерастворимых примесей. Это может быть до-
стигнуто при умеренных (10—50 см/с) скоростях перемешивания.
Рафинирование расплавов путем продувки газами основано
на флотирующем действии пузырьков газа по отношению к находя-
щимся в расплаве частицам нерастворимых примесей. Пузырьки
вводимого в расплав и нерастворимого в нем газа прилипают к встре-
тившимся 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. Желательно, чтобы расплав
непрерывно перемешивался с небольшой интенсивностью, так как
при этом облегчается вынос пузырьков к поверхности расплава.
Продувка газами позволяет удалять как крупные, так и мелкие
включения радиусом около 1—5 мкм. Для продувки обычно-исполь-
зуют аргон и азот. Применяют также хлор, который добавляют
к аргону или азоту при рафинировании алюминиевых сплавов.
Хлор разрушает оксидную плену, возникающую на внутренней
поверхности газового пузырька, за счет чего улучшается прилипание
пузырьков к частицам примесей.
Вместо газов используют также летучие твердые соединения —
хлориды алюминия и марганца, гексахлорэтан (для рафинирования
алюминиевых сплавов), хлористый цинк (для алюминиевых сплавов,
содержащих цинк), хлористый аммоний (для цинковых и свинцово-
оловянных сплавов).
Гексахлорэтан С2С16, хлористый алюминий А1С13, хлористый
аммоний NH4C1 возгоняются при обработке расплавов без разложе-
ния, так как обладают низкой температурой возгонки (см.
табл. 11). Хлориды марганца и цинка вступают во взаимодействие
с расплавом':
ЗМпС12 + 2А1 2А1С13 + ЗМп, AGwoo к = — 6 кДж;
3ZnCl2 -|- 2А1 —► 2А1С13 -j- 3Zn, AGjooo к = — 138 кДж.
64
Поэтому фактически происходит продувка расплава парами хло-
рида алюминия.
Рафинирование расплава от нерастворимых примесей при ва-
куумировании происходит в результате флотирующего действия
пузырьков газа, выделяющихся из раствора. Вакуумирование осу-
ществляется при остаточном давлении 500—1000 Па.
Рафинирование расплавов обработкой флюсами и шлаками осно-
вано на переходе частиц нерастворимых примесей в шлак или флюс
в результате растворения или смачивания. Для повышения химиче-
ской активности в состав рафинировочных шлаков и флюсов вводят
повышенное количество фтористых солей и оксида натрия (в виде
соды Na2CO3). При использовании этого способа необходимо активное
перемешивание расплава с рафинировочным шлаком или флюсом.
Рафинирующее действие флюса определяется величиной работы адге-
зии включений к флюсу В7в_ф. Чем больше эта величина, тем выше
рафинирующее действие флюса. Работа адгезии зависит от поверх-
ностных свойств металла, флюса и включения: 1^в_ф = ов_м (1 -J-
+ cos 0в_ф), где ов..м — межфазная энергия на границе включе-
ние — металл; 0в_ф — краевой угол смачивания включение —
флюс. Работа адгезии будет тем больше, чем больше ов_м и чем
меньше 0в_ф.
После рафинирования путем обработки расплава шлаком или
флюсом необходимо отстаивание для всплывания капель шлака
или флюса.
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 стекло-
ткани или металлической сетки с размером ячеек 0,2 мм и более.
Работа сетчатых фильтров основана на механическом удержании
частиц, которые по размерам больше ячейки.
Значительно более эффективны и надежны зернистые фильтры,
представляющие собою слой толщиной 100—150 мм из зерен раз-
мером 5—15 мм. Работа зернистого фильтра основана на удержании
тонкодисперсных включений за счет поверхностных явлений. Удер-
жание происходит тем полнее, чем больше работа адгезии включения
к материалу фильтра. Зернистые фильтры изготавливают из шамота,
магнезита, фторида магния и кальция, графита. Еще более дей-
ственными оказываются пористые фильтры, представляющие собой
спеченный керамический материал на основе А12О3 и Сг2О3 с откры-
тыми порами размером в доли миллиметра. Из этого материала
изготавливают специальные фильтрующие блоки.
Течение расплава через зернистые и пористые фильтры описы-
вается законом Дарси: w = Алям/ (ламинарный режим), где w —
расход расплава через единицу площади фильтра; / — гидравличе-
ский уклон, /. = h -ф ///; h — уровень расплава над фильтром; I —
толщина фильтра; Ллам — коэффициент фильтрации, зависящий от
размера и формы каналов и материала фильтра, #лам = 0,1-?-0,7 см/с.
При турбулентном режиме w — kTrpe У~], где /ггурб 3—5 см/с.
3 Заказ 235 65
Рафинирование расплавов от растворенных газов называют также
дегазацией расплавов. Дегазация означает удаление из расплавов
водорода, азота, оксида углерода. Удаление растворенного в метал-
лических расплавах кислорода осуществляется раскислением (см.
§ 5).
Дегазация металлических расплавов может быть осуществлена
«вымораживанием», продувкой нерастворимыми газами, вакууми-
рованием, обработкой флюсами,, различными физическими воздей-
ствиями на расплав.
Дегазация «вымораживанием» основана на уменьшении раствори-
мости газов при понижении температуры. При медленном охлажде-
нии расплава в печи вплоть до частичной кристаллизации растворен-
ные газы могут выделяться через открытую поверхность в атмосферу,
а также в виде пузырей в объеме расплава. Таким образом, значи-
тельная доля растворенных газов будет удалена из металла. После
этого металл вновь нагревают с максимально возможной скоростью.
Данный способ, хотя и весьма длительный и энергоемкий, но на-
дежно позволяет получать металл с малым содержанием газов.
Разновидностью этого способа может считаться простая предвари-
тельная переплавка металла с разливкой его в чушки для последу-
ющего приготовления рабочего сплава.
Дегазация расплавов продувкой нерастворимыми газами основана
на том, что в пузырьке такого газа, находящемся в расплаве, пар-
циальное давление растворенного газа первоначально равно нулю.
Поэтому растворенный газ переходит из расплава в пузырек. Для
успешной дегазации необходима возможно большая поверхность
пузырьков нерастворимого газа, т. е. желателен наименьший размер
пузырьков. Поэтому продуваемый газ вводят в расплав через по-
ристые насадки с диаметром пор не более 0,1—0,5 мм.
Для продувки расплавов используют аргон (любые сплавы),
азот (медные и алюминиевые сплавы), азот с добавкой хлора (алю-
миниевые сплавы). В последнем случае можно использовать чистый
хлор. Наряду с газами используют также летучие соединения:
хлористый марганец (для медных и алюминиевых сплавов), хлори-
стый цинк и гексахлорэтан (для алюминиевых сплавов). Во всех
случаях необходимо достаточно высокая чистота газов и соединений
по содержанию влаги и кислорода.
Вакуумирование позволяет наиболее надежно дегазировать ме-
таллические 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. Появляющиеся пузырьки обра-
зуются, по-видимому, в мельчайших трещинах и порах на поверх-
ности частиц примесей, всегда присутствующих в расплавах. В тре-
щинах и порах, образующих полости, находятся остатки нераство-
римых в расплаве газов, а также и растворенный газ под давлением
Рраств, определяемом по закону Сивертса: рраСТв = IS ]а/&, где S —
содержание этого газа в растворе. Таким образом, общее давление
в этих полостях робщ складывается из парциального давления не-
66
растворимого газа и парциального давления растворенного газа:
Ровщ ~ Рнераств + Рраств- В то же время давление в указанных
полостях уравновешено суммой внешнего давления рвнеш, металло-
статического pgh и капиллярного 2о/'г, где h — высота столба рас-
плава над полостью; р — плотность расплава; g — ускорение силы
тяжести; о — поверхностное натяжение на границе расплав — газ;
г — радиус кривизны поверхности раздела расплав — газ. Следова-
тельно, в начальный момент, когда система в равновесии, можно
ЗаПИСаТЬ: Рнераств 4“ Рраств= Рвнеш 4“ Pgh 4“ 2<т/Го И /?раств 4" ^внеш 4“
4- Pgh 4- 2сг/г0 — Ршрг.ств- Если теперь снизить внешнее давление
до Рвнеш так, чтобы Рвнеш внеш, то это прежде всего приведет к само-
произвольному расширению газов, заключенных в рассматриваемых
полостях, так что установится новый радиус гг г0. Установившееся
в первый момент новое давление растворенного газа окажется суще-
ственно меньше начального: /?раСтв С Рраств = lS0]2/k. Следова-
тельно, начнется переход растворенного газа из расплава в рас-
ширившиеся газовые полости. Одновременно из-за существенного
увеличения размеров этих полостей начнется или усилится их
всплывание в расплаве по закону Стокса. Таким образом, снижение
общего давления над расплавом вызывает рост газовых пузырьков,
обогащение их растворенным газом и всплывание к открытой поверх-
ности расплава. Вместе с газовыми пузырьками всплывают и частицы
нерастворимых примесей, поры и трещины в которых служили цен-
трами выделения растворенного газа.
Обработка расплавов шлаками и флюсами также служит сред-
ством их дегазации. Механизм благотворного воздействия такой
обработки до конца еще не выяснен.
Возможна дегазация путем введения ультразвуковых колебаний
в расплав или обработкой расплавов постоянным электрическим
током. Под действием ультразвуковых колебаний в расплаве возни-
кают кавитационные полости с очень малым давлением газа. В эти
полости устремляется растворенный газ. По мере перехода его
в молекулярное состояние кавитационные полости превращаются
в газовые пузырьки, которые могут всплывать.
Пропускание через насыщенный водородом расплав постоянного
тока иногда сопровождается перераспределением газа. Обычно
содержание водорода возрастает у катода вплоть до его выделения
в виде пузырьков.
§ 5. РАСКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Раскислением называют удаление из металлического расплава рас-
творенного 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, контактное или диффузионное,
обработкой расплава водородом с последующим вакуумированием,
плавкой в достаточно глубоком вакууме при малом остаточном
давлении, В литейном производстве наиболее часто применяют
з*
67
осадочное раскисление, которое заключается в том, что растворенный
кислород связывают в нерастворимые в расплаве оксиды с помощью
специально вводимых в расплав добавок, называемых раскислите-
лями. Упрощенно процесс раскисления можно описать следующей
реакцией:
т[0] + л[/?]=^7?п0го, (3)
где [О] — концентрация кислорода в расплаве; [/?] — концентра-
ция раскислителя в расплаве; RnOm — нерастворимый в расплаве
оксид.
Если считать, что образующийся оксид находится в свободном
виде, то константа равновесия реакции (3) может быть записана так:
/<= 1/тГо][О]т?^Ж. (4)
где У[О] и — коэффициенты активности кислорода и раскисли-
теля в растворе, которые отражают неидеальность этого раствора.
Эти коэффициенты определяют экспериментально.
Величину константы равновесия обычно вычисляют из равенства
AG = — RT In К, (5)
где AG — изменение энергии Гиббса реакции (3). Для практики
наиболее желателен случай, при котором остаточные содержания
кислорода и раскислителя минимальны, так как при этом они в наи-
меньшей степени влияют на свойства металла. Наименьшие величины
[О] и достигаются, как видно, при больших значениях кон-
станты равновесия.
Из выражения (5) следует, что, выбирая раскислитель, необхо-
димо стремиться к большим отрицательным значениям AG реакции
раскисления. Это возможно при наибольшей отрицательной энергии
образования свободного оксида раскислителя RO и наименьших
отрицательных энергиях образования растворов кислорода и рас-
кислителя в раскисляемом расплаве.
Из выражения (5) следует также, что остаточные содержания
кислорода и раскислителя связаны обратной зависимостью: чем
больше содержание раскислителя, тем меньше кислорода и наоборот.
Температура оказывает большое влияние на реакцию раскисле-
ния. Это влияние проявляется через зависимость AG = f (Т). По-
скольку с понижением температуры AG реакций становится все
более отрицательной, раскисление проходит полнее при пониженной
температуре расплава.
Для успешного раскисления необходимо удаление из расплава
продуктов раскисления, которые являются^типичными неметалли-
ческими включениями. Для этого обычно производят отстаивание
расплава и обработку свежим шлаком. Желательно, чтобы продукты
раскисления имели вид компактных частиц лучше всего шарообраз-
ной формы, т. е. чтобы они находились в жидком состоянии. Именно
поэтому часто применяют комплексные раскислители, содержащие
в своем составе кремний, в расчете на образование легкоплавких
силикатов. Еще лучшие условия для отделения продуктов раскисле-
68
ния создаются в том случае, если эти продукты находятся в газо-
образном состоянии.
Расчет потребного количества раскислителя необходимо произ-
водить в соответствии с реакцией раскисления с учетом вида про-
дуктов раскисления, желательного минимального содержания кис-
лорода и равновесного остаточного содержания раскислителя.
Ниже приведен расчет процесса раскисления никеля кремнием.
Из справочных данных известны ДСт реакции образования 1 %-ного
раствора кремния в жидком никеле из жидкого кремния:
Si»-^[Si]Ni. (6)
Для нее
ДСт = (— 187712 - 23,757) Дж; (7)
Для реакции образования 1 %-ного раствора кислорода в жидком
никеле при взаимодействии с газом
O2-^[O]N1, (8)
Д0°г =(—111999 - 17,597) Дж. (9)
Продуктом раскисления никеля кремнием будет свободный оксид
кремния SiO2. Для реакции его образования из свободных элементов
Si>K + O2-^SiO2, (10)
ДСт = (— 949035 199 7) Дж. (11)
Сама реакция раскисления записывается так:
[SiL„ + 2[O]Nt^SiO2. (12)
ДСт реакции (12) вычисляется как разность между реакциями (10),
(8) и (6), т. е. = (—649324 + 2407) Дж. При 7 = 1773 К
ДСЭ = —223804 Д>й. Константа равновесия рассматриваемой реак-
ции раскисления К = 1/ftsf] [Sil/fo] ЮР. Единица в числителе
означает, что продукты раскисления находятся в свободном виде.
Поскольку стандартным состоянием в справочных данных приняты
1 %-ные растворы кремния и кислорода в никеле, концентрации
необходимо выражать в процентах, а коэффициенты активности
обозначены через ftsn для кремния и /уо] для кислорода в отличие
от ранее примененных обозначений-у, когда концентрации выража-
лись в атомных долях.
Используя равенство (5), заменяем ^натуральные логарифмы
десятичными, подставляем R = 8,3Г;Дж, 7 = 1773 К и получаем
i ~ iz___ । 1 _ 223804 _
g ~ g /[Si] lSil/|O] [О]2 ~ 8,31 • 1773-2,3
Из экспериментальных данных .известно, что произведение коэф-
фициентов активностей ftsi]/[D] в' данном случае равно 0,1. От-
сюда имеем /g = 6,6 или
lg[O] = 0,5 {+ 1 - 6,6 - lg[Si]} = — 2,8 - 0,5 Ig[Si], (13)
69
знания особенностей конструкции плавильного оборудования Невозможно изучить
технологию плавки сплавов цветных металлов.
Авторы сочли целесообразным изложить в учебнике свойства металлических
расплавов для того, чтобы помочь студентам более глубоко понять и усвоить способы
и приемы плавки и литья каждой конкретной группы сплавов. Изложены также упро-
щенные способы расчета процесса затвердевания слитков и свойства литых заготовок,
определяющие их поведение при последующем пластическом деформировании. Этот
материал необходим будущим литейщикам-цветникам, так как .разработкой техно-
логии изготовления слитков цветных металлов и сплавов и ее осуществлением зани-
маются по сложившейся традиции именно инженеры-литейщики.
Главы 6, 7, 8, 13, 16 написаны А. В. Курдюмовым, предисловие, введение и гла-
вы 2, 3, 4, 15 — М. В. Пикуновым, главы 1, 9, 14, 17, 19 — В. М. Чурсиным, главы
5, 10, 11, 12, 18— Е. Л. Бибиковым.
Авторы выражают глубокую благодарность заведующему кафедрой металлове-
дения и литейного производства Андроповского авиационно-технологического ин-
ститута докт. техн, наук проф. В. М. Воздвиженскому, доцентам кафедры Г. М. Ким-
стач, П. В. Лебедеву, В. В. Чистякову, Е. С. Борисову, С. П. Серебрякову, А. Я. Ла-
рионову, а также докт. техн, наук проф. Б. И. Бондареву за ценные замечания,
сделанные ими при рецензировании рукописи.
Из равенства (13) получаем следующие соотношения между Ю1м
и [Si]Ni при 1500 °C: %:
[О]ш . . 0,05 0,02 0,01 0,005 0,001
[Si]Ni. . . 0,001 0,006 0,025 0,Г0 2,5
Полученные данные позволяют определить потребное количество
кремния для раскисления никеля. Пусть исходное содержание
кислорода оказалось равным 0,02 %, при этом содержание кремния
0,001 %. По технологическому регламенту кислорода должно быть
не более 0,005 %. Из расчета следует, что для этого необходимо
иметь остаточное содержание кремния 0,1 %. На 100 кг расплава
необходимое уменьшение количества кислорода составит [(0,02—
0,005) -100 J/100 = 0,015 кг. Для связывания 0,015 кг кислорода
в SiO2 необходимо 0,015-28/(2-16) = 0,013 кг кремния (28 и 16 —
атомные массы кремния и кислорода соответственно). Кроме того,
в расплаве необходимо иметь 0,1 % кремния, т. е. нужно еще ввести
кремния [(0,1—0,001)-100 J/100 = 0,099 кг. Таким образом, общее
количество кремния для раскисления 100 кг расплава составит
0,013 +0,099 = 0,112 кг.
Контактное раскисление осуществляется таким образом, что
раскислитель не растворяется в расплаве, а лишь соприкасается
с ним. Реакция раскисления идет на поверхности раздела расплав —
раскислитель, куда кислород доставляется путем диффузии и кон-
векции. Контактное раскисление проходит очень медленно, но его
преимущество заключается в том, что расплав не загрязняется
неметаллическими включениями, так как продукты раскисления
остаются на поверхности раздела расплав — раскислитель. Кон-
тактное раскисление проводят иногда~применительно к меди и ее
сплавам. В качестве нерастворимых раскислителей используют угле-
род (графит) и карбид кальция.
Следует напомнить, что операцию раскисления применяют лишь
к тем расплавам, которые содержат растворенный кислород. По-
этому раскислению обязательно подвергают никель и сплавы никеля
с медью, железом, -хромом, марганцем при обычной плавке на воз-
духе. Чистую медь и сплавы меди с серебром, никелем также необ-
ходимо раскислять. Сплавы меди с такими активными по отношению
к кислороду металлами, как цинк, алюминий, хром, цирконий, почти
не способны растворять кислород и для них обычное раскисление
фосфористой медью не имеет смысла. Сплавы на основе алюминия,
Магния, цинка, оЛова, свинца никогда не раскисляют.
§ 6. МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
Модифицированием принято называть заметное изменение структуры
твердого металла, достигаемое путем введения специальных добавок
'или в результате специальных условий плавки и обработки расплава.
Изменяя структуру сплава модифицированием, улучшают его тех-
нологическую пластичность и повышают механические свойства.
Модифицирование', как правило, означает йзмёльйение структуры^
При этой под. еловом структура понимаются самые разнообразные
черты макро-и микростроения литого металла: размер макрокристал-
лов, размер дендритной ячейки, форма и размеры первичных кри-
сталлов в до- и заэетектических сплавах, форма и. размеры выделе-
ний фаз в эвтектиках.
Специальные условия плавки, вызывающие модифицирование
структуры твердого металла, обычно сводятся к. перегреву расплава
до определенной температуры, выдержке и ускоренному охлаждению
до температуры разливки. На этом основана температурная обра-
ботка расплавов, разработанная А. Г. Спасским и Б. А. Фоминым
(1959 г.), которая оказывает положительное воздействие на свойства
многих алюминиевых и медных сплавов. Пока не развиты достаточно
общие теоретические представления о модифицировании путем пере-
грева расплава и быстрого охлаждения, хотя ясно, что здесь велика
роль изменений структуры металлической жидкости, обусловленных
температурой и временем. Поэтому в последние годы подобные спо-
собы обработки расплавов подвергают широкому йсследованию.
Движение расплава во время кристаллизации со скоростью
более 0,5 м/с вызывает заметное измельчение макроструктуры.
Наложение на кристаллизующийся расплав механических или
ультразвуковых колебаний также приводит к измельчению макро-
зерна.
Известны способы измельчения макрозерна литого металла в ре-
зультате растворения в струе расплава твердого сплава того же
состава. На этом явлении основана так называемая суспензионная
заливка, разработанная А. А. Рыжиковым.
Наряду с добавками-модификаторами, вызывающими измельче-
ние структуры литого металла, обнаружены и используются до-
бавки-демодификаторы, которые приводят к укрупнению структуры.
Подобными демодификаторами являются, например, сера и углерод,
вызывающие увеличение размеров столбчатых кристаллов в отлив-
ках из магнитных сплавов системы Fe — Ni — Со — Al —Си — Ti.
Действие добавок-демодификаторов неясно.
Ввиду огромного разнообразия условий, вызывающих измельче-
ние литой структуры, единая теорйя модифицирования не разрабо-
тана, хотя попытки в этом направлении делались (теория обобщен-
ного момента В. К. Семенченко, теория взаимодействия
s — р — d-электронов Г. В. Самсонова).
По М. В. Мальцеву случаи модифицирования с помощью добавок
делятся на' две группы. К первой группе относятся случаи, когда
вводимый модификатор способен создать в расплаве тонкодисперсную
и равномерно распределенную взвесь твердых частиц, могущих
играть роль центров кристаллизации. Как известно, твердая частица
может стать центром кристаллизации, если ее кристаллическая
решетка в некоторых плоскостях совпадает с решеткой будущих
кристаллов, а периоды решеток отличаются не более чем на 10—
15 %. К модификаторам этой группы можно отнести диборид титана,
измельчающий макрозерно алюминиевых сплавов, фосфид алюминия,
71
служащий затравкой для первичных кристаллов кремния в заэвтек-
тических силуминах.
Вторая группа явлений модифицирования может быть объяснена
затруднениями роста кристаллов, вызываемыми добавками. Эти
добавки, являясь поверхностно-активными, скапливаются в слое
расплава, окружающем кристалл, и тем самым мешают его росту.
В результате возникает более глубокое переохлаждение с соответ-
ственно большим числом новых зародышей. Общим итогом является
уменьшение среднего размера зерен. По-видимому, таков механизм
действия натрия в силуминах.
Модифицирование с помощью добавок в расплав выполняют
обычными приемами. Необходимо знать температуры плавления
и кипения добавки, ее плотность, возможное взаимодействие с га-
зами, шлаками, флюсами и футеровкой. Особенно важно обеспечить
равномерное распределение добавки во всем объеме расплава, что
связано с определенными трудностями, так как количество модифи-
цирующих добавок обычно не превышает 0,1 % от массы расплава.
Общей чертой всех способов модифицирования является их
ограниченность действия во времени. При любом способе модифи-
цирования эффект через некоторое время пропадает. Поэтому моди-
фицирование проводят в конце плавки, чтобы иметь возможность
разлить расплав за 20—30 мин.
Литература: [3, 8, 9, 10, 13, 14, 20—23, 25, 29, 33, 39, 41, 42, 44,
45, 47] (см. рекомендательный библиографический список).
i
Раздел П. ПРОИЗВОДСТВО ФАСОННЫХ
ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 5
ПЕЧИ ДЛЯ ПЛАВКИ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
В зависимости от масштабов производства, требований, предъявляемых к каче-
ству выплавляемого металла и целого ряда других факторов, в цехах заготовитель-
ного и фасонного литья цветных металлов применяют различные типы плавильных
печей. !
По виду используемой для плавки сплавов энергии все плавильные печи делят
на топливные и электрические. Топливные печи подразделяют иа тигельные, отра-
жательные и шахтно-ванные (рис. 10). Электрические печи классифицируют в зави-
симости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В литейных
цехах применяют печи сопротивления, индукционные (рис. 11), электродуговые,
электронно-лучевые и плазменные (рис. 12).
В электрических печах сопротивления (см. рис. 11, а, б) нагрев и расплавление
шихты осуществляются за счет тепловой энергии, поступающей от электронагрева-
тельных элементов, установленных в своде или в стенках плавильной печи. Эти печи
применяют для плавки алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных и свинцо-
вых сплавов.
Индукционные печи по принципу работы и конструкции подразделяют на ти-
гельные и канальные (см. рис. 11, г). Тигельные печи в зависимости от частоты пи-
тающего тока классифицируют на печи повышенной [(0,15—10)- 10е пер/с] и промыш-
ленной частоты (50 пер/с).
Независимо от частоты питающего тока принцип работы всех индукционных
тигельных печей основан на индуктировании электромагнитной энергии в нагревае-
мом металле (токи Фуко) и превращении ее в тепловую. При плавке в металлических
или других тиглях, изготовленных из электропроводных материалов, тепловая энер-
гия передается к нагреваемому металлу также стенками тигля. Индукционные ти-
гельные печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, медиых, никелевых
сплавов, а также сталей и чугунов.
Рис. 10. Топливные плавильные печи:
в — тигельная; р — отражательная; а — гцахтио-ваиная
73
Индукционные канальные печи используют для плавки алюминиевых, медных,
никелевых и цинковых сплавов. Помимо плавильных печей, применяют также ин-
дукционные канальные миксеры, служащие для рафинирования и поддержания тем-
пературы жидкого металла на заданном уровне. Плавильно-литейные комплексы, со-
стоящие из плавильной печи — миксера — литейной машины, используют при литье
слитков из алюминиевых, магниевых и медных сплавов непрерывным методом. Прин-
цип тепловой работы канальных индукционных печей аналогичен принципу работы^
силового электрического трансформатора тока, состоящего, как известно, из первич-
ной катушки, магнитопровода и вторичной катушки. Роль вторичной катушки в печи
играет короткозамкнутый канал, заполненный жидким металлом. При пропуска-
нии тока через индуктор печи (первичная катушка) в заполненном жидким металлом
канале индуцируется электрический ток большой величины, который разогревает
находящийся в нем жидкий металл. Тепловая энергия, выделяемая в канале, нагре-
вает и расплавляет металл, находящийся над каналом в ванне печи.
Электродуговые печи (см. рис. 12, а—в) по принципу передачи тепла от элек-
трической дуги к нагреваемому металлу подразделяются на печи прямого и косвен-
ного нагрева (см. рис. 12, а).
В печах косвенного нагрева большая часть тепловой энергии от горячей дуги
передается к нагреваемому металлу излучением, а в печах прямого действия — из-
лучением и теплопроводностью. Печи косвенного действия применяют в настоящее
время ограниченно. Печи прямого действия (электродуговые вакуумные с расходуе-
мым электродом) используют для плавки тугоплавких, химически активных металлов
и сплавов, а также легированных сталей, никелевых и других сплавов. По конструк-
ции и принципу работы электродуговые печи прямого действия делятся на две груп-
пы: печи для плавки в гариисажном тигле (см. рис. 12, б) и печи для плавки в излож-
нице или кристаллизаторе (см. рис. 12, е).
Электроино-лучевые плавильные печи применяют для плавки тугоплавких и
химически активных'металлов и сплавов иа основе ниобия, титана, циркония, мо-
либдена, вольфрама, а также для ряда марок сталей и других сплавов. В основе
принципа электронно-лучевого нагрева лежит преобразование кинетической энергии
потока электронов в тепловую при их встрече с поверхностью нагреваемой шихты.
Выделение тепловой энергии происходит в тонком поверхностном слое металла.
Нагрев и плавление проводят в вакууме при остаточном давлении 1,3-10'8 Па. Элек-
тронно-лучевую плавку используют для получения слитков (плавка в изложнице,
рис. 12, д) и фасонных отливок (плавка в тигле, см. рис. 12, е). При электронно-
лучевой плавке можно значительно перегревать жидкий металл и длительное время
выдерживать его в жидком состоянии. Это преимущество позволяет эффективно ра-
финировать расплав и очищать его от ряда примесей, .С помощью электронно-лучевой
74
Плавки из Металла могут Йыт! удалены все примеси, давление пара которых существен-
но превышает давление пара основного мёталла. Высокая температура и глубокий
вакуум способствуют также очистке металла от примесей за счет термической диссо-
циации оксидов нитридов и других соединений, находящихся в металле.
Печь электрошлакового переплава ЭШП (см. рис. 12, г) по принципу работы
представляет собой печь сопротивления косвенного иагрева, в которой источников
Тепла является ваниа расплавленного Шлака заданного химического состава. Пере-
плавляемый металл в виде расходуемого электрода пбгружаюТ в слой (ваниу) жид-
Рис. 12. Электродуговые, электрошлаковые, электроино-лучевые и плазменные плавильные
печи: •
а — электродугсвая косвенного действия; б — электродуговая для плавки в гарнисажном
тигле; в — то же, в кристаллизаторе; г — электрошлаковая плавка; д — электронно-лучевая
для плавки в кристаллизаторе; е — то же, в тигле; ж — плазменная ванная; з — плазменная
для плавки ь кристаллизаторе; и — то же, в тнгле
75
кою электропроводного Шлака. Через расходуемый электрод и Шлйк пропускают
электрический ток. Шлак разогревается, торец расходуемого электрода оплавляется
и капли жидкого металла, проходя через слой химически активного шлака, очища-
ются в результате контакта с ним и формируются в изложнице в виде слитка. Шлак
защищает жидкий металл от взаимодействия с атмосферой воздуха. Печи ЭШП
в основном применяют для получения слитков из высококачественных сталей, жаро-
прочных, нержавеющих и других сплавов. Метод ЭШП используют также для произ-
водства крупных фасонных отливок: коленчатых валов, корпусов, арматуры н дру-
гих изделий.
В плазменных плавильных печах (см. рис. 12, йс, э, и) источником тепловой энер-
гии является поток нагретого до высокой температуры ионизированного газа (плаз-
мейНая дуга), который при соприкосновении с металлом нагревает и расплавляет
ёго.Для получения потока плазмы плавильные печи оборудуют специальными устрой-
ствами — плазмотронами; Плазменный способ нагрева и плавления сплавов приме-
няют в печах ванного типа (см, рис. 12, йс), в плавильных установках для получения
слитков в кристаллизаторе (рис. 12, з) и дляплавки металлов в. гарнисажном тигЛе
(см. рис. 12, и).
Плазменные печи ванного типа в Основном применяют для плавки сталей, а так-
же сплавов иа основе никеля. Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе могут
использоваться для получения слитков из сталей, бериллия, молибдена, ниобия,
Титана и других металлов. Плазменные печи для плавки в гарнисажном тигле пред-
назначены для фасонного литья сталей, тугоплавких и химически активных ме-
таллов.
§ 2. ТОПЛИВНЫЕ ПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Тигельные топливные печи наиболее целесообразно использовать в литейных цехах
с небольшим выпуском отливок из сплавов цветных металлов, а также для приготов-
ления лигатур. Оии просты по конструкции, надежны в эксплуатации. Разливку
металла из тигельных печей осуществляют путем поворота печи; извлечения тигля
из печи и последующей разливки металла по формам; использования специальных
устройств, обеспечивающих разбор металла в автоматическом режиме (роботы, доза-
торы); разбора металла заливочными ковшами.
Тигельные топливные печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых,
медных, цинковых и других сплавов. Они состоят из следующих основных элементов
(рис. 13): металлического корпуса 1, огнеупорной кладки и теплоизоляционного слоя,
расположенного между кладкой и корпусом печи; горелок или форсунок 2; плавиль-
ного тигля 5; устройства для отвода дымовых газов. Емкость широко используемых
на практике тиглей составляет 150—500 кг. Тигли для плавки сплавов цветных ме-
таллов изготавливают из огнеупорной графито-шамотной массы, чугуна и стали.
Таблица 12. Технические характеристики газовых. тигельных печей
для плавки и подогрева алюминиевых сплавов
Тип и марка Емкость, Средняя произво- дитель- ность, кг/ч Расход Размеры (длина X X ширина X высо- та), мм
топлива, КГ/Ч воздуха, м8/ч
Плавильная одиоти- гельная поворотная: ПТП-0,18 0,18 120 30 400 1240Х 1000Х 1080
ПТП-0,25 0,25 150 40 500 1300Х 1000Х1350
Раздаточная двухти- 0,30 — 20 250 2100X1150X1000
гельная стационар- ная РТС-0,30 Раздаточная одноти- 0,15 15 200 1300X1150X1000
гельиая стационар- ная РТС-0,15 Б
76
В табл. 12 приведены а качестве примера технические характеристики тиРель-
Ных печей для плавки алюминиевых сплавов.
С металлургической точки зрения тигельные печи имеют определенные преиму-
щества перед отражательными топливными печами. Основное из них — отсутствие
непосредственного контакта твердой шихты и жидкого металла с продуктами горе-
ния топлива. Это значительно уменьшает окисляемость сплавов и насыщение их во-
дородом. Существенно уменьшаются безвозвратные потери металла. Так, при плавке
магниевых сплавов в тигельных печах безвозвратные потери составляют в среднем
3 %, а при плавке в отражательных печах — до 6 %. Плавка сплавов в тигельных
печах позволяет осуществлять их рафинирование и модифицирование любыми из-
вестными методами. Основные недостатки тигельных печей: малая производитель-
ность, низкий тепловой коэффициент полезного действия (до 10 %), большой расход
тиглей.
Для плавки алюминиевых сплавов применяют чугунные и графито-шамотные
тигли. Чугунные тигли прочнее и дешевле графито-шамотных и имеют большую
емкость. Основной недостаток чугунных тиглей — растворение железа в алюминие-
вых сплавах в процессе их плавления. Для предотвращения растворения рабочую
поверхность чугунных тиглей окрашивают или обмазывают специальными смесями.
В состав красок вводят мел, окись цинка, огнеупорную глину, тальк, коллоидный
графит и другие вещества. Чаще всего используют краску состава, ч. (по массе):
50 — отмученный мел; 50 — окись цинка; 5 — жидкое.стекло; 100 — вода. Краску
наносят на подогретые до 80—90° С поверхности. Такой же краской окрашивают и
77
йлавильный инструмент. Для обмазки используй^ смесь мйгнейитй, асбеста и ЖиД*
кого стекла. Ее наносят на рабочую поверхность тиглей слоем толщиной 10—15 мм,
высушивают и прокаливают при 750—800 ®С. Кроме защиты от растворения, обмазка
Существенно в.(2—3 раза) увеличивает срок службы чугунных тиглей.
Для плавки магниевых сплавов используют тигельные печи со стационарным
йли выемным стальным тиглем. Стационарные тигли емкостью 250—350 кг отливают
из малоуглеродистой стали. Выемные тигли (рис. 14) изготавливают сварными из
листовой стали марок Ст2, СтЗ со стенками Толщиной 8—15 мм. Толщина днища 15—
25 мм.
Топливные отражательные печи благодаря высокой производительности, боль-
шой емкости и простоте обслуживания широко используют для плавки алюминиевых
И магниевых сплавов в цехах фасонного литья с большим выпуском отливок и в цехах
заготовительного литья. Применяют их также для плавки медных сплавов.
Рис. 14. Выемной стальной тигель сварной
конструкции для плавки и разливки маг-
ниевых сплавов
На рис. 15 показана отражательная
печь с газовым обогревом для-плавки маг-
ниевых сплавов. Емкость печи 1,5т. В це-
хах фасонного литья печь работает в комп-
лексе с раздаточными тигельными печами,
Рис. 15. Отражательная печь с газовым
обогревом для плавки магниевых сплавов:
I — кожух; 2 — подина; 3 — летка; 4 —
свод; 5 — загрузочное окно; 6 — горелка;
7 — передвижная тележка
в которых осуществляется рафинирование и модифицирование сплава. Техниче-
ские характеристики некоторых отражательных печей для плавки магниевых и
алюминиевых сплавов приведены в табл. 13.
Таблица 13. Технические характеристики некоторых топливных
отражательных печей для плавки алюминиевых и магниевых сплавов
Параметры Алюминиевые сплавы Магниевые сплавы
I II I II
Емкость печи, т Производительность, кг/ч Длительность плавки, ч Габаритные размеры, м: длина ширина высота 3,5 800 4,0—4,5 7,0 3,0 3,0 30 5000 5 10.0 7,0 6,0 1,5 400 3,5—4,0 12,0 2400 4,5—5,5 5,0 4,0 . 2,5
Примечание. I —- печи фасонного литья; II — печи заготовительного литья.
78
Рис. 16. Шахтно-ванная печь:
1 — корпус; 2 — ванна с жидким металлом; 3 — свод; 4 — горелки; 5 —
шахта; 6 — крышка загрузочного окна; 7 — дымоход; 8 — шихта; 9 —
газодинамический насос
Печи для плавки магниевых деформируемых сплавов имеют емкость 3—12 т.
Они обычно работают в паре с миксером такой же емкости. Перелив готового сплава
из плавильных печей в миксеры производят с помощью насосов или сифонов.
Футеровка пода отражательных печей для плавки магниевых сплавов состоит из
четырех слоев. На слой листового асбеста толщиной 10 мм укладывают слой из шамот-
ного кирпича толщиной 125—150 мм, затем слой набнвкн из магнезитовой крошки
толщиной 50—80 мм и слой магнезитового кирпича. Туннели горелок выкладывают
из хромомагнезитового, а свод — из шамотного кирпича. Футеровка пода печей для
плавки алюминиевых сплавов многослойная, она состоит из слоя листового асбеста,
слоя инфузорной земли, слоя шамотных кирпичей и поверх его — слоя магнезитовой
набивки.
Кладку пода печи лучше выполнять из магнезитного кирпича. Однако для этой
цели до сих пор широко используют шамот, как наиболее доступный и дешевый ма-
териал. Шамот взаимодействует с алюминиевыми, расплавами. Для предотвраще-
ния взаимодействия футеровку пропитывают флюсом (23—25 % Na3AlFe; 20—27 %
В2О3, остальное NaCl). Этот флюс смешивают с жидкой глиной, обмазывают получен-
ной массой футеровку печи и прокаливают ее при 900—950 °C. Во время работы
печи хлорид натрия испаряется, а криолит образует с кремнеземом оксифториды,
несмачивающиеся алюминиевыми расплавами. Снижению интенсивности взаимодей-
ствия металла с футеровкой способствует также окраска ее мелом или известью. В тех
случаях, когда содержание примеси кремния в сплаве ограничено, отражательные
печи футеруют карбидом циркония или карбидом кремния.
Перспективными для плавки алюминиевых сплавов являются шахтно-ванные
печи, которые позволяют осуществлять процесс плавления металла в непрерывном
режиме и с высокой производительностью. Процесс плавки в шахтно-ванных печах
имеет целый ряд преимуществ. Во-первых, плавку можно осуществлять в условиях
полной механизации и автоматизации всех технологических операций, связанных с
этим процессом. Во-вторых, резко снижается трудоемкость на этапах подготовки
шихты к плавке и ее загрузки в печь. В-третьих, снижаются безвозвратные потери
металла в связи с возможностью предварительной сушки и нагрева шихты. В-чет-
79
бвЁДЕнйе
Литейное производство — одно нз древнейших ремесел, освоенных человечеством.
Первым литейным материалом была бронза. В древности бронзы представляли
собой сложные сплавы на основе меди с добавками олова (5—7 %), цинка (3—5 %),
сурьмы и свинца (1—3 %) и с примесями мышьяка, серы, серебра (десятые доли
процента). Зарождение выплавки бронзы и получения из нее литых изделий (ору-
жия, украшений, посуды и др.) в разных регионах относится к 3—7 тысячелетию
до н. э. По-видимому, дочти одновременно-была освоена плавка самородных серебра,
золота и их сплавов. На территории, где жили восточные славяне, развитое литей-
ное ремесло появилось в первых веках н. э.
Основными способами получения отливок из бронзы и сплавов серебра и золота
были литье в каменные формы и литье по воску. Каменные формы делали из мягких
пород известняка, в которых вырезали рабочую полость. Обычно каменные формы
заливали в открытую, так что одна сторона изделия, образуемая открытой поверх-
ностью расплава, оказывалась плоской. При литье по воску сначала изготовляли
восковые модели как точные копии будущих изделий. Эти модели погружали в жид-
кий глиняный раствор, который затем высушивали и обжигали. Воск выгорал, в об-
разовавшуюся полость заливали расплав.
Большой шаг вперед в развитии бронзового литья был сделан, когда началось
литье колоколов и пушек (XV—XVI вв.). Широко известно мастерство и искусство
русских умельцев, изготовивших уникальные бронзовые отливки — «Царь-пушку»
массой 40 т (Андрей Чохов, 1586 г.), и «Царь-колокол» массой 200 т (Иван и Михаил
Моторины, 1736 г.).
Бронзы и позже латуни на протяжении многих веков были главным' материалом
для изготовления художественных отливок, памятников и скульптур. До наших
дней сохранилась бронзовая скульптура римского императора Марка Аврелия (II
век н. э.). Всемирную известность получили отлитые из бронзы памяники Петру I
в Ленинграде (1775 г.) и памятник «Тысячелетие России» в Новгороде (1862 г.).
В наше время был изготовлен литой бронзовый памятник Юрию Долгорукому —
основателю Москвы (1954 г.).
В XVIII в. на первое место по массовости и универсальности выходит новый
литейный материал —• чугун, послуживший основой развития машинной индустрии
в первой половине XIX в. К началу XX в. литейное производство цветных металлов
и сплавов заключалось в получений фасонных отливок из оловянных бронз и лату-
ней и слитков из меди, бронзы и латуней. Фасонные отливки изготовляли только
литьем в песчаные формы (тогда говорили и писали «земляные формы», «литье в зем-
лю»), Слитки получали массой не более 200 кг лнтьем в чугунные изложницы.
Следующий этап развития литейного производства цветных металлов и сплавов
начался примерно с 1910—1920 гг., когда были разработаны новые сплавы, прежде
всего на основе алюминия и несколько позже на основе магния. Одновременно на-
чалось освоение фасонного и заготовительного литья из специальных бронз и лату-
ней — алюминиевых, кремниевых, марганцевых, никелевых, а также освоение про-
изводства слитков из никеля и его сплавов. В 1920—1930 гг. создаются цинковые
сплавы для литья под давлением. В 1930—1940 гг. получает развитие фасонное
литье из никелевых сплавов. Период 1950—1970 гг. был ознаменован разработкой
технологии плавки и литья титана и его сплавов, урана и других радиоактивных ме-
таллов, циркония и сплавов на его основе, молибдена, вольфрама, хрома, ниобия,
бериллия и редкоземельных металлов.
Освоение новых сплавов потребовало коренной перестройки технологии плавки
и плавильного оборудования, применения новых формовочных материалов и новых
способов изготовления форм. Массовый характер производства способствовал раз-
работке новых принципов организации производства, основанных на широкой ме-
ханизации и автоматизации процессов изготовления форм и стержней, плавки,
заливки форм, обработки отливок.
Необходимость обеспечения высокого качества литых заготовок привела к глу-
боким научным исследованиям свойств жидких металлов, процессов взаимодействия
расплавов с газами, огнеупорными материалами, шлаками и флюсами, процессов ра-
финирования от включений и газов, процессов кристаллизации металлических спла-
вов при очень малых и очень больших скоростях охлаждения, процессов заполнения
8
Таблица 14. Технические
характеристики основных типов печей
для приготовления алюминиевых
деформируемых сплавов
Тип печи Ем- кость, т Произво- дитель- ность, т/ч К. п. д., % Безвозвратные потери, %
Шахтно- ванная 40—60 4—12 60 1,0
Отража- тельная топливная 30—40 2—4 30 1,5
Электриче- ская со- противле- ния 7—10 0,5—0,8 70 1,2
Индукци- онная ка- нальная 6—25 1,3—3,0 60—75 0,8
вертых, повышается производитель-
ность и к. п. д. данных печей по срав-
нению с другими топливными и элек-
трическими печами.
Шахтно-ванная печь показана на
рис. 16. Печь имеет три рабочие зоны:
зону нагрева твердой шихты I, зону
плавления II и зону сбора и перегрева
жидкого металла (ванна печи) III. В
зоне I из шихты удаляется адсорбиро-
ванная влага и происходит разложение
гидроксида алюминия А1 (ОН)3. В зо-
не II металл расплавляется и стекает
в ванну, где разогревается до требуе-
мой температуры с .помощью горе-
лок.
В табл. 14 сопоставлены некото-
рые технические характеристики ос-
новных типов печей, применяемых для
приготовления алюминиевых деформи-
руемых сплавов. Как следует из дан-
ных табл. 13, шахтно-ванные печи
имеют большие преимущества, которые
позволят им стать в ближайшее время
основными в цехах заготовительного
алюминиевого литья.
§ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Электрические печи сопротивления (тигельные и отражательные) находят широкое
применение для плавки алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Тигельные печи
применяют в цехах с небольшим выпуском отливок, а также в тех случаях, когда про-
изводят отливки из большого числа разнообразных по химическому составу сплавов.
гг—4—а Отражательные печи широко ис-
пользуют для плавки алюминиевых спла-
вов в цехах фасонного и заготовитель-
ного литья. В цехах заготовительного
литья эти печи применяют также в ка-
честве миксеров емкостью 5—30 т жидкого
металла.
. Электрические тигельные печи сопро-
тивления просты по конструкции, удобны
в эксплуатации, позволяют получать
сплавы высокой степени чистоты. Однако
эти печи имеют низкую производитель-
ность и невысокий тепловой коэффициент
полезного действия.
На рис. 17 показана схема тигельной
печи сопротивления для плавки алюминие-
вых сплавов (печь типа CAT). Печи CAT
выпускают трех] видов: поворотные пла-
вильные САТ-А, стационарные плавиль-
ные САТ-Б и стационарные раздаточные
САТ-В. Печи состоят из цилиндрического
стального кожуха 1, футеровки из огне-
упорного шамотного кирпича 2, нагрева-
тельных элементов 3, изготовленных из
Рис. 17. Схема тигельной печи сопротивле-
ния трпа CAT
80
нихромовом ленты или проволоки, теплоизоляционного слоя 4, находящегося
между корпусом печи и футеровкой. Концы нагревательных элементов 5 выво-
дятся в коробку 6 для подключения к сети. Чугунный или стальной тигель 7
опирается на плиту 8, укрепленную на кожухе печи. Печь оборудована вытяжным
зонтом 9.
Электрические отражательные печи сопротивления применяют в качестве пла-
вильных, плавильно-раздаточных и раздаточных (миксеры). Широко распространены
плавильные наклоняющиеся электрические печи сопротивления типа САН для плав-
Рис. 18. Электрическая печь сопротивле-
ния типа САН
ки алюминиевых сплавов емкостью 500—
3000 кг и до 7000 кг — в цехах заготови-
тельного литья.
Электропечь типа САН (рис. 18) со-
стоит из сварного стального кожуха /,
футеровки 2. Свод печи перекрыт спе-
циальными шамотными изделиями с паза-
ми для укладки в них нагревательных
элементов 3, изготовленных из нихромовой
проволоки в виде спиралей. Рабочее про-
странство печи разбито на три зоны: две
зоны — плавильные 4 и одна — металло-
сборник (ванна) 5. Со стороны плавильных
Рис. 19. Плавильно-раздаточная печь ти-
па САК
камер имеются окна 6 для загрузки шихты 7. Для слива металла печь поворачивает-
ся на роликах 8 в сторону сливного носка 9.
Плавильно-раздаточные печи типа САК (рис. 19) — печи сопротивления, алю-
миниевые, камерные — имеют емкость до 650 кг и применяются обычно для кокиль-
ного литья. Плавильная камера печи имеет две рабочие зоны: плавильную 1 и метал-
лосборник 2. Разбор жидкого металла осуществляется через окно 3. Нагревательные
элементы 4 установлены в своде печи. Загрузка шихты производится через окно 5.
Основные технические характеристики печей типов CAT, САК и САН приведены
в табл. 15 и 16.
В цехах заготовительного литья применяют электрические печи сопротивления
в качестве миксеров большой емкости. Конструкция миксера (рис. 20) несколько
отличается от конструкции плавильной печи. Миксер не имеет плавильных камер.
Он оборудован карманом 1 для разбора металла с помощью иасоса или сифона, Элек-
тронагревательные элементы помещены в трубы 2, изготовленные из жаростойких
сплавов. В связи со все возрастающими требованиями к качеству металла применя-
ются герметичные миксеры для проведения вакуумной обработки алюминиевых спла-
вов. Емкость вакуумных миксеров достигает 20 т и более. Для обеспечения необхо-
димого остаточного давления (порядка 133—1330 Па) миксеры оснащаются вакуум-
ными системами, позволяющими достигать указанное давление за 10 мин.
Рис. 20. Миксер для алюминиевых сплавов
Таблица 15. Технические характеристики тигельных печей сопротивления
Тип и марка Емкость, кг Потребляе- мая МОЩ- НОСТЬ, кВт Расход элек- троэнергии на 1 т жид- кого металла, кВт* ч Габаритные размеры, мм
Плавка сплавов
Поворотная: САТ-0.15А 150 40 550—600 1750X1340X2300
САТ-0.25А 250 60 550—600 1870X1440X2380
САТ-0.5А 5Q0 80 550—600 2000X1590X 2620
Стационарная: САТ-0.15Б 150 40 550—600 2000X1200X2090
САТ-0.25Б 250 60 550—600 2200X1300X2050
САТ-0.5Б 500 80 550-600 2430X1500X2340
Подогрев сплавов
Стационарная: САТ-0.15В 150 30 ПО 1500X1380X1050
САТ-0.25В 250 40 110 1500X1380X1050
Таблица 16. Технические характеристики отражательных печей
сопротивления для плавки алюминиевых сплавов
Марка Емкость, кг Потребляе- мая мощ- ность, кВт Производи- тельность, кг/ч Продолжи- тельность плавки, ч Г абаритиые размеры, мм
САК-0,15 150 40 50 2,0—3,0 1800X1782X 2060
САК-0,25 250 82 75 2,0—2,5 2410 X 2260X 2057
САН-0,ЗА 300 92 125 2,0—2,5 3000X2240X2800
САН-0,5А 500 122 150 2,5—3,0 3960X 2900X 3094
САН-1А 1000 184 225 3,0—3,5 5440X3100X3160
САН-1,5А 1500 244 350 3.5—4,0 6000X2600X3160
САН-2А 2000 305 500 3,5—4,0 6000X 2600X 3160
САН-ЗА 3000 410 650 4,0—4,5 7600X2900X3160
82
§ 4, индукционные Тигельные пёчи
Емкость тигельных печей колеблется от долей килЬграмма (лаббраторИые йеЧи) Дб
нескольких десятков тонн,
Преимущества тигельных индукционных Печей:
1) высокая производительность, достигаемая благодаря большим Значениям
удельной мощности;
2) интенсивная циркуляция расплава в ТигЛе, обеспечивающая выравнивание
температуры по объему ванны и получение однородных по химическому составу спла-
вов;
3) возможность быстрого перехода с выплавки сплава одной марки на другую;
4) широкое (до 100 %) использование в шихте низкосортных материалов —
стружки и отходов;
5) возможность проведения плавки при любом давлении (вакуумные печи)
и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной, нейтральной);
6) простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования про-
цесса плавки; широкие возможности для механизации и автоматизации загрузки
шихты и разливки металла, хорошие санитарно-гигиенические условия.
К недостаткам тигельных печей следует отнести невысокую стойкость футеровки
тигля и относительно низкую температуру металла на поверхности жидкой ванны,
которая не позволяет эффективно использовать флюсы для металлургической обра-
ботки сплавов. Однако преимущества тигельных печей настолько значительны, что
они находят все большее распространение. Различают печи открытые (плавка на
воздухе) й вакуумные (плавка в вакууме).
Для плавки алюминиевых, магниевых и медных сплавов применяют открытые
индукционные тигельные печи промышленной частоты емкостью от 0,4—1,0 до 25—
60 т н производительностью 0,5—6,0 т жидкого металла в час. Независимо от марки
выплавляемого сплава и емкости индукционные тигельные печи имеют одинаковые
конструкционные узлы и отличаются в основном производительностью и мощностью
электрооборудования.
Тигли печей для плавки алюминиевых и медных сплавов изготавливают путем
набивки и спекания огнеупорных масс, а печн для плавки магниевых сплавов обору-
дованы стальным тиглем сварной или литой конструкции.
Отечественная промышлен-
ность серийно выпускает индук-
ционные тигельные печи про-
мышленной частоты различных
марок, емкости и мощности. Ин?
дукционные тигельные печи
применяют как для фасонного,
так и для заготовительного
литья. В табл. 17 приведены их
технические характеристики.
На рис. 21 и 22 показаны
индукционные печи, применяе-
мые для плавки алюминиевых
(ИАТ-2,5) имагниевых(ИГТ-1,6)
сплавов. Питание печей произво-
дится через однофазный высоко-
вольтный трансформатор. В
комплект печи входит автома-
тический регулятор электриче-
ского режима, поддерживающий
максимальную мощность печи в
течение всего периода плавки.
Печи снабжены сигнализаторами
состояния футеровки тигля,
Рис. 21. Индукционная тигельная
печь ИАТ-2,5 для плавки алкми-
нисвых сплавов
83
Таблица 17. Технические характеристики индукционных тигельных печей
промышленной частоты
Параметры
Емкость, т
Мощность, потребляе-
мая печью, кВт
Рабочая температура,
°C
Производительность,
т/ч (по расплавлении)
Время расплавления,
ч
Удельный расход
электроэнергии,
кВт-ч/т
Масса печи, т (общая)
Алюминиевые
сплавы
о
Ь
К
0,4
170
750
0,24
1,7
725
6,2
<
к
1,0
317
750
0,56
1,77
610
14
сч
к
2,5
765
750
1,32
1,89
578
24,5
(О
К
6,0
.1100
750
1,95
3,0
557
39,6
Медные Сплавы
1,0 2,5
287 680
1300 1300
0,65 2,0
1,52 1,23
470 355
10,0
1210
1300
2,9
3,5
455
15,5 36,0
Магние-
вые
сплавы
S
1,6
550
750
1,0
1,6
577
4,0
985
750
2,0
2,0
500
38,0
Нике-
левые
сплавь!
т
ст
к
3,0
1000
1550
1,7
1,6
560
внешними магнитопроводами для уменьшения рассеивания электромагнитных
волн. В печах типа ИАТ и ИЛТ магнитопроводы 1 (см. рис. 21) устанавливают сна-
ружи индуктора 2 и дополнительно стягивают его в направлении к центру индук-
тора; Внутри индуктора производят набивку тигля 3. Между индуктором и тиглем
имеется простойка из асбеста и микалита. Индуктор с тиглем и магнитопроводом
заключен в кожух из мягкой стали. Кожух скреплен -с металлическим каркасом 4,
к которому крепят рабочую площадку печи 5. Сливной носок 6 имеет ось 7, опи-
рающуюся на подшипники. Два гидравлических цилиндра со штоками, установлен-
ными по бокам печи, обеспечивают поворот ее вокруг оси для слива металла.
Печь для плавки магниевых сплавов снабжена крышкой специальной конструк-
ции, которая позволяет вести плавку в нейтральной или защитной атмосфере. На-
грев и плавка шихты магниевых сплавов в индукционных печах с Металлическим тиг-
лем происходят как за счет тепловой мощности, выделяемой в стенках тигля, так и
за счет тепловой энергии, выделяемой непосредственно в шихте. Применение индук-
ционных тигельных печей промышленной частоты для плавки магниевых сплавов
позволяет в два раза уменьшить угар и в 2—4 раза сократить расход флюса по сравне-
нию с плавкой в отражательных печах.
Для плавки сплавов на никелевой н медной основах, а также сталей и ряда
других сплавов применяют индукционные печи повышенной частоты (рнс. 23).
Емкость печей д- от десятков килограммов до 1—3 т жидкого металла. Источником
питания служат тиристорные преобразователи тока.
Для плавки жаропрочных сплавов на никелевой основе, а также для плавки
легированных сталей и целого ряда других металлов и сплавов применяют индук-
ционные вакуумные плавильные печи. По характеру работы вакуумные индукцион-
ные печи делятся на 2 типа: периодического и полунепрерывного действия. В печах
периодического действия загрузка тигля шихтой, установка форм под заливку про-
изводится при открытой камере, а плавка металла и его заливка в форму — в ваку-
уме. Вакуумная печь периодического действия показана на рис. 24.
Печи полунепрерывного действия рассчитаны на осуществление рабочего цикла
без нарушения вакуума в плавильной камере.. По конструкции (рис. 25) они значи-
тельно сложнее печей периодического действия.
Печь состоит из плавильной камеры 3 с наклоняющейся для слива металла печью
6, камеры для загрузки шихты / и. камеры для установки форм или изложниц 4.
Камеры снабжены вакуумными технологическими затворами, позволяющими осуще-
84
ствЛять Шлю^оЬйние. Печь оборудована устройсФвамй ввоДа приёаДок, ЬзяДйя йроб
металла, чистки тигля, измерения температуры без нарушения вакуума в плавиль-
ной камере. Число плавок, проводимых без напуска воздуха в плавильную камеру,
определяется только стойкостью тигля. Для подогрева форм перед заливкой или ших-
ты перед загрузкой ее в тигель соответствующие камеры оснащены нагревательными
устройствами.
Технические характеристики некоторых типов индукционных вакуумных пе-
чей приведены в табл. 18.
К футеровке индукционных тигельных печей предъявляются очень высокие тре-
бования. Плавильный тигель должен обладать высокой термостойкостью, не разру-
шаться от механического воздейст-
вия загружаемой шихты, не всту-
пать в химическое взаимодействие с
жидким металлом, Шлаками и флю-
сами. С целью повышения к. п. д.
печи и увеличения производитель-
ности стенки плавильного тигля
должны при этом иметь небольшую
толщину.
Рис. 22. Индукционная тигельная печь для плав-
ки магниевых сплавов емкостью 1,6 т (ИГТ-1,6):
1 — рама; 2 — стальной тигель; 3 — крышка;
4 — механизм подъема крышки; 5 — индуктор;
6 — рабочая площадка
Рис. 23. Индукционная тигельная печь
повышенной частоты:
I — индуктор; 2 — тигель; 3 — каркас;
4 — поворотная ось; 5 — плавящийся
металл; 6 — поддон
Футеровка индукционных тигельных печей для плавки алюминиевых и цинко-
вых сплавов выполняется набивкой из жаростойких бетонов. Бетоны содержат вя-
жущие вещества и приобретают прочность в результате воздушного (бетоны на жид-
ком стекле с кремиефтористым натрием) или химического (бетоны на фосфатной связ-
ке) твердения. Бетон на жидком стекле имеет следующий состав, %: 28,8 тонкомо-
лотый магнезит; 25,0 шамотная крошка размером 0,15—0,5 мм; 30,0 шамотная
крошка размером 5—10 мм; 1,2 кремнефтористый натрий; 15,0 жидкое стекло (плот-
ность 1,36—1,38).
Высокую прочность жаростойкий бетон приобретает после обжига при темпера-
турах несколько выше 800 °C. Тигли в печах типа ИЛТ изготавливают набивкой су-
хой кварцитовой массы по неразъемному шаблону. Набивную массу приготавливают
из кварцитов, которые предварительно очищают от песка и глины, а затем высуши-
вают и плавят. Содержание SiO2 в кварцитах должно составлять 98—99 %. Квар-
циты измельчают и рассеивают на различные фракции по крупности зерен. Основная
фракция — зерна размером 2—3 мм — составляет 65 %; остальное — зерна разме-
ром от 0,5 до 2 мм. Для обеспечения спекания зерен в смесь вводят 1—2 % борной
кислоты.
85
Рис, 24. Индукционная вакуумная тигельная пзчь периодического действия (ИСВ-0,ОШИ):
1 — плавильная камера; 2 — ввод электропитания; 3 — бустерный насос; 4 — механизм наклона печи; 5 — устройство для измерения тем-
пературы и взятия проб; 6 — дозатор; 7 — вакуумный агрегат ВА-8-4ПР; 8 — фильтр; 9 — вакуумный насос ВН-4Г; 10 — индукционная^
печь; 11 — смотровое окно; 12 — стол для установки форм или изложниц
оо
Рнс. 25. Индукционная вакуумная тигельная печь полунепрерывного действия:
7 — камера загрузки шихты; 2 — вакуумный затвор; 3 — плавильная камера; 4 — камера форм; 5 — вакуумная система; 6 — индукционная
печь; / — устройство для очистки^тигля; 8 — тележка для транспортировки форм
Таблица 18. Технические характеристики некоторых типов индукционных
вакуумных печей
Параметры ИСВ-0,025-ПФ ИСВ-0,06 -ПФ ИСВ-0,6 ни
Емкость тигля, т 0,025 0,06 0,6
Мощность генератора, кВт 100 100 500
Рабочая частота, тока, Гц 2400 2500 750
Остаточное давление, Па Размеры формы или излож- ницы, мм: 5-.10-1 5-Ю-1 10'1
в плане 390X 300 500X500 2000Х1200
высота 250 500 1200
Размеры печи, м: (длина X ши- ринах высота) 6,3X4,6X4,0 7,1X4,9X4,1 9,2X12,5X11,5
8,4 7,0 144
Масса печи, т Характеристика печи Периодического действия Полунепрерыв-
с наклоняющимся тиглем для фасонного литья кого действия с наклоня- ющимся тиглем для литья слитков
При плавке меди в вакуумных печах тигли изготавливают набивкой массы,
состоящей из зерен белого электрокорунда определенного зернового состава и 1 %
буры. При изготовлении, верхнего слоя тигля в футеровку добавляют 4 % жидкого
стекла.
Медь высокой чистоты получают плавкой в вакуумных печах. Тигли в этом
случае изготавливают из малозольного графита марки ГМЗ-МТ. Применение гра-
фитовых тиглей при плавке меди по сравнению с набивными тиглями из огнеупорных
оксидов имеет ряд преимуществ. Во-первых, медь раскисляется за счет материала
тигля и поэтому во многих случаях не требуется дополнительного раскисления и,
во-вторых, возрастает активная мощность печи.
Тигли для плавки цинковых сплавов изготавливают набивкой из жаростойкого
бетона на жидком стекле.
Тигли для плавки в вакууме сплавов на никелевой основе изготавливают на-
бивкой из смеси следующего состава, %: 60—70 магнезитового порошка; 30—40
электрокорунда или глинозема; 5 % диоксида циркония ZrO2; 2 оксида титана ТЮ2.
Смесь расплавляют в дуговых печах. После охлаждения ее размалывают и рас-
сеивают на две фракции с размером кусков 1—5 мм и менее 1 мм. Затем смешивают
в пропорции 50 : 50 и вводят 0,7—1,2 % борной кислоты и 3—4 % воды. Тигель
набивают по шаблону до уровня зеркала металла. Выше этого уровня стенки тигля
набивают массой с добавкой жидкого стекла. После сушки осуществляется прокалка
тигля до 1400 °C.
§ 5. ИНДУКЦИОННЫЕ^КАНАЛЬНЫЕ ПЕЧИ
Индукционные канальные печи применяют в цехах заготовительного и фасонного
литья для плавки алюминиевых, медных, никелевых и цинковых сплавов. Полезная
емкость печей 0,4—40 т. Промышленность выпускает также индукционные каналь-
ные миксеры, работающие в режиме подогрева и служащие для металлургической
обработки металла в условиях постоянной температуры. Миксеры работают совмест-
но с плавильной индукционной печью и установками для литья слитков.
Основные преимущества канальных индукционных печей:
1) наименьшая по сравнению с другими печами окисляемость металла и испаряе-
мость основного и легирующих элементов;
2) высокий электрический и тепловой к. ц. д.;
68
3) однородность химического состава выплавляемого сплава.
Основные недостатки:
1) в связи с повышенной (на 100—200 °C) температурой металла в канале печи
стойкость футеровки канала снижается; в процессе плавки алюминиевых сплавов
происходит зарастание каналов оксидами, шлаками и другими неметаллическими
включениями, поэтому нужна их периодическая чистка;
2) необходимость постоянно держать в печи сравнительно большое количество
расплавленного металла. Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеров-
ки и к ее растрескиванию.
Канальные печи предназначены для непрерывного режима работы. В случае
перерыва в работе в печи всегда оставляют такое количество металла, которое обеспе-
чивает полное заполнение каналов. Этот металл поддерживают в расплавленном
состоянии. Применение канальных печей не рекомендуется при использовании за-
грязненной шихты, при использовании в качестве шихты отходов и стружки, осо-
бенно при выплавке алюминиевых сплавов, а также всевозможных лигатур и сплавов
на медной основе, содержащих свинец и олово, так как при этом резко снижается
срок службы футеровки канальной части печи.
Индукционные канальные печи по сравнению с индукционными тигельными име-
ют более высокий к. п. д. Они дешевле тигельных и занимают меньшую площадь. Как
правило, современные индукционные канальные печи снабжаются съемными унифи-
цированными индукционными единицами, которые можно заменять в случае выхода
их из строя новыми (заранее подготовленными и разогретыми) без остановки печи.
Основные технические характеристики индукционных канальных печей для
плавки цветных металлов приведены в табл. 19.
Индукционная канальная печь (рис. 26) представляет собой футерованную
ванну шахтного илн барабанного типа, заключенную в металлический кожух и
снабженную одной или несколькими индукционными единицами. На рис. 27 показана
индукционная единица для печи ИАК. Индукционная единица—это электромагнитная
Таблица 19. Технические характеристики индукционных канальных печей
Тип печи Назначение Емкость печи (полез- иая), т Мощ- ность, кВт Число ИИАУКЦИ- ОННЫХ единиц Произво- дитель- ность, т/ч
илк Плавка меди и сплавов на 0,4 60 1 0,25
основе меди—латуней 1,0 260 ] 1,3
1,6 750 ] 3,85
2,5 1400 2 7,0
6,0 1400 2' 5,2
16,0 2300 4 8,5
илкм Выдержка, перегрев и раз- 2,5 262 1 11,9
л ивка меди и латуней 6 213 1 11,0
25 144 1 5,5
6 166 1 5,5
6 226 1 11,5
ИАК Плавка алюминиевых спла- 0,4 200 1 0,5
ВОВ 1,0 400 1 1,0
2,5 800 2 2,0
6 2000 2 5,0
16 4000 4 10,0
ИАКР Перегрев, выдержка при 0,16 18 1 0,6
заданной температуре н 0,25 28 1 1,0
разливка по литейным фор- 0,6 36 1 1,2
мам
ицк Плавка катодного цинка 10 300 1 2,2
25 600 2 6,0
40 1000 4 10,0
60 2000 4 20,0
100 3000 6 30,0
89
литейных форм расплавом, затвердевания отливок с сопутствующими явлениями —
объемной и линейной усадкой, возникновением различной структуры, ликвацией,
напряжениями. Начало этим исследованиям в Советском Союзе было положено-
в 1930—1940 гг. акад. А. А. Бочваром, заложившим основы теории литейных свойств
сплавов.
Начиная с 1920—1930 гг. для плавки цветных металлов и сплавов широко при-
меняют электрические печи — сопротивления, индукционные канальные и тигель-
ные. Плавка тугоплавких металлов практически оказалась возможной только при
использовании дугового разряда в вакууме и электронно-лучевого нагрева. В настоя-
щее время идет освоение плазменной плавки, на очереди — плавка лазерным лу-
чом.
В 1940—1950 гг. произошел массовый переход от литья в песчаные формы к
литью в металлические формы — кокили (алюминиевые сплавы, магниевые и мед-
ные) и к литью под давлением (цинковые, алюминиевые, магниевые сплавы, латуни).
В эти же годы в связи с производством литых турбинных лопаток из жаропрочных
никелевых сплавов возродился на новой основе древний способ литья по воску, на-
званный точным литьем и называемый теперь литьем по выплавляемым моделям.
Этот способ обеспечил получение отливок с очень небольшими припусками на меха-
ническую обработку вследствие очень точных размеров и высокой чистоты поверх-
ности, что было необходимо в связи с крайне трудной обрабатываемостью всех жаро-
прочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах.
В заготовительном литье (получение слитков для последующего деформирования
с целью изготовления» полуфабрикатов) в 1920—1930 гг. вместо чугунных начали
широко использовать водоохлаждаемые изложницы. В 1940—1950 гг. происходит
внедрение полунепрерывного и непрерывного литья слитков из алюминиевых, маг-
ниевых, медных и никелевых сплавов.
В 1930—1940 гг. произошли коренные изменения в принципах построения тех-
нологии заливки литейных форм и затвердевания отливок. Эти изменения были обус-
ловлены как резким отличием свойств новых литейных сплавов от свойств тради-
ционного серого чугуна и оловянной бронзы (образование прочных оксидных плен,
большая объемная усадка, меняющийся от сплава к сплаву интервал кристаллиза-
ции), так и возросшим уровнем требований к отливкам по прочности, плотности
и однородности.
Были разработаны конструкции новых расширяющихся литниковых систем
в отличие от старых сужающихся. В расширяющихся системах площади поперечного
сечения каналов увеличиваются от стояка к литникам-питателям, так что самым уз-
ким местом является сечение стояка на переходе к шлаковику-коллектору. В этом
случае первые порции металла, вытекающие из стояка в шлаковик, не могут его за-
полнить. Истечение расплавав из шлаковика в литники происходит под действием
очень небольшого напора в незаполненном шлаковике. Этот небольшой напор соз-
дает соответственно небольшую линейную скорость поступления расплава в полость
литейной формы. Струи расплава в форме не разбиваются на капли, не захватывают
воздух; не разрушается оксидная плена на поверхности расплава в форме, расплав
не загрязняется пленами. Благодаря таким достоинствам расширяющихся литни-
ковых систем их применяют в настоящее время для получения ответственных отли-
вок из всех сплавов.
Другим важным достижением в технологии получения качественных отливок,
развитым и реализованным в период освоения фасонного литья из новых сплавов
цветных металлов, является прицип направленного затвердевания отливок.
Опыт, накопленный при получении отливок из традиционных, «старых» литей-
ных сплавов — серого чугуна и оловянной бронзы, свидетельствовал о том, что не-
обходимо рассредоточить подвод расплава в литейную форму, обеспечивая в первую
очередь надежное заполнение полости формы и не допуская местного ее разогрева.
Объем серого чугуна почти не меняется при кристаллизации, и поэтому отливки
из этого сплава практически не поражаются усадочной пористостью или раковина-
ми и не нуждаются в прибылях.
«Старые» оловянные бронзы с 8—10 % олова имели очень большой интервал
кристаллизации, поэтому при литье в песчаные формы вся объемная усадка в отлив-
ках проявлялась в виде мелкой рассеянной пористости, неразличимой простым гла-
зом. Создавалось впечатление, что металл в отливке плотный и что использование
опыта получения чугунных отливок, с подводом металла к тонким частям ее, оправ-
9
«о
о
-3300
-Ж/7
Рнс. 26. Индукционная канальная печь для плавки медных сплавов емкостью 16 т (ИЛК-16):
1 — кожух; 2 — футеровка; 3 — система водоохлаждения; 4 — индукционная единица; 5 — окно для загрузки шихты; 6 — токоподвод;
7 — механизм поворота печи; 8 — сливиая летка; 9 — окно для загрузки флюса
Рис. 27. Сменная индукционная единица для
главки алюминиевых сплавов
система, состоящая из индуктора 1, магни-
топровода 2, футеровки с плавильным кана-
лом 3. Указанные элементы заключены в
металлический кожух, который присоединен
к печи. При плавке алюминиевых сплавов
образуется оксид алюминия, который ввиду
большей плотности, чем алюминий, оседает,
что приводит к зарастанию канала и умень-
шению его'рабочего сечения. В связи с этим
индукционные единицы для печей типа ИАК
имеют отъемную нижнюю часть 4. Это позво-
ляет оперативно заменятк наиболее засорен-
ную оксидами горизонтальную часть канала
и производить его чистку.
Индукционные единицы плавильных пе-
чей и миксеров в большинстве случаев кон-
структивно аналогичны и взаимозаменяемы,
рах они эксплуатируются иа пониженной мощности. Для увеличения срока служ-
бы индукционных единиц и в первую очередь их футеровки почти во всех типах
канальных печей предусмотрено принудительное комбинированное (водяное и воз-
душное) охлаждение.
Футеровка канальной части печи работает в тяжелых условиях. Она должна вы-
держивать высокую температуру, механические нагрузки, а также противостоять
вибрации и физико-химическому взаимодействию расплава и шлака. Футеровка ка-
нальной части в зависимости от марки выплавляемого сплава и мощности имеет тол-
щину 65—120 мм.
Футеровка индукционных единиц для плавки алюминиевых сплавов выполняется
из жароупорного бетона на жидком стекле с тонкомолотым магнезитом и кислотным
заполнителем или из увлажненной шамотно-кварцитной массы. Стойкость футеровки
составляет 1500—3000 плавок, т. е. 1—2 года. Для футеровки индукционных единиц
при плавке латуней (печи ИЛК) применяют сухую массу с содержанием до 98 %
кварцита с добавкой борной кислоты. Стойкость футеровки составляет 6—12 мес.
Футеровку индукционных единиц для плавки меди изготавливают из увлажненной
высокоглиноземистой массы. Футеровку индукционных единиц в печах ИЦК изго-
тавливают из шамотной массы или жароупорного бетона иа жидком стекле.
Загрузку печей шихтой производят сверху через проемы, перекрываемые фу-
терованными крышками. Крышки снабжены механизмами открывания. Слив металла
из печи производится через сливной носок или летку поворотом печи с помощью
гидравлического, зубчатого или цепного механизма. В раздаточных миксерах ИАКР
и в печах ИЦК металл разливают с помощью электромагнитных насосов.
§ 6. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ, ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ
И ПЛАЗМЕННЫЕ ПЕЧИ
Электродуговые печи косвенного нагрева используют для плавки медных сплавов.
Печь (рис. 28) имеет стальной цилиндрический кожух, футерованный шамотным
. ____________________„ кирпичом. Через отверстия в торцевых
стенках введены два графитовых электро-
да, между которыми зажигается электри-
ческая дуга. С целью перемешивания рас-
плава и „выравнивания температуры ме-
талла печь в процессе плавки непрерывно
покачивается.
Рис. 28. Электродуговая печь для плавки
медных сплавов:
/—корпус печи; 2 — графитовый электрод;
3 — ванна «жидкого металла; 4 — меха-
низм качания иеча
91
Электродуговые печи прямого нагрева (вакуумные с расходуемым электродом)
широко применяют для литья слитков и фасонных отливок из титановых и ряда
Других металлов и сплавов. Принцип работы, конструкция и технические характери-
стики этих печей рассмотрены в гл. 11 и 18. Конструкция электронно-лучевых печей
и их технические характеристики рассмотрены в гл. 12.
Литература: [2, 15, 23, 32, 37, 40] (см. рекомендательный библиографический
список).
Глава 6
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ
ОТЛИВОК
§ 1. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЛИВКАМ
Отливки из сплавов цветных металлов должны иметь определенный химический со-
став, заданный уровень механических свойств, необходимые размерную точность и
чистоту поверхности без внешних и внутренних дефектов. В отливках не допускаются
трещины, неслитины, сквозные раковины и рыхлоты. Поверхности, являющиеся ба-
зами для механической обработки, не должны иметь наплывов и повреждений. До-
пустимые дефекты, их количество, способы обнаружения и методы исправле-
ния регламентируются отраслевыми стандартами (ОСТами) и техническими усло-
виями.
Таблица 20. Допускаемые отклонения на размеры отливок из сплавов
цветных металлов, ±мм
Класс точности Обозначение до- пуска Наибольший габаритикй размер отливки, мм
до 16 16-25 25-40 40—60 60-100 100-160 160—250 250-400 400—630 630-1000 1000—1250 1250—1600 1600 — 2000 2000—2500 | 2500-3000
1 ДЛт! 0,04 0,05 0,06 0,08 0,1 0,12 0,15 0.2
ТЛт! 0,04 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10 0,12 0,15 — — — — —_ — —
МЛт! 0,1 0,1 0.1 0,1 0.2 0,2 0,25 0,3 — — — — — — —
2 ДЛт2 0,07 0,08 0,1 0,12 0,15 0,2 0,3 0,4 — — — — —— —
ТЛт2 0,05 0,06 0,08 0,1 0,12 0,15 0,2 0,3 — — —~ — — — —
МЛт2 0,13 0,15 0,2 0,2 0,25 0,3 0,4 0,5 — — —- -— —- -—. —
3 ДЛтЗ 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 — — — — — —-
ТЛтЗ 0,9 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0.4 0,5 .— —— —— .—- — ——
МЛтЗ 0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 1,0 — — — — — —
4 ДЛт4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1.5 -— —- —
ТЛт4 0.4 0,4 0,4 0,4 0.5 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,1 — -— — —
МЛт4 0,5 0,5 0.5 0,5 0,5 0,6 0,7 1,0 1,5 1,8 2.1 — —• — —
5 ДЛт5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1.2 1,5 1,7 2,С 2,5 — —
ТЛт5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0.8 1,0 1,0 1,0 1,2 1,2 1,2 2,5 1,4 — —
МЛт5 0,6 0,6 0,6 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,7 2,0 2,2 3,1 —— —
6 ДЛтб 0,8 0,8 0,8 0,8 0,9 1,0 1.1 1,2 1,4 1,7 2,0 2,4 2,6 3,3 —
ТЛтб 1,0 1,0 1.0 1,0 1.0 1,2 1,2 1,2 1,3 1,5 1,5 1,5 1,1 2,2 —-
МЛтб 1,0 1,0 1.0 1.0 1,0 1,2 1,2 1.5 2,0 2,2 2,5 2,7 3,1 3,6
7 ДЛт7 1,0 1,0 1,0 1,0 и 1,2 1,3 1,4 1,7 2,0 2,3 2,7 3,1 3,5 4,0
ТЛт7 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,5 1,5 1.5 1,7 1,7 2,С 2,( 2,1 2,6 3,0
МЛт7 1,2 1,2 1.2 1.2 1,2 1,5 1,5 1,7 2,0 2,5 2,7 3,0 3.5 4,0 4,5
*' Примечание, Д — размеры необрабатываемых длин (диаметров); Т — размеры
необрабатываемых толщин (стенок, ребер, фланцев и т. д.); М — размеры между необраба-
тываемыми плоскостями н 'обработанными.
,92
Таблица 21. Припуски на механическую обработку (иа одну сторону), мм
Наибольший габаритный размер отливки, мм Классы точности отливок Наибольший габаритный размер отлигки. мм Классы точности отливок
Лт1, Лт2, ЛтЗ Лт4, Лт5 Лтб, Лт7 Лт1, Лт2. ЛтЗ Лт4, Лтб Лтб. Лт7
До 60 0,5 2,0 2,5 630—1000 — 3,0 5,5
60—100 0,5 2,0 3,0 1000—1250 — 4,0 6,0
100—160 0,5 2,5 3,5 1250—1600 — 4,0 6,5
160—250 0,7 2,5 4,0 1600—2000 — 5,0 8,0
250—400 1,0 2,5 4,0 2000—2500 — —. 9,5
400—630 1,5 3,0 5,0 2500—3000 — — 14,0
Отливки поставляют с обрубленными литниками и обрезанными прибылями.
Места обрезки и обрубки на необрабатываемых поверхностях зачищают заподлицо.
Допускается исправление дефектов заваркой и пропиткой. Необходимость термиче-
ской обработки определяется техническими условиями.
Точность размеров отливок должна отвечать требованиям ОСТ 1.41154—72.
Допуски, включающие в себя сумму всех отклонений от размеров чертежа, имеющих
место на различных стадиях изготовления отливки, кроме отклонений, обусловлен-
ных наличием литейных уклонов, должны соответствовать одному из семи классов
точности (табл. 20). В каждом классе точности все допуски на любой размер одного
вида (Д, Т или М) являются для дан-
ной отливки равными и устанавли-
ваются по наибольшему габаритному
размеру.
Обрабатываемые поверхности от-
ливок, должны иметь припуск на ме-
ханическую обработку. Минимальный
припуск должен быть больше допуска.
Величина припуска определяется га-
баритными размерами и классом точ-
ности отливок. В табл. 21 приведены
припуски на механическую обработку
отливок из сплавов цветных металлов,
регламентированные ОСТ 1.41154—72.
Чистота поверхности отливок
должна соответствовать заданному
классу шероховатости. Она зависит от
способа изготовления отливок, приме-
няемых материалов для изготовления
форм, качества подготовки поверхнос-
ти моделей, кокилей и пресс-форм.
Высота неровностей профиля поверх-
ности отливок для различных классов
шероховатости в соответствии с
ГОСТ 2789—73 приведена в табл. 22.
Для получения отливок, отвечаю-
щих перечисленным выше требова-
ниям, применяют различные способы
литья в разовые формы и формы мно-
гократного использования, техниче-
ские возможности который приведены
в табл. 23. . ______...
Таблица 22. Шероховатость
поверхности
Классы шеро- ховатости по-, верхи остн Параметры шерохова- тости, мкм Базо- вая длина 1, мм]
Ra Rz
1 100—50 400—200 8
2 50—25 200—100 8
3 25-12,5 100—50 8
4 12,5—6,3 50—25 2,5
5 6,3—3,2 25—12,5 2,5
6 3,2—1,6 12,5—6,3 0,8
7 1,6—0,8 6,3—3,2 0,8
8 0,8—0,4 3,2—1,6 0,8
9 0,4—0,2 1,6—0,8 0,25
10 0,2—0,1 0,8—0,4 0,25
11 0,1—0,05 0,4—0,2 0,25
12 0,05—0,025 0,2—0,1 0,25
13 0,025—0,012 0,1—0,05 0,08
14 0,012—0,008 0,05—0,025 0,08
Примечание. Ra — среднее ариф-
метическое отклонение профиля; Rz — высота
неровностей профиля по десяти точкам.
93
Таблица 23. Технические возможности различных способов литья
при изготовлении отливок из сплавов цветных металлов
Способ литья Максималь- ная масса отливки, Кг Максималь- ный габа- ритный Толщина стенки, мм. не менее Диаметр отверстия, мм, не менее
разме р» мм
Под давлением 30 700 0,5—1 1,5—2
В кокиль До 500 2000 3—5 8
Под низким давлением » 10 800 2—3 8
По выплавляемым моделям » 30 1000 1—3 5
В оболочковые формы » 50 1500 3—6 6
В гипсовые формы » 10 2 50 1,5—3 6
В песчаные формы » 1000 3000 4—8 15
Способ литья Литей- ный уклон, град Радиус закругле- ния, мм, ие менее Класс точности Класс шерохо- ватости поверх- ности Припуск иа обработку, мм
Под давлением 0,5-1 0,5 1—: 5—8 0,3—1,5
В кокиль 0,5—2,5 3 4—6 2—4 1,5—8
Под низким давлением 1—2 2 3—Е 3-5 1,5—4
По выплавляемым моделям 1—2 5 3—Е 4—6 0,2—0,7
В оболочковые формы 1—2 5 4-е 3—5 2—8
В гипсовые формы 1 5 4—Е 3-5 2—5
В песчаные формы 0,5-3 5 5-7 1—4 2—14
94
§ 2. классификация отливок
По условиям службы независимо от способа изготовления отливки
делят на три группы: общего, ответственного и особо ответственного назна-
чения.
К группе общего назначения относят отливки для деталей, не рассчитываемых
на прочность. Конфигурация и размеры их определяются только конструктивными
и технологическими соображениями. Такие отливки не подвергают контролю рент-
генопросвечиванием.
Отливки ответственного назначения используют для изготовления деталей, рас-
считываемых на прочность и работающих при статических нагрузках. Они проходят
выборочный контроль рентгенопросвечиванием.
К группе особо ответственного назначения относят отливки для деталей, рас-
считываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагруз-
ках. Их подвергают индивидуальному контролю рентгенопросвечиванием, флуорес-
центному контролю и контролю вихревыми токами.
В зависимости от объема приемно-сдаточных испытаний отраслевыми стандартами
ОСТ1.90021—71, ОСТ1.90016—72, ОСТ1.90248—77 предусмотрено деление отливок
из сплавов цветных металлов на три группы. •
К 1 группе относят отливки, контроль механических свойств которых осуществ-
ляют выборочно на образцах, вырезанных из тела контрольных отливок, с одновре-
менным испытанием механических свойств на отдельно отлитых образцах от каждой
плавки или поштучное испытание на образцах, вырезанных из прилитых к каждой
отливке заготовок, а также поштучный контроль на плотность (рентгенопросвечива-
ние).
Ко II группе относят отливки, механические свойства которых определяют на
отдельно отлитых образцах или на образцах, вырезанных из прилитых к отливке
заготовок, и по требованию завода-потребителя на образцах, вырезанных из отливок
(выборочно), а также поштучный или выборочный контроль на плотность отливок
методом рентгенопросвечивания. (Для отливок Па группы контроль на плотность
не производят).
III группу составляют отливки, у которых контролируют только твердость.
По требованию завода-потребителя производят контроль механических свойств на
отдельно отлитых образцах.
Отнесение отливок к соответствующей группе производится конструктором и
оговаривается в чертеже.
В зависимости от способа изготовления, конфигурации поверхностей, массы,
максимального геометрического размера, толщины стенок, характеристики вы-
ступов, ребер, утолщений, отверстий, количества стержней, характера механической
обработки и шероховатости обработанных поверхностей, назначения и особых тех-
нических требований предусмотрено деление отливок на 5—6 групп сложности
(литье в песчаные формы и под давлением — 6 групп; литье в кокиль, по выплавляе-
мым моделям и в оболочковые формы — 5 групп). Группа сложности отливки опре-
деляется по наибольшему числу признаков, совпадающих с признаками, приведен-
ными в табл. 24 и 25. При этом число совпадающих признаков должно быть не менее
пяти или четырех для шести пли пяти групп сложности соответственно. При мень-
шем числе совпадающее признаков применяют способ группировки их путем после-
довательного отнесения начиная-с более высоких групп сложности в сторону более
низких и останавливаются на группе сложности, при которой достигается необходи-
мое число условно совпадающих признаков. Если приведенные в табл. 24 и 25 приз-
наки для нескольких групп сложности совпадают, то этот признак принимают по
более высокой группе. При равенстве числа признаков по двум группам сложности
отливку относят к той группе, при определении которой использован признак «кон-
фигурация поверхностей».
95
о Таблица 24. Классификационные признаки групп сложности отливок, изготовленных литьем под давлением
Основные признаки сложности отли вок Группа сложности
I 2 3 4 5 6
Конфигурация по- верхностей Масса сплавов, кг: алюминиевых и магниевых цинковых, ^оло- вянных и свинцо- вых медных Максимальный га- баритный размер, мм Толщина основных стенок отливок, мм, нз сплавов: алюминиевых и магниевых ЦИНКОВЫХ, ОЛО- Сочетание плоских, ци- линдрических и полусфери- ческих по- верхностей; бобышки, отверстия. Внутренняя поверхность простой фор- мы. Возможно применение многоместных форм <0,5 <0,8 <0,8 <150 >6,5 >6 Сочетание плоских, ци- линдрических и криволи- нейных по- верхностей; бобышки, приливы, реб- ра и отвер- стия. Внутренняя поверхность простой формы. Воз- можно приме- нение много- местных форм 0,5—2,5 0,8-4 0,8—4 151—250 6,5-5,5 6-5 Сочетание плоских, ци- линдрических и криволи- нейных по- верхностей, бобышки, ребра, глубо- кие пазы и отверстия, , литая резьба и зубья. Внутренняя полость про- стой формы 2,5-4,5 4-8,5 4-8,5 251—350 5,5-4,5 5—4 Сочетание пло- ских, цилиндри- ческих, сфериче- ских и криволи- нейных поверхно- стей; ребра, глубокие пазы и отверстия Внутренние по- лости сложной формы 4,5-12 8,5-22 8,5-12 351—450 4,5-3,5 1-3 Сочетание пло- ских, цилиндри- ческих, конус- ных, сферических и криволинейных поверхностей; параллельно или радиально рас- положенные ребра, приливы, глубокие отвер- стия и пазы. Внутренние по-' лостн сложной формы 12—20 22-30 12-20 450—550 3,5-2,5 3-2 Сочетание пло- ских, цилиидри- £ческих и криво- линейных по- верхностей; ребра, приливы, глубокие отвер- стия и пазы. Внутренние по- лости особо сложной формы >20 >30 >20 >550' <2,5 <2
Зака . 2 25
новых медных >7 7—6 -- 6-5 4- 5—4 4-3 <3
Число полостей и отверстий, выпол- няемых неподвиж- ными стержнями, расположенными на пуансоне <5 6—8 9—12 13—16 17—20 >20
Число полостей и отверстий, выпол- няемых подвиж- ными стержнями, расположенными по бокам формы <2 3 4 5-6 7-8 >8
Число вкладышей, армирующих от- ливку или офор- мляющих резьбу <1 2-3 4-5 6—8 9—11 >11
Характер мехаии- Без обработки Обрабатыва- Обрабатыва- Обрабатывается Обрабатывается Обрабатывается
ческой обработки или ббрабаты- ется до 15 % ется до 20 % до 25 % поверх- до 30 % поверх- до 30 % поверх-
литой детали и вается 10 % поверхности поверхности ности (сверление, ности (сверление, ности (сверление,
требования к ше- поверхности (сверление, (сверление, зенкерование, точение, зенКеро- точение, зенкеро-
роховатости меха- (сверление, зенкерование, зенкерование, точение, раста- вание, растачи- вание, фрезеро- вание, растачи-
иически обработа- зенкер овапие, точение, рас- точение, рас- чиваиие, фрезе- вание, фрезеро-
ных поверхностей точение, рас- тачивание, тачивание, фрезерование), рование, вание, доводка), вание, доводка, полирование),
тачиваиие, фрезерование), Rz = 3204-10, Ra = 1004-2,5 фрезерование), доводка), Rz = 0,634-0,32,
Назначение Rz — 104-5, Ra = 2,54-1,25 Общее Rz = 54-2,5, Ra= 1,254-0,63 Rz = 2,54-0,63, Ra= 0,634-0,16 Ra — 0,164-0,08 Ответственное R? = 0,634-0,32, Ra= 0,164-0,08
Особые техниче- ские требования Не предъявляются » По химическому составу и меха- ническим свой- ствам. Плотность при рабочем давлении 6- 10s Па По химическому составу, механи- ческим и физи- ческим свой- ствам, структуре. Плотность при рабочем давле- нии 12-105 Па По химическому составу, механи- ческим и физи- ческим свой- ствам, структуре, газонасыщенно- сти. Плотность при рабочем давлении >12-10s Па
<я Таблица 25. Классификационные признаки групп сложности отлнвок при литье в кокиль и центробежным способом
Группа сложности
Основные признаки сложности отливки 1 9 3 4 5
Конфигурация по- верхностен Плоская, цилин- дрическая, допу- скающая приме- нение вытрях- ных или много- гнездных коки- лей Открытой короб- чатой, полусфе- рической, цилин- дрической фор- мы, допускающей применение ко- килей с одним разъемом Прямолинейные и криволинейные поверхности сложных очерта- ний с выступами и поднутрениями, ребрами, окнами, требующими при- менения кокилей с двумя-тремя разъемами Пересечение прямо- линейных, цилиндри- ческих н криволиней- ных поверхностей с выступами, подну- трениями, ребрами, окнами, требующими применения кокилей, имеющих до четырех разъемов Пересечение прямо- линейных, цилиндри- ческих и криволиней- ных поверхностей с выступами, углубле- ниями, поднутрениям» н тонкими ребрами, требующими исполь- зования кокилей с чи- слом разъемов более четырех
Масса сплавов, кг: легких черных и тяжелых цветных металлов <8 <1500 8—15 1500—1800 15—30 1800—2000 30-75 2000—2300 >75 >2300
Максимальный габа- ритный размер, мм: легкие сплавы сплавы черных и тяжелых цветных металлов <300 <1000 300—500 1000—1200 500—700 1200-1500 700-1000 1500-2000 >1000 >2000
Толщина основных стеиок, мм >20 20-16 16—10 10-5 <5
Характеристика ре- бер, выступов, уг- лублений, отверстий До 10 мм До 20 мм До 25 мм, легко- доступные для очистки и по- краски До 30 мм, затрудня- ющие очистку и по- краску 30 мм с трудной очист- кой и покраской
Основные признаки сложности отливки 1 2
Число частей кокиля Число отъемных ча- стей кокиля и стерж- ней Характер механиче- ской обработки отлив- ки и требования к ше- роховатости механи- чески обработанных поверхностей Группа по назначению Особые технические требования 1 <2 Без обработки или обработка 10 % поверхно- сти в ОСНОВНОМ сверлением, Rz = 1604-20, /?а= 1004-2,5 Отливки обще Не предъ? 2 2 Обрабатывается 15 % поверхно- сти, в основном сверление, на- ружное точение, торцовое фрезе- рование, Rz = = 104-5, Ra = = 2,54-1,25 го назначения твляются
Группа сложности
Продолжение табл. 25
3 4 5
3—4 5-7 >7
3-4 5-9 >9
Обрабатывается 20 % поверхно- сти, в том числе фрезерование внутренних по- верхностей, рас- тачивание, раз- вертывание, шли- фование, Rz = = 54-2,5, Ra = = 1,254-0,63 Обрабатывается 25 % поверхности. Обра- ботка включает шли- фование, притирку, полирование, Rz = = 2,54-0,63, Ra = = 0,63—0,16 Обрабатывается более 25 % поверхности. Об- работка включает до- водку, суперфиниши- рование, хонингова- ние, Rz = 0,634-0,025, Ra = 0,164-0,008
Отливки ответственного назначения Отлнвкн особо ответ- ственного назначения
По химическому составу или меха- ническим свой- ствам. Плотность при рабочем дав- лении до 6-10® Па По химическому со- ставу и механическим свойствам. Плотность прн рабочем давлении до 30-106 Па По химическому со- ставу, механическим и физическим свой- ствам, металлографи- ческой структуре. Плотность при рабо- чем давлении более 30-10® Па
§ 3. ОПТОВЫЕ ЦЕНЫ НА ОТЛИВКИ
Установление оптовой цены на отливки из сплавов цветных металлов производят
с учетом группы сложности отливок, их массы, способа литья, оптовых цен на цвет-
ные металлы и сплавы. По мере увеличения сложности отливок и уменьшения массы
оптовая цена их возрастает. Так, цена отливок, полученных литьем в песчаные фор-
мы, более высокая, чем цена таких же отливок,, изготовленных литьем в кокиль или
под давлением. В табл. 26 приведены оптовые цены на отливки из некоторых алюми-
ниевых сплавов.
Таблица 26. Оптовые цены на отливки из алюминиевых сплавов АЛ2,
АЛ4, АЛ9, руб/т
Группа сложности
Масса одной отливки, кг 1 2 3 4 5
Литье под давлением
До 0,063 1230 1345 1415 1490 1550
0,063-0,16 1195 1280 1345 1400 • 1450
0,63—1,0 1060 1105 ИЗО 1155 1185
1,0—1,6 1040 1075 1105 ИЗО 1150
1,6—4,0 1025 1040 1050 1075 1095
4,0—6,3 • 1015 1030 1040 1060 1070
6,3—10,0 995 1015 1025 1030 1040
и более
Литье в кокиль
До 0,063 1180 1315 1435 1535 1635
0,063—0,16 1175 1310 1415 1525 1615
0,25—0,4 1160 1285 1390 1480 1565
0,63—1,0 1150 1270 1365 1450 1535
2,5—4,0 1135 1250 1340 1415 1490
6,3—10,0 1125 1230 1315 1390 1460
16,0—25,0 1115 1215 1295 1370 1435
25,0—100,0 1105 1200 1280 1350 1415
Литье в песчаные формы
До 0,063 1905 2076 2210 2407 2644
0,063—0,16 1841 2022 2158 2357 2605
0,16—0,25 1725 1907 2067 2278 2507
0,63—1,0 1581 1765 1934 2163 2402
1,0—1,6 1538 1720 1900 2127 2369
2,5—4,0 1463 1643 1831 2057 2297
6,3—10,0 1398 1574 1765 1994 2232
10,0—16,0 1368 1542 1733 1964 2200
25,0—40,0 1315 1484 1677 1905 2141
63,0—100,0 1268 1429 1622 1857 2092
Глава 7
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ
§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ
Алюминий обладает кубической гранецентрированной кристалли-
ческой решеткой и не испытывает аллотропических превращений.
Он имеет небольшую плотность (2,7 г/см3), невысокую температуру
100
плавления (660 °C), 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 окисляемся с образованием плотной защитной оксидной пленки
из А1гОа. Алюминий широко применяют в электротехнике, авиации,
пищевой промышленности, в автомобилестроении, в строительстве.
ГОСТ 11069—74 предусматривает выпуск первичного алюминия
13 марок, различающихся содержанием примесей (табл. 27). Алю-
миний выпускают в виде чушек массой 5, 15, 1000 и 2000 кг. Основ-
ными примесями алюминия являются железо и кремний. С железом
алюминий взаимодействует с образованием нескольких химических
соединений (рис. 29), из которых наиболее богато алюминием FeAla.
При концентрации 1,8 % железа между алюминием и FeAl3 при
655 °C образуется эвтектика. Растворимость железа в твердом алю-
минии при эвтектической температуре составляет 0,05 %, ниже
400 °C она падает практически до нуля. Поэтому в двойных до-
эвтектических сплавах железо всегда выделяется в виде включений
фазы FeAla, имеющей эвтектическое происхождение или образу-
ющейся в результате распада твердого раствора. С кремнием алюми-
ний также взаимодействует с образованием эвтектики при 577 °C.
Эвтектика содержит 12,5 % кремния. Растворимость кремния в твер-
дом алюминии при эвтектической температуре составляет 1,65 %;
с понижением температуры до 20 °C она уменьшается до 0,01 %
(рис. 30). При одновременном присутствии железа и кремния, кроме
фаз, ^характерных для двойных систем, в структуре могут появляться
и сложные тройные соединения a (FeAlSi) и 0 (FeAlSi).
Примеси железа и кремния оказывают вредное влияние на алю-
миний. Они существенно снижают его пластические свойства, уве-
личивают твердость, повышают температуру рекристаллизации.
В процессе плавки содержание этих примесей увеличивается из-за
Таблица 27. Химический состав первичного алюминия
Марка алюми- ния А1, %, не менее Примеси, %, не более
Fe ’ Si Си Zn Ti 2 (приме- сей)
А999 99,999 0,001
А995 99,995 0,0015 0,0015 0,001 0,001 0,001 0,005
А99 99,99 0,003 0,003 0,003 0,003 0,002 0,01
А97 99,97 0,015 0,015 0,005 0,003 0,002 0,03
А95 99,95 . 0,03 0,03 0,015 0,005 0,002 0,05
А85 99,85 0,08 0,06 0,01 0,02 0,01 0,15
А8 99,80 0,12 0,10 0,01 0,04 0,02 0,20
А7 99,70 0,16 0,16 0,01 0,04 0,02 0,30
А6 99,60 0,25 0,20 0,01 0,06 0,03 0,40
А5 99,50 . 0,30 0,30 0,02 0,06 0,03 0,50
АО 99,00 0,50 0,50 0,02 0,08 0,03 1,0
А 99,00 0,80 0,50 0,03 0,08 0,03 1,0
А5Е 99,50 0,35 0,12 0,02 0,05 0,01 0,50
101
взаимодействия алюминия с огнеупорной футеровкой и стальным
плавильным инструментом.
Кроме примесей, регламентированных ГОСТом, в первичном алю-
минии в сотых и тысячных долях процента содержатся примеси
кальция, натрия, галлия, магния и других элементов. Большинство
из них оказывает сложное многостороннее влияние на его^свойства.
Тысячные доли процента натрия существенно снижают пластические
свойства алюминия при 350—-400 °C, увеличивают его окисляемость
и обусловливают более высокое содержание в нем водорода и оксид-
ных включений. При более высоком содержании натрий вызывает
Рис. 29. Диаграмма состояния системы
Al-Fe
Рис. 30. Диаграмма состояния системы
Al-Si
интеркристаллитную коррозию. Совместное присутствие примесей
натрия и кальция снижает общую коррозионную стойкость алюми-
ния. Эти примеси ухудшают технологические свойства алюминия:
усиливают газонасыщение при выдержке расплавов в атмосфере,
содержащей водяные пары; увеличивают склонность к образованию
пузырей при отжиге листов; способствуют образованию рыхлых
оксидных пленок, легко замешивающихся в расплавы.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В технике используют литейные и деформируемые алюминиевые
сплавы.
Литейные сплавы
Для изготовления отливок в промышленности используют пять
групп литейных алюминиевых, сплавов:
I — сплавы на основе системы Al — Si;
II — сплавы на основе системы А1 — Сц — Si’,
III —сплавы на основе системы А1 —Си;
IV — сплавы на основе системы А1 — Mg;
V — сложнолегированные сплавы,
•102
Рис. 31. Микроструктура сплава АЛ2 с
иглообразными (а), скелетообразными
(б) и компактными (в) выделениями
железистой составляющей; X 200
Химический состав некоторых из литейных сплавов по
ГОСТ 2685—75 приведен в табл. 28.
Наибольшее применение в промышленности находят сплавы I
и II групп.
Сплавы I группы (силумины) широко используют в авиационной,
автомобильной, приборостроительной, машиностроительной, судо-
строительной и электротехнической промышленности. По содержа-
нию кремния (6—13 %) все они, за исключением сплава АЛ2, яв-
ляются доэвтектическими в системе А1 — Si и имеют узкий интервал
кристаллизации и хорошие литейные свойства — небольшую линей-
ную усадку, повышенную жидкотекучесть, малую склонность к обра-
зованию трещин при затрудненной усадке и рассеянной усадочной
пористости. Сплав АЛ2 по содержанию кремния близок к эвтектике
(см. рис. 30). Основными структурными составляющими двойных
сплавов алюминия с кремнием являются первичные кристаллы ocaj
твердого раствора и двойная эвтектика ccai 4* Si.
Наиболее вредной из регламентированных примесей в доэвтекти-
ческих силуминах является железо, образующее с компонентами
сплава тройную промежуточную фазу 0 (AlFeS:), кристаллизую-
щуюся в форме грубых иглообразных выделений ((ис. 31, а), резко
103
Таблица 28. Химический состав некоторых алЮминийвых литейных сплавов
Труп- па спла ВОВ Марка сплава Легирующие элементы. %
Mg Si Мп Си другие элементы
I АЛ2 10—13 .
АЛ4 0,17—0,3 8—10,5 0,2—0,5 —- —
АЛ9 0,2—0,4 6-8 — — —
АЛ 34 0,35—0,55 6,5—8,5 -—. — 0.15—0,4 Be
II АЛЗ 0,35—0,6 4,5—5,5 0,6—0,9 1,5—3 —
АЛ5 0,35-0,6 4,5—5,5 — 1,0—1,5 —
АК7М2 0,2—0,6 6-8 0,2—0,6 1,5—3,0 —
АЛ 32 0,3—0,5 7,5—8,5 0,3—0,5 1—1,5 0,1—0,3 Ti
III АЛ7 — — — 4—5 —
АЛ 19 — — 0,6—1 4,5—5,3 0,15—0,35 Ti
IV АЛ8 9,5—10 — .— — —
АЛ 13 4,5—5,5 0,8—1,3 0,1—0,4 — .—
АЛ23 6—7 — — 0,05—0,15 Ti, 0,02—0,1 Be. 0,05—0,2 Zr
АЛ27 9.5-10,5 — — — 0,05—0,15 Ti, 0,05—0,15 Be, 0,05—0,2 Zr
V АЛ1 1,25—1,75 .— — 3,75—ч,5 1,75—2,25 Ni
АЛ 11 0,1—0,3 6—8 .— .— 7—12 Zn
АЛ21 0,8—1,3 -— 0,15—0,25 4,6-6 2,6-3,6 Ni, 0,1—0,2 Cr
АЛ 25 0,8—1,3 .11—13 0,3—0,6 1,5—3 0,8—1,3 Ni, 0,05—0,2 Ti
АЛЗО 0,8—1,3 11—13 — 0,8—1,5 0,8—1,3 Ni
АК21М2.5Н2.5 0,2—0,5 20—22 0,2—0,4 2,3—3 2,2—2,8 NI,
(ВКЖЛС-2) — — — -— 0,1—0,3 Ti, 0,2—0,4 Cr.
Примечания. 1 — А1 — остальное. 2.3 — литье в песчаные формы; О — литье в
литье под давлением.
снижающих пластические свойства сплавов (рис. 32). По мере из-
мельчения 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 бе-
риллия, которые подавляют образова-
ние 0-фазы и способствуют выделению
более сложных фаз (А1 — Мп — Fe —
Si) и (Al7Fe3Be7), кристаллизующихся
в компактной форме (см. рис. 31, б, в).
Рис. 32. Влияние железа на относительное удлине-
ние б сплава АЛ4
104
Примеси, %, не более
Fe Мп Си Zn Sn Pb Т1 Be Zr Другие примеси S примесей
3,0, в к д 3, о, в К Д
0,7 1,0 1,5 0,5 0,6 0,3 . 0,1 0,1 0,1 Mg 2,1 2,2 2,7
0,6 0,9 1,0 — 0,1 0,2 0,01 0,05 — 0,1 0,15 — 1,1 1,4 1,5
0,6 1,0 1,5 0,5 0,2 0,3 0,01 0,05 — 0,1 0,15 — 1,1 1,5 2,0
0,6 0,6 — 0,1 0,3 0,3 — 1»- — — 0,2 0,1 в 1,0 1,0 —
0,6 1,2 1,6 — — 0,3 0,01 0,05 — — 0,5 •— 1,1 1,7 1,9
0,6 1,0 1,5 0,5 — 0,3 0,01 — — 0,1 0,15 1,0 1,3 1,7
1,1 1,3 1,3 — — 0,5 — — —, — 0,3 Ni 1,8 2,0 2,0
0,7 0,8 0,9 — — 0,3 — .— — — 0,1 — 0,9 1,0 1,1
1,0 1,0 — 0,1 — 0,2 0,01 0,01 0,2 — 0,1 0,03 Mg, 1,2 Si 2,1 2,1 —
02, — — — — 0,2 — — — 0,2 0,05 Mg, 0,3 Si 0,9 — —
0,3 0,3 — 0,1 0,1 0,1 — — 0,07 0,07 0,2 0,3 Si 1,0 1.0 —
0,5 0,5 1,5 — 0,1 0,2 — — — — 0,15 — 0,6 0,6 1.8
0,2 0,2 — 0,1 0,15 0,1 — —. — — — 0,2 Si 0,5 0,5 —
0,2 0,2 0,2 0,1 0,15 0,1 — — — — 0,2 Si 0,5 0,5 0,5
0,7 0,8 - 0,1 . 0,7 Si 1,4 1,4
0,7 1,2 1,5 0,5 0,6 - — — — — — — — 1.7 1,9 2,5
0,6 0,6 -— — — 0,3 — — — — — 0,5 Si 1,3 1,3 —
0,8 -— — — — 0,5 0,02 0,1 — — — 0,2 Ni — 1,1 —
0,7 — -— 0,2 S 0,2 0,01 0,05 0,2 — — — ,— 1,1 —"
0,9 — — 0,2 0,01 0,04 — — — 1,1
оболочковые формы; В — литье по выплавляемым моделям; К — литье в кокиль; Д —
Двойные сплавы алюминия с кремнием х (АЛ2) незначительно
упрочняются в процессе термической обработки. Для того чтобы
сообщить им восприимчивость к упрочнению, их легируют магнием
(0,2—0,55 %), образующим фазу-упрочнитель Mg.Si, имею-
щую переменную растворимость в алюминии. Для измельчения
зерна ад1 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 модифици-
рованном состоянии, так как немодифицированные сплавы имеют
низкие пластические свойства, обусловленные грубыми выделениями
эвтектического кремния (рис. 33, б). Модифицирование осуще-
ствляют введением в расплав 0,05—0,1 % натрия или 0,06—0,08 %
стронция (рис, 33, а).
Ю5
Рис. 33. Микроструктура доэвтектического силумина; X 200:
а — модифицированный стронцием; б — немодифици ров энный
Примесь натрия вместе с тем оказывает и неблагоприятное воз-
действие, существенно повышая склонность силуминов к окислению
и поглощению водорода в процессе плавки, что влечет за собой
обогащение расплавов оксидными включениями и интенсивное раз-
витие газовой пористости. Натрий уменьшает плотность алюмини-
евых расплавов, увеличивает, коэффициент объемного термического
сжатия и объемные изменения силуминов при кристаллизации, что
способствует увеличению склонности их к образованию усадочной
пористости. Примеси стронция и лития оказывают такое же не-
благоприятное воздействие на объемную усадку и пористость от-
ливок, как и примесь натрия.
Примеси кальция, бария и натрия в эвтектических и заэвтекти-
ческих сплавах, лежащих вблизи эвтектики, способствуют образова-
нию сферолитов и глубоких локальных усадочных раковин («про-
валов») на поверхности отливок при литье в песчаные формы
(рис. 34). Действие кальция и бария усиливается, если сплав моди-
фицируют натрием. Примеси кальция, бария, лития и натрия спо-
Рис. 34. Усадочные раковины на поверх-
ности отливки, вызванные образованием
сферолитов
106
собствуют развитию газоусадочной
пористости.
Заэвтектические сплавы (14—
20 % Si) отличаются жаропроч-
ностью, повышенной износостой-
костью и небольшим коэффициен-
том термического расширения.
Основными структурными состав-
ляющими этих сплавов являются
кристаллы кремния и эвтектика
aAi -f- Si. Заэвтектические силу-
мины также применяют в моди-
фицированном состоянии, так как
немодифицированные сплавы с
грубыми выделениями первичного
кремния плохо обрабатываются
резанием и обладают хрупкостью.
Рис. 35. Микроструктура заэвтектичегкого силумина (22 % Si); ХЮО:
а — немодифицированмый; б — модифицированный фосфором
Модифицирование фосфором существенно улучшает их свойства.
Микроструктура исходного и модифицированного заэвтекти чес кого
силумина показана на рис. 35.
Сплавы II группы в качестве основных легирующих компонентов
содержат кремний (4—8 %) и медь (I—8 %). Их широко применяют
при изготовлении отливок с повышенной твердостью и прочностью,
сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и име-
ющих высокую чистоту обработанной поверхности — корпусов
приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиацион-
ных двигателей воздушного охлаждения. Сплавы этой группы за
счет усложнения состава и более сильного пересыщения aAi твердого
раствора более жаропрочны, чем силумины. Они обладают хорошей
жидкотекучестью, малой линейной усадкой, но более склонны, чем
сплавы I группы, к образованию усадочной пористости и трещин
при затрудненной усадке. Так же как и силумины, сплавы II группы
имеют многофазную структуру. Основными структурными составля-
ющими их являются первичные кристаллы твердого раствора аА1,
двойная эвтектика aAi + Si и тройная эвтектика aAi + Si + CuA12
(рис. 36). Кроме того, в зависимости от содержания примесей железа
и марганца в число структурных составляющих сплавов входят
компактные (Al, Мп, Fe, Si) или игольчатые (А1 —Fe — Si) выделе-
Ри . 36. Алюминнезы‘1 угол диаграммы состояния сис-емы Al -Си—Si (по
А. М. Захарову). Сплавы: АЛС (/); АЛ7-4 (2); АЛ7 (с 1,8 % S1) (3); АЛ7
(с 3 % Si) (4)
107
йия железистой составляющей. В сплавах с магнием выделяется
четверная эвтектика аЛ] + Si + CuA12 + Mg2Si. В некоторые
сплавы II группы для измельчения зерна вводят титан.
Сплавы на основе системы АI —Сц (III группа) отличаются высо-
кими механическими свойствами и низкой коррозионной стойкостью.
В отличие от сплавов I группы они хорошо обрабатываются реза-
нием. 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
Рис. 37. Диаграмма состояния системы
Al—Си
Рис. 38. Диаграмма состояния системы Al—Mg
III группы являются аА] твердый раствор меди в алюминии и эвтек-
тика аА1 + СиА1г. Кроме того, в структуре сплавов всегда обнаружи-
ваются выделения железистой составляющей (А1 — Мп — Fe — Si).
Для измельчения зерна отливок и повышения механических и литей-
ных свойств двойные сплавы легируют марганцем, титаном, цирко-
нием 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 —Mg (IV группа) отличаются малой плот-
ностью, высокими коррозионной стойкостью и прочностью; их
используют для изготовления отливок, несущих большие вибра-
ционные 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 аД1-твердый раствор
магния в алюминии и двойная эвтектика аА1 + AlgMg6 (рис. 38).
При неравновесной кристаллизации сплавов системы А1 — Mg обра-
зующаяся вследствие дендритной ликвации неравновесная интер-
металлидная фаза 0 (Al8Mge) выделяется по границам дендритных
ячеек аА1-твердого раствора. ,
Для повышения механических свойств и снижения газовыделения
при кристаллизации двойные сплавы легируют цирконием (0,3 %);
108-
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 грани-
цам зерен. Сплавы IV группы подвергают упрочняющей термической
обработке. •
Сложнолегированные сплавы V группы применяют для изготовле-
ния отливок с повышенной стабильностью размеров, работающих
при повышенных температурах и давлениях, а также для изготовле-
ния сварных конструкций и отливок, хорошо обрабатываемых реза-
нием. Сплавы V группы имеют сложную многофазную структуру,
обусловливающую высокую склонность их к горячим трещинам.
Основными структурными составляющими сплавов этой группы
являются фазы: S(Al2CuMg), Al3(Ni, Cu)2, Т (Al6CusNi). Примеси
железа и кремния образуют, по-видимому, тройную промежуточную
фазу р (Al—Fe—Si). Основную роль в упрочнении сплавов при тер-
мической обработке играет фаза S(Al2CuMg).
Технологические и механические свойства некоторых алюмини-
евых литейных сплавов приведены в табл. 29 и 30.
Таблица 29. Технологические свойства некоторых, алюминиевых сплавов
Сплав Жидко- теку- честь, мм (за- ливка при zotro*1 Линейная усадка, % Объемная усадка кристал- лизации, % Склон- ность к горя- чим тре- щинам (проба ВИ AM), мм Интер- вал кри- стал- лнза- ЦИИ *2 Герметич- ность *я Плот- ность, кг/м3 * 4
А1 317/450 1.7 6,5 __ 2690/2515
АЛ1 • 270/— 1,35—1,45 6.4—6,2 27,5 630/535 3/9; течь 2810/2510
АЛ 2 420/820 0,9—1,0 3,0—3,5 Не обра- зуются 577/577 3/12; разрыв 2650/2460
АЛЗ 340/505 1,3—1,35 4,0—4,2 12—20 616/577 3/10; разрыв 2740/2510
АЛ4 360/800 1,0—1,1 3,2—3,4 Не обра- зуются ' 601/569 3/20; ’ разрыв 2680/2460
АЛ 5 345/750 1,15—1,2 4,5—4,9 7,5 622/570 3/10; 2710/2450
АЛ 6 300/650 1,2—1,3 4,8—5,0 10 620/577 2740/2490
АЛ 7 165/280 1,35—1,45 6,5—6,8 35 649/544 3/5; течь 2760/2520
АЛ 8 325/600 1,3—1,35 4,8—5,* 0 22,5 630/449 1; течь/1,2; течь 2630/2350
АЛ9 350/770 и —1.2 3,7—3,9 5 620/577 3/14; 2670/2450
АЛИ — 1,2—1,4 4,0—4,5 5 675/545 3/15; —
АЛ13 320/500 1,25—1,3 — 12,5 650/550 2670/—
АЛЮ 205/— 1,25 6,0 32,5 650/ 548 0,5; течь/3,5; течь 2780/—
АЛ21 360/— 1,2 -— 22,5 638/555 —- 2830/—
АЛ22 380/650 1,2—1,25 4,7 17,5 — 0,5; течь/0,5; течь —
АЛ23 265/— 1,1 — 15 —~ — —
АЛ23-1 265/— 1.1 — 15 —
АЛ24 230/— 1,2 4,5—4,7 22,5 — 2; течь/18; течь —
АЛ25 425/— 1,15 — 5 — — 2720/—
АЛ27 270/— 1,1 —1.2 — 16,5 — 0,5; течь/3,0; течь —
АЛ27-1 270/— 1,1—1,2 — 12,5 — 0,5; течь/3,0; течь —
109
Продолжение табл. 29
Сплав Жидкое теку- честь, мм (за- ливка прн таен Линейная усадка, % Объемная усадка кристал- лизации. % Склон- ность к горя- чим тре- щинам (проба ВИАМ), мм Интер- вал кри- стал- лы за- цин •* Герметич- ность *2 Плот- ность кг/м’ *4
АЛ28 310/— 17.5
АЛЗО 420/— 1,15 0.95 5 — —— 2700/—
АЛ32 380/— — — — — 2650/—
АЛ 33 320/— 1.3 — 30 638/560 — —-
АЛ34 350/— 1,1 — Не обра- зуются — — 2630/—
*’ В числителе — прутковая проба (песчаная форма), в знаменателе — спиральная
проба (кокиль). Металлостатическнй напор начальный при отливке прутковой пробы на
жидкотекучесть 165 мм, конечный 30 мм, прн отлитке спиральной соответственно 200 и 110 мм.
Воронки и пробки при отливке проб на жидкотекучесть нагревали до 500 °C- ** В числи-
теле — прн /ликв, в знаменателе — прн /сол. *3 В числителе — давление газа, в знаме-
нателе — давление воды. Герметичность характеризуется минимальным давлением, при
котором в дне стакана, имеющем толщину 4 мм, появляется течь. Максимальное давление
газа 3,0 МПа. Разрыв под давлением воды без течн характеризует гидр опр очи ость. •• В зна-
менателе — прн 20 °C, в числителе — прн /Ликв
Таблица 30. Механические свойства некоторых литейных алюминиевых
сплавов
Сплав Способ литья Вид терми- ческой обработки ов, МПа, не менее б, %. не менее НВ, не менее
АЛ2 зм, ом, км 147 4 490
То же Т2 137 4 490
К .—, 157 4 490
д .— 157 1 490
к Т2 147 3 490
д Т2 147 2 490
АЛ4 3, о, в, к, д .—. 147 2 490
к, д Т1 196 1,5 690
зм, ом, вм Тб 226 3 690
к, км Тб 235 3 690
АЛ9 3, о, в, к .—, 157 2 490
д — 167 1 490
3, о, в, к, д Т2 137 2 440
км Т4 186 4 490
3, О, в Т4 177 4 490
к, км Т5 206 2 590
3, о, в Т5 196 2 590
зм, ом, вм Т5 196 2 590
То же Тб 226 1 690
в Т7 196 2 590
в Т8 157 3 540
АЛ5 з, о, в, к Т1 157 0,5 638
3, О, в Т5 196 0,5 690
к Т5 216 0,5 690
3, О, в Тб 226 0,5. 690
з, о, в, к Т7 177 1 638
ПО
Продолжение табл. 30
Сплав Способ литья Вид терми- ческой обработки ов, МПа, не менее 6» Уо- не меиее НВ. не менее
АЛ32 3 Т6 245 1,5 590
к Т1 196 1,5 690
к Тб 264 2 690
Д —. 254 2 690
АЛ19 3, о, в Т4 295 8 690
То же Т5 335 4 885
АЛ8 3, О, В, к Т4 285 9 590
АЛ27 3, О, К, Д Т4 314 12 735
АЛИ з,.о, в — 196 2 785
к —- 206 1 785
Д — 177 1 590
АЛ30 К Т1 196 0,5 885
АК21М2.5Н2.5 к Т1 186 —. 981
к Т2 157 — 885
Примечания: 1. Т1 — искусственное старение без предварительной закалки;
Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и неполное искусственное старение; Тб — за-
калка и полное искусственное старение; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 —
закалка и смягчающий отпуск. 2. 3, О, К, Д, В — см. табл. 28, М — модифицированное
состояние.
Деформируемые сплавы
В промышленности используют девять групп алюминиевых дефор-
мируемых сплавов:
I группа — сплавы на основе системы А1 —Мп;
II группа —сплавы на основе системы Al—Mg—Si (АД31,
АДЗЗ, АД35, АВ);
III группа —сплавы на основе системы А1—Си—Mg (Д1, Д16,
В65, Д18);
IV группа — сплавы на основе системы AI—Mg—Мп (АМг2,
АМгЗ, АМг4, АМг5, АМгб);
V группа — сплавы на основе системы А1—Zn—Mg—Си (В95);
VI группа — сплавы на основе системы А1—Си—Mg—Ni—Fe
(АК2, АК4, АК4-1);
VII группа — сплавы на основе системы А1—Си—Mg—Si (АК6,
АК8);
VIII группа — сплавы на основе системы А1—Си—Мп (Д20);
IX группа — сплавы на основе системы AI—Си—Li—Мп
(ВАД23).
Химический состав некоторых деформируемых сплавов
по ГОСТ 4784—74 приведен в табл. 31.
По прочностным свойствам деформируемые сплавы делят на
три группы: 1 — высокопрочные; 2 —средней прочности; 3 —жаро-
прочные. К числу высокопрочных (<тв = 4504-500 МПа) относят
Сплавы Д16, АКД В93, В95, ВАД23; к сплавам средней прочности
111
Таблица 31. Химический состав некоторых алюминиевых деформируемых сила
Легирующие элементы, %, не более
Сплав Си Mg Мп Si другие элементы
АД1
АМгб — 5,8—6,8 0,5—0,8 —. 0,02—0,1 Ti; 0,005 Be
АДЗЗ 0,15—0,4 0,8-1,2 —. 0,4—0,8 0,15-0,35 Сг
АВ 0,1—0,5 0,45—0,9 0,15-0,35 0,5—1,2 —.
Д1 3,8-4,8 0,4—0,8 0,4—0,8 .—. .—. 1
В65 3,9-4,5 0,15—0,3 0,3-0,5 — — —.
Д16 3,8-4,9 1,2—1,8 0,3-0,9 —, —.
АК4 1,9-2,5 1,4—1,8 — 0,5—1,2 0,8-1,3 Ni; 0,8-1,3Fe
АК6 1,8—2,6 0,4—0,8 0,4—0,8 0,7—1,2 .—
В95 1,4—2,0 1,8—2,8 0,2—0,6 —. 5,0—7,0 Zn; 0,1—0,25 Сг
ВАД23 4,9—5,8 — 0,4—0,8 — 0,1—0,25 Cd; 1,0—1,4 Li
Примечание. А1 — остальное.
(<тв = ЗОО-г-450 МПа) — Д1, АК2, АК4, АК4-1, АМгб; к числу жаро-
прочных, обладающих высокой длительной прочностью и низкой пол-
зучестью при повышенных температурах, относят сплавы Д16, АК2,
АК4, АК4-1, ВАД23.
Деформируемые сплавы в отличие от литейных содержат меньший
процент легирующих компонентов и, как правило, имеют структуру
твердого раствора на основе алюминия с некоторым количеством из-
быточных фаз. В этих сплавах по два-три и более легирующих ком-
понентов с содержанием 0,2—4 % каждого. Исключение составляет
лишь сплав АМц (1—1,6 % Мп), отличающийся высокой коррозион-
ной стойкостью и пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой
прочностью. Сплав применяют для изготовления сварных резерву-
аров для жидкостей и газов, трубопроводов и других изделий.
Для аналогичных, но более ответственных конструкций исполь-
зуют сплавы алюминия с магнием. Механические свойства их выше,
чем у сплава АМц. Алюминиевомагниевые сплавы обладают высокой
коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью.
Из сплава АВ изготавливают листы, трубы и штамповки. Сплав
сочетает высокую пластичность, удовлетворительную коррозионную
стойкость, умеренную прочность в термообработанном состоянии
и хорошую свариваемость.
Наибольшее применение в различных отраслях машиностроения
получили сплавы системы А1—Cu—Mg, называемые дуралюминами.
Эти сплавы по прочностным свойствам превосходят сплавы АМц,
АМг, АВ. Предел (прочности сплава Д16, например, достигает
460 МПа. Недостаток дуралюминов — пониженная коррозионная
стойкость и плохая свариваемость.
Еще более высокими прочностными свойствами обладают сплавы
системы Al—Mg—Zn—Cu (В95), которые используют для изготовле-
ния тяжелонагруженных элементор конструкций,
112
BOB
Примеси, %, не более
Fe Si Си Мп N1 Zn Ti Mg npovF е прнмеси
0,3 0,3 0,05 0,025 0,1 0,15 0,05
0,4 0,4 0,1 .— — 0,2 — — — о,1
0,7 .— — 0,15 — 0,25 0,15 0,15
0,5 —- •—- — — 0,2 0,15 —— 0,1
0,7 0,7 -—. — 0,1 0,3 0,1 — 0,1
0,2 0,25 — — —. 0,1 0,1 — — 0,1
0,5 0,5 — .— 0,1 0,3 0,1 — — 0,1
— — — 0,2 — 0,3 0,1 — — 0,1
0,7- — — — 0,1 0,3 0,1 — — 0,1
0,5 0,5 — — 0,1 — — — — 0,1
0,3 0,3- — — — 0,1 0,15 0,1 —’
К сплавам специального назначения относят ковочные сплавы
АК.2, АК4, АК8 и др. Некоторые из них (АК4 и АК.4-1) используют
для изготовления деталей конструкций, работающих при повышен-
ных температурах.
Большинство деформируемых алюминиевых сплавов подвергаются
упрочняющей термической обработке. Многие из них в качестве
легирующего компонента содержат марганец (0,2—0,8 %), который
существенно замедляет рекристаллизацию, повышает температуру
этого процесса, измельчает рекристаллизованное зерно и входит
в состав сложных жаропрочных соединений. В ряд сплавов для
повышения жаропрочности вводят присадки железа, никеля, титана
или хрома в количестве 0,2—1 %. Присадка титана вызывает сильное
измельчение зерна в литом состоянии. Для уменьшения окисления
в сплавы алюминия с магнием вводят бериллий (0,0001—0,002 %).
Наиболее вредное влияние на свойства деформируемых алюмини-
евых сплавов оказывают примеси
железа, натрия, лития, кальция и
бария. Примеси щелочных и щелоч-
но-земельных металлов увеличивают
поглощение расплавами водорода,
способствуют развитию газовой по-
ристости, увеличивают склонность
сплавов к образованию трещин при
затрудненной усадке. Примесь нат-
рия особенно вредна для алюминие-
вомагниевых сплавов. Тысячные до-
ли процента натрия (0,003 %) увели-
чивают пористость слитков, объемную
усадку и газонасыщенность сплавов,
существенно снижают их. пдастцче-
113
Na ЯГ* %
Рис. 39. Зависимость пластических
свойств при 430 °C н величины брака по
трещинам прн прокатке плоских слит-
ков из сплава АМгб от содержания на-
трия
ские свойства. Особенно вредное влияние натрий оказывает на го-
рячеломкость слитков при литье, пластические характеристики
сплавов при горячей деформации и величину брака по трещинам
при прокатке(рис. 39). Как видно, высокий процент брака по трещи-
нам имеет место при содержании натрия в сплаве АМгб 0,0007—
0,0008 %, что обусловлено низкими значениями относительного
удлинения и ударной вязкости.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В зависимости от масштаба и специфики производства плавку алю-
миниевых литейных сплавов ведут в тигельных и отражательных
печах, работающих на электроэнергии, жидком или газообразном
топливе. Особенно широко применяют электрические индукционные
печи.
Плавку деформируемых сплавов ведут в отражательных и индук-
ционных печах большой емкости (7—30 т). Для ускорения плавления
шихты, увеличения производительности, выравнивания температуры
и химического состава в отражательных печах устанавливают газо-
динамические насосы для перемешивания расплавов. Для обеспече-
ния максимальной производительности плавильные печи устана-
вливают в паре с миксером (раздаточной печью). Это позволяет
осуществлять перелив металла закрытой струей, с помощью сифона,
обеспечивая минимальное окисление и загрязнение его неметалли-
ческими включениями. Сифонный перелив исключает необходимость
использования ковшей и обеспечивает безопасность труда.
Плавка большинства алюминиевых сплавов не составляет труд-
ностей. Легирующие компоненты, за исключением магния, цинка
а иногда и меди, вводят в виде лигатур. Медь вводят в расплав при
740—750 °C, лигатуру Al—Si— при 700—740 °C; цинк загружают
перед магнием, который обычно вводят перед сливом металла. За-
грузку шихтовых материалов ведут в следующей последователь-
ности; чушковой алюминий, крупногабаритные отходы, переплав,
лигатуры или чистые металлы. Максимально допустимый перегрев
для литейных сплавов 800—830 °C, для деформируемых 750—
760 °C.
При плавке на воздухе алюминий окисляется. Основными окисли-
телями являются кислород и пары воды. Содержание влаги в воздухе
в зимнее время составляет 2—4,5 г/м3, в летнее 18,5—23 г/м3; про-
дукты горения жидкого или газообразного топлива могут содержать
от 35 до 70 г/м3 водяного пара. В зависимости от температуры и да-
вления кислорода и паров воды, а также от кинетических условий
взаимодействия при окислении образуются оксид алюминия (А12О3)
и субоксиды (А1аО и АЮ). Вероятность образования субоксидов
возрастает с увеличением температуры и уменьшением парциального
давления кислорода над расплавом. В обычных условиях плавки
термодинамически устойчивой фазой является твердый оксид алю-
миния y-AlaOs, который не растворяется в алюминии и не обра-
зует с ним легкоплавких соединений. При нагреве до 1200 °C у-АЦОч
114
Перекристаллизовывается в а-А12О3. По мере окисления на поверх-
ности твердого-и жидкого алюминия образуется плотная, прочная
пленка оксида толщиной 0,1—0,3 мкм. При достижении такой тол-
щины окисление практически приостанавливается, так как скорость
диффузии кислорода через пленку резко замедляется. Скорость окис-
ления сильно возрастает с повышением температуры расплава (рис. 40).
Процесс окисления жидких сплавов алюминия очень сложен
и недостаточно изучен. Имеющиеся данные показывают, что интен-
сивность окисления составляющих сплавов является функцией да-
вления кислорода, давления диссо-
циации их оксидов, концентрации
составляющих в сплаве, скорости
диффузии атомов навстречу атомам
Рис. 40. Зависимость прироста мас-
сы Ат расплава при окислении алю-
миния от времени выдержки и
температуры, °C:
1 — 640; 2 — 700; 3 — 750; 4 — 800;
5 — 850; 6 — 900; 7 — 1000
Рис. 41. Влияние различных элементов
и силумина (Al -|- Si) на окнсляемость
алюминия при 800 °C
кислорода, взаимодействия оксидов между собой и т. д. Кинетика
окисления определяется сплошностью, плотностью и прочностью
оксидной плены. При одинаковой концентрации прежде всего окис-
ляются наиболее активные элементы, у которых образование оксида
связано с наибольшим уменьшением изобарно-изотермического по-
тенциала. Большинство легирующих элементов (Си, Si, Мп) не ока-
зывает существенного влияния на процесс окисления алюминия
и защитные свойства оксидной плены, так как отвечают отношению
> 1. Оксидная плена на двойных сплавах алюминия
с этими элементами при низкой их концентрации состоит из чистой
у-А12О3. При значительных содержаниях указанных элементов
образуются твердые растворы оксидов легирующих элементов
в у-А12О3 и соответствующие шпинели.
Щелочные и щелочноземельные металлы (К, Na, Li, Ba, Са, Sr,
Mg), а также цинк (0,05—0,1 %) сильно увеличивают окнсляемость
алюминия из-за образования рыхлых оксидных плен (рис. 41).
Сплавы алюминия с магнием образуют оксидную плену перемен-
ного состава. При малом содержании магния (до 0,005 %) оксидная
115
плена имеет структуру у-А1203 и представляет собой твердый раствор
MgO в у-А12О3; при содержании 0,01—1 % Mg оксидная плена со-
стоит из шпинели (MgO-А12О3) переменного состава и оксида магния;
при содержании свыше 1,0 % Mg плена почти полностью состоит из
оксида магния. Бериллий и лантан (до 0,01 %) снижают скорость
окисления этих сплавов до уровня скорости окисления алюминия.
Защитное действие их обусловлено уплотнением оксидной плены
сплавов за счет заполнения образующихся в ней пор.
Перемешивание расплава в процессе плавки сопровождается
нарушением целостности оксидной плены и замешиванием обрывков
ее в расплав. Обогащение расплавов оксидными включениями проис-
ходит и 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 уве-
личения удельной поверхности материала.
Сильно снижают окисляемость алюминиевых расплавов фтор
и газообразные фториды (SiF4, BF3, SFe и др.), которые вводят в печ-
ную 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 ком-
понентами сплавов сложные твердые интерметаллические соедине-
ния, снижающие пластические свойства и ухудшающие обработку
отливок резанием.
Кроме оксидов алюминия, в расплавах обнаруживают оксид
магния (MgO), магнезиальную шпинель (MgAl2O4), нитриды алюми-
ния, магния, титана (AIN, Mg3N2, TiN), карбид алюминия (А14С3),
бориды алюминия и титана (А1В2, TiB2) и др;
В зависимости от происхождения неметаллические включения
встречаются в сплавах в виде дисперсных включений и плен. Основ-
ная масса дисперсных включений имеет размер 0,03—0,5 мкм. Они
сравнительно равномерно распределены в объеме расплава. Наи-
более вероятная толщина оксидных плен 0,1—1 мкм, а протяжен-
ность — от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.
Распределение их в объеме расплава крайне неравномерно. При
выстаивании расплавов крупные включения могут всплывать или
осаждаться. Однако ввиду большой удельной поверхости плен и
малого .отличия их плотности от плотности расплавов всплывание
(осаждение) идет медленно, большая часть плен остается в расплаве
и при заполнении формы увлекается в отливку. На рис. 42 показан
вид плен на нетравленых шлифах и в изломах образцов. Еще более
медленно отделяются тонкодисперсные взвеси. Практически все
количество их переходит в отливку.
Содержание тонкодисперсной взвеси оксида алюминия в алюмини-
евых сплавах определяют методом химического (бромметанолового)
анализа. Для оценки содержания в расплаве оксидных плен исполь-
116
Рис. 42. Оксидные плены в алюминиевых деформируемых сплавах:
а — в изломе технологической пробы; б — в Слнтке, X 270
I
зуют технологическую пробу Добаткина — Зиновьева (рис. 43).
По данным многочисленных исследований содержание тонкодисперс-
ных включений в нерафинированных алюминиевых сплавах соста-
вляет сотые доли процента, а оксидных плен 1—1,5 мм2/см2 площади
излому.
Наиболее вредными из неметаллических включений являются
крупные оксидные плены (рис. 44, а) и шлаковые включения
(рис. 44, б, в). Они резко ослабляют сечения отливок, снижают
пластические, прочностные и усталостные свойства их, являются
причиной образования очагов усиленной коррозии и возникновения
трещин из-за концентрации напряжений. Неметаллические включе-
ния способствуют развитию в отливках усадочных рыхлот и пори- _
стости (рис. 45). Такие отливки не выдерживают обычно испытаний
на гидро- или пневмоплотность — в местах расположения плен,
рыхлот и микропор обнаруживается течь. В большинстве случаев
такие включения обладают повышенной микротвердостью [~(12—
20)* 103 МПа ], что значительно ухудшает качество обработки отливок
резанием и приводит к быстрому износу и поломкам режу-
щего инструмента. Оксидные плены снижают жидкотекучесть рас-
плавов и ухудшают заполнение тонких полостей литейных
форм, вызывая брак по недоливам.
Не менее отрицательное воздействие оказывают плены и шлако-
вые включения на свойства
слитков и полуфабрикатов.
Снижая технологическую
пластичность сплавов, они
способствуют разрушению
слитков в процессе дефор-
мации и образованию рас-
Рис. 43. Технологическая проба
В. И. Добаткина — В. К. Зиновьева на
содержание оксидных плеи;
1 — исходная заготовка; 2 — заготовка
после осадки; 3 — проба до излома; 4 —
излом пробы
117
Рис. 44. Шлаковые включения в изломе (о) и на обработанной поверхнссти отлнвок (б, в)
Рис. 45. Усадочная рыхлота (а), газоусадочная пористость (б) и мнкрспористость (в)
в отливках, Х90
118
Рис. 46. Штриховые расслоения в штампов- (
ках из сплава AR6
Рис. 47. Рваная кромка листа нз сплава
АМгб
слоений различной протяженности в листах и полосах при прокатке,
появлению в изломах прессованных или штампованных заготовок
площадок различной протяженности и окраски в местах распо-
ложения оксидных плен. Оксидные включения наряду с водородом
служат одной из причин образования деформационных расслоений
в виде несплошностей (штрихов) небольшой протяженности (рис. 46),
возникающих в штамповках на границе зон максимального тече-
ния металла при горячей деформации.
Крупные неметаллические включения являются причиной брака
по низким механическим свойствам в поперечном направлении
в изделиях с высокой степенью односторонней деформации (профили,
плиты, штамповки) и уменьшают выход годного за счет образования
трещин и разрывов по кромке листов и лент (рис. 47).
Большое влияние на свойства алюминиевых сплавов оказывают
и тонкодисперсные неметаллические включения. Они повышают
вязкость расплавов, снижают жидкотекучесть их и уменьшают
объем усадочной раковины, способствуя развитию усадочной рых-
лоты. Эти включения задерживают диффузионное выделение водо-
рода из расплава. Обладая развитой поверхностью, они способ-
ствуют пузырьковому выделению растворенного водорода. Тонко-
дисперсные включения, образуя комплексы с водородом, повышают
остаточное содержание его в алюминиевых расплавах, усугубляя
возможность образования газовой пористости и газовых раковин
в отливках, обусловливают образование газовых пузырей (рис. 48)
при отжиге листов и лент в атмосфере, содержащей пары воды.
В результате высокой твердости эти включения повышают износ
режущего инструмента. Являясь готовыми центрами кристаллиза-
ции, тонкодисперсные неметаллические включения вызывают из-
мельчение макрозерна отливок и способствуют снижению пласти-
ческих свойств сплавов. На рис. 49 приведена зависимость размеров
макрозерна слитков из сплава АК6 и механических свойств сплава
АЛ4 от содержания тонкодисперсных оксидных включений.
119
Интерметаллические соедине-
ния, образующиеся в расплавах
в виде крупных (50—500 мкм) пер-
вичных выделений самостоятель-
ной фазы, также оказывают не-
благоприятное воздействие на свой-
ства 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 тон-
Рис. 48. Газовые пузыри иа листах из алю- КИС ИГЛООбрЯЗНЫе ВЫДеЛеНИЯ ХруП-
мнния АД1 после отжига ких кристаллов желеЗИСТОЙ СОСТЭВ-
ляющей (FeAl3 или AlxSivFe2).
Во время плавки алюминий насыщается водородом, содержание
которого может достигать 1—1,5 см’ на 100 г металла. Основным
источником водорода являются пары воды, парциальное давление
которых в атмосфере газовых плавильных печей может составлять
8—16 кПа. Оксидная плена на шихтовых материалах также яв-
ляется источником насыщения расплава водородом, так как на 30—
60 % состоит из А1 (ОН)8. Химически связанная влага с трудом уда-
ляется с поверхности шихтовых материалов даже при 900 °C. Попа-
дание гидроксида в расплав вызывает сильное насыщение его водо-
родом. По этой причине нежелательно введение в шихту стружки,
опилок, обрези, сплесков и других некомпактных отходов. Приобрел
тают особое значение организация хранения и своевременная пе-
реработка отходов и возвратов собственного производства, предотвра-
щающие окисление и коррозию с образованием гидриксидов.
Влияние легирующих элементов и примесей на равновесную рас-
творимость водорода в алюминии выражается в следующем. Медь
и кремний уменьшают растворимость водорода, а магний увеличи-
вает. Растворимость увеличивают также все гидридорбразующие
элементы (Ti, Zr, Li, Na, Caj Ba, Sr). Так, сплав алюминия с 5 % Zr
может содержать до 45 см3 водорода на 100 г.
Существенную долю растворенного в сплавах водорода вносят
электролитическая медь и лигатуры. Так, лигатура А1—Ti в. зави-
симости от технологии выплавки может содержать до 25 см8 водо-
1?0
Рис. 49. Зависимость размера зер-
на rf, содержания водорода в слит-
ках сплава АК6 (я) н механических
свойств сплава АЛ4 (б) от концен-
трации тонкоднспериых включений
роДа на 106 г, а элёкДрбли1ическая мёдЬ с наростами — до 20 см9
на 100 г.
Литейные сплавы содержат большее количество примесей и не-
металлических включений, чем деформируемые. Поэтому они в боль-
шей степени предрасположены к поглощению газов.
Кинетика процесса наводороживания алюминиевых расплавов
лимитируется массопереносом водорода в жидком металле, через
поверхностную оксидную плену и в газовой среде. Наиболее суще-
ственное влияние на массоперенос оказывают состав сплава и со-
держание неметаллических включений, опрёделяющих проницае-
мость оксидной плены и диффузионную подвижность водорода. На
проницаемость плены существенное влияние оказывает также со-
став газовой среды.
Диффузионную подвижность водорода в алюминии уменьшают
медь, кремний, магний, марганец и титан. Наиболее активно дей-
ствуют три последних элемента. Сильно замедляют диффузионную
подвижность тонкодисперсные неметаллические включения, обла-
дающие высокой адсорбционной способностью по отношению к во-
дороду.
Плена оксида алюминия обладает малой проницаемостью для .
атомов водорода, она замедляет реакции взаимодействия расплава
с влагой атмосферы. При толщине плены 1 мкм газообмен между
металлом и атмосферой практически прекращается. Все элементы,
увеличивающие окнсляемость алюминия (Mg, Li, Na, Sr, Ca), уве-
личивают проницаемость оксидной плены для водорода. Медь,
цинк и кремний мало влияют на газообмен.
На водородопроницаемость оксидной плены существенно влияет
состав атмосферы над расплавом. Проницаемость плены значительно
увеличивается, если в газовой среде присутствуют С12, С2С16, BF4,
SiF4, фреоны и другие галогениды. Хлориды, обладая высоким
сродством к алюминию, проникают под оксидную плену и разрушают
ее в результате образования газообразного хлорида алюминия.
Фториды менее активно взаимодействуют с алюминием, но они
способствуют дегидратации оксидной плены и десорбции молекул
и атомов кислорода. В результате высокой адсорбционной способ-
ности фториды занимают освобождающиеся активные центры на
плене и создают оксифторидные комплексы типа A12O2F2, которые
прекращают доступ кислорода и паров воды к расплаву, делая
плену тонкой и проницаемой для водорода. Жидкие флюсы, содер-
жащие фториды, также разрушают оксидную плену и облегчают
дегазацию расплавов.
Растворенный водород, выделяясь при кристаллизации распла-
вов, вызывает образование газовой и газоусадочной пористости в от-
ливках. С увеличением концентрации водорода в расплаве газовая
пористость отливок возрастает.
Содержание водорода в алюминиевых расплавах в производствен-
ных условиях определяют методом Дарделла—Гудченко (по выделе-
нию первого пузырька газа) или методом вакуумной экстракции
твердого образца. Пористость отливок оценивают обычно по пяти-
121
балльной шкале ВИАМ (рис. 50). Между содержанием ВоДорода,
пористостью отливок и плотностью сплава существует взаимосвязь;
которая для сплава АЛ4 приведена ниже:
Балл пористости по шкале
ВИАМ..................... I
Содержание газов, см3/100 г 0,3—0,4
Плотность сплава, г/см® . . 2,652—
2,669
II
0,4—0,65
2,652—
2,658
III
0,65—1,0
2,642—
2,645
IV V
1,0—1,3 1,3—2,6
2,632— 2,556—
2,640 2,589
Предрасположенность алюминиевых сплавов к газовой пори-
стости определяется не абсолютным содержанием газа в расплаве,
а количеством газа, выделяющегося при кристаллизации (СН(—Ст),
Номер зталона 1 2 3 4 5'
ЛВР До 5 До 10 До 15 До 20 До 25
Диаметр пор, нм До 0,1 ~ 90% До 0,2-10% До 0,1-80% ДО 0,2-20% До 0,3-80% До 0,5—20% До 0,5-70% До 1,0-30% ДО 0,5-60% До 1,0-30% > 1,0 -10%
Рнс. 50. Шкала пористости ВИАМ
где Ст — содержание газа в расплаве; Ст — содержание газа в твер-
дом сплаве. Объем выделившегося газа зависит от степени пересы-
щения твердого раствора газом CT/ST, где£т — равновесная раство-
римость газа в твердом сплаве. Чем больше степень пересыщения,
тем меньше разность (Ст—Ст), тем менее вероятно образование га-
зовых пор.
Степень пересыщения твердых растворов увеличивается с уве-
личением’скорости охлаждения; Поэтому при литье в кокили пред-
расположенность к образованию газовой пористости значительно
ниже, чем при литье в песчаные формы.
Для каждого сплава’существуют предельные концентрации во-
дорода, ниже которых в отливках при заданных скоростях охлажде-
ния газовые поры не образуются. Так, для того, чтобы предотвратить
образование газовых пор в отливках из сплава алюминия с 7 % Si
при литье в песчаные формы, необходимо, чтобы содержание водо-
рода в расплаве не превышало 0,15 см3/100 г. Предельным содержа-
нием водорода в сплаве Д16 считается 0,12—0,18 см3/100 г в зави-
симости от интенсивности охлаждения при кристаллизации.
Содержание оксидных включений и растворенных газов в алю-
миниевых расплавах возрастает по мере увеличения времени вы-
держки в плавильных и раздаточных печах. Особенно вредна вы-
держка во влажной атмосфере. Максимальная скорость плавки и
минимальная длительность выдержки расплавов в печи перед раз-
ливкой являются необходимыми условиями повышения их чистоты.
122
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 сни-
жения потерь металла (на 25 %), применение кислорода способ-
ствует снижению пористости отливок.
Алюминиевые расплавы предохраняют от окисления и насыще-
ния водородом ведением плавки в вакууме, атмосфере инертных
газов, в воздушной среде, содержащей фториды, применением покров-
ных 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. Ниже приведен состав покровных флюсов;
Номер л.
флюса Состав флюса, % Назначение
1 45 NaCl; 55 КС1 ......................Для большинства спла-
2 37 NaCl; 50 КС1; 6,6 Na3AlF6; 6,4 CaF2 . . bob, кроме алюминие-
вомагниевых
3 42—46 NaCl; 43—47 КС1; 7—5 NasAlF6 . . Для деформируемых
сплавов, кроме алюми-
ниевомагниевых
4 MgCl2-KCl 100 ......................Для алюминиевома-
5 MgCl2-KCl 85; 15CaF2..................гнневых сплавов
6 MgCl2-KC185; 15MgF2
7 55—60 КС1; 45—50 LiCl.................Для алюминиеволи-
тневых сплавов
При плавке большинства алюминиевых сплавов, содержащих не
более 1 % Mg, в качестве цокровного флюса используют смесь хло-
ридов натрия и калия (45 % NaCl и 55 % КС1) в количестве 1—2 %
от массы шихты. Состав флюса соответствует твердому раствору
с минимальной температурой плавления 650 °C. Флюс хорошо сма-
чивает оксид алюминия и расплав. Рекомендуется и более сложный
по составу флюс.
Для алюминиевомагниевых сплавов, содержащих более 1 % Mg,
в качестве защитного флюса используют карналлит (MgCl2-KCl)
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 фто-
риды натрия, так как обогащение алюминиевомагниевых расплавов
натрием существенно ухудшает технологические свойства этих
сплавов. Если применить флюс нельзя, защиту от окисления осу-
ществляют введением в сплав бериллия (0,001—0,005 %). Защитные
флюсы широко используют при плавке сплавов в отражательных пе-
чах. При выплавке небольших порций литейных сплавов в тигель-
ных печах защитные флюсы, как правило, не применяют.
Для предотвращения взаимодействия с влагой принимают меры
к удалению ее из футеровки плавильных печей и разливочных
устройств, рафинирующих и модифицирующих флюсов: подвергают
123
прокалке и окраске плавильно-разливочный инструмент, произво-
дят подогрев, очистку и сушку шихтовых материалов.
Несмотря на тщательную защиту расплавов при плавке' на воз-
духе, они всегда обогащаются неметаллическими включениями и
водородом и перед заливкой в формы требуют очистки.
Рафинирозание сплавов
Во время плавки алюминиевые ’ расплавь? подвергают очистке от
растворенных металлических примесей (натрия, магния, железа
и цинка), взвешенных оксидных (неметаллических) включений и
растворенного водорода. Для этих целей применяют продувку рас-
плавов инертными и активными газами, отстаивание, обработку хло-
ристыми 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 хло-
ром, смесью инертного газа с хлором (на 100 объемных частей инерт-
ного газа 1—10 объемных частей хлора),, парами хлоридов (С2С1в,
СС14, Т1С14), фреоном (CClaFa) и фильтрованием через зернистые
фильтры из A1F3 или А1аО3, активированные хлором или фтором.
Расход рафинирующего газа 0,2—0,5 м8 на 1 т расплава. Длитель-
ность продувки через керамические насадки или пористые керами-
ческие вставки 10—15 мин при температуре расплава 700—720 °C.
В процессе продувки из расплава удаляются также примеси лития,
калия и кальция и теряется до 0,2 % магния.)Фильтрование рас-
плавов-ведут через фильтры толщиной 150—200 мм из зерен диа-
метром 4—6 мм. Перечисленные методы рафинирования позволяют
довести остаточное содержание натрия в расплаве до (2—3) 10-4 %.
z Вредное влияние натрия на технологические свойства сплава
/ АМгб может быть подавлено введением в расплав присадок висмута
I или сурьмы (0,2—0,3 % от массы расплава), образующих с натрием
\ интерметаллиды, плавящиеся соответственно при 775 и 856 °C.
/7^ Продувку газами широко используют для дегазации расплавов
( и очистки их от неметаллических включений^ Рафинирование осу-
ществляется тем успешнее, чем меньше размер пузырьков проду-
ваемого 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. Этот способ рафинирования широко исполь-
зуют в литейных цехах по производству слитков. Продувку осу-
ществляют в специальных футерованных емкостях, установленных
на пути перелива металла из миксера в кристаллизатор или в ков-
шах. В дно ковша или емкости устанавливают пористую керами-
ческую вставку (рис. 51). Для рафинирования алюминиевых рас-
плавов используют азот, аргон, гелий, хлор и смесь азота (90 %)
с хлором, очищенные от влаги и кислорода.
Продувку азотом или аргоном ведут при 720—730 °C. Длитель-
ность продувки в зависимости от объема расплава колеблется в пре-
124
Рис. 51. Ковш- с пористой кера-
мической вставкой для продувки
расплавов инертным газом:
1 — кожух для подвода инертно-
го газа; 2 — пористая керами-
ческая вставка; 3 — футеровка;
4 — газовый пузырек
делах 5—20 мин; расход газа составляет 0,5—1 м® на 1 т расплава.
Такая обработка позволяет снизить содержание неметаллических
включений до 0,5—0,1 дам2/см2 по технологической пробе Добат-
кина—Зиновьева, а содержание водорода—до 0,2—0,15 см® на
100 г.
Обработку расплавов хлором осуществляют в герметичных ка-
мерах или ковшах, имеющих крышку с отводом газов в вентиляцион-
ную систему. Хлор вводят в расплав через трубки с насадками при
710—720 °C. Длительность рафинирования
при давлении хлора 0,11—0,12 МПа со-
ставляет 10—12 мин; расход хлора 0,3—
0,5 м® на 1 т расплава. Применение хлора
обеспечивает более высокий уровень очист-
ки по сравнению с техническим азотом и
аргоном. Однако токсичность хлора, необ-
ходимость обработки расплавов в специаль-
ных камерах и трудности, связанные с
его очисткой, существенно ограничивают
применение хлорирования расплавов в
промышленных условиях^ Замена хлора
смесью его с азотом обеспечивает доста-
точно высокий уровень очистки, но не
позволяет решить проблемы, связанные
с токсичностью и осушкой.
Продувка газами сопровождается по-
терями магния. При обработке азотом теряется 0,01 % магния;
дегазация хлором увеличивает эти потери до 0,2 %.
Необходимой операицей после продувки является выдержка рас-
плава в течение 10—30 мин для удаления мельчайших газовых пу-
зырьков. Использование расплавов сразу же после окончания про-
дувки без выдержки всегда сопряжено с образованием большого
числа газовых дефектов в отливках.
В процессе продувки наблюдается образование значительного
количества пены, которая увлекается потоком металла в отливку.
Подавление пенообразования достигают нанесением на поверхность
расплава в камере продувки слоя солевых гранул диаметром 6—
10 мм, толщиной 40—60 мм. Нарушая сплошность оксидной плены
на поверхности расплава, гранулы обеспечивают выход инертного
газа без барботажа расплава. Сублимация составляющих гранул
создает в их слое защитную атмосферу, предохраняющую металл
от окислениц. Использование гранул позволяет существенно сни-
зить содержание оксидных плен в отливках, на 10—30 % умень-
шить содержание водорода и снизить брак штамповок по расслое-
ниям.
- Рафинирование хлоридами широко используют в фасоннолитей-
ном производстве. Для этой цели применяют хлористый цинк, хло-
рид марганца, гексахлорэтан, четыреххлористый титан и ряд дру-
гих хлоридов. Все перечисленные хлориды гигроскопичны. Поэтому
перед употреблением их подвергают сушке (МпС1г, С2С16) или пере-
125
плавке (ZnCl2). Технология рафинирования хлоридами состоит
во введении их в расплав -коло'йоЛЬйЬком-н непрерывном перемеши-
вании до прекращения выделения продуктов реакции. Хлориды
цинка и марганца вводят в количестве 0,05—0,2 % при температуре
расплава 700—730 °C, гексахлорэтаи — в количестве 0,3—0,7 %
при 740—750 °C в несколько приемов. С понижением температуры
эффективность рафинирования снижается в связи с повышением
вязкости расплавов; рафинирование при более высоких температу-
рах нецелесообразно, так как оно сопряжено с интенсивным окисле-
нием.
В настоящее время в цехах фасонного литья для рафинирования
широко используют таблетки препарата «Дегазер», состоящего из
гексахлорэтана и хлористого бария (10 %), которые вводят в рас-
плав в количестве 0,5 % при 720—750 °C. Обладая большей, чем
расплав, плотностью, таблетки опускаются на дно емкости, в кото-
рой осуществляется рафинирование, обеспечивая проработку всего
объема расплава.
Хлориды взаимодействуют с алюминием по реакции ЗЛ4е С1г +
+ 2А1 -+ 2А1С13 + ЗМе. Пузырьки хлорида алюминия, поднимаясь
на поверхность расплава, увлекают взвешенные неметаллические
включения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в рас-
плаве водород, происходит очистка расплава. По окончании пере-
мешивания расплаву дают отстояться в течение 10—30 мин при 720—
730 °C для выделения мелких газовых пузырьков.
Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой
удельной поверхностью зеркала расплава. При малой толщине слоя
расплава рафинирование хлоридами малоэффективно. По уровню
очистки от неметаллических включений и растворенного газа обра-
ботка хлоридами уступает продувке хлором.
Очистку алюминиевых расплавов флюсами применяют при плавке
литейных и деформируемых сплавов. Для рафинирования исполь-
зуют флюсы на основе хлористых солей щелочных и щелочноземель-
ных металлов с добавками фторидов—криолита, плавикового шпата',
фторидов натрия и калия, кремнефтористого натрия. Ниже приведен
состав флюсов для рафинирования:
Номер
фчюса Состав флюса, %
Для всех алюминиевых сплавсв,
не содержащих магния
1 47 КС1; 30 NaCl; 23 NaaAlFe
2 35КС1; 50 NaCl; 15 NaaSiFe
Для сплавсв, содержащих магний
3 60 MgCl2-KCl; 40 CaFa
4 12—15 КС1; 80 MgCla-KCl; 5—8 ВаС12
5 80 MgCla.KCl; 20 CaFa
6 85 MgCl2-KCl; 15 MgF2
7 CO MgCl2-KCl; 10 K3AlFe
8 90 MgCl2-KCl; 10 KF
9 90 MgCls-KCl; 10 A1FS
126
Универсальные (рафинирующие и модифицирующие) флюсы
для сплавов системы А1—Si
10 11,5 КС1; 56,5 NaCl; 7 Na3AlF6; 25 NaF
11 10 KC1; 50 NaCl; 10 Na3AlF6; 30 NaF
12 45 NaCl; 15 Na3AlF6; 40 NaF
13 40 KC1; 35 NaCl; 15 Na3AlF6; 10 NaF
В практике плавки большинства алюминиевых деформируемых
сплавов для рафинирования используют флюс № 1, а для очистки
сплавов алюминия с магнием безнатриевые флюсы на основе кар-
наллита (№№ 3—9).
Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в коли-
честве 0,5—1 % от массы металла вводят в расплавы, колокольчи-
ком. Для проработки всего объема расплава колокольчик с флюсом
перемещают по всей площади расплава до полного расплавления
всей навески. Температуру расплава при рафинировании поддержи-
вают на уровне 720—750 °C. После выдержки в течение 30—45 мин
расплава в спокойном состоянии с его поверхности удаляют шлак
и переливают в ковши или миксеры.
Для рафинирования литейных алюминиевых сплавов (силуми-
нов) широко применяют флюсы № 2 и 13. Их вводят в расплавы
в жидком виде в количестве 0,5—1,5 % и энергично замешивают.
Флюсы способствуют разрушению пены, образующейся при пере-
ливе расплавов, но обогащают расплавы натрием. Более целесо-
образно использовать для рафинирования безнатриевые флюсы.
Высокий уровень дегазации получают при вакуумировании. Для
этого выплавленный по стандартной технологии в открытых печах
металл переливают в ковш и помещают в вакуумную камеру. В ка-
мере металл выдерживают при остаточном давлении 1330 Па в те-
чение 10—30 мин, температуру, расплава при этом поддерживают
в пределах 720—740 °C. В тех случаях, когда вакуумирование ве-
дут без подогрева, расплав перед обработкой подогревают до 760—
780 °C.
В больших масштабах для очистки алюминиевых расплавов от
неметаллических включений применяют фильтрование через сет-
чатые, зернистые и пористые керамические фильтры.
Сетчатые фильтры широко используют для очистки расплавов
от крупных включений и плен. Они отделяют те включения^ размер
которых больше ячейки сетки. Сетчатые фильтры изготавливают из
стеклоткани различных марок с размером ячейки от 0,5 X 0,5 до
1,5X1,5 мм и титана. Их устанавливают в распределительных ко-
робках и кристаллизаторах, в литниковых каналах и раздаточных
тиглях (рис. 52); применение их позволяет в 1,5—2 раза снизить
содержание крупных неметаллических включений и плен и не ока-
зывает влияния на содержание дисперсных включений и водорода.
Значительно больший эффект очистки дают зернистые фильтры.
Простейший фильтр Представляет собой слой из зерен фильтрую^
щего материала размером 5—15 мм в поперечнике толщиной 100—
150 мм. Для изготовления их используют шамот, магнезит, алунд,
графит, сплавы хлоридов и фторидов и другие материалы.
127
Рис. 52. Расположение сетчатых фильтров:
а — в распределительной воронке в кристаллизаторе; б — в распределительном
желобе; в — в кристаллизаторе и подлеточиой кЪробке; г — в раздаточном тигле;
д — в литейной форме под стояком; 1 — ломик; 2 — желоб; 3 — фильтр; 4 — рас-
пределительная воронка; б — кристаллизатор; 6 — миксер: 7 — распределитель-
ная коробка; 8 — стопор; 9 — слиток
Очистка металлических расплавов от взвешенных включений при
фильтровании через дернистые фильтры обусловлена механическими
и адгезионными процессами. Первым из них принадлежит решающая
роль при отделении крупных включений и плен, вторым — при
отделении тонкодисперсных включений. За счет сеточного эффекта
зернистые фильтры задерживают лишь те включения, размеры
которых превышают эффективный диаметр межзеренных каналов.
Полнота удаления : взвешенных включений.-’ зависит от природы
материала, размера зерна, толщины слоя фильтра и металлоста-
тического напора, определяющего скорость фильтрации.] Наиболее
I эффективны фильтры, изготовленные из сплавов фторидов (актив-
ных материалов)^ Так» "фильтры из сплава фторидов кальция и маг-
ния позволяют рблучать отливки из сплавов АЛ4, АК6, АМгб в 1,5—
3 раза менее загрязненными оксидными включениями, чем фильтры
из магнезита црис. 53)у Эффективность очистки возрастает по мере
увеличения толщины фильтра и уменьшения диаметра зерна
(рис. 54) и металлостатического напора.
128
Рис. 53. Эффективность очистки сплава
АК6 от оксидных плен в зависимости от
размера зерна d, природы материала и
толщины фильтра. Уровень металла
иад фильтром 50 мм. Материал фильтра:
1,2,4 — сплав фторидов кальция н маг-
ния; 3,5,7 — графит; 6,8,9 — магне-
зит. Толщина фильтра: 4, 7, 9 — 50 мм;
2, 5, 8 — 70-мм; 1, 3, 6 — 100 мм
Рис. 54. Зависимость концентрации
крупных включения и плен в отлив-
ках из сплавов АК6 н АЛ4 от тол-
щины L и материала фильтра. Уро-
вень металла иад фильтром 50 мм.
Материал фильтра:
1—3 — сплав фторидов; 4, 5 — гра-
фит; 6—8 — магнезит. Диаметр
зериа фильтра: 1, 4, 6 — d — 5 мм;
7 — d — 8 мм; 8 — d ~ 11 мм
Максимальный эффект очистки получают при использовании мел-
козернистых (4—6 мм в поперечнике) фильтров из материалов,
обладающих наиболее высокой работой адгезии с неметаллическими
включениями (фториды).
Содержание плен и крупных неметаллических включений в рас-
плавах после фильтрования может быть рассчитано -по уравнению
С = Св-1/(1+Ка^-), (14)
где С — концентрация неметаллических включений после фильтро-
вания, %; Со — исходная концентрация неметаллических включе-
ний, %; Ка — коэффициент, характеризующий|адгезионную актив-
ность материала фильтра (Ка составляет 6,2 для сплавов фторидов
кальция и магния, 3 для графита, 2 для магнезита); L — толщина
фильтра, мм; d — средний диаметр зерна фильтра, мм.
Существенное влияние на полноту отделения крупных включе-
ний и плен оказывают скорость и режим течения расплава по- мвж-
зеренным каналам фильтра. С увеличением скорости уменьшается
возможность осаждения включений из движущегося потока под
действием силы тяжести й увеличивается вероятность смыва уже
осевших включений за счет гидродинамического воздействия, сила
которого пропорциональна квадрату скорости течения- расплава.
5 Заказ 235 129
Активные материалы йаряДу с крупными включениями и пле-
нами позволяют отделить до 30—40 % тонкодисперсных взвесей и на
10—20 % снизить содержание водорода в сплавах, подвергнутых
рафинированию флюсом или хлоридами. По мере удаления тонко-
дисперсных взвесей увеличивается размер зерна в отливках, сни-
жается газосодержание, растут пластические свойства сплавов
(см. рис. 49). Высокий уровень очистки сплавов АК6 и АЛ4 от вклю-
чений и водорода наблюдается при использовании фильтров из
сплава фторидов кальция (48 %) и- магния (52 %) с размером зерна
4—6 мм в поперечнике и высотой фильтрующего слоя 100—120 мм.
Очистка расплавов от тонкодисперсных включений и переход их
из расплава на поверхность зерен фильтра обусловлены убылью
свободной энергии системы, пропорциональной удельной работе
адгезии включений к фильтру, величина которой может быть оце-
нена уравнением
= ^а(в) — СТЖ_В COS 01 — Ож_в COS 02, (15)
где ИПцж) — работа адгезии включений к фильтру в среде рас-
плавленного металла, мДж/м8; И/а'й — работа адгезии включений
к фильтру в газообразной среде, мДж/м8; <тж_в — поверхностное
натяжение расплава, мН/м; 6Ь 0а — краевые углы смачивания ма-
териала фильтра и включений расплавом соответственно, град.
Эффективность очистки алюминиевых расплавов от тонкодисперс-
ных включений зернистыми фильтрами возрастает по мере ухуд-
шения смачивания фильтра и включений расплавом.
Зернистые фильтры, так же как и сетчатые, устанавливают на
пути перелива металла из миксера в форму. При непрерывном литье
слитков оптимальным местом установки является кристаллизатор;
при фасонном литье фильтр располагают в стояке, раздаточном тигле
или литниковой чаше. Расположение зернистых фильтров показано
на рис. 55. Перед использованием фильтр нагревают до 700—720 °C
для удаления адсорбированной влаги и предотвращения замора-
живания металла в каналах.
Заливку ведут таким образом, чтобы верхний уровень фильтра
был покрыт слоем металла толщиной 10—15 мм, а истечение металла
после фильтра происходило под затопленный уровень. При соблю-
дении перечисленных условий остаточное содержание неметалли-
ческих включений и плен в отливке может быть доведено до 0,02—
0,08 мм2/см8 по технологической пробе, т. е. в 2—4 раза снижено по
сравнению с фильтрованием через сетчатые фильтры.
Насыпные зернистые фильтры, несмотря на высокий уровень
очистки расплавов, обладают существенным недостатком — при
использовании их сложно обеспечить стабильность процесса из-за
возможного образования каналов большого сечения.
В последние годы в США разработаны корундовые пластинчатые
фильтры на нитридной связке с фиксированным размером межзерен-
ных каналов и трубчатые керамические фильтры с диаметром пор
175—200 мкм, обеспечивающие очистку алюминиевых расплавов от
130
Рис. 55. Расположение зернистых фильтров:
а — иа участке перелива металла из миксера в форму; б — в кристаллизаторе; в — в рас-
пределительной коробке; г — в раздаточной печи; д — в раздаточном тигле; е — в литнико-
вой чаше; 1 — миксер; 2 — тигель; 3 — фильтр; 4 — печь для подогрева; 5 — распредели-
тельная коробка; 6 — кристаллизатор; 7 —• слиток; 8 — пористая графитовая плита; 9 —
труба; 10 — стопор; 11 — распределительная воронка; 12 — перфорированная плита
неметаллических включений размером более 10 мкм. Установка для
фильтрования через трубчатые фильтры показана на рис. 56.
Самый эффективный способ очистки алюминиевых расплавов от
плен и крупных неметаллических включений >— электрофлюсовое
рафинирование (рис. 57). Оптимальный режим этого процесса пре-
дусматривает пропускание струи металла диаметром 5—7 мм, нагре-
того до 700—720 °C, через слой расплавленного флюса толщиной
5* 131
Рис. 56. Установка для фильтрова-
ния алюминиевых расплавов через
трубчатые керамические фильтры:
/ — футерованная коробка; 2 — ке-
рамическая труба; 3 — корундовая
плита; 4 — отверстие для выдачи
фильтрованного расплава; 5—слив-
ные отверстия
100—150 мм с наложением поля постоян-
ного тока силой 600—800 А и напря-
жением 6—12 В с катодной поляриза-
цией металла. Для электрофлюсового
рафинирования используют футерован-
ные шамотом емкости с выемной перего-
родкой, образующей в них два отсека,
соединенные между собой в нижней
части емкости (см. рис. 57, в). В боль-
шой отсек помещают Сталиной кольце-
вой токоподвод. 'Затем емкость на 2/3
по высо+е заполняют металлом. После
этого в большой отсек заливают флюс
с таким расчетом, чтобы уровень его
перекрыл кольцевой токоподвод, а тол-
щина слоя флюса была не менее 100 мм.
При расходе флюса (карналлитового с
10—15 % CaFa, MgFa или КзА1Рв для
сплавов А1—Mg и А1—Mg—Si и криолитового для других алюми-
ниевых сплавов) 4—6 кг на 1 т расплава и тщательном удалении вла-
ги из флюса и разливочных устройств содержание крупных не-
металлических включений в сплавах АК6, АМгб, В95 может быть
снижено до 0,003—0,005 мма/см2 по технологической пробе.
Пропускание тонких струй расплава через слой жидкого флюса
с одновременным наложением на металл и флюс поля постоянного
тока создает благоприятные условия для адсорбции включений флю-
Рис. 57. Установки Для фильтрования
через жидкие солевые расплавы: а —
с газовым подогревом флюса; б — с
электрическим подогревом флюса; в —
для электрофлюсового рафинирования;
/ — желоб миксера; 2 — распредели-
тельная коробка; 3 — печь; 4 — тигель;
б — жидкий флюс; 6 — распределитель-
ная воронка; 7 —- кристаллизатор; 8 —
слиток; 9 — электрические нагреватели;
10 — стопор; П— миксер; 12 — кольце-
вой электрод; 13 — пробка сливного
отверстия; 14 — генератор тока; 15 *-
регулятор напряжения^ 16 — переклю-
чатель
132
сом за счет снижения межфазного натяжения на границе с металлом,
и уменьшения краевого угла смачивания неметаллических включе-
ний флюсом. С увеличением удельной поверхности и длительности
контакта металла с флюсом эффективность очистки возрастает.
Поэтому конструкция устройств для флюсового и электрофлюсо-
вого рафинирования предусматривают дробление струи металла.
Эффективность очистки снижается по мере повышения температуры
флюса, уменьшения толщины его слоя, увеличения диаметра струи
металла и длительности использования флюса.
Электрофлюсовое рафинирование в отличие от зернистых фильтров
не сопровождается дегазацией расплава и очисткой от тонкодисперс-
ных включений и не оказывает влияния на макроструктуру отливок.
По мере увеличения выпуска отливок из алюминиевых сплавов
промышленность все в большей мере использует вторичные сплавы,
полученные переплавкой различных отходов. Как правило, у этих
сплавов более высокое содержание примесей железа, магния, цинка
и других металлов. Поэтому в процессе выплавки их подвергают
очистке.
Очистку вторичных алюминиевых сплавов от примесей магния,
цинка и железа осуществляют флюсованием, вакуумной дистилля-
цией и отстаиванием с последующим фильтрованием.
/ Удаление магния флюсом основано на реакции 2NasAlFe + ’
+ 3Mg -> 3MgF2 + NaF + 2A1. Сущность технологии очистки со-
стоит в загрузке на поверхность перегретого до 780—800 °C алюми-
ниевого расплава смеси криолита.(50 %) и хлористого натрия (50 %),
расплавления флюса, интенсивном перемешивании расплава с флю-
сом в течение 10—15 мин и удалении продуктов реакции, всплыв-
ших на поверхность расплава. При высоком исходном содержании,
магния (1,5—3 %) в сплаве процесс рафинирования повторяют
несколько раз. С помощью криолита содержание магния в алюми-
ниевых сплавах Может быть снижено до 0,1 %. Для этого необхо-
димо на каждый 1 кг удаляемого магния расходовать не менее 12 кг
криолита.
Магний можно удалить из алюминиевых расплавов также флю-
сом, состоящим из 50 % Na2SiFe, 25 % NaCl и 25 % КС1.
Очистку расплавов от магний и цинка производят дистилляцией
в вакуум-дистилляционных печах при 950—1000 °C. Указанная
обработка позволяет получать сплавы, содержащие 0,1—0,2 % Mg
и 0,02—0,05 % Zn. Очистку расплавов от магния этим способом
производят в тех случаях, когда содержание его в сплаве велико
и применение очистки флюсованием становится невыгодным.
Отстаивание, как самостоятельный процесс, используют для
очистки алюминиевых расплавов от железа. Отстаиванием можно
снизить содержание железа в алюминиевом сплаве до 1,7 %, т. е.
почти до эвтектического содержания согласно равновесно# диа-
, грамме состояния А1—Fe. Дальнейшее снижение достигается совме-
щением процесса .отстаивания с введением в сплав’марганца- или
магния. Присадка этих элементов сдвигает эвтектическую точку
в сторону алюминия и способствует отделению избытка железа.
133
При введении в расплав 1—1,5 % Мп содержание железа в нем мо-
жет быть снижено до 0,7 %. Присадка магния в количестве 25—30 %
позволяет довести содержание железа до 0,1—0,2 %. Для ускорения
процесса очистки после непродолжительного отстаивания расплавы
фильтруют. Фильтрование осуществляют через нагретый до 700 °C
базальтовый фильтр с применением вакуума.
Рафинирование от железа при помощи магния применимо для
сплавов, содержащих не более 1 % Si. При более высоком содержа-
нии кремния образуются силициды, сильно затрудняющие фильтро-
вание и выводящие из цикла значительное количество магния. Кроме
того, сплав обедняется кремнием.
Модифицирование сплавов
Алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения макро-
зерна, первично кристаллизующихся фаз и фаз, входящих в эвтек-
тики, а также с целью изменения формы выделения хрупких фаз.
Для измельчения макрозерна в расплавы вводят титан, цирко-
ний, бор или ванадий в количестве 0,05—0,15 % от массы расплава.
При взаимодействии с алюминием элементы-модификаторы образуют
тугоплавкие интерметаллиды (TiAl3, ZrAl3, TiB2 и др.), обладающие
однотипностью кристаллических решеток и размерным соответ-
ствием их параметров в некоторых кристаллографических плоско-
стях с кристаллическими решетками аАГтвердых растворов спла-
вов. В расплавах появляется большое число центров кристалли-
зации, 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 лига-
тур с алюминием при 720—750 °C.
Еще большее измельчение макрозерна деформируемых сплавов
получают при совместном введении титана и бора в виде тройной
лигатуры А1—Ti—В с соотношением Ti : В = 5 : 1. Центрами кри-
сталлизации в этом случае служат частицы соединения TiB2 разме-
ром 2—6 мкм. Совместное модифицирование алюминиевых сплавов
титаном и бором позволяет получать однородную макроструктуру
с размером зерна 0,2—0,3 мм в слитках диаметром более 500 мм.
Для введения титана и бора используют лигатуру А1—Ti—В, пре^
парат «зернолит» или флюс, содержащий фторборат и фтортитанат
калия. Состав указанных модификаторов и режимы модифицирова-
ния приведены в табл. 32. Наибольшая степень усвоения титана и
бора наблюдается при использовании флюса, который наряду с мо-
дифицирующим оказывает и рафинирующее воздействие.
Модифицирование макроструктуры алюминиевых деформируе-
мых сплавов повышает технологическую пластичность слитков и
однородность механических свойств в поковках и штамповках.
Как уже отмечалось, железо в алюминиевых сплавах обра-
зует твердые интерметаллиды — тройную промежуточную фазу
₽ (А1—Fe—Si) и химическое соединение FeAls. Эти соединения кри-
134
Таблица 32. Состав модификаторов й режимы модифицирования
алюминиевых сплавов
Номер моди- фикатора Состав модификатора Коли- чество модифи- катора, % Расчетное количество модифициру- ющего элемента, % Темпера- тура модифи- цирова- ния» °C
1 Лигатура А1—Ti (2,5 % Ti) 1—3 0,05—0,15 Ti 720—750
2 Лигатура Al—Ti—В (5 % Ti, 1 % В) 1—2 0,05—0,1 Ti, 720—750
0,01—0,02 В
3 «Зернолит» (55 % K2TiFe + 0,2—0,5 0,01—0,02 В, 720—750
+ 3% K2SiFe + 27 % KBF4 + + 15 % С2С1„) 0,05—0,1 Ti
4 Флюс (35 % NaCl, 35 % КС1, 20% K2TiFe, 10% KBF4) Металлический натрий 0,5—1 0,01—0,02 В, 0,05—0,1 Ti 720—750
5 0,05—0,1 0,05—0,1 750—780
6 Флюс (67 % NaF + 33 % NaCl) 1—2 0,05—0,1 Na 780—810
7 Флюс (62,5 % NaCl + 25 % NaF + + 12,5 % KC1) 1—2 0,05—0,1 Na 730—750
8 Флюс (50 % NaCl, 30 % NaF, 10 % KC1, 10% Na3AlFe) 0,5—1 0,05—0,1 Na 720—750
9 Флюс (35 % NaCl, 40 % KC1,10% NaF, 15% N3AlFe) 1—1,5 0,05—0,1 Na 740—760
10 Лигатура Al—Sr (10 % Sr) 0,6—0,8 0,06—0,85 Sr 750—780
11 Лигатура Cu—P (9—<11 % P) 0,5—1 0,05—0,1 P 790—820
12 Смесь 20 % красного фосфора с 10 % K2ZrF6 и 70 % КС1 1,5—2 0,05—0,1 P 790—825
13 Смесь 58 % K2ZrFe с 34 % порошка алюминия и 8 % красного фосфора 0,3—0,4 0,05—0,1 P 790—825
14 Фосфороорганические вещества (хло- рофос, трифенилфосфат) 0,4—0,6 0,05—0,1 P 760—780
Примечание. Модификаторы 1 — 4 применяют для деформируемых сплавов,
5—10 — для модифицирования эвтектики доэвтектических А1—Si сплавов, 11 —14 — для
заэвтектических силуминов.
сталлизуются в форме грубых иглообразных кристаллов, резко сни-
жающих пластические свойства сплавов. Нейтрализацию вредного
влияния железа осуществляют введением в расплавы присадок мар-
ганца, хрома или бериллия. Десятые доли (0,3—0,4) процента этих
присадок подавляют образование иглообразных кристаллов желе-
зистой составляющей, способствуют их коагуляции и выделению
в компактной округлой форме за счет усложнения состава. Модифи-
цирующие присадки вводят в расплав в виде лигатур при 750—
780 °C.
Литейные доэвтектические и эвтектические сплавы АЛ2, АЛ4,
АЛ9, АЛ11, АЛ34 для измельчения выделений эвтектического крем-
ния модифицируют натрием или стронцием (см. табл. 32).
Металлический натрий вводят при 750—780 °C на дно расплава
с помощью колокольчика. Ввиду низкой температуры кипения
(880 °C) и большой химической активности введение натрия связано
с некоторыми затруднениями — большим угаром модификатора
и газонасыщением расплава, поскольку натрий хранят в керосине.
135
Поэтому в йроизводс’гвенных условиях Чистый натрий для модифи-
цирования не применяют. Для этой цели используют соли натрия.
Модифицирований двойным модификатором (№ 6, табл. 32) ве-
дут при 780—810 СС. Применение тройного модификатора (№7)
позволяет снизить температуру модифицирования до 730—750 °C.
Для модифицирования сплав из плавильной печи переливают
в ковш, который устанавливают на обогреваемый стенд. Металл
подогревают до температуры модифицирования, снимают шлак и
на поверхность расплава ровным слоем засыпают молотый и обезво-
женный модификатор (1—2 % от массы металла). Расплав с нанесен-
ными на его поверхность солями выдерживают при температуре
модифицирования 12—15 мин в случае использования модифика-
тора № 6 и 6—7 мин — модификатора № 7. В результате реакции
6NaF + Al -» Na3AlFe + 3Na происходит восстановление натрия,
который оказывает модифицирующее воздействие на расплав. Для
ускорения реакции и обеспечения более полного восстановления
натрия корочку солей нарубают и замешивают на глубину 50—100 мм.
Образующийся шлак сгущают добавлением фторида или -хлорида
натрия и удаляют с поверхности расплава.
Контроль качества модифицирования ведут по изломам проб и
микроструктуре (рис. 33). Модифицированный сплав имеет мелко-
зернистый излом светло-серого цвета без блестящих площадок. После
модифицирования сплав должен быть разлит по формам в течение
25—30 мин, так как более длительная выдержка сопровождается
снятием эффекта модифицирования.
Использование универсального флюса (№ 8, табл. 32) позволяет
совместить операции рафинирования и модифицирования силуми-
нов. Сухой порошкообразный флюс в количестве 0,5—1 % от массы
расплава засыпают под струю металла во время перелива из пла-
вильной печи в ковш. Струя хорошо перемешивает флюс с распла-
вом. Процесс- идет успешно, если температура расплава не ниже
720 °C. Для модифицирования используют также универсальный
флюс № 9, табл. 32. Этот флюс вводят в расплав в количестве 1-—
1,5 % при 750 °C в расплавленном состоянии. При использовании
универсальных флюсов отпадает необходимость в перегреве распла-
ва, уменьшается время обработки расплава, снижается расход флюса.
Существенными недостатками модифицирования натрием яв-
ляются недостаточная длительность сохранения эффекта модифи-
цирования и повышение склонности сплавов к поглощению водо-
рода и образованию газовой пористости.
Хорошими модифицирующими свойствами обладает стронций.
В отличие от натрия этот элемент медленнее выгорает из алюминие-
вых расплавов, что позволяет сохранять эффект модифицирования
до 2—3 ч; он в меньшей степени, чем натрий, увеличивает окисляе-
мость сулиминов и их склонность к газопоглощению. Для введения
стронция используют лигатуру AI—Sr (10 % Sr). Режим модифи-
цирования стронцием приведен в табл. 32.
К числу модификаторов длительного действия относят также
иттрий и сурьму, которые вводят в количестве 0,15—0,3 %.
136
Заэвтектические силумины (>13 % Si) кристаллизуются с вы-
делением хорошо ограненных крупных частиц кремния (см.
рис. 35, а). Обладая высокой твердостью и хрупкостью, первичные
кристаллы кремния существенно затрудняют механическую обра-
ботку отливок и обусловливают полную потерю ими пластичности
(6 =0). Измельчение первичных кристаллов кремния в этих спла-
вах осуществляют введением в расплав 0,05—0,1 % фосфора. Для
введения фосфора используют модификаторы 11—14. Структура
модифицированного сплава алюминия с 22 % Si была показана на
рис. 35, б.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
По объему приемо-сдаточных испытаний отливки из алюминиевых
сплавов относят ко II и III группам. По химическому составу и ме-
ханическим свойствам они должны соответствовать ГОСТ 2685—75.
Изготовление фасонных отливок из алюминиевых сплавов произ-
водится всеми известными способами литья. Около 70—80 % отли-
вок получают литьем в формы многократного использования (в ко-
киль, под давлением, под низким давлением) и 20—30 % •— литьем
в разовые формы (песчаные, гипсовые, оболочковые, по выплавляе-
мым моделям). Назначение того или иного способа литья для изго-
товления конкретной отливки определяется уровнем требований
к их качеству (механическим свойствам, точности размеров, чистоте
поверхности), техническими возможностями каждого из способов
литья (см. табл. 23) и экономическими соображениями (необходи-
мостью изготовления отливки с минимальными затратами труда и
материалов и минимальной себестоимостью). Литье в металлические
формы позволяет получать отливки с более высоким уровнем свойств
и меньшим расходом металла, чем литье в разовые формы. Поэтому
для-крупносерийного и массового производства отливок из алюми-
ниевых сплавов экономически целесообразными являются литье в ко-
киль и под давлением, а в серийном и мелкосерийном производстве —
литье в разовые формы.
Высокая склонность алюминиевых расплавов к окислению, на-
сыщению водородом, вспениванию при перепадах в полости литей-
ной формы и образованию завихрений, вызываемых высокими .ско-
ростями движения металла, являются причинами основных видов
брака отливок — газовой пористости, шлаковых включений и оксид-
ных плен. Отливки с такими дефектами не обладают необходимыми
гидро- и пневмоплотностью, механическими и эксплуатационными
свойствами. Поэтому при разработке технологии изготовления фа-
сонных отливок любым из способов литья основное внимание наряду
с размерной точностью уделяют предотвращению образования за-
вихрений и перепада уровня расплава в полости литейной формы,
созданию условий для спокойного заполнения формы и отделения
шлаковых и других включений в процессе литья, обеспечению направ-
ленной кристаллизации отливок и подавлению газоусадочной по-
ристости,
137
При разработке технологии изготовления отливок необходимо
также учитывать особенности отдельных групп алюминиевых спла-
вов.
Сплавы I группы (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АК9, АЛ34), обладающие хо-
рошими литейными свойствами (см. табл. 29), могут быть использо-
ваны для изготовления сложных по конфигурации отливок без осо-
бого опасения образования в них трещин при затрудненной усадке.
Основным недостатком силуминов является склонность к образова-
нию рассеянной газовой пористости в отливках. Поэтому при литье
силуминов особое внимание уделяют рафинированию расплавов от
растворенного водорода.
Сплавы II группы (АЛЗ, АЛ5, АЛ32) имеют более широкий, чем
сплавы I группы, интервал кристаллизации и менее склонны к обра-
зованию газовой пористости. Изготовление сложных по конфигура-
ции отливок из этих сплавов требует тщательной разработки теп-
лового режима форм.
Сплавы III группы (АЛ7, АЛ19, АЛЗЗ) обладают широким интер-
валом кристаллизации и низкими литейными свойствами. Большая
линейная усадка и склонность к образованию трещин при затруд-
ненной усадке обусловливают применение их для изготовления отли-
вок несложной конфигурации, без поднутрений, с равномерными по
толщине стенками. Внутренние полости в отливках из этих сплавов
выполняют обычно податливыми песчаными стержнями; при исполь-
зовании металлических стержней их необходимо своевременно уда-
лять из отливки. Отливки из этой группы сплавов склонны к короб-
лению из-за неравномерного охлаждения в кокилях. Поэтому в кон-
струкциях отливок предусматривают ребра жесткости и технологи-
ческие стяжки. Для снятия термических напряжений отливки иногда
подвергают отжигу.
Сплавы IV группы. (АЛ8, АЛ13, АЛ22, АЛ23, 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 (АЛ8, АЛ22,
АЛ27) отличаются хрупкостью и требуют очень осторожного обра-
щения при извлечении из кокиля. Из сплавов этой группы изготав-
ливают отливки простой конфигурации.
Сложнолегированные сплавы V группы (АЛ1, АЛ11, АЛ21, АЛ25,
АЛЗО) обладают повышенной склонностью к образованию трещин
при затрудненной усадке. При тщательной отработке теплового ре-
жима литья из сплавов можно изготавливать отливки сложной кон-
фигурации.
Литье в песчаные формы
Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее
широкое применение при изготовлении отлнвок 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 °C).
138
'f а б л и ц а З3. Типовые составы и свойства формовочных смесей для
алюминиевых сплавов
Назначение смеси Состав смеси. % Прочность, кПа *2 Газо- пронИ' цдемость, смй/см2 Влаж- ность, %
Песчаные формы Оборотная формовочная смесь 90—97, песок ПО1 3—10, вода 4—6 41 40—80/80—120 30—50 5—6
Формы из жидко-сте- кольных смесей Песок КО1А 95—97, фор- мовочная глина 3—5, жид- кое стекло 5—6, 10— 20 %-ный раствор NaOH 0,5—1, вода 3—4,5 10—30/700—1500 150 3—4,5
Оболочко- вые формы Песок 1КО1 100, пульвер- бакелит (смола ПК-104) 5—7, фурфурол или эфиро- альдегидная фракция 1—2, 25 %-ный раствор парафина в уайт-спирите 0,25—0,5 —/1000—1500 300
Гипсовые формы Гипс марки 350—400 80, пе- сок 1КО1 нли асбест 20, вода (от массы сухой смеси) 60 120/500—600 *8 4—9 —
Формы литья по выплавляе- мым мо- делям Песок 1КО16 для обсыпки, маршалит (пылевидный кварц) 60—70, раствор этил- силиката 15, соляная кисло- та (р = 1,16 г/см3) 4, этило- вый спирт 23 —/До. 2000 До 300
** Для сплавов Al—Mg в смесь вводят 4—6 % присадки ВМ или борной кислоты.
*2 В числителе — по сырому, в знаменателе — по сухому. *3 После гидротермической обра-
ботки и сушки при 500 °C.
Для изготовления песчаных форм используют формовочные и
стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков
(ГОСТ 2138—74), формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих
и вспомогательных материалов. Состав типовых формовочных и
стержневых смесей приведен в табл. 33 и 34.
Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью
стержней, изготавливаемых в основном по горячим (220—300 °C)
стержневым ящикам. Для этой цели используют плакированный
кварцевый песок или смесь песка с термореактивной смолой и ка-
тализатором. Для изготовления стержней широко используют одно-
тюзиционные пескострельные автоматы и установки, а также кару-
сельные многопозиционные установки.
Стержни, подвергающиеся сушке, изготавливают на встряхи-
вающих, пескодувных и пескострельных машинах или вручную из
смесей с масляными (4ГУ, С) или водорастворимыми связующими.
Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч) зависит от массы и разме-
ров стержня и определяется обычно опытным путем. Температуру
139
Таблица 34. Состав и свойства типовых стержневых смесей для алюминиевых сплавов
Назначение смеси Группа стержней
Изготовле- ние высу- шиваемых стержней I
11
111
Изготовле- ние стерж- ней по С02-про- цессу Изготовле- ние стерж- ней в горячих ящиках То же, в холодных ящиках II- IIl
Песок, % Связующее
КО25 КО16 С * । отходы сте- 1 1 смеси 1
100 80— 70 70 100 100 100 100 100 20— 30 II 1 1 ё 1 II Масло С 0,6—2,2 % или 4ГУ 1,5—2,5%, или М 1—2 % и пек- тиновый клей 0,5— 1,5% Смола М 1,5—3% и пектиновый клей 0,5— 2,5 % нли сульфитно- спиртовая барда 2—4 % Смола М 1,5—3 % 'И пектиновый клей 1— 2.5 % Жидкое стекло 4— 4,5 % и едкий натр 1,5% Смола 180 2—4 % или какая-либо дру- гая мочевино-фор- мальдегидная смола Холоднотвердеющее связующее 2,5—3 % Холоднотвердеющее связующее 4—5 % с пенообразователем ДСРАС 0,2-0,3 %
Вспомогательный материалы
уайт-спирит нли керосин. % •Е •Е ! ' к . 1 «5 в Ж н ! •Е 1 глина, % Проч- ность на сжатие по сыро- му, МПа
0,25 — 0,003— 0,007
0,3 — 0 —2 0,006— 0,015
0,3 — 1 —2 0,006— 0,015
0,3 0,4—0,5 уротро- пина —
— 0,1 -0,25 —
— 0,2 —0,6 —
Проч- ность на растя- жение по сухо- му, МПа Влаж- ность, % Газопро- ницае- мость, см’/см= Осыпаемость, г/образец
0,8—1,2 2,5-5 100 0,5
0,4-1,2 2-5 80 1
0,4-1,2 2-6 45 1
1,5-2 3—4,5 180-200 0,5
2—2,5 — 180—200 0,5
1—1,5 — 100-120 0,5
— 0,7—0,8 120—140 0,5
сушки назначают в зависимости от природы связующего: для мас-
ляных связующих 250—280 °C, а для водорастворимых 160—200 °C.
Для изготовления крупных массивных стержней все большее
применение получают смеси холодного твердения (ХТС) или жидко-
подвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холодного тверде-
ния в качестве связующего содержат синтетические смолы, а ката-
лизатором холодного твердения обычно служит ортофосфорная
кислота. Смеси ЖСС содержат поверхностно-активное вещество, спо-
собствующее образованию пены.
Соединение стержней в узлы производят склейкой или путем
заливки алюминиевых расплавов в специальные отверстия в знако-.
вых частях. Усадка сплава при охлаждении обеспечивает необхо-
димую прочность соединения.
Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм обе-
спечивается применением расширяющихся литниковых систем с со-
отношением площадей сечений основных элементов FCT : Fm„ :
: F^n =1:2:3; 1:2:4; 1:3:6 соответственно для нижнего,
щелевого или многоярусного подвода металла к полости литейной
формы (рис. 58). Скорость подъема металла в полости литейной формы
не должна превышать 4,5/6, где 6 — преобладающая толщина сте-
нок отливки, см. Минимальную скорость подъема металла в форме
Рис. 58. Основные типы литниковых систем для литья алюминиевых сплавов в песчаные
формы (по Н. М. Галдииу):
а — верхняя; б — нижняя; в — боковая; г — вертикальио-гцелевая; д — ярусная с гори-
зонтально расположенными питателями; е — ярусная с вертикально расположенными пита-
телями; av — комбинированная; 1 — чаша; 2 — стояк; 3 — зумпф; 4 — металлоприемник;
5 — коллектор; 6 — горизонтальный питатель; 7 отливка; 8 — прибыль; 9 — колодец;
10 — вертикальная щель; 11 — шлаковик; 12 — питающая бобышка; 13 — вертикальный
питатель; 14 — выпор
141
(см/с) определяют по формуле А. А. Лебедева 3/6 или по
формуле И. М. Галдина:
Vmin = 0,22 /й^/61п (4ап/380), (16)
где vmln — минимальная скорость подъема расплава в форме, см/с;
Лотл — высота отливки, см; /зал— температура заливки сплава, °C.
Расчет площади минимального сечения литниковой системы ве-
дут по формуле
Fmln== 10006/ртр/2£7Л ’ (17)
где Fmln — минимальная площадь сечения литниковой системы, см2;
G — масса отливки, кг; т — продолжительность заливки, с; р —
коэффициент расхода (<1); р — плотность сплава, г/см3; Н — рас-
четный напор металла, см.
Тип литниковой-системы выбирают с учетом габаритов отливки,
сложности ее конфигурации и расположения в форме. Заливку
форм для отливок сложной конфигурации небольшой высоты осу-
ществляют, как правило, с помощью нижних литниковых систем.
При большой высоте отливок и тонких стенках предпочтительно при-
менение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых
систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать че-
рез 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 по-
лость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксид-
ных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят
дополнительные гидравлические сопротивления — устанавливают
сетки (металлические или из стеклоткани) (рис. 59) или ведут за-
ливку через зернистые фильтры (см. рис. 55, е).
Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечениям
(стенкам) отливок рассредоточение по периметру с учетом удобства
их последующего отделения при обработке. Подвод металла в мас-
сивные узлы недопустим, так как вызывает образование в них уса-
дочных раковин, макрорыхлот и усадочных «провалов» на поверх-
ности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего имеют пря-
моугольную форму с размером широкой стороны 15—20 мм, а узкой
5—7 мм.
Сплавы с узким интервалом кристаллизации (АЛ2, АЛ4, АЛ9,
АЛ34, АК9, АЛ25, АЛЗО) предрасположены к образованию кон-
центрированных усадочных раковин в тепловых узлах отливок.
Для выведения этих раковин за пределы отливок широко исполь-
зуют установку массивных прибылей. Для тонкостенных (4—5 мм)
и мелких отливок масса прибыли в 2—3 раза превышает массу отли-
вок, для толстостенных — до 1,5 раз. Высоту прибыли выбирают
в зависимости от высоты отливки. При высоте менее 150 мм высоту
прибыли НПриб принимают равной высоте отливки Нти. Для более
высоких отливок отношение Нтяв/Нотп принимают равным 0,3—
0,5. Соотношение между высотой прибыли и ее толщиной состав-
ляет в среднем 2—3. Наибольшее применение при литье алюминие-
142
вых сплавов находят верхние открытые прибыли круглого или оваль-
ного сечения; боковые прибыли в большинстве случаев делают за-
крытыми. 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 (АЛ1, АЛ7,
АЛ8, АЛ 19, АЛЗЗ) склонны к образованию рассеянной усадочной
пористости. Пропитка усадочных пор при помощи прибылей мало-
эффективна. Поэтому при изготовлении отливок из перечисленных
сплавов не рекомендуется применять установку массивных прибы-
лей. Для получения высококачественных отливок осуществляют на-
правленную кристаллизацию, широко используя для этой цели
установку холодильников.из чугуна и алюминиевых сплавов. Опти-
мальные условия для направленной кристаллизации создает вер-
тикально-щелевая ’ литниковая система.
Для предотвращения газовыделения при кристаллизации и
предупреждения образования газо-усадочной пористости в толсто-
стенных отливках широко используют кристаллизацию под давле-
нием 0,4—0,5 МПа. *Для этого литейные формы перед заливкой по-
мещают в автоклавы (рис. 60), заливают их металлом и кристалли-
зуют отливки под давлением воздуха.
Для изготовления крупногабаритных (высотой до 2—3 м) тонко-
стенных отливок используют метод литья с последовательно направ-
ленным затвердеванием (рис. 61). Сущность метода состоит в после-
Рис. 69. Расположение сеток в литниковых системах песчаных форм (а—г) и кокилей (д—ж),
по Н. М. Гальдииу:
а — под стояком; б — в коллекторе; в — под питателем; г — между металлоприемником и
родлектором; (? — в ^олодце; f — в ролодце и вертикальной щели; ж — в вертикальной щели
143
Рис. 61. Схема установки при литье ме-
тодом направленного затвердевания:
1 — форма; 2 — стержень; 3 — полость
литейной формы; 4 — колодцы с пита-
телями; 5 — трубка для подачн сплава
в форму; 6 — сферическая воронка;
7 — шаровой стопор; 8 — литниковая
чаша; 9 — сплав; 10 — стол; 11 —
механизм Для опускания стола ма-
шины
довательной кристаллизации отливки снизу вверх. Для этого ли-
тейную форму устанавливают на стол гидравлического подъемника
и внутрь ее опускают нагретые до 500—700 °C металлические трубки
диаметром 12—20 мм, выполняющие функцию стояков. Трубки не-
подвижно закрепляют в литниковой чаше и закрывают отверстия
в них стопорами. После заполнения литниковой чаши расплавом
стопоры поднимают и сплав по трубкам поступает в литниковые
колодцы, соединенные с полостью литейной формы щелевыми лит-
никами (питателями). После того как уровень расплава в колодцах
поднимается на 20—30 мм выше нижнего конца трубок, включают
механизм опускания гидравлического стола. Скорость опускания
принимают такой, чтобы заполнение формы осуществлялось под
затопленный уровень и горячий металл непрерывно поступал в верх-
ние части формы. Это обеспечивает направленное затвердевание и
позволяет получать сложные отливки без усадочных дефектов.
Заливку песчаных форм металлом ведут из ковшей, футерованных
огнеупорным материалом. Перед заполнением металлом ковши со
свежей футеровкой сушат и прокаливают при 780—800 СС для уда-
ления влаги. Температуру расплава перед заливкой поддерживают
на уровне 720—780 °C. Формы для тонкостенных отливок запол-
няют расплавами, нагретыми до 730—750 °C, а для толстостенных —
до 700—720 °C.
Литье в гипсовые формы
Литье в гипсовые формы применяют в тех случаях, когда к отливкам
предъявляются повышенные требрвания по точности, чистоте по-
верхности и воспроизведению мЗДЬчдйщих деталей рельефа. По
144
сравнению с песчаными гипсовые формы обладают более высокой
прочностью, точностью размеров, лучше противостоят воздействию
высоких температур, позволяют получать отливки сложной конфи-
гурации с толщиной стенок 1,5 мм по 5—6-му классу точности.
Формы изготавливают по восковым или металлическим (латунь,
сталь) хромированным моделям с конусностью по наружным раз-
мерам не более 30' и по внутренним размерам от 30' до 3°. Модель-
ные плиты выполняют из алюминиевых сплавов. Для облегчения
удаления моделей из форм поверхность их покрывают тонким слоем
керосиново-стеариновой смазки.
Мелкие и средние формы для сложных тонкостенных отливок
изготавливают из смеси, состоящей из 80-% гипса, 20 % кварце-
вого песка или асбеста и 60—70 % воды (от массы сухой смеси).
Состав смеси для средних и крупных форм: 30 % гипса, 60 % песка,
10 % асбеста, 40—50 % воды. Смесь для изготовления стержней
содержит 50 % гипса, 40 % песка, 10 % асбеста, 40—50 % воды.
Для замедления схватывания в смесь вводят 1—2 % гашеной извести.
Необходимая прочность форм достигается за счет гидратации
безводного иЛи полуводного гипса: CaSO4 • 0,5НаО + 1,5НаО
—> CaSO4 2НаО. Для снижения прочности и увеличения газопрони-
цаемости сырые гипсовые формы подвергают гидротермической
обработке-— выдерживают в автоклаве в течение 6—10 ч под дав-
лением водяного пара 0,13—0,14 МПа, а затем в течение суток на
воздухе. После этого формы подвергают ступенчатой сушке при
350—500 °C.
Особенностью гипсовых форм является их низкая теплопровод-
ность. Это обстоятельство затрудняет получение плотных отливок
из алюминиевых сплавов с широким интервалом кристаллизации.
Поэтому основной задачей при разработке литниково-прибыльной
системы для гипсовых форм является предотвращение образования
усадочных раковин, рыхлот, оксидных плен, горячих трещин и
недоливов тонких стенок. Это достигается применением расширяю-
щихся литниковых систем (FCT : Гшл : 2^пит =1:2:4), обеспе-
чивающих низкую скорость движения расплавов в полости формы,
направленным затвердеванием тепловых узлов в сторону прибылей
с помощью холодильников, увеличением податливости форм за счет
повышения содержания кварцевого песка в смеси.
Заливку тонкостенных отливок ведут в нагретые до 100—200 °C
формы методом вакуумного всасывания, что позволяет заполнять
полости толщиной до 0,2 мм. Толстостенные (более 10 мм) отливки
получают заливкой форм в автоклавах. Кристаллизация металла
в этом случае ведется под давлением 0,4—0,5 МПа.
Литье в оболочковые формы
Литье в оболочковые формы целесообразно применять при серийном
и крупносерийном производстве отливок ограниченных размеров
с повышенной чистотой поверхности, большей размерной точностью
и меньшим объемом механической обработки, чем при литье в пес-
чаные формы,
145
Оболочковые формы изготавливают по горячей (250—300 °C) ме-
таллической (сталь, чугун) оснастке бункерным способом. Модель-
ную оснастку выполняют по 4—5-му классам точности с формовоч-
ными уклонами от 0,5 до 1,5 %. Оболочки делают двухслойными:
первый слой из смеси с 6—10 % термореактивной смолы, второй —
из смеси с 2 % смолы. Для лучшего съема оболочки модельную
плиту перед засыпкой формовочной смеси покрывают тонким слоем
разделительной эмульсии (5 % силиконовой жидкости № 5; 3 %
хозяйственного мыла; 92 % воды).
Для изготовления оболочковых форм применяют мелкозернистые
кварцевые пески, содержащие не менее 96 % кремнезема. Соеди-
нение полуформ осуществляют склеиванием на специальных штыре-
вых прессах. Состав клея: 40 % смолы МФ17; 60 % маршалита и
1,5 % хлористого алюминия (катализатор твердения). Заливку со-
бранных форм производят в контейнерах. При литье в оболочковые
формы применяют такие же литниковые системы и температурные
режимы, как и при литье в песчаные формы.
Малая скорость кристаллизации металла в оболочковых формах
и меньшие возможности для создания направленной кристаллизации
обусловливают получение отливок с более низкими свойствами, чем
при литье в'сырые песчаные формы.
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления от-
ливок повышенных точности (3—5-ый класс) и чистоты поверхности
(4—6-й класс шероховатости), для которых этот способ является
единственно возможным или оптимальным.
Модели в большинстве случаев изготавливают из пастообразных
парафино-стеариновых (1 : 1) составов запрессовкой в металлические
пресс-формы (литые и сборные) на стационарных или карусельных
установках. При изготовлении сложных отливок размерами более
200 мм во избежание деформации моделей в состав модельной массы
вводят вещества, повышающие температуру их размягчения (оплав-
ления).
В качестве огнеупорного покрытия при изготовлении керами-
ческих форм используют суспензию из гидролизованного этилсили-
ката (30—40 %) и пылевидного кварца (70—60 %), см. табл. 33.
Обсыпку модельных блоков ведут прокаленным песком 1КО16А
или 1КО25А. Каждый слой покрытия сушат на воздухе в течение
10—12 ч или в атмосфере, содержащей пары аммиака, 0,5—1 ч.
Необходимая прочность керамической формы достигается при тол-
щине оболочки 4—6 мм (4—6 слоев огнеупорного покрытия). Для
обеспечения спокойного заполнения формы применяют расширяю-
щиеся литниковые системы с подводом металла к толстым сечениям
и массивным узлам. Питание отливок осуществляют обычно от мас-
сивного стояка через утолщенные литники (питатели). Для сложных
отливок допускается применение массивных прибылей для питания
верхних массивных узлов с обязательным заполнением их из стояка,
146
Выплавление моделей из форм осуществляют б горячей (85—-
50 °C) воде, подкисленной соляной кислотой (0,5—1 см3 на литр
воды) для предотвращения омыления стеарина. После выплавления
моделей керамические формы просушивают при 150—170 °C в те-
чение 1—2 ч, устанавливают в контейнеры, засыпают сухим напол-
нителем и прокаливают при 600—700 °C в течение 5—8 ч.
Заливку ведут в холодные и нагретые формы. Температура нагрева
(50—300 °C) форм определяется толщиной стенок отливки. Заполне-
ние форм металлом осуществляют обычным способом, а также
с использованием вакуума или центробежной силы. Большинство
алюминиевых сплавов перед заливкой нагревают до 720—750 °C.
Литье в кокиль
Литье в кокиль — основной способ серийного и массового произ-
водства отливок из алюминиевых сплавов, позволяющий получать
отливки 4—6-го классов точности с шероховатостью поверхности
Rz = 504-20 и минимальной толщиной стенок 3—4 мм.
При литье в кокиль наряду с дефектами, обусловленными высо-
кими скоростями движения расплава в полости литейной формы
и несоблюдением требований направленного затвердевания (газовая
пористость, оксидные плены, усадочная рыхлота), основными ви-
дами брака отливок являются недоливы и трещины. Появление тре-
щин вызывается затрудненной усадкой. Особенно часто трещины
возникают в отливках из сплавов с широким интервалом кристалли-
зации, имеющих большую линейную усадку (1,25—1,35 %). Предот-
вращение образования указанных дефектов достигается различными
технологическими приемами.
Для того чтобы обеспечить плавное, спокойное поступление ме-
талла в полость литейной формы, надежное отделение шлака и оксид-
ных плен, образовавшихся в металле в процессе плавки и движения
по литниковым каналам, и предотвращение их образования в литей-
ной форме, при литье в кокиль применяют расширяющиеся литни-
ковые системы с нижним, щелевым и многоярусным подводом ме-
талла (рис. 62) к тонким сечениям отливок. В случае подвода ме-
талла к толстым сечениям должна быть предусмотрена подпитка места
подвода установкой питающей бобышки (прибыли). Все элементы
литниковых систем располагают по разъему кокиля. Рекомендуются
следующие соотношения площадей сечения литниковых каналов:
для мелких отливок 2КСТ : ^Гшп : =1:2:3; для крупных
отливок : Е-^шл : 2Амт — 1:3:6.
Для снижения скорости поступления расплава в полость формы
применяют изогнутые стояки, сетки из стеклоткани или металла,
зернистые фильтры (см. рис. 55, е).
Качество отливок из алюминиевых сплавов зависит от скорости
подъема расплава в полости литейной формы. Эта скорость должна
быть достаточной для гарантированного заполнения тонких сечений
отливок в условиях повышенного теплоотвода и в то же время не
вызывать недоливов, обусловленных неполным выходом воздуха и
147
Рис. 62. Литниковые системы для литья алюминиевых сплавов в кокиль (по Н. М. Галдину):
/ — верхние; II — нижние; III — вертикальио-щелевые; IV — комбинированные; V —
боковые
газов через вентиляционные каналы и прибыли, завихрений и фон-
танирования расплава при переходе из узких сечений в широкие.
Скорость подъема металла в полости формы при литье в кокиль при-
нимают несколько большей, чем при литье в песчаные формы. Мини-
мально допустимую скорость подъема рассчитывают по формулам
А. А. Лебедева и Н. М. Галдина (см. раздел «Литье в песчаные
формы»).
Для получения плотных отливок создают, так же как и при литье
в песчаные формы, направленное затвердевание путем надлежа-
щего расположения отливки в форме и регулирования теплоотвода.
Как правило, массивные (толстые) узлы отливок располагают в верх-
ней части кокиля. Это дает возможность компенсировать сокраще-
ние их объема при затвердевании непосредственно из прибылей,
установленных над ними. Регулирование интенсивности теплоотвода
с целью создания направленного затвердевания осуществляют охла-
ждением или утеплением различных участков литейной формы. Для
местного увеличения теплоотвода широко используют вставки из
теплопроводной меди, предусматривают увеличение поверхности
охлаждения кокиля за счет оребрения, осуществляют локальное
148
охлаждение кокилей сжатым воздухом или водой. Для снижения
интенсивности теплоотвода на рабочую поверхность кокиля наносят
слой краски толщиной 0,1—0,5 мм. На поверхность литниковых
каналов и прибылей для этой цели наносят слой краски толщиной
1—1,5 мм. Замедление охлаждения металла в прибылях может быть
достигнуто также за счет местного утолщения стенок кокиля, при-
менения различных малотеплопроводных обмазок и утепления при-
былей наклейкой асбеста. Окрарка рабочей поверхности кокиля
улучшает внешний вид отливок, способствует устранению газовых
раковин и неслитин на их поверхности и повышает стойкость ко-
килей. Перед окраской кокили подогревают до 100—120 °C. Состав
типовых красок приведен в табл. 35. Излишне высокая температура
Таблица 35. Состав типовых красок для кокилей, %
Номер состава Оксид цинка Жидкое стекло Молотый отмучен- ный мел Прока - леииый тальк Прока- ленный асбест (порошок или пудра) Коллои- дальный графит) Вода Вт/(м- К)
1 5 2 . — 93 0,45
2 — -— 10 - ' 10 — — 80 0,3
3 — 4 12 —. .— 2 82 0,15
4 9 6 —- — 28 — 57 0,21
5 3 6 —. — 6 .— 85 0,30
6 4 6 20 5 — -—. 70 0,18
7 —. 3,5 17,5 - о 9 .— 70 -—
8 3 3 4 - о — 5 81 -—
9 — 4 10 — — — 86 —
нагрева нежелательна, так как при этом снижаются скорость затвер-
девания отливок и длительность срока службы кокиля.
Нагрев уменьшает перепад температур между отливкой и формой
и расширение формы за счет прогрева ее металлом отливки. В ре-
зультате этого в отливке уменьшаются растягивающие напряжения,
вызывающие появление трещин. Однако одного только подогрева
формы недостаточно, чтобы устранить возможность возникновения
трещин. Необходимо своевременное извлечение отливки из формы.
Удалять отливку из кокиля следует раньше того момента, когда
температура ее сравняется с температурой кокиля, а усадочные на-
пряжения достигнут наибольшей величины. Обычно отливку извле-
кают в тот момент, когда она окрепнет настолько, что ее можно пе-
ремещать без разрушения (450—500 °C). К этому моменту литнико-
вая система еще не приобретает достаточной прочности и разрушается
при легких ударах. Длительность выдержки отливки в форме опре-
деляется скоростью затвердевания и зависит от температуры ме-
талла, температуры формы и скорости заливки.
Алюминиевые сплавы в зависимости от состава и сложности кон-
фигурации отливок заливают в кокили при 680—750 °C. Весовая
скорость заливки составляет 0,15—3 кг/с. Отливки с тонкими стен-
ками заливают с большими скоростями, чем с толстыми.
149
Для устранения прилипания металла, повышения срока службы
и облегчения извлечения металлические стержни в процессе работы
смазывают. Наиболее распространенной смазкой является водно-
графитовая суспензия (3—5 % графита).
Части кокилей, выполняющих наружные очертания отливок,
изготавливают из серого чугуна. Толщину стенок кокилей назна-
чают в зависимости от толщины стенок отливок в соответствии с ре-
комендациями ГОСТ 16237—70. Внутренние полости в отливках
выполняют с помощью металлических (стальных) и песчаных стерж-
ней. Песчаные стержни используют для оформления сложных по-
лостей, которые невозможно выполнить металлическими стержнями.
Для облегчения извлечения отливок из кокилей наружные поверх-
ности отливок должны иметь литейный уклон от 30' до 3° в сто-
рону разъема. Внутренние поверхности отливок, выполняемых ме-
таллическими стержнями, должны иметь уклон не менее 6°. В отлив-
ках не допускаются резкие переходы от толстых сечений к тонким.
Радиусы закруглений должны быть не менее 3 мм. Отверстия диа-
метром более 8 мм для мелких отливок, 10 мм для средних и 12 мм
для крупных выполняют стержнями. Оптимальное отношение глу-
бины отверстия к его диаметру равно 0,7—1. Величина припуска
на обработку при литье в кокиль назначается в два раза меньшей,
чем при литье в песчаные формы.
Воздух и газы выводятся из полости кокиля с помощью венти-
ляционных каналов, размещаемых в плоскости разъема, и пробок,
размещаемых в стенках вблизи глубоких полостей.
В современных литейных цехах кокили устанавливают на одно-
позиционные или многопозиционные полуавтоматические литейные
машины, в которых автоматизированы закрытие и раскрытие ко-
киля, установка и извлечение стержней, выталкивание и удаление
отливки из формы. Предусмотрено также автоматическое регулиро-
вание температуры нагрева кокиля. Заливку кокилей на машинах
осуществляют с помощью дозаторов.
Для улучшения заполнения тонких полостей кокилей и удаления
воздуха и газов, выделяющихся при деструкции связующих, осу-
ществляют вакуумирование форм, заливку их под низким давлением
или с использованием центробежной силы.
Литье выжиманием
Литье выжиманием является разновидностью литья в кокиль.
Оно предназначено для изготовления крупногабаритных отливок
(2500 X1400 мм) панельного типа с толщиной стенок 2—3 мм
(рис. 63). Для этой цели используют металлические полуформы,
которые крепят на специализированных литейно-выжимных маши-
нах с односторонним или двухсторонним сближением полуформ.
Отличительной особенностью этого способа литья является прину-
дительное заполнение полости формы широким потоком расплава
при сближении полуформ. В литейной форме отсутствуют элементы
обычной литниковой системы. Данным способом изготавливают
150
отливки из сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34, имеющих узкий интер-
вал кристаллизации.
Допустимая скорость подъема расплава на рабочем участке по-
лости формы при литье панелей из алюминиевых сплавов должна быть
в пределах 0,5—0,7 м/с. Меньшая скорость может привести к неза-
полнению тонких сечений отливок, излишне высокая — к дефектам
гидродинамического характера: волнистости, неровностям поверх-
ности отливок, захвату воздушных пузырьков, размыву -песчаных
стержней и образованию трещин из-за разрыва потока.
Заливку металла производят в подогретые до 250—350 °C ме-
таллоприемники. Регулирование скорости охлаждения расплава
осуществляют нанесением на рабочую поверхность полости форм
Рнс. 63. Схема процесса литья выжнмаинем:
1,2 — металлические шарнирно соединенные полуформы; 3 — jwbui; 4 — литниковая труб-
ка; 5 — сливная емкость
теплоизоляционного покрытия различной толщины (0,05—1 мм).
Для этого используют краски, состав которых приведен в табл. 35.
Перегрев сплавов перед заливкой не должен превышать 15—20°
над температурой ликвидуса. Длительность сближения полуформ
1,5—3 с.
Литье под низким давлением
Литье под низким давлением является другой разновидностью
литья в кокиль. Оно получило применение при изготовлении крупно-
габаритных тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов с узким
интервалом кристаллизации (АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34). Принципиаль-
ная схема установки для литья под низким давлением приведена
на рис. 64. Так же как и при литье в кокиль, наружные поверхности
отливок выполняются металлической формой, а внутренние по-
лости — металлическими или песчаными стержнями. Металли-
ческую форму перед началом литья окрашивают красками (см.
табл. 35).
Для изготовления стержней используют смесь, состоящую из
55 % кварцевого песка 1К.О16А; 13,5 % полужирного песка ПО1;
27 % пылевидного кварца; 0,8 % пектинового клея; 3,2 % смолы М
и 0,5 % керосина. Такая смесь не образует механического пригара.
Заполнение форм металлом осуществляют давлением сжатого
осушенного воздуха (18—80 кПа), подаваемого на поверхность рас-
плава в тигле, нагретого до 720—750 °C. Под действием этого дав-
ления расплав вытесняется из тигля в металлопровод, а из него
151
в коллектор литниковой системы и далее — в полость литейной
формы. Преимуществом литья под низким давлением является воз-
можность автоматического регулирования скорости подъема металла
в полости формы, что позволяет получать тонкостенные отливки
более качественными, чем при литье под действием силы тяжести.
Кристаллизацию сплавов в форме проводят под давлением 10—
30 кПа до образования твердой корки металла и 50—80 кПа после
образования корки.
Более плотные отливки из алюминиевых сплавов получают
литьем под низким давлением с противодавлением. Принципиальная
Рнс. 64. Установка для лнтья
под низким давлением:
1 — тигельная печ^сопротивле-
ния; 2 — герметизирующая кры-
шка; 3 — металлическая форма
(кокиль); 4 — воздухопровод;
5 — металлопровод; 6 — пыюсчъ
формы
схема установки для литья этим спо-
собой приведена на рис. 65. Заполне-
ние полости формы при литье с про-
тиводавлением осуществляют за счет
Рис. 65. Установка для лнтья с противодавле-
нием:
1 — тигель с расплавом; 2 — металлопровод;
3 — камера тигля; 4 — разделительная плита;
5—литейная форма; 6 — камера литейной фор-
мы; 7 — электроконтактный датчик; 8 — регу-
лирующее устройство; 9 — проходные каналы;
10 — отсекатель; 11 — дифференциальный ма-
нометр
разницы давлений в тигле и в форме (10—60 кПа). Кристаллизация
металла в форме ведется под давлением 0,4—0,5 МПа. При этом
предотвращается выделение растворенного в металле водорода и
образование газовых пор. Повышенное давление способствует луч-
шему питанию массивных узлов отливок. В остальном технология
литья с противодавлением не отличается от технологии литья под
низким давлением.
При литье с противодавлением -успешно совмещены достоинства
литья под низким давлением и кристаллизации под давлением.
Литье под давлением
Литьем под давлением из алюминиевых сплавов АЛ2, АЛЗ, АЛ4,
АЛ9, АЛ11, АЛ13, АЛ22, АЛ28, АЛ32, АЛ34 изготавливают слож-
ные по конфигурации отливки 1—3-го классов точности с толщиной
стенок от 1 мм и выше, литыми отверстиями диаметром до 1,2 мм,
152
Литой наружной и йнутренней резьбой с мййймйльйым шйгом 1 ММ
и диаметром 6 мм. Чистота поверхности таких отливок соответствует
5—8-му классам шероховатости. Изготовление таких отливок осу-
ществляют на машинах с холодной горизонтальной или вертикаль-
ной камерами прессования, с удельным давлением прессования 30—
70 МПа. Предпочтение отдается машинам с горизонтальной каме-
рой прессования.
Размеры и масса отливок ограничиваются возможностями ма-
шин литья под давлением: объемом камеры прессования, удельным
давлением прессования (р) и усилием запирания (0). Площадь проек-
ции (Г) отливки, литниковых каналов и камеры прессования на под-
вижную плиту пресс-формы не должна превышать значений, опреде-
ляемых по формуле F — 0,850/р.
Рнс. 66. Литниковые систе-
мы для литья под давлением
на машинах с холодной ка-
мерой прессования:
а — горизонтальной; б —
вертикальной; 1 — питатель;
2 — переходный канал; 3 —
камера прессования; 4 —
пресс-остаток; 5 — щель; 6—
промывннк; 7 — вентиляци-
онный канал; 8 — литнико-
вый ход
Во избежание незаполнения форм и неслитин толщину стенок
отливок из алюминиевых сплавов назначают с учетом площади их
поверхности:
Площадь поверхности от- .
ливки, см2.............До 25 25—150 150—250 250—500 Св. 500
Толщина стенки, мм ... 1—2 1,5—3 2—4 2,5—6 3—8
Оптимальные значения уклонов для наружных поверхностей
составляют 45'; для внутренних 1°. Минимальный радиус закругле-
ний 0,5—1 мм. Отверстия более 2,5 мм в диаметре выполняются
литьем. Отливки из алюминиевых сплавов, как правило, подвер-
гают механической обработке только по посадочным поверхностям.
Припуск на обработку назначается с учетом габаритов отливки и
составляет от 0,3 до 1 мм.
Для изготовления пресс-форм применяют различные материалы.
Части пресс-форм, соприкасающиеся с жидким металлом, изготав-
ливают из сталей ЗХ2В8, 4Х8В2, 4ХВ2С, плиты крепления и обоймы
матриц — из сталей 35, 45, 50, штыри, втулки и направляющие
колонки — из стали У8А.
Подвод металла к полости пресс-форм осуществляют с помощью
внешних и внутренних литниковых систем (рис. 66, 67). Питатели
подводят к участкам отливки, подвергающимся механической обра-
ботке. Толщину их назначают в зависимости от толщины стен-
ки отливки в месте подвода и заданного характера заполнения
пресс-формы. Эта зависимость определяется отношением толщины
153
питателя b к тоЛщинё стенКи бТЛивки В. Плавное, без завихрений
и захвата воздуха, заполнение пресс-форм имеет место, если отно-
шение b/В близко к единице. Для отливок с толщиной стенок до
2 мм питатели имеют толщину 0,8 мм; при толщине стенок 3 мм тол-
щина питателей равна 1,2 мм; при толщине стенок 4—6 мм — 2 мм.
Для приема первой порции расплава, обогащенного воздушными
включениями, вблизи полости пресс-формы располагают специаль-
ные резервуары-промывники, объем которых может достигать 20—
40 % от объема отливки. Промывникй соединяют с полостью литейной
формы каналами, толщина которых равна толщине питателей.
/и
Рис. 67. Внутренние (а—г) и^ „
внешние (d—wc) литниковые
системы
Удаление воздуха и газа из полости пресс-форм осуществляют
через специальные вентиляционные каналы и зазоры между стерж-
нями (выталкивателями) и матрицей пресс-формы. Вентиляционные
каналы выполняют в плоскости разъема на неподвижной части пресс-
формы,'а также вдоль подвижных стержней и выталкивателей. Глу-
бина вентиляционных каналов при литье^алюминиевых сплавов при-
нимается равной 0,05—0,15 мм, а ширина 10—30 мм. В целях улуч-
шения вентиляции пресс-форм полости промывников тонкими ка-
налами (0,2—0,5 мм) соединяют с атмосферой.
Основными дефектами отливок, полученных литьем под давле-
нием, являются воздушная (газовая) подкорковая пористость,
обусловленная захватом воздуха при больших скоростях впуска
металла в полость формы, и усадочная пористость (или раковины)
в тепловых узлах. На образование этих дефектов большое влияние
оказывают параметры технологии " литья—скорость прессования,
давление прессования, тепловой режим пресс-формы.
Скорость прессования определяет режим заполнения пресс-
формы. Чем выше скорость прессования, тем с большей скоростью
перемещается расплав по литниковым каналам, тем больше скорость
впуска расплава в полость пресс-формы. Высокие скорости прессо-
вания способствуют лучшему заполнению тонких и удлиненных по-
лостей. Вместе с тем они являются причиной захвата металлом воз-
духа и образования подкорковой пористости. При литье алюминие-
154
Таблица 36. Скорость впуска
сплава в пресс-форму, м/с,
в зависимости от толщины стеики н
сложности отливок
Тип отливки Состояние сплава
жидкее кашеоб- разное
Тонкостенная (1—3 мм): простая 30—40
сложная 40—60 —-
Со средней толщи- ной стенок (3-— 6 мм): простая 6—10 6—8
сложная 10—20 8-10
Толстостенная (6—8 мм): простая 0.3—0,5 2-3
сложная 0,3—1 3-6
(18)
вых сплавов высокие скорости
прессования применяют лишь при
изготовлении сложных тонкостен-
ных отливок.
Скорость прессования опреде-
ляют по формуле
^пр ^Вп/,
где ^пр — скорость прессования,
м/с; цЕП — скорость впуска, м/с;
f — суммарная площадь сечения
питателей, м2; S — площадь по-
перечного сечения камеры прес-
сования, м2.
Значения скорости впуска (цЕП)
для алюминиевых сплавов приве-
дены в табл. 36.
Большое влияние на качество
отливок оказывает давление прес-
сования. По мере повышения его
увеличивается плотность отливок.
Ниже приведены минимальные значения давлений прессования,
МПа:
Система сплава .... Al—Si; Al—Si—Си; Al—Zn Al—Mg
Толщина стенки отлив- ки до 3 мм:
простая 35 40
сложная 45 50
очень сложная . . . Толщина стенки отлив- ки до 6 мм: 50 60
простая 60 65
сложная 65 70
очень сложная .... 80 90
Величина давления прессования ограничивается обычно вели-
чиной усилия запирания машины, которое должно превышать дав-
ление, оказываемое металлом на подвижную матрицу (pF). Поэтому
большой интерес приобретает локальная подпрессовка толстостен-
ных отливок, известная под названием «Acurad-процесс» (рис. 68).
Малая скорость впуска металла в полость пресс-форм через пита-
Рис. 68. Схема двойного прессования («Acurad-процесс»):
а — прессование; б — подпрессовка
155
Рис. 69. Схема лнтья под Давлением
с вакуумированием пресс-формы:
1 — отливка; 2 — пресс-форма; 3 —
стальнойкожух;4 — резиновая про-
кладка
грева:
тели большого сечения и эффектив-
ная Подпрессовка кристаллизующе-
гося расплава с помощью двойного
плунжера позволяют получать плот-
ные отливки.
На качество отливок существенное
влияние оказывают также температу-
ры сплава и формы. При изготовлении
толстостенных отливок несложной кон-
фигурации заливку расплава ведут при
температуре на 20—30 °C ниже тем-
пературы ликвидуса. Тонкостенные от-
ливки требуют применения расплава,
перегретого выше температуры ликви-
дуса на 10—15 °C. Для снижения ве-
личины усадочных напряжений и пре-
дотвращения образования трещин в отливках пресс-формы перед
заливкой нагревают. Рекомендуются следующие температуры на-
Толщина стенки отливки, мм 1—2
Температура нагрева пресс-
форм, °C................... 250—280
2—3 3—5
200—250 160—200
5—8
120—160
Стабильность теплового режима обеспечивают подогревом (элек-
трическим) или охлаждением (водяным) пресс-форм.
Для предохранения рабочей поверхности пресс-форм от налипа-
ния и эрозионного воздействия расплава, уменьшения трения при
извлечении стержней и облегчения извлечения отливок пресс-формы
подвергают смазке. Для этой цели используют жирные (масло с гра-
фитом или алюминиевой пудрой) или водные (растворы солей, вод-
ные препараты на основе коллоидального графита) смазки.
Существенно повышается плотность отливок из алюминиевых
сплавов при литье с вакуумированием пресс-форм. Для этого пресс-
формы помещают в герметичный кожух, в котором создают необхо-
димое разрежение (рис. 69). Хорошие результаты могут быть полу-
чены при использовании «кислородного процесса». Для этого воз-
дух в полости пресс-формы заменяют кислородом. При больших
скоростях впуска металла в полость формы, вызывающих захват
расплавом кислорода, подкорковая пористость в отливках не обра-
зуется, так как весь захваченный кислород расходуется на образо-
вание мелкодисперсных оксидов алюминия, не влияющих заметно
на механические свойства отливок. Такие отливки можно подвергать
термической обработке.
Выбивка, обрубка, очистка и термическая обработка отливок
Выбивку песчаных форм при литье алюминиевых сплавов осу-
ществляют на встряхивающих выбивных решетках с механическими
или пневматическими приводами после охлаждения отливок до
156
Т а б л и ц а 37. Типовые режимы термической обработки алюминиевых сплавов
ф SS Режим термообработки -
Обозначен режима Вид термо- обработки темпера- тура на- грева, °C вы- держ- ка, ч охлаж- дение Назначение тер мообр аб отк и Сплавы, под- вергающиеся обработке
Т1 Искус- ственное старение 175—210 5—17 На воз- духе Повышение проч- ности и улучше- ние обрабаты- ваемости резани- ем АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ24
Т2 Отжиг 250—300 8—10 То же Снятие или умень- шение термиче- ских напряже- ний, повышение пластичности Все группы сплавов
Т4 Закалка 430—535 430—535 5—20 5—20 В воде (20— 100 °C) В масле Повышение проч- ности То же АЛ9, АЛ19, АЛ22, АЛ23 АЛ27, АЛЗЗ, АЛ 34 АЛ8, АЛ22
Т5 Закалка и кратковре- менное (неполное) искусствен- ное ста- рение 515—580 175 2—6 3—5 В воде (20— 100 °C) На воз- духе Повышение проч- ности и сохране- ние повышенной пластичности АЛ1, АЛЗ, АЛ5, АЛ9, АЛЮ, АЛ24, АЛЗЗ, АЛ34
Тб Закалка и полное искусствен- ное ста- рение 535 175—200 2~6 5—15 В воде (20— 100 °C) На воз- духе Получение ма- ксимальной проч- ности при неко- тором снижении пластичности АЛ4, АЛЗЗ
Т7 Закалка и стабилизи- рующий отпуск 515—535 225—230 2—6 3—5 В воде (20— 100 °C) На воз- духе Повышение проч- ности и высокой структурной и объемной ста- бильности АЛ1, АЛЗ, АЛ5, АЛ9
Т8 Закалка и смягча- ющий отпуск 515—535 250—330 3—5 3—5 В воде (20— 100 °C) На воз- духе Получение повы- шенной пластич- ности и стабиль- ности размеров АЛЗ, АЛ9 ’
157
250—100 °C. Алюминиевые сплавы
при температурах выбивки имеют не-
высокую прочность. Поэтому при
работе на встряхивающих выбивных
решетках отливки из этих сплавов
требуют осторожного обращения.
Стержни из отливок выбивают с
помощью пневмозубил, накладных
вибраторов и простейших вибрацион-
ных машин. Для средних и крупных
отливок со сложными внутренними
полостями, когда применение указан-
ных выше способов сопряжено с воз-
можностью повреждения отливок,
выбйвкй ^™н®1Д^ктрогиДравЛ1|Ческой выбивку осуществляют в гидрока-
/ — отливка; 2 — электрод; 3 — ванна Мерах ВОДОЙ НИЗКОГО (196 490 кПа)
с водой или высокого (14,7 МПа) давления.
Для этой цели с успехом приме-
няют также выбивку в воде с помощью электрического разряда
(рис. 70).
Обрубку отливок, полученных литьем в разовые формы и ко-
кили, производят в основном с помощью ленточных и дисковых пил
и обрубных прессов. При массовом производстве отливок для уда-
ления прибылей используют автоматические фрезерные станки.
Обрубку отливок, изготовленных литьем под давлением, производят
в обрубных штампах на прессах.
Для очистки отливки подвергают гидропескоструйной обработке
в специальных изолированных камерах. Реже для этого применяют
дробеструйную очистку. Во избежание образования вмятин на по-
верхности отливок в этом случае в качестве дроби используют мел-
кие кусочки алюминиевой проволоки.
Зачистку отливок и удаление заусенцев осуществляют пневма-
тическими зубилами и шарошками (абразивными и металлическими).
Для достижения необходимого уровня механических свойств
отливки из большинства алюминиевых сплавов подвергают терми-
ческой обработке в камерных, шахтных, конвейерных и других пе-
чах с электрическим обогревом и принудительной циркуляцией воз-
духа по режимам, приведенным в табл. 37.
Контроль качества отливок и исправление их дефектов
В зависимости от требований технических условий отливки из алю-
миниевых сплавов могут подвергаться различным видам контроля:
рентгеновскому, гамма-дефектоскопии или ультразвуковому для
обнаружения внутренних дефектов; разметке для определения раз-
мерных отклонений; люминисцентному для обнаружения поверх-
ностных трещин; гидро- или пневмоконтролю для оценки герметич-
ности. Периодичность перечисленных видов контроля оговаривается
техническими условиями или определяется отделом главного ме-
158
Таллурга завода. Выявленные дефекты, если эТо доВусййется тех-
ническими условиями, устраняют заваркой или пропиткой.
Аргонно-дуговую сварку используют для заварки недоливов,
раковин, рыхлот и трещин. Перед заваркой дефектное место разде-
лывают таким образом, чтобы стенки углублений имели наклон 30—
45°. Отливки подвергают местному или общему нагреву до 300—
350 °C. Местный нагрев ведут ацетилено-кислородным пламенем,
общий нагрев — в камерных печах. Заварку ведут теми жесплавами,
из которых изготовлены отливки, с помощью неплавящегося воль-
фрамового электрода диаметром 2—б мм при расходе аргона 5—
12 л/мин. Сила сварочного тока составляет обычно 25—40 А на 1 мм
диаметра электрода.
Пористость в отливках устраняют пропиткой бакелитовым ла-
ком, асфальтовым лаком, олифой или жидким стеклом. Пропитку
ведут в специальных котлах под давлением 490—590 кПа с предва-
рительной выдержкой отливок в разреженной атмосфере (1,3—
6,5 кПа). Температуру пропитывающей жидкости поддерживают
на уровне 100 °C. После пропитки отливки подвергают сушке при
65—200 °C, в процессе которой происходит твердение пропитываю-
щей жидкости, и повторному контролю.
Литература: [1, 9, 11, 16, 19, 23, 24, 29, 36, 38, 44, 48] (см.
рекомендательный библиографический список).
Глава 8
ПРОИЗВОДСТВО отливок из МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЕРВИЧНОГО МАГНИЯ
Магний обладает гексагональной плотноупакованной кристалли-
ческой решеткой, имеет невысокую температуру плавления (651 °C)
и небольшую плотность (1,738 г/см3 при 20 °C и ~1,6 г/см3 при тем-
пературе плавления), высокое давление пара. Температура кипения
магния при атмосферном давлении составляет 1107 °C. Объемная
усадка при переходе из жидкого состояния в твердое равна 3,97—
4,2 %. Магний имеет меньшее, чем алюминий, поверхностное на-
тяжение (563 мН/м при 681 °C), которое снижается от добавок ли-
тия, кальция, сурьмы, стронция, свинца, висмута или бора. В литом
состоянии он имеет низкие прочность (80—ПО МПа) и относитель-
ное удлинение (6—8 %).
Чистый магний характеризуется высокой химической актив-
ностью. Он легко окисляется. У образующейся оксидной плены при
температуре выше 450 °C отсутствуют защитные свойства. С повы-
шением температуры скорость окисления возрастает, а при 623 °C
магний воспламеняется на воздухе. Медь, никель, олово, цинк и
алюминий увеличивают скорость окисления магния при повышен-
ных температурах; свинец, серебро, кадмий и таллий почти не ока-
зывают влияния, а церий и лантан несколько замедляют скорость
окисления на воздухе.
159
С азоТом при тёмпературё выше 750 еС Магний взаимодействует
с образованием нерастворимого твердого и хрупкого нитрида MgsN2j
снижающего пластические свойства металла. С сернистым газом
при 600—650 °C взаимодействие сопровождается образованием MgO,
MgSO4 и паров серы.
Магний в значительно большем количестве, чем- алюминий,
поглощает водород. С повышением температуры и давления над
расплавом растворимость водорода увеличивается (см. ниже):
Температура, °C 640 675 725 775
Растворимость, см3/100 г, при давлении, кПа: 27 15,6 23,8 30,6 32,1
54 22,4. 33,8 43,3 45,7
81 27,3 41,4 53,2 56,1
101 30,7 46,5 60,1 63,1
Магний не взаимодействует с растворами едких щелочей, с ке-
росином, бензином, минеральными маслами, устойчив по отношению
к фторидам и плавиковой кислоте, но неустойчив в разбавленных
минеральных кислотах. С водой магний интенсивно реагирует с вы-
делением водорода, который часто является причиной взрывов из-за
образования гремучего газа.
ГОСТ 804—72 предусматривает выпуск трех марок первичного
магния, различающихся содержанием примесей (табл. 38).
Кроме примесей, регламентированных ГОСТом, первичный
магний в сотых и тысячных долях процента содержит натрий (до
0,01 %), калий (до 0,005 %), титан (до 0,014 %), кальций, барий,
стронций, галлий, водород, цинк, сурьму и другие элементы, а
также оксид и хлорид магния.
Наиболее вредными примесями являются никель и железо. Они
сильно снижают коррозионную стойкость магния. Ввиду малой
растворимости в твердом магнии эти примеси при содержании в ко-
личестве более 0,01—0,02 % выделяются в виде мельчайших частиц
интерметаллида Mg2Ni и чистого железа и вызывают резкое усиле-
ние атмосферной коррозии за счет образования большого числа
гальванических микропар.
Медь и кремний также снижают коррозионную стойкость магния,
но в меньшей степени, чем никель и железо. Примеси натрия, ка-
лия, водорода, оксидов и хлоридов оказывают отрицательное влия-
Таблица 38. Химический состав первичного магния
Марка Mg. %, ие менее Примеси, %, не более s приме- сей. %
Fe Si Ni Cu Al Мп Cl-
Мг96 99,96 0,004 0,005 0,002 0,002 0,006 0,004 0,003, 0,03
Мг95 99,95 0,004 0,005 0,0007 0,003 0,007 0,01 0,005 0,035
Мг90 99,90 0,04 0,01 0,001 0,005 0,02 0,04 0,005 0,1
160
ние на свойства магния; Сотые доли процента кальция уменьшают
газовую пористость отливок; действие большинства других приме-
сей мало изучено.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Питейные сплавы
Для изготовления фасонных отливок в промышленности используют
три группы магниевых сплавов:
I группа — сплавы на основе системы Mg—Al—Zn (МЛЗ, МЛ4,
МЛ5, МЛ6);
Рис. 71. Диаграмма 'состоя-
ния системы Mg—Zn
II группа — сплавы на основе системы Mg—Zn—Zr (МЛ8, МЛ 12,
МЛ15);
III группа — сплавы, легированные редкоземельными элементами
(МЛ9, МЛ10, МЛН, МЛ 19).
Химический состав литейных промышленных сплавов по
ГОСТ 2856—79 приведен в табл. 39.
Все сплавы I группы, за исключением сплава МЛЗ, относят к числу
высокопрочных. Основным упрочнителем в этих сплавах является
алюминий, .растворимость которого в магнии при эвтектической тем-
пературе составляет 12,7 %, а при комнатной 1,5 % (см. рис. 38).
Цинк также упрочняет магний, но менее эффективно, чем алюминий.
Максимальная растворимость его в магнии при температуре соли-
дуса составляет 8,4 %; с понижением температуры растворимость
уменьшается (рис. 71).
Сплавы I группы предназначены для производства высоконагру-
женных отливок, работающих в тяжелых атмосферных условиях
(большая влажность). Для повышения коррозионной стойкости
в сплавы системы Mg—Al—Zn вводят 0,1—0,5 % Мп, а для сниже-
ния окисляемости 0,001—0,002 % Бе или до 0,1 % Са. Кальций,
кроме того, повышает плотность отливок и улучшает способность
сплавов к термообработке.
6 Заказ 235 1 61
Таблица 39. Химический соётаб МаГниёЬых Литейных Сплабов
9 Легирующие элементы, %
Сплав А1 Мп Zn Zr другие элементы
МЛЗ 2,5—3,5 0,15—0,5 0,5—1,5
МЛ4 5,0—7,0 0,15—0,5 2,0—3,5 — —, 1
МЛ4пч 5,0—7,0 0,15—0,5 2,0—3,5 —. —
МЛ5 7,5—9,0 0,15—0,5 0,2—0,8 — .—
МЛ5пч 7,5—9,0 0,15—0,5 0,2—0,8 — — •— _
МЛ5он 7,5—9,0 0,15—0,5 0,2—0,8 — —
МЛ6 9,0—10,2 0,1—0,5 0,6—1,2 — -—.
МЛ8 —- —. 5,5—6,6 0,7—1,1 0,2—0,8 Cd
МЛ9 — —. — 0,4—1,0 1,9—2,6 Nd; 0,2—0,8 In
МЛ10 — — 0,1—0,7 0,4—1,0 2,2—2,8 Nd
МЛН — — 0,2—0,7 0,4—1,0 2,5—4,0 РЗМ
МЛ12 —- —. 4,0—5,0 0,6—1,1 —
МЛ 15 — —. 4,0—5,0 0,7—1,1 0,6—1,2 La
МЛ19 —- — 0,1—0,6 0,4—1,0 1,6—2,3 Nd; 1,4—2,2 Y
Примечания. 1. Mg — остальное. 2. пч — сплавы повышенной чистоты; ои —
В качестве примесей в сплавах I группы присутствуют кремний,
железо, никель, медь и цирконий. Большинство из них снижают
коррозионную стойкость сплавов. Цирконий оказывает модифици-
рующее действие на макроструктуру сплавов.
Основными структурными составляющими сплавов системы Mg—
Al—Zn—Мп являются первичные кристаллы «Mg-твердого раствора
алюминия и цинка в магнии, у-фаза (Mg17Al12), т]-фаза (МпА1) и
марганцевая фаза (Мп) (рис. 72). С увеличением содержания алю-
миния количество у-фазы возрастает. В сплаве МЛ4, кроме пере-
численных структурных составляющих, в небольшом количестве
присутствует тройная фаза Т (Al2Zn3Mg3). у-фаза является упрочни-
телем при термической обработке.
Рис. 72. Магниевый угол си-
стемы Mg — Al — Zn (по
А. М. Захарову). Сплавы ти-
па МА2 (7); МА2-1 (2); МА2-2
(3); МАЗ (4); МА5 (5); МЛЗ
(6); МЛ4 (7); МЛ5 (В); МЛ6
(»)
Пд а№ 1 6 в W 12 °s 11
162
Примеси, %, не более £ примесей
/1 Si Fe Ni Си Бе Zr прочие
0,25 0,06 0,01 о,1 '0,002 0,002 о,1 0,5
.— 0,25 0,06 0,01 0,1 0,002 0,002 0,1 0,5
-— 0,08 0,007 0,002 0,04 0,002 0,002 .— 0,13
-— 0,25 0,06 0,01 0,1 0,002 0,002 0,1 0,5
— 0,08 0,007 0,001 0,04 0,002 0,002 — 0,13
- — 0,35 0,08 0,01 0,25 0,002 0,002 0,1 0,7
.— 0,25 0,06 0,01 0,1 0,002 0,002 0,1 0,5
0,02 0,03 0,01 0,005 0,03 0,001 -— 0,12 0,2
0,02 0,03 0,01 0,005 0.03 0,001 0,15Zn 0,12 0,35
0,02 0,03 0,01 0,005 0,03 0,001 — 0,12 0,2
0,02 0,03 0,02 0,005 0,03 0,001 — 0,12 0,2
0,02 0,03 0,01 0,005 0,03 0,001 —. 0,12 0,2
0,02 0,03 0,01 0,005 0,03 — —- 0,12 0,2
0,03 0,03 0,01 0,005 0,03 0,001 — 0,14 0,25
сплавы общего назначения.
Общим недостатком сплавов I группы, за исключением сплава
МЛЗ, является широкий интервал кристаллизации и в связи с этим
склонность к образованию усадочной микрорыхлоты. Излом отливки
в месте расположения рыхлоты имеет светло-желтый, серый или
черный цвет.
Сплав МЛЗ используют при изготовлении отливок простой кон-
фигурации с повышенной герметичностью для работы при средних
статических и динамических нагрузках. В отличие от сплавов МЛ5
и МЛ6 сплав МЛЗ обладает небольшим равновесным интервалом
кристаллизации (55—60 °C), малой склонностью к образованию
микропористости, большей линейной усадкой, повышенной склон-
ностью к образованию усадочных трещин и низкой жидкотекучестью.
Сплав МЛ4 используют для работы при повышенных нагрузках;
он имеет высокую коррозионную стойкость. Сплав МЛ4 применяют
в основном для литья в песчаные формы.
Сплав МЛ5 применяют для нагруженных деталей, работающих
в условиях ударного и вибрационного воздействия. В связи с удов-
летворительными литейными свойствами его используют для изго-
товления отдцвок всеми способами литья. Сплав МЛ5 является
основным литейным магниевым сплавом.
Сплав МЛ6 из-за большого интервала кристаллизации (~ 160 °C)
и повышенного содержания цинка более склонен к микропористости,
чем сплав МЛ5. Удовлетворительные литейные свойства позволяют
изготовлять из него отливки всеми способами литья. Отливки под-
вергают термической обработке по режиму Т2.
Сплавы II группы также относят к числу высокопрочных. Они
отличаются от других групп магниевых сплавов повышенными меха-
ническими свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием. Леги-
6* 163
рование их лантаном (МЛ 15) улучшает литейные свойства, несколько
повышает жаропрочность, плотность и свариваемость, но снижает
прочность и пластичность при комнатной температуре. Увеличение
содержания цинка и дополнительное легирование сплавов кадмием
(МЛ8) позволяют получать более высокий уровень механических и
технологических свойств, чем сплавов с лантаном.
Сплавы МЛ8, МЛ 12 и МЛ 15 обладают удовлетворительными ли-
тейными свойствами, имеют измельченное цирконием зерно, способны
упрочняться в процессе термической обработки. Для них характерен
более низкий уровень содержания примесей, в особенности никеля
и железа. Эти сплавы позволяют получать однородные механические
свойства в различных по толщине сечениях; они менее чувствительны
к влиянию микрорыхлоты, так как отдельные поры располагаются
в углах между зернами, а не образуют цепочек, ослабляющих сече-
ния отливок, но сложны в приготовлении из-за плохого растворения
циркония и не свариваются на воздухе.
Сплавы II группы используют для изготовления отливок, рабо-
тающих при 200—250 °C и высоких нагрузках.
Основными структурными составляющими сплавов МЛ8 и МЛ12
являются аМе-твердый раствор цинка и циркония в магнии и вклю-
чения интермета л лидов Mg2Zn3 и ZrZn2 (рис. 73), являющихся упроч-
нителями при термической обработке. Более сложный фазовый со-
став имеет сплав МЛ 15 — наряду~с аМв-твердым раствором и раз-
личными промежуточными фазами (интермегаллидами), образован-
ными цинком и цирконием (ZrZn2, ZrZn и др.), основной избыточной
фазой в нем является промежуточная фаза на основе Mg3La или
(MgZr)3C(La,’Zn);/.
164
Таблица 40. Механические и технологические свойства литейных
магниевых сплавов при литье в песчаные формы
Сплав Внд теом ©обработки ав, МПа, не менее 00 2' МПа, не менее 6, %, не менее Линейная усадка, % Склонность к горячим тре- щинам (проба ВИ AM), мм Объемная усадка кристалли- зации, % Температурный интервал кри- сталлизации, °C Склонность к образованию ми кр ор ЫХЛ ОТЫ
о ъ D, С Л _1 £ U о * St £
МЛЗ — — — — 1,5—1,6 215 42,5 5,0 67 Пониженная
МЛ4 — 159 — 3 1,2—1,4 245 37,5 3,4 155 Повышенная
Т4 215 — 5 1,2—1,4 245 37,5 3,4 155 »
Тб 225 — 2 1,2—1,4 245 37,5 3,4 155 »
МЛ5 — 147 —- 2 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 Средняя
Т2 147 — 2 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 »
Т4 225 84,5 5 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 »
Тб 225 — 2 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 -»
МЛ5он — 147 —- 2 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 Средняя
Т4 215 — 5 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 »
Тб 225 — 2 1,0—1,2 290 30,0 3,8 115 »
МЛ6 — 147 — 1 1,1—1,2 *330 27,5 3,6 160 »
Т4 215 105 4 1,1—1,2 330 27,5 3,6 160 »
Тб 215 135 1 1,1—1,2 330 27,5 3,6 160 »
Т61 225 135 1 1,1—1,2 330 27,5 3,6 160 »
МЛ8 Тб 264 166 4 1,2—1,4 290 32,5 3,8 »
Т61 275 176 4 1,2—1,4 290 32,5 3,8 — »
МЛ9 Тб 226 108 4 1,2—1,5 250 17,5 — 95 Пониженная
МЛ 10 Тб 226 137 3 1,2—1,5 250 17,5 95 »
Т61 235 137 3 1,2—1,5 250 17,5 — 95 »
МЛ 11 — 117,5 — 1,5 1,2—1,5 250 20 м 55 »
Т2 117,5 — 1,5 1,2—1,5 250 20 — 55 »
Т4 137 83,3 3 1,2—1,5 250 20 — 55 »
Тб 137 98 2 1,2—1,5 250 20 — 55
МЛ12 — 196 88,2 6 1,2—1,4 280 32,5 75 Средняя
Т1 226 127,5 5 1,2—1,4 280 32,5 — 75 »
МЛ15 Т1 206 127,5 3 1,2—1,5 300 27,5 — 75 »
МЛ19 Тб 216 118 3 — — — — —
При меч а и и е, Т1 — старение; Т2 — отжиг; Т4 — гомогенизация и закалка
на воздухе; 1b - гомогенизация, закалка и а воздухе ц старение; Т61 гомогенизация,
закалка в воду и старение. * г »
165
•j ' । <yg i4U су ыти и
Mg ’ Nd,%
Рис. 74. Магниевый угол системы Mg—Nd—Zr (по A. M. 3axapoBv).
Сплавы типа MA12 (/); МЛ9 (2), МЛ10 (3); МЛ19 (4)
Сплавы III группы обладают высокой жаропрочностью и хорошей
коррозионной стойкостью. Они предназначены для длительной ра-
боты при 250—350 °C и кратковременной — при 400 °C. Эти сплавы
имеют хорошие литейные свойства, высокую герметичность, малую
склонность к образованию микрорыхлот и усадочных трещин, высо-
кие и однородные механические свойства в сечениях различной
толщины и хорошо свариваются аргонно-дуговой сваркой. Спла-
вы системы Mg—РЗМ—Zr применяют для деталей, подвергающих-
ся одновременному воздействию статических и усталостных нагру-
зок.
Основными структурными составляющими сплавов системы Mg—
Nd—Zr (МЛ9 и МЛ 10) являются: аМв-твердый раствор неодима и
циркония в магнии и двойная эвтектика «мк + MgsNd. Воз-
можно также образование фазы Mg2Zr (рис. 74). Кроме аМв-твер-
дого раствора основной избыточной фазой в сплавах с церием яв-
ляется Mg3Ce (или Mg12Ce).
В структуре сплава МЛ 19 в качестве основной избыточной фазы
присутствует интерметаллид MgeNd (или Mg12Nd). Кроме того,
в зависимости от содержания легирующих элементов в числе струк-
турных составляющих может присутствовать фаза (Mg, Zn)3(Nd—Y).
Упрочнителями при термической обработке являются фазы MgeNd
или Mg12Nd.
Механические и технологические свойства магниевых сплавов
приведены в табл. 40.
Деформируемые сплавы
Для изготовления листов, поковок, штамповок, профилей, прутков
и полос в промышленности применяют следующие группы сплавов:
I группа — на основе системы Mg—Мп (MAI, МА8, МА8пч);
II группа — на основе системы Mg—Al—Zn (МА2, МА2-1,
МА2-1пч, МА5);
III группа — на основе системы Mg—Zn—Zr (МА14, МА15, МА19,
‘ МА20);
IV группа — на основе системы Mg—РЗЭ—Мп (МАП, МА17);
V группа — сплавы легированные литием (МА 18, МА21).
166
Таблица 41. Химический состав магниевых деформируемых сплавов
Сплав Легирующие элементы. %
А! Мп Zn Zr Се Другие элементы
МА1 1,3—2,5 -
МА2 3-4 0,15—0,5 0,2—0,8 — —
МА2-1 3,8—5 0,3—0,7 0,8—1,5 — —
МА2-1пч 3,8—5 0,2—0,6 0,8—1,5 — —
МА5 7,8-9,2 0,15—0,5 0,2—0,8 — —
МА8 — 1,3—2,2 — — 0,15— 0,35
МА8пч —Г 1,0-1,5 — Т" 0,15— 0,35
МАП — 1,5-2,5 — — — 2,5—3,5 Nd; 0,1—0,22 Ni
МА! 4 — — 5-6 0,3—0,9 .— —
МА 15 — — 2,5—3,5 0,45—0,9 — 1,2—2,0 Cd; 0,7—1,1 La
МА 17 — 0,2—0,7 — — 0,7—1,5
МА 19 — — 5,5—7,0 0,5—0,9 — 1,4—2,0 Nd; 0,2-1,0 Cd
М/20 8 — — 1,0—1,5 0,05— 0,12 0,12— 0,25 ’—
МА1 0,5—1 0,1—0,4 2-2,5 — 0,15— 0,35 10—11,5 Li
МА21 4—6 0,1-0,5 0.8—2 — — 7—10 Li; 3-5 Cd; 0,6—1,2 Sn
ИМВ1 5—6 0,2—0,8 0,6—1,2 — — 4.5—6 Li
Примечание. Mg —- остальное.
о
Прнмеси, %, не более
А1 Си Ni Zn Si Be Fe Мп прочие примеси
0,1 0,005 0,007 0,3 0,1 0,002 0,05 0,2-
— 0,05 0,005 — 0,1 0,002 0,05 — . 0,3-
— 0,05 0,004 — 0,1 0,002 0,04 — 0,3.
— 0,01 0,001 — 0,01 0,002 0,005 — 0,1
— 0,05 0,005 .— 0,1 0,002 0,05 — 0,3
0,1 0,05 0,007 0,3 0,1 0,002 0,05 — 0,3
0,01 0,01 0,002 0,06 0,01 — 0,01 — 0,1!
0,1 0,03 — 0,2 0,1 0,002 0,03 — 0,3
0,05 0,05 0,005 — 0,05 0,002 0,03 0,1 0,3
0,05 0,03 0,005 — 0,05 0,002 0,03 0,1 0,3
0,1 0,05 0;005 0,1 0,05 0,002 0,05 — 0,3
0,05 0,05 0,005 — 0,05 0,002 0,05 0,1 0,3
0,02 0,03 0,005 0,05 0,002 0,04 0,04 0,3
Химический состав магниеЁых дефорМируёмыХ Сплэёоё по
ГОСТ 14957—Тб^приведен в табл. 41.
Деформируемые сплавы по химическому и фазовому составу
совпадают с литейными, но отличаются меньшими допусками по со-
держанию примесей. Сплавы 1 группы отличаются высокой корро-
зионной стойкостью, высокой пластичностью в горячем состоянии,
удовлетворительно свариваются; их применяют в отожженном или
нагартованном состоянии для изготовления изделий, не несущих
высоких нагрузок. Основную группу (II) деформируемых сплавов
составляют сплавы системы Mg—Al—Zn с добавками марганца.
В зависимости от содержания алюми-
ния они имеют различный уровень ме-
ханических свойств.
Сплавы III группы характеризуют-
ся высокой прочностью. Они обладают
хорошей пластичностью в горячем со-
стоянии и удовлетворительной корро-
зионной стойкостью. Их применяют для
изготовления средненагруженных дета-
лей. Вредными примесями в этой группе
сплавов являются алюминий, кремний,
марганец, никель и сурьма. Эти приме-
си снижают модифицирующее действие
циркония.
Сплавы IV группы обладают вы-
сокими жаропрочными свойствами.
Сплавы с церием устойчиво работают при температурах до 200 °C,
а с неодимом — при 250—300 °C.
Самым легким конструкционным материалом являются сплавы
магния с литием. Их плотность 1,3—1,65 г/см3. В зависимости от со-
держания лития эти сплавы делят на однофазные и двухфазные. При
содержании лития от 1 до 5,7 % сплавы имеют структуру «^-твер-
дого раствора; двухфазные (а -ф Р) сплавы содержат 5,7—10,3 % Li;
при содержании лития от 10,3 до 15 % основой сплава является
твердый раствор (Р) магния в литии (рис. 75). Магниеволитиевые
сплавы на основе p-твердого раствора обладают повышенной пла-
стичностью и ударной вязкостью и могут обрабатываться давлением
в холодном состоянии; они хорошо свариваются и имеют удовлетво-
рительную коррозионную стойкость.
По структуре в литом состоянии деформируемые сплавы близки
к соответствующим литейным- сплавам. Горячая обработка магние-
вых сплавов давлением проводится при 350—400 °C, рекристалли-
зационный отжиг — при 300—350 °C. Большинство сплавов под-
вергают термической обработке.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей. Сплавы
легко окисляются. Это объясняется тем, что на поверхности распла-
вов образуется пористая пленка оксида (VMgo/VMg < 1), не предо-
168
храняющая их от окисления и загорания. Иттрий, церий, лантан,
неодим и литий усиливают окисление, создавая тем самым условия
для обогащения расплавов оксидными пленами. Алюминий, медь,
серебро, индий, никель, свинец, сурьма, олово и цинк понижают
температуру воспламенения магния. Окисление замедляется в атмо-
сфере сернистого газа (SO2) или углекислоты (СО2). Взаимодействие
с сернистым газом при 700—750 °C сопровождается образованием
на поверхности расплава тонкой пленки сульфата магния (MgSO4),
затрудняющей доступ кислорода к расплаву. По этой причине серни-
стый газ нашел широкое применение для защиты от окисления струи
металла при литье фасонных отливок'и'слитков.
Резко снижает окисление магниевых сплавов введение в них
0,001—0,002 % бериллия или 0,03—0,05 % кальция, оксиды кото-
рых уплотняют оксидную пленку на поверхности расплавов. При со-
держании бериллия более 0,002 % структура сплавов огрубляется,
а механические свойства снижаются.
При нагреве магниевых расплавов в воздушной среде выше 700 °C
они взаимодействуют с азотом с образованием нерастворимого ни-
трида магния (Mg3N2). Активно эта реакция идет при температуре
выше 950 °C. Включения нитрида магния снижают коррозионную
стойкость и пластические свойства магниевых сплавов.
При температуре ведения плавки магниевые сплавы интенсивно
поглощают водород (до 30 см3/100 г). Легирующие элементы и при-
меси, входящие в состав сплавов, изменяют растворимость водорода
в магнии. Алюминий в количестве до 6 % увеличивает раствори-
мость. Максимальной растворимостью обладает сплав магния с 3—
4 % А1. При более высоком содержании алюминия растворимость
водорода снижается. Подобное действие на растворимость водорода
оказывает цинк. Максимальной растворимостью водорода обладают
сплавы с 2—3 % Zn. С повышением температуры расплавов раство-
римость водорода в двойных сплавах магния с алюминием и цинком
увеличивается. В тройных сплавах системы Mg—Al—Zn раствори-
мость водорода выше, чем в магнии.
Магниевые расплавы, обогащенные водородом и оксидами, пред-
расположены к образованию микропористости в отливках.
, Цирконий, церий, лантан, иттрий, кальций и титан взаимодей-
ствуют с водородом с образованием гидридов. Вводя их в магниевые
расплавы, снижают выделение водорода в процессе кристаллизации
и предотвращают образование газовой и газоусадочной пористости.
Для предотвращения интенсивного взаимодействия с печными
газами плавку магниевых сплавов ведут под флюсами или в среде
защитных газов. Покровные флюсы для магниевых сплавов состоят
из смеси хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземель-
ных металлов. Основой хлоридных и хлоридно-фторидных флюсов
является карналлит MgCl2-KCl (табл. 42). Хлористый барий добав-
ляют во флюс для повышения плотности и лучшего отделения флюса
от сплава. Фтористый кальций повышает вязкость флюса и увеличи-
вает его рафинирующую способность. Оксид магния добавляют в ка-
честве загустителя, облегчающего образование корочки при пере-
169
Таблица 42. Состав некоторых флюсов для плавки магниевых
сплавов, %
Флюс Состав Применение
ВИ2 38—46 MgCl2; 32—40 КС1; <10 СаС12; 5—8 ВаС12; 3—5 CaF2;<l,5 MgO;<l,5 н. о; <3 Н2О Для плавки в стационар- ных печах и тиглях
ВИЗ 33—40 MgCl2; 25—36 КС1; <7 СаС12; 15— 20 CaF2; 7—10 MgO; <1,5 н. о; <3 Н2О 25—42 MgCl2; 20—36 КС1; 4—8 ВаС12; 0,5— 10 CaF2; 3—11 MgF3; 3—14 A1F3; 1,8 В2О3 20—35 MgCl2; 16—29 КС1; 8—12 ВаС12; 14—23 CaF2; 14—23 MgF2; 0,5—8 B2O3 80 LiCl; 20 LiF Для плавки в выемных тиглях
ФЛ5 Единый флюс
ФЛ10 Универсальный флюс
№ 1 Для сплавов магния с литием
№ 2 14—21 NaCl; 47—51 CaCl2; 26—29 BaCl2; 2—5 CaF2; <2 H2O Для сплавов с РЗМ.
№ 3 22—26 KC1; 17—20 NaCl; 35—39 CaCl2; 19—23 BaCl2; 2—5 CaF2; <2 H2O То же
№ 4 55 KC1; 28 CaCl2; 15 BaCl2; 2 CaF2 Для сплавов магния с торием и цирконием
ФЛ1 13 CaF2; 32 MgF2; 40 A1F3; 15 B2O3 3,5 CaF2; 23,5 A1F3; 40 B2O3; 33 NajAlF6 Бесхлоридные флюсы
ВАМИ1 То же
ВАМИ5 17,5 CaF2; 17,5 MgF2; 15 A1F3; 50 B^s »
греве расплава. При плавке магниевых сплавов хорошо зарекомен-
довали себя флюсы ВИ2 и ВИЗ. Они характеризуются хорошими
защитными и рафинирующими свойствами. Обладая повышенной
плотностью, флюс ВИ2 легко отделяется от расплава, хорошо отво-
дится с поверхности при разборе металла ковшом. Флюс ВИЗ при
перегреве сплава до 900 °C образует прочную плотную корку, за-
щищающую сплав от окисления. Флюс, состоящий из хлористого и
фтористого лития, применяют при плавке сплавов магния с литием.
При плавке сплавов с редкоземельными металлами (Се, Y, Nd,
La), торием и кальцием используют флюсы, не содержащие хлориды
магния. Применение флюсов на основе хлорида магния влечет за со-
бой большие потери редкоземельных металлов из-за обменных
реакций:
3MgCl2 + 2Y 2YC13 + 3Mg;
3MgCl2 + 2Ce 2CeCl3 + 3Mg;
MgCl2 + Ca ->• CaCl2 + Mg.
Для уменьшения этих потерь при необходимости применения
флюсов на основе карналлита следует до минимума сокращать дли-
тельность контакта расплавов с флюсом, что достигается введением
РЗМ в расплав за 3—5 мин до его разливки.
В последние годы разработаны бесхлоридные флюсы, позволя-
ющие рафинировать расплавы от хлористых солей. Бесхлоридные
170
флюсы Наносят йа поверхность раСплайа После рафинирования хлй*
ридными флюсами для защиты сплавов от загорания.
Из-за высокой гигроскопичности флюсов применение их сопря-
жено с возможностью насыщения расплавов водородом и обогащения
оксидами. Поэтому непременным условием ЯВЛЯЕТСЯ ИСПОЛЬЗОВЭКНё
переплавленных флюсов, хранение которых осуществляется в тер-
мостатах.
Применение флюсов, несмотря на их положительное влияние,
связано с рядом неудобств: попаданием флюса в отливки и образо-
ванием очагов интенсивной коррозии из-за его высокой гигроскопич-
ности, растрескиванием корки окисленного флюса и необходимостью
добавки свежего для защиты .поверхности расплава, интенсивным
коррозионным воздействием флюсовой пыли во влажной атмосфере
на стальные конструкции цеха. Поэтому в настоящее время широко
применяют бесфлюсовую плавку магниевых сплавов. В качестве за-
щитной газовой среды при этом используют смеси сухого воздуха
с сернистым газом, фторидом бора или шестифтористой серой и
чистый углекислый газ. Применение этих смесей обусловлено воз-
можностью образования тонких защитных пленок фторида и сульфата
магния. 1
Атмосфера углекислого газа эффективна в интервале 620—680 °C.
В производственных условиях предпочтительнее использование за-
щитной атмосферы из сухого воздуха с 0,1 % SF6, так как шести-
фтористая сера в отличие от фторида бора не является токсичным
газом.
В зависимости от масштаба производства и развеса отливок при-
меняют три способа плавки литейных магниевых сплавов: а) в ста-
ционарных тиглях; б) в выемных тиглях; в) дуплекс-процесс (отра-
жательная печь—тигель или индукционная печь—тигель). Техно-
логия приготовления сплавов при использовании любого способа
почти одинакова. Имеются лишь некоторые различия в технологии
заливки и составе применяемых флюсов.
Плавку в стационарных тиглях ведут при массовом или крупно-
серийном производстве мелких отливок. Стальной толстостенный
литой тигель нагревают до 400—500 °C и загружают в него флюс ВИ2
в количестве до 10 % от массы шихты. Флюс расплавляют, затем
небольшими порциями загружают в него подогретые до 120—150 °C
шихтовые материалы. После введения всех составляющих шихты
расплав нагревают до 700—720 °C и проводят рафинирование и мо-
дифицирование. Выстаивают сплав 10—15 мин, отбирают пробы на
, химический и спектральный анализы и излом, а затем при помощи
ручных ковшей разливают металл по формам. Остаток металла
(20—30 % от объема расплава в тигле), загрязненный оксидами и
флюсом, сливают, после каждой плавки и используют для производ-
ства подготовительных сплавов.
При изготовлении крупных отливок плавку сплавов ведут в. выем-
ных сварных стальных тиглях с перегородкой и дуплекс-процессом.
В этих тиглях осуществляют плавку, рафинирование и модифици-
рование так же, как и в стационарных тиглях. Различие состоит
171
лишь в применении другого флюса (ВИЗ) для рафинирования.
Флюс ВИЗ легче, чем ВИ2, поэтому всплывает на поверхность рас-
плава и при заливке удерживается от попадания в форму перегород-
кой тигля. После проведения всех операций по рафинированию и
модифицированию тигель извлекают из печи и транспортируют к ме-
сту заливки.
Плавку дуплекс-процессом ведут в отражательных или индук-
ционных печах емкостью 0,5—3 т под слоем флюса ВИ2. Затем рас-
плав переливают в выемные тигли, где осуществляют операции ра-
финирования и модифицирования. При плавке в индукционных
печах на дно тигля загружают часть мелкой шихты, а затем
как можно компактнее крупные куски, промежутки между. ко-
торыми заполняют мелочью; сверху засыпают флюс. После рас-
плавления шихты и перегрева расплав переливают в выемные
тигли.
При выплавке сплавов применяют магний Мг90; первичные ма-
гниевые сплавы ММ2, МА5, МА8; алюминий А6 и А5; цинк стандарт-
ных сортов не ниже марки Ц1; возвраты собственного производства
(до 80 %) и различные лигатуры. Марганец вводят в виде лигатуры
А1—Мп (8—10 %) или лигатуры Mg—Мп (2 %), а также в виде хло-
ристого марганца. Предпочтение обычно отдают лигатурам, так как
хлористый марганец обогащает расплав хлоридными включениями
и способствует увеличению потерь марганца и редкоземельных ме-
таллов. Лигатуру загружают в печь вместе с магнием. При подших-
товке лигатуру вводят в расплав при 740—760 °C. Хлористый мар-
ганец вводят в сплав при 850 °C в трехкратном против расчетного
количестве. В ряде случаев подшихтовку ведут электроли-
тическим чешуйчатым марганцем, загружая его в расплав, нагре-
тый до 900 °C небольшими порциями в смеси с флюсом
ВИ2 (1 : 1).
Цирконий в сплавы вводят в виде лигатур Mg—Zn—Zr (6—7 % Zn,
20—25 % Zr) и Mg—Zr (15—20 % Zr), а также в виде фторцирконата
калия и шлак-лигатуры, содержащей 66 % фторцирконата калия,
26 % хлористого лития и 8 % фтористого кальция. Расплав перед
введением циркония нагревают до 800—950 °C. Введение из солей
отличается низким усвоением циркония (20 %), требует максималь-
ного перегрева расплава, что влечет за собой сильное окисление и
большие (20—25 %) безвозвратные потери металла. Поэтому при
выплавке магниевых сплавов- предпочтение отдают лигатурам, кото-
рые вводят в расплавы несколькими равными порциями при 820 °C.
Меньшие безвозвратные потери (10—12 %) и лучшее усвоение цир-
кония (60 %) получаются при использовании двойной лигатуры
(Mg—Zr). Примеси алюминия, железа, никеля, кремния и в меньшей
мере марганца, образуя с цирконием тугоплавкие нерастворимые
в магнии соединения, резко снижают содержание его в сплавах.
Поэтому для получения магниевоциркониевых сплавов необходимо
применять шихтовые материалы высокой чистоты.
Лантан и неодим вводят либо в виде чистых металлов, либо в
ввиде лигатур с магнием при 760—780 °C. В том случае, когда
172
плавку ведут с использованием флюсов ВИ2 и ВИЗ, лантан шихтуют
с 20—25 %-ным, а неодим с 10—15%-ным избытком сверх расчет-
ного количества. Церий вводят в виде мишметалла (50—60 % Се)
при 750—780 °C; если же вводят ферроцерий, то температуру рас-
плава поднимают до 780—800 °C.
Торий вводят в сплавы в чистом виде или в составе лигатуры
Mg—Th; учитывая радиоактивность тория, при плавке и обработке
отливок из сплавов с торием применяют необходимые меры защиты
обслуживающего персонала.
Бериллий вводят в расплав в составе лигатур Al—Be (5 %) или
А1—Mg—Be (3 % Be; 35 % Mg) и в виде фторбериллата натрия
(Na3BeF6). Лигатуры вводят при 720—750 °C до рафинирования рас-
плава из расчета 0,004 % Be; фторбериллат — во время рафини-
рования при 730—750 °C из расчета 0,06 % от массы шихты.
Лучшее усвоение бериллия сплавом происходит при введении
смеси, состоящей из 50 % карналлита и 50 % фторбериллата на-
трия.
Кальций (0,03—0,08 %) вводят в сплавы, подобно редкоземель-
ным металлам, за 5—10 мин до разливки. В тех случаях, когда
плавку ведут под флюсами ВИ2 и ВИЗ, его вводят на 25 % больше,
чем требуется по расчету. Цинк, кадмий и алюминий вводят в рас-
плав при 720—760 °C.
Потери металла на угар и шлак при плавке в отражательных
печах составляют до 6 % у сплавов системы Mg—Al—Zn—Мп,
8—10 % у сплавов системы Mg—Мп—РЗМ и до 12 % у сплавов,
содержащих цирконий. При ведении плавки в индукционных печах
эти потери составляют 2—3 %.
Все шихтовые материалы, предназначенные для приготовления
сплавов, должны быть свободны от продуктов коррозии, масла,
эмульсии и прочих загрязнений. Отходы — литники, прибыли, бра-
кованные отливки — должны быть очищены в дробеструйной уста-
новке или переплавлены. Последовательность загрузки составных
частей шихты при плавке наиболее распространенных магниевых
сплавов следующая: магний, отходы и возвраты; лигатура; алюми-
ний; цинк и кадмий. Церий, кальций и бериллий присаживают перед
самой разливкой. Следует иметь в виду, что при переплавке возврата
кальций в нем полностью выгорает. Присадку легирующих элемен-
тов заканчивают тщательным перемешиванием расплава (5—7 мин)
и отбором проб для определения химического состава сплава.
Для деформируемых сплавов во избежание накопления нежела-
тельных примесей установлен минимальный процент освежения:
10 % — для сплавов системы Mg—Al—Zn—Мп, 30 % — для спла-
вов систем Mg—Zn—Zr и Mg—Zn—Zr—РЗМ, 25 % — для сплавов
системы Mg—Мп—РЗМ.
При плавке магниевых сплавов недопустим контакт металла,
флюсов, а также плавильного инструмента и тиглей с влагой, так
как это может вызвать воспламенение металла, выброс его из печи
или миксера и ухудшение качества отливок.
173
Рафинирование расплавов
Рафинирование магниевых расплавов ведут с целью удаления взве-
шенных неметаллических включений, водорода и примеси железа.
Самый простой способ отделения взвешенных неметаллических
включений — отстаивание. Эту операцию ведут обычно при 750 °C.
С увеличением температуры и времени выдержки эффективность
очистки возрастает. Однако данный способ малопроизводителен, осо-'
бенно в случае отделения небольших по размерам частиц.
Эффективным способом очистки является обработка расплава
флюсом. Так же как и в случае алюминиевых сплавов, в основе этого
способа лежит процесс адсорбции включений жидкими солями.
Эффективность очистки определяется величиной поверхности кон-
такта металла с флюсом и возрастает по мере ухудшения смачивания
включений металлом в среде флюса и уменьшения межфазного натя-
жения на границе металл—флюс. При плавке в стационарном тигле
для рафинирования применяют флюс ВИ2; при ведении этой опера-
ции в выемном тигле используют флюс ВИЗ. Перед рафинированием
расплав нагревают до 700—720 °C, удаляют покровный флюс и вво-
дят в сплав бериллий (0,001—0,002 %) или кальций (0,05 %).
Для рафинирования на поверхность расплава засыпают порцию
молотого рафинирующего флюса (1 % от массы расплава), расплав-
ляют его, затем замешивают в расплав на 2/3 высоты тигля. Заме-
шивание флюса производят плавными движениями ложки-шумовки
в направлении сверху вниз. При замешивании периодически под-
сыпают свежий флюс. Рафинирование считается законченным, когда
поверхность расплава приобретает зеркально-блестящий вид. Повы-
шение температуры расплава и времени выдержки его после переме-
шивания способствует более полному отделению взвешенных частиц.
В производственных условиях рафинирование ведут по следую-
щему режиму: температура расплава 700—720 °C; продолжитель-
ность замешивания флюса 5—6 мин; удаление использованного и
нанесение свежего флюса; нагрев до 750—780 °C; отстаивание при
этой температуре 10—15 мин; снижение температуры расплава до
температуры заливки; заливка форм.
Рафинирующее действие флюсов основано на том, что хлористый
магний, входящий в состав флюса, смачивает включения оксида
магния, связывает их в хлороксид (MgCl2-5MgO) и способствует их
коагуляции. Во избежание насыщения сплава водородом рафини-
рующие флюсы не должны содержать влаги. Более глубокая очистка
от неметаллических включений может быть достигнута при пропу-
скании тонких струй расплава через жидкие флюсы, состав которых
приведен в табл.’42.
Эффективность флюсовой обработки определяется совокупностью
физико-химических свойств флюса и его активности по отношению
к оксиду магния. Так же как и при рафинировании алюминиевых
сплавов, пригодность флюса для рафинирования оценивают вели-
чиной работы адгезии включений к расплаву в среде флюса ГГаТф).
Контроль степени очистки расплава от оксидных включений произ-
174
Рис. 76. Черные пятна в изломах фасонной отливки (а), слитка (б)
водят по излому. Черные пятна в изломе указывают на присутствие
оксида магния (рис. 76); включения флюса имеют серый цвет (рис. 77).
Наряду с очисткой от неметаллических включений обработка
флюсом сопровождается .частичной дегазацией расплава. Более глу-
бокую дегазацию магниевых расплавов осуществляют продувкой га-
зами (азот, аргон, хлор) или обработкой гексахлорэтаном (С2С1е).
Продувку азотом (0,5 %) ведут при 660—685 °C; при более высокой
температуре расплав обогащается нитридами магния. Обработку
аргоном и хлором ведут при температуре расплава 740—760 °C.
При продувке хлором образуется хлорид магния, способствующий
удалению из расплава оксидных включений. Тонкая взвесь хлорида
магния облегчает образование пузырьков водорода. Дегазацию хло-
ром совмещают в ряде случаев с операцией модифицирования. Для
этого расплав продувают смесью хлора с четыреххлористым углеродом.
Последовательная^продувка магниевых расплавов углекислым
газом и гелием или четыреххлористым углеродом и гелием обеспе-
чивает снижение содержания водорода в них до 8—10 см3/100 г
(рис. 78). ,
Длительность продувки газом определяется объемом расплава,
толщиной его слоя, величиной удельной поверхности расплава и вы-
Рис. 77. Включения флюса в изломе отлив-
ин
Рис. 78. Эффективность дегазации
расплава МЛ5 при продувке газо-
выми смесями
175
бирается в пределах 15—30 мин. Расход газа составляет 0,5—3 % от
массы расплава.
Для получения плотных отливок в магниевые сплавы рекомен-
дуется вводить присадки (0,1 %) циркония, церия или кальция.
Образуя с водородом устойчивые гидриды, эти элементы предотвра-
щают образование газовой пористости в процессе кристаллизации.
Однако следует иметь в виду, что склонность циркония к образова-
нию гидридов подавляется цинком. В расплавах, содержащих бо-
лее 1 % цинка, образуется не гидрид циркония, а цирконид цинка
(Zn2Zr3). 'Введение кальция в расплавы системы Mg—Al—Zn—Мп
сопровождается обогащением их оксидными пленами.
Практика производства магниевых сплавов в печах большой
емкости показывает, что рафинирование расплавов флюсами с после-
дующим отстаиванием не обеспечивает необходимого уровня очистки
от взвесей. В темплетах слитков, отлитых из таких расплавов, обна-
руживается значительное количество включений флюса и оксидных
плен, максимальная площадь которых достигает 50—80 мм2. Полу-
фабрикаты, изготовленные из таких слитков, имеют пониженные
пластические свойства и коррозионную стойкость.
Значительно более высокий уровень очистки магниевых распла-
вов от неметаллических и флюсовых взвесей получается при филь-
тровании расплавов через сетчатые или зернистые фильтры. Так,
применение сетчатого фильтра из стали с размером ячейки 1 X1 мм
позволило в 4 раза снизить содержание оксидных включений в спла-
вах МА2 и МА14 по сравнению с нефильтрованным расплавом; макси-
мальная площадь плен при этом не превышала 15 мм2. Еще более
тонкая очистка достигается при фильтровании через зернистые филь-
тры толщиной 100—150 мм, изготовленные из магнезита, графита
и других материалов. Механизм работы таких фильтров описан
выше. По мере уменьшения размера зерна фильтра и увеличения
толщины фильтрующего слоя эффективность очистки возрастает.
Следует иметь в виду, что сетчатые и зернистые фильтры при филь-
тровании магниевых расплавов теряют пропускную способность
значительно быстрее, чем при фильтровании алюминиевых сплавов.
Как показал длительный промышленный опыт, фильтрование
магниевых расплавов через зернистые’фильтры из магнезита позво-
ляет почти полностью'ликвидировать’брак по пленам и флюсовым
включениям при производстве фасонных отливок.
Фильтры’из углеродных материалов (кокс, электродный бой)
и комбинированные (чередующиеся слои магнезита и кокса) наряду
с очисткой от неметаллических включений "оказывают модифици-
рующее воздействие на сплавы, содержащие алюминий (МЛЗ, МЛ4,
МЛ5, МЛ6). Они’позволяют совместить операции очистки расплавов
от плен и модифицирования при заполнении литейных форм.
Технология "фильтрования и расположение фильтров при литье
магниевых сплавов принимаются такими же, как и при литье алю-
миниевых сплавов (см. рис. 55).
Очистку магниевых сплавов от железа проводят с целью повыше-
ния их коррозионной стойкости, Железо удаляют обычно путем вве-
176
' дения в перегретый расплав (800—850 °C) присадок марганца, цир-
кония или титана в количестве 0,3—0,4 % от массы расплава. После-
дующая выдержка расплава в течение 20—30 мин при 700 °C сопро-
вождается образованием кристаллов фазы, содержащей железо и
добавленные присадки. Эти кристаллы собираются на дне тигля.
Введением присадок содержание железа в магниевых сплавах может
быть снижено до тысячных долей процента. Введением циркония и
титана можно также снизить содержание примесей марганца, никеля,
кремния, алюминия и олова.
Модифицирование сплавов
величины
от содер-
Рис. 79. Зависимость
зерна в сплаве МА14
жания циркония
Модифицирование магниевых сплавов осуществляют с целью измель-
чениязернаи повышения в связи сэтимуровня механических свойств.
По склонности к измельчению зерна
сплавы делят на легко поддающиеся моди-
фицированию и трудно модифицируемые.
В первую группу входят сплавы систем
Mg—Zn и Mg—РЗМ, а также чистый маг-
ний. Ко второй группе относят сплавы
систем Mg—Мп и Mg—Al—Zn. Основным
модификатором для первой группы спла-
вов является цирконий, который вводят
в количестве 0,3—1 %. Параметры кри-
сталлической решетки циркония по неко-
торым кристаллографическим плоскостям
имеют размерное соответствие с параме-
трами кристаллических решеток а^-
твердых растворов. Кроме измельчения зерна цирконий упрочняет
твердый раствор и повышает коррозионную стойкость сплавов. На
рис. 79 приведена зависимость размера зерна в слитках сплава
МА 14 от содержания циркония. Цирконий вводят в виде лигатуры
Mg—Zr (20 %) при 850—900 °C. Эффект модифицирования со-
храняется более 30 ч, если расплав выдерживать при 700—
740 °C.
Модифицирование сплавов системы Mg—Al—Zn осуществляют
введением в расплав углеродсодержащих веществ или перегревом.
Устойчивые результаты по измельчению зерна получают при исполь-
зовании магнезита, мрамора, мела, гексахлорэтана, углекислого
газа и ряда других веществ. При модифицировании мелом, магнези-
том или мрамором происходит термическое разложение их с выделе-
нием углекислого газа: СаСО3 -> СаО + СО2. СО2 вступает во взаимо-
действие с магнием: СО2 4- 2Mg -> 2MgO -J- С. Выделяющийся угле-
род образует в расплаве карбид алюминия, мелкодисперсные ча-
стицы которого служат центрами кристаллизации при охлаждении
сплава. Типичная структура исходного и модифицированного спла-
вов МЛ5 приведена на рис. 80.
При модифицировании гексахлорэтаном между расплавом и моди-
фикатором проходит химическая реакция, в результате которой
177
Рис. 80. Микроструктура сплава МЛ5; Х90:
а — ^модифицированный; б — модифицированный гексахлорэтаиом
образуется атомарный углерод, необходимый для образования кар-
бида алюминия:
С2С16 + 3Mg -> 3MgCl2 + 2С.
Режимы модифицирования углеродсодержащими веществами при-
ведены в табл. 43.
Таблица 43. Режимы модифицирования магниевых сплавов
Модификатор Количе- ство модифи- катора, % от массы ШИХТЫ Размер куска Темпера- тура ра- сплава, ° С Дли- тель- ность замеши- вания, мин Время отстаи- вания, мин Примечание
Мел 0,5—0,6 Порошок 760—780 5—8 15—40 Перед
Мрамор 0,5—0,6 Крошка 760—780 5—8 15—40 введением
Магнезит 0,3—0,4 10—25 мм 720—730 8—12 15—40 необходима
Гексахлорэтан С2С1в 0,05—0,5 Порошок 720—760 8—12 15—40 просушка
Хлорное желе- зо FeCl3 0,5—1 » 750—770 5—8 10—40 Применяют в сухом состоянии
Цирконий 0,5—1 850—900 20 10—15 Для спла- вов, не со- держащих алюминия
Лигатура Mg+ 20% Zr 5 5—10 мм 850—900 20 10—15 То же
Фторцирконат калия K2ZrFe 8—10 Порошок 930 20—30 20—30 Для спла- вов, не со- держащих алюминия
Кальций 0,08— 0,015 — 770—780 — 10—15 То же
178
К достоинствам углеродсодержащих модификаторов относятся:
возможность получения мелкого зерна отливок без перегрева рас-
плава выше температуры литья; сокращение расхода топлива; сни-
жение потерь металла на угар; уменьшение расхода тиглей. Поэтому
этот вид модифицирования широко применяют в промышленности
при производстве фасонных отливок. Недостатком данных модифи-
каторов является возможное загрязнение расплавов оксидами и во-
дородом, что влечет за собой образование, микрорыхлот и снижение
механических свойств сплавов. В этом отношении для модифициро-
вания предпочтительнее применение гексахлорэтана. К числу недо-
статков углеродсодержащих модификаторов следует также отнести
кратковременность сохранения эффекта модифицирования. Сильное
огрубление зерна в отливках наблюдается после выдержки модифи-
цированных расплавов в течение 40—60 мин при 700—720 °C.
Следует отметить, что сотые доли процента циркония подавляют
эффект модифицирования сплавов углеродсодержащими веществами,
так как значительная часть углерода расходуется на образование
карбида циркония. Эффект модифицирования углеродсодержащими
веществами снимается также перегревом расплава выше 950 °C.
В фасоннолитейном производстве перспективно применение актив-
ных углеродсодержащих фильтров, позволяющих совместить моди-
фицирование и очистку расплавов от неметаллических включений.
. Для измельчения зерна перегревом расплав после рафинирования
нагревают в стальном тигле до 850—925 °C, выдерживают при этой
температуре 10—15 мин, а затем быстро охлаждают до температуры
заливки (680—720 °C). Предполагают, что перегрев влечет за собой
обогащение расплава железом за счет растворения стального тигля.
Быстрое охлаждение насыщенного железом расплава приводит
к образованию большого числа тонкодисперсных частиц FeAl3,
являющихся центрами кристаллизации, и сопровождается измель-
чением зерна в отливках. Эффективность измельчения зерна зависит
от содержания железа в сплаве. При содержании железа менее
0,005 % вырастает крупное зерно; зерно среднего размера обра-
зуется при содержании железа от 0,006 до 0,02 %; мелкое зерно
образуется при содержании железа более 0,02 %. Выдержка рас-
плавов при температуре заливки сопровождается коагуляцией ча-
стиц интерметаллида и огрублением зерна. Этот процесс идет тем
интенсивнее, чем больше в сплаве примесей циркония, кремния и
бериллия. Резкое огрубление зерна наблюдается при 0,002 % цир-
кония; получить отливки с мелким зерном практически невозможно
при содержании в сплаве более 0,08 % кремния или 0,002 % бе-
риллия.
Модифицирование перегревом проходит успешно, если в сплаве
содержатся железо (0,001 %) и марганец (0,2 %). Эффект модифи-
цирования пропадает при длительном (до 1 ч) выстаивании расплава
при 680—720 °C. Повторный перегрев до 850—900 °C вновь измель-
чает структуру. Перегрев модифицированного расплава до 1000 °C
или медленное охлаждение с оптимальной температуры модифициро-
вания приводят к огрублению зерна. Недостатки способа перегрева:
179
Снижение производительности печей, повышенный угар металла,
большой расход тиглей и топлива.
Аналогичный перегреву механизм измельчения первичного зерна
сплавов системы Mg—Al—Zn—Мп имеет место при модифицирова-
нии хлорным железом, которое вводят в расплав в количестве 0,5—
1 % при 750—780 °C. После прохождения обменной реакции (через
5—7 мин) 2FeCl3 -f- 3Mg -> 3MgCl2 -f- 2Fe расплав перегревают до
800—830 °C, выдерживают 10—15 мин и быстро охлаждают до тем-
пературы заливки. Обработка хлорным железом по сравнению с пе-
регревом имеет ряд преимуществ: на 20—30 % сокращается дли-
тельность плавки, на 10—30 % снижается расход энергии, на 25—
30 % повышается срок службы стальных тиглей. Однако этот способ
модифицирования в настоящее время не применяют из-за снижения
коррозионной стойкости сплавов.
Измельчение зерна отливок из сплавов системы Mg—Мп осу-
ществляют перегревом или введением хлорного железа. Отличие
этой группы сплавов от сплавов, содержащих алюминий, состоит
в том, что эффект модифицирования в них подавляют не примеси
циркония и кремния, а примесь алюминия. При содержании алю-
миния более 0,02 % получить мелкое зерно в отливках невозможно.
Имеются сведения, что для сплавов системы Mg—Мп в качестве мо-
дификаторов могут быть использованы лантан (0,2—0,8 %), скандий
(0,5—1,5 %) или самарий (0,3—0,5 %). В ряде работ для модифи-
цирования сплавов, не содержащих алюминия, рекомендуют приме-
нять кальций (0,08—0,15 %). Однако процесс измельчения зерна
в отливках при модифицировании кальцием идет успешно только
в тех случаях, когда сплавы имеют высокое содержание водорода
(20—30 см3/100 г), достаточное для образования оптимального коли-
чества дисперсных включений гидрида кальция.
Следует иметь в виду, что модифицирование деформируемых спла-
вов перегревом, введением углеродсодержащих веществ, циркония
или кальция нестабильно в связи с длительностью разливки печей
большой емкости и выгоранием модифицирующих присадок или не-
применимо из-за отсутствия модифицирующего эффекта при пере-
греве расплава в печах, футерованных магнезитом.
Результаты модифицирования оценивают по изломам техноло-
гических проб, микро- и макроструктуре.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
По химическому составу и механическим свойствам отливки из магние-
вых сплавов должны соответствовать требованиям ГОСТ 2856—79.
Их поставляют заказчику в термически обработанном состоянии
с оксидированной поверхностью. На поверхности отливок и готовых
деталей после химической обработки не допускаются флюсовые
включения.
Технология производства фасонных отливок из магниевых спла-
вов по многим параметрам близка к технологии производства отли-
180
Ьок из аЛЮМйййёЬык СпЛйЬоЬ'. о'гЛиЬки получают одйнайойыМи Спосо-
бами литья, используют близкие по составу формовочные и стержне-
вые смеси, близкие температурные режимы заливки форм и практи-
чески одинаковые режимы выбивки, обрубки, заварки и пропитки
отливок. Вместе с тем имеется ряд особенностей, обуслов-
ленных особенностями физико-химических свойств магниевых спла-
вов.
Магниевыё расплавы окисляются с образованием пористой и ма-
лотеплопроводной оксидной плены. Это обусловливает воспламене-
ние расплава при заливке литейных форм. Для предотвращения
этого струю металла во время литья припыливают порошком серы.
Образующийся при горении сернистый газ замедляет окисление и
предотвращает загорание.
При литье магниевых сплавов большое внимание уделяют раз-
работке мер по предотвращению попадания флюсов в полость литей-
ной формы. Высокая гигроскопичность карналлитовых флюсов яв-
ляется причиной интенсивной коррозии отливок.
Сплавы системы Mg—Al—Zn имеют больший интервал кристал-
лизации, чем сплавы алюминия с кремнием, и растворяют значи-
тельно большее количество водорода (до 24 см3/100 г). Поэтому при
литье магниевых сплавов проблема получения плотных отливок
стоит значительно острее, чем для алюминиевых сплавов.
Магниевые сплавы в большей мере, чем алюминиевые, склонны
к образованию трещин при затрудненной усадке, особенно в местах
резких переходов сечений и в острых углах.
Обязательным условием для получения плотных отливок яв-
ляется последовательное направленное затвердевание их в сторону
прибылей. Наиболее плотные отливки получают в тех случаях, когда
в вышележащие части отливки поступает горячий металл и обеспе-
чивается полная пропитка нижележащих частей. Направленное за-
твердевание отливок легче всего обеспечить заливкой с верхним'
подводом металла. Однако при этом невозможно предотвратить об-
разование завихрений, захват воздуха и окисление металла в по-
лости формы, т. е. невозможно получить качественные отливки.
В связи с этим для обеспечения плавного поступления металла в по-
лость формы применяют расширяющиеся литниковые системы с ниж-
ним или вертикально-щелевым подводом металла. Для снижения
скорости движения металла на входе в полость формы в литниковые
системы вводят различные сопротивления: повороты каналов, уста-
новку сеток и зернистых фильтров. В некоторых случаях при изго-
товлении сложных по конфигурации или высоких отливок приме-
няют двухъярусную литниковую систему с подводом металла в ниж-
ние и верхние части формы.
Типовые литниковые системы для магниевых сплавов имеют та-
кую же конструкцию, как и для алюминиевых сплавов (см. рис. 58).
Оптимальны следующие соотношения площадей сечений литниковых
каналов: : 2-^шл 2^пит = 1:2:4 или 1:3:6, где 2JFCt,
2РШЛ, 2-^пит (2-^щ) — суммарная площадь сечений стояков, шла-
коуловителей, питателей и щелей соответственно.
181
Суммарную площадь сечений стойкой определяют расчетом (см.
с. 142), по номограммам и таблицам (табл. 44).
Спокойное заполнение формы имеет место, если начальная ско-
рость подъема металла в форме цнач, см/с, не превышает 3/6 (6 —
толщина стенки отливки, см) для мелких отливок и 4,2/6 для круп-
ных. Средняя скорость подъема металла в форме должна составлять
0,45—1,4 см/с.
Как правило, литниковые системы для литья магниевых сплавов
содержат все элементы: литниковую чашу, стояк, металлоприемник,
Таблица 44. Соотношения площади сечения стояков и металлостатического напора для отливок из магниевых сплавов шлакоуловитель, шлаковыпор, питатели, прибыли. Литнико- вые чаши, чугунные или из стержневой смеси, применяют при изготовлении средних или крупных отливок массой более 10 кг. Емкость их составляет 30—40 % от массы отливок среднего развеса и 40—50 % от массы крупных отливок. Стояки делают прямыми или змеевидными с круглым или прямоугольным сечением. Фор- му и размеры стояков выби- рают в зависимости от размеров отливки и напора металла (см. табл. 44). Для мелких отливок массой до 10 кг при высоте па- дения металла в стояке до 300 мм применяют прямые стоя- ки круглого сечения. Захват воздуха в них предупреждается
Тип отливок Макси- мальный иадцор металла, мм Пло- щадь сече- ния стояка, см2 Форма стояка
Мелкие Средние и круп- ные 350 350 250 250-500 250—500 500 1—2,5 1—3 1—4 1—4 1—6 1—12 Цилиндри- ческий Щелевой (пластин- чатый) Цилиндри- ческий Щелевой (пластин- чатый) Змееобраз- ный То же
выбором минимально возмож-
ного диаметра (12—15 мм). Для средних и крупных отливок с высо-
той падения металла в стояке 300—400 мм применяют плоские (ще-
левые) стояки, в которых не образуются завихрения. Для круп-
ных и средних отливок с высотой падения металла более 400 мм
рекомендуется применять змеевидные стояки. Щелевые и змеевид-
ные стояки выполняют стержнями (рис. 81).
Для смягчения удара струи металла под стояками размещают
металлоприемники, а между ними и стояком помещают сетку из ли-
стового железа толщиной 0,5—1 мм с диаметром отверстий 1,8—2 мм.
Сечения шлаковиков, как правило, выполняют в форме трапеции,
верхнее основание которой составляет 0,8 от нижнего основания.
Рассредоточенный подвод металла к тонким стенкам отливок осу-
ществляют плоскими питателями толщиной 4—8 мм, шириной 25—
60 мм и длиной 25—60 мм. Толщину щели в вертикально-щелевых
литниковых системах определяют из соотношения а = (14-1,5) 6,
где 6 — толщина стенки отливки, а диаметр вертикальных цилин-
дрических колодцев —• из соотношения d ~ (4-?6) 6.
182
Рис. 81. Щелевой стояк, выполненный в
стержне:
1 — литейная форма; 2 — стержень, 3 —
литниковая чаша
Для задержания шлака, увлеченного металлом в литниковую
систему, наряду с металлическими сетками широко практикуют
установку шлаковыпоров в местах перемены направления движения
металла в литниковых каналах или местах резкого изменения попе-
речного сечения канала.
Для создания направленного затвердевания широко используют
холодильники, окраску стержней и форм малотеплопроводными
красками, утепление прибылей. Объем прибылей принимают на 30—•
50 % больше объема прибылей для отливок из алюминиевых сплавов.
В зависимости от величины объемной усадки сплавов диаметр
нижнего основания открытой конической прибыли Dn принимают
равным 1,2—1,6 диаметра окружности, вписанной в тепловой
узел Dy. Высота открытой прибы-
ли составляет Нп = (1,94-2,1) £)п‘.
высота закрытой прибыли прини-
мается равной Нп = (1,24-1,4) Dn.
При изготовлении крупногаба-
ритных тонкостенных ответствен-
ных отливок широко используют
метод литья с последовательно-
-направленным затвердеванием (см.
рис. 61).
Разливку магниевых сплавов
ведут ковшами чайникового типа
(см. рис. 14), которые предотвра-
щают увлечение металлом флюса
в литниковую систему и в полость форм. Хорошие результаты дает
фильтрование расплавов через зернистые фильтры из магнезита,
впитывающего хлористые соли. В тех же случаях, когда применение
флюса недопустимо, в расплавы вводят 0,002—0,005 % бериллия.
Большое внимание во время заливки форм уделяют предупрежде-
нию попадания оксидных включений в отливку. Поскольку нижняя
часть расплавов в тиглях в процессе рафинирования обогащается
оксидами магния и загрязненным флюсом, на заливку расходуют
не более 2/3 объема расплава в тигле. Загрязненный расплав сли-
вают в изложницы и перерабатывают на подготовительные сплавы.
Для уменьшения количества оксидных плен, вносимых в расплав
разливочным инструментом, его систематически промывают в рас-
плавленном карналлите. Весьма эффективным способом снижения
содержания оксидных плен в отливках является фильтрование рас-
плавов во время заливки форм через зернистые фильтры.
Литье в песчаные формы
Для изготовления песчаных форм используют смеси, состав которых
приведен в табл. 45.
Магниевые расплавы интенсивно взаимодействуют с кремнеземом
формовочных и стержневых смесей по реакциям:
SiO.2 + 2Mg -► 2MgO + Si;
SiO2 + 4Mg ->- 2MgO + Mg2Si-
183
Таблица 45. Типовые составы и свойства формовочных смесей
для магниевых сплавов
Назначение смеси Состав смеси, % (по массе) Прочность по сухому, кПа Газопро- ницае- мость, ед
Для песчаных форм (единая) Оборотная формовочная смесь 90—95;? песок ПО16А или ПО63А 10—5; при-' садка ВМ до нормы (4—7); вода до нормы (4,5—5,5) 39—68,6 *’ 35—60
Для форм из на- ливных холодно- твердеющих сме- сей Песок КО2 100; ортофосфорная ки- слота 0,2—0,3, р= 1,29—1,3 г/см3; борная кислота 0,25—0,6; смола М-3 3,5—4; ДСРАС 0,25—0,3; вода 1—2 950—1000 150
Для оболочковых форм Песок 1КО16 100; термореактивная смола 4; борофторид аммония 1,5 980—1200 До 300
Для гипсовых форм Гипс марки 350—400 40; порошко- образный асбест 10; кварцевый песок КО2А 48—48,5; борофторид аммо- ния 1,5—2; вода 40—60 20—30 *2 35—40
*’ Прочность по сырому. *2 После сушки при 500 °C.
Продукты обменных реакций загрязняют расплавы оксидами и
хрупкими интерметаллидами, существенно снижающими пластиче-
ские свойства сплавов. Поэтому формовочные и стержневые смеси
содержат в своем составе специальные присадки, предотвращающие
такое взаимодействие. В качестве такой добавки в состав формовоч-
ных смесей вводят присадку ВМ, состоящую из смеси 58—62 % мо-
чевины CO(NH2)2; 13—17 % борной кислоты НВО3 и 15—19 % не-
фелинового коагулянта A12(SO4)3 • 18Н2О.
Во время заливки разовых форм в присутствии влаги происходит
разложение мочевины и гидролиз сернокислого алюминия, обуслов-
Таблица 46. Состав и свойства типовых стержневых смесей для магниевых
Назначение Группа стержней Пе КО2А илн КО2Б СОК R. ПО16 или ПОО63 Связующее, %
Для изготовления вы- сушиваемых стержней Для изготовления стерж- ней в горячих ящиках Для изготовления стерж- ней в холодных ящиках I II III I I 100 90—95 94—97 100 100 5-10 3—6 М-З 2,4—2,7 М-3 2—2,5; КМЦ 0,5—0,7 КБТ (КБЖ) 2,5—3 Смола 180 (раствор) 7,5—8,5 М-З 2,5—3
Примечание. В числителе — сырые образцы, в знаменателе — сухие.
Бура. *2 Ортофосфорная кислота.
184
ливающие понижение концентрации паров воды и образование на
поверхности отливки сульфата магния. Газообразные и парообраз-
ные продукты гидролиза и деструкции образуют газовую прослойку
между расплавом и формой, заполняют полость формы и вытесняют
из нее воздух, уменьшая тем самым интенсивность взаимодействия
расплава с формовочной смесью и кислородом.
Борная кислота при нагревании диссоциирует. Образующийся
борный ангидрид взаимодействует с магнием по реакции ВаО3 ф-
ф- 3Mg -> 3MgO ф- 2В. Выделяющийся при этом бор внедряется
в поверхностные слои отливок и уплотняет оксидную плену.
Состав и свойства типовых стержневых смесей, применяемых при
литье магниевых сплавов, приведены в табл. 46. Эти смеси также
содержат защитные добавки — серу и борную кислоту.
Для удаления продуктов разложения защитных добавок, в пер-
вую очередь паров аммиака, необходимо устройство местной вен-
тиляции.
Заделку швов и поврежденных песчаных форм и стержней произ-
водят пастой, состоящей из 50 % формовочной смеси, 10 % прока-
ленного талька, 30—31 % силлиманита в порошке, 5 % водного
коллоидно-графитового препарата, 2—3 % борофтористого калия,
10 % воды, 10—15 % этилового спирта. Окраску форм и стержней
осуществляют спиртовой краской, содержащей 1 % борной кислоты,
20—25 % прокаленного талька, 1—2 % связующего ПК104, 5 % цир-
конового концентрата и 64—68 % гидролизного спирта.
Литье в кокиль
По сравнению с алюминиевыми сплавами магниевые сплавы имеют
большую склонность к образованию усадочных трещин, меньшую
плотность и пониженную жидкотекучесть. Поэтому получение из них
качественных тонкостенных отливок сложной конфигурации связано
с большими трудностями. В настоящее время минимальная толщина
сплавов
Вспомогательные материалы, % сгв, кПа Газо- прони- цаемость, ед Влаж*- КОСТЬ, %
1 jilB. 1 сера борная кислота уайт- спирит уротро- пин
0,2—0,3 0,2—0,3 3,9—5,8/784—1176 100 2,5—4
0,5-1 0,1—0,2 « -—. 6,9—11,8/580—1176 70 3,5—4,5
0,5—1 0,2—0,5 ^0,5 —. 6,9—14,7/490—980 60 . 4—4,5
— 0,25 — До 0,35 —/2000—2500 200 —
— 0,25 — 0,1— 0,25 *2 —/800—1200 100 0,5—1
185
стеной оТЛиНки, которую Можно изгоТбйить Литьём в йойиЛь, состав-
ляет 3,5 мм.
При литье в кокили применяют все типы литниковых систем (см.
рис. 62), однако предпочтение отдается системам с нижним и щеле-
вым подводом металла. Вертикально-щелевые литниковые системы
применяют при литье сложных тонкостенных отливок. При изго-
товлении отливок высотой до 200 мм со сложной конфигурацией и
массивными узлами используют системы с нижним подводом металла
без коллектора (шлакоуловителя), а системы с коллекторами приме-
няют при изготовлении тонкостенных высоких (до 700 мм) отливок
диаметром 100—600 мм. Литниковые системы с верхним подводом
металла применяют при изготовлении неответственных отливок не-
большой высоты и массы.
Широкие интервалы кристаллизации у большинства магниевых
сплавов и малая плотность их обусловливают необходимость уста-
новки массивных прибылей для пропитки отливок и создания на-
правленного затвердевания н сторону их расположения. Расход
металла на прибыли составляет 150—200 % от массы отливок, что
на 40—50 % больше, чем при литье алюминиевых сплавов.
Для регулирования скорости охлаждения различных частей от-
ливки широко используют теплоизоляционные краски, состав кото-
рых (в граммах) приведен ниже:
Оксид цинка..................................
Отмученный мел...............................
Оксид магния.................................
Пережженный в порошке асбест.................
Жидкое стекло................................
Борная кислота ..............................
Вода ........................................
Ks 1 Ks 2 № 3
100 — —
— 80 80
20 20 —
— — 100
30 30 30
60 60 60
1000 1000 1000
Примечание. Краски № 1 и 2 применяют для окраски рабочих поверхностей
кокилей и металлических стержней, краску Хг 3 — для утепления поверхностей, образую-
'щих литниковые системы и прибыли
Краски наносят распылением на поверхности, нагретые до 100—
120 °C.
Для изготовления ответственных крупногабаритных отливок, вну-
тренняя полость которых выполняется песчаными стержнями, ши-
роко используют метод последовательного направленного затверде-
вания (см. рис. 61).
Высокая температура формы является, как известно, эффектив-
ным средством борьбы с усадочными напряжениями и трещинами.
Поэтому рабочую температуру матриц кокилей при литье магниевых
сплавов поддерживают на уровне 300—350 °C, а металлических
стержней 350—400 °C. Кокили подогревают электрическими нагре-
вателями, размещаемыми в стенках матриц. Снижение брака отли-
вок по трещинам способствуют большие радиусы закруглений и
плавные переходы между стенками отливок.
Оптимальная температура заливки магниевых сплавов 680—
740 °C. Заливку ведут с помощью дозаторов (рис. 82), обеспечива-
ющих подачу расплава из миксера в форму по обогреваемым металло-
186
Рис. 82. Пневматический дозатор магниевых сплавов:
1 — плавильная печь; 2 — тигель; 3 — крышка тигля; 4 — трубопровод;
5 — нагреватель; 6 — печь дозатора; 7 — крышка дозатора; 8 — датчик
уровня; 9 — 10 — дрзнрующее устройство; 11, 12 — нагреватели; 13 —
заливочная труба; 14 — форсунка для подачи защитного газа
проводам или вручную. Для предотвращения загорания струю ме-
талла припудривают порошком серы или обдувают защитным газом
(сернистый газ, аргон, смесь азота с шестифтористой серой).
Особенностью магниевых сплавов является низкая прочность
в горячем состоянии. Это вызывает необходимость быстрого извле-
чения металлических стержней из отливок, а отливок из форм.
Как правило, извлечение отливок из кокилей производят при 350—
400 °C без резких толчков и ударов.
Конструкции кокилей, материалы для их изготовления, устрой-
ство литниковых и вентиляционных систем и многие другие вопросы
технологии литья магниевых сплавов близки к алюминиевым сплавам.
Литье под давлением
Литьем под давлением изготавливают сложные по конфигурации от-
ливки по 1—3-му классам точности преимущественно из сплавов
МЛ5 и МЛ6. Эти сплавы обладают самым высоким уровнем литейных
свойств среди магниевых сплавов. Особенностью этих сплавов яв-
ляется низкая энтальпия. Поэтому во избежание незаполнения по-
лости формы заливку ведут с высокими скоростями впуска металла
в форму при высоком удельном давлении прессования (70—100 МПа).
Для получения отливок применяют расширяющиеся литниковые
системы с отношением площади сечения питателя к площади входного
сечения литника, равным 1,3 ; 1,5 или 2,0. Рекомендуется приме-
нение разветвленных внешних и внутренних литниковых систем,
обеспечивающих минимальный путь до любой точки отливки. Ширину
канала 2 (см. рис. 66), по которому сплав поступает в питатель 1,
принимают равной V2—2/3 диаметра камеры прессования, а толщину
его 5—6 мм для мелких отливок, 6—12 мм для средних и 15 мм для
187
крупных. Ширину питателя 1 принимают больше ширины канала 2,
толщина его равна 0,8—1,2 мм для мелких; 1,2 мм для средних и
2,5—3 мм для крупных отливок.
Большие скорости впуска при литье магниевых сплавов по сравне-
нию с алюминиевыми требуют лучшей вентиляции пресс-форм', что
достигается увеличением числа промывников, суммарный объем ко- торых может составлять х/2 Таблица 47. Оптимальные режимы объема ОТЛИВКИ. ПромЫБНИКИ литья магниевых сплавов под давлением „ л г -не должны сообщаться между
Тип отливок Скорость впуска, м/с Температура пресс-формы, °C собой. Ширина канала, соеди- няющего полость формы с про- Темпера- МЫВНИКОМ, СОСТЭВЛЯеТ */2—3/4 спл^ °с длины промывника, а толщина его со стороны отливки 0,2— 0,3 мм. Ширину вентиляцион-
Толстостен- ные (6—8 мм): простые сложные Средней толщины (3—6 мм): простые сложные Тонко- стенные (1,5—3 мм): простые сложные Тонко- стенные (1,5—2,5 мм) большой протяжен- ности 20—30 25—40 30—40 30—50 50—60 60—80 70—90 150 180 180 200 220 260 280— 300 ных каналов от промывников к наружному краю пресс-формы принимают равной ширине сое- динительного канала, а тол- 620—640 ЩИНУ °’1— °’2 мм- Для литья используют ма- шины с холодной и горячей камерами прессования. Более fwnZfwo перспективны машины с горя- ~ чей камерой прессования, так как они обеспечивают более высокую производительность и позволяют автоматизировать 670—700 процесс. Заливку металла в холодные камеры прессования ведут с помощью дозаторов (см. рис. 82). Оптимальные режимы литья приведены в табл. 47. В процессе литья через каж- дые 10—15 отливок производят смазку пресс-форм натур аль-
ным воском или графитовыми
смазками на основе воска (Л) или веретенного масла (Б) следующих
составов, %: смазка А: натуральный воск 30; вазелин 14; парафин
30; графит 26; смазка Б: веретенное масло 60—65; графит 35—40.
Невысокая прочность отливок в горячем состоянии требует бы-
строго снятия их со стержней и извлечения из пресс-форм при 400—
450 °C.
Выбивка, очистка, обрубка, химическая
и термическая обработка отливок
Выбивку песчаных форм осуществляют так же, как и при изготовле-
нии отливок из алюминиевых сплавов. Выбивку стержней произво-
дят с помощью пневмозубил и простейших вибрационных машин.
188
Обрезку литников и прибылей на крупных отливках ведут на лен-
точных пилах; мелкие отливки обрубают на прессах с помощью
обрубных штампов.
После обрубки и удаления прибылей отливки подвергают дробе-
струйной очистке с целью удаления пригара. В качестве дроби ис-
пользуют мелкие кусочки алюминиевой проволоки.
Перед поступлением на отделочные операции и термическую об-
работку отливки проходят химическую обработку по следующей
схеме:
1) промывка в горячей воде;
2) обработка в растворе азотной кислоты (20—30 г/л) при ком-
натной температуре в течение от 15 с до 2 мин;
3) промывка в холодной проточной воде • в течение 2—
3 мин;
4) оксидирование в растворе, содержащем, г/л: 40—50 двухромо-
кислого калия; 65—80 азотной кислоты (р = 1,4 г/см3); 0,75—
1,25 г/л хлористого аммония; остальное — вода до 1 л. Продолжи-
тельность оксидирования 0,5—2 мин. Температура раствора 70—
80 °C;
5) промывка в проточной холодной воде в • течение 1 —
2 мин;
6) промывка в проточной горячей воде (1—2 мин);
7) сушка сжатым воздухом.
Обрубку и зачистку (шабровку) отливок из магниевых сплавов
производят теми же способами, что и отливок из алюминиевых спла-
вов. Опилки, стружка и мелкая пыль магниевых сплавов легко вос-
пламеняются. Поэтому при зачистке и механической обработке
отливок необходимо принимать меры предосторожности, обу-
словленные правилами работы с воспламеняющимися материа-
лами.
После обрубки и шабровки отливки подвергают термической об-
работке как с целью упрочнения, так и для снятия внутренних на-
пряжений. Режимы термической обработки отливок приведены
в табл. 48. Нагрев отливок под закалку и для старения ведут в элек-
трических шахтных печах в защитной атмосфере [содержащей 0,5—
1 % (объемн.) сернистого газа] с принудительной циркуляцией.
Для предупреждения местного перегрева отливок в результате
теплоизлучения от нагревательных элементов печи снабжают экра-
нами.
После термической обработки отливки не позднее, чем через
3 сут, вновь подвергают химической обработке, а иногда и консерва-
ции путем цх погружения на 3—5 мин в жидкую пушечную смазку
при НО °C и упаковке в парафинированную бумагу. Такая защита
дает возможность хранить отливки более месяца.
Контроль качества отливок из магниевых сплавов и исправление
дефектов осуществляют методами, применяемыми для алюминиевых
сплавов.
Литература: [3, 11, 16, 19, 23, 27, 28, 34 , 36, 48] (см. рекоменда-
тельный библиографический список).
189
5 Таблица 48. Режимы термической обработки отливок из магниевых сплавов
О Режим Вид термической обработки Назначение Сплав Закалка (температура, °C, и время выдержки, ч) Старение (темпера- тура, °C, и выдержка, ч)
первая ступень вторая ступень охлаждающая среда
Т1 Искусственное старе- ние без закалки Повышение механи- ческих свойств МЛ12 МЛ15 -— — — 300; 4—6 300; 2—6
Т2 Отжиг Снятие остаточных напряжений МЛ5 —- — — 350; 2—3
Т4 Закалка Повышение механи- ческих свойств МЛ5пч МЛ4 МЛ6 415; 12—24 380; 8—16 360; 3 410; 21—29 Воздух » » —
Тб Закалка на воздухе Повышение прочности МЛ4пч МЛбон МЛ6 МЛ8 МЛ9 МЛ10 МЛ19 380; 8—16 415; 12—24 360; 3 420; 1—3 540; 8—12 540; 8—12 535; 4—8 410; 21—29 490; 5 в » » Сжатый воздух То же » » 175; 16 175 (200); 16 190; 4—8 165 (150); 24 (48) 200; 6—12 205; 12—18 205; 8 ,
Т61 Закалка в горячую воду и старение Повышение прочно- сти МЛ6 МЛ8 МЛ10 МЛ19 360; 3 420; 1—3 545; 4—8 400; 1—3 410; 21—29 490; 5 425; 8 Вода, 80 °C То же » •» 190; 4—8 165 (150), 24 (48) 205; 12—18 130; 48
Глава 9
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК Из МЕДНЫХ СПЛАВОВ
§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА МЕДИ
Медь находится в группе 1В периодической системы Д. И. Менде-
леева. Температура плавления меди 1083 °C, температура кипения
2595 °C, плотность 8,96 г/см3; она имеет гранецентрированную куби-
ческую решетку с периодом а = 0,36074 нм. Медь диамагнитна;
при нагреве и охлаждении не имеет полиморфных превращений.
Механические свойства меди приведены ниже:
о , МПа 6, % i]>, % НВ
Состояние:
литое............ 180—250 15—40 — НО
отожженное ..... 200—280 20—50 — 45
• деформированное . . 400—600 0,5—3 55 —
Медь и ее сплавы обладают высокой электро- и теплопровод-
ностью. Удельное электросопротивление меди составляет 1,7241 X
X 10~6 Ом-см при 20 °C.
По объему производства среди цветных металлов медь занимает
третье место после алюминия. Более 50 % производимой меди ис-
пользуется в электротехнике (микро- и макропровода, ленты, кабели,
контакты) и электронике; 30—40 % идет на изготовление сплавов.
Высокую теплопроводность меди [3,86 Вт/(м-К)] используют
при изготовлении кристаллизаторов при непрерывном и полунепре-
рывном литье металлов, водоохлаждаемых изложниц и «холодных»
тиглей при плавке тугоплавких металлов и сплавов (печи электро-
шлакового переплава, электронно-лучевые и плазменные плавиль-
ные установки и др.). Медь применяют для изготовления фасонных
отливок — фурм для доменных печей и кислородно-конверторных
сталеплавильных печей, а также токопроводящих фасонных изделий
в электроаппаратах.
Медь обладает высокими коррозионными свойствами. Она устой-
чива на воздухе, в пресной и морской воде и ряде других химических
агрессивных сред. Медь сохраняет высокие свойства при понижен-
ных температурах, поэтому ее применяют в криогенной технике.
Медь обладает хорошей технологичностью на всех операциях пласти-
ческой обработки полуфабрикатов, прекрасно полируется, паяется,
сваривается. К недостаткам меди относятся дефицитность, высокая
стоимость, большая плотность и относительно невысокая удельная
прочность (особенно при повышенных температурах), невысокие ли-
тейные свойства (большая линейная и объемная усадка), горячелом-
кость. Медь трудно обрабатывается резанием.
Медь является дефицитным цветным металлом и- поэтому особое
внимание должно быть обращено на создание экономичных, безот-
ходных технологических процессов плавки и литья, сводящих к ми-
нимуму потери металла.
191
Рис. 83. Влияние элементов на
удельное электросопротивление ме-
ди р
Рис. 84. Диаграмма состояния системы
Cu —Bi
Отечественная промышленность выпускает одиннадцать марок
меди (ГОСТ 859—78), различающихся содержанием примесей
(табл. 49). Все примеси снижают электропроводность меди, но
в большей мере это относится к растворимым примесям (Al, Zn, Sn,
Ni, Sb) (рис. 83). Особенно вредны примеси висмута, свинца и кис-
лорода.
Висмут практически не растворяется в твердой меди (раствори-
мость при 600 °C менее 0,001 %), а выделяется по эвтектической
реакции при 270 °C (рис. 84) и располагается по границам зерен
в виде прослоек. Влияние его на электропроводность невелико,
однако сотые доли процента висмута вызывают разрушение слитков
при горячей прокатке (красноломкость) из-за расплавления прослоек
при нагреве выше 270 °C. Хрупкость прослоек висмута существенно
затрудняет и холодную деформацию. Поэтому содержание его в меди
должно быть не более 0,001 %.
Свинец растворяется в твердой меди в количестве 0,3 % при
400 °C и поэтому в большей мере, чем висмут, снижает ее электро-
проводность. Так же как и висмут, свинец вызывает красноломкость
меди при нагреве выше 327 °C,
Рис. 85. Диаграмма состояния системы
Си—РЬ
однако он менее опасен, чем висмут,
из-зд наличия в системе Си—РЬ
монотектического превращения
(рис. 85).
Взаимодействие кислорода с медью
описывается эвтектической диаграм-
мой (рис. 5). Растворимость кис-
лорода в твердой меди при 100 °C
составляет 0,005 %. При большем
содержании кислорода по границам
зерен меди выделяется эвтектика
(рис. 86). Кислород оказывает не-
значительное влияние на электро-
проводность меди и не вызывает
красноломкости при горячей дефор-
мации. Однако хрупкие включения
192
Заказ 236
Таблица 49. Химический состав меди по ГОСТ 859—78
Марка медн Си, %, не менее Примеси, %, не более Применение
Sb As Fe Ni Pb Sn o2 Zn Bi p s s при- месей
МООб 99,99 (включая Ag) 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,0005 0,0005 0,002 0,01 Электроника
МОб 99,97 (включая Ag) 0,002 0,002 0,004 0,002 0,003 0,002 0,001 0,003 0,001 0,0002. 0,003 0,03 »
М1б 99,95 (включая Ag) 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 0,003 0,003 0,001 0,002 0,004 0,03 Электротехника
МО 99,95 0,002 0,002 0,004 0,002 0,004 0,002 — — 0,001 0,003 Ag 0,004 0,05 В
Ml 99,9 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 — 0,005 0,001 0,003 Ag 0,005 0,1 Электротехни- ка, приготов- ление сплавов
М1Р 99,95 + Ag 0,002 0,002 0,005 0,002 0,005 0,002 — 0,005 0,001 0,005— 0,006 0,005 0,1 То же
М2 99,7 + Ag 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,08 — 0,002 — 0,01 0,3 В
М2р 99,7+ Ag 0,005 0,01 0,05 0,2 0,01 0,05 0,08 — 0,002 0,013— 0,06 0,01 0,3 »
Примечание, б — бескислородная медь; Р — медь, раскисленная фосфором.
Рис. 86. Микроструктура литой меди,
(б); Х200
содержащей 0,015 % кислорода (а) и раскисленной
закиси меди существенно понижают ее пластические свойства и
делают медь склонной ж водородной болезни — образованию тре-
щин в изделиях при работе в атмосфере водяного пара.
Сера образует с медью сульфид, выделяющийся по границам зе-
рен. Не отражаясь существенно на электропроводности, сера сни-
жает пластичность меди при низких и высоких температурах. Содер-
жание серы ограничивают 0,01 %.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Для изготовления изделий применяют литейные и деформируемые
медные сплавы. Состав и свойства наиболее распространенных из них
приведены в табл. 50—55.
Литейные сплавы
Для изготовления фасонных отливок используют три группы мед-
ных сплавов: оловянные бронзы, безоловянные бронзы и латуни.
Оловянные бронзы (см. табл. 50) обладают хорошими литейными
свойствами в сочетании с хорошими механическими и эксплуатацион-
ными (коррозионными, антифрикционными) свойствами. Наиболь-
шее практическое значение имеют сплавы с содержанием олова
до 10 %. На рис. 87 приведена диаграмма состояния Си—Sn. В про-
мышленных сплавах встречаются следующие фазы: a-твердый рас-
твор олова в меди с гранецентрированной кубической решеткой,
Р- и у-фазы, образующиеся в результате перитектических реакций и
обладающие объемноцентрированной кубической решеткой. При
520 °C у-фаза распадается с выделением a-фазы и новой фазы б,
соответствующей химическому соединению электронного типа Cu31Sn8.
При 350 °C 6-фаза в свою очередь должна распадаться по эвтектоид-
194
ной реакции на фазы а 4- Однако эта реакция при реальных ско-
ростях охлаждения (20—500 °С/мин) не проходит. Поэтому струк-
тура низкооловянных бронз в литом состоянии состоит из а-фазы
дендритного строения, а высокооловянных бронз (Sn > 7 %) из
a-твердого раствора и эвтектоида (а + 6). На рис. 87 пунктиром
показан неравновесный солидус диаграммы состояния Си—Sn, для
которой характерно смещение границы a-фазы к медному углу и
Sn,%(77Z7 кассе)
10 20 30 ’90 50 60 70 80 90
Cu Sn
Рис. 87. Диаграмма состояния системы Си—Sn
наличие метастабильной 6-фазы, не распадающейся до комнатной
температуры.
Форма, размеры и расположение (а 4- 6) эвтектоида в оловянных
бронзах во многом определяют свойства литых оловянных бронз.
Количество и форма выделений эвтектоида зависят не только от со-
держания олова, но и от условий затвердевания расплава: чем бы-
стрее затвердевание, тем больше количество (а.-)- 6)-эвтектоида.
С увеличением количества эвтектоида прочность бронзы возрастает
до определенного предела, а пластичность падает.
- Оловянные бронзы находят широкое применение при изготовле-
нии арматуры, подшипников, шестерен, втулок, работающих в усло-
виях истирания, повышенного давления воды и водяного пара.
Характерная особенность оловянных бронз — большой интервал
кристаллизации (150—200 °C), что обусловливает образование в от-
ливках рассеянной усадочной пористости. В целом оловянные бронзы
7« 195
Таблица 50. Химический состав наиболее применяемых стандартных оловянных ли
Марка Легируюитие элементы. % Примеси. %, не более
Sn Zn Pb Ni p Sb Fe Al Si р
Литейные бронзы
БрОЗЦ7С5Н1 2,5— 4,0 6— 9,5. 3—6 0,5— 2,0 — 0,5 0,4 0,02 0,02 0,05
БрО5Ц5С5 4—6 4—6 4—6 . 0,5 0,4 0,05 0,05 0,1
БрО4Ц4С17 3,5— 5,5 2—6 14—20 — — 0,5 0,4 0,05 0,05 0,1
Бр010Ц2 9—11 1—3 — — — 0,3 0,3 0,02 0,02 0,05
БрОЮФ! 9—11 • — — 0,4— 1,1 0,3 0,2 Де 0,02 форми[. 0,02 дуемые бронзы
БрОФ6,5-0,4 6—7 — — — 0,3— 0,4 0,02 0,02 0,002 0,002 —
БрОЦ4-3 3,5— 4,0 2,7— 3,3 — — — 0,002 0,05 0,02 0,02 0,03
БрОЦС4-2,5 3—5 3—5 1,5— 3,5 0,002 0,05 0,002
Примечание. Си — остальное.
Таблица 51. Химический состав некоторых стандартных литейных и деформи
Марка броизы Легирующие компоненты, % Примеси, %,
As Sb Pb p Sn
Литейные бронзы
БрА9Мц2Л А1 8—9,5, Мп 1,5—2,5 .0,05 0,05 — — 0,2
БрАЭЖЗЛ А1 8-10,5; Fe 2—4- 0,05 0,05 — — 0,2
БрА10Ж4Н4Л Al 9,5—11,0; Fe 3,5—5,5; 0,05 0,05 0,05 0,1 0,2
Ni 3,5—5,5
БрСЗО Pb 27—31 0,1 0,3 — 0,1 0,1
196
1ных и деформируемых бронз
Применение
РЬ Zn Mg s Ni X при- меси
(ГОСТ 613—7 3)
— — — — — 1,3 Герметичная литая арматура, в судо- строении, Химическом машиностроении и других отраслях; антифрикционные детали
— — _— — .—- 1,3 Антифрикционные детали, арматура
— — — — — 1,3 Антифрикционные детали
0,5 — — — 1,0 Арматурное литье (насосы и др.); об- лицовки гребных винтов
0,3 (ГОСТ 0,3 5017— -49) 1,0 Узлы трения с повышенным сопроти- влением износу (шнековые приводы, нажимные чайки, венцы червячных передач)
0,02 0,3 0,002 0,002 0,2 0,1 Основа металлических сеток; пружины и др.; коррознонностойкие и антифрик- ционные детали
0,03 — — —. 0,002 Bi 0,2 Пружины в электротехнике, машнно- строеннн, арматура и др. Антифрикционные детали в автотрак- торном машиностроении и других от- раслях
0,02 0,002 Bi 0,2
руемых безоловянных бронз
не более Применение
Si Fe Zn Ni Мп X примесей
(ГОСТ 493—79)
0,2 1,0 1,5 1,0 — 2,8 Судовая арматура; антифрикци- онные детали
0,2 1,0 1,0 0,5 2,7 Арматура в судостроении, маши- ностроении; антифрикционные де- тали (втулки, зубчатые колеса, гайки и др.)
0,2 — 0,5 — 0,5 1,5 Коррозиоиностойкая арматура (судостроение, химическое маши- ностроение и др.)
0,02 0,25 0,1 . 0,5 0,9 Антифрикционные (биметалл со сталью) детали' дизелей
197
Марка бронзы Легирующие компоненты, % Примеси, %
As Sb Pb р Sn
Деформируемые бронзы
БрА5 А1 4—6 — — 0,03 0,01 0,1
БрА7 А1 6—8 — — 0.03 0,01 0,1
БрАЖ9-4 А1 8—10; Fe 2—4 — — 0,01 0,01 0,1
БрАЖМц10-3-1,5 Al 9—11; Fe 2—4; Мп'1,2 — — 0.03 0,01 0,1
БрБ2 • Be 1,8—2,1; Ni 0,2—0,5 —— 0,005 —
БрБНТ1,9 Be 1,85—=-2,1; Ni 0,2—0,4; Ti 0.1—0,25 — — 0,005 — —
БрХ0,5 Cr 0,4—1,0 — — 0,003 — —
БрКМцЗ-1 Si 2,7—3,5; Mn 1—1,5 — —. 0,03 0,05 0,25
Примечание. Си — остальное.
Таблица 52. Химический состав наиболее используемых литейных латуней для
Марка Легирующие элементы, % Примеси,
Си Si Pb Fe Al Мп РЬ Sn
ЛЦ16К4 78—81 3—4,5 — — — 0,5 0,3
ЛЦ40С 57—61 — 0,8—2,0 — — — 0,5
ЛЦ23А6ЖЗМц2 64—68 —- — .2—4 4—7 1,5—3,0 0,7 0,7
ЛЦ40МцЗЖ 53—58 — 0,5—1,5 — 3—4 0,5 0,5
ЛЦ38Мц2С2 57—60 — 1,5—2,5 — 1,5—2,5 — 0,5
196
Продолжение табл. 51
не более Применение
Si Fe Zn Ni Мп 2 примесей
(ГОСТ 18175- —78)
0,1 0,5 0,5 0,5 0,5 1,6 БрА5 (ленты) для изготовления медных монет
0,1 0,5 0,5 0,5 0,5 1,6 БрА7 (ленты, полосы) для пру- жин и пружинящих деталей
0,1 — 1,0 0,5 0,5 1,7 (кроме Ni) Пруткн, трубы для коррозиоиио- стойких и антифрикционных де- талей
0,1 — 0,5 0,5 — 0,75 Пруткн, трубы, втулки, шестер- ни, подшипники в авиамоторо- строении и^машиностроении
0,15 0,15 — — 0,15 Al 0,5 Пружины и пружинящие детали
0,15 0,15 — — 0,15 Al 0,5 Прутки, проволока, полосы, ленты
0,01 0,015 0,001 0,01 0,001 Mg 0,3-0,5 Прутки, полосы, полосы для элек- тродов контактной сварки (авто- мобилестроение и др.); изготавли- ваются по ТУ
0,3 0,5 0,2 1,1 Прутки, поковки, пружины и пру- жинящие детали в машинострое- нии
. изготовления фасонных отливок (ГОСТ 17711—80)
%, не более Применение
Sb р Мп Fe Al Ni Si X при- месей
0,1 0,1 0,8 0,6 0,04 0,2 — 2,5 По ГОСТ 17711—72 соответствует марке ЛК80-ЗЛ. Арматура для ра- боты в'морской воде, в криогенной технике, в машиностроении
0,05 0,5 0,8 0,5 1,0 0,3 2,0 По ГОСТ 17711-72 соответствует марке ЛС59-1Л. Сепараторы под- шипников, детали приборов н др. Основной медиый сплав дли литья • под давлением
0,1 1,0 0,3 1,8 Соответствует марке ЛАЖМц66-6-3-2 (ГОСТ 17711—72). Тяжелое машино- строение, гайки нажимных- винтов прокатных станов, червячные вииты и др.
0,1 0,05 — — 0,6 0,5 0,2 1,7 По ГОСТ 17711—72 соответствует марке ЛМцЖ 55-3-1. Судостроение, гребные винты, арматура По ГОСТ 17711—72 соответствует марке ЛМцС 58-2-2. Антифрикцион- ные детали
0,1 0,05 0,8 0,8 1,0 0,4 2,5
199
Таблица 53. Механические и технологические свойства некоторых медных литейных сплавов
Марка сплава Способ литья (Ув, МПа б, % НВ. МПа Линей - иая усадка, % Объемная усадка, % Жидкотеку- честь, мм Плотность, г/см3
не меиее
Оловянные бронзы
Бр010Ц2 К 225 10 735 1,5 4—4,5 400 8,7
Бр010Ф1 к 245 3 882 1,44 4—4,5 450 8,8
БрОЮСЮ к 196 6 735 1,5 4—4,5 450 8,9
БрО5Ц5С5 3 147 6 588 1,6 4—4,5 400 8,8
БрОЗЦ7С5Н1 к 206 5 588 1,5 4—4,5 400 8,8
Безоловянные бронзы
БрА9Мц2Л 3, к 392 20 784 2—2,5 6—7,5 500 7,6
БрАЭЖЗЛ 3, к 392 10 980 2—2,5 6—7,5 800 7,5
БрА10ЖЗМц2 3 392 10 980 2,2 6—7,5 700 7,5
БрА10Ж4Н4Л 3 587 5 1570 1,8—2 6—7,5 750 7,5
БрА9Ж4Н4Мц1 3, к 587 12 1570 2,0 6—7,5 700 7,5
БрСЗО к 587 4 245 1,6 6—7,5 500 9,4
Латуни
ЛЦ40С 3 215 12 686 2,2 5—6 580 8,5
ЛЦ40Мц1,5 3 372 20 980 1,6 5—6 560 8,2
ЛЦ40МцЗЖ к 490 10 980 1,6 5—6 570 8,5
ЛЦ40МцЗА к 441 15 1127 1,8 5—6 550 8,4
ЛЦ38Мц2С2 3 245 15 784 1,8 5—6 400 8,5
ЛЦЗОАЗ к 392 15 882 1,55 5—6 570 8,5
ЛЦ23А6ЖЗМц2 3 686 7 ’ 1568 1,7 5—6 470 8,5
ЛЦ16К4 к 343 15 980 1,7 5—6 600 8,3
Примечание, к — .литье в кокиль; з — литье в землю.
200
Таблица 54. Химический состав некоторых марок деформируемых латуней (ГОСТ 15527—70)
Марка сплага Легирующие компоненты, % Примеси, %, не более Применение
Си РЬ А1 Fe Ni РЬ Fe Sb Bi р s при- меси
Л 96 95—97 — — — — 0,03 0,1 0,005 0,002 0,01 0,2 Радиаторные и конденсатор- ные трубки
Л68 67—70 Ч),03 0,1 0,005 0,002 0,01 0,3 Автомобилестроение, маши- ностроение, судостроение. Радиаторные трубки, прутки, полосы, ленты, листы, фольга Во всех областях промыш- ленности. Прутки, полосы ленты, трубы, проволока и др.
Л63 62—65 0,07 0,1 0,005 0,002 0,01 0,5
ЛС59-1 57—60 0,8— 1,9 0,5 0,01 0,003 0,02 0,75 Во всех областях промыш- ленности. Трубки, ленты, трубы, листы, проволока и др.
ЛС63-3 62—65 2,4- 3,0 — — — — 0,1 0,005 0,002 0,01 0,25 Часовая промышленность. Ленты, полосы, прутки
ЛА77-2 76—79 -— 1,75-2,5 — — 0,07 0,1 0,005 0.002 0,01 0,3 Морское судостроение. Кон- денсаторные трубки
ЛЖМц59-1-1 57—60 — 0,1—0,4 0,6— 1,2 0,5—0,8 Мп; 0,3—0,7 Sn 0,2 — 0,01 0,003 0,01 0,25 Судостроение. Трубки, прут- ки и др.
ЛН65-5 64—67 — — — 5-6,5 0,03 0,15 0,005 0,002 0,01 0,3 Судостроение, приборострое- ние (манометры), бумагаде- лательиые машины. Прутки, трубки
ЛАН59-3-2 57—60 2,5-3,5 2-3 0,1 0,5 0,005 0,003 0,01 0,9 Судостроение, электромаши- ностроение. химическое ма- шиностроение. Трубы, прутки к
Примечание. Zn — остальное.
8
Таблица 55. Химический состав некоторых медноникелевых сплавов (ГОСТ 492—
Марка справа Легирующие элементы, % Примеси, %,
Ni+Co Fe Мп Zn Al Pb Sb Bi Fe
мню 18—20 — — — — 0,005 0,005 0,002 1,0
МНЖМцЗО-1-1 29—33 0,5—1,0 0,5—1,0 — — 0,05 — — —
МНЦ15-20 13,5—' 16,5 — — 18—22 — 0,02 0,002 0,002 0,5
МНА13-3 12—15 — — 2,3— 3,0 0,002 — — 1,0
Примечание. Си — остальное.
имеют сравнительно хорошие литейные -свойства (см. табл. 53),
позволяющие получать сложные по конфигурации отливки.
Бронзы с высоким содержанием олова (БрО17; БрОЮЦ2;
БрОЮФ1), ввиду его высокой стоимости и дефицитности применяют
лишь в тех случаях, когда другие медные сплавы не обеспечивают
необходимой коррозионной -стойкости или повышенных антифрик-
ционных характеристик. Для рядовых отливок используют мало-
оловянные бронзы.
Из примесей, присутствующих в бронзах, наиболее вредное вли-
яние на свойства оказывают алюминий и кремний. Сотые доли про-
цента указанных элементов снижают механические свойства и гер-
метичность отливок.
Безоловянные бронзы (см. табл. 51) по механическим, коррозион-
ным и антифрикционным свойствам не уступают оловянным, а неко-
торые превосходят их. Наиболее широко применяют алюминиевые
бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и
морской воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавита-
ции, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, антифрикционным
износом. Алюминиевые бронзы применяют для изготовления греб-
ных винтов крупных судов, тяжелонагруженных шестерен и зубча-
тых колес, корпусов насосов и других отливок.
Система Си—А1 (рис. 88) характеризуется значительной областью
a-твердого раствора алюминия в меди. Промышленное использова-
ние находят бронзы с содержанием алюминия от 5 до 10—12 %,
имеющие либо однофазное (a-фаза), либо двухфазное (а + у2) строе-
ние. Однофазные бронзы имеют высокие пластические свойства,
хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях.
202
• Й)
не более Применение
S1 Sn с р As S Mg Мп Zn 2 при- месей
0,15 — 0,05 0,01 0,01 0,01 0,05 — — 1,5 Ленты, полосы для из- готовления монет, меди- цинского инс+румеиФа, деталей машиностроения и изделий ширпотреба
0,15 —- 0,05 0,006 — 0,01 — — —- 0,4 Трубы конденсаторов для морских судов; мо- неты
0,15 0,01 0,03 0,005 0,010 0,005 0,05 0,3 0,9 Приборы точной техни- ки, медицинский инстру- мент, арматура, изделия ширпотреба'- (столовая посуда и. приборы)
0,5 1,9 Прутки для коррозиои- ностойких деталей по- вышенной прочности пружины
Al,%(по массе)
Рис. 88. Диаграмма состояния системы Си—А1
203
Двухфазные сплавы отличаются повышенной прочностью и пони*
женной пластичностью. В литом (неравновесном) состоянии и при
наличии других легирующих компонентов область a-твердого рас-
твора на диаграмме состояния сдвигается влево и литые бронзы,
содержащие примерно более 7 % алюминия( имеют двухфазное
(а + -уй) строение.
Характерной особенностью двойных сплавов Си—А1 является
Их склонность к так называемому самоотжигу при медленном за-
твердевании (литье в песчаные формы), при котором происходит
рост зерна. Для предотвращения самоотжига в бронзы вводят же-
лезо.
Механические, технологические и эксплуатационные свойства
алюминиевых бронз улучшаются при легировании железом, марган-
цем, никелем и другими элементами.
Кроме алюминиевых, применяют свинцовые, сурьмяные, крем-
ниевые и другие бронзы.
Свинцовая бронза Бр.СЗО обладает низким коэффициентом трения
и высокой износостойкостью при трении в условиях больших удель-
ных нагрузок и скоростей скольжения..Поэтому ее применяют для
изготовления вкладышей подшипников дизельных двигателей. Осо-
бенность производства свинцовых бронз —ликвация свинца. Дис-
персное распределение свинца в бронзе достигается тщательным пере-
мешиванием расплава и большими скоростями охлаждения отливок.
Сурьмяные бронзы имеют высокие антифрикционные свойства и
дешевле оловянных.
Латуни. Для фасонного литья применяют сложнолегированные
медноцинковые сплавы; простые латуни используют сравнительно
редко (см. табл. 52).
Взаимодействие меди с цинком характеризуется диаграммой со-
стояния (рис. 89).
Практическое значение имеют латуни, содержащие до 45—50 % Zn
со структурой а; а + 0 и 0. Богатая медью a-фаза (до 38 —39 % Zn)
является типичным твердым неупорядоченным раствором замещения
цинка в меди. Хорошая растворимость цинка в меди объясняется
близкими значениями атомных радиусов этих компонентов: 0,128
и 0,139 нм (цинк).
Легирование двойных латуней алюминием и кремнием повышает
жидкотекучесть, уменьшает угар цинка при плавке, повышает кор-
розионную стойкость сплавов и механические свойства. Наибольшее
распространение для фасонных отливок находят кремнистая латунь
ЛЦ16К4 (арматура) и свинцовая латунь ЛЦ40С (сепараторы под-
шипников).
Железо и марганец повышают механические свойства сплавов,.
но снижают жидкотекучесть. Олово до 2—2,5 % повышает корро-
зионные, литейные и механические свойства.
Наиболее вредными примесями для латуней являются висмут,
свинец, сурьма и сера, которые снижают пластичность при темпера-
турах горячей обработки давлением. Примеси алюминия оказывают
вредное влияние на литейные свойства кремнистой латуни ЛЦ16К4,
204
снижая жидкотекучесть и увеличивая склонность к образованию
в отливках газовой пористости.
Свойства латуней зависят от содержания меди. Для латуней, со-
держащих медь на верхнем пределе допуска, характерны повышен-
ные пластические свойства, а на нижнем пределе — высокие проч-
ностные свойства. Легирующие элементы — алюминий, марганец,
Zn,% (по массе)
Рис. 89. Диаграмма состояния системы Си-—Zn
железо и др. (за исключением никеля) —действуют на структуру
латуни качественно так же, как и цинк, но с гораздо большим эф-
фектом. Варьируя концентрациями меди и легирующих компонен-
тов в латунях даже в пределах ГОСТа, можно заметно изменять
структуру, а следовательно, и свойства литых заготовок.
Деформируемые сплавы
Для получения деформированных полуфабрикатов используют боль-
шое число различных медных сплавов, которые делят на четыре
группы: оловянные бронзы, безоловянные бронзы, латуни и медно-
никелевые сплавы (см. табл. 50, 51, 54).
Многие из деформируемых сплавов имеют однофазную структуру
и обладают высокой п-ластичностью в горячем и холодном состоянии.
Некоторые из них (алюминиевые бронзы, оловянные бронзы, сложно-
легированные латуни) по составу близки к литейным сплавам.
Особую группу составляют медноникелевые сплавы (см. табл. 55),
нашедшие широкое применение для изготовления посуды (мельхиор,
205
Нейзильбер), проНоЛокй дЛя tfcpMoiiap (констайтйй, копёль) и дру*
гих целей. Эти сплавы обладают высокими коррозионными свой-
ствами при работе в ряде агрессивных сред.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Плавка меди и ее сплавов
Плавку меди и ее сплавов ведут на воздухе, в среде защитных газов
и в вакууме. Наиболее важным для качества металла при плавке
является контроль за протеканием физико-химических процессов
взаимодействия металла с кислородом, водородом, серой, футеров-
кой печей, шлаками и флюсами.
Кислород растворяется в жидкой меди при высокой температуре
в значительных количествах — при 1473 К до 1,5 %. Процесс рас-
творения сопровождается изменением AG и описывается выражением
AG[O] = — RT lgfoC0/p1^, (19)
где Со — концентрация кислорода, % (ат.); /о — коэффициент ак-
тивности кислорода в меди; рог — парциальное давление кислорода
над расплавом.
Величину AG[O] пр'и растворении кислорода в меди определяют
по экспериментальным данным и количественно оценивают следу-
ющей зависимостью:
AGjoj = —73 +0,0097 кДж/моль при 1356— 1506 К. (20)
Зная -AG[O], парциальное давление кислорода над расплавом и
коэффициент активности кислорода в меди, который характеризует
силу взаимодействия меди и кислорода в расплаве, можно опреде-
лить по формуле (19) содержание кислорода в меди при различных
температурах.
Для концентраций кислорода 0,1—0,2 %, характерных для со-
стояния нераскисленной меди при плавке в промышленных печах
на воздухе, коэффициент активности кислорода практически может
быть принят равным единице (/о = 1).
Присутствие в меди легирующих элементов и примесей изменяет
содержание кислорода или его активность (со11 = /оСо) в зависи-
мости от сродства этих элементов к кислороду. Большинство эле-
ментов, входящих в состав медных сплавов, снижает активность
кислорода в медных расплавах.
Для сравнительной оценки влияния различных элементов на
активность кислорода в сплавах пользуются показателями пара-
метров взаимодействия кислорода [О] и элемента Хг при темпера-
туре Т:
(21)
где ео — параметр взаимодействия между кислородом и элемен-
том Xi в расплаве; X, —концентрация элемента i, %.
206
Таблица 56. Значения коэффициентов активности кислорода в медных
сплавах
Сплав X Значение 1g Fq* г, к Для содержания легирующего компонента
Cu—Ni —0,044 [% Ni] 1473 До 10 % Ni
Си—Sn —0,015 [% Sn] 1473 » 15 % Sn
Си—Pb —0,01 [% Pb] 1473 » 25% Pb
Си—Sb —0,009 [% Sb] 1473 » 8% Sb
Си—Zn —0,09 [% Zn] 1473 » 12% Zn
Си—Si -62 [% Si] 1473 » 0,02% Si
Си—О -0,1 ]% O] 1473 » 0,2 0
Си—Р -1,02 [% P] 1473 » 0,01 % P
Си—S —0,087 [% S] 1423 » 1,25% S
Параметр взаимодействия и коэффициент активности (которые
имеют одни и те же знаки) могут иметь положительное и отрица-
тельные значения в зависимости от природы:
lgfo‘=4‘[%Xj (22)
о Xi
Значения во находят экспериментальным путем при определен-
ных температурах. В табл. 56 приведены значения е о1 для ряда
бинарных медных сплавов.
Коэффициенты активности кислорода в многокомпонентных спла-
вах можно определить, используя данные табл. 56 по соотношению
. /оЛ = Д/о7о7о. • (23)
где Xit Х}, Xh —легирующие компоненты в сплавах.
Расчеты показывают, что активность кислорода Оо при 1473 К
в различных оловянных бронзах следующая: 0,0015 в БрОЮЦ2,
0,0007 в БрО5Ц5С5, 0,0115 в БрО11Н4СЗ, 0,0005 в БрОЗЦ7С5Н1,
что свидетельствует о заметной раскислитель ной способности цинка
в этих сплавах.
Содержание кислорода в .расплавленной меди может быть опре-
делено измерением его активности. Этот метод основан на измерении
электродвижущей силы высокотемпературного концентрационного
(по кислороду) гальванического элемента, одним из электродов ко-
торого служит исследуемый расплав. Другой электрод имеет извест-
ный постоянный окислительный потенциал.
Содержание кислорода в твердой меди определяют металлогра-
фическим путем по площади, занимаемой эвтектикой (Си + Си2О),
или методом вакуум-плавления.
Расплавленная медь взаимодействует также с сернистым газом
с образованием растворов с серой и кислородом и интенсивно раство-
ряет водород. С повышением температуры растворимость водорода
207
в меди возрастает и описывается следующим соотношением (для тем-
пературного интервала 1276—1773 К):
]g [Н] — 2250/71К + 2,37 [см3/100г]. (24)
В интервале температур, практически значимых при плавке меди
(1373—1573 К), растворимость водорода составляет 6—8 см3/100 г.
Водород является вредной примесью в меди, и в процессе плавки и
литья стараются не допустить чрезмерного насыщения им меди и
ее сплавов. Между водородом и кислородом в меди устанавливается
подвижное равновесие: .
[Си 1 + [О ]Си + [Н ]Си =₽* [Си ] + Н2О. (25)
Рис. 90. Влияние элементов на рав-
новесную растворимость водорода
в меди при 1423 К и —
= 0,101 МПа
Основным источником насыщения
меди водородом и кислородом являются
пары воды атмосферы печи, а также
влага, попадающая в расплав из футе-
ровки, шихты, флюсов и других источ-
ников.
Если в меди много кислорода, то
насыщение ее водородом будет меньше,
и наоборот. Возможность совместного
присутствия водорода и кислорода в
меди с различным направлением проте-
канием реакции (25) является причи-
ной водородной болезни меди, когда
в результате выделения паров воды в
массе металла образуется несплошность.
Так, если твердую медь, содержащую
кислород, нагревают (выше 400 °C) в
восстановительной атмосфере (при не-
полном, отжиге, сварке, пайке и др.),
содержащей водород, то водород легко диффундирует в медь и реак-
ция (25) может протекать справа налево с образованием паров воды.
Водород может вызывать охрупчивание (растрескивание) меди и
в отсутствие кислорода, выделяясь из пересыщенного раствора
в микропоры, или за счет создания внутренних напряжений, обра-
зующихся в меди в результате чрезмерного внедрения в нее водо-
рода.
Легирующие компоненты, входящие в состав сплавов, по-разному
качественно и количественно оказывают влияние на растворимость
водорода в меди. На рис. 90 приведены опытные данные об измене-
нии растворимости водорода я меди под действием легирующих до-
бавок. При этом влияние легирующих элементов может быть описано
следующим выражением, характеризующимся отношением величины
растворимости водорода в сплаве к его растворимости в чистой меди:
1g [[И]спл.ж/Zph,/[H]cu»// PhJ = lg/нЧ
(26)
где [Н[спл.ж и [Н[Сцж—равновесная растворимость водорода
при определенных значениях рн,и Т соответственно в жидком сплаве
2Q8
Таблица 57. Значения коэффициентов активности водорода в медных
сплавах
Сплав X • Значение 1g f 1 Н 7, К Для содержания
Си—Sn 0,016 [% Sn] 1423 До 30 % Sn
Си—Zn 0,012 [% Zn] 1423 » 5 % Zn
Си—РЬ 0,03 [% Pb] 1423 » 10% Pb
Си—Ni —0,026 [% Ni] 1423 » 4,0% Ni
Си—Al 0,046 [% Al] 1423—1523 » 12,5% Al
Си—Si 0,042 [% Si] 1423 » 3,0% Si
Си—Р 0,088 [% P] 1423 » 1,8% P
и чистой меди; /н1 — коэффициент активности водорода в сплаве
Си—Хг; Xi —легирующий элемент.
Параметры взаимодействия водорода и элемента Xt при опреде-
ленной температуре Т приведены в табл. 57.
С помощью параметров взаимодействия можно рассчитать равно-
весную растворимость водорода в многокомпонентных сплавах по
выражению
1g [Н]спл = 1g [H]Cu - 2 е^1Хь (27)
где [Н ]спл —равновесная растворимость водорода в сплаве,
см3/100 г, при расчетной температуре и рн2 = 0,01 МПа; [Н]Си —
растворимость водорода в меди, см3/100 г, при расчетной температуре
и рн2 = 0,01 МПа.
Используя данные табл. 57 и рис. 90, нетрудно рассчитать раство-
римость водорода в любом сплаве. Так, в БрО5Ц5С5 при 1423 К
и рн2 = 0,101 МПа lg [Н ] = 1g 6,5 — (0,016 -5 + 0,012-5+
+ 0,03-5) = 0,8129 —0,29 = 0,5229; [Н] = 3,35 см3/100 г.
Равновесную расчетную растворимость при меньших, практи-
чески реальных парциальных давлениях водорода в атмосфере плавки
можно пересчитать по известной формуле [Н ] =
Основным источником водорода при плавке медных сплавов слу-
жит водяной пар, парциальное давление которого может изменяться
в практических условиях в широких пределах от 0,0001 до 0,02 МПа.
В практических расчетах допустимо считать, что рн2 ~ Рн2о- Так,
при плавке бронзы БрО5Ц5С5 в индукционной печи, где парциальное
давление паров воды составляет примерно 0,002 МПа, равновесная
растворимость водорода равна [Н1,= 3,35 j/0,02 = 0,47 см3/100 г
при 1423 К. При плавке той же бронзы в пламенной печи, где рн2о
может достигать 0,01 МПа, водорода растворится в расплаве в 5 раз
больше и [Н ] составит 2,85 см3/100 г при 1150 °C. Если плавку ведут
на сырых шихтовых материалах и с плохо высушенной футеровкой,
в расплаве может содержаться водорода больше расчетных значений,
что обычно и наблюдается на практике.
Водород снижает свойства литого металла, способствует образо-
ванию в отливках газовой или газоусадочной пористости. Для каж-
209
дых конкретных условий плавки и технологии получения отливки
существуют предельно допустимые концентрации водорода в рас-
плаве.
Реальное содержание водорода в меди и медных сплавах зависит
от температуры (чем выше температура, тем содержание водорода
в металле больше), состояния шихты, футеровки, очередности за-
грузки компонентов в сплав. Предельно допустимая концентрация
зависит от скорости охлаждения жидкого металла в литейной форме.
Чем больше скорость охлаждения,'тем больше можно допустить со-
держание водорода в расплаве без опасности получения пористого
металла. Эта зависимость описывается обычно следующим соотно-
шением:
1Н]п.д^Д+В/^ (28)
где [Н ]п. д — предельно допустимое содержание водорода в сплаве;
А и В — опытные коэффициенты; иохл — скорость охлаждения
жидкого металла в форме, °С/мин.
Так, для сурьмяной бронзы БрСу6Н2 предельно допустимую кон-
центрацию водорода рекомендуется оценивать по соотношению
[Н]п.д = 0,375 + 0,0548 [см3/Ю0 г]. (29)
Кислород и водород являются нежелательными примесями в меди,
поэтому на всех технологических этапах плавки меди стараются
не допускать их чрезмерного попадания в расплав.
Растворенный в меди кислород удаляют с помощью раскисли-
телей. Наиболее удобны в качестве раскислителей углерод, фосфор,
бор, литий. Эти элементы образуют продукты раскисления, сравни-
тельно легко удаляемые из расплава. Магний, цирконий, кальций
и ряд других элементов хотя и обладают более высокой раскисли-
тельной способностью в окисленной меди, но образуют твердые,
пленообразные продукты раскисления и с трудом удаляются из
жидкого металла.
При получении меди повышенной чистоты по кислороду применяют
раскисление углеродом. Углерод обладает сравнительно высоким
сродством к кислороду, практически незначительно растворим в меди
при 1373—1573 К и образует газообразные продукты раскисления,
легко удаляемые из расплава. По данным И. С. Куликова, изменение
AG° реакции раскисления меди углеродом может быть оценено
следующими соотношениями:
ЮЬ + [С)си = СО, (30)
AGr = — 252,3 - 0,0377’кДж/моль (1350 - 1502 К); (31)
2[O]Cu + [C]Cu = CO2, [(32)
AGr = — 455 + 0,035671кДж/моль (1350 - 1502 К). (33)
21Q
В соотвеТстНий с приведенными выше значениями Лб? для
удельных констант К, реакций раскисления меди углеродом можно
написать:
1g К[О];со “ — 13170/7* - 1,930; (34)
lg K[O];cot = — 11830/7* 4- о,929. (35)
По опытным данным, активность кислорода в жидкой насыщен-
ной углеродом меди «о — 2,9* 10~7 при 1553 К-
Однако практически реакция раскисления меди углеродом кине-
тически заторможена из-за малой растворимости углерода. В меди
(при 1473 К может растворяться ~О,О0О25 % углерода). Поэтому
основным звеном процесса является скорость массопереноса кисло-
рода к поверхности раздела металл—углерод.
В качестве растворимых раскислителей применяют фосфор, ли-
тий и бор. Эти элементы образуют продукты раскисления, которые
легко удаляются из расплава. В практике для раскисления меди
чаще всего используют фосфор, который хорошо в ней растворяется.
Реакцию в системе Си—[О]—[Р] с образованием продуктов раскис-
ления (жидкий шлак) можно представить в следующем виде:
2х [Си] + 2у [Р] + (х + 5у) [О] = хСи2О-уР2Ов + [Си]. (36)
Константа равновесия реакции (36) равна
К = а<хСи1о.^1о,)/осиаМ+ЭД. (37)
Если принять, что aCu = 1, аР и а0 при небольших концентра-
циях [Р] и [О] подчиняются закону Генри и пропорциональны
мольным долям [Р], [О], шлак имеет определенный, постоянный
состав, и, следовательно, постоянную активность (а — 1), то выра-
жение (36) можно записать так:
1/[Р]2р[О]<*+ВД или [Р][О] = const. (38)
Таким образом, соотношение между равновесными содержаниями
кислорода и фосфора в меди зависит от состава продуктов раскис-
ления. Для состава Р2ОВ соответственно [Р] [О]2,5 = const, для
2Cu2O*P2OB [Р] [О]3,5 = const. Опытными данными установлено,
что для процесса раскисления меди небольшими концентрациями
фосфора справедливо соотношение. [Р] [О]3,5 = 2,5-10-10 (для
1473 К) и наиболее вероятным продуктом раскисления меди фосфо-
ром является 2Си2О«Р2Ов, а не Р2О3 или Р2Ов-Си2О. Учитывая, что
для практических расчетов раскисления используют значения кон-
центрации кислорода, вместо активности кислорода предлагается
пользоваться соотношением 1g/о = —1,02 [% Р].
Фосфор, как раскислитель меди, имеет существенный недоста-
ток—снижает электропроводность. Поэтому при плавке меди спе-
циально оговаривают условия раскисления, в частности различают
медь, раскисленную фосфором с низким (<0,02 % Р) и высоким
(>0,02 % Р) остатком фосфора в меди. Введение фосфора осуще-
211
бТЁЛяЮт лигатурой Си—Р (7—10 % Р). Ё заййСимосТй от содержа-
ния кислорода в меди фосфор вводят й количестве 0,1 — 0,015 %
от массы расплава.
Для реакции раскисления меди литием
2 [Li] + [О] = (Li2O), (39)
AG?- = — 502 4- 0,1647 кДж/моль. (40)
Константа раскисления меди литием
lgtf[O];Li.o = - 26170/7 + 8,551. (41)
Параметр взаимодействия [Li] с [О], поданным И. С. Куликова,
оценивается значением ео = —Ю, т. е. литий является эффектив-
ным раскислителем меди. В частности, при введении его в жидкую
окисленную медь в количестве 0,1 % равновесное содержание кисло-
рода в меди при 1473 К составит весьма небольшую величину: [О] «
« IO’3 %.
Бор также является хорошим раскислителем меди, образуя
жидкие продукты раскисления типа mB2O3-nCu2O (бораты), легко
удаляемые из расплава. При этом бор благоприятно влияет на ли-
тейные свойства (подобно фосфору повышает жидкотекучесть), не
снижая электропроводность. Однако бор и литий более дорогие и
дефицитные раскислители, чем углерод и фосфор, и их применение
оправдывается только в производстве специальных, бескислордных
марок меди.
Для получения меди, чистота которой соответствует ГОСТ 859—78,
черновую (загрязненную примесями) медь подвергают . огневому
и электролитическому рафинированию. Рафинирование производится
в пламенных (газовых) печах на заводах цветной металлургии окис-
лительно-восстановительной плавкой, которая состоит из окисления
примесей (продувкой ванны воздухом или кислородом), удаления
образовавшихся оксидов примесей (ZnO, FeO и др.) с помощью
шлаков и затем восстановления (раскисления) меди.
Восстановление Си2О производится в конце плавки операцией,
которая называется дразнением. Дразнение проводят после удаления
шлака с зеркала расплава меди либо погружением в расплав влажной
древесины, либо продувкой природным конверсированным газом
или паро-мазутной смесью. Поверхность металла предварительно
покрывают древесным углем для создания восстановительной-атмо-
сферы. При погружении сырой древесины в жидкую медь или в ре-
зультате продувки газом происходит интенсивное бурление, пере-
мешивание ванны и восстановление растворенной в меди Си2О угле-
родом, СО, углеводородами и водородом, образующимися от сгора-
ния древесины или газа. Рафинированную и раскисленную медь
разливают в виде плоских слитков (аноды), из которых путем элек-
тролитического рафинирования получают катодную медь. Из катод-
ной меди получают еще более чистую медь (вакуумную) или отли-
вают из нее слитки, используемые в качестве заготовок при пласти-
ческой обработке — прокатке, прессовании, волочении.
212
Медь промышленной чистоты выплавляют в зависимости ОТ ко*-
личества примесей в ней без защитных покрытий и специальных
раскислителей с содержанием 0,005—0,08 % кислорода или раскис-
ляют фосфором с низким (<0,02 % Р) й высоким (>0,02 % Р)
остатком фосфора или другими раскислителями (углерод, бор, литий
и др.) с пониженным содержанием кислорода (до 0,001 % и менее).
Кроме меди промышленной чистоты, производят бескислородную
медь с содержанием кислорода менее 0,001 % и вакуум-плавленую
медь, содержащую очень мало кислорода (0,0005 %) и водорода
(0,0001—0,0003 %). Чем чище медь, тем выше ее электропровод-
ность и другие свойства.
Плавка в меди в литейных заготовительных цехах состоит из
нагрева, расплавления, перегрева, проведения ряда металлургиче-
ских процессов (удаления примесей), раскисления и разливки.
Температура перегрева расплавленной меди определяется особен-
ностями металлургических процессов плавки и технологическими
условиями литья слитков, отливок (способы литья, габариты отливок
и др.). Однако во всех случаях излишний перегрев меди нежелате-
лен, так как возрастают потери металла, увеличивается опасность
насыщения его примесями и в первую очередь кислородом и водо-
родом. Обычно в современных цехах медь перегревают до 1200 °C
(+504—30 °C). При вакуумной плавке для ускорения процессов
раскисления допускают более высокий перегрев —до 1300—1350 °C.
Качество расплавленной меди зависит прежде всего от состоя-
ния исходной шихты — катодной меди. Катодная медь (ГОСТ 859—78)
одной и той же марки может иметь различную плотность катодов
и существенно отличаться по содержанию водорода и кислорода.
В частности, катоды с сильно развитой (шишковатой) поверхностью
содержат повышенное количество водорода и кислорода. Анализ со-
держания газов в различных местах катодов меди показал, что
в кромках листов содержание газов в 1,5—2,0 раза больше, чем в сре-
динной части. Поэтому в производственных условиях часто рекомен-
дуется (например, при плавке бескислородной меди) производить
отбор катодов по внешнему виду — сильно шишковатые катоды
отсортировывают с последующей их прокалкой или переплавкой.
Для получения бескислородной меди отбирают плотные катоды с мел-
козернистым изломом, при этом кромку катодных листов удаляют
(кромки идут для приготовления сортов меди, в которых допускается
повышенное содержание кислорода). В современных цехах всю
шихту в виде катодов меди перед завалкой в печь прогревают в про-
ходных печах, .отапливаемых газом или электричеством, до 500—
700 °C в течение 2—4 ч. В результате подогрева с поверхности уда-
ляются отложения сульфатов меди и никеля и влага, адсорбиро-
ванная на шишковатых образованиях (особенно в катодах длитель-
ного хранения). При подготовке шихты для вакуум-плавленой
меди производят предварительный нагрев катодов в вакууме
(10 “2 МПа) для удаления влаги и серы.
Плавку меди в заготовительных литейных цехах ведут преиму-
щественно в индукционных канальных печах типа ИЛК и в тигель-
213
йых индукционных ценах. Кроме катодной меди, b coctab ших1ы
Ьходят отходы (возврата) в виде обрези слитков и бракованные.
Изделия. Подогретую шихту загружают в печь по мере расплавления
предыдущей завалки. Поверхность расплава должна быть'Постоянно
Ьокрыта слоем древесного угля толщиной 150—200 мм, который
предохраняет жидкий металл от чрезмерного окисления и одновре-
менно служит раскислителем. При плавке меди марок МО, Ml, М2
Обычно дополнительного раскисления не производят, а медь тех же.
марок с индексом «Р» (раскисленная) дополнительно раскисляют
фосфористой медью (Си + Ю % Р) из расчета не более 0,04 % Р
в меди.
Плавку бескислородной меди ведут в индукционных (канальных)
печах. Учитывая, что в бескислородной меди ограничено содержание
кислорода (<0,001 %) и фосфора (не более 0,002 %), для плавки
используют более плотную (порядка 8,9 г/см8) катодную медь марки
МООк с плотностью 8,945—8,952 г/см8. Перед плавкой катоды про-
каливают для удаления следов электролиза, при необходимости
предварительно промывая.
Окисленная шихта непригодна для производства бескислородной
меди. В шихте используют отходы бескислородной меди, чистые, от
посторонних примесей. Загрязненные отходы очищают травлением
в 5—12 %-ном растворе серной кислоты, затем промывают и сушат.
В практике производства бескислородной меди применяют шихту
из 60—70 % катодной меди и 40—30 % отходов плавильных и обра-
батывающих цехов (пресс-остатки, донные и литниковые части
слитков и др.). Стружку и мелкий скрап не употребляют. Раскис-
ление и защиту расплава бескислородной меди производят преиму-
щественно углеродом (древесный уголь, сажа, графит). Применяют
стандартный древесный уголь (ГОСТ 7657—74, марки А и Б), по-
ставляемый в бумажных мешках. В связи с тем, что уголь гигроско-
пичен, его хранят в специальных емкостях, перед использованием
просеивают и предварительно прокаливают при 650—850 °C в те-
чение 3—4 ч (в металлических коробках в электропечах). В резуль-
тате прокаливания содержание влаги снижается с 3—10 до 0,3—
0,6 %, а количество летучих веществ —с 15—20 до 10—12 %.
В процессе плавки меди поддерживают постоянный покров древес-
ного угля толщиной 250—300 мм, что позволяет получать медь
с содержанием кислорода на уровне 0,00Г %, однако следует при-
знать, что раскисление меди углеродом относительно длительный
процесс. Кроме древесного угля, для раскисления и предохранения
расплава меди от окисления применяют также покровы из сажи
марки ПМ15 (ГОСТ 7885—68), прокаленной при 700—800 °C. Са-
жей покрывают расплав и в кристаллизаторе, где она одновременно
выполняет роль смазки.
При плавке бескислородной меди применяют также защитные
средства в виде газов: генераторного, нейтральных (аргона, азота),
которыми зеркало металла обдувают (создают положительное давле-
ние газов) в процессе плавки, переливах и кристаллизации ме-
талла.
214
При плавке меди в индукционных печах для футеровки печей
применяют огнеупорные смеси из 98 % кварцита марки К 98-300,
(ГОСТ 9854—71) и 2 % буры. Для повышения огнеупорной стой-
кости футеровки используют также смеси SiO2 и А12О3 (45 %) и
кварцитовые смеси с добавками магнезита или хромомагнезита
(до 15 %).
Вакуумную плавку производят в вакуумных индукционных ти-
гельных печах (ВИП). Медь вакуумной плавки имеет повышенные
значения электро- и теплопроводности. Для плавки применяют ка-
тодную медь высших марок (МВЧ, М00, МО) с исходным содержанием
кислорода 0,0015—0,0058 и водорода 0,0002—0,0007 %. После плавки
в ВИП содержание кислорода и водорода снижается в 5—20 раз.
Тигли изготовляют из графита плотных негазотворных и малогазо-
творных сортов. Плавку, перегрев и раскисление (углеродом) ведут
в вакууме (1—2 Па) при 1300—1400 °C в течение 35—40 мин. -
Рафинирование медных расплавов
Для удаления из медных расплавов водорода и неметаллических
включений проводят рафинирование.
Процесс дегазации расплавов от водорода можно описать извест-
ным соотношением
1g [Д] = bG°K/RT + In р'£ + In /н, (42)
где [Н]—концентрация водорода в расплаве, см3/100 г; AGh—
термодинамический потенциал реакции растворения водорода в стан-
дартном состоянии; — коэффициент активности водорода в
сплаве.
В соответствии с формулой (42) содержание водорода в расплаве
можно снизить тремя основными путями:
1) уменьшением парциального давления рн2 по отношению к мед-
ному расплаву (адсорбционные методы .дегазации);
2) увеличением температуры Т до кипения, что, однако, эконо-
мически невыгодно, хотя в отдельных случаях этим пользуются,
например при плавке латуней и бронз, содержащих цинк. Ввиду
низкой температуры кипения цинка его парциальное давление
в расплаве может быть выше парциального давления водорода
(рлп > Рнг)- над расплавом, что предотвращает растворение водо-
рода в металле, происходит его дегазация;
3) связыванием водорода в прочные соединения (гидриды), т. е.
за счет уменьшения в расплаве. Так, при раскислении меди ли-
тием одновременно образуются гидриды лития, не растворимые
в металле.
Основными методами дегазации медных расплавов являются
адсорбционные. Эти методы основаны на продувке расплавов ней-
тральными (азотом) или инертными газами (аргон) и характери-
зуются простотой технического исполнения и достаточно высокой
эффективностью,
215
Кинетически процесс дегазации расплавов продувкой описы-
вается уравнением второго порядка:
dH/dr = —Ж2. (43)
После интегрирования уравнения (43) получаем
1/Н — 1/Н„ = kx. (44)
Коэффициент k зависит от температуры расплава при продувке’
величины поверхности контакта' продуваемого газа с металлом’
условий равновесия в системе Me—Н и других факторов. Лимита"
рующей стадией процесса продувки жидких металлов газами яв"
ляется скорость перехода водорода через границу пузырька газа
с расплавом, которая определяется состоянием этой поверхности.
Образование на поверхности пузырьков газа оксидных плен снижает
скорость перехода водорода в пузырьки’газа (для медных сплавов
k« 0,74-0,8). Эффективность продувки определяется размерами
активной поверхности пузырьков продуваемого газа. Чем меньше
размеры пузырьков и чем больше они проходят путь в металле,
тем эффективнее очистка.
Дегазацию медных расплавов осуществляют как путем продувки
азотом или инертными газами, так и обработкой хлористыми солями
(MnCl2, ZnCl2, С2С1в и др.) или вакуумированием.
Продувку ведут при температуре расплава 1150—1200 °C. Расход
газа составляет 0,05—0,5 м3 на 1 л металла, длительность продувки
при давлении газа 19,6—29,4 кПа составляет 5—10 мин. Эффектив-
ность очистки расплава при продувке определяется в значительной
мере чистотой продуваемого газа. Газы, которые применяют для
продувки медных сплавов, должны быть тщательно осушены. Про-
дувку медных сплавов ведут через огнеупорные трубки (графит,
керамика и др.) или через пористые вставки (вспененный магнезит,
пористый шамот), предварительно вмонтированные в дно тиглей
или ковшей.
При обработке расплавов хлористыми солями их вводят в коли-
честве 0,1—0,2 % от массы расплава при 1150—1200 °C с помощью
колокольчика. Перед разливкой рафинированный сплав выдержи-
вают в течение 10—15 мин для отделения пузырьков рафинирующего
газа. Для более глубокой очистки применяют комбинированные
методы, например обработку хлористой солью с последующей про-
дувкой нейтральным газом.
Вакуумирование применяют в тех случаях, когда сплав не со-
держит компонентов, имеющих высокое давление пара. Примени-
тельно к медным сплавам этот процесс ведут при* 1150—1300 °C и
остаточном давлении 0,66—1,3 кПа Длительность вакуумирования
определяется массой металла, подвергающегося обработке. В боль-
шинстве случаев продолжительность обработки составляет 10—
25 мин.
Эффективным методом очистки от неметаллических включений
сплавов, содержащих в своем составе такие легкоокисляющиеся
элементы, как алюминий, титан, цирконий и бериллий, является
216
фильтрование. Для этой цели используют зернистые и жидкие
фильтры; Для зернистых фильтров применяют такие материалы,
как магнезит, алунд, плавленые фториды кальция й магния. Тол-
щина фильтрующего слоя составляет 60—150 мм, а размер зерна
фильтра 5—10 мм в поперечнике.. Зернистые фильтры перед филь-
трованием нагревают до 700—800 °C. Установлено, что фильтр из
фторида кальция размером зерен 5—10 мм в поперечнике и толщи-
ной 70—100 мм позволяет в 1,5—2 раза снизить содержание неме-
таллических включений в расплаве бериллиевой бронзы БрБНТ-2
по сравнению с плавкой без фильтрации. Положительные резуль-
таты получаются при фильтровании медных расплавов через слой
различных высокотемпературных стеклотканей, которые устанавли-
вают непосредственно в литейную форму.
Плавку обычно ведут с применением различных покровов или
флюсов. Покрытия применяют для защиты расплава от окисления
и излишнего угара. Различают покровные и покровно-рафинирующие
покрытия. При плавке меди применяют сыпучие покрытия (древесный
уголь, графитовый бой, сажа и др.) и жидкие флюсы в виде солей,
смесей различных солей и оксидов. Применяют также комбинирован-
ные покровы. Наиболее часто применяют покров из древесного угля.
Сгорая на поверхности расплава, уголь создает восстановитель-
ную атмосферу, уменьшая тем самым скорость его окисления. Уголь
является эффективным поверхностным раскислителем чистой меди;
он предохраняет поверхность расплава от подстуживания. Не менее
важной положительной характеристикой древесноугольного покрова
является технологическая легкость удаления его остатков с металла
перед заливкой. По этому показателю древесноугольный покров
превосходит все другие в частности жидкие. Однако его положи-
тельные качества проявляются при использовании древесного угля,
свободного от влаги. Древесный уголь обладает большой адсорб-
ционной способностью к влаге, и если уголь предварительно не про-
сушен и не прокален при повышенных температурах, то он может
стать наиболее опасным, источником насыщения металла газами,
особенно водородом. Наибольшая опасность применения древесно-
угольного покрова создается при плавке в пламенных (особенно
мазутных) печах, где имеются пары воды. Углерод в этом случае
взаимодействует с ними с выделением атомарного водорода, погло-
щаемого расплавом.
При плавке медных сплавов широко применяют покровно-рафи-
нирующие флюсы в виде расплавленных смесей солей и оксидов.
По составу, различают кислые, основные и нейтральные флюсы.
Состав флюса (или шлака) подбирают таким, чтобы температура его
плавления была ниже температуры расплавленного металла. Флюс
должен быть нейтральным по отношению к металлу и особенно
к футеровке печей. Шлак, образующийся к концу плавки под флю-
сами, должен быть достаточно вязким, чтобы не запутываться в виде
включений шлака в жидком металле, но одновременно с этим вяз-
кость не должна быть чрезмерной, чтобы в самих шлаках не оста-
вался металл в виде запутавшихся корольков.
217
Флюсы могут быть на основе стекла (nSiO2. mNa2O), буры Na2B4O7,
кальцинированной соды Na2CO3 с различными разжижающими до-
бавками в виде фтористых солей (CaF2 — плавиковый шпат и др.)>
добавками, снижающими температуру плавления флюсов (хлори-
стые соли, например NaCl и др.), добавками, повышающими рафи-
нирующую способность и снижающими вязкость шлаков (крио-
лит Na3AlF6 и др.). Ниже приведены составы флюсов, %, и их на-
значение:
41—47 SiO2; 25—32 Л1пО2; 10—15 Na2O; 11—
14 А12О3 ............................. . Покровный для оловянных
бронз
7 №2В4О7; 60 Na2CO3; 33 CaF2 ............Покровно-рафнннрующпй для
оловянных бронз
35 КС1; 25 Na3AlF6; 28 Na2B4O7; 10 NaCl; дре-
весный уголь 2...........................Покровно-рафпннрующий для
• алюминиевых бронз
60 NaCl; 30 Na2CO3; 10 Na3AlFe...........Покровный для латуней
50 силнкат-глыба (mNa2O-z?SiO2); 30 N?2B4O7;
20 Na3AlF6 ........................ .... То же
Пока для медных сплавов не разработаны универсальные составы
флюсов, которые сочетали бы все положительные свойства, предъ-
являемые к ним. Флюсы на основе стекла хорошо покрывают рас-
плавы, практически не взаимодействуют с футеровкой, но имеют
высокую вязкость, трудно удаляются с поверхности расплава, в них
запутывается много металла в виде корольков. Флюсы на основе
буры дефицитны, имеют низкую вязкость, взаимодействуют с кис-
лой футеровкой. Флюсы, содержащие фтористые соли, агрессивны
по отношению к футеровке, загрязняют атмосферу цеха вредными
выделениями. Поэтому состав флюсов выбирают в зависимости от
конкретных условий производства: марки сплава, типа плавильных
агрегатов, емкости печей, экономических соображений и других
производственных факторов. Применение жидких флюсовых по-
кровов обычно увеличивает общую продолжительность плавки,
особенно за счет времени, необходимого для удаления шлаков с по-
верхности расплава.
§ 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Для плавки медных сплавов в современном производстве наибольшее
распространение получили электрические индукционные печи: ка-
нальные с железным сердечником и высокочастотные тигельные
печи (обычные или вакуумные) или печи на промышленной частоте.
Не утратили своего значения пламенные отражательные печи (осо-
бенно газовые), электродуговые барабанные печи типа ДМБ (в не-
зависимой дугой) и тигельные топливные печи.
При выборе типа плавильной печи особое внимание уделяют ве-
личине потерь металла на угар и со шлаком. При плавке в пламен-
ных печах потери в случае применения покрова древесного угля
или флюсов составляют 2,5—4,5 % (наименьший показатель соответ-
ствует плавке на компактной шихте, наибольший — на некомпакт-
218
ной шихте с большой поверхностью), без покровов 4—8 %; при
плавке в тигельных топливных (газовых, мазутных) печах без при-
менения покровов 2—4 %, под покровом угля или флюсов 1,5—•
2,5 при плавке в дуговых электропечах типа ДМБ без покровов
2—4 %, с покровом 1,5—3,0 % (при плавке латуней потери могут
быть 2,5—8 %); при плавке в индукционных печах 0,5—1,5 %.
Таким образом, наименьшие потери наблюдаются при плавке в ин-
дукционных печах.
Плавка латуней
Плавку двойных латуней производят в индукционных канальных
печах типа ИЛК и ИЛКА, так как эти печи наиболее экономичны
и обеспечивают хорошее качество жидкого металла. Футеровка пе-
чей— кварцитовая, либо высокогли-
ноземистая (66 % SiO2+32 % А12О3).
Особенностью плавки латуней яв-
ляется высокая упругость паров цинка
в расплавленном состоянии (темпера-
тура кипения цинка 907 °C). На
рис. 91 приведены практические данные
о давлении паров цинка в латуни при
различной температуре. Упругость па-
ров цинка в латуни можно оценить с
помощью коэффициентов активности и
значений упругости паров чистого цин-
ка при 101 кПа и любой температуре:
Pzn — PZnOzn — Pznfzrfizn, (45)
Рис. 91. Изменение давления лара
цинка Pzn от состава латуни при
различной температуре ’
где Pzn — упругость пара чистого цинка; azn> fzn» Czn — соответ-
ственно активность, коэффициент активности и концентрация цинка
в сплаве (латуни). Так, для латуни с 30 % Zn и azn = 0,02—0,03
(из литературных данных) pzn = 30-0,02-101 = 60 кПа при 907 °C,
что близко к опытным данным (см. рис. 91).
При плавке латуней потери металла в виде угара цинка дости-
гают заметных значений — от 0,5 до 5,0 %. Поэтому проведение
плавки с минимальным угаром и потерями металла является одним
из основных требований при разработке технологии плавки лату-
ней. На поверхности расплава Си—Zn образуется оксидная плена
(шлак) ZnO, однако ее защитные свойства относительно невысокие
из-за низкой прочности. В связи с этим при плавке латуней при-
меняют различные защитные покровы. Из жидких флюсов наиболее
известным является стекло (m- SiO2- nNa2O) с различными разжи-
жающими добавками. На отечественных заводах цветной металлур-
гии применяют, например, покрытия следующего состава: 50 %
силикат-глщбы, 30 % буры и 20 % криолита. Хорошо зарекомендо-
вали себя в работе флюсы состава: 60 % NaCl; 30 % NasCOs; 10 %
Na,AlFe. Кроме того, находят применение комплексные покровы
219;
из углеродсодержащих покрытий (древесный уголь, графитовый
бой) с добавками солей (криолит, сильвинит, смесь буры с NaCl
и др.)- Применяют также плавку под древесным углем, однако не-
которые специалисты считают, что при этом на поверхности расплава
создается восстановительная атмосфера, которая препятствует обра-
зованию на зеркале расплава пленки ZnO и тем самым приводит
к интенсивному испарению цинка. Следует, однако, учитывать, что
проведение плавки под жидкими флюсами приводит к повышенным
потерям металла в виде запутавшихся корольков в вязких шлаках,
образуемых флюсами, тогда как при плавке под сыпучими покры-
тиями эти потери сводятся к минимуму. При плавке кремнистых
латуней применяют флюс, состоящий из 50 % стекла и 50 % плави-
кового шпата.
В состав шихты при выплавке латуней входят чистые металлы
(медь, цинк, никель, алюминий, олово, свинец), лигатуры и отходы
собственного производства.
При выплавке двойных латуней сначала под слоем древесного
угля расплавляют медь, затем в расплав вводят цинксодержащие
отходы и вторичную латунь. Сплав нагревают до 1000—1050 °C и
перед заливкой в него вводят цинк. Медь перед введением цинка
или цинксодержащих отходов раскисляют фосфором. При непрерыв-
ной плавке латуни после выпуска готового сплава в печи оставляют
часть жидкого металла (переходная ванна) и очередную порцию
шихты загружают в расплав. Такая технология плавки облегчает
растворение твердой завалки в жидкой ванне и повышает произво-
дительность плавильных агрегатов.
Допускается использовать в шихте отходы в виде стружки (до
10—30 % от массы шихты), однако последняя должна быть предва-
рительно очищена от примесей железа (магнитной сепарацией) и
других инородных включений, обезжирена и просушена. Для сни-
жения угара и окисления стружки рекомендуется ее предварительно
смешивать с порошкообразными флюсами, которые применяют в цехе
в качестве защитных покрытий. В этом случае после завалки стружки
на зеркало металла шихта нагревается от расплава, флюс оплав-
ляется в первую очередь, обволакивает стружку, заключая ее как
бы во флюсовые мешочки, и стружка меньше окисляется, а по мере
нагрева оплавляется и стекает в ванну металла. Расплавление и
растворение стружки облегчается замешиванием ее в расплав;
Если в состав латуней входят тугоплавкие компоненты (железо,
никель, марганец и др.), то их загружают в ванну жидкого металла,
примыкающего к подовому камню (при плавке в ИЛК)> так как наи-
более высокая температура наблюдается именно в этой области
плавильного пространства. Легкоплавкие (олово, свинец), легко-
окисляющиеся и легколетучие составляющие загружают в печь
в последнюю очередь.
Легирующие элементы, особенно тугоплавкие, вводят в печь
в виде лигатур Си—Fe, Си—Мп, Си—Ni, Си—Мп—А1 и др.
Литейные латуни плавят как в индукционных канальных печах,
так и в индукционных тигельных на высокой и промышленной ча-
220
стотах (печи типа ИЛТ, ИЧТ, ИСТ и др.), а также в тигельных пе-
чах, обогреваемых газом, реже в пламенных печах (например, для
плавки больших масс металла при производстве гребных винтов
в судостроении). В качестве шихтовых материалов применяют ме-
таллы промышленной чистоты, а также марочные латуни в виде
чушек (ГОСТ 1020—68).
На основе чушковых латуней можно получать до 10 марок ли-
тейных латуней. Использование шихты (чушек) готового состава
удешевляет сплав, упрощает плавку, повышает производительность
плавильных агрегатов. Однако чушковые латуни обычно содержат
несколько повышенное количество примесей по сравнению с лату-
нями, приготовленными из чистых металлов. При плавке латуней
с использованием чушек в разогретую печь загружают чушки и
крупные отходы. После расплавления вводят мелкие отходы (раство-
ряют). Если в шихту допускается стружка (или другие мелкие
отходы, например, мелкая высечка после штамповки), то ее предва-
рительно перемешивают с солевыми флюсами для уменьшения
угара. При необходимости производят дошихтовку чистыми метал-
лами.
Тугоплавкие компоненты (Si, Fe, Мп, Ni) вводят в латуни преиму-
щественно в виде лигатур на основе меди по возможности в период
наиболее нагретого состояния расплавов для лучшего раство-
рения либо загружают в начале плавки вместе с твердой завал-
кой. Легкоплавкие компоненты (Al, Sn, Pb) вводят в конце плавки.
При плавке литейных латуней применяют защитные покровы.
Для снижения угара металла при плавке латуни ЛЦ40С применяют
комбинированный покров из древесного угля и криолита; кремни-
стые латуни плавят под флюсами, состоящими из 50 % кальциниро-
ванной соды и 50 % плавикового шпата.
Латуни, содержащие алюминий, склонны к пленообразованию.
Поэтому стремятся при плавке применять флюсы, расплав излишне
не перегревают, перед заливкой производят рафинирование сплава
флюсами или продувкой инертными газами, а также путем обработки
хлористыми солями. Важным моментом при приготовлении латуней
является выбор состава шихты, в частности расчетное количество
меди в.пределах, регламентированных ГОСТ 17711—80. Если тре-
буется повышенная пластичность литой латуни, то содержание
меди предусматривают на верхнем допустимом пределе по ГОСТу.
Если же, наоборот, требуется высокая прочность при удовлетвори-
тельной пластичности, то содержание меди достаточно выдерживать
на нижнем пределе. При расчете шихты можно регулировать проч-
ность и пластичность при выборе содержания легирующих компо-
нентов (Al, Si, Мп, Fe и др.), которые, за исключением никеля, влияют
на микроструктуру литой латуни аналогично влиянию цинка. При
расчете шихты необходимо учитывать и экономический фактор.
Соотношение компонентов в шихте должно обеспечивать оптималь-
ные свойства латуней при минимальной стоимости. Оптимальные
варианты составов шихт рассчитывают в настоящее время с помощью
ЭВМ.
221
Плавка оловянных бронз
Шихтой для приготовления литейных оловянных бронз служат
либо готовые сплавы в чушках (ГОСТ 614—73), либо чистые металлы.
Последние из экономических соображений используют редко, в основ-
ном для деформируемых оловянных бронз.
Оловянные бронзы плавят в различных печах, однако с точки
зрения качества, минимальных безвозвратных потерь металла,
произв'одительности и условий ' труда плавильщиков предпочти-
тельны электрические индукционные печи (в фасоннолитейных
цехах — высокочастотные, а в заготовительных цехах заводов по
обработке цветных металлов — низкочастотные, канальные).
Плавка оловянных бронз из шихты на основе чушковой бронзы
состоит из четырех основных периодов: загрузки, расплавления,
перегрева и рафинирующе-дегазирующей обработки расплава. По
ГОСТ 614—73 предприятия цветной металлургии выпускают чушки
оловянных бронз четырех марок. Каждую марку маркируют опре-
деленным цветом, который наносят одной полосой на чушки не-
смываемой краской: БрОЗЦ8С4Н1 — черной полосой; Бр03Ц13С4 —
зеленой; БрО4Ц7С5 — синей; БрО5Ц5С5 — красной.
Химический состав чушковых бронз отличается от состава стан-
дартных литейных бронз (ГОСТ 613—73) содержанием цинка, кото-
рого дается на 1 % больше (на угар). В состав шихты, кроме чушек,
входят возвраты в количестве 20—80 % (литники, бракованные
отливки и др.). Применение стружки в шихте не рекомендуется, так
как в фасоннолитейных цехах обычно не имеется условий для на-
дежной очистки ее от примесей, масла, влаги. Использование
стружки удлиняет процесс плавки, поэтому рекомендуется стружку
сдавать на заводы Союзвторцветмета, где разработана технология
ее переплавки, обеспечивающая минимальные потери. Если же
стружку применяют в шихте для приготовления рабочих литейных
сплавов, то ее следует тщательно очистить от железа, алюминия
и других примесей (масло, вода) и по возможности предварительно
сбрйкетировать.
Качество расплава определяется состоянием шихтовых материа-
лов, условиями плавки, в частности взаимодействием металла с атмо-
сферой, футеровкой печи и с покровами (если они применяются).
Независимо от типа печей время плавки должно быть минимальным,
что обеспечивается оптимальными размерами шихты, предваритель-
ным (внепечным) подогревом шихты и футеровки печей, рациональ-
ной очередностью загрузки различных составляющих шихты. Чем
короче время плавки, тем ниже угар дефицитных цветных металлов,
меньше опасность насыщения расплава газами, выше производи-
тельность плавки и качество металла.
Плавку в индукционных печах ведут в графито-шамотных
(ГОСТ 3782—54) либо в графито-карборундовых тиглях. Тигли перед
установкой в печь должны быть просушены и прокалены по особому
режиму, гарантирующему отсутствие влаги, трещин и повреждений
на поверхности. Стойкость тиглей зависит в значительной степени
222
от качества их предварительной подготовки. Однако недостаток
плавки в печах с тиглями — относительно невысокая их стойкость
по сравнению с печами, футерованными другими огнеупорными ма-
териалами (шамотом, набивной футеровкой и др.). При плавке оло-
вянных бронз в пламенных «печах и электродуговых типа ДМБ их
футеруют шамотным кирпичом.
После расплавления всей шихты расплав перегревают до 1150—
1200 °C (на 100—200 °C выше температуры ликвидуса) и вводят фос-
фористую медь в количестве 0,02—0,04 %. Присадки фосфора в оло-
вянные бронзы, содержащие цинк, благоприятно действуют на обра-
зование жидких продуктов раскисления (фосфатов 3ZnOP2O5)„
легко удаляемых из расплава по сравнению с твердыми, вязкими
оксидами цинка.
При выплавке оловянных бронз из чистых металлов плавку на-
чинают с расплавления меди, которую загружают в печь сразу
полностью или по частям. Плавку меди ведут форсированно под
покровом древесного угля. При большегрузных плавках рекомен-
дуется медь предварительно подогревать до 600—800 °C. Если в со-
став шихты входит никель, то его загружают Либо вместе с медью,
либо вводят (растворяют) подогретым в жидкий металл. Никель
повышает равновесную растворимость водорода в меди, а поэтому
введение его в расплав на более поздней стадии предпочтительнее.
Особенностью плавки оловянных бронз является образование
SnO2 при взаимодействии олова с кислородом. Наличие включений
SnO2 заметно снижает механические и эксплуатационные свойства
оловянных бронз. Поэтому перед введением олова или оловосодер-
жащих отходов медь раскисляют фосфором. Количество раскисли-
теля зависит от окисленности расплава меди. Если считать продук-
тами раскисления меди фосфором соединение 2Си2О-Р2О6, то одна
часть по массе фосфора связывает 1,8 частей кислорода. Поэтому
при плавке в тигельных индукционных печах, где содержание кис-
лорода после расплавления и перегрева меди до 1200 °C находится
в пределах 0,01—0,04 % (нижнее значение — при плавке с покровом
древесного угля, верхнее — при плавке без покровов), для раскис-
ления необходимо 0,005—0,02 % фосфора. При плавке в дуговых
печах и содержании кислорода 0,02—0,06 % необходимо 0,01—
0,03 % фосфора, при плавке в пламенных печах и концентрации
кислорода 0,04—0,1 % — соответственно 0,02—0,05 % фосфора. Эти
количества соответствуют равновесным значениям, в практических
же условиях рекомендуется увеличить расчетную концентрацию
фосфора на 20—30 %.
Фосфор вводят в виде фосфористой меди, которая может содер-
жать различные концентрации фосфора: от 7—8,5 % (МФЗ) до 8,5—
10 % (МФ1), что следует учитывать при расчете потребных количеств
по массе фосфористой меди. Предварительно подогретую до 500—
700 °C фосфористую медь вводят в расплав меди кусочками при 1150—
1200 °C, перемешивая жидкий металл графитовыми мешалками.
Плавку ведут к окислительной атмосфере под слоем древесного
угля или флюса. После раскисления меди в нее вводят цинк, затем
223
олово и отходы; в последнюю очередь вводят свинец. Расплав на-
гревают до 1100—1200 °C, рафинируют хлористым цинком или
азотом и разливают в формы при 1150—1200 °C.
При плавке высокосвинцовых оловянных бронз требуется ин-
тенсивное перемешивание расплавленного металла для предотвра-
щения ликвации свинца. Для этих бронз наиболее, подходящим
плавильным агрегатам являются индукционные печи на промыш-
ленной или высокой частоте, обеспечивающие интенсивное переме-
шивание расплава. В конце плавки перед выпуском готового металла
из печи рекомендуется ввести фосфор для расжижения шлака и по-
вышения жидкотекучести оловянных бронз. Количество фосфора
контролируют, так как его избыток может вызвать взаимодействие
расплава с влагой формы с выделением водорода, что приведет к по-
ристости отливок. Практика показывает, что для получения каче-
ственных фасонных отливок содержание фосфора в оловянных
бронзах должно быть ограничено 0,01—0,02 % при литье толсто-
стенных (до 20—40 мм) отливок и 0,02—0,04 % (отливки с толщиной
стенок до 20 мм).
Приготовление оловянных бронз производят с применением
покровов из древесного угля либо из угля с солевыми добавками
(0,1—0,2 % буры и др.), улучшающими защитные свойства покро-
вов. Если шихта загрязнена вредными примесями — алюминием,
кремнием, магнием и др., то плавку полезно проводить с примене-
нием солевых жидких флюсов. В производственных условиях при-
меняют различные составы таких флюсов (в зависимости от марки
сплава, типа печи, состояния шихты, наличия материалов для флю-
сов и др.), но с температурой плавления (850—1000 °C) ниже тем-
пературы расплава. Так, при плавке в печи с шамотной футеровкой
находит применение флюс состава: 41—47 % SiO2; 25—32 % МпО;
10—15 % Na2O (Na2CO3); 11—14 % А12О3. Расход флюса на плавку
составляет 1,5—2,5 %. Распространены флюсы с использованием
буры, которую применяют в смеси с SiO2 и другими добавками.
Флюсы загружают в печь частично вместе с шихтой, частично
на зеркало металла, перемешивая их с металлом. Отработанные
флюсы (шлаки) перед выпуском металла удаляют из печи. Эффек-
тивна обработка расплавов порошкообразными флюсами в струе
азота или аргона. Такую смесь составляют с помощью специального
устройства и подают в расплав огнеупорной трубкой.
Дегазацию оловянных бронз от водорода производят продувкой
расплава осушенными азотом или аргоном, что является наиболее
эффективным средством рафинирования бронз. На рис. 92 приведены
результаты продувки бронзы БрОЗЦ7С5Н11 осушенным азотом
при 1200 °C. Оптимальными считаются режимы продувки при интен-
сивности подачи азота 0,6—0,8 л/(мин-кг). Время продувки обычно
составляет 3—10 мин в зависимости от емкости печи. При плавке
небольших масс металла дегазацию можно проводить путем обра-
ботки расплавов навесками солей, которые вводят в расплав с по-
мощью графитовых перфорированных колокольчиков или в виде
утяжеленных таблеток. Применяют крошки мела, мрамора, МпС12,
224
Рис. 92. Влияние длительно-
сти продувки азотом на эф-
фективность рафинирования
бронзы БрОЗЦ7С5Н1:
1 — содержание водорода;
2 — содержание неметалли-
ческих включений; 3 — плот-
ность р
ZnCl2, С2С16 и др. в количестве 0,1—0,5 % от массы металла. При
соприкосновении с расплавом соли разлагаются с выделением газо-
образных продуктов, которые, всплывая, очищают расплав от водо-
рода и неметаллических включений, действуя подобно нейтральным
газам. Температурные режимы плавки и заливки оловянных бронз
оказывают наряду с химическим составом решающее влияние на
качество литого металла. Температура перегрева оловянных бронз
в печах зависит от их состава (температуры ликвидуса) и требуемых
температур заливки и составляет обычно 1180—1250 °C (т. е. пере-
грев над точкой ликвидуса в пределах 175—250 °C). Излишний
перегрев во всех случаях нежелателен.
Плавка безоловянных бронз
Технология плавки безоловянных бронз определяется химическими
особенностями основного легирующего элемента при высокой тем-
пературе, например алюминия в алюминиевой бронзе, свинца в свин-
цовой бронзе, кремния в кремниевой бронзе и т. д.
Алюминиевые бронзы плавят в индукционных тигельных канальных
печах, а также в тигельных и пламенных (барабанного типа) газо-
вых печах. Повышенная склонность алюминиевых бронз к окисле-
нию при высоких температурах и образованию твердых оксидных
плен А12О3, загрязняющих расплав, а также к поглощению водо-
рода составляет основные трудности при плавке.
Плавку ведут в окислительной атмосфере графито-шамотных
(или карборундовых) тиглей и в печах, футерованных шамотом.
При плавке в канальных печах применяют кварцитовую (SiO2)
или глиноземистую футеровку. Однако кварцитовая футеровка
способна взаимодействовать с расплавом (особенно в канале) с обра-
зованием металлизированных бронзой соединений SiO2Al2O3,
в результате чего происходит зарастание каналов^ и нарушение
работы печи (изменение мощности). Для восстановления нормальной
работы печи периодически производят чистку каналов.
Алюминиевые бронзы выплавляют из чистых металлов (все де-
формируемые и некоторые литейные сплавы), а также из чушковых
бронз (ГОСТ 17328—78). Используют катодную медь различных
8 Заказ 235
225
марок (от М00 до М2) в зависимости от требований, которые предъ-
являются к бронзе по примесям (Sb, As, Pb, Sn и др.); алюминий
марок А7, А6, А5 и др., никель марок Н-2, Н-3, Н-4 в виде катодов
или гранул, марганец марок Мр1, Мр2, Mp3. Железо вводят в виде
обрезков мягкой стали и проволоки. Применяют различные лига-
туры: Си—Fe (20—30 % Fe), Си—Мп (25—35 % Мп), AI—Fe (Fe
5—25 %) и др.
В состав шихты входят возвраты, количество которых варьи-
руется от 25 до 75 %. Однако многократный переплав шихты, со-
держащей отходы, может привести к накоплению примесей, оксидов,
газов и поэтому рекомендуется периодически освежать шихту чи-
стыми металлами. В зависимости от состава шихты и типа плавиль-
ного агрегата применяют различную очередность приготовления
сплава. Если плавят в канальных индукционных печах, то наиболее
тугоплавкие компоненты (Fe, Мп, Ni и др.) рационально вводить
в жидкий металл, примыкающий к каналу, так как в этом месте
печи наиболее высокая температура. Очередность введения в жидкий
металл тугоплавких компонентов определяется также характером
их диаграмм состояния. Так, железо плохо растворяется в чистой
меди, а марганец хорошо. Поэтому вначале в медь вводят мар-
ганец, а затем железо, которое в расплаве Си—Мп растворяется
лучше.
Также быстрее и лучше железо растворяется в расплаве Си—
AI. Поэтому после расплавления меди и ее раскисления фосфором
иногда дают в ванну печи часть алюминия (примерно 1/3—1/6 от рас-
четного количества). При этом ванна разогревается (благодаря
экзотермическому характеру растворения алюминия в меди) и вво-
дят железо и марганец, а затем уже остальное количество алюми-
ния. В этом случае обоснована практика введения в печь меди в не-
сколько приемов, в частности примерно 1/4—1/5 части меди вводят
в расплав после загрузки алюминия, когда ванна печи самопроиз-
вольно, т. е. без подвода тепла извне, разогревается и медь хорошо
растворяется в металле. При введении алюминия в жидкий металл
подогретые куски алюминия стараются быстро погружать в глубину
расплава. Если же загружать алюминий на поверхность, то он
будет хорошо усваиваться расплавом, но произойдет нежелательное
повышенное окисление расплава.
Выбор оптимальной очередности введения различных компонен-
тов алюминиевых бронз диктуется также способностью некоторых
из них образовывать интерметаллиды с повышенной температурой
плавления, плохо растворяющихся в расплаве. Жидкий металл
при этом получается неоднородным по химическому составу, что
может сказаться на его свойствах. Опасность образования интер-
металлидов в. системе Си—А1—Мп—Ni—Fe возрастает, если алю-
миний весь вводят в конце плавки. Поэтому предпочтительнее вво-
дить алюминий в расплав в несколько приемов. При загрузке в медь
любых количеств алюминия в расплаве не должно быть растворен-
ного кислорода (плавка под углем) и кислород должен быть хорошо
раскислен. Иначе во всем объеме ванны печи возможно обра-
226
зование дисперсных включений А12О3, резко повышающих вяз-
кость расплава и затрудняющих дальнейшее ведение плавки.
При использовании в шихте отходов их обычно загружают в меДь
в первую очередь, расплавляют, а затем в жидкую ванну вводят
предварительно подогретые чистые металлы. Из экономических
соображений (меньше угар) и с целью получения качественного
расплава (меньше неметаллических включений) мелкую шихту вво-
дят вместе с флюсами.
В настоящее время имеется большое количество рекомендуемых
и опробованных в производстве составов флюсов для плавки алю-
миниевых бронз (см. выше). Из-за высокой способности к пленооб-
разованию алюминиевых бронз их плавят под слоем защитных
покрытий. При плавке в канальных и тигельных индукционных
печах применяют покровы из древесного угля вместе с легкоплав-
кими солями (криолит, бура и др.) в соотношениях (2—3) : 1. Ком-
бинированный покров удобен в работе, так как древесный уголь не
только защищает зеркало металла от окисления, но и утепляет по-
верхность, что уменьшает интенсивность образования прочной
твердой окисной плены, а жидкая составляющая создает более
плотный защитный покров и за счет хорошего смачивания оксидных
плен, образующихся в процессе расплавления шихты (особенно
мелкой), очищает от них расплав.
Если опасность окисления бронзы и загрязнения ее включениями
, А12О3 велика, то расплав рафинируют жидкими флюсами, состоя-
щими из компонентов, хорошо смачивающих, ассимилирующих
(усваивающих в твердом виде) и растворяющих А12О3. Такие флюсы
составляют из смесей хлористых и фтористых солей щелочных эле-
ментов с добавками соединений, повышающих или понижающих
вязкость флюсов: SiO2, стекло и др. В специальной литературе
рекомендуется большое количество разнообразных составов флюсов,
например 40 % Na3AIF6; 40 % CaF2; 20 % NaCl. Следует отметить,
что большинство рекомендуемых флюсов, содержащих фтористые
и хлористые соли, обладая хорошей рафинирующей способностью
по отношению к А12О3, агрессивно по отношению к футеровке (разъ-
едают ее) и выделяет вредные летучие вещества. Поэтому поиски
универсальных составов флюсов для плавки алюминиевых бронз
ведутся непрерывно.
В практической работе применяют внепечное рафинирование
алюминиевых бронз жидкими флюсами в ковше. В этом случае флюс
плавят в отдельном металлическом тигле, переливают его в подогре-
тый ковш в количестве 2—3 % от массы металла и затем в этот ковш
заливают готовый расплав алюминиевой бронзы из печи. Проис-
ходит хорошее перемешивание расплава и флюса и эффективное ра-
финирование металла от неметаллических включений. Применяют
также внепечное рафинирование расплавов бронз летучими хлори-
стыми солями (МпС12, С2С16 и др.). При этом небольшую навеску
соли (0,1—0,3 % от массы шихты) вводят графитовым колокольчиком
в расплав, погружая его на различную глубину. Образующиеся
при возгонке пузырьки летучих хлоридов А1С13 флотируют оксидные
8* 227
и другие включения и выносят их на поверхность в шлак. Обработка
длится 10—60 с (в зависимости от массы металла) с последующей
выдержкой расплава в течение 3—10 мин для удаления продуктов
обработки из металла.
При плавке бронз с использованием чушковой бронзы БрАЮЖЗЛ
и возвратов очередность загрузки определяется стремлением к бы-
строму расплавлению шихты. В случае сильного загрязнения шихты
плавку ведут под флюсами. Рафинирование алюминиевых бронз
производят также продувкой азотом высокой чистоты или аргоном.
Оптимальный удельный расход газов 0,05 л/(мин • кг), время продувки
5—7 мин. Увеличение расхода азота более 0,05 л/мин приводит
к снижению коэффициента использования газа. Увеличение время
продувки сверх оптимального практически не повышает качество
расплава. При продувке температура расплава алюминиевых бронз
снижается примерно на 40—50 °C, поэтому необходимо перед про-
дувкой перегреть расплав до 1220 °C.
При продувке алюминиевых бронз недопустим интенсивный бар-
ботаж расплава, что может привести к дополнительному окислению
металла. Поэтому наиболее удобно вдувать газ в расплав через
пористые керамические насадки, обеспечивающие многопузырьковое
поступление газа в металл.
При расчете шихты алюминиевых бронз особое внимание уделяют
содержанию алюминия в металле. Алюминий в основном определяет
структуру и механические свойства литого металла. В стандартах
на алюминиевые бронзы (ГОСТ 493;—79) содержание алюминия
допускается в значительных пределах, например в бронзе
БрАЭЖЗЛ— от 8 до 10,5 %, т. е. можно выплавить бронзу с 8
или 10,5 % и не нарушить ГОСТ, однако свойства литого металла
будут при этом существенно различаться. Если алюминий находится
на нижнем пределе, то литой металл будет обладать повышенной
пластичностью при умеренной прочности и, наоборот, при макси-
мальном его содержании прочность будет высокой, но пластичность
снизится. Так, при увеличении содержания алюминия в' бронзе
с 8 до 10,5 % (при среднем содержании других легирующих компо-
нентов) пластичность может уменьшиться в 2 раза, а прочность
возрасти в 1,5—1,7 раза. Содержание алюминия влияет и на литей-
ные свойства: чем его больше, тем расплав более склонен к плено-
образованию. Отливки с минимально допустимым , содержанием
алюминия обладают также более высокими коррозионными свой-
ствами (особенно в морской воде). Однако, с экономической точки
зрения, бронзы с содержанием алюминия на верхнем (по ГОСТу)
пределе более дешевые, так как стоимость алюминия значительно
меньше, чем стоимость меди. Поэтому в каждом конкретном случае
расчет шихты по алюминию должен проводиться по оптимальному
количеству с учетом всех приведенных выше факторов. При
производстве коррозионностойких отливок из алюминиевых
бронз, содержащих, кроме алюминия, никель и железо,
рекомендуется, чтобы отношение Ni : Fe было 1 : 1 или чуть
больше.
228
Алюминиевые бронзы иногда модифицируют ванадием, вольфра-
мом, бором, цирконием или титаном. Указанные присадки в виде
лигатур с алюминием и медью вводят в расплав в количестве 0,05—
0,15 % при 1200—1250 С.
Температура заливки алюминиевых бронз зависит как от состава
так и от способов литья. Практикой установлено, что заливка алю-
миниевых бронз, склонных к пленообразованию, при очень низкой
и высокой температуре нежелательна. При очень низкой температуре
(перегрев над точкой ликвидуса 50—80 °C) на поверхности расплава
образуется твердая, малопластичная окисная плена из А12О3 или
шпинели, которая попадая в расплав при заливке, практически не
всплывает из него. При излишне высокой температуре (перегрев
над точкой ликвидуса более 150 °C) расплав становится более актив-
ным к кислороду с повышенным пленообразованием. Поэтому выби-
рают оптимальные температуры, исходя из практики: при литье
•слитков температура заливки составляет 1150—1180 °C (средний
перегрев над температурой ликвидуса примерно 100—140 °C), при
фасонном литье 1100—1200 °C в зависимости от толщины стенок
отливки, ее массы и конфигурации.
К стандартным безоловянным бронзам относятся высокосвинцо-
вые бронзы марок БрСуНЗЦЗС20Ф и БрСЗО (ГОСТ 493—79). Плавку
высокосвинцовых бронз обязательно следует проводить в индукцион-
ных печах на высокой или промышленной частоте. Свинец практи-
чески нерастворим в твердой меди и ее сплавах, а в жидкой меди
образует металлическую эмульсию. Чем интенсивнее происходит
перемешивание расплава после введения свинца, тем дисперснее
включения свинца. Кроме того, свинец тяжелее меди и ликвирует
по плотности. При плавке в индукционных печах «живучесть»
дисперсных включений свинца достаточна, чтобы получить расплав
(эмульсию), из которого можно получать качественные отливки.
Для предупреждения ликвации в свинцовые бронзы вводят 2—
2,5 % никеля, а охлаждение отливок ведут с большими скоростями.
Плавку ведут в шамотных тиглях либо в набивных тиглях из
кварцита под слоем древесного угля. В шихту допускается исполь-
зовать отходы до 50 % (при больших значениях снижаются литейные
и механические свойства бронз).
При плавке сурьмяной бронзы в печь загружают медь и никель
и после расплавления проводят раскисление фосфором в количестве
0,01—0,05 %. Затем вводят цинк и сурьму СуО, Cyl (ГОСТ 1089—62).
После растворения сурьмы вводят свинец и остальное количество
фосфора при интенсивном перемешивании ванны металла. При плавке
сурьмяной бронзы с использованием возвратов вначале расплав-
ляют медь, вводят фосфор, возвраты в виде крупных кусков, никель
и затем остальные легирующие компоненты — цинк, сурьму,, сви-
нец и фосфор.
Сурьмяные бронзы, наряду с оловянными, относятся к спларам
с широким интервалом кристаллизации. Они склонны к образова-
нию рассеянной газоусадочной пористости при затвердевании.
Поэтому в них не допускается повышенное содержание газов (во-
229 .
дорода). Загружаемая шихта не должна содержать влагу. Неже-
лателен сильный перегрев бронз, так как- при перегреве на 200—
250 °C выше температуры ликвидуса содержание водорода в жидком
металле превысит предельно допустимое (0,6—0,9 см3/100 г при литье
в песчаные формы и 1—1,5 см3/100 г при литье в кокиль). В связи
с этим температура перегрева рекомендуется 1150—1180 °C, а тем-
пература заливки — при 1050—1080 °C. При необходимости сурь-
мяные бронзы дегазируют обработкой MnCl2, ZnCl2 (0,1—0,2 % от
массы жидкого металла) либо продувкой аргоном. При дегазации
расплавы подогревают до 1200—1220 °C.
Плавка бериллиевых бронз марок Бр, Б2, Бр БИТ. Для плавки
используют индукционные печи с графитовыми тиглями. Из-за
токсичности пара и пыли бериллия плавку ведут в изолированных
помещениях, оборудованных хорошей приточно-вытяжной венти-
ляцией и фильтрами.
Для приготовления сплавов используют чистые металлы и от-
ходы. Бериллий и титан вводят в расплав в виде лигатур. В целях
снижения растворимости кислорода плавку меди ведут в вакууме
(133—665 Па) под слоем древесного угля. После нагрева расплава
до 1200 °C и выдержки в течение 10—15 мин печь открывают, сни-
мают древесный уголь и в расплав вводят фосфор. В раскисленный:
расплав вводят бериллий и титан. Угар бериллия составляет 5—
10 %. Перед разливкой расплав перегревают до 1150—1200 °C..
Для отделения оксидных плен в процессе разливки рекомендуется:
применять зернистые или спеченные фильтры.
Кремнистые бронзы плавят в электрических индукционных пе-
чах под покровом древесного угля. Медь перед введением кремния!
или отходов раскисляют фосфором. Недопустим перегрев бронз,
выше 1250—1300 °C.
Из специальных бронз наибольшее применение в последние годы
находили хромовые бронзы. Легирование меди хромом затруднено
из-за высокого yfapa хрома при его введении в расплав в резуль-
тате его высокой химической активности по отношению к кислороду..
При плавке на воздухе хром образует на поверхности расплава вяз-
кую оксидную пленку, содержащую Сг2О3, которая-затрудняет полу-
чение качественных отливок из хромовых бронз. Основной способ
производства хромовых бронз БрХ0,8—1,0 — плавка в вакууме,
совмещенная с полунепрерывным литьем слитков. Хром вводят
в-расплав меди в виде лигатуры Си—Сг (3—6 %). Плавку ведут при
остаточном давлении порядка 4—133 Па с перегревом расплава до
1350—1400 °C. Повышенный перегрев необходим для улучшения
условий растворения лигатуры в меди. Разливку также производят
при-относительно высокой для медных сплавов температуре (1280—-
1350 °C) в целях предотвращения попадания в слиток оксидных
плен Сг2О3.
Для получения хромовых бронз повышенной чистоты применяют
электрошлаковый переплав литых заготовок. В отдельных случаях
(получение фасонных отливок) плавку хромовых бронз, а также
высокоэлектропроводной меди, 'легированной цирконием, титаном
230
и другими элементами, можно производить в открытых индукционных
печах, однако это сопряжено со значительными техническими труд-
ностями и требует применения специальной технологии плавки.
Прежде всего, перед введением указанных элементов требуется
тщательная очистка меди от кислорода. Плавку меди в этом случае
необходимо проводить под надежным покровом из углеродсодержащих
материалов или солевых флюсов. Учитывая, что для хорошего рас-
творения тугоплавких лигатур приходится перегревать медь до
высоких температур (1350—1500 °C), предохранить медь от окисле-
ния очень трудно. Помимо соблюдения технологических мер, при
плавке таких сплавов требуется высокая квалификация и мастерство
обслуживающего персонала, способных провести плавку быстро
и~умело.
. 'Раскисление производят сильнодействующими в меди раскисли-
телями. В качестве шихты применяют медь, чистую от кислорода
(в отдельных случаях бескислородную медь). Раскислители вводят
с помощью графитовых колокольчиков в глубь металла при нали-
чии надежного защитного покрова.
При плавке в индукционных Печах хром вводят в перегретую до
1350 °C медь в виде мелких (~1 мм) кусочков, погружая их в рас-
плав под слой защитного покрова из сажи и криолита. Перед вве-
дением хрома марки Х-0 медь раскисляют фосфором (0,05 %). Удов-
летворительные результаты получены при плавке сплавов меди
с хромом под покровом борно-литиевых флюсов.
С целью снижения угара хрома при введении его в медь были
опробованы с положительными результатами плотные брикеты’,
спрессованные из порошков меди (70 %), хрома (29 %) и бора (1 %).
Присутствие бора позволяет изменить состав и структуру оксидных
плен, образующихся на поверхности меднохромового расплава, и
облегчает их отделение от металла.
Для футеровки печей при плавке хромовых бронз рекомендуется
следующий состав: 87 % боя магнезитового кирпича, 13 % электро-
корунда, 3 % буры. Для приготовления футеровки подходит такжё
магнезиальный цемент. По сравнению с кислой футеровкой более
высокую стойкость имеет высокоглиноземистая футеровка (70 %
кварцита +30 % карборунда). •
Плавка медноникелевых сплавов
Медноникелевые сплавы имеют температуру плавления гораздо
более высокую, чем остальные медные сплавы (у сплава МН19 тем-
пература ликвидуса 1190 °C, солидуса 1130 °C; у сплава
МНЖМцЗО — 1—1 соответственно 1230 и 1170 °C). Они нагреваются
в печи до 1350—1450 °C и поэтому Способны растворять повышенные
концентрации кислорода и водорода. Наличие в сплавах никеля
придает им способность одновременно растворять углерод, тогда
как большинство медных сплавов с углеродом не взаимодействует.
Плавку медноникелевых сплавов можно проводить в индукцион-
ных тигельных и канальных печах типа ИЛК, а также в электроду-
говых печах. Футеровку предпочтительно выполнять основной —
231
магнезитовой (98 % магнезита и 2 % буры для индукционных ка-
нальных печей), однако она хорошо работает только при непрерыв-
ном процессе .плавки. При периодической работе применяют кварци-
товую футеровку либо высокоглиноземистую на основе дистенсилли-
манитового концентрата с добавками электрокорунда (40—45 %)
и 1,5—2 % борной кислоты. Ряд медноникелевых сплавов (МН0,6;
МН5; МН6; нейзильберы, куниали и др.) можно плавить в графито-
шамотных или карборундовых тиглях, если температура перегрева
сплава не превышает 1350 °C. При этом содержание углерода, кото-
рый может переходить из тигля в расплав, не превышает 0,02 %,
что допустимо для медноникелевых сплавов. Рекомендуются также
глазурованные изнутри графито-шамотные тигли, предварительно
подвергнутые длительной сушке и прокалке при 900—1000 °C. При
этом графит с рабочей поверхности' тигля удаляется и опасность
загрязнения металла углеродом снижается.
Плавку медноникелевых сплавов проводят с применением за-
щитных покрытий. От окисления расплав хорошо предохраняет дре-
весноугольный покров, однако при этом возникает опасность чрез-
мерного насыщения металла углеродом, особенно заметная при по-
вышении температуры расплава. Так, при плавке и заливке сплава
МНЗО при повышении температуры расплава под слоем древесного
угля с 1320 до 1500 °C содержание углерода возрастало с 0,12 до
0,16 %. Поэтому плавка под углеродсодержащим покровом возможна
только в том случе, если контакт его с металлом длится не более
10 мин. В связи с этим для плавки медноникелевых сплавов реко-
мендуются жидкие флюсы из смеси солей либо комбинированные
флюсы из углеродсодержащих компонентов и солевых флюсов.
Жидкие флюсы готовятся на основе стекла с присадками буры,
CaF2 и других добавок; комбинированные флюсы состоят из 30—
40 % древесного угля; 45—60 % стекла; 10—15 % криолита. Сле-
дует отметить, что жидкие флюсы (особенно с криолитом и другими
фтористыми солями) агрессивны по отношению к футеровке и ток-
сичны. Более удобен в работе комбинированный флюс следующего
состава: 16—20 % боя графита; 9—12 % буры; остальное — бой
шамота или бой графито-шамотных тиглей.
Сплавы готовят с применением шихты из чистых металлов с до-
бавкой возвратов (до 50 %). Стружку и мелкие отходы рекомендуется
плавить отдельно и разливать в чушки, которые затем можно при-
менять в качестве возврата для приготовления рабочих сплавов.
При плавке мельхиора (МН 19, МНЗО и др.) в канальных печах
и наличии переходной ванны жидкого сплава вначале загружают
(растворяют) по частям никель и тугоплавкие металлы (железо и др.),,
покрывая зеркало металла по мере наплавления сплава флюсом.
Потом вводят крупные отходы, чтобы они быстрее растворялись
в приканальной, наиболее нагретой части печи. Затем вводят марга-
нец или лигатуру Си—Мп и по частям подогретые куски меди, иногда
отходы вводят вместе с медью.
При плавке нейзильбера (МНЦ15-20), который имеет более
низкую температуру перегрева, чем мельхиор, допускается при-
232
менение покровов из древесного угля. Очередность введения шихты
при плавке нейзильбера в канальных печах следующая: вводят
(растворяют) никель,.далее медь, а в конце плавки отходы и цинк.
Всю шихту перед введением в жидкий металл подогревают. Медно-
никелевые деформируемые сплавы не должны содержать свинец,
висмут, сурьму и другие вредные примеси, поэтому при плавке
следят за чистотой шихты. ,
Перед разливкой медноникелевые сплавы обязательно раскис-
ляют различными раскислителями: углеродом, фосфором, марган-
цем, кремнием, алюминием, магнием, литием, цирконием, РЗМ
и др. На практике наиболее распространено последовательное раскис-
ление несколькими раскислителями либо комплексными раскисли-
телями в виде лигатур, содержащих несколько элементов-раскисли-
телей в определенных пропорциях. Так, мельхиор раскисляют
в следующей последовательности: фосфор (0,0005 %), марганец
(0,0015 %), магний и окончательно кремний (по 0,0015 %). Ней-
зильбер раскисляют марганцем (0,08—0,1 %) и магнием (0,02—
0,3 %). Такое последовательное раскисление производят для того,
чтобы исключить опасность накопления в сплаве примесей марганца,
кремния, магния, фосфора, которые ограниченно допускаются
в большинстве медноникелевых сплавов. Кроме того, при комплекс-
ном раскислении образуются продукты раскисления в форме жидких
продуктов (шлаков), которые легче удаляются из расплава, чем
оксиды в отдельности (MgO, SiO2, МпО). Хорошие результаты полу-
чены при раскислении медноникелевых сплавов лигатурами АМС
(24,5 % А1; 5 % Si; 19 % Fe; ост. —Мп) без добавок или с добав-
ками лития (до 0,5 %). Лигатуру АМС вводят в количестве 0,4 %
от массы шихты. В практике предварительно раскисляют расплав
углеродом, который удаляет основную массу кислорода, а оконча-
тельное раскисление производят комплексными раскислителями.
Плавку куниалей (сплавы системы Си—Ni—Al) производят под
покровом древесного угля, а для уменьшения окисления алюминия
в покровы вводят криолит. Алюминий вводят в последнюю очередь.
Расплав перед введением алюминия должен быть хорошо раскислен
марганцем либо комплексными раскислителями, иначе в нем может
образоваться большое количество дисперсного оксида А12О3, сни-
жающего свойства металла. Особое внимание обращают на чистоту
шихты в отношении легкоплавких примесей (Pb, Bi, Sb и др.).
Рекомендуются следующие температуры литья медноникелевых
сплавов при получении слитков: МНЖМц 30-1-1 1330—1350 °C
(перегрев над температурой ликвидуса 100—120 °C); МН 19 1280—
1300 °C (перегрев 90—110 °C); МНЦ 15-20 1170 °C (перегрев 90 °C).
§ 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Доля фасонных отливок из медных сплавов составляет примерно
15 % от производства всех отливок из цветных сплавов. Фасонные
отливки из медных сплавов широко используются в различных об-
233
ластях техники. Изготовляют их всеми известными в настоящее
время прогрессивными технологическими способами. Основным спо-
собом является литье в разовые формы (примерно 80 %). Литьем
в кокиль, под давлением и другими специальными методами произ-
водится примерно 20 % отливок,
• • Химический состав и механические свойства сплавов в отливках
регламентируют ГОСТ 613—79, ГОСТ 493 —79, ГОСТ 17711—80
и ГОСТ 4116—75.
Выбор способа литья определяется количеством, конструкцией
и конфигурацией изделий, требованиями к свойствам отливок, осо-
бенностями сплава и др. При единичном характере производства
(до сотни отливок) выбирают более дешёвые способы изготовления —
в разовые песчаные формы, при крупносерийном и массовом произ-
водстве (десятки тысяч отливок и более) используют литье в метал-
лические формы. Однако в зависимости от требований, предъявляемых
к качеству отливок, и технологических свойств медного сплава
иногда целесообразно и при небольших сериях запроектировать
литье в металлические формы с некоторым увеличением затрат на
изготовление литейной оснастки, но с получением высокого качества
изделий. Это в первую очередь относится к фасонным отливкам из
сплавов с широким интервалом кристаллизации, из которых получить
плотную отливку очень трудно при относительно малых скоростях
затвердевания, характерных при литье в песчаные формы.
Качество отливок и особенности технологии литья во многом
определяются характером кристаллизации медных сплавов. По
величине интервала кристаллизации медные сплавы условно делят
на три группы. Первую группу составляют сплавы с узким (5—
30 °C) интервалом кристаллизации — латуни ЛЦ40С, высокопроч-
ные латуни, алюминиевые бронзы. Во вторую группу входят оло-
вянные и кремнистые бронзы с интервалом кристаллизации 70—
200 °C. В третью группу входят сплавы со средним интервалом
кристаллизации (30—70 °C) — латуни ЛЦЗО, мельхиоры, нейзиль-
беры, никелевые бронзы.
Сплавы с узким интервалом кристаллизации характеризуются
образованием сосредоточенных усадочных раковин в тепловых узлах
отливок и почти полным отсутствием усадочных пор. Поэтому при
разработке технологии получения отливок из этих сплавов преду-
сматривают установку прибылей для выведения раковин из отли-
вок.
Для сплавов с широким интервалом кристаллизации характерно
образование рассеянной усадочной пористости. Плотные отливки
из этой группы сплавов получить очень трудно, так как пропитка
усадочной пористости с помощью прибылей малоэффективна. Поэтому
для сплавов этой группы предусматривают совмещение небольших
прибылей с наружными холодильниками (оловянные бронзы) или
утепленные прибыли (кремнистые бронзы).
Сплавы с узким интервалом кристаллизации, как правило, менее
склонны к образованию трещин при затрудненной усадке, чем сплавы
с широким интервалом кристаллизации.
234
Многие сплавы, S3 Исключением латуней и нейзильберов, склонны
к образованию газовой или газо-усадочной пористости, при этом
в большей мере она проявляется в сплавах с широким интервалом
кристаллизации.
Медные сплавы склонны к дендритной ликвации. В сплавах
с широким интервалом кристаллизации дендритная ликвация про-
является сильнее, чем в сплавах с узким интервалом кристалли-
зации.
Высокооловянные бронзы имеют сильно выраженную обратную
ликвацию, проявляющуюся в выдавливании ликвата на поверхность
отливок. '• ,
Алюминиевые бронзы, латуни, кремнистые и бериллиевые бронзы,
в отличие от других медных сплавов, окисляются с образованием
плотных оксидных плен, которые могут увлекаться расплавом в по-
лости литейных форм.
Литье в песчаные формы
Технология литья медных сплавов в песчаные формы принципиально
не отличается от той, которую применяют при изготовлении отливок
из других сплавов. Основное отличие заключается, в основном,
в выборе состава формовочных и стержневых смесей. Так, для изго-
товления форм при литье медных сплавов применяют смеси с более
высокой прочностью в сыром и сухом состоянии, чем при изготов-
лении отливок из алюминиевых сплавов. Необходимость этого
вызывается опасностью размывания формы струей падающего ме-
талла и более высоким металлостатическим давлением на стенки
формы, обусловленными большей плотностью медных расплавов.
Необходимая прочность формовочных смесей обеспечивается повы-
шенным содержанием глинистой составляющей и воды. Но из-
лишне большая прочность формовочных смесей является причиной
возникновения поверхностных дефектов: ужимин, вскипов и др.
Формовочные смеси для медных сплавов могут быть менее огне-
упорны, чем смеси для чугуна и стали, и менее газопроницаемы,
чем- смеси для алюминиевых сплавов.
Для медных сплавов характерно, в частности, повышенное коли-
чество сухих, химически твердеющих (ЖСС) или подсушенных форм.
Применение таких форм обеспечивает получение чистых отливок
с небольшими припусками на механическую обработку, гарантирует
отсутствие взаимодействия расплава с влагой формы, обеспечивает
более высокую размерную точность отливок.
Отливки массой до 40 кг и толщиной стенок до 15 мм получают
литьем в сырые формы. Крупные и толстостенные отливки требуют
применения сухих или подсушенных форм.
Сушку форм осуществляют в сушильных печах при 300—350 °C
(чтобы глина не потеряла связующую способность температура
сушки не должна превышать 400 °C). Длительность сушки зависит
от толщины стенок формы, влажности смеси, степени ее уплотнения
и может составлять 6—40 ч.
235
Таблица 58. Типовые составы и свойства формовочных И стержневых Смесей
Наименование смеси Состоя- ние формы (стержня) Зерновой состав песка, мм Состав смеси, %
песок глина I'" 1 отработан- ная смесь связующие материалы н другие добавки (сверх 100 %)
Формовочная (едн- Сырая 0,25—0,1 Ост. 8—12 60—90 —
ная) смесь Сухая 0,25—0,1 10—12 60—70 —
Быстр ©твердеющая смесь — 0,2 88—91 3,5— 7 -—• Жидкое стекло с мо- дулем 2,5—2,7 6—7 %
Стержневая смесь (для изготовления стержней массой до 6 кг в горячих ящи- ках) 0,25—0,1 100 Феноловый спирт 2,8—3,5; карбамид 0,5—0,6
Стержневая смесь (стержни средней сложности) 0,2 94—97 6—3 Связующие невод- ные— группа III, класс А-3 2,0—4,0; сульфитный щелок 2,5—3,5
Стержневая холодно- твердеющая (не тре- бует тепловой обра- ботки) 0,315 100 Орторегулярная фе- нолформальдегидная смола ОФ-1 1,9—2,1%
Поверхностную подсушку проводят на глубину 10—40 мм с по-
мощью переносных сушил (газовых, ламп инфракрасного света)
за 25—30 мин до начала заливки.
У оловянных бронз с температурой заливки 1100—1200 °C иногда
на отливках образуется трудноудаляемый металлизированный при-
гар. Это связано с частичным химическим взаимодействием оксидов,
содержащихся в расплаве, с оксидами материала формы с образо-
ванием легкоплавких солей, а также, главным образом, вследствие
проникновения жидкого металла в поры формы ввиду высокой
жидкотекучести медных сплавов. Чем больше фосфора в бронзе
и выше температура заливки, тем больше опасность образования
пригара на отливках, так как фосфор повышает жидкотекучесть
оловянных бронз, снижает поверхностное натяжение и тем самым
способствует проникновению расплава в тонкие межзеренные поры
литейной формы. Пригар обычно устраняют добавкой в сырье формы
углеродсодержащих добавок (мазута, сланцевых смол и др.), а рабо-
чие поверхности сухих форм для этих целей покрывают защитными
красками.
Алюминиевые бронзы и литейные латуни (кремнистые и др.),
как правило, не склонны к образованию пригара на отливках бла-
годаря наличию на их поверхности плотных инертных по отношению
к форме оксидных пленок (А12О3, SiO2 и др.).
236
для медных сплавов
Газопро- ницае- мость, ед. Прочность на сжатие в сыром состоянии, МПа Проч- ность на разрыв в сухом состоя- нии, МПа Влаж- ность, %
30—50 3—5 — 3,5—5,5
30—50 4—6 8—12 5,5—7,0
100 0,12—0,18 15 3,4—4,6
— 0,3—0,4 15—20 1,2—2,1
90 0,1—0,2 40 5,0—7,0
180—200 — 5—6 0,2—0,3
Составы типовых формовоч*
Пых и стержневых смесей для
медных сплавов приведены в
табл. 58.
Технология изготовления, суш-
ки и отделки стержней, выпол-
няющих полости в отливках из
медных сплавов, аналогична тех-
нологии описанной в гл. 7. Для из-
готовления стержней используют
все виды связующих материалов
(горячего и холодного твердеющих
при сушке).
Для получение требуемой чис-
тоты литой поверхности деталей
из медных сплавов (особенно из
оловянных бронз), за исключением
отливок простой конфигурации и
небольшой массы (2—5 кг), формы
окрашивают. Получили распро-
странение три вида краски: водная
талько-бентонитовая, быстросох-
нущая спиртовая поливинилбуте-
ральная с цирконовым наполни-
телем и графито-бентонитовая.
Составы некоторых красок приве-
дены в табл. 59.
В производстве отливок из медных сплавов применяют различные
конструкции литниковых систем в зависимости от сплава, габари-
тов, конфигурации и массы отливки. Как правило, используют рас-
ширяющиеся литниковые системы с верхним, боковым, сифонным
(нижним) и щелевым подводом металла в форму. Выбор типа литни-
ковой системы определяется также свойствами сплавов.
Для сплавов с широким интервалом кристаллизации — оловян-
ных и свинцовых бронз, латуней, марганцевых латуней и меднони-
Таблица 59. Составы формовочных и стержневых красок для медных
сплавов, % (объемн.)
Наименование краски Графит Бентонит Тальк Другие добавки Вода
Г рафито-бентонитовая 54,4 3,4 — Пектиновый клеи 3,0; мылонафт 0,2 39
Талько-бентонитовая -—. 4,3 61,3 — 34,4
Поливинилбутеральная 40 Поливинил- ацетатная эмульсия 10—30 30—50
237
келевых сплавов, tie образующих прочных оксидных плен на поверх-
ности расплавов, применяют литниковые системы без шлакоулови-
телей сложной конструкции. Основным требованием к таким литни-
ковым системам является обеспечение спокойного заполнения по-
лости формы металлом.
Для простых по конфигурации отливок из перечисленных выше
сплавов (втулки, слитки) применяют верхние или дождевые литни-
ковые системы с подводом металла в, прибыль (рис. 93, а). В тех
случаях, когда прибыль отсутствует, компенсация объемной усадки
Рис. 93. Литниковые системы для медных сплавов:
а — верхняя (дождевая); б — нижняя; в — сифонная; г — ярусная; д <— верти-
кально-щелевая; е — сифонная с рожковым литинком
(от температуры заливки до температуры солидуса сплава) осуще-
ствляется литниковой системой. Питатели в таких системах должны
иметь большую площадь сечения; металл в них должен кристалли-
зоваться после того, как закристаллизуется отливка. Верхний
подвод металла при литье оловянных бронз предпочтителен
потому, что сплавы с широким интервалом кристаллизации прак-
тически трудно питать из массивных прибылей, поэтому для полу-
чения плотного металла в отливках необходимо обеспечить строгое
направленное его затвердевание в форме снизу вверх. На рис. 94
показана форма в сборе для отливки корпуса насоса из бронзы
БрОЗЦ7С5Н1 с подводом металла, обеспечивающим направленное
затвердевание отливки. Если же невозможно рационально спроек-
тировать литниковую систему с верхним подводом металла для
оловянных бронз, то стремятся, чтобы она обеспечивала максимально
возможную направленность затвердевания и в то же время исклю-
чала местный перегрев металла. В этом случае предпочтителен рас-
средоточенный подвод металла к телу отливки.
238
При литье мелких отливок в опоках с вертикальным и горизон-
тальным разъемом применяют литниковые системы, приведенные
на рис. 93, б.
Литниковую систему с сифонным и боковым рассредоточенным
подводом металла применяют при изготовлении отливок сложной
конфигурации (рис. 93, в).
Для сплавов, образующих при окислении плотные и прочные
оксидные плены на поверхности расплавов (алюминиевые и крем-
нистые бронзы и латуни, бериллиевые бронзы),'предусматривают
применение расширяющихся}литниковых систем с сифонным под-
водом металла и наличием различных тормозящих элементов. Плав-
ное, без ударов и завихрений,
поступление металла в по-
лость формы обеспечивает
следующее соотношение пло-
щадей литниковых каналов:
/^ст • Fшл • Fлит = 1 : 2 : 3 или
1,2 : 1 : 1,4 или 1,5 : 1 :
: 1,54-3.
Для отделения оксидных
плен и шлаковых включений
литниковые системы нередко
снабжают центробежными
шлакоуловителями (рис. 95).
Расплав в них вводят и вы-
водят по касательной к бо-
ковой поверхности, что со-
общает ему вращение вокруг
оси шлаковика. Центробежная сила способствует скоплению неме-
таллических включений в центре шлаковика в зоне низкого давле-
ния, предотвращая попадание их в тело отливки. Для этой же це-
ли в литниковые каналы устанавливают сетки (из стеклоткани или
стержневой смеси), а также заливают формы через зернистые (маг-
незитовые, фторидные), фильтры.
Проверку правильности выбранной конструкции и размеров
литниковой системы проверяют по скорости подъема металла
в полости формы, которая должна быть минимально необходимой.
Для оловянных бронз, в зависимости от средней толщины отливки
(см) рекомендуется vn = 3,04-4,0 см/с, для латуней vn = 3,54-
4-4,5 см/с.
На рис. 96 показан пример литниковой системы для получения
арматурных отливок из алюминиевой бронзы. Литниковые системы
- для отливок из литейных латуней (особенно алюминиевых) по кон-
струкции сходны с литниковыми системами для алюминиевых бронз.
Для большинства медных сплавов характерны узкие пределы опти-
мальных температур заливки, способные обеспечить получение ка-
чественных отливок. Это объясняется тем, что к арматурным отлив-
кам из бронз и латуней предъявляются повышенные требования
к герметичности при работе в различных средах под высоким давле-
239
нием (до 0,2—0,3 МПа). Оптимальная температура заливки должна
обеспечивать при заливке конкретной литейной формы наиболее
плотную структуру литого металла, без внешних и внутренних
пороков. Для каждой весовой группы отливок из бронз и латуней
имеются оптимальные, причем обычно довольно узкие, пределы
температур заливки. Так, для арматурного литья из бронзы
БрОЗЦ7С5Н1 рекомендуются следующие соотношения оптимальных
температур заливки в зависимости от массы и толщины стенок
отливки:
Масса отливки, кг....... 5—10 15—50 50—100 150—500
Преобладающая толщина, мм 5 10 15 20
Температура заливки, °C . . 1170—1200 1150—1180 1140—1170 1110—ИЗО
Рис, 95. Центробежный шлако-
уловитель
Рис. 96. Снфониая литниковая си-
стема для алюминиевых бронз:
1 — прибыли; 2 — отливка; 3 — стояк;
4 — питатели; 5 — литниковый ход;
6 — фильтр; 7 — шлакосбориик
Выбор температуры заливки зависит от конфигурации и массы
отливки, а так же от метода подвода металла в форму и конструкции
литниковой системы. При верхнем подводе металла в форму темпера-
тура заливки может быть снижена на 10—20 °C по сравнению с си-
фонным подводом.
При литье пленообразующих сплавов (алюминиевые бронзы
и латуни) также важно задаться оптимальной температурой заливки.
При излишне низкой температуре заливки плена на поверхности
расплава соприкасаясь с холодными стенками формы, ломается и
попадает в тело отливки, образуя дефекты. При излишне высокой
температуре заливки повышается общая окисленность сплава, рас-
плав активно взаимодействует с влагой формы, ухудшается каче-
ство поверхности, увеличивается опасность возникновения дефектов
усадочного происхождения (утяжины, трещины и др.).
Для получения плотных отливок из медных сплавов рекомен-
дуется направленное затвердевание отливок с применением комбини-
рованных способов питания массивных узлов от прибылей в сочета-
нии с наружными холодильниками. Усадочные пороки небольших
240
массивных узлов отливки иногда удается устранить рациональной
установкой только одних холодильников, которые выравнивают
скорости затвердевания этих узлов и примыкающих к ним более
тонких сечений. Особенно эффективно использовать холодильники
для создания направленного затвердевания при получении отливок из
сплавов с широким интервалом кристаллизации (оловянные бронзы).
Повышенная скорость затвердевания со стороны холодильника
уменьшает рассредоточенную пористую зону, увеличивает толщину
плотной литейной корки и повышает свойства металла. Наружные
холодильники изготовляют из меди, графита, чугуна, стали. Поверх-
ность холодильников покрывают различными красками, чтобы они
не приваривались к металлу и обеспечивали гладкую поверхность
отливки. При литье медных сплавов хорошее качество поверхности
при сохранении высоких теплоаккумулирующих свойств холодиль-
ников обеспечивают покрытия из хлорвинила и поливинилацетата.
Толщина холодильников составляет 0,5—1,0 от толщины захолажи-
ваемой части отливки.
В практике при литье медных сплавов применяют открытые при-
были, прибыли с обогревом экзотермическими смесями, закрытые
сферические прибыли, прибыли с атмосферным и газовым давлением.
Более высокая эффективность прибылей с газовым и атмосферным
давлением позволяет уменьшать их объем по сравнению с объемом
открытых прибылей даже в случае обогрева последних экзотерми-
ческими смесями.
Для определения размеров прибылей
следующие соотношения:
°п °пв
Оловянные бронзы (1,6—1,3) Dy (1,2—1,4) Dy
Алюминиевые
бронзы и латуни (1,3—1,6) Оу (1,4—1,7) £)у
(рис. 97) рекомендуются
(1,0-1,2) Da
(1,4-2) Dn
(0,5—0,7) Dn
(0,8—1,0) Dn
Примечание.
Dy — диаметр
узел; Dn
окружности, вписанной в тепловой
диаметр окружности, вписанной в основание прибыли; £>пв — верхний диаметр прибыли;
Нп — высота открытой прибыли; Н — высота закрытой прибыли.
Литье в гипсовые, цементные и оболочковые формы применяют
для изготовления отливок из медных сплавов с повышенной чистотой
поверхности. Для изготовления форм используют смеси, незначи-
тельно отличающиеся по составу от смесей для алюминиевых сплавов
(табл. 33). Так же как и для песчаных форм используют расширя-
ющиеся литниковые системы с различными видами подвода металла
(верхний, нижний, боковой) в тонкие части отливок. Техно-
логия изготовления форм аналогична технологии, описанной в
гл. 7.
Длительность охлаждения отливок в форме, определяемая их
массой и наличием массивных узлов, составляет 20—30 мин для
мелких отливок и несколько десятков часов для крупных отливок.
Выбивку форм производят после охлаждения отливок до 350—
500 °C.
241
Рнс. 97. Форма прибылей:
£>п — диаметр прибыли; £>в — верхний диаметр прибыли; Нп -* высота при-
были; На — высота закрытой прибыли; — диаметр термического узла от-
ливки
Литье по выплавляемым моделям
Данный способ литья применяют для изготовления сложных по
геометрии небольших отливок из медных сплавов, производство
которых другими способами трудоемко, неэкономично, или вовсе
невозможно. Себестоимость отливок, полученных литьем по выпла-
вляемым моделям, выше, чем при изготовлении другими способами
литья. Так, оптовая цена 1 т отливок массой 1,6—2,5 кг, изготовлен-
ных по выплавляемым моделям из бронзы БрО5Ц5С5, составляет
5876 руб., из бронзы БрАЭЖЗЛ 5166 руб., при литье в кокиль 1900
и 1490 руб. соответственно, т. е. примерно в 3 раза дешевле. Однако
если отливки не подвергаются механической обработке, то эти
затраты бывают оправданными.
По составу модельных масс и огнеупорных покрытий, литнико-
вым системам и технологии изготовления моделей и форм медные
сплавы имеют много общего с алюминиевыми сплавами (см. гл. 7).
Учитывая более высокую плотность медных сплавов (особенно спла-
вов, содержащих свинец) рекомендуется для повышения прочности
керамической оболочки увеличивать ее'толщину. С этой же целью
вместо пылевидного кварца в качестве наполнителя используют
порошки дистенсилиманита марки КДСП (ТУ 48-4-307—74), элек-
трокорунд марки ЭВ (ГОСТ 3647—71) и циркон, которые применяют
как для изготовления огнеупорной суспензии, так и для обсыпки
слоев. При литье высокооловянных и сурьмяных бронз для изгото-
вления керамики рекомендуются огнеупорные смеси, у которых
коэффициент ,теплоаккумулирующей способности превышает
2000 Вт/(с1/2-м2-К) (в смеси вводят молотые хромомагнезит, магне-
242
ЗйТ и др.). В основном ДЛЯ обсыпки МоДельйыХ блоков (с ЦёЛЬЮ
упрочнения огнеупорного покрытия) применяют отмытый и про-
каленный кварцевый песок марок 1К016, 1К02, 1К04. Кварцевый
песок применяют также в качестве засыпки опок.
Для данного способа литья рекомендуется диаметр стояка при-
нимать равным 25—40 мм, а расстояние между моделями — не менее
4—6 мм. Питание отливок осуществляют обычно через литниковые
каналы больших сечений или от прибылей. Применяют литниковые
системы с верхним, нижним, боковым и комбинированным подводом
металла (рис. 98). Для предотвращения недоливов заливку ведут
в нагретые (600—800 °C) формы.
В зависимости от толщины стенок отливки и температуры формы
применяют следующую температуру заливки стандартных оловянных
и безоловянных бронз: БрОЮФ,
БрОЮЦ2, БрО8Ц4 1050—1150 °C,
БрСуЗНЗЦЗС20Ф 1010—1040 °C.
Рекомендуется применять мини-
мально возможную температуру
заливки. Температура заливки
латуней следующая: Л40КЗ 950—
980 °C, Л40С 900—950 °C.
Несмотря на соблюдение опти-
мальной температуры заливки и
нагрева керамических форм в
бронзах с широким интервалом
кристаллизации иногда возникает
рассеянная газо-усадочная пори-
стость из-за медленного затверде-
вания и недостаточной направленности затвердевания. Поэтому для
повышения эффективности питания рабочих полостей формы от
литниковых систем применяют центробежную заливку форм, уста-
Рис. 98. Литниковые системы для литья
медных сплавов по выплавляемым моде-
лям с верхним (а) и с боковым (б) подво-
дом металла:
1 — отливка; 2 — стояк; 3 — прибыль; 4 —
питатель
новленных на вращающихся столах, обеспечивающую питание от
стояка через широкий и короткий питатель.
Значительное количество отливок из медных сплавов получают
литьем в многократные формы: в кокиль, центробежным способом,
под давлением, штамповкой из жидкого металла.
Литье в кокиль
Литье в кокиль позволяет получить более качественные отливки,
особенно из оловянных бронз с широким интервалом кристаллиза-
ции, повышает выход годного (75—90 %) и коэффициент использо-
вания цветных металлов (КИМ). Скорость затвердевания расплава
в кокиле в несколько раз превышает эту характеристику в песчаной
форме и обеспечивает получение более плотного металла; зона уса-
дочной пористости уменьшается и концентрируется в осевой узкой
зоне. Повышенная скорость затвердевания подавляет выделение
газов из расплава при кристаллизации. Они остаются в пересыщен-
ном растворе и не оказывают такого вредного влияния как газо-
243
Усадочная пористость. Литьем в кокиль отливают втулки, вкладыши,
подшипники, венцы и другие антифрикционные детали, а также фа-
сонные отливки несложной конфигурации.
Кокили изготовляют из чугуна, а металлические стержни из
стали. Для увеличения срока службы форм и стержней иногда пре-
дусматривают их охлаждение водой. Сложные полости в отливках
выполняют песчаными стержнями. Наиболее рационально применять
Ряс. 99. Металлическая форма для
отливки вкладышей подшипников
из оловянной бронзы:
1 — поддон; 2 — боковая внутрен-
няя часть; 3 — боковая наружная
часть; 4 — болт; 5 — клин; 6 —
вставка; 7 — штырь; 8 — литнико-
вая чаша
оболочковые стержни, получаемые
с помощью горячего или холод-
ного твердения, так как они обес-
печивают высокую точность геоме-
трии отливки, минимальные при-
пуски на обработку и высокое
качество литой поверхности.
По конструкции механизмов
разъема, выталкивания отливок
и устройству вентиляционных ка-
налов кокили для медных сплавов’
аналогичны кокилям для легких
сплавов.
Рис. 100. Металлическая форма для отлив-
ки бронзовых колес насосов на центробеж-
ной машине с вертикальной осью враще-
ния:
1 — чугунный кокиль; 2 — изложница; 3,
4 — стержни
Заливку металла ведут в нагретые до 150—250 °C формы. Для
облегчения извлечения отливок и охлаждения рабочей поверхности
полость формы перед заливкой смазывают суспензией машинного
масла с 6 % графита. Для изготовления отливок из алюминиевых
и кремнистых бронз и латуней применяют расширяющиеся литнико-
вые системы с сифонным или боковым подводом металла, обеспечива-
ющие спокойное заполнение кокилей. Для оловянных бронз, исполь-
зуют литниковые системы с верхним подводом металла или осуще-
ствляют заливку через прибыль.
При разработке технологии литья в кокиль основное внимание
уделяют созданию направленного затвердевания отливок в форме.
В целях снижения величины усадочных напряжений в отливках
их извлекают из металлических форм сразу же после приобретения
ими достаточной механической прочности (при 500—600 °C).
244
На рис. 99 показана металлическая форма для отливки вклады*
1ией подшипников электродвигателей из оловянной бронзы
БрО4Ц4С17.
Значительное распространение получил центробежный метод
литья как крупных, так и мелких заготовок из медных сплавов
(например, в станкостроении этим методом отливается около 37 %
всех заготовок). Центробежным методом получают крупные цили-
ндрические заготовки в виде цилиндрических барабанов из оловян-
ной и алюминиевой бронз для бумагоделательных машин диаметром
более 1000 мм, длиной до 4 м и толщиной до 80 мм. Отливку произ-
водят на горизонтальных центробежных машинах в стальную из-
ложницу, которая опирается на несколько роликовых опор. Излож-
ница после заливки в нее бронзы охлаждается снаружи водой. За-
ливку пленообразующих сплавов ведут с одновременной подачей
в изложницу жидких флюсов на основе Na3AlFe—NaCl—CaF2, что
обеспечивает рафинирование сплава и предохраняет его от попадания
окисных плен в тело отливки. Более мелкие цилиндрические заго-
товки отливают на горизонтальных машинах консольного типа. Для
получения отливок с усложненными внутренними полостями при-
меняют машины с вертикальной осью вращения. На рис. 100 показан
кокиль для отливки на центробежной машине бронзовых рабочих
колес (БрОЗЦ7С5Н1) насосов массой 5—20 кг и диаметром 150—
400 мм. Внутренние полости выполнены оболочковыми песчаными
стержнями, которые изготовляют на пескодувно-пескострельной
машине. Кокиль перед заливкой нагревают до 100—150 °C. Скорость
вращения формы 160—350 об/мин, температура заливки 1160—
1190 °C.
Литье под давлением
Литьем под давлением изготавливают небольшие отливки средней
сложности из латуни марок ЛЦ40С (ЛС59-1); ЛЦ40Сд (ЛС59-1ЛД);
ЛЦ16К4 (ЛК80-ЗЛ) и алюминиевых бронз марок БрА9Мц2Л,
БрА9Ж4Н4Мц1.
Литьем под давлением в настоящее время отливают водопровод-
ную арматуру (корпуса водоразборных кранов, тройники, камеры
смешивания воды и др.) со стенками толщиной 3—4 мм из латуни
Л40С и судовую штуцерную арматуру из алюминиевой бронзы на
машинах с холодной камерой прессования.
Для литья под давлением обычно используют пресс-формы со
вставными матрицами, для изготовления которых применяют низко-
легированные хромомолибденовые стали. Из этих же сталей изго-
тавливают и пуансоны. 1
При литье под давлением медных сплавов стойкость пресс-форм
составляет 5—30 тыс. запрессовок. Для изготовления пресс-форм
применяют стали ЗХ22В8Ф, 4Х4М2ВФС (ДИ-22) и другие тепло-
стойкие и коррозионностойкие стали, содержащие хром, ванадий,
молибден и другие легирующие элементы.
Важным параметром при литье под давлением медных сплавов
является рабочая температура пресс-формы, которую рекомендуется
245
поддерживать йа уровне 300—350 вС. В начале работы нагрев формы
производят газовыми горелками или электрическими нагревателями
при частично включенной системе охлаждения, а затем оптимальную
температуру поддерживают регулированием давления водяного охла-
ждения. При эксплуатации пресс-форм важно обеспечить условия
работы, исключающие резкие перепады температур нагрева и охла-
ждения форм. В противном случае в форме могут возникнуть терми-
ческие напряжения и их стойкость будет невысокой. При установив-
шемся режиме литья температура рабочей поверхности пресс-формы
после извлечения отливки должна быть не ниже 300—350 °C. Охла-
ждение матриц осуществляют холодной (20 °C) водой, стержней —
теплой (30—40 °C).
Для повышения стойкости пресс-форм, устранения налипания
металла на форму и стержни, уменьшения его трения по поверхности
формы при заливке, а также для получения качественной поверх-
ности отливки рабочие поверхности пресс-форм смазывают. Реко-
мендуются различные жирные смазки на основе масел, восков, твер-
дых жиров, силиконовых масел и другие материалов. При литье
под давлением латуней хорошо зарекомендовали себя смазки из
индустриального масла 12 в смеси с графитом и водно-силиконовые
суспензии.
Для обеспечения высокого качества отливок при литье под да-
влением латуней и бронз рекомендуется минимально возможная
температура заливки. Так, температура порции расплава, залива-
емого в камеру прессования, должна быть на 10—20 °C выше темпе-
ратуры ликвидуса сплава.
Заливку латуней ведут при 900—1000 °C для тонкостенных от-
ливок и кашеобразным металлом (850—900 °C) для толстостенных
отливок. В процессе литья на рабочей поверхности пресс-формы
осаждается оксид цинка. Поэтому ее периодически следует очищать.
Опыт работы отечественных заводов показывает, что повышение
температуры заливки затуни ЛЦ40С с 900—920 °C до 1000 °C при-
водит к снижению стойкости пресс-форм в 5—8 раз с одновременным
ухудшением качества отливок.
Заполнение пресс-форм металлом производят с удельным давле-
нием прессования 88,3—98,1 МПа для тонкостенных отливок (0,8—
1,1 мм) и 39—49 МПа — для толстостенных (3—4 мм).
Выполнение полостей отливок при литье под давлением осуще-
ствляют с помощью металлических стержней. Однако сложные
полости с большими поднутрениями выполнить при помощи метал-
лических стержней невозможно. Известны попытки выполнения
сложных полостей с помощью песчаных стержней (смеси с термо-
реактивными смолами), на- которые для предотвращения механи-
ческого пригара наносят жидкостекольную краску на основе цир-
коновой муки. Опробование показало, что стержни не разрушаются
при заполнении пресс-форм металлом и хорошо удаляются из отли-
вок при выбивке на вибрационных установках или растворяются
при выдержке в водном растворе щелочи при 90 °C.
Извлечение отливок из пресс-форм производят при 500—550 °Q
246
Жидкая штамповка
Значительное распространение получил процесс получения плотных
отливок из медных сплавов штамповкой (или прессованием) из
жидкого состояния на специализированных гидравлических прессах.
В отличие от обычного литья под давлением, для которого харак-
терна большая линейная скорость движения металла при заполнении
полостей формы и, как следствие этого, попадание пузырьков воздуха
в металл, при штамповке из жидкого металла (этот способ называют
также затвердевание под давлением), этот недостаток не наблю-
дается. Литые заготовки получаются плотными с мелкозернистой
структурой, чистой поверхностью и с повышенными механическими
свойствами. Высокие свойства обеспечиваются при следующих опти-
мальных значениях удельного давления прессования: чистая медь
120—150 МПа; высокооловянные бронзы БрОЮЦ2, БрО8Ц4, БрОЮФ
50МПа; алюминиевые бронзы типа БрА9ЖЗЛ, БрА9Мц2Л и др.
150—200 МПа. Удельное давление прессования зависит от марки
сплава и от конструкции заготовки.
Обрубка, очистка, термическая обработка
и контроль качества отливок
Обрезку литников и прибылей производят обычно на фрезерных
станках или дисковых пилах. В цехах литья под давлением для
удаления литников используют обрубные прессы. Для обрубки от-
ливок широко используют также пневматические зубила и зачистные
станки с корундовыми абразивами.
Очистку поверхности отливок производят в гидропескоструйных
камерах или в галтовочных барабанах. Для этого используют также
дробеструйные камеры с заменой чугунной дроби на алюми-
ниевую.
Большинство отливок из медных сплавов сдаются заказчику без
термической обработки. В ряде случаев для снятия остаточных
термических напряжений отливки подвергают отжигу. Для отливок
из оловянных бронз отжиг ведут при 650—800 °C с выдержкой
в течение 2—2,5 ч и охлаждением с печью до 300—350 °C. Отливки
из кремнистой латуни отжигают при 750—760 °C с выдержкой в те-
чение 1,5—2 ч и охлаждением с печью до 250—300 °C. Отливки из
сложнолегированных медноникелевых сплавов подвергают упроч-
няющей термической, обработке — закалке с 850—900 °C и отпуску
при 400—500 °C в течение 10—12 ч.
Для контроля качества отливок й исправления дефектов исполь-
зуют методы, описанные в гл. 7.
Литература: [6, 16, 19, 23, 35, 36, 46, 48] (см. рекомендательный
библиографический список).
Глава 10
ПРОИЗВОДСТВО отливок ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
§ 1. СВОЙСТВА НИКЕЛЯ
Никель является одним из важнейших промышленных металлов.
Он широко используется в современной технике как конструкцион-
ный и электротехнический металл.
Никель — основа наиболее распространенных в настоящее время
жаропрочных сплавов, идущих на изготовление ответственных
деталей и узлов газотурбинных двигателей и энергетических уста-
новок. Никель является также основой современных жаростойких
и коррозионностойких сплавов.
Плотность никеля 8,9 г/см3, температура плавления 1455 °C,
температура кипения 2900 ’С. Он обладает гранецентрированной
кубической кристаллической решеткой с параметром а =
= 0,352387 нм. При температурах ниже 360 °C никель ферромагни-
тен, но магнитные свойства его выражены значительно слабее, чем
у железа и кобальта. Никель обладает высокой коррозионной стой-
костью в ряде агрессивных сред (морская и пресная вода). При
нагреве на воздухе никель взаимодействует с кислородом с образова-
нием оксида никеля NiO.
Металлургическая промышленность выпускает несколько ма-
рок электролитического никеля, отличающихся содержанием при-
месей. Химический состав его по ГОСТ 849—70 приведен
в табл. 60.
Таблица 60. Химический состав никеля
Мар- ка Ni, % не ме- нее Со, % не бо- лее Примеси, %, ие более
С Mg Ai Si p s Mn Fe
Н-0 99,985 0,005 0,005 0,001 o’,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002
Н-1у 99,92 0,10 0,01 0,001 — 0,002 0,001 0,001 — 0,01
Н-1 99,92 0,10 0,10 0,01 —. 0,002 0,001 0,001 — 0,01
Н-2 99,65 0,15 0,02 —- — 0,002 —. 0,003 — 0,04
Н-3 97,9 0,7 0,10 —. — —. — 0,03 •—. —
Н-4 96,9 0,7 0,15 — — — — 0,04 — —
Мар- Ni, % Со, % Примеси, %, ие более
не ме- не бо-
нее лее Си Zn As Cd Sn Sb Pb , Bi
Н-0 99,985 0,005 0,001 0,0005 0,0005 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003 0,0003
Н-1 у 99,92 0,10 0,015 0,0008 0,001 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005 0,0005
Н-1 99,92 0,10 0,02 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Н-2 99,65 0,15 0,04 0,005 -— •—. —. -—- —. —
Н-3 97,9 0,7 0,6 —. — —. — — — .—
Н-4 96,9 0,7 1,0 —— — — — — — —
24S
Наиболее вредными примесями никеля являются сера, кислород
и углерод. Эти примеси растворяются в жидком никеле, а при кри-
сталлизации выделяются в виде эвтектик: никель — сульфид никеля
NiS, никель — NiO и никель — графит по границам зерен. Эвтек-
тика никель — сульфид никеля плавится при 645 °C и вызывает
горячеломкость металла при обработке давлением. Эвтектики ни-
кель — NiO и никель — графит существенно ухудшают пластич-
ность никеля. Висмут и свинец вызывают горячеломкость никеля;
сурьма и мышьяк ухудшают обрабатываемость давлением; фосфор
и кадмий резко снижают его механические, физические и технологи-
ческие свойства.
Никель технической чистоты используют в виде листов, лент,
прутков, труб для работы в агрессивных средах. Механические
свойства никеля марки НП-4 в отожженном состоянии следующие:
Пв = 4004-500 МПа; о0>2 = 220 МПа; 6 = 354-40 %.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Промышленные сплавы классифицируют по химическому составу
и по области применения. По области применения они подразде-
ляются на жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие и спе-
циальные (с особыми физическими свойствами).
Жаропрочные сплавы — наиболее важная группа сплавов на
основе никеля. К ним относятся сложнолегированные литейные
сплавы серии ЖС, ВЖЛ (ЖСЗ, ЖС6, ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12 и др.)
и деформируемые. Они широко используются в современных газо-
турбинных двигателях. Из жаропрочных никелевых сплавов делают
рабочие лопатки и диски турбины, направляющие лопатки, камеры
сгорания газотурбинных двигателей. Использование современных
сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов позволило
повысить температуру газов на входе в турбину с 800 до 1100 °C,
что привело к значительному повышению мощности, уменьшению
расхода топлива, увеличению ресурса и надежности работы дви-
гателей.
По химическому составу (табл. 61) жаропрочные сплавы отно-
сятся к сложнолегированным. Основными легирующими элементами
являются: хром (10—25 %), алюминий (0,5—6,0 %), титан (1,0—
3,0 %).
- На рис. 101—103 представлены диаграммы состояния Ni—Cr,
Ni—Al и Ni—Ti. В системе Ni—Cr образуются эвтектика и широкие
области твердых растворов на основе никеля (у) и хрома (а). С по-
нижением температуры растворимость несколько снижается. Однако
растворимость хрома в никеле при комнатной температуре довольно
высокая и составляет около 30 %.
В системе Ni—Al при 1385 °C образуется эвтектика. С пониже-
нием температуры растворимость алюминия в никеле уменьшается
с 11 до 6 % при 750 °C. В этой системе в равновесии с у-раствором
на основе никеля находится у'-фаза, представляющая раствор на
основе ицтерметаллида Ni3Al.
249
Рис. 102. Диаграмма состояния системы
Ni — Al
В системе Ni—Ti при 1304 °C также наблюдается эвтектическое
равновесие. Растворимость титана в никеле уменьшается с 12,5 %
Ti при эвтектической температуре до 8 % Ti при 750 °C. В равновесии
с у-раствором находится ц-фаза — твердый раствор на основе интер-
металлида Ni3Ti.
Таблица 61. Химический состав некоторых жаропрочных никелевых
сплавов, %
Марка сплава Сг С Со Ti
ХН77ТЮ (ЭН437А) 19—22 0,06 —. 2,3—2,7
ХН73МБТЮ (ЭН698) 13—16 0,08 •—- 2,35—2,75
ХН55ВМТФКЮ (ЭИ929) 9—12 0,12 12—16 1,4—2,0
жсз 14—18 0,11—0,16 •— 1.6—2,3
ЖС6 11.5—13 0.11—0,18 — 2,2—2,8
ЖС6К 10,5—12,5 0,13—0,2 4—5 2,5—3,0
ВТ36Л 10—22,0 — — 0,4—2,7
Марка сплава А1 1 w Мо Другие элементы
ХН77ТЮ (ЭН437А) 0,55—0,95 — —
ХН73МБТЮ (ЭН693) 1,3—1,7 — 2,8—3,2 1,8—2,2 V
ХН55ВМТФКЮ (ЭИ929) 3,6-4,5 4,5-6,5 4—6 0,1 В
ЖСЗ 1,6—2,2 4,5—6,5 3—4,5 0,2—0,8 V
ЖС6 4,7—5,2 6-8 4—5,5 —
ЖС6К 5—6 4,5—5,5 3,5—4,5 —
ВТ36Л 3,5—5,2 До 9,0 До 4,5 До 1,1 V, до 1.5 Fe
250
Помимо хрома, алюминия и титана, жаропрочные сплавы на
никелевой основе содержат еще 6—8 легирующих элементов, которые
способствуют повышению жаропрочности, коррозионной и эро-
зионной стойкости сплавов.
Структура жаропрочных сплавов представляет собой матрицу
с г. ц. к. решеткой, содержащую карбиды и когерентную интерметал-
лидную у'-фазу. Сплавы упрочняются алюминием, титаном, ниобием
и танталом, которые взаимодействуя с никелем, образуют у'-фазу
с г. ц. к. решеткой. Добавки кобальта повышают температуру рас-
творения у'-фазы, улучшая тем самым жаропрочность. Упрочнение
достигается также за счет леги-
рования матрицы элементами, об-
разующими твердые растворы,
причем наибольший эффект оказы-
вают молибден, вольфрам и хром.
Такие элементы, как хром, молиб-
ден и тантал, образуют карбиды,
упрочняющие поверхностные слои
зерен.
Алюминий и хром обеспечивают
стойкость к окислению, тогда как
хром и титан повышают стойкость
к газовой коррозии. Газовая кор-
розия получает развитие при вы-
соких температурах при совмест-
ном влиянии обычного окисления
и взаимодействия с серой и други-
ми примесями, содержащимися в
топливе и попадающими в рабочую
зону двигателя с продуктами го-
рения топлива.
Основой многих жаростойких сплавов является система Ni—Cr
(табл. 62). Легирование никеля хромом приводит к сильному по-
вышению стойкости против окисления при высоких температурах.
Высокая жаростойкость сплавов никеля с хромом обусловлена обра-
зованием под внешним тонким слоем оксида NiO второго окисного
слоя Сг2О3, а также промежуточного слоя шпинели NiCr2O4. Высокая
Таблица 62. Химический состав некоторых жаростойких, коррозионностойких
и специальных никелевых сплавов, %
Марка Сг Fe Си Другие элементы
Х20Н80 20—23 —. 0,4—1,5 S
Х15Н75Ж 15 5 —
НМЖМц 28—25—1,5 — 2—3 27—29 1,2—1,8 Мп
Никелевая бронза — 0,5—1,0 33—43 5—10 Sn; 1 Zn
Примечание. Ni —. остальное.
251
жаростойкость никелевых сплавов обусловлена также тем, что коэф-
фициенты линейного расширения никеля и NiO близки по величине
и поэтому резкие колебания температур не вызывают отслаивания
оксидного слоя от металла.
Сплавы никеля с хромом получили название нихромов. К ним
относятся Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50 и др.
Жаростойкие никелевые сплавы обладают повышенным электри-
ческим сопротивлением, поэтому нихромы и другие близкие по
составу сплавы используют в качестве нагревательных элементов
электрических печей сопротивления, работающих в воздушной атмо-
сфере при температурах до 1000—1200 °C. Сплавы этой группы
также используют для изготовления печной арматуры, защитных
трубок термопар и других деталей.
К коррозионностойким и специальным сплавам относятся сплавы
на основе системы Ni—Си (Ni—Си—Si, Ni—Си—Sn и др.), Ni—Мо,
а также двойные сплавы никеля с кремнием, бериллием, алюминием
и титаном.
Сплавы на основе системы Ni—Си отличаются высокой стой-
костью в различных средах (серная и органические кислоты, рас.-
творы щелочей, морская вода, атмосфера пара при 350—450 °C),
антифрикционными свойствами и стабильностью механических
свойств при повышенных температурах.
Монель и никелевая бронза (см. табл. 62) — наиболее распро-
страненные сплавы системы Ni—Си. Отливки из монелей применяют
для изготовления клапанов, рабочих колес и корпусов насосов,
втулок, кранов и других деталей, работающих в агрессивных средах.
Никелевые бронзы используют для изготовления литых втулок,
уплотнительных колец и других деталей, работающих на трение
в агрессивных средах.
В химическом машиностроении применяют литые детали, изгото-
вленные из сплавов системы Ni—Мо. Некоторые сплавы, содержащие
около 30 % Мо и 5 % Fe, стойки в соляной кислоте любой кон-
центрации при высоких температурах.
Хорошей коррозионной и антифрикционной стойкостью в ряде
агрессивных сред обладают детали, изготовленные из двойных спла-
вов никеля с алюминием, бериллием, титаном и кремнием.
Ряд сплавов на никелевой основе (хромель, копель, алюмель)
применяют для изготовления термоэлектродной проволоки.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Особенности никеля и никелевых сплавов —- повышенная склонность
к взаимодействию с газами печной атмосферы. Жидкий никель рас-
творяет при 1600 °C до 0,5 % кислорода, около 2,5 % углерода
и до 43 см3/100 г металла водорода. Выделение водорода при кристал-
лизации — основная причина газовой пористости в отливках. При
взаимодействии с парами воды происходит одновременное загрязне-
ние никеля кислородом и водородом.
Плавку никеля в целях предупреждения взаимодействия с газами
ведут под слоем флюса, в качестве которого применяют стекло,
252
плавиковый шпат, известь, молотый магнезит со стеклом и др. Не-
допустимо применение древесного угля и гипса. Флюс берут в коли-
честве 3—5 % от массы шихты. Он должен покрывать поверхность
расплава слоем толщиной 10—15 мм.
В большинстве случаев для плавки используют индукционные
канальные и тигельные печи, которые позволяют быстро достигать
необходимой температуры и форсированно вести процесс. Значи-
тельно реже применяют дуговые печи. Выплавку никеля для вакуум-
ной техники ведут в вакуумных индукционных тигельных печах
при остаточном давлении 0,66 Па.
В качестве шихтовых материалов при плавке чистого никеля
используют катодный никель Н-0 и Н-1, гранулы никеля и крупные
отходы собственного производства в количестве, не превышающем
50 % от массы шихты. Недопустимо использовать катодные листы
с наростами на поверхности.
Первоначально в печь загружают отходы, поверхность которых
засыпают флюсом. По мере расплавления металла сразу или частями
вводят катодный никель. Листы никеля предварительно разрезают
на куски размером 150 X 150 мм, просушивают, а в некоторых
случаях (при большом содержании водорода) отжигают. Плавку
ведут на форсированном режиме, не допуская перегрева расплава.
При температуре расплава 1500—1600 °C его очищают от кисло-
рода и серы. С этой целью в расплав вводят раскислители и десуль-
фуризаторы. Характерная особенность плавки чистого никеля —
применение комплексного раскислителя (углерода, кремния,
марганца, магния). Основным раскислителем является углерод,
который вводят в виде графита (бой) или лигатуры Ni—С, содержа-
щей 1,5—2 % С. При введении углерода в виде графита его загру-
жают одновременно с первой порцией шихты. Для полного удаления
кислорода требуется значительный избыток углерода. Однако из-
быток углерода сообщает никелю хрупкость. Поэтому основное коли-
чество кислорода удаляют с помощью углерода, а его остаток —
кремнием и марганцем после доведения температуры расплава до
1600 °C. Общее количество комплексного раскислителя принимают
в пределах 0,18—0,22 % от массы расплава. Углерод берут в коли-
. честве 0,05—0,1 %, кремний 0,07—0,15 %, марганец 0,05—0,2 %,
магний 0,05—0,1 %. Для раскисления никеля используют также
силикокальций, содержащий до 23 % Са. Этот раскислитель вводят
в расчете на 0,05—0,1 % Са.
После раскисления расплав перемешивают никелевой мешалкой,
выдерживают в течение нескольких минут и при 1550—1650 °C
заливают в формы. Во избежание попадания флюса в полость формы
его сгущают. С этой целью на поверхность расплава засыпают моло-
тый магнезит в количестве 0,2 % от массы шихты.
При плавке чистого никеля загрязненные и смешанные отходы
никеля от разных плавок не используют в шихте. Их переплавляют
отдельно. Перед плавкой всю шихту обдувают воздухом с целью
удаления загрязнений. Плавку ведут в индукционной канальной
печи под слбем флюса (стекло). Примеси удаляют путем окисления.
253
С этой целью поверхность расплава частично освобождают от флюса.
Для ускорения окисления в расплав вводят NiO или никель с боль-
шим содержанием кислорода. Примеси выгорают в следующем по-
рядке: кремний, магний, марганец, цинк и углерод. Конец окисления
определяют по искрению металла и по излому пробы. Последующее
раскисление никеля производят лигатурой Ni—Mg, а при необ-
ходимости кремнием и лигатурой Ni—С. Лигатуру Ni—Mg в коли-
честве 0,06 % присаживают завернутой в никелевую фольгу при
температуре расплава 1550—1600''’С. Жаростойкие и коррозионно-
стойкие никелевые сплавы, а также жаропрочные сплавы некоторых
марок, идущие для изготовления малоответственных деталей, плавят
в открытых индукционных тигельных, индукционных канальных
и электродугбвых печах.
Для предохранения расплава от интенсивного взаимодействия
с газами применяют флюсы, состав которых, %, приведен ниже:
№ 1 100 СаО
№ 2 50 СаО; 50 CaF2
№ 3 70CaO;30CaF2
.Ns 4 50 CaF2; 50 MgF2
№ 5 100 стекло (бутылочное)
№ 6 30 MnO2; 30 NiO; 20 Fe2O3; 20 SiO2
Примечание. Флюсы № i — 4 — покровно-
pаминирующие; №5—6 — покровные для плавки в ин-
дукционных печах.
Расход флюсов составляет 2—5 % от массы расплава. С помощью
флюсов невозможно полностью исключить растворение в металле
водорода, поэтому одной из важнейших операций при выплавке
никелевых сплавов является рафинирование их от растворенных
газов. Эту операцию осуществляют наведением окислительного шлака
(МпО2-р CuO + Na2CO3 -J-SiO2) или продувкой расплава инерт-
ными газами (аргоном или гелием). Перед введением легирующих
компонентов, образующих твердые нерастворимые оксиды, никель •
раскисляют марганцем, углеродом, кремнием и магнием, порознь
или совместно; в качестве раскислителей используют также титан
и силикокальций.
Для измельчения зерна отливок и повышения уровня их эксплу-
атационных свойств некоторые жаропрочные сплавы модифицируют
присадкамй бора (0,01—0,03 %) и циркония (0,03—0,1 %).
При плавке в дуговых печах первыми загружают никель и куско-
вые отходы; затем под электроды вводят шлакующую смесь (известь
с плавиковым шпатом 1 : 1) в количестве 3—5 % от массы шихты.
Смесь вводят небольшими (по 3—5 кг) порциями для предохранения
расплава от науглероживания и насыщения водородом. После рас-
плавления вводят лигатуры и чистые металлы (Mo, Nb, W и др.)
и нагревают расплав до полного растворения тугоплавких элементов.
Затем отбирают пробу на химический анализ и расплав подвергают
рафинированию и раскислению. Для этого используют раскисля-
ющие смеси (известь с алюминиевым порошком 1 : 1), которые
вводят из расчета 3—4 кг на тонну расплава небольшими порциями,
254
марганец (0,25 %), алюминий (0,3—0,5 %) и титан (0,01—0,15 %).
Перед разливкой в расплав вводят присадки циркония и бора.
Аналогичную технологию применяют и при плавке в индукцион-
ных тигельных печах. В качестве шлакующей используют смесь
извести (70 %) с плавиковым шпатом (30 %), которую вводят на
поверхность шихты в количестве 3—4 %. Раскисление осуществляют
порошком алюминия (2 кг/т) или марганцем и титаном.
Плавку монелей осуществляют в индукционных печах. В каче-
стве флюса используют стекло или смесь фторидов кальция и магния.
При изготовлении сплава из чистых металлов и собственных
отходов первыми загружают никель, медь, железо, отходы и др.
После полного расплавления садки температуру расплава поднимают
до 1450—1500 °C и вводят марганец. Для раскисления расплава
используют лигатуру Ni—С. Углерод вводят в количестве 0,1 —
0,15 %. После непродолжительной выдержки перед началом литья
вводят магний (до 0,3 %).
При плавке специальных термоэлектродных сплавов типа хро-
мель принимают следующий порядок загрузки и расплавления
шихты. В жидкую ванну вводят большую часть хрома (1—2 кг
недогружают для последующей корректировки состава сплава по
результатам определения т. э. д. с.). Затем загружают никель и
отходы. Одновременно засыпают флюс в количестве до 5 % от массы
металла. Расплавление ведут по возможности интенсивно. Для
раскисления сплава вводят 0,12—0,15 % марганца и 0,06 % магния.
Корректировку состава сплава по содержанию хрома производят
по результатам определения т. э. д. с.
Аналогичным образом осуществляют плавку других термоэлек-
тродных сплавов. Некоторое различие в технологии плавки состоит
в порядке загрузки составляющих шихты и в раскислении сплавов.
При выплавке алюмеля и копеля вначале загружают никель, отходы
и флюс, затем алюминий, кремний и марганец. Поскольку все эти
сплавы содержат марганец, раскисление их производят магнием,
вводимым в количестве 0,03 % при приготовлении алюмеля и 0,1 %
при плавке копеля. Перед разливкой сплавы корректируют на со-
держание марганца по результатам определения т. э. д. с.
Технология плавки жаростойких нихромов Ni—Сг и Ni—Сг—Fe
мало чем отличается от технологии приготовления хромеля. Рас-
кисляют эти сплавы марганцем, титаном и силикокальцием в коли-
честве 0,1—0,15 %.
В основном нихромы выплавляют в электродуговых печах. В це-
лях удаления водорода, поглощенного расплавом, в конце плавки
наводят окислительный шлак, который вызывает кипение ванны.
Растворенный водород может быть удален также продувкой расплава
аргоном. Основное условие при плавке нихромов — предотвращение
загрязнения расплава серой и углеродом, резко снижающими экс-
плуатационные свойства деталей из этих сплавов.
Современные жаропрочные сплавы содержат в своем составе
8—12 легирующих элементов; ряд элементов присутствует в сплавах
в виде примесей. Часть этих элементов при плавке на открытом
255
Таблица 63. Технические характеристики некоторых индукционных вакуумных
печей для плавки и заливки форм
•Параметры ИСВ-0.04-ПФ-И2 »• ИСВ-0,16-НФ-И1 ’2
Номинальная емкость тигля (по стали), т 0,04 0,16
Установленная мощность, кВ-А Мощность питающего преобразователя, 250 525
кВт Частота, Гц: 120 250
контура 2400 2400
питающей сети Напряжение, В: 50 50
контура 500 300
питающей сети 380 380
цепей управления 220 220
силовых цепей 220/380 220/380
Максимальная температура расплава в ти- гле, °C 1650 1700
Среда в рабочем пространстве (плавиль- ная камера) Вакуум или н( митральный газ
Предельное разрежение в холодной печи, Па 5-0,133 5-0,133
Максимально допустимое избыточное да- вление нейтрального газа, кПа 10 10
Производительность по расплавлению и перегреву, т/ч 0,12 0,21
Удельный расход электроэнергии на рас- плавление и перегрев, кВт-ч/т Габаритные размеры форм, м: 1100 2000
ширина X длина 0,5X0,6 0,7X1,6
высота 1,0 1,0
Масса электропечи, т 10 30
*1 П — периодического действия; *2 Н — печь непрерывного действия.
воздухе интенсивно окисляется с образованием стойких окисных
плен, которые загрязняют металл, снижают его механические свой-
ства и служат причиной преждевременного разрушения деталей.
Кроме того, при плавке на воздухе не удается снизить содержание
примесей, например кремния, серы и др., до требуемого уровня. Эти
и другие причины не позволяют вести плавку большинства жаро-
прочных сплавов в открытых печах.
При производстве фасонных отливок применяют вакуумные ин-
дукционные тигельные печи непрерывного и периодического дей-
ствия (табл. 63). В печах этого типа плавка и разливка металла
по формам осуществляется при давлении 0,13—13,0 Па. При произ-
водстве слитков из жаропрочных сплавов наибольшее распростра-
нение получила схема дуплекс-процесса, когда плавку металла
проводят в дуговой печи на воздухе, а затем его переплавляют в ва-
куумных электродуговых печах с расходуемым электродом, либо
в вакуумных индукционных тигельных печах с последующей пере-
плавкой в вакуумных электродуговых печах с расходуемым электро-
256
дом. Перспективными Для жаропрочных сплавов являются различ-
ные варианты дуплекс-процесса, в которых используют электронно-
лучевую, электрошлаковую и плазменную плавки.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
Фасонные отливки из никелевых сплавов изготавливают литьем
в разовые формы — песчаные и керамические (по выплавляемым
моделям и Шоу-процессу). Песчаные формы применяют для изгото-
вления относительно массивных» и больших по габаритам отливок.
Ввиду того, что никелевые сплавы имеют большую литейную усадку
(2 %) и склонны к газонасыщению, песчаные формы должны быть
податливы и иметь низкую газотворность и высокую газопроница-
емость (не менее 80 см3/см2).
Для изготовления отливок, работающих в условиях повышенных
давлений, применяют сухие окрашенные формы; для менее ответ-
ственных отливок с толщиной стенок менее 15 мм — сырые или под-
сушенные. Для окраски форм используют водную графитовую
краску, содержащую 5 % каолина и 1 % крепителя. Для окраски
можно использовать также порошок сплава алюминия с магнием,
хорошо предохраняющий расплав от взаимодействия с влагой
формы, циркон, силлиманит и другие материалы. В качестве противо-
пригарной присадки в формовочную смесь вводят до 5 % графита.
Для заполнения литейных форм расплавом применяют расширя-
ющиеся литниковые системы с нижним или щелевым рассредоточен-
ным подводом металла в тонкие части отливок, обеспечивающие
равномерное распределение температуры по их сечению. Для пред-
отвращения незаливов питатели должны иметь большие площади
сечения и малую (но не менее 15 мм) длину. '
Направленное затвердевание отливок обеспечивают применением
холодильников и установкой прибылей над массивными узлами. При
изготовлении массивных отливок рекомендуется применять внутрен-
ние микрохолодильники. Для этой цели используют порошок никеля.
Керамические формы по постоянным моделям (по Шоу-процессу)
изготавливают из формовочных масс, состоящих из гидролизиро-
ванного этилсиликата, маршалита, сухого кварцевого песка и кера-
мической крошки. Для огеливания этилсиликата в состав смеси
вводят щелочь или другой гелеобразователь. Формовочную смесь
заливают в опоки с установленными в них модельными комплектами.
Крупные литейные формы делают двухслойными: облицовочный
слой из керамики на этилсиликате, а наполнительный — из жидко-
стекольной смеси. Сушку форм ведут выжиганием спирта. Для этого
сразу же после извлечения модельного комплекта формы поджигают
факелом. После прекращения горения паров спирта полуформы
прокаливают при 850—950 °C в течение нескольких часов, а затем
охлаждают вместе с печью до 400—450 °C. Дальнейшее охлаждение
ведут на воздухе. После контроля качества поверхности полуформы
притирают и зачищают, а затем направляют на сборку.
9 Заказ 235 ф 257
Внутренние полости в отливках выполняют с помощью керами*
ческих (на основе SiO2, А12О3, ZrO2 и др.) или песчаных окрашенных
стержней.
Металл перед заливкой нагревают до 1600—1700 °C. Заполняют
формы через расширяющиеся щелевые литниковые системы с под*
водом металла по высоте формы. Объем прибыли обычно принимают
на 20—50 % больше объема питаемого узла. Эффективность при-
былей усиливают, обогревая их экзотермическими смесями. Прибыли
и литники отделяют с помощью керамических абразивных кругов
или газовой резкой. Керамические стержни удаляют выщелачива-
нием в растворах щелочей.
Литые датали из жаропрочных сплавов — лопатки газотурбинных
двигателей, цельнолитые роторы энергетических установок и другие
детали — должны изготавливаться с высоким классом точности
и хорошим качеством поверхности. Эти детали имеют сложную кон-
фигурацию с глухими каналами и развитыми внутренними по-
лостями. Такие детали могут быть изготовлены только литьем по
выплавляемым моделям.
Технологический процесс изготовления отливок из жаропрочных
сплавов методом литья по выплавляемым моделям состоит из следу-
ющих основных операций:
1) изготовления моделей и сборки блоков моделей;
2) изготовления стержней и форм;
3) плавки металла и заливки форм;
4) выбивки, очистки, термической обработки и контроля отливок.
В целом процесс получения отливок из жаропрочных сплавов
аналогичен производству отливок из стали. Некоторые различия
связаны с повышенными требованиями, предъявляемыми к отливкам
из жаропрочных сплавов.
Модели тонкостенных и сложных по конфигурации отливок
(например, лопатки газотурбинного двигателя) должны иметь доста-
точную теплостойкость и прочность, легко удаляться из формы.
Составы, используемые для изготовления моделей, должны также
обладать минимальной и стабильной усадкой. Широкое распростра-
нение для серийного производства сложных по конфигурации тонко-
стенных отливок из жаропрочных сплавов получили выплавляемые
и водорастворимые модельные составы.
Выплавляемые модельные составы — ПЦБК0 70-12-13-5 (Р-3),
ПБПсм60-25-15 (ИЛП-2), ПЦПЭВ 62-25-13 (МВС-ЗА), ПБТТЭ 25-35-35-5
(ВИАМ-102) и др. — содержат воскообразные вещества. Водорас-
творимые модельные составы •— КбБк 98-2, КбНк 80-20, КбНк 90-10
и др. — приготавливают из карбамида, азотных и азотнокислых
солей щелочных металлов х.
1 Модельные составы даны из отраслевого стандарта. В приведенных сокращен-
ных обозначениях П — парафин; Ц — церезин; Б — буроугольный воск; Ко —
кубовый остаток горячего крекинга парафина; ПСм — пластичная смазка; Пэв —
полиэтиленовый воск; Т — торфяной воск; Тэ — триэтаноламин; Кб — карбамид;
Бк — борная кислота; Нк — нитрат калия. Следующие после буквенных обозна-
чений цифры указывают соответственно среднее процентное содержание по массе
каждого из компонентов в модельном составе.
258
Таблица 64. Свойства некоторых модельных составов
Модельный состав t, °C °изг ПРИ 20 °C» МПа Свободная линейная усадка, %
ПЦБКО 70-12-13-5 77—80/53—56 3,6—3,7 0,6—0,9
ПБПсм 60-25-15 75—80/48—70 2,4—4,0 0,6—1,0
ПБТТЭ 25-35-35-5 75—85/48—70 4,7—5,0 0,9—1,4
КоНк 90-10 125/— 15,0—19,0 0,15—0,4
КбПвсМс 95,5-2-2,5 ПО/— 12,0—17,0 0,2—0,6
Примечания. 1. Пвс —• поливиниловый спирт; Мс — сернокислый магний.
2. В числителе — температура плавления» в знаменателе —- температура пастообразного
состояния. *>
Модельные составы на основе карбамида имеют стабильную
и малую усадку, в 2—5 раз меньшую, чем у воскообразных составов,
теплостойки и имеют высокую прочность (табл. 64). Эти составы
в жидком состоянии обладают высокой текучестью, что позволяет
получать сложные по конфигурации и тонкостенные модели методом
свободной заливки модельного состава в металлические пресс-
формы.
Восковые модели изготовляют путем запрессовки нагретого до
пастообразного (иногда в зависимости от марки до жидкого) состо-
яния состава в металлические пресс-формы с помощью разнообраз-
ных автоматизированных установок.
Водорастворимые модельные составы нагревают до жидкого
состояния (120—140 °C) и путем свободной заливки или под низким
давлением (0,005—0,02 МПа) заполняют пресс-форму.
При литье пустотелых отливок в пресс-форму перед ее запрес-
совкой или заполнением модельным составом устанавливают кера-
мические стержни.
В случае установки в пресс-форму тонкостенных и сложных
по конфигурации стержней целесообразно использовать водораство-
римые модельные составы, так как при использовании воскообразных
составов запрессовка осуществляется под значительным избыточным
давлением, вызывающим деформацию или разрушение стержня.
Модели, прошедшие контроль, а также модели элементов литни-
ковой системы, изготовленные из того же модельного состава, со-
бираются в блоки. Количество моделей в блоке определяется их
габаритами. Блоки собирают с помощью специальных приспособле-
ний — кондукторов.
Изготовление полых лопаток газотурбинных двигателей, име-
ющих сложную внутреннюю конфигурацию при толщине стенки
пера лопатки до 1,0 мм, требует применения стержней, которые при
малой толщине (до 0,5 мм) и значительных габаритных размерах
(до 300 мм) должны иметь необходимую прочность и не деформиро-
ваться при изготовлении и в период заливки форм металлом. Ши-
роко применяют керамические стержни на основе электрокорунда,
которые изготавливают методом твердофазного спекания. Исполь-
9*
259
зуют смеси, состоящие из белого электрокорунда (85 ч), глинозема
(15 ч) и пластификатора-парафина (15 ч сверх 100). Порошки электро-
корунда и глинозема смешивают с парафином в обогреваемом до 80—
100 °C смесителе и получают стержневую массу, которую запрессо-
вывают в пресс-форму. Затвердевший стержень извлекают из пресс-
формы и укладывают на корундовый драйер, накрывают второй
половиной драйера и обжигают в две стадии. Первый обжиг ведут
в окислительной среде 10—12 ч, поднимая температуру в печи до
1250 °C со скоростью 50—100 °C в час. Второй обжиг проводят в те-
чение 4—6 ч при 1550—1600 °C. В результате твердофазного спека-
ния стержни приобретают высокую прочность. Стержни также
изготавливают из смесей, состоящих из огнеупорного наполнителя
(кварц, дистенсиллиманит, белый электрокорунд), связующего ве-
щества (раствора этилсиликата) и едкого натра, путем их прессова-
ния в стержневых ящиках с последующей тепловой обработкой
отпрессованных стержней. В ряде случаев стержни изготавливают
из водорастворяемых составов на основе карбамида.
Для изготовления оболочковых форм используют смеси на основе
электрокорунда (а-А12О3), циркона (ZrO2-SiO2) и дистенсиллиманита
(Al2O3-SiO2). В качестве связующего вещества используют гидро-
лизованный этилсиликат, оксинитрат алюминия и др.).
С целью измельчения структуры металла в поверхностных слоях
отливок в формовочную смесь для получения облицовочного слоя
вводят такие вещества как алюминат кобальта, оксид кобальта.
Оболочковые формы для отливок из жаропрочных сплавов изго-
тавливают из 4—9 слоев. Первые два слоя являются облицовочными,
остальные — опорными. Оболочки, имеющие 7—9 слоев, напра-
вляют под заливку без формовки. Оболочки, имеющие 4—5 слоев,
устанавливают в опоки, которые заполняют сухим или жидким
наполнителем. Для получения отливок высокой точности опоки
заполняют жидким наполнителем, состоящим из зернистых огне-
упорных материалов (кварцевый песок, шамотная крошка и т. д.),
глиноземистого цемента и воды. Для отливок несложной конфигура-
ции опоки заполняют сухим наполнителем. Используют зернистые
огнеупорные материалы: шамот, корунд, хромомагнезит и др.
Оболочковые формы без наполнителя или заформованные жидким
или сухим наполнителем нагревают до 900—1000 °C. После обжига
формы охлаждают до 700—900 °C и заливают расплавом.
С целью получения в отливках из жаропрочных сплавов столбча-
той структуры широко используют различные технологические
приемы, обеспечивающие направленное затвердевание металла.
После заливки форм их охлаждают до 50—150 °C и производят
выбивку блоков отливок на выбивных решетках и поворотных ма-
шинах. При выбивке оболочка формы и часть наполнителя остаются
на поверхности отливки. Поэтому блоки отливок направляют на
предварительную очистку, затем на операцию отделения отливок
от литниковой системы и окончательную очистку.
Предварительную очистку чаще всего осуществляют на вибра-
ционных установках. На этом этапе оболочка удаляется только с на-
260
ружной поверхности отливок и остается в отверстиях
и поднутрениях.
Отделение отливок из литниковой системы осуществляют обрезкой
на металлорежущих станках, отделением на прессах, газопламенной
или анодно-механической резкой. Мелкие отливки отбивают от
литников .на вибрационных установках, совмещая эту операцию
с предварительной очисткой.
Окончательные способы очистки отливок, изготовленных по
выплавляемым моделям, подразделяют на две группы: механические
и химико-термические. При литье сложных по конфигурации от-
ливок используют оба способа очистки. К механическим способам
очистки относят очистку металлической дробью, гидроабразивную
очистку, очистку в галтовочных барабанах, виброочистку.
Химико-термическую очистку осуществляют в горячих растворах
или расплавах щелочей. Так, для очистки отливок при их изготовле-
нии в кремнеземистых формах используют 45—55 %-ный раствор
КОН, нагретый до 450—500 °C. Очистка отливок от керамики проис-
ходит в течение 1 ч. Расход КОН составляет 1,3—1,4 кг на 1 кг
керамической оболочки.
Эффективность очистки резко возрастает при совмещении химико-
. термической очистки с механической (например, проведение операции
химико-термической очистки в галтовочном барабане).
В зависимости от требований к качеству отливок применяют
контроль следующих параметров: химического состава, размеров
отливок, механических и конструкционных свойств, структуры
отливок, а также наличие трещин, рыхлот, пор, оксидных включений
и др. Внутренние дефекты (поры, рыхлоты и т. д.) обнаруживают
рентгеновским просвечиванием.
Дефекты отливок (поры, трещины и т. д.), выходящие на их по-
верхность, выявляют люминесцентным контролем и методом цветной
дефектоскопии.
Литература: [7, 16, 19, 23, 35, 36, 431 (см...рекомендательный
библиографический список). ;
Глава 11
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
§ 1. СВОЙСТВА ТИТАНА
Титан расположен в IV-A подгруппе первого большого периода
периодической системы Д. И. Менделеева. Температура плавления
титана 1668 °C, температура кипения 3000 °C, атомная масса 47,90.
Титан имеет две аллотропические модификации. Низкотемператур-
ная a-модификация существует до 882,5 °C, обладает гексагональной
плотноупакованной решеткой. При 25 °C а = 0,295111 нм, с =
= 0,468433 нм, da = 1,587. Высокотемпературная ^-модификация
устойчива от 882,5 °C до температуры плавления, имеет объемно
центрированную кубическую решетку с периодом 0,3282 нм. Плот-
ность титана при комнатной температуре равна 4,50 г/см3. Плотность
261
Р-титана при 900 °C равна 4,31 г/см3, а жидкого титана при темпера-
туре, близкой к температуре кристаллизации, 4,1 г/см3.
Титан высокой чистоты обладает хорошей пластичностью и низкой
прочностью (при 20 °C сгп = 2004-250 МПа, б = 504-60 %). Титан
технической чистоты содержит примеси: кислород, азот, водород,
углерод и др., которые значительно увеличивают твердость и проч-
ность титана и уменьшают его пластичность (рис. 104). Модуль
упругости титана невелик (Е = 112 гПа).
Рис. 104. Влияние кислорода
и азота на механические
свойства титана
с газами; кислородом,
В ряде агрессивных сред титан обладает
высокой коррозионной стойкостью, которая
в большинстве случаев выше, чем у лучших
марок нержавеющих сталей. Такое поведение
титана связано с образованием на его поверх-
ности плотной оксидной пленки TiO2, кото-
рая надежно защищает металл от окисления
до температур 300—500 °C. Поэтому титан
химически инертен в тех средах, которые
либо не разрушают TiO2, либо способствуют
ее образованию. Титан устойчив в разбавлен-
ной до 5 % серной кислоте, уксусной и мо-
лочной кислотах, сероводороде, во влажной
хлорной атмосфере, в царской водке, в мор-
ской воде и в ряде других агрессивных сред.
Вместе с тем титан интенсивно взаимо-
действует с плавиковой, соляной и серной
кислотами, с горячими растворами щаве-
левой, трихлоруксусной и трифторуксусной
кислот, с галогенами. При температуре выше
500—700 °C оксидная пленка растрескивается
и ее защитные функции резко снижаются.
Поэтому при высоких температурах и осо-
бенно в жидком состоянии титан активно
взаимодействует практически со всеми из-
вестными простыми и сложными по хи-
мическому составу веществами, особенно
азотом, водородом, СО, СО2, водяным па-
ром и др.
Титан получают магниетермическим способом. Исходным сырьем
являются руда, содержащая главным образом рутил TiO2 и ильменит
TiFeO3. Из руды получают титановую губку, которая является
сырьем для производства титана и его сплавов. Она представляет
собой пористый бесформенный материал серого цвета со сравни-
тельно небольшой плотностью (800—2500 кг/м3). Путем переплавки
в вакуумных печах титановая губка перерабатывается в компактный
металл — слиток (см. гл. 18).
Титановая губка содержит примеси: кислород, азот, водород,
железо, магний, кремний, углерод, хлор и др. Эти примеси оказы-
вают существенное влияние на свойства титана и его сплавов. С уве-
личением содержания кислорода, азота, углерода, железа резко
262
Таблица 65. Химический состав титановой губки, %, не болёё
Марка НВ N С C1 Fe Si Ni о2
ТГ-90 90 0,02 0,02 0,08 0,06 0,01 0,05 0,04
ТГ-100 100 0,02 0,03 0,08 0,07 0,02 0,05 0,04
ТГ-110 ПО 0,02 0,03 0,08 0,09 0,03 0,05 0,06
ТГ-120 120 0,03 0,04 0,10 0,13 0,04 0,05 0,08
ТГ-150 150 0,04 0,05 0,12 0,2 0,04 0,05 0,10
снижаются пластические характеристики титановых сплавов с одно-
временным увеличением прочности и твердости. Водород — особо
вредная примесь в титановых сплавах, приводящая к резкому сни-
жению ударной вязкости сплава и его охрупчиванию (водородная
хрупкость).
Количество примесей, содержащихся в губчатом титане, опре-
деляется технологией его получения и чистотой используемых мате-
риалов (тетрахлорид титана, магний и аргон). Ряд элементов (же-
лезо, хром и др.) попадают в титан из материала реактора, в котором
получают губчатый титан.
В табл. 65 приведен химический состав и марки титановой губки
по ГОСТ 17746—72. Титановую губку маркируют по твердости
выплавленных из нее эталонных образцов и поставляют партиями
массой от 500 до 5000 кг. Хранят и транспортируют титановую губку
в алюминиевых барабанах.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Титан и его сплавы обладают замечательной совокупностью свойств,
которые выгодно выделяют их из остальных сплавов. Во-первых,
это высокая прочность при малой плотности. В табл. 66 приведена
сравнительная характеристика механических свойств (удельная
прочность) при 20 °C ряда конструкционных сплавов.
Из данных табл. 66 следует,
что детали из титановых сплавов
при одинаковой массе с деталями,
изготовленными из других кон-
струкционных сплавов, оказывают-
ся примерно в два раза прочнее.
С увеличением температуры эта
разница существенно возрастает.
Во-вторых, титановые сплавы
отличаются высокой химической
стойкостью при температурах до
300—500 °C. Во влажном воздухе,
морской воде, азотной кислоте они
противостоят коррозии не хуже
лучших марок нержавеющих ста-
лей, а в соляной кислоте — во много
Таблица 66. Удельная прочность
ряда литейных сплавов
Основа сплава Марка сплава р, г/см’ Я С и to О ф
Алюми- Ал2 2,65 160 6,0
НИЙ Ал4 2,65 230 8,7
Ал19 2,78 335 12,0
Магний Мл5 4,83 230 12,6
Мл12 1,81 230 12,7
Железо Сталь 25Л 7,85 450 5,7
Х18Н9ТЛ 7,90 490 6,2
Титан Вт5Л . 4,41 690 15,4
Вт20Л 4,50 940 20,9
263
Таблица 67. Состав и свойства некоторых литейных титйновкх сплаЬой
Марка сплава Легирующие компоненты
А1 V Мо Si другие элементы
сс-
ВТ1Л ВТ5Л 4,1—6,2 <0,5 <0,5 -
Псевдо-а.-
ВТ20Л 5,5-7,5 0,8—1,8 0,5—2,0 - 1.5—2,5 Zr
(« + ₽)-
ВТЗ-1Л ВТ6Л ВТ9Л ВТ14Л 5,3—7,0 5,0—6,5 5,6-7,0 4,3-6,3 3,5—4,5 0,9—1,9 2,0—3,0 2,8-3,8 2,5—3,8 0,15—0,4 0,2—0,35 0,8—2,3 Сг; 0,2—0,7 Fe 0,8—2,0Zr
При меча н и е. Т1 — остальное.
раз лучше их. Введение в титан таких легирующих элементов, как мо-
либден, цирконий, ниобий, тантал, повышает коррозионную стойкость.
Указанные свойства титановых сплавов определяют широкое
использование их в авиационной, судостроительной, химической
и ряде других отраслей промышленности.
К недостаткам титана и его сплавов относятся:
1) высокая химическая активность титана при высоких темпе-
ратурах, особенно в жидком состоянии. Это обстоятельство серьезно
осложняет проведение технологических операций, при которых
требуется нагрев металла до высоких температур (плавка и литье,
сварка, обработка давлением и др.);
2) плохая обрабатываемость резанием;
3) более высокая стоимость производства титана по сравнению
с железом, алюминием, магнием, медью.
В технике используют литейные и деформируемые сплавы титана.
Независимо от назначения по классификации С. Г. Глазунова их
делят по структуре на пять групп:
I группа — а-сплавы, структура которых представлена
а-фазой.
II группа — псевдо-а-сплавы, структура которых предста-
влена a-фазой и небольшим количеством 0-фазы (не более 5 %)
или интерметаллидов.
III группа — а + 0-сплавы, структура которых представлена
а- и 0-фазами; сплавы этого типа могут содержать интерметаллиды.
IV группа — псевдо-0-сплавы со структурой в отожженном со-
стоянии, представленной 0-фазой и небольшим количеством а-фазы;
264
Примеси, %, ие более ^в ст0,2 6 1]>
с Fe Si Zr о2 n. н2 МПа не менее % не менее
сплавы
0,07 0,2 0,3 0,35 0,1 0,15 0,8 0,2 0,2 0,04 0,05 0,01 0,015 343 687 294 618 20 14
0,15 0,3 0,15 0,15 0,05 | 0,015 883 | 785 | 5 1 12
0,1 — — 0,5 0,18 0,05 0,015 931 815 4 8
0,1 0,3 0,15 0,3 0,15 0,05 0,015 834 736 5 10
0,15 0,3 —. -— 0,15 0,05 0,015 931 815 4 8
0,12 0,6 0,15 0,3 0,15 0,05 0,015 883 785 5 12
в этих сплавах закалкой или нормализацией из P-области можно
легко получить однофазную p-структуру.
V группа — Р-сплавы, структура которых представлена тер-
мически стабильной Р-фазой.
Состав и свойства литейных титановых сплавов приведены
в табл. 67.
Состав и свойства промышленных деформируемых титановых
сплавов приведены в табл. 68 и 69. По химическому составу (легиру-
ющие элементы) литейные и деформируемые сплавы одинаковы.
Различие заключается в том, что в литейных сплавах допускается
большее содержание примесей.
Из литейных титановых сплавов можно получать сложные по
конфигурации и тонкостенные фасонные отливки для деталей ответ-
ственного назначения. В значительной степени литейные свойства
зависят от величины температурного интервала кристаллизации
сплава. Для промышленных литейных титановых сплавов эта вели-
чина невелика, она не превышает 50—70 °C.
О. Н. Магницкий с сотрудниками исследовал -жидкотекучесть
промышленных титановых сплавов. Для определения жидкотекучести
производили заливку спиральной пробы треугольного сечения (осно-
вание 10 мм, высота 15 мм) в выточенную из прочного графита форму.
Жидкотекучесть исследованных сплавов характеризовалась следу-
ющими значениями:
Сплав ............. ВТ1Л ВТ5Л ВТ9Л ВТ21Л
Длина залитой пробы,
мм............ 520 56Q 505 460
265
Таблица 68. Химический состав промышленных деформируемых титановых
сплавов, %
Сплав А1 Zr V Мо Сг Si Другие элементы
а-сплавы t
ВТ 1-00 — —
ВТ1-0 -—. —
ВТ5 4,3—6,2
ВТ5-1 4,0—6,0 —-
ПТ-7М 1,8—2,5 2—3
2,0—3,0 Sn
П севдо-а-сплавы
ОТ4-0 0,2—1,4 — — — — — 0,2—1,3 Мп
ОТ4-1 1,0—2,5 — —— — — — 0,7—2,0 Мп
ОТ-4 3,5—5,0 -— •—. — —. — 0,8—2,0 Мп
ВТ-4 4,5—6,0 — -—. — — —. 0,8—2,0 Мп
ОТ4-2 5,5—7,0 — — —. — —. 1,0—2,3 Мп
АТ2 — 2 — 1 —. — —
ВТ18 7,2—8,2 10—12 — 0,4—0,8 — 0,05— 0,8—1,2 Nb;
0,18 0,15 Fe
ВТ20 5,5—7,0 1,4—2,5 0,8—2,3 0,5—1,8 — — .—.
ПТЗВ 3,5—5,0 -— 1,5—2,5 —. — .—. —
ТС5 5,0 2,0 2,0 — —. —. 3 Sn
АТЗ 2,5—3,5 — — —. 0,2—0,5 0,2—0,4 0,2—0,5 Fe
АТ4 3,5—5,0 — — — — — 1,5 (Fe, Cr, Si)
(а + Р) -сплавы
BT6 5,3—6,8 —. 3,5—5,3 — — —
BT6C 5,3—6,5 — 3,5—4,5 —. —. •— .—
BT14 3,5—6,3 -— 0,9—1,9 2,5—3,8 —. •—. .—
BT16 1,6—3,8 — 4,0—5,0 4,5—5,5 — — —
BT3-1 5,5—6,5 — —. 2—3 0,8—2,3 0,2—0,4 0,2—0,7 Fe
BT8 6,0—7,3 •—. —. 2,8—3,8 .—. 0,2—0,4 —
BT9 5,8—7,0 0,8—2,5 —- 2,8—3,8 —. 0,2—0,35 —
BT23 4,0—6,2 —. 4—5 1,5—2,5 0,8—1,4 — 0,4—0,6 Fe
BT22 4,5—5,9 — 4,0—5,5 4,0—5,5 0,5—2,0 — 0,5—1,5 Fe
И севдю-ty-сплавы
BT30 BT15 TC6 2,3—3,5 3 5,5 6 11 6,5—7,5 5 9,5— 11,5 11 / 4,5 Sn
₽ -сплавы
4201 - - - 33 - - -
Примечание. Остальное — титан.
266
Таблица 69. Стандартные механические свойства некоторых деформируемых
промышленных титановых сплавов *
Абарка сплава Вид полу- фабриката Вид термо- обработки Е, МПа oD, МПа б, %
ВТ5 Профиль Отжиг ПО ООО 750—950 8—16
ВТ5-1 Штамповки » 110 000 750—950 10
ОТ4-0 Листы » 110 000 500—650 30
ОТ4 » » 110 000 700—900 10—20
ВТ4 » » 110 000 850—1000 12
ВТ20 Листы, прутки » 120 000 900—1100 7—13
АТ4 Листы »' 110 000 850—1050 10
ВТ6 Листы, штамповки » 120 000 950—1100 8—13
ВТ14 Листы » 115 000 930—1100 10
ВТ22 Прутки » 115 000 1100—1250 8
Закалка п 115 000 1400—1550 5
старение
ВТ9 Штамповка Отжиг 115 000 1100—1300 8—14
ВТ15 Листы Закалка 80 000— 880—1020 12—25
90 000
Закалка и 115 000 1350—1500 4
старение
ТС6 Листы То же 115 000 1400—1500 4
Наиболее высокой жидкотекучестью обладает сплав ВТ5Л. Это
объясняется тем, что алюминий снижает вязкость жидкого титана
и повышает теплоту кристаллизации. Сплавы ВТ9Л и ВТ21Л кроме
алюминия содержат добавки (молибден, железо, хром, кремний
и цирконий), которые увеличивают интервал кристаллизации и
снижают жидкотекучесть.
Практически все литейные титановые сплавы имеют близкие
значения линейной и объемной усадки:
ВТ1Л ВТ5Л В T9 Л ВТ21Л
Линейная усадка, % . . . . 0,9—1,1 1,0—1,2 0,85—1,05 0,8—1,0
Объемная усадка, % . . . . 2,7—3,1 3,0—3,2 2,6—3,0 2,4—2,8
Как следует из приведенных данных, колебания величин усадки
невелики. Это_ позволяет принять следующие средние значения
величин линейной и объемной усадки для титановых сплавов соот-
ветственно: 0,95—1,0 % и 2,9—3,0 %.
Большинство титановых сплавов в качестве легирующего эле-
мента содержат алюминий. С введением алюминия повышается
жаропрочность титана, снижается плотность, возрастает корро-
зионная стойкость. Кроме того, алюминий благоприятно влияет на
литейные и технологические характеристики титана: возрастает
жидкотекучесть, сплавы хорошо свариваются. Однако содержание
алюминия в титане не должно превышать 6—8 %, так как в против-
ном случае прочностные и пластические характеристики титана
резко падают.
На рис. 105 представлена диаграмма состояния Ti—Al. Раство-
римость алюминия в а-титане с понижением температуры умень-
267
шается с 11,6 % при 1080 °C до 6.^% при 550 вС. В богатой титайом
области системы Ti—Al образуются- при 1460 °C по перитектической
реакции интерметаллид TiAl и npnj 1250 °C интерметаллид
Кроме алюминия в титан вводят ванадий, цирконий, молибден,
хром, кремний, марганец, олово, железо и другие элементы. Все
легирующие элементы, а также неизбежно попадаемые в металл
примеси, изменяют температуру полиморфного превращения титана.
По этому признаку элементы подразделяют на две группы:
Рис. 105. Диаграмма состояния систе-
мы Ti — М
I группа — а-стабилизаторы —
элементы, повышающие температуру
полиморфного превращения (алюми-
ний, кислород, азот, угдерод и др.);
II группа — Р-стабилизаторы —
элементы, понижающие температуру
полиморфного превращения (цирко-
ний, ниобий, ванадий, молибден, мар-
ганец, железо, хром, кобальт и др.).
Титановые а-сплавы легированы
алюминием и небольшим количеством
олова и циркония. К этой группе
относятся широко распространенные
сплавы ВТ5 и ВТ5Л, которые ис-
пользуют для фасонного литья и
литья слитков. Сплав ВТ5Л имеет
хорошие литейные свойства, хорошо
сваривается. Детали, изготовленные
из сплава ВТ5Л, обладают высокой
коррозионной стойкостью и могут работать длительное время до 400 °C.
С повышением температуры начинается довольно интенсивный про-
цесс окисления.
К недостаткам а-сплавов относится их сравнительно невысокая
прочность; сплавы этого класса термически не упрочняются.
Псевдо-а-сплавы легированы алюминием и в небольшом коли-
честве P-стабилизирующими элементами (марганец, молибден, вана-
дий, хром). При комнатной температуре псевдо-а-сплавы отличаются
более высокой технологической пластичностью по сравнению
с а-сплавами, что обусловлено положительным влиянием Р-фазы,
имеющей кубическую структуру. С повышением температуры в струк-
туре непрерывно увеличивается количество P-фазы, что вызывает
увеличение пластичности сплавов.
Сплавы этой группы — ОТ4-0, ОТ4-1 и. ОТ4 — обладают высокой
технологической пластичностью. Они хорошо деформируются в го-
рячем и холодном состояниях и слитки из этих сплавов идут в основ-
ном для изготовления листов, лент и полос. Из этих сплавов полу-
чают также поковки, прутки, трубы и профили. Сплавы хорошо
свариваются всеми видами сварки. Детали успешно работают до
350 °C. Невысокая прочность и большая склонность к водородной
хрупкости — основные недостатки этих сплавов.
268
Сплав ВТ-18 относится к, наиболее жаропрочным титановым
сплавам: он может длительно работать при 550—600 °C. Однако,
сплав имеет низкие технологические свойства: плохо сваривается,
невысока технологическая пластичность.
Сплавы типа АТ2 обладают высокой пластичностью и ударной
вязкостью и сохраняют ее при криогенных температурах.
Наиболее благоприятное сочетание всех свойств (механических,
технологических, физических) характерно для сплавов, состоящих
из смеси а- и p-фаз (а + р-сплавы). Эти сплавы характеризуются
лучшей технологической пластичностью, высокой прочностью,
способностью к термическому упрочнению закалкой и старением,
меньшей склонностью к водородной хрупкости. Широкое распро-
странение в промышленности находит сплав ВТ6. При комнатной
температуре в структуре сплава ВТ6 содержится 5—10 % Р-фазы
(отожженное состояние).
Для сплава ВТ6 (и его аналогов) характерно удачное сочетание
высоких прочностных, пластических и технологических свойств.
Из сплава ВТ6 изготавливают листы, прутки, трубы, профили,
поковки и штамповки. Они хорошо свариваются.
Сплав ВТ16- в отожженном состоянии содержит в структуре
25—30 % p-фазы. Его применяют в отожженном и термически
упрочненном состояниях. Сплав обладает высокими технологиче-
скими свойствами. Его используют для изготовления крепежных
изделий: болтов, винтов, заклепок и т. п.
Сплав ВТ22 относится к самым прочным титановым сплавам
в отожженном состоянии. В структуре сплава в этих условиях
содержится примерно равное количество а и P-фазы. Из сплава ВТ22
изготавливают высоконагруженные детали и конструкции, дли-
тельно работающие до 350—400 °C. Сплав ВТ23 — более технологи-
чен и широко используется для изготовления деталей различными
методами пластической деформации (ковка, штамповка, вытяжка,
отбортовка и другие операции).
Сплав ВТЗ-1 относится к числу наиболее освоенных в производ-
стве сплавов. Из него изготавливают прутки, профили, плиты,
поковки, штамповки. Аналог сплава ВТЗ-1 сплав ВТЗ-1Л исполь-
зуют для получения фасонных отливок. Литейные свойства сплава
ниже, чем сплавов-ВТ5Л и ВТ1Л. Сплав предназначен для изгото-
вления деталей, длительно работающих при 400—450 °C.
Высоколегированные титановые сплавы, содержащие до 20 %
элементов p-стабилизаторов, относятся к псевдо-Р-сплавам. При
закалке их образуется нестабильная p-фаза, распадающаяся при
старении с выделением дисперсной a-фазы. К основным преиму-
ществам этих сплавов относят высокую технологическую пластич-
ность и склонность к упрочнению после термической обработки.
Сплавы используют для изготовления деталей, работающих при
температуре до 350 °C, так как при более высокой температуре
происходит распад p-фазы и снижение механических свойств. Пред-
ставителем этой группы является сплав ВТ-15, который используют
для изготовления листов, ленты, фольги, штамповок, поковок,
269
прутков и профилей. Для фиксирования P-фазы изделия из сплава
ВТ-15 нагревают до 780—900 °C и затем охлаждают на воздухе
(закалка). После старения по режиму 480—500 °C — 25 ч + 550 —
570 °C — 15 мин сплав существенно упрочняется (см. табл. 69).
Сплавы с термодинамически устойчивой P-фазой (Р-сплавы) со-
держат более 30 % Р-стабилизаторов (ванадий, ниобий), образу-
ющих с титаном непрерывный ряд твердых растворов.
К этой группе относят сплав 4201, отличающийся очень высокой
коррозионной стойкостью и технологической пластичностью. Из
него изготавливает плиты, листы, поковки, штамповки, трубы
и профили.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
При нагреве на воздухе титан активно взаимодействует со всеми
газами. При взаимодействии с кислородом на поверхности титана
образуется наружный плотный слой оксида титана TiO2. Диффузия
кислорода в глубь титана приводит к образованию под слоем ТЮ2
рыхлой прослойки из TiO2 и TiO и слоя титана с повышенным со-
держанием кислорода, который называют газонасыщенным или аль-
фированным. Кислород относится к числу элементов, стабилизиру-
ющих a-фазу (см. рис. 6). Жидкий титан растворяет кислород. При
кристаллизации в системе Ti—О образуется ряд химических соеди-
нений: TiO, Ti2O3, TiO2, TieO, Ti3O. С ростом содержания кислорода
прочность и твердость титана возрастают, а ударная вязкость, отно-
сительное удлинение —резко падают (см. рис. 104). В связи с этим
содержание кислорода в титановых сплавах не должно превышать
0,15—0,2 %.
В пределах до 0,2 % каждая сотая доля процента кислорода
повышает предел прочности на 12,3 МПа, твердость — на 39 МПа
и снижает относительное удлинение и сужение на 1 —2 %.
Азот (см. рис. 104) также является элементом, стабилизирующим
a-фазу. Азот более резко, чем кислород, изменяет механические
свойства титановых сплавов. Поэтому содержание азота не должно
превышать 0,04—0,05 %.
Каждая сотая доля процента азота повышает предел прочности
титана на 19,6 МПа и твердость на 59 МПа. При содержании 0,2 %
азота титан становится хрупким. Давление пара жидкого титана
значительно выше упругости диссоциации соединений титана с кис-
лородом и азотом. Поэтому кислород и азот не удаляются из металла
в процессе плавки (упругость диссоциации (в МПа) TiOlO-21,
Ti2O310-ie, TiO210-14, TiNl,17-10-6.
Водород активно взаимодействует с титаном и поглощается им
в больших количествах до 400 см3/г (рис. 106). Растворимость водо-
рода в титане с ростом температуры снижается и в процессе плавки
большая часть водорода удаляется из металла. Водород — вредная
примесь. Он стабилизирует a-фазу и вызывает охрупчивание сплава.
По этой причине содержание водорода не должно превышать 0,010—
0,015 %.
270
Углерод образует с титаном стойкий карбид TiC, повышает тем-
пературу его полиморфного превращения, увеличивает его проч-
ностные и снижает пластические свойства. Каждая сотая доля
процента углерода увеличивает предел прочности на 7 МПа и твер-
дость на 19 МПа. Титан в жидком состоянии активно взаимодействует
с парами воды, СО, СО2, углеводородными и другими газами.
Наряду с газами титан взаимодействует со всеми огнеупорными
материалами. Высокая химическая активность”обусловливает необ-
ходимость плавки титана и его
сплавов в вакууме или атмосфере
инертных газов. В практике оте-
чественных заводов преимущест-
венно используют вакуумную
плавку.
Отливки из титановых сплавов
получают в установках, в которых
Рис. 106. Диаграмма состояния системы
Ti —Н2
Рис. 107. Схема вакуумно-дуговой гарни-
саж иой плавки
совмещены процессы плавки с заливкой литейных форм и формирова-
нием отливок.
Наибольшее распространение получили вакуумные установки,
плавка металла в которых осуществляется в дуговых печах с рас-
ходуемым электродом в графитовых гарнисажных тиглях (рис. 107).
Для изготовления тиглей используют плотные сорта электродного
графита. Для предотвращения растворения углерода в титане на
внутреннюю поверхность тиглей намораживают слой металла 1
(гарнисажа), оптимальная толщина которого (50—60 мм в донной
части и 12—16 мм по стенкам) может быть рассчитана по уравнению
А. А. Неуструева:
(46)
где 6 — оптимальная толщина гарнисажа, мм; 6Т — толщина стенки
тигля, мм; 6К —толщина водоохлаждаемой стенки корпуса тигля,
мм; Хк —коэффициент теплопроводности стенки корпуса, Вт/(м-К);
а — коэффициент теплоотдачи от корпуса к потоку воды, а «
271
tv 0,3-IO5 Вт/(м2-К); 7t — коэффициент теплопроводности материала
(графита), тигля, Вт/(м-К).
Сущность гарнисажного способа плавки заключается в следу-
ющем. Жидкий металл 2 наплавляется в гарнисажном плавильном
тигле 3 за счет нагрева и расплавления торцевой части расходуе-
мого электрода 4 и стекания капель жидкого металла в тигель.
Нагрев и расплавление осуществляются электрической дугой,
горящей между расходуемым электродом и ванной жидкого ме-
талла.
Расходуемый электрод в большинстве случаев получают путем
переплавки прессованного из титановой губки и легирующих элемен-
тов электрода. По химическому составу металл расходуемого элек-
трода 4 соответствует той марке сплава, из которого изготавливается
отливка (технология изготовления расходуемых электродов по-
дробно описана в гл. 18).
Перед началом каждой плавки на дно гарнисажного графитового
(или медного) тигля укладывают до 30 % от массы плавки крупно-
кусковых отходов собственного производства (прибыли, стойки,
брак отливок), прошедших механическую и химичеекую очистку.
Механическую очистку производят в галтовочных барабанах, на
дробеструйных и дробеметных установках. Механическая очистка
в течение 2—8 ч позволяет очистить поверхность металла на глубину
до 0,1 мм.
После механической очистки разрыхляют окисленные поверх-
ностные слои отходов в растворах следующих составов, г/л: 600—
650 NaOH; 200—250 NaNO3 и 50—60 NaNO2 или 500—700 NaOH
и 150—250 NaNO2. Температура раствора 130—145 °C, время обра-
ботки 0,5—2 ч. Затем отходы промывают в теплой и холодной воде
и подвергают травлению в кислотном растворе состава, мл/л: 60—
70 H2SO4 (плотность 1,84 г/см3) и 60—140 HF (плотность 1,13 г/см3).
Температура 20 °C. Скорость травления составляет 0,2—0,5 мм/ч.
Очищенные отходы промывают в холодной воде и сушат при ПО-—
150 °C. После загрузки отходов печь герметизируют и приваривают
электрод к огарку.
Между расходуемым электродом и кусками шихты зажигают
электрическую дугу. Расходуемый электрод и кусковые отходы
плавятся и жидкий металл накапливается в гарнисажном тигле.
Плавку металла ведут до тех пор, пока не будет наплавлено необхо-
димое количество жидкого металла.
В процессе плавки толщина гарнисажа 1 не должна существенно
изменяться. В случае ее уменьшения жидкий металл может вступить
в непосредственный контакт с материалом тигля, что приведет к зна-
чительному насыщению металла примесями. Непосредственный и
длительный контакт жидкого металла со стенками тигля (плавка без
гарнисажа) недопустим, так как это может вызвать аварийную
взрывоопасную обстановку. Увеличение толщины гарнисажа при-
ведет к снижению массы сливаемого металла и понижению его
температуры. Поддержание оптимальной толщины гарнисажа обес-
печивается соответствующим выбором и регулированием мощности
27?
электрической дуги и интенсивностью отвода тепла от тигля с по-
мощью системы водяного охлаждения 5.
После наплавления необходимой массы жидкого металла его
разливают по литейным формам.
Выбор оптимальной величины разрежения (вакуума) в камере
плавильно-заливочной установки определяется, главным образом,
химической активностью жидкого титана по отношению к элементам,
входящим в состав газовой атмосферы. Термодинамические расчеты
и практический опыт показали, что давление в камере плавильно-
заливочной установки в период плавки и разливки следует поддер-
живать на уровне, не превышающем 0,13—1,33 Па. В этом случае
не происходит увеличения содержания в сплаве элементов, входящих
в состав воздуха (азот, кислород, водород). Для создания вакуума
все плавильно-заливочные установки оборудованы вакуумной си-
стемой, включающей комплекс вакуумных насосов, вакуум-проводы,
вакуумные датчики, задвижки, вентили и т. д. Благодаря вакуумной
системе в камере установки поддерживается требуемое разрежение
и производится откачка газов из камеры с необходимой скоро-
стью.
Режим плавки обычно выбирают с учетом технических пара-
метров плавильных установок: максимальная сила тока 14—35 кА,
напряжение 30—60 В, скорость наплавления сплава 0,7—
1,34 кг/(кВт-ч), длина дуги 50—60 мм. На ряде установок осуще-
ствляется перемешивание сплава с помощью соленоида. Потери
титана в процессе плавки составляют 0,1—0,2 %, потери алюми-
ния — до 2,0 %, марганца —до 10—15 %. В процессе плавки оста-
точное содержание водорода снижается до 0,002—0,003 %.
§ 4. КОНСТРУКЦИИ ПЛАВИЛЬНО-ЗАЛИВОЧНЫХ УСТАНОВОК
Основные узлы плавильно-заливочных установок: вакуумная элек-
тродуговая гарнисажная печь, камера формирования отливки, меха-
низмы загрузки и выгрузки форм, вакуумная система, источник
питания.
Для питания электрической дуги во всех типах плавильно-
заливочных установок применяют постоянный ток. Переменный ток
не обеспечивает стабильности горения дуги. Она гаснет в периоды,
когда величина напряжения близка к нулю. В схеме электрической
дуги постоянного тока катодом служит расходуемый электрод,
а анодом —ванна жидкого металла. Такую схему называют схемой
прямой полярности. Плавка электрической дугой прямой поляр-
ности обеспечивает более высокую температуру наплавляемого
металла. Электрическая дуга стабильна и устойчива, если в зоне
горения дуги поддерживается давление 13—13,3 Па.
В качестве источников питания вакуумных дуговых гарнисаж-
ных печей в последние годы наибольшее применение получили полу-
проводниковые выпрямительные устройства.
В табл. 70 приведены технические характеристики источников
питания,
273
Рис. 108. Схемы разливки металла в плавильно-заливочных установках при горящей (а, б)
и отключенной электрической дуге (в)
Все плавильно-заливочные установки можно разделить на две
группы:
1) установки с разливкой металла при горящей электрической
дуге;
2) установки с разливкой металла после отключения электри-
ческой дуги.
Различные варианты осуществления разливки металла по формам
показаны на рис. 108.
Разливку металла при горящей дуге производят либо путем
одновременного наклона расходуемого электрода и тигля, либо
путем поворота одного тигля специальной (коробчатой) конструкции.
В первом случае (рис. 108, а) наклон узла тигель—электрод
осуществляется внутри неподвижного корпуса плавильно-заливоч-
ной установки. В лабораторных установках с небольшой емкостью
тигля поворот узла тигель—электрод может осуществляться вместе
с корпусом установки.
Во втором случае (рис. 108, б) в боковой стенке коробчатого
тигля имеется сливное отверстие (летка), которое расположено
таким образом, что уровень жидкого металла в процессе плавки не
доходит до нее. После наплавления необходимой массы жидкого
металла тигель поворачивается на 90° и осуществляется слив металла.
При этом относительное положение электрода и жидкой ванны не
меняется и разливка металла идет при горящей электрической дуге.
Таблица 70. Технические характеристики источников питания
электродуговых печей
Марка Выпрям- ленный ток, кА Выпрям- ленное напряжение, В Напряжение сети, В Расход воды, М8/Г Габар итные размеры, м
ИППС 5000/60 ИППС 6000/60 АВП 2213/6 АВП 2223/6 5,0 16,0 12,5 25,0 75,0 75,0 75,0 75,0 380 380 6 000 или 10 000 6 000 или 10 000 1,3 3,0 1,5 3,0 ЗХ 1,5X2 4X4X3 5,5X15, щиты 5,5Х 10 6,5Х 15, щиты 6,5Х 10
274
В печах первой группы с разЛйвкой металла при горящей дуге
не происходит охлаждения ванны при сливе металла из тигля, что
является преимуществом с точки зрения сохранения жидкотекучести
расплава и лучшего заполнения литейных форм. Однако эти печи
менее надежны в эксплуатации, так как механизм перемещения элек-
трода размещен внутри плавильной камеры и подвержен воздействию
теплового излучения и конденсации паров расплавляемого металла;
нередко эти механизмы сложнее по конструкции и в обслуживании.
В печах второй группы перед разливкой металла дугу выключают
и остаток электрода поднимают, чтобы не мешать повороту тигля
(рис. 108, в). В период подъема электрода температура жидкого
металла в тигле понижается, что несколько снижает жидкотекучесть
сплава. Этот недостаток печей данной конструкции становится
мало заметным в печах большой емкости, оборудованных механиз-
мами, позволяющими с высокой скоростью осуществлять подъем
электрода и поворот тигля при сливе металла.
Принципиальная схема вакуумной дуговой плавильно-заливоч-
ной установки с заливкой форм из-под горящей дуги может быть
рассмотрена на примере одной из наиболее простых и удобных
в эксплуатации плавильно-заливочной установки модели 833Д,
предназначенной для мелкосерийного производства титановых от-
ливок небольших и средних габаритов (рис. 109). Основной узел
печи —водоохлаждаемый графитовый гарнисажный тигель 1 рас-
положен внутри цилиндрической вакуумной камеры 2. Снаружи
камеры на верхнем фланце установлен механизм подачи электрода 3,
состоящий из электродвигателя постоянного тока для рабочей подачи
во время плавления и пневмоцилиндра для отброса электрода перед
сливом металла из тигля. Контейнер с литейными формами 4 загру-
жают на центробежный стол с помощью поворотного крана 5. Этим
же краном устанавливают на площадку 6 новый расходуемый элек-
трод с целью его приварки к огарку ранее расплавленного электрода.
Разливка металла после выключения дуги и подъема электрода
производится поворотом тигля с помощью гидропривода вокруг оси,
проходящей через сливной носок. Расплав к форме подается по
приемно-направляющему лотку 7. Привод центробежной машины 8
вынесен за пределы вакуумной камеры, он состоит из электродвига-
теля постоянного тока, редуктора и рамы. Скорость вращения стола
диаметром 1000 мм регулируется бесступенчато от 200 до 600 об/мин.
Емкость тигля —до 130 кг (по жидкому титану), максимальная
сила тока дуги 16 кА.
На рис. НО показана распространенная в промышленности
установка типа «Нева-2», в которой разливка металла осуществляется
без отключения электрической дуги. После наплавления металла
одновременно поворачиваются тигель 11 и расходуемый электрод
вместе с механизмом перемещения электрода 8 и медной шиной токо-
подвода, и слив металла осуществляется без отключения электриче-
ской дуги.
Кроме описанных конструкций используются также установки
типа ВДЛ-4, ОКБ, ДВЛ-250 и др.
275
Рис. 109. Вакуумная плавильно-заливочная установка 833Д
Высокую степень механизации и производительности имеет мно-
гопозиционная вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка
ДВЛ-160М (рис. 111). Она состоит из одной автономной плавиль-
ной 1 и трех заливочных камер 2, а также стенда приварки элек-
трода 3. В каждой заливочной камере размещен стол центробежной
машины диаметром 2250 мм.
Плавильная камера перемещается на тележке мостового типа 4
над заливочными камерами и стендом приварки по рельсам 5. Сты-
ковка плавильной камеры с. заливочной производится с помощью
вакуумных затворов. В плавильной камере находится графитовый
гарнисажный тигель емкостью 400 кг (по жидкому титану). Механизм
поворота тигля с гидропроводом обеспечивает слив металла в течение
4—25 с. Установка имеет три отдельных вакуумных системы. Выне-
сенный отдельно пульт позволяет управлять работой установки
в полуавтоматическом режиме.
За счет применения трех автономных заливочных камер и уве-
личения емкости тигля производительность установки ДВЛ-160М
276
в 7 раз выше установки 833Д. Производительность зависит от дли-
тельности производственного цикла. Значительное время цикла
затрачивается на охлаждение отливок до низких температур в зали-
вочной камере. В установке ДВЛ-160М. этот недостаток устранен
тем, что плавильная камера после слива металла отсоединяется
от заливочной без нарушения вакуума как в плавильной, так и в за-
ливочной камерах. Плавильная камера по рельсам перемещается
к следующей, подготовленной под заливку камере, подсоединяется
к ней и производится плавление металла и заливка форм.
Гарнисажный тигель является основной частью электродуговой
гарнисажной печи. От его конструкции, материала, размеров зави-
сят масса и температура жидкого металла, химический состав ме-
талла, технико-экономическая эффективность и безопасность работы
печи. При неправильно выбранных параметрах тигля происходит
либо недопустимый рост толщины гарнисажа, не позволяющий полу-
чить требуемое количество жидкого металла, либо наоборот, рас-
плавление гарнисажа, приводящее к насыщению металла примесями,
разрушению тигля и возникновению взрывоопасной обстановки.
В гарнисажном тигле можно выделить три основных элемента:
собственно тигель, гарнисаж и систему охлаждения. Кроме того
в конструкцию гарнисажного тигля входят токоподвод, устройство
для слива металла и др.
В дуговых гарнисажных печах широко используют графитовые
тигли как наиболее безопасные в эксплуатации. Применяют также
тигли, изготовленные из меди и реже — из нержавеющей стали.
Рис. ПО. Плавильно-заливочная установка «Нева-2»:
1 — контейнер с литейными формами; 2 — водоохлаждаемый корпус; 3 — механизм на-
клона тигля; 4 — пульт управления печи; 5 — токоподводящне шнны; 6 — смотровое окно;
7 — ребра жесткости; 8 — механизм перемещения электрода; 9 — патрубок для подключения
вакуумной системы; 10 — люки; 11 — тигель
277
Рис. 111. Вакуумная плавнльио-залнвочная установка ДВЛ-160М
Наиболее распространены графитовые тигли с водяным охлажде-
нием боковых стенок и охлаждением дна тепловым излучением (см.
рис. 107). Слив металла из тигля производят через носок путем
наклона тигля на 90—100°. Графитовые тигли вытачивают из целой
заготовки или формуют металлический кожух графитовыми бло-
ками. В первом случае толщина боковой стенки составляет 20—60 мм,
дна —до 100 мм. Плавка в графитовых тиглях, несмотря на наличие
гарнисажа, приводит к некоторому насыщению металла углеродом
и вследствие этого к понижению пластичности металла. Перспек-
тивно применение для плавки титановых сплавов металлических
гарнисажных тиглей. Однако оно сдерживается из-за отсутствия
радикального решения вопроса взрывобезопасности печей, оборудо-
ванных металлическими тиглями с водяным охлаждением.
Рабочий процесс плавки зависит от типа используемой плавильно-
заливочной установки. В общем виде он однотипен и состоит из
следующих основных этапов: подготовки печи к плавке, установки
и приварки расходуемого электрода, создания рабочего давления
в камере печи, плавки металла.
Перед началом работы внутреннюю поверхность печи тщательно
очищают пылесосом и салфетками, смоченными в этиловом спирте.
Титановые сплавы обладают невысокой жидкотекучестью, поэтому
все промышленные плавильно-заливочные установки для улучшения
заполняемости форм расплавом снабжены устройством, позволя-
ющим производить заливку металла во вращающуюся форму. Под-
готовленные под заливку литейные формы устанавливают в металли-
ческий контейнер, который закрепляют на столе центробежного
устройства. Перед разливкой стол приводится во вращение (200 —
400 об/мин).
278
Приварку расходуемого электрода осуществляют либо непосред-
ственно к электрододержателю или к остатку (огарку) электрода,
оставшегося от предыдущей плавки. Электрод точно устанавливают
на место приварки и к его верхнему торцу подводят до касания
электрододержатель. Камеру герметизируют и откачивают воздух
до остаточного давления 67—13,3 Па. Включают источник питания,
устанавливают требуемую силу тока и отводят электрододержатель
от электрода на 10—15 мм до возникновения электрической дуги.
После образования на верхнем торце электрода лунки с жидким
металлом электрододержатель подводят вплотную к электроду и
отключают ток. После охлаждения электрода в течение 20—60 мин
установку разгерметизируют и проверяют качество приварки элек-
трода к электрододержателю. Затем снова герметизируют печь и
откачивают воздух из камеры печи до остаточного давления 0,667—
0,133 Па. Продолжительность откачки составляет 20—40 мин.
Перед началом плавки проверяют герметичность установки. С этой
целью рабочее пространство печи отсоединяют от вакуумной системы
и в нем измеряют остаточное давление
По истечении определенного промежутка времени т (например
5 мин) давление снова контролируют р2. По разнице давлений опре-
деляют величину натекания Н, л-Па/с, отнесенную к единице вре-
мени (мин, с):
Н= У(р2-Р1)/т, (47)
где V — объем камеры печи, л.
Величина натекания не должна превышать значения, указанного
в технической характеристике данной установки. Если натекание
превышает норму, то принимают меры к устранению причин пре-
вышения. Убедившись, что величина натекания не превышает до-
пустимого значения, откачивают камеру печи до требуемого уровня
давления и начинают плавку, для чего включают источник электро-
питания и отводят электрод от дна тигля или от верхнего уровня
загруженной в тигель шихты- на 20—30 мм до возникновения элек-
трической дуги. Затем длину дуги увеличивают до 50—60 мм, силу
тока доводят до 6000 А при напряжении 28 В. Этот режим на при-
мере установки «Нева-2» сохраняется до образования на дне тигля
жидкого металла. После этого силу тока постепенно повышают до
12 000 А, а напряжение поддерживают в пределах 30—40 В и при
этом режиме плавку ведут до конца. За 2—3 мин до окончания плавки
включают центробежную машину, на столе которой закреплен кон-
тейнер с установленными в нем литейными формами. Затем металл
разливают по формам. В зависимости от конструкции печи металл
сливают при горящей или отключенной электрической дуге (см.
рис. 108). Через несколько минут после слива металла центробежную
машину останавливают. После того как температура отливок пони-
зится до 300 —400 °C, камеру печи разгерметизируют и вынимают
контейнер.
В настоящее время разрабатываются и находят промышленное
применение помимо электродуговой и другие методы плавки, в ко-
279
торых сохраняется принцип гарнисажной плавки в вакууме, но
вместо электрической дуги — источника тепловой энергии — исполь-
зуют энергию электронного луча или плазмы. Ведутся исследования
по применению индукционного способа плавки титановых сплавов
в так называемых холодных тиглях.
§ 5. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
Основные особенности технологий связаны с химической актив-
ностью титановых сплавов, высокой температурой литья и неболь-
шой плотностью титана и его сплавов. Для предупреждения насыще-
ния металла примесями формы изготавливают из высокоогнеупорных
и наиболее химически стойких по отношению к титану матери-
алов.
Для получения отливок из титановых сплавов используют ра-
зовые формы (набивные, прессованные, оболочковые, по выплавляе-
мым моделям), а также металлические (литье в кокиль, литье под
давлением).
Для изготовления разовых форм наибольшее распространение
получили формовочные смеси, в качестве огнеупорной основы кото-
рых применяют следующие материалы:
а) углеродные (графит, кокс, пироуглерод и др.);
б) керамические (огнеупорные оксиды, а также карбиды, нитриды
и бориды).
Наилучшей химической стойкостью по отношению к титану обла-
дают формы на основе углеродных материалов. Они нашли широкое
применение в промышленности. Углеродные формовочные смеси
применяют для изготовления набивных, прессованных форм, обо-
лочковых форм и форм, получаемых по выплавляемым моделям.
В качестве огнеупорной основы для изготовления керамических
форм используют высокоогнеупорные оксиды: а-оксид алюминия
(электрокорунд), магнезит и оксид циркония ZrO2.
Из огнеупорных оксидов изготавливают в основном формы, по-
лучаемые по выплавляемым моделям, а также формы, получаемые
набивкой и прессованием.
С целью повышения химической инертности керамических форм
на их рабочую поверхность иногда наносят огнеупорные химически
стойкие по отношению к титану покрытия, состоящие из вольфрама,
молибдена, графита, пироуглерода и других материалов.
Методы литья в кокиль и под давлением находят ограниченное
применение в связи с невысокой стойкостью стальных или чугунных
форм.
Значительная разница в температурах литья (1750—2000 °C)
и формы (20—30 °C), невысокая жидкотекучесть титановых сплавов,
а также невозможность обеспечить необходимый перегрев жидкого
металла, существенно ухудшают заполняемость форм жидким ме-
таллом, а невысокая плотность титановых сплавов и отсутствие атмо-
сферного давления в камере печи не позволяют создать необходимые
условия для питания и формирования отливок. По этим причинам
280
ё большинстве случаев залийку форм производят во враШакйЦйёсй
литейные формы. Поле центробежных сил увеличивает скорость
течения металла по каналам и полостям литейной формы и улучшает
питание затвердевающей отливки жидким металлом из прибылей.
Литье в уплотняемые (набивные, прессованные) формы
Для изготовления литейных форм уплотнением (послойная набивка,
встряхивание, .прессование) в основном используют углеродные
формовочные смеси, где в качестве огнеупорного материала при-
меняют графитовый порошок заданного гранулометрического состава.
Такие формовочные смеси называют графитовыми.
В качестве связующего вещества в графитовых формовочных
смесях применяют синтетические смолы (фенолоальдегидные, фура-
новые и др.) с высоким коксовым числом. Имеются также сведения
об использовании вместо синтетических смол водорастворимых свя-
зующих веществ.
В отдельных случаях при изготовлении деталей неответственного
назначения уплотняемые литейные формы для титанового литья
могут быть изготовлены из формовочных смесей, в состав которых
входят высокоогнеупорные оксиды (MgO и др.).
Графитовые формовочные смеси с органическими связующими
(синтетическими смолами) широко распространены в промышлен-
ности. Их главное преимущество заключается в том, что формы,
изготовленные из этих смесей, обладают относительно высокой
термохимической стойкостью и огнеупорностью.
Технологический процесс изготовления уплотняемых форм из
графитовых формовочных смесей независимо от способа уплотнения
и метода отверждения в обобщенном виде однотипен и состоит из
следующих основных этапов: приготовления формовочной смеси и
ее контроля; изготовления полуформ и стержней; отверждения форм
(холодное и горячее); обжига форм*и стержней; сборки форм; под-
готовки форм к заливке.
По методу отверждения формовочные смеси подразделяют на
смеси холодного и горячего отверждения.
К формовочным смесям холодного отверждения относятся СГУ-1,
СГУ-3, ВГУ-1 и др., горячего отверждения —СГУ-2, СФТ-1,
СФТ-Ш, ATM и др. В смесях первого типа отверждение происходит
в результате полимеризации связующего вещества, вызванного вве-
дением в смесь катализатора (например водного раствора соляной
кислоты или др.). В смесях второго типа полимеризация связующего
вещества осуществляется путем нагрева формовочной смеси. Нагрев
производят либо в нйгревательных печах, куда загружают изготов-
ленные элементы литейной формы (смеси СФТ-1, СФТ-Ш, СГУ-2
и др.), либо в нагретой металлической оснастке в период прессования
элементов литейной формы (смесь ATM).
В табл. 71 приведены физико-механические свойства графитовых
смесей.
281
Таблица ?1. Физико-мёханическиё свойства графитовых формовочнкк
смесей
Марка смеси Сырые образцы Образцы, обожженные прн 1000 °C
прочность на сжатие, МПа газопро- ницае- мость, ед. проч- ность на разрыв, МПа газопрони- цаемость, ед. осыпаемость, % усадка, %
СФТ-1 0,06—0,07 >25 0,8—0,9 150—170 0,10—0,12 2,0—2,2
СФТ-1 п 0,07—0,09 >25 >0,9 >90 <0,1 0,9—1,1
СГУ-2 0,018—0,024 —— 0,7—1,1 -— 0,02—0,05 2,2—2,4
СГУ-3 0,018—0,03 50—65 0,6—1,2 80—100 0,02—0,05 1,9—2,0
БГУ-1 0,025—0,05 — 0,5—0,8 90—150 — 0,8—0,9
Для получения отливок сложной конфигурации, а также отли-
вок, имеющих значительные габаритные размеры, используют формы,
собранные из отдельных элементов —стержней. Стержни изго-
тавливают преимущественно путем послойного уплотнения (набивки)
формовочной смеси в металлических или деревянных ящиках.
Изготовление форм прессованием наиболее эффективно при по-
лучении отливок несложной конфигурации с отношением высоты от-
ливок к ее максимальному размеру в поперечном направлении не
более 0,8. Форма Для таких отливок обычно состоит из двух полу-
форм и имеет не более двух стержней. Процесс изготовления форм
прессованием имеет преимущества по сравнению с процессом формо-
образования встряхиванием и ручной набивкой. Метод позволяет
повысить чистоту рабочей поверхности и увеличить прочность
форм, что важно при центробежном способе литья отливок. Высокая
производительность и достаточно хорошие санитарно-гигиенические
условия труда — характерные особенности метода.
Графитовые формовочные смеси, применяемые для изготовления
форм прессованием, содержат меньшее количество связующего ве-
щества. Поэтому химическая инертность таких форм выше, чем
инертность графитовых форм, получаемых другими методами. Кроме
того, эти формы претерпевают меньшие объемные изменения в про-
цессе тепловой обработки, что благоприятно влияет на точность
линейных размеров отливок.
Технологические свойства изготавливаемых уплотнением форм
(прочность, осыпаемость, газопроницаемость, усадка и др.) в зна-
чительной мере зависят. от следующих основных параметров: гра-
нуломерического состава графитового порошка, вида и количества
вводимого связующего вещества, времени перемешивания формовоч-
ной смеси. Для смесей холодного отверждения важное значение имеют
концентрация и количество вводимого катализатора.
В графитовые формовочные смеси горячего отверждения СФТ-1,
СФТ-1 П в качестве связующего вещества вводят бакелитовый лак —
раствор фенолформальдегидной смолы резольного типа в этиловом
спирте, а в формовочную смесь ATM — фенолформальдегидную
282
смолу № 18 в смеси с уротропином. Для формовочных смесей холод-
ного отверждения используют фурановые смолы.
Перед приготовлением формовочной смеси графитовый порошок
просушивают на металлических противнях в электрических печах
сопротивления при 150—300 °C, 2—3 ч.
Формовочную смесь готовят в бегунах. Время перемешивания
составляет 15—20 мин до получения прочности смеси в сыром состоя-
нии 0,025—0,05 МПа при испытании по. стандартной методике.
В формовочные смеси холодного отверждения вводят катализатор
(например раствор соляной кислоты). Если смесь после приготовле-
ния направляется непосредственно на формовку, то катализатор
Рнс. 112. Модельная оснастка для изготовления графитовых форм прессова-
нием:
1 — прессующая колодка; 2—наполнительная рамка; 3 — опока-жакет; 4—
стержни, оформляющие литниковую систему; 5 — подмодельная плита;
6 — подмодельная обойма
вводят в формовочную смесь на заключительном этапе ее перемеши-
вания. Можно вводить катализатор в смесь и перед формовкой.
В этом случае формовочную смесь из бегунов выгружают в закрытый
бункер, где ее хранят не более 1—3 сут, а затем в нее добавляют
катализатор, перемешивают и направляют на формовку. Смеси горя-
чего отверждения после приготовления направляют либо на фор-
мовку с предварительным вылеживанием 1 —3 ч, либо в закрытый
бункер, где они могут храниться в течение 1-—3 сут.
Элементы литейной формы изготавливают путем уплотнения фор-
мовочной смеси (прессование, набивка, встряхивание) в металли-
ческой или деревянной модельно-стержневой оснастке (модели,
плиты, жакеты, стержневые ящики и др.).
Перед формовкой рабочую поверхность оснастки тщательно очи-
щают и на нее наносят слой разделительного Состава. Металлические
части оснастки покрывают слоем полисилоксановой жидкости, а де-
ревянные — серебристым графитом.
На рис. 112 показана модельная оснастка для прессования гра-
фитовых форм.
Формы, получаемые уплотнением, имеют неодинаковую плот-
ность. Графитовые формы, имеющие градиент плотности по объему,
предрасположены к непостоянной и неравномерной усадке в период
283
их тепловой обработки, короблению и образованию трещин. Для
получения набивных форм с одинаковой плотностью по объему смесь
уплотняют слоями толщиной 30 —60 мм. Особенно велик градиент
плотности в формах, получаемых прессованием. В связи с этим опти-
мальную величину удельного давления прессования выбирают та-
кой, чтобы форма имела во-первых небольшой градиент плотности
по объему, и во-вторых, необходимую прочность при минимальном
содержании связующего вещества.
Практика показывает, что прочность форм на сжатие в пределах
1,0—3,0 МПа и на разрыв 0,7—1,5 МПа оказывается вполне доста-
точной, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие в них при
центробежном способе литья. Формы, изготовленные прессованием
под удельным давлением 3,0 МПа из формовочной смеси СФТ-Ш,
имеют требуемую прочность, невысокий градиент плотности и не-
обходимый уровень других технологических свойств (газопрони-
цаемость, осыпаемость и т. д.).
Графитовые формы, изготовленные прессованием, содержат мень-
шее количество связующего вещества, что увеличивает термохими-
ческую инертность и повышает стабильность ее линейных размеров
из-за снижения объемных изменений в процессе тепловой обработки.
Изготовление элементов форм методом прессования (удельное
давление 3,0 МПа) в нагретой металлической оснастке позволяет
снизить количество вводимого связующего вещества в формовочные
смеси до 7—10 % по сухому остатку. Такие формы обладают еще
большей инертностью и более низкой усадкой (0,1—0,2 %).
Полуформы и стержни, изготовленные из формовочных смесей
горячего отверждения, подвергают тепловой обработке. Уплотнен-
ные полуформы и стержни вначале выдерживают на воздухе в тече-
ние 6—20 ч, затем их помещают в электрические калориферные печи
периодического и методического действия. Нагрев ведут до 220—
250 °C. При максимальной температуре дают выдержку в течение
2 ч. После охлаждения форм до 50—60 °C их выгружают из печи и
направляют на обжиг.
Полуформы и стержни, изготовленные из холоднотвердеющих
смесей, после уплотнения выдерживают в оснастке до полного от-
верждения (20—60 мин), а затем извлекают из нее и также направ-
ляют на обжиг.
В период нагрева в форме могут происходить объемные изменения,
понижающие точность линейных размеров отливок. Основные при-
чины, вызывающие объемные изменения; возникновение температур-
ного градиента по объему элементов формы в период нагрева и де-
формация изготовленных полуформ и стержней под собственным
весом из-за низкой прочности смеси в сыром состоянии. Для того,
чтобы уменьшить неравномерность объемных изменений и дефор-
мации, полуформы и стержни после изготовления укладывают на
металлические плиты и драйеры, а нагрев их производят с неболь-
шой скоростью (до 30—50 град/ч).
Обжиг форм и стержней проводят в электрических печах сопро-
тивления периодического и методического действия. Формы и стержни
284
укладывают на поддон контейнера на графитовую засыпку (рис. ИЗ).
Контейнер, оборудованный затвором с графитовым порошком, за-
крывают крышкой и устанавливают в нагревательную печь. Для
предотвращения окисления графита формы и стержни нагревают
в восстановительной атмосфере, создаваемой газами, выделяющимися
при термодеструкции связующего вещества, входящего в состав
формовочной смеси.
Применяемые в промышленности режимы обжига несколько
различаются между собой в зависимости от марки смеси, метода
уплотнения и отверждения, а также от требований, которые предьяв-
1
Рис. 113. Контейнер для обжига гра-
фитовых форм:
1 — крышка контейнера; 2 — песча-
ный затвор; 3 — контейнер; 4 —
формы; 5 — графитовая засыпка
Рис. 114. Блок литейных форм:
1 — литниковая чаша; 2 — крышка; 3,4 —
стержни; 5 — основание; 6 — прокладка;
7 — гайки; 8 — тяга
ляются к качеству отливки. Так, формы и стержни, изготовленные
из смеси СФТ-1П, подвергают обжигу по следующему режиму:
1) загрузка контейнеров в печь с температурой не выше 500 °C;
2) нагрев с 500 до 700 °C со скоростью не более 300 град/ч и от
700 до 1000 °C со скоростью не более 400 град/ч;
.3) выдержка при 1000 °C 4 ч.
Для повышения термохимической инертности форм обжиг про-
водят в вакуумных печах. Обжиг является технологической опера-
цией, которая определяет также свойства литейной формы, как тер-
мохимическая инертность, стабильность размеров, прочность, осы-
паемость и др.
После обжига полуформы и стержни обдувают сжатым воздухом.
В нижнюю полуформу устанавливают стержни. Шаблойами и щупами
контролируют правильность установки стержней. После установки
верхней полуформы всю форму скрепляют болтами или струбцинами.
Небольшие формы могут быть собраны стопкой в блок, соединенный
с литниковой системой (рис. 114).
Крупные формы или блоки вместе с элементами литниковой си-
стемы устанавливают в контейнер. Зазоры между стенками контей-
нера и формами засыпают материалом с объемной массой, близкой
285
к средней объемной массе металла отливки и материала формы
(титановая губка, полые алюминиевые шары и др.).
Контейнер с собранными формами устанавливают и закрепляют
на центробежном столе плавильно-заливочной установки. После
герметизации печи и создания необходимого вакуума в плавильно-
заливочной камере наплавляют необходимое количество жидкого
металла. Приводится во вращение центробежный стол и осуще-
ствляется заливка литейных форм расплавом.
Литье в оболочковые формы
Оболочковые формы изготавливают из графитовых формовочных
смесей, огнеупорной основой (наполнителем) которых является
порошок графита. В качестве связующего вещества используют
синтетические смолы, которые после тепловой обработки превра-
щаются в твердый углеродистый продукт (кокс, полукокс), прочно
цементирующий зерна графита.
Наибольшее распространение для изготовления оболочковых форм
получили графитовые смеси СГО-3 и СГО-4. Смесь СГО-3 рекомен-
дуется применять для литья мелких и средних, а смесь СГО-4 —
крупных особо ответственных деталей. Ниже приведены физико-
механические свойства данных смесей (после прокалки):
СГО-3 СГО-4
Прочность на сжатие, МПа. . 4 1,0—1,2 0,8—1,1
Газопроницаемость, ед. ... 20—30 >30
Усадка, %............... 3,5—4,0 2,5—3,0
В общем виде технология изготовления оболочковых форм из
графитовых смесей подобна технологии их приготовления из смесей
на основе кварцевого песка (см. гл. 7).
Оболочка должна обладать не только достаточной прочностью,
но и определенной газопроницаемостью, которая особенно важна
на этапе тепловой обработки формы, поэтому необходимо чтобы
формовочная смесь имела определенный гранулометрический состав.
Необходимые свойства имеет формовочная смесь, состоящая- из
65—75 % графитового порошка зернистостью 0,4 мм, 25—35 %
графитового порошка зернистостью 0,063 мм и 25—35 % (сверх
100 %) мелкая фракция 0,063—0,16 мм.
Формовочную смесь готовят в смешивающих бегунах .или спе-
циальных смесителях. Предварительно графитовый порошок разма-
лывают и просеивают. Пульвербакелит просеивают через сито с ячей-
кой 0,63 мм. Необходимое количество порошка графита и пульвер-
бакелита загружают в смеситель и перемешивают в течение 20—
25 мин. Затем смесь подают на место формовки.
Подготовка модельно-стержневой оснастки к работе заключается
в протирке деталей, а затем их промывке в органических раствори-
телях или в обезжиривающих химических составах. После подго-
товки оснастку нагревают до 180—200 °C и с помощью пульвериза-
тора на ее рабочую поверхность наносят тонкий слой разделитель-
286
Кого состава. Затем осйастку Помещают в печь и выдерживают
при 200—250 °C в течение 30 мин. Эту операцию повторяют 3—4 раза
до получения пленки толщиной 0,2—0,8 мм. В процессе работы через
каждые 3—4 съема оболочек наносят один слой разделительного
состава. Сушка в этом случае длится 5—10 мин.
Технологический процесс получения оболочковых полуформ ме-
тодом свободной засыпки состоит в том, что модельную плиту, на-
гретую до 200 —250 °C, с укрепленными на ней моделью и литниковой
системой устанавливают на опрокидывающийся бункер с графито-
вой смесью и закрепляют на нем. При повороте бункера на 180°
пульвербакелит в слое формовочной смеси, прилегающей к модель-
ной оснастке, плавится и смачивает зерна графита в слое толщиной
12—15 мм. Длительность выдержки составляет 30 —50 с.
Толщина образующейся оболочки при выдержке формовочной
смеси на нагретой модельной оснастке и, следовательно, ее прочность
и другие свойства зависят от температуры модели и времени вы-
держки. Средняя толщина оболочки полуформ не должна превы-
шать 12—16 мм. Модельную плиту вместе с образовавшейся на ней
оболочковой полуформой с целью ее отверждения помещают в на-
гревательную печь с температурой 300 °C на 5—7 мин. Затем ос-
настку извлекают из печи, с помощью выталкивающего механизма
снимают с нее затвердевшую оболочку и направляют на обжиг.
При нагреве из пульвербакелита выделяется значительное коли-
чество газов, которые могут вызвать значительные объемные изме-
нения и привести к растрескиванию и короблению оболочки. Поэтому
режим тепловой обработки оболочек (скорость нагрева, изотермиче-
ские выдержки) выбирают с учетом интенсивности газовыделения
в процессе их нагрева. Установлено, что при 500—550 °C, 650—
700 °C, 900—1000 °C наблюдается наибольшая интенсивность газо-
выделения. Поэтому при нагреве оболочек предусматривают вы-
держки при указанных температурах.
Режим тепловой обработки оболочковых полуформ подобен режи-
мам тепловой обработки набивных, прессованных и других форм,
изготовленных из графитовых формовочных смесей. Достаточно вы-
сокая газопроницаемость оболочки и малая толщина позволяют
несколько увеличить скорость нагрева оболочек между изотермиче-
скими выдержками. Общий цикл тепловой обработки оболочек ко-
леблется в пределах 10—20 ч. Для предупреждения окисления гра-
фитовых оболочек на воздухе охлаждение оболочек ведут вместе
с печью до 400 °C. Для предотвращения коробления оболочек при
тепловой обработке их жестко скрепляют друг с другом. После
тепловой обработки оболочки контролируют, производят их сборку
и установку в заливочный контейнер.
Литье по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям получило наибольшее распростра-
нение для изготовления сложных по конфигурации и тонкостенных
отливок. Технологический процесс изготовления форм по выплав-
287
Таблица 72. Модельные составы, %, и их свойства
Состав Парафин Церезин Стеарин Буроугольный воск Торфяной воск Кайнфоль Полистнроль Другие компоненты и с Ч О Е т S О Е д о п г Линейная усадка, 12^. _ i Зольность, %
ПС 50-50 50 50 47,5 43 2,0 1,0 0,8 0,05
Р-3 58 25 —. 12 — — — 5 79 58 2,7 1,3 1,05 0,1
КПСЦ 50-30-20 — 20 —. — — 50 30 — 140 — 7,7 3,8 1,0 0,03
ВИАМ-102 20 — — 50 25 — —. 5 80 53 3,8 —. 0,9 0,25
КбБк 98-2 Карба- мид 98; борная кислота 2 120 4,0
ляемым моделям для титанового литья в основном подобен процессу
изготовления форм для стального литья.
Для изготовления форм применяют огнеупорные материалы —•
графит, электрокорунд, кокс.
Для изготовления моделей применяют те же модельные составы,
что и для стального литья: ПС-50-50, Р-2, Р-3, КПСЦ> ВИАМ-102
и др. Состав и технологические свойства модельных составов при-
ведены в табл. 72.
Приготовление пастообразных модельных составов ведут в спе-
циальных установках с лопастным поршневым или шестеренчатым
смесителями. Готовая масса подается в пресс-машину, где запрессо-
вывается в пресс-форму. Полученные восковые модели собирают
в модельные блоки с литниковой системой, обезжиривают и окраши-
вают. Для окраски применяют три вида суспензий: на электрокорунде
со связкой на основе гидролизованного этилсиликата, графитовую
и коксовую, где в качестве связующего используют фенолформаль-
дегидные смолы, а в качестве катализатора — кислоты.
Электрокорундовые формы для литья титана применяют ограни-
ченно, так как жидкий титан взаимодействует с формой и на поверх-
ности отливок образуется газонасыщенный слой. Для уменьшения
загрязнения металла примесями содержание SiO2 в суспензии не
должно превышать 10—11 %. Использование суспензии, приме-
няемой для изготовления форм стального литья и содержащей
18 % SiO2, приводит к значительному повышению содержания кисло-
рода, кремния и других элементов в металле отливки.
В приготовленный гидролизованный раствор этилсиликата вво-
дят смесь порошков электрокорунда, %: 20 —микропорошок
№ М7, М10 или М14; 40 — шлифпорошок № 3; 40 —шлифпоро-
шок № 4.
288
Соотношение гИдролпзованного раствора этилсиликата п по-
рошков электрокорунда составляет 400—450 см3 на 1 кг порошков.
Приготовленную керамическую суспензию выдерживают в течение
2—3 ч до удаления пузырьков воздуха и затем наносят на восковую
модель. В качестве присыпочного материала применяют электро-
корунд № 32, 40, 63 и 80.
Послойную сушку оболочки проводят на воздухе или в вакуумно-
аммиачных камерах. После нанесения необходимого количества
слоев модельную массу удаляют из формы, а форму подвергают
тепловой обработке. Обжиг форм ведут в печах с воздушной средой
при 970—1000 °C с выдержкой 2—3 ч.
Наибольшее распространение для литья титановых отливок полу-
чили графитовые формы, так как они лучше других противостоят
взаимодействию с жидким титаном.
Суспензию для графитовых форм готовят на основе фенолофор-
мальдегидных смол или фенольнобаритовых, которые разводят
спиртом до плотности 0,95—0,96 г/см3 и в указанный раствор вво-
дятся порошки графита следующего состава, %: 20—25 —сухой
коллоидальный графит; 75—80 — графитовые порошки марок ГМЗ,
ЭК зернистостью 0,03—0,1.
Огнеупорная суспензия на основе графита содержит следующие
компоненты, %: 20—25 —связующее—смола ВИАМ; 7—9—от-
вердитель — контакт Петрова; 30—36 —растворитель —этиловый
спирт; остальное — наполнитель — графитовый порошок.
Графитовые порошки перед применением необходимо просушить
при 150—180 °C для удаления влаги.
Суспензию приготавливают в следующей последовательности:
порошки тщательно перемешивают со спиртово-смоляным раство-
ром, после чего в суспензию вводят отвердитель. Готовая суспензия
должна иметь плотность 1,15—1,2 г/см3. Для первых двух слоев
плотность должна составлять 1,18—1,2 г/см3, последующих 1,15—
1,17 г/см3. Для создания оболочки на модель с суспензией наносят
графитовые порошки зернистостью 0,1—1,5 мм. Для 1—3-го слоев
используют порошки зернистостью 0,1—0,5 мм, а для последующих
0,6—1,5 мм. После нанесения заданного количества слоев модель-
ную массу выплавляют и оболочки подвергают тепловой обра-
ботке.
Обжиг графитовых форм ведут в две стадии. Первую стадию
проводят в печах типа Ц-105 с графитовым затвором или в контей-
нерах при 800—850 °C. Графитовый затвор предотвращает попада-
ние воздуха в зону форм и исключает окисление графитовой обо-
лочки. Вторую стадию ведут в вакуумных печах с индукционным
нагревом типа УПФ-841 или ОКБ-749. Графитовые формы, прошед-
шие высокотемпературную обработку, обеспечивают наилучшее ка-
чество поверхности отливок и наименьшую глубину газонасыщенного
слоя. Эти формы широко применяют для литья ответственных деталей.
Одним из недефицитных материалов для изготовления форм по
выплавляемым моделям является кокс. Кокс имеет хорошие физико-
механические свойства и сравнительно невысокую стоимость.
10 Заказ 235 289
При изготовлении коксовых форм суспензию также готовят на
основе кокса. Технология изготовления оболочковых коксовых
форм по выплавляемым моделям аналогична технологии изготовле-
ния графитовых форм за исключением Обжига. Высокотемпературный
обжиг коксовых форм проводят при 1300—1500 °C. Это связано
с тем, что в связующем веществе и материале обсыпки до темпера-
туры 1600 °C сохраняется структура кокса. При повышении тем-
пературы кокс начинает превращаться в графит, что вызывает воз-
никновение в форме дополнительных напряжений, приводящих
к образованию микротрещин и снижению ее прочности.
Мероприятия по повышению химической инертности форм
Формы для литья титановых сплавов обладают недостаточной хими-
ческой инертностью. В результате в период затвердевания и охла-
ждения металла между отливкой и формой развиваются физико-
химические процессы, которые приводят к увеличению содержания
вредных примесей (кислорода, азота, водорода, углерода и др.)
в металле отливки и, особенно, в ее поверхностном слое. Примеси
увеличивают твердость, прочность металла и резко снижают пласти-
ческие характеристики. Значительно снижается предел усталости,
заметно ухудшаются эксплуатационные характеристики литых де-
талей. Повышенное содержание примесей в металле не позволяет
в большинстве случаев использовать для повторной переплавки
литейные отходы, так как примеси, за исключением водорода, не
удаляются из металла при его расплавлении.
Поэтому одной из основных проблем фасонного литья из тита-
новых сплавов является разработка технологических мероприятий,
способствующих повышению инертности литейных форм. Часть
таких мероприятий в настоящее время используется в промышлен-
ности, часть — находится в стадии разработок.
Углеродные материалы по сравнению с керамическими являются
более инертными по отношению к титану. Однако, обладая развитой
пористостью, они сорбируют значительное количество газов. При
нагреве формы затвердевающим металлом эти газы выделяются из
формы и вступают в химическое взаимодействие с металлом отливки.
Кроме того, значительное количество га^ов выделяется из формы
за счет термодеструкции связующего вещества — фенолформальде-
гидной смолы (бакелитового лака). В процессе обжига форм (800—
1000 °C) фенолформальдегидная смола превращается в кокс, который
прочно соединяет зерна графита. В структуре кокса содержатся
радикалы —ОН, —Н.
Так как поверхностные слои формы нагреваются до высоких
температур (1200—1600 °C), происходит термодеструкция кокса,
которая сопровождается выделением значительного количества га-
зов. Поэтому с ростом содержания связующего вещества газосодер-
жание углеродных форм возрастает. .Наибольшее количество свя-
зующего вещества содержится в графитовых формах, изготовляемых
290
по выплавляемым моделям, а наименьшее — в прессованных гра-
фитовых формах.
Инертность углеродных форм можно повысить путем технологи-
ческих мероприятий, способствующих более низкому газосодержа-
нию литейных форм. Так, повышение температуры обжига с 1000
до 1500—1800 °C, уменьшение содержания связующего вещества
в' формовочной смеси, исключение контакта обожженной формы
с атмосферой воздуха, на этапе ее подготовки к заливке и т. д. зна-
чительно уменьшают газотворность форм.
В случае изготовления отливок в керамических формах получают
развитие обменные химические реакции титана с материалом литей-
ной формы, а также с газообразными продуктами, выделяющимися
из формы при, ее нагреве (диссоциация оксидов, испарение компо-
нентов и др.).
С целью повышения инертности применяют комбинированные
-(многослойные) формы, внутренний (рабочий) слой которых обладает
-определенными свойствами; снижающими загрязнение металла от-
ливки примесями в период ее формирования. Рабочий слой много-
слойной формы может быть получен следующими путями:
1) нанесением на рабочую поверхность формы защитного - по-
-крытия;
2) пропиткой поверхностного слоя форм ингибиторами;
3) введением в формовочную смесь, предназначенную для изго-
товления облицовочного слоя, специальных веществ;
4) изготовлением облицовочного слоя из наиболее инертных
материалов.
Наибольшее распространение получил первый метод.
Защитные покрытия классифицируют по функциональному на-
значению и по роду материала, из которого они изготовлены. По
функциональному назначению защитные покрытия подразделяют на
-барьерные и газозащитные. Барьерные покрытия наносят на'рабо-
чую поверхность литейной формы. Они предотвращают непосредствен-
ный контакт металла отливки с основным материалом формы, а сами
слабо реагируют с титаном и материалом формы. Эти покрытия пред-
отвращают химическое взаимодействие конденсированных веществ,
входящих в состав формы, с отливкой, но не предохраняют металл
от взаимодействия с газами, выделяющимися из формы при ее на-
. греве заливаемым металлом. В зависимости от метода нанесения
материал покрытия может проникать в поры литейной формы на
определенную толщину. - J
Газозащитные покрытия также наносят на рабочую поверхность
литейной, формы. Такие покрытия, во-первых, выполняют функции
барьерных, т. е. предотвращают непосредственный контакт расплава
е основным материалом формы, и, во-вторых, препятствуют взаимо-
действию отливки с газами,, выделяющимися из формы.
Освоен и находит применение метод нанесения пироуглерод-
ного покрытия на керамические (корундовые) формы, получаемые по
выплавляемым моделям. Пироуглеродное покрытие получают путем
.термического разложения метана, пропан-бутана и других: угле-
10* .291
Рис. 115. Реактор для обработки форм уг-
леводородными газами
водородных газов. Углеводородный газ, попадая в зону высоких
температур (более 900 °C), подвергается пиролизу с образованием
пироуглерода, который осаждается в порах и на поверхности на-
гретых керамических форм. Разработаны различные технологиче-
ские варианты осаждения пироуглерода: продувка газа через вну-
треннюю полость литейной формы, принудительная фильтрация
газа через пористую стенку литейной формы при внешнем омывании
газа, осаждение пироуглерода в вакууме и др.
Исследованиями В. М. Александрова и др. выявлены определен-
ные преимущества способа нанесения пироуглеродного покрытия
путем полной объемной пропитки
формы при внешнем омывании
формы углеродными газами.
На рис. 115 показан реактор
для обработки форм углеводород-
ными газами. Он состоит из ци-
линдрического корпуса с затво-
ром /, крышки 2, трубы для
подачи газа 3, турбулизирующей
сетки с опорой 4, трубы 5 для от-
вода продуктов реакции из внут-
ренних полостей форм 6, стакана 7
для установки форм, чехла для
термопары 8, перепускного клапа-
на 9. Все элементы, за исключе-
нием корпуса, жестко соединены
с крышкой в единый блок. При
подготовке к работе блок извлека-
ют из корпуса, газовые трубы
продувают сжатым воздухом, в
стаканы устанавливают прокален-
ные формы и изолируют внешние
стенки от внутренних набивкой
смеси 10. Затем блок с формами
устанавливают обратно в корпус
реактора, в затвор которого на-
сыпают кварцевый песок 11. Собранный реактор помещают в печь,
разогретую до 940—980 °C. Через 40—60 мин реактор соединяют с
газовой магистралью и в течение 3—5 мин продувают аргоном.
Затем подают пропан концентрацией до 70 %.
Продолжительность процесса зависит от толщины стенки отли-
вок и составляет 40—90 мин. Через указанное время отключают ли-
нию пропана, а спустя 3—5 мин — линию аргона. Реактор из печи
переставляют в охладительный кожух, через 30 мин его разбирают
и повторно подготавливают к работе. За смену процесс может повто-
ряться 3 раза, а при изготовлении установки непрерывного дей-
ствия 6—7 раз.
Весьма перспективным является процесс нанесения на ке-
рамические формы металлических покрытий, а также покрытий,
292
в составе которых имеются вещества — геттеры, способные
поглощать газы, выделяющиеся из формы в период формирования
отливки.
Способы заполнения литейных форм
Заполнение форм жидким металлом производят в неподвижные
(стационарная заливка) или во вращающиеся формы (центробежная
заливка). При стационарной заливке заполнение форм осуще-
ствляется под действием металлостатического напора. Этот способ
применяют редко, так как он позволяет получать отливки небольших
размеров и простой конфигурации.
Для стационарной заливки форм применяют расширяющиеся
литниковые системы с нижним и боковым (щелевым) подводом ме-
талла, обеспечивающие поступление металла в полость формы с мас-
совой скоростью не менее 10—30 кг/с. Необходимый расход металла
обеспечивается применением литниковых систем с соотношением
FCT Ршл : Рпит = 1:3:4 или 1 : 2 : 2,5 и площадями сечений
литниковых каналов на 20—30 % большими, чем при литье углеро-
дистой стали. Толщину питателей принимают не менее 6—8 мм при
минимальной (не менее 15 мм) длине. С целью уменьшения потерь
тепла литниковые каналы принимают по возможности короткими,
а сечения их — круглыми или близкими по конфигурации к квадрату.
При выборе положения отливки в форме, типа литниковой си-
стемы, конфигурации и размеров литниковых каналов и места под-
вода питателей к отливке руководствуются теми же правилами, что
и при разработке технологии изготовления отливок из алюминиевых
и магниевых сплавов.
Для обеспечения питания затвердевающих тепловых узлов ти-
тановых отливок применяют установку прибылей на каждом из них.
Общие прибыли малоэффективны из-за низкой теплопроводности,
высокой скорости затвердевания титановых сплавов и отсутствия
атмосферного давления. Диаметр основания прибыли при литье
в металлические и графитовые кокили должен составлять не менее
удвоенной толщины питаемого узла; при литье в уплотняемые
формы 2,5 толщины, а при заливке в оболочковые формы 3 толщины
питаемого узла. Высоту прибыли принимают обычно равной двойной
высоте питаемого узла, но не меньше основания прибыли.
С целью улучшения заполняемости и условий питания отливок
при стационарной заливке можно использовать устройства, позво-
ляющие в период заполнения и затвердевания создавать дополни-
тельное давление на жидкий металл с помощью инертных газов
(вакуумно-компрессионное литье) или электромагнитных кондук-
ционных насосов.
Для центробежной заливки используют литниковые системы,
построенные по принципу сифонного заполнения формы. Они имеют
вертикальные и горизонтальные каналы, расположенные в плоскости
разъема формы, и питатели с подводом металла к тонким сечениям
отливок.
293
Рис. 116. Заливочный контейнер и лит-
никовая система:
1 тигель; 2 — приемно-направ-
ляющий лоток; 3 — направляющая
втулка; 4 — заливочный контейнер;
5.-ТГ- центральный стояк; 6 — колодец;
7 — питатель; 8 — отливка; 9 — лит-
никовый ход; 10 — центробежный
стол; 11 — привод центробежного сто-
ла; 12 — наполнитель
На рис. 116 показана литниковая система, используемая прй
центробежном способе литья. Элементы литниковой системы, изго-
товленные, как правило, из тех же формовочных смесей,- что и эле-
менты формы (центральный стояк 5, литниковый ход 9, колодец 6)
и литейные формы устанавливают в металлический заливочный кон-
тейнер 4. Свободное пространство между стенками контейнера и фор-
мами заполняют титановой губкой
или каким-либо другим наполни-
телем. Заполненный и закрытый
крышкой контейнер перед началом:
плавки закрепляют на центробежном
столе 10 плавильно-заливочной уста-
новки. После наплавления металла
центробежный стол приводится во
вращение с помощью электроприво-
да 11.
Из тигля 1 металл сливается в
приемно-направляющий лоток 2 и
через направляющую втулку 3 по-
падает в центральный стояк 5. Из
центрального стояка металл движет-
ся по литниковому ходу 9 и затем
поднимается по колодцу 6. Под
действием избыточного давления,
развиваемого центробежными сила-
ми, жидкий металл из вертикального
колодца по питателям 7 попадает в
рабочую часть формы 8 и запол-
няет ее.
Все размеры сечений указанных
элементов литниковой системы опре-
деляют, исходя из следующих двух
основных положений:
1) на всем пути движения метал-
ла от направляющей втулки До ра-
бочей части отливки расход жидко-
го металла должен быть постоян-
ным;
2) скорость движения потока должна быть достаточной для
обеспечения заполнения рабочей полости формы.
Расчеты и практика позволили определить основные параметры
элементов литниковой системы, удовлетворяющие названным требо-
ваниям.
Расход металла при его сливе из тигля в приемно-направляющий
лоток составляет 30—50 кг/с. Диаметр сливного отверстия приемно-
направляющего лотка колеблется в пределах 80—120 мм. Длина
центрального стояка соответствует высоте заливочного контейнера,
а внутренний диаметр равен 120—400 мм. В зависимости от числа
форм, устанавливаемых в контейнере, и их расположения в нем,
294
центральные СТбЯкй имеют 4, 8 или 12 Литйиковых отверстий диа-
метром 30—50 мм. Литниковые ходы 9, как правило, изготавливают
цилиндрическими с внутренним диаметром 30 —50 мм и в отдельных
случаях коническими. Геометрические размеры колодца 6 (или
коллектора) выбирают в зависимости от конфигурации отливки и ее
расположения в контейнере. Площадь сечения этих элементов лит-
никовой системы принимают равной площади сечения литникового
хода на его выходе.
Размеры сечения питателей 7 и их число должно быть таким,
чтобы, во-первых, обеспечивалось постоянство расхода металла
и, во-вторых, не возникал перегрев литейной формы в месте подвода
металла, приводящий к образованию механического пригара. Исспе-
.дованиями В. Б. Лебедева установлено, что эти условия соблюдаются,
,если через каждый квадратный. сантиметр сечения питателя в про-
цессе заполнения будет проходить не более 2 кг металла. Форма
(сечения питателя может быть различной (прямоугольник, круг,
трапеция и т. д.).
Отливки из титановых сплавов часто имеют такие дефекты, как
спаи, неслитины, газовые раковины. Образуются они в период
заполнения литейной формы жидким металлом. Основная причина
их образования — движение расплава по каналам литейной фэрмы
с непрерывно изменяющейся (возрастающей) скоростью по мере
удаления потока от центрального стояка (оси вращения).
Движение потока жидкого металла с увеличивающейся скоростью
по рабочей полости формы сопровождается разделением потока, на
множество отдельных струй; при наличии местных сопротивлений
(повороты, внезапное расширение и сужение канала и др.) в потоке
возникают завихрения. Эти негативные процессы способствуют
образованию указанных выше дефектов. Поэтому при разработке
технологического процесса литья титановых отливок следует стре-
миться к тому, Чтобы жидкий металл двигался по каналам и поло-
стям литейной формы в виде компактного, не распадающегося на
^отдельные струи потока. Для обеспечения полного заполнения рабо-
чей полости формы следует выдерживать скорость движения жидкого
металла достаточно высокой.
Характер движения жидкого металла, а также его скорость при
центробежном литье, зависят от числа оборотов центробежного
стола, расстояния сечения отливки от оси вращения и от направле-
ния расположения в контейнере канала с движущимся по нему
металлом относительно оси вращения (рис. 117). Движение ме-
талла в виде компактного потока без его разрыва и образования от-
дельных струй осуществляется только по направлениям осей X,
Y и Z. Во всех остальных случаях линейная скорость потока по мере
движения непрерывно возрастает, что и является основной причиной
разрушения компактного потока на отдельные струи. По этой при-
чине литейные формы, предназначенные для изготовления протя-
женных, тонкостенных отливок, обычно располагают в заливочном
контейнере таким образом, чтобы основные протяженные полости
формы совпадали с направлением оси Y или Z. Движение металла
295
Б этом направлении осуществляется в виде Компактного потока И
с высокой скоростью. Движение металла по каналам формы, совпа-
дающее по направлению с осью X, создает наилучшие условия для
формирования компактного потока.
Ниже приведены расчетные данные, показывающие величину
скорости движения жидкого металла v в зависимости от ориентации
Рис. 117. Основные варианты расположения отливок относительно оск цеи-
трального стояка (оси вращения контейнера):
1 — центральный стояк; 2 — отливка; 3 — литниковый ход; а — направле-
ние — X; б — направление У; в — направление Z
канала формы относительно оси вращения, числа оборотов центро-
бежного стола п и расстояния рассматриваемого сечения канала
от оси вращения а
а, м ... . . . 0,25 0,5 0,25 0,5
п, об/мин . ... 200 200 300 300
v, м/с:
~Х . . ... 1,5 3,30 3,00 5,10
Y . . . . . . 0,030 0,018 0,050 0,020
Z ... . . . . 2,80 5,20 7,90 11,00
При центробежном способе литья возникают значительные по
величине давления, которые могут деформировать или разрушить
литейную форму. Величина давления, действующего на материал
литейной формы, зависит от числа оборотов контейнера и расстояния
рассматриваемого сечения формы от оси вращения. Прочность
современных форм, изготовленных из графитовых и других формо-
вочных смесей такова, что они выдерживают нагрузки, которые
могут возникать при вращении контейнера радиусом до 1,5 м с числом
оборотов в минуту 200—400.
Выбирая расположение литейной формы в контейнере, учиты-
вают также особенности организации питания отливки металлом из
прибылей в условиях центробежного литья.
Направленное затвердевание отливки и обеспечение необходимых
условий для питания достигается в том случае, если наиболее мас-
сивные ее части располагаются в контейнере ближе к оси вращения.
На массивные части обычно устанавливают прибыли, которые
располагают таким образом, чтобы они находились по отношению
к питаемому узлу со стороны оси- вращения. Прибыли располагают
296
горизонтально или под небольшим углом к горизонту. Их выполняют
закрытыми. Конфигурация и способы установки прибылей показаны
на рис. 118.
Наибольший диаметр прибыли Dnv составляет 1,2—1,4 диаметра
питаемого узла; высота прибыли обычно в два раза превышает ее.
диаметр.
Скорость вращения стола центробежной машины рассчитывают
с учетом габаритов, толщины стенок отливок и выбранного коэф-
фициента утяжеления. При выбранной скорости вращения литейная
форма в контейнере должна располагаться относительно оси вра-
щения таким образом, чтобы линия свободной поверхности металла
(параболоида), соответствующая этой скорости, не пересекала тела
отливки и была выше ее.
Рис. 118. Конфигурация прибылей и схемы их установки (а — в)
Вращающаяся форма заполняется металлом направленно от
наиболее удаленных частей отливки к центру вращения. Перепад
давлений, возникающий в слое металла, способствует всплыванию
неметаллических включений и газовых пузырьков и удалению их
в прибыль. Повышенное давление уменьшает вероятность зарожде-
ния и развития газовых пузырьков. Вращение стола центробежной
машины продолжается до полного затвердевания отливки. Извле-
чение форм из плавильно-заливочных установок производят после
охлаждения отливок до 300—350 °C.
Критерием оптимальности принятой технологии изготовления
отливок из титановых сплавов, кроме их качества, является удель-
ный расход жидкого металла. Считают, что эта величина не должна
быть больше 2,5 т на тонну годных отливок. Снижения удельного
расхода достигают максимальным наполнением контейнера формами
с тем, чтобы возможно полно использовать массу плавки, примене-
нием рациональных литниковых систем, уменьшением расхода, ме-
талла на разбрызгивание.
Литье под давлением
Наряду с литьем в уплотняемые и керамические формы большое
внимание уделяют в настоящее время разработке технологии литья
под давлением. Предложена и опробована установка для литья
под давлением (рис. 119) с двумя вакуумными камерами — для
плавки и заливки. Порция расплава при повороте тигля через
сливную воронку попадает в камеру прессования и под давлением
297
Поршня поступает в полость пресс-формы. Отливки выдерживают-
в пресс-формах 5—10 мин, в течение которых они охлаждаются до.
500—550 °C, а затем извлекают.
Материалом для'изготовления пресс-форм служат жаропрочная
сталь ЗХ2В8Ф и титановые сплавы ВТ5, ВТ5 1. Для увеличения
стойкости пресс-форм используют вставки из молибдена. Камеры
прессования изготавливают? из сплава ЖС6.
В качестве смазки применяют спиртовой раствор коллоидального
графита плотностью 0,9—0,92 г/см? или бакелито-фторисгую. эяьуль-
Рис. 119. Установка для литья титана под давлением:
1 — электрод; 2 — тигель; 3 — воронка; 4 — пресс-поршень;. 5 — камера прес-
сования; 6 — пресс-форма
сию. Смазку наносят пульверизатором на нагретые до 180—250 °C
пресс-формы. Толщина слоя смазки не должна превышать 40 мкм.
Подвод металла осуществляют в наиболее толстые части отливок
с помощью питателей, толщина которых соизмерима с толщиной
стенок отливок.
Перед заполнением металлом пресс-формы нагревают до 450—
500 °C. Для литья под давлением наиболее пригодными* являются
сплавы ВТ5Л и ВТ20Л. Они обладают неплохой жидкотекучестью,,
небольшим интервалом кристаллизации и низкой склонностью, к. об-
разованию трещин.
Выбивка, обрубка, очистка и контроль качества отливок
Выбивку форм и стержней производят после охлаждения отливок
до 20—30 °C с помощью пневматических зубил.
Литники и прибыли отделяют ацетилено-кислородной резкой.
Отливки подвергают дробеструйной или пескоструйной обработке
с использованием корунда вместо песка, обрубке и черновой механи-
298
Чёской обработке. После выбивки отливки подвергаются визуальному
контролю с целью обнаружения недоливов, неслитин, шерохова-
тостей и других дефектов. Внутренние несплошности выявляют
рентгенопросвечиванием.
Для исправлейия дефектов широко применяют аргоно-дуговую
заварку, которую проводят в специальной камере в атмосфере
аргона. Внутренние несплошности могут быть устранены методом
горячего изостатического прессования.
Для снятия остаточных напряжений отливки могут подвергаться
отжигу. Отжиг проводят при 800 °C, а для сплава ВТ9Л — при
940 °C в инертной среде. Применяют также неполный отжиг при
600 °C, который можно проводить в воздушной среде. Время от-
жига —510 2 ч.
Литература: 2, 16, 19, 23, 32, 37, 40, 43, 44 (см. рекомендатель-
ный библиографический список).
Глава 12
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ СПЛАВОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
§ 1. СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
Для изготовления деталей, работающих при температурах (свыше 1000 °C)
используют тугоплавкие металлы и сплавы на их основе. Все тугоплавкие металлы
относятся к переходным элементам и расположены в 1-м, 2-м и 3-м длинном периодах
Периодической системы Д. И. Менделеева. Металлы, представляющие наибольший
практический интерес, относятся к подгруппам VA (V, Nb, Та) и VIA (Сг, Мо, W).
Основные физические свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 73.
Тугоплавкие металлы имеют невысокие коэффициенты теплопроводности и ли-
нейного расширения. Все тугоплавкие металлы, за исключением х)юма, имеют
низкое значение давления паров. Тугоплавкие металлы высокой чистоты отличаются
большой пластичностью при комнатной температуре. Прочностные характеристики
у металлов подгруппы VIA заметно выше, чем у металлов подгруппы VA.
В табл. 74 приведены значения предела прочности и относительного удлинения
тугоплавких металлов при нормальных и высоких температурах. Наибольшую
прочность при высоких температурах имеют вольфрам и молибден.
Таблица 73. Физические свойства тугоплавких металлов
Свойство V Сг Nb Мо Та W
Атомный номер 23 24 41 42 73 74
Атомная масса 50,942 51,996 92,906 95,94 180,948 183,85
Атомный диаметр, нм 0,263 0,250 0,286 0,272 0,286 0,274
р, г/см3 6,10 7,15 8,60 10,2 16,6 19,3
^ПЛ’ °C 1900 1875 2460 2620 2980 3400
^КИП» °C 3350 2500 4800 4600 5400 5500
с, Дж/(г-К) 0,499 0,460 0,272 0,256 0,142 0,147
X, Вт/(м-К) 37 90 54 142 55 150
а-КГ6, К-1 8,3 5,9 7,1 5,1 6,6 4,5
.Модуль Юнга, ГПа 135,2 250,0 106,8 336,3 188,3 415,0
299
Таблица 74. Механические свойства тугоплавких металлов при 6t
Свойство V Nb Та Сг Мо W
оЕ, МПа 6, % Металлы высокой чистоты 200 I 250 I 200 I 420 40 1 60 1 50 1 44 480 42 500—600 13,5
Металлы технической чистоты
о=, МПа 6, % 260—450 40—25 300—450 50—20 380—500 40—30 500—900 0 800—900 10—15 800—1100 0
ов, МПа (при 1095°C) 50 77 119 70 176 239
Рабочая температу- 650—1100 1100— 1300— 700—1150 1200— - 1650—
Ра, °C 1300 1650 1450 2200
Тугоплавкие металлы характеризуются хорошей коррозионной стойкостью
в целом ряде агрессивных сред. Наибольшей коррозионной стойкостью обладают
хром, молибден и вольфрам.
Ряд свойств тугоплавких металлов, таких например, как высокая склонность
к химическому взаимодействию с газовыми и другими средами при повышенных тем-
пературах, резкое снижение пластичности при загрязнении металлов кислородом,
азотом, углеродом, водородом, существенно усложняет технологический процесс
изготовления деталей из тугоплавких металлов и ограничивает область их использо-
вания.
При повышенных и высоких температурах тугоплавкие металлы активно взаимо-
действуют с кислородом и другими газами. Лишь хром обладает высоким сопротивле-
нием окислению, которое начинается в заметной степени при 700 °C. Все остальные
тугоплавкие металлы начинают окисляться при 500—600 °C. Высокая склонность
тугоплавких металлов к окислению затрудняет их использование в качестве высоко-
жаропрочных материалов, так как приходится защищать изделия из этих материалов
специальными покрытиями.
Ванадий, ниобий, тантал активно взаимодействуют с водородом. Процесс по-
глощения металлами водорода начинается при температурах выше 300—500 °C.
Сплавы, содержащие водород выше определенной для каждого сплава кон-
Nb —*-02,% °z
Рис. 120. Диаграмма со-
стояния (часть) системы
Nb—О2
центрации, становятся хрупкими (водородная хруп-
кость).
Тугоплавкие металлы технической чистоты и особенно
хром, молибден и вольфрам имеют низкую пластичность.
У этих металлов переход от вязкого состояния к хрупко-
му происходит при температурах, близких к 0,15/пл. Это
обстоятельство также оказывает серьезные затруднения
в производстве заготовок и их использование в конструк-
циях машин и агрегатов.
Металлы VA погруппы (V, Nb, Та) способны рас-
творять водород, кислород, азот, углерод в значительно
больших количествах, чем металлы VIA подгруппы (Сг,
Mo, W). На рис. 120 и 121 приведены части диаграмм
состояния молибдена и ниобия с кислородом, из которых
следует, что растворимость кислорода в ниобии на два
порядка выше растворимости кислорода в молибдене. Как
следует из диаграмм состояния, растворимость этих эле-
ментов в тугоплавких металлах с понижением темпера-
туры уменьшается и при температурах ниже 1000—1500 °C
в хроме, молибдене и вольфраме она ничтожно мала.
Так, растворимость кислорода при 1400 °C составляет
0,26, 0,6 и 1,0 % для тантала, ниобия и ванадия и
0,0004 и 0,0001 % для молибдена и вольфрама соответст-
300
Ьенно. Поэтому При концентрациях Этих прИмёсей, пре-
вышающих предел растворимости, в структуре сплавов
образуются неметаллические включения, приводящие к
резкому снижению пластичности и повышению склонности
сплавов к хрупкому разрушению.
Температура перехода тугоплавких металлов из вяз-
кого состояния в хрупкое повышается с увеличением кон-
центрации примесей внедрения. В металлах VA подгруппы
наиболее резко повышает температуру хладноломкости во-
дород. В молибдене наиболее вредны кислород и углерод.
Анализ свойств тугоплавких металлов и практика по-
казывают, что не все тугоплавкие металлы по совокуп-
ности физических и технологических свойств могут с
успехом использоваться в качестве конструкционных ма-
териалов для изготовления деталей, работающих при
высоких температурах. Хром и ванадий и их сплавы,
хотя и имеют довольно высокую температуру плавления,
однако по своим, свойствам и по уровню рабочих темпе-
ратур не превосходят лучшие жаропрочные сплавы на
никелевой основе.
Широко используются в промышленности сплавы
на основе ниобия и молибдена. Ниже приведены ос-
новные физические и технологические свойства этих спла-
вов и на их примере рассмотрены основные особенности
плавки и литья заготовок из тугоплавких металлов.
Рис. 121. Диаграмма со-
стояния (часть) системы
Мо-О,
§ 2. СВОЙСТВА НИОБИЕВЫХ И МОЛИБДЕНОВЫХ СЦЛАВОВ
Основные достоинства ниобия: хорошие технологические свойства (высокая пластич-
ность, удовлетворительная свариваемость), относительно невысокая плотность
(8,57 см3/г), удовлетворительная коррозионная стойкость, широкое распространение
в природе, малое сечение захвата тепловые нейтронов. К недостаткам ниобия и его
сплавов относятся низкая стойкость против окисления и невысокий модуль упруго-
сти (Е = 105 000 МПа).
Примеси внедрения — кислород и азот — сильно упрочняют ниобий. Углерод
слабо влияет на механические свойства, водород — охрупчивает металл.
Из элементов, применяемых в качестве легирующих компонентов, наиболее су-
щественно повышают прочностные и жаропрочные характеристики ниобия цирко-
ний, гафний, вольфрам, ванадий и молибден. В табл. 75 приведен химический состав
и механические свойства ряда ниобиевых сплавов.
К достоинствам молибдена относятся: высокие температура плавления и жаро-
прочность, относительно невысокая (по сравнению с вольфрамом) плотность (10,2
г/см3). Удельная прочность молибдена до 1400 °C выше, чем вольфрама. Молибден и
его сплавы отличаются высоким модулем упругости, малым сечением захвата тепло-
Таблица 75. Химический состав, %, и механические свойства (при 20 °C)
ниобиевых сплавов
Сплав W Мо Zr С Ti “в, МПа 6, %
ВН2 __ 3,8—5,2 0,05
ВН2А — 3,5—4,7 0,5—0,9 0,08 —. —. —
ВИЗ —. 4—5,2 0,8—2,0 0,08—0,16 -— 780 18
ВН4 — 8,5—10,5 1—2 0,25—0,5 0,01—0,05 810 16
ВН6 4,5—6 4,5—6 1,0 — — 890 —-
5ВМц 4,5-5,5 1,7—2,3 0,7—1,0 0,02 — 450 30
Примечание. Mb — остальное.
301
Таблица 76. Химический состав, %, И механические свойства молибденовых
сплавов в деформируемом состоянии
Сплав » Ti Zr с Другие элементы ав, МПа в. %
тсмз . * 0,06—0,10 0,03—0,1 N 930/— 4/—
ЦМ5 — 0,4—0,6 0,04—0,07 — 775/500 11,5/6,0
ЦМ2А 0,07—0,3 0,07—0,15 0,004 • — 800/220 25/18
ВМ1 До 0,4 ' 0,08—0,25 0,01 — 800/340 10/17
вмз 0,8—1,3 0,3—0,6 0,25—0,50 1,0—1,8 Nb 830/535 * 0/9 *
МР47ВП — — •—- 47,0 Re 1780/— —
• При 1300 °C.
Примечания. 1. Мо — остальное. 2. В числителе — сг_ и б при 20°C, в зна-
менателе — при 1200 °C.
вых нейтронов, доступностью и развитой технологией производства. Недостатками,
молибдена и его сплавов являются низкое сопротивление окислению при температу-
рах выше 500 °C и малая пластичность при нормальных температурах.
Примеси внедрения (кислород, азот, водород, углерод) резко ухудшают пластич-
ность металла и повышают температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое.
Растворимость указанных примесей в молибдене ничтожно мала и поэтому в металле
технической чистоты всегда имеются включения оксидов, нитридов, карбидов.
Легирующие элементы — никель, кобальт, железо, цирконий, гафний, тантал,
ниобий — повышают прочностные характеристики молибдена.
Химический состав и механические свойства ряда молибденовых сплавов приве-
дены в табл. 76.
§ 3. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ТУГОПЛАВКИХ СПЛАВОВ
Особенности плавки тугоплавких сплавов определяются высокой химической актив-
ностью металлов и сплавов при больших температурах и особенно в жидком со-
стоянии.
Для предотвращения насыщения сплавов примесями из газовой атмосферы
нагрев и плавку ведут в вакууме, в кристаллизаторе или в гарнисажных тиглях.
Шихта, используемая для плавки тугоплавких сплавов, в большинстве своем
содержит в недопустимых количествах примеси, поэтому процесс плавки должен
осуществляться таким образом-, чтобы рафинирование металла происходило в про-
цессе его плавления.
В качестве шихты применяют штабики и отходы промышленного и собственного
производства. Штабики поступают с металлургических заводов. Их изготавливают
из' порошков тугоплавких металлов. Производство штабиков является сложным про-
цессом, состоящим из следующих металлургических операций: рассева порошков,
прессования, низкотемпературного (1000—1200СС) и высокотемпературного (более
2000 °C) спекания, правки, обрубки, сварки и др.
Приготовленные для переплавки штабики содержат значительное количество
примесей, которые не позволяют получать высококачественные заготовки.
В табл. 77 приведены данные о содержании примесей в исходных порошках нио-
бия и молибдена и в спеченных штабиках.
Из таблицы следует, что рафинирование и дегазация штабиков при их спекании
- в твердофазном состоянии хотя и приводит к снижению содержания кислорода, азо-
та, углерода, водорода, однако значительная часть примесей остается в металле.
Для получения литых заготовок исходную шихту — пакеты из штабиков — плавят
в вакуумных электродуговых или электронно-лучевых печах. Эффективный метод
дальнейшего снижения содержания примесей — переплавка шихты в электронно-
лучевых печах. Высокая температура жидкого металла и достаточно низкое давление
(13,3—1,3 МПа) в камере печи позволяют производить глубокую очистку металла от
302
Таблица 77. Содержание примесей в порошках и спеченных штабиках, %
Металл Вид полу* фабриката Ог N, Н, с
Ниобий Порошок 0,5 0,1 —— 0,2
Штабик 0,04 0,05 0,001 0,06
Молибден Порошок 0,17 0,01 —. 0,025
» Штабик * 0,0023/0,01 0,0006/0,0014 0,0005/0,0005 0,006/0,008
В числителе — спекание в вакууме, в знаменателе — в атмосфере водорода.
примесей. Применение электронно-лучевой плавки не только обеспечивает эффектив-
ное жидкофазное рафинирование от примесей, но и позволяет в определенных пре-
делах регулировать содержание этих примесей за счет введения в шихту активных
раскислителей (С, В и др.) и обезуглероживающих и карбидообразующих добавок
(Ti, Zr и др.).
Ниже приведены данные о высокой эффективности очистки металлов от приме-
сей при электронно-лучевой плавке.
02 с N,
Мо............. 0,0060/0,0005 0,0040/0,0012 0,0041/0,0003
Nb ....... 0,05/0,015 0,02/0,007 0,021/0,006
Примечание. В числителе — содержание примеси в шихте,
Н2
0,0005/0,0001
0,002/0,001
знаменателе —
в слитке.
При электронно-лучевой плавке удаляются путем испарения также и металличе-
ские примеси. При этом следует учитывать, что может происходить испарение основ-
ного металла и легирующих элементов. Эффективное удаление примесей происходит
в том случае, когда давление пара примеси не менее чем в 10 раз выше давления пара
основного металла.
Такие примеси, какБе, Ni, Си, Мп, Сг, Al, Pb, Bi, Sb, Са, Mg, Zr, Р, S, удаляются
из ванны жидкого металла в период электронно-лучевой плавки. Электронно-луче-
вая плавка позволяет получать высококачественные заготовки при переплавке не
только штабиков, но и брикетов, полученных прессованием стружки и мелкоизмель-
ченных отходов. Более глубокая очистка от примесей может быть обеспечена двой-
ным переплавом металла в электронно-лучевых печах и путем введения в металл в про-
цессе плавки активных добавок. Так, с целью более глубокой очистки молибдена
от кислорода в расплав вводят активные оксидообразующие добавки (С, В, РЗЭ,
Zr, Ti и др.). Эти элементы имеют более высокое сродство к кислороду, чем молиб-
ден, и восстанавливают их оксиды:
МоО3 + ЗС-э- Mo + ЗСО f ;
МоО3 + ЗСО-»- Мо + ЗСО2 |.
Углерод — вредная примесь и поэтому его вводят в расплав в таком количестве,
чтобы в процессе раскисления он полностью удалялся из металла в виде газовой фазы.
Максимальное снижение содержания углерода в тугоплавких сплавах особенно в ме-
таллах VIA подгруппы является важнейшей технологической задачей, способствую-
щей повышению качества сплавов. Углерод резко снижает пластичность и способ-
ствует повышению температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние.
Частично углерод удаляется при электронно-лучевой плавке. С целью нейтра-
лизации вредного воздействия углерода в тугоплавкие металлы вводят в небольших
количествах высокоактивные карбидообразующие элементы: титан, цирконий, гаф-
ний. Они образуют с углеродом карбиды, которые кристаллизуются в виде мелких
разрозненных включений, слабо влияющих на свойства металла.
Широко распространен в промышленности вакуумный электродуговой способ
плавки. Однако этому способу присущ один существенный недостаток. Степень
303
Рис. 122. Плавильный
уаел электродуговой ва-
куумной печи для полу-
чения слитков из туго-
плавких сплавов
ОЧИСТКи металла от примесей при электродуговой плавке
ниже, чем при электронно-лучевой.
Электродуговые вакуумные печи с расходуемым элек-
тродом по своей принципиальной схеме ие отличаются от
аналогичных печей для плавки титановых сплавов. При-
меняют печи нескольких конструкций, но все они имеют
один и тот же принцип работы и отличаются друг от дру-
га габаритными размерами и различной компоновкой от-
дельных узлов.
Расходуемый электрод I (рис. 122), состоящий из
штабиков, закрепляют в специальной головке электродо-
держателя 2. С помощью механизма перемещения элек-
трододержателя расходуемый электрод опускают в водо-
охлаждаемую изложницу 3. Затем между электродом 1 и
«затравкой» 4, изготовленной из того же металла, что и
расходуемый электрод, зажигают электрическую дугу.
Нижний торец расходуемого электрода оплавляется и кап-
ли жидкого металла, стекая в изложницу, формируют
слиток.
Печи работают на постоянном и переменном токе.
Диаметр выплавляемых слитков 250—300 мм.
В табл. 78 приведены технические характеристики
электродуговых печей, применяемых для плавки тугоплав-
ких металлов. Конструкция и принцип работы электроду-
говых гарнисажиых печей рассмотрены в гл. IV.
Разработаны конструкции ’электродуговых вакуум-
ных печей для гарнисажной плавки тугоплавких сплавов.
При гарнисажной электродуговой плавке тугоплавких ме-
таллов применяют графитовые тигли, установленные в
водоохлаждаемую обойму и металлические водоохлаждае-
мые тигли. Сохранение в процессе плавки постоянной
толщины гранисажа — одна из основных проблем гарнисажной плавки. При не-
правильно выбранном режиме плавки возможны следующие отклонения:
Таблица 78. Технические характеристики электродуговых плавильных
установок
Параметры' ДВВ-125 ДВП-500 ЦЭП-368 ЦЭП-374 ЦЭП-317А ВД-80
Мощность, кВт 270 210 300 300 300 300
Напряжение, В 60 60 60 60 60 60
Диаметр кристалли- затора, мм Сила рабочего тока, А * 80, 100, НО, 125 НО по но ПО, 140, 150, 180 80, 100, 115
4500/6000 3500/1000 5500/— 5500/— 10000/12000 6000/—
Высота кристалли- затора, мм 750 1000 1000 1000 1000 2500
Скорость плавления, кг/мин 0,6—0,3 0,5—0,3 0,5—0,3 0,5—0,3 1,0—3,0 0,5—3,0
Удельный расход электроэнергии, кВт-ч/кг 0,8—2,0 1—2 1—2 1—2 1—2 1—2
Расход охлаждаю- щей ВОДЫ, Ъ1?1ч 8—10 8 12 12 15 12
Высота печи, м 4,1 8 8 8 9,15 8
Масса печи, т 1,5 1,5 2,5 3,0 3,7 3
* В числителе — при работе на постоянном токе,
в знаменателе — иа переменном.
304
Таблица 79. Технические характеристики электроиио-лучевых плавильных
установок
Параметры ПЭЛ-300 ПЭЛ-1000 ЕМО-200 ЕМО-1200 ЭРП-2А-1000
Мощность электронной пуш- ки, кВт Число пушек Габариты печи, м: 300 1000 200 1200 500
1 1 1 1 2
площадь 7X10 13X17 13X16 15X26 10,8X11,6
высота Размер выплавляемых слит- ков, мм: 6 9 9 • 18 7,2
диаметр 60—270 100—500 70—230 500—800 160—280
длина 1500 3000 1500 3000 1500
прямоугольного сечения Максимальный размер пе- реплавляемых электродов, мм: '70X200 80X250 370X240
диаметр 250 380 150 280 200
длина 2500 3000 2200 2200 1500
Число загрузочных уст- ройств (расположение за- грузочных устройств гори- зонтальное) 1 2 1 2 1
1) увеличение толщины гарнисажа с одновременным уменьшением объема жид-
кой ванны и снижением температуры металла;
2) уменьшение толщины гарнисажа, что может привести к непосредственному
контакту жидкого металла с материалом тигля и вызвать загрязнение металла или
аварию.
В настоящее время разработаны методы автоматического управления процес-
сом плавки, обеспечивающим сохранение оптимальной толщины гарнисажа.
Слив металла из тиглей осуществляют чаще всего путем поворота гарнисаж-
ного тигля. В качестве материала форм используют графит различных марок, мед-
ные сплавы, молибден, вольфрам и их сплавы. Применяют также различные формо-
вочные смеси на основе графитового порошка. Для предупреждения взаимодействия
металла с углеродом формы на рабочую поверхность форм плазменным напылением
наносят защитные покрытия из различных химически- и жаростойких материалов.
Для обеспечения заполнения форм жидким металлом и повышения плотности отливок
заливку металла производят во вращающиеся формы.
Промышленные электронно-лучевые печи выпускают разных конструкций. В ка-
честве примера на рис. 123 показана электронно-лучевая печь ПЭЛ-1000.
Печь ПЭЛ-1000 оборудована универсальным загрузочным устройством (рис. 124),
позволяющим переплавлять любой вид шихты (штабики, обрезь, стружка, кусковые
и другие отходы) с автоматической подачей шихтовых материалов в зону плавки.
Компактные материалы (круглые слитки, пакеты штабиков, брикеты) помещают
в трубу 11 загрузочного бункера и закрепляют в каретке 15, соединенной с ходовым
винтом 8, приводимым в движение двигателем 12 через зубчатую передачу 14, редук-
тор 13, и подают с требуемой скоростью в зону плавки. При плавке сыпучих мате-
риалов в полость загрузочной трубы 11 помещают обойму 10 со шнеком 9, загружен-
ную предварительно исходным сыпучим шихтовым материалом. При вращении шнека
сыпучая шихта по специальному желобу поступает в зону плавления.
Печь ПЭЛ-1000 оборудована мощной электронной пушкой с оригинальными
узлами и системами, которые обеспечивают высококачественную плавку металла и
надежную работу установки. В табл. 79 приведены основные технические характери-
стики некоторых типов электронно-лучевых промышленных установок,
305
7 J
Рис. 123. Электроиио-лучерая печь ПЭЛ-1000:
1 — плавильная камера; 2 — электронная пушка; 3 — загрузочное устройство; 4 — смотровое устройство; 5 — кристаллизатор;
6 — камера для слитка; 7 — подвижная платформа для перемещения слитка; 8 — вакуумные насосы; 9 — фланец с вакуумны-
ми уплотнениями для присоединения камеры к плавильной камере; 10 — металлические охладители; 11 — слиток; 12 — под-
дон-затравка; 13 — механизм вытягивания слитка
7 8 9 W 1112 7J 74
Рис. 124. ЭЛек'гройнО'ЛуЧеьая печь ПЭЛ-
1000 с одним из шихтовых бункеров:
1 — слиток; 2 — трубы для охлаждения
кристаллизатора; 3 — механизм вытягива-
ния слитка; 4 — кристаллизатор; 5 —
крышка плавильной камеры; 6 — элек-
тронная пушка; 1 — вакуумная камера;
8 — ходовой виит; 9 — неподвижный
шиек; 10 — обойма для загрузки сыпучих
материалов; 11 — загрузочная труба; 12 —
электродвигатель; 13 — редуктор;
зубчатая передача; 15 — каретка
В зависимости от требований,
предъявляемых к литым заготовкам,
а также от марки выплавляемого спла-
ва и вида используемой шихты, приме-
няют различные варианты плавки с
использованием вакуумных дуговых
(ВДП) и электронно-лучевых печей
(ЭЛП).
С целью получения заготовок с .•
требуемыми химическим ’ составом,
структурой и свойствами применяют
также двойной переплав: плавку ис-
ходной шихты с целью литья круглых
слитков (I переплав) и переплавку по-
лученного слитка (расходуемого элек-
трода) в готовую продукцию (II переплав). Наиболее часто используют варианты
плавок, проводимые по схемам, приведенным на рис. 125.
Изготовление готовой продукции из тугоплавких сплавов по схеме 1 обычно
проводят в том случае, если не предъявляются особые требования к чистоте металла
Схема I
Изготовление расходуемого электрода из штабиков
-------------------f-----------------
Плавка в вакуумной дуговой печи с целью
получения слитка I переплава
Плавка слитка I переплава
в гарнисажных печах ВДП
с целью получения фасонных
отливок и заготовок
Плавка слитка I переплава
в печах ВДП с целью
получения готовой
продукции (слитков)
Схемой', • *. I
Подготовка шихты для плавки ЭПП; пакеты из штабиков, /
кусковые отходы, брикеты,крупный порошок и Др,
Плавка шихты в ЭЛП
' слитка! переплава
цю~получения
и
Плавка слитка
I переплава
В гарнисажных
печах ВДП с цепью
получения фасонных
отливок и заготовок
Плавка слиткц
I переплава'• <
в печах ВДП
с целью получения .
готовой продукции
(слитков)
Плавка слитка
- 1переплава
8 печах ЭЛП
с целью получения
готовой продукции '
(слитков)
Рис. 125. Варианты плавок с двумя переплавами
3D7
по содержанию ь них примесей. В связи с относительно неглубоким разрежением
в плавильной камере вакуумной дуговой печи (133—13,3 МПа) степень очистки ме-
талла от примесей при плавке в ВДП ниже, чем в электронно-лучевых печах. По-
этому целесообразно применять электродуговую плавку для второго переплава,
а именно, для переплавки электродов (слитков I переплава), полученных в элек-
тронно-лучевых пёчах (схема 2).
Литература [15, 16, 23, 30, 36, 45] (см. рекомендательный библиографический
список)
Глава 13
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ СПЛАВОВ ЛЕГКОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
К числу, легкоплавких металлов относят цинк, свинец, олово и кадмий. Все они
имеют плотность, превышающую 7 г/см3, и входят в группу тяжелых металлов.
§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ
Цинк обладает гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой и
не испытывает аллотропических превращений. Температура плавления цинка 419°C;
температура кипения 907 °C; плотность при комнатной температуре 7,14 г/см3.
В литом состоянии циик имеет иизкне прочностные (ов = 20—70 МПа) и пластиче-
ские свойства (6 = 0,3—0,5 %).
Чистый цинк используют, в основном, в виде деформированных полуфабрикатов
(листов, полос, плит), в полиграфической и электротехнической промышленности.
Основную массу листов используют для изготовления малогабаритных источников
тока; значительное количество цинка расходуют на изготовление типографских
клише и приготовление различных сплавов. Цинк имеет хорошую коррозионную
стойкость в атмосферных условиях и в пресной воде, поэтому его широко используют
для защитных покрытий кровельного железа и изделий из него (баки, ведра).
В нагретом состоянии (>150 °C) цинк хорошо воспринимает пластическую де-
формацию, склонность к которой ухудшается в присутствии сотых долей процента
примеси олова. Образуя с цинком легкоплавкую эвтектику (198 °C), олово сообщает
ему красноломкость, делая невозможной обработку давлением при повышенных
температурах. При совместном содержании примесей олова и свинца образуется еще
более легкоплавкая (150 °C) тройная эвтектика (цннк — олово — свинец).
Свинец, как и олово, практически нерастворим в твердом цинке. При быстром ох-
лаждении сплава цинка со свинцом удает-
ся получить равномерное распределение
свинца по границам зерен. Ввиду боль-
шого различия электропотенциалов свинец
увеличивает склонность цинка к коррозии,
ускоряет растворимость его в кислотах.
Это свойство свинца используют при из-
готовлении типографских клише из сплава
цинка с 1 % свинца.
Примесь железа повышает твердость
цинка и задерживает его рекристаллиза-
цию. При содержании железа более
0,001 % образуется хрупкая твердая фа-
за FeZn, (рис. 126); при 0,2 % железа
цинк нельзя подвергать прокатке.
ГОСТ 3640—79 предусмотрен выпуск
девяти марок цинк, отличающихся со-
держанием примесей (табл. 80).
Фасоииые отливки изготавливают из
Рис. 126. Включения интерметаллида цинковых сплавов, которые в зависимости
FeZn, в цинке; Х340 от назначения делят на несколько групп:
3Q8
Таблица 80. Химический состав цинка
Марка Цинк, %, ие менее Примеси, %, не более
РЬ Cd Fe Cu Sn As 2 при- месей
цвоо 99,997 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,00001 .—. 0,003
цво 99,995 0,003 0,002 0,002 0,001 0,001 — 0,005
ЦВ1 99,992 0,004 0,002 0,003 0,001 0,001 — 0*008
цв 99,99 0,005 0,002 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,01
ЦОА 99,98 0,011 0,004 0,003 0,001 0.001 0,0005 0,02
ЦО 99,975 0,013 0,004 0,005 0,001 0,001 0,0005 0,025
Ц1 99,95 0,02 0,01 0,01 0,002 0,001 0,0005 0,05
Ц2 98,7 1,0 0,2 0,05 . 0,005 0,002 0,01 1,3
ЦЗ 97,5 2,0 0,2 0,1 0,05 0,005 0,01 2,5
сплавы для литья под давлением (ГОСТ 19424—74), антифрикционные
(ГОСТ 7117—62), типографские.
Широкое применение для изготовления фасонный отливок нашли сплавы цинка
с алюминием, медью и магнием (ЦАМ). Химический состав, механические и литей-
ные свойства этих сплавов по ГОСТ 19424—74 приведен в табл. 81 и 82. Эти сплавы
Таблица 81. Химический состав цинковых сплавов для литья под давлением
Сплав Легирующие элементы. % Примеси, %, ие более
А1 Си Mg Си РЬ Fe Sn Cd Si
ЦА4о 3,9—4,3 . 0,03—0,06 0,03 0,004 0,05 0,002 0,004 0,015
ЦА4 3,5—4,3 -—. 0,02—0.06 0,03 0,01 0,05 0,002 0,005 0,015
ЦАМ4-10 3,9—4,3 0,75—1,25 0,03—0,06 — 0,004 0,05 0,002 0,004 0,015
ЦАМ4-1 3,5—4,3 0,75—1,25 0,02—0,06 — 0,01 0,05 0,002 0,005 0,015
ЦАМ4-1В 3,5-4,5 0,6—1,2 <0,1 — 0,02 0,1 0,005 0,015 0,03
Примечание. Zn — остальное.
Таблица 82. Свойства цинковых сплавов для литья под давлением
Свойство ЦА4О ЦА4 ЦАМ4-1О ЦАМ4-1 ЦАМ-4-1в
св, МПа, не менее 216 216 196
6, %, не менее 2 2 —. 0,5—1 .—
НВ 980 980 —. 638 —
Интервал кристаллизации, °C 390—382 390—382 390—377 390—377 390—377
р при 20 °C, г/см3 6,97 6,97 6,99 6,98 6,95
Линейная усадка, % 1,0 1,0 - 1,1 1,1 1,1
Жидкотекучесть, см 80 80 — 72 —
Температура литья, °C 400—450 400—450 400—450 400—450 400—4501
Примечание. Сплав EJAM4-i0 используют для изготовления деталей особо ответ-
стгеиного назначения, сплав ЦАМ4-1 — для деталей ответственного назначения, сплав
ЦАМ4-1В — для изготовления деталей ие ответствен и ого назначения.
309
имеют хорошую жидкотекучесть и при литье под давлением позволяют получать
тонкостенные (до 0,5 мм) отливки, не требующие дополнительной обработки поверх-
ности. Они хорошо полируются и легко воспринимают защитные покрытия. Отливки
из сплавов ЦАМ широко используют в автомобильной и тракторной промышленно-
сти, в бытовой технике, в электротехнике, в качестве заменителей оловянных бронз
при изготовлении подшипников, работающих при малых скоростях и высоком
удельном давлении (до 20 МПа). В автотракторостроении из сплавов ЦАМ отли-
вают корпуса карбюраторов и магнето, бензонасосы, и другие детали. В приборо-
строении из этих сплавов изготавливают детали счетных и пишущих машин, телефон-
ных и телеграфных аппаратов и радиоприемников.
Литейные сплавы имеют гетерогенную структуру. Двойные сплавы, содержа-
щие до 5 % алюминия (рис. 127) кристаллизуются с образованием первичных кристал-
лов твердого раствора алюминия в цинке («zn) и эвтектики aZn+ ax. При 275 °C
фЙЗа ах распадается на ад; + «zn- Однако этот эвтектоидный распад не успевает
проходить полностью в процессе охлаждения отливок и продолжается при эксплуа-
тации изделий тем интенсивнее, чем выше рабочая температура. Это приводит к росту
отливок — увеличению их размеров, что совершенно недопустимо. Для подавления
эвтектоидного распада в сплавы вводят до 0,1 % магния.
Тройные сплавы цинка с алю-
минием и медью (рис. 128) имеют в
структуре первичные кристаллы
твердого раствора алюминия и меди
в цинке i]zn и двойную эвтектику
Чгп + аА1- При охлаждении до
комнатной температуры из первич-
ных кристаллов T]Zn возможно вы-
деление вторичных кристаллов ад]
и е (CuZns). Тройные сплавы, также
как и двойные, легируют магнием
для предотвращения роста отливок
в процессе эксплуатации.
Олово, свинец и кадмий яв-
ляются вредными примесями для
сплавов ЦАМ. Тысячные доли про-
Рис. 128. Цинковые угол системы Zn—
Al—Си (по А. М. Захарову). Сплавы;
ЦАМ10 (/): ЦАМ9-1 (2); ЦАМ4-1„ (3);
ЦАМ4-1 (4); ЦАМ4-1В (5); ЦАМ4-3 (6):
ЦА40 (7); ЦА4 (3)
310
Рис. 129. Микроструктура сплава ЦАМ4-1 с 0,07 % Fe:
а — До травления, X 100: б — после травления 3 %-иым раствором азотной кислоты в спир-
те, X 340
цента указанных элементов вызывают межкристаллитную коррозию, приводящую,
к разрушению отливок. Олово и кадмий, кроме того, сообщают сплавам хруп-
кость в горячем состоянии. Из других вредных примесей (Bi, Sb, Hg, TI, Fe, Si)
необходимо отметить железо и кремний. Железо плохо растворяется в твер-
дом сплаве и при концентрациях, превышающих тысячные доли процента, образует
с алюминием интерметаллид FeAl8 (рцс. 129), твердость которого в 5—10 раз выше,
твердости матрицы сплава (табл. 83).
По мере увеличения содержания железа число и размеры интерметаллидных
включений увеличиваются. Одновременно усиливается их абразивное воздействие
на режущий инструмент. Затупление инструмента ухудшает качество обработки;
увеличивает длительность операций и сопровождается его поломками. В связи с
этим ГОСТ 19424—74 ограничивает содержание железа в чушковых сплавах ЦАМ4-1,
используемых для изготовления отливок ответственного назначения, до 0,05%.
Железо попадает в цинковые сплавы как с шихтовыми материалами, так и в резуль-
тате растворения чугунных тиглей и плавильного инструмента. Поэтому содержание
железа в расплаве ЦАМ4-1 может значительно превышать указанную величину.
Таблица 83. Характеристика включений, обнаруживаемых в структуре
сплава ЦАМ4-1
Включение Шлиф без тра- вления Шлиф травлен в HNOS в спирте ны, МПа ^ПЛ» °C р» г/см3 Попереч- ный раз- мер, мкм
в светлом поле в темном поле-
FeAl3 Светло- розовый Светлый Черный 8 000—12 000 1160 3,99 1—100
Si Светло- серый Светло- серый Светлый И 270—13 000 1415 2,4 1—50
FeSi — -— Темный 10 500 1410 — .—
ZnAl2O4 Темно- серый Темно- серый Светлый 2 000—4 000 — 4,8 3—20
SiO2 Темно- серый Теми о- серый Светло- серый 9 800—11 800 1723 2,65 3—30
Матрица сплава —. — — 950—1 000 390 6,98 —
311
Включения интерметаллида FeAl8 имеют меньшую плотность, чем расплав.
Поэтому они всплывают на поверхность расплава, где концентрация их может до-
стигать 15—20 % (объемн.) при концентрации железа 5—6%.
Влияние-примеси кремния подобно влиянию примеси железа. При содержании
до 0,015 % кремний входит в состав твердого раствора на основе цинка. При боль-
шем содержании в структуре сплава появляются серые кристаллы кремния, микро-
твердость которых достигает 13000 МПа (рис. 130); они резко увеличивают износ
режущего инструмента. Кремний попадает в сплав вместе с алюминием (как неизбеж-
ная примесь) или с отходами сплавов алюминия с кремнием в тех случаях, когда
. изготовление отливок из сплава ЦАМ4-1 и
Рис. 130. Микроструктура сплава ЦАМ4-1
0,075 % Si до травления, XI00
силуминов осуществляется в одном цехе.
При одновременном содержании примесей
железа и кремния в структуре сплавов
ЦАМ обнаруживаются твердые включения
химического соединения FeSi.
Антифрикционные сплавы в качестве
легирующих компонентов также содержат
алюминий (до 15 %), медь (до 5 %) и маг-
ний (до 0,03%). Они обладают высокими
механическими свойствами и используют-
ся как дешевые заменители оловянных
бронз. Структуру сплавов с высоким со-
держанием меди (ЦАМ10—5) составляют
первичные кристаллы твердого раствора
ад1, двойная эвтектика ад1 + е (CuZn8) и
тройная эвтектика ад] + r]zn + в (CuZn8);
в сплавах с низким содержанием меди
(ЦАМЭ-1,5) структурными составляющими
являются первичные кристаллы ад> твер-
дого раствора, двойная эвтектика ад1 +
и тройная эвтектика ад1 + T]zn +
е (CuZn8).
§ 2. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ
Плавка цинка и сплавов на его основе ввиду их низкой температуры плавления не
представляет особых затруднений. Для плавки применяют различные по конструк-
ции печи. В литейных цехах, производящих слитки, для плавки используют электри-
ческие индукционные и отражательные печи. В цехах литья под давлением плавку
ведут в тигельных печах в чугунных тиглях. Плавку чистого катодного цинка чаще
всего ведут в индукционных печах с железным сердечником, футерованных шамо-
том. Для набивки подового камня используют массу, состоящую из 35 % синей гон-
чарной глины; 35 % обожженной глины; 12 % каолина и 1—2 % связующего (суль-
фитной барды); остальное — кварцевый песок. Для переплавки отходов, требующих
рафинирования от металлических примесей, используют отражательные печи с ша-
мотной футеровкой.
Цинк легко окисляется. Особенно интенсивно окисление идет в присутствии
паров воды. Образующийся оксид (ZnO) нелетуч. Так же интенсивно окисляются
сплавы ЦАМ4-1. Высокйя химическая активность компонентов сплава обусловливает
образование на поверхности расплава пленки шпинели ZnAl2O4. В процессе загрузки
шихты и перемешивания оксидная пленка разрушается, обрывки ее замешиваются
в расплав. Обогащению расплавов оксидными пленами в большой мере способствует
использование некомпактных шихтовых материалов (литников, стружки, сплесов).
Наряду со шпинелью в цинковых сплавах обнаруживают включения кремнезема
(SiO2), а иногда и глинозема (А12О8), источником которых являются загрязненные
шихтовые материалы.
Общее содержание оксидных включений в сплавах ЦАМ4-1 может достигать
0,34 % (объемн.), а в отливках 0,6 % (объемн.). При этом на долю шпинели (ZnA^OJ
приходится около 90 % от общего содержания включений. Оксиды имеют меньшую
плотность, чем расплав. Поэтому они сравнительно легко всплывают на поверх-
ность расплава и попадают в тело отливки. Для снижения интенсивности окисле-
312
йий плавку цийка и его сйлйвоё ведут йод йдкровОМ древесного угля. Обогащений
оксидными включениями происходит также в результате взаимодействия расплавов
с футеровкой печи.
Для того чтобы исключить обогащение расплавов железом и повысить стой-
кость режущего инструмента, плавку цинковых сплавов необходимо вести в индук-
ционных тигельных или канальных печах и использовать для разливки керамические
тигли. В тех же случаях, когда применение металлических (чугунных или стальных)
тиглей для плавки неизбежно, внутреннюю поверхность их покрывают слоем об-
мазки из смеси каолнна с жидким стеклом.
Цинк и его сплавы весьма чувствительны к перегреву, что может привести к зна-
чительным потерям цинка на испарение и к обогащению расплавов оксидами и ин-
терметаллидами. Кроме того, перегрев
способствует образованию столбчатой
структуры, которая способствует повыше-
нию склонности сплавов к образованию
трещин при затрудненной усадке и ухуд-
Рис. 132. Эффективность очист-
ки расплава ЦАМ4-1 (относи-
тельное изменение концентра-
ции включений С/С- 100 %):
1 — отстаивание; 2 — продувка
азотом; 3 — обработка гекса-
хлорзтаиом; 4 — фильтрование
через зерна хлористого натрия
Рис. 131. Установка фильтра в тиг-
ле раздаточной печи;
1 — тигель; 2 — стакан; 3 — фильтр
шеНию поведения их при обработке давлением. По этой причине цинк не пере-
гревают выше 500 °C, а сплавы ЦАМ — выше 550 °C.
Для повышения свойств отливок цинковые расплавы подвергают очистке от ме-
таллических и неметаллических примесей. Для этого используют отстаивание, обра-
ботку хлоридами, продувку инертными газами, фильтрование. Наиболее распростра-
ненным методом очистки цинковых расплавов является обработка хлоридами. Ра-
финирование осуществляют введением в расплав с помощью колокольчика при
450—470 °C 0,1—0,2 % хлористого аммония или 0,3—0,4 % гексахлорэтана и пере-
мешиванием расплава до прекращения выделения продуктов реакции. Такая об-
работка позволяет удалить из расплава ЦАМ4-1 до 80 % оксидов и 70 % интерметал-
лидов. Более глубокая очистка может быть достигнута при фильтровании расплавов
через мелкозернистые фильтры из магнезита, спл'ава фторидов магния и кальция,
хлорида натрия и других веществ. Применение фильтров со средним диаметром зерна
2—3 мм и толщиной фильтрующего слоя 100 мм позволяет удалять из расплавов
ЦАМ4-1 до 90 % оксидных и 85 % интерметаллидных включений. Фильтрование
ведут через нагретый фильтр (—500 °C), который помещают в специальные стаканы,
установленные в раздаточных печах (рис. 131), или на участке перелива расплава из
плавильной печи в ковш или изложницу.
Сопоставление эффективности различных методов очистки цинковых расплавов
(рис. 132) показывает, что продувка азотом и обработка гексахлорэтаном мало от-
личаются уровнем очистки, однако они значительно эффективнее отстаивания. По
сравнению с обработкой гексахлорэтаном фильтрование через хлорид натрия позво-
ляет уменьшить содержание оксидных и интерметаллидных включений в два раза.
Следует отметить, что независимо от способа очистки отделение оксидных включений
313
идет Иолйёё, Чем ийтерметаллидных. Зто объясняется, по-видимому, лучшим смй1
чиванием интерметаллидов расплавом.
Как уже отмечалось, для изготовления типографских клише используют сплав
цинка со свинцом (0,67—1,25%). Для приготовления сплава можно использовать
первичный цинк марки Ц2. Пластины типографского цинка подвергают полировке.
На полированной поверхности не допускаются местные скопления свинца, интерме-
таллидов, оксидных плен, шлаковых включений и усадочных дефектов. Для получе-
ния клише необходима хорошая травимость сплава, что обеспечивается равномерным
распределением свинца. Однако получить такой сплав при использовании чистых
металлов невозможно из-за сильной гравитационной ликвации свинца. Ликвация
подавляется почти полностью в том случае, когда свинец вводят в виде хлористого
свинца. В результате обменной реакции свинец выделяется в виде тонкодисперсных
капель, что обеспечивает устойчивость эмульсии.
Несмотря на тщательное соблюдение серийной технологии плавки и литья поли-
графического цинка (рафинирование хлористым аммонием, отстаивание, фильтро-
вание через стальную сетку) брак пластин только по литейным дефектам может со-
ставлять в среднем 8—10 %.-Трехкратное снижение брака может быть достигнуто,
если перед заливкой в изложницы расплав профильтровать через нагретый до 400 °C
слой магнезитовой крошки толщиной 50—70 мм с диаметром зерна 4—6 мм. Такой
фильтр устанавливают в распределительной воронке, через которую заполняют
изложницу металлом.
Технология плавки сплавов системы Zn—Al—-Си сравнительно проста. Шихто-
выми материалами для приготовления сплавов служат первичный цинк, чистый
алюминий, электролитическая медь и отходы собственного производства. Для уско-
рения плавки и предупреждения перегрева расплава медь вводят в сплав в виде ли-
гатуры А1—Си (50 : 50). Первоначально в печь загружают лигатуру, отходы и поло-
вину всего количества цинка. Поверхность шихты засыпают древесным углем.
Завалку расплавляют и перегревают до 530—550 °C. Затем загружают алюминий,
а после его растворения — цинк. Сплав перемешивают, снимают уголь и шлак и вво-
дят магний. После тщательного перемешивания и удаления остатков шлака при
420—450 °C проводят рафинирование хлористым аммонием или гексахлорэтаном'и
переливают расплав в раздаточные печн, миксеры машин непрерывного литья слит-
ков или разливайт в изложницы. Во время перелива, если это необходимо, расплавы
фильтруют через зернистые фильтры.
В цехах фасонного литья, как правило, при выплавке рабочего сплава использу-
юг чушки готового сплава ЦАМ. Расплавление их чаще всего осуществляют в’чугун-
ных тиглях раздаточных печей в процессе литья. При нарушении технологии (за-
грузке литников и пресс-остатков) расплав существенно,обогащается оксидами. Дли-
Таблица 84. Эффективность использования зернистых фильтров
при изготовлении фасонных отливок из сплава ЦАМ4-1
Показатели Кон- трольная партия отливок*1 Опытная партия.*2 Диаметр зерна фильтра, мм
3—5 5—7
Количество включений на 1 см длины Размер включений, мкм: 1,98 0,47 0,80
максимальный 50 20 30
преобладающий 15 6 10
Количество отливок, обработанных инструментом 60 320 250
до перезаточки, шт. Производительность линии, комплектов в час 125 220 200
Расход инструмента, руб. на 1000 руб. выпуска 8,25 2,8 ’ 3,7
Изготовлены по серийной технологии без фильтрования.
♦ 2 Металл пропущен через магнезитовый фильтр толщиной 100 мм.
314
"дельный контакт расплава с чугунным тиглем и периодическое захолаживание
его при загрузке свежих порций сплава, способствуют образованию включений ин-
терметаллнда FeAl3 н попаданию их в тело отливок. Механическая обработка таких
отливок на автоматических линиях характеризуется быстрым затуплением режущего
инструмента, частыми его поломками и существенным снижением производитель-
ности линий из-за простоев, обусловленных необходимостью замены инструмента.
Значительного улучшения показателей обрабатываемости отливок достигают введе-
нием операции фильтрования расплава через многослойный магнезитовый фильтр
толщиной 100 мм с диаметром зерна 3—5 мм (табл. 84), который устанавливают в раз-
даточную печь (см. рис. 131).
§ 3. СОСТАВ И СВОЙСТВА ОЛОВЯННЫХ СПЛАВОВ
Олово имеет две аллотропические модификации: P-модификацию (белое олово)
с объемноцентрированной тетрагональной кристаллической решеткой, устойчивую
при температурах выше 13 °C,', и a-модификацию (серое олово) с кубической кристал-
лической решеткой типа алмаза, устойчивую при температурах ниже 13 °C. Ввиду
способности олова к сильному переохлаждению интенсивный самопроизвольный пе-
реход белого олова в. серое наблюдается при температурах от -^20 до —30®С. Пре-
вращение, начавшееся при сильном переохла[ждении, идет вплоть до температуры
+ 13 °C. Аллотропическое превращение сопровождается большими объемными изме-
нениями (плотность белого олова 7,298 г/см3, а серого 5,846 г/см8), что приводит
к разрушению изделий и слитков в порошок. Это явление, называемое «оловянной
чумой», имеет место при хранении олова при низких температурах. Скорость пре-
вращения возрастает по мере понижения температуры и повышения чистоты олова
по примесям. При введении в белое олово 0,5 % висмута или сурьмы аллотропиче-
ское превращение полностью подавляется.
Олово плавится при 232 °C, а кипит при 2270 °C. Оно обладает коррозионной
стойкостью в атмосферных условиях, растворах пищевых кислот (молочной, масля-
ной), формальдегиде, морской воде. В литом состоянии олово цмеет высокую пластич-
ность (б = 40—60 %) и низкие прочностные свойства (ов = 20 МПа). Наиболее вред-
ными примесями олова являются железо, мышьяк, алюминий и цинк. Мышьяк и
железо снижают пластические свойства, повышают твердость и хрупкость, а алюми-
ний и цинк ухудшают коррозионную стойкость олова.
ГОСТ 860—75 предусматривает выпуск шести марок олова высшей и первой ка-
тегории качества (табл, 85). В олове высшей категории качества ограничено содержа-
ние примесей алюминия- и цинка и допускается более низкое содержание серы, чем
в соответствующих марках олова-первой категории.
Олово марки 01пч широко применяют для изготовления сплавов и лужения кон-
сервной жести. • . ‘.
В промышленности используют три группы оловянных сплавов: антифрикцион-
ные., ,припон и сплавы Для литья под давлением.
Антифрикционные сплавы должны иметь многофазную структуру, в' которой,,
наряду с небольшим количеством твердых равномерно распределенных кристаллов,
присутствует мягкая, пластичная основа, обеспечивающая хорошую прирабатывае-
мость вкладышей подшипников к валу. Этим требованиям удовлетворяет структура
двойных сплавов олова с сурьмой (рис. 133). Кристаллы a-фазы в них служат мяг-
кой; пластичной [основой, a fкристаллы Р' (8п8Ь)-фазы, обогащенные сурьмой,
твёрдой, хрупкой составляющей. Но двойные сплавы не применяют для изготовления
вкладышей подшипников скольжения из-за сильной ликвации Р' (8п8Ь)-фазы. Для
предотвращения всплывания кристаллов Р' (8п8Ь)-фаЗы в сплав вводят медь.(2,5—
6,5 %). Образуя каркас из сильно разветвленных первичных кристаллов т] (CueSn6)-
фазы, медь затрудняет всплывание кристаллов Р'-фазы. Кроме того, твердые кри-
сталлы т] (Спв8п6)-фазы, наряду с кристаллами Р'-фазы, обеспечивают получение
низкого коэффициента треиия. Типичная микроструктура таких сплавов (баббитов)
приведена на рис. 134.
ГОСТ 1320—74 предусматривает три марки оловянных баббитов, состав и свой-
ства которых приведены в табл. 86 и 87. В зависимости от содержания сурьмы баб-
биты содержат различное количество кристаллов Р'-фазы. Минимальное количество
таких кристаллов содержится в структуре сплава Б88. Наиболее широкое применение
имеет баббит Б83,
315
В качестве припоев в основном используют сплавы системы Sn—Pb с небольшим
количеством сурьмы (до 2 %), которую вводят для улучшения растекания при-
поя. Эти сплавы имеют двухфазную структуру (рис. 135). Химический состав и свой-
Рис. 134. Микроструктура баббита Б83,
Х100
% (по массе)
20 40 00 80 100
О 20 40 00 80 100
®П • Sb
Рис. 133. Диаграмма состояния системы
Sn—Sb
ства их по ГОСТ 21930—76 приведены в табл. 88 и 89. Вредной примесью для при-
поев является медь, образующая с оловом иглообразные кристаллы-фазы CueSn6,
которые ухудшают качество пайки, обра-
зуют иа луженой поверхности изделий пе-
ремычки, неровности иглообразной формы
(рис. 136) и рыхлоты. Примеси алюминия
Рис. 135. Диаграмма состояния системы
Sn —Pb
Рис. 136. Иглообразные кристаллы интер-
металлического соединения на луженой по-
верхности медной детали
и цинка увеличивают вязкость припоев и ухудшают их растекание по поверхности
изделий.
Для литья под давлением используют сплавы системы Sn—Sb—Си, близкие по
составу к баббитам, и сплавы системы Sn—Sb—Си—Pb. Химический состав некоторых
нз иих приведен в табл. 90.
316
Таблица 85. Химический состав олова
Марка Sn, %, не менее Примеси, %, ие более
As Fe Си Pb Bi
Высшая категория качества
ОВЧ-ООО * 99,999 МО"4 МО’4 МО'6 мо-® 1•IO"6
О1пч 99,915 0,01 0,009 0,01 0,025 0,01
О1 99,900 0,01 0,009 0,01 0,04 0,015
02 99,565 0,015 0,02 0,03 0,25 0,05
Первая категория качества
О1пч О1 02 ОЗ 04 99,915 99,960 99,565 98,49 96,43 0,01 0,01 0,015 0,03 0,05 0,009 0,009 0,02 0,02 0,02 0,01 0,01 0,03 0,1 0,1 0,025 0,04 0,25 1,0 3,0 0,01 0,015 0,05 0,06 0,1
Марка Sn, %, не менее Примеси, %, не более
Sb S Zn Al s примесей
Высшая категория качества
ОВЧ-ООО * 99,999 ыо-в — з-io-6 3-10-4 1-Ю-2
О1пч 99,915 0,015 0,008 0,002 0,002 0,085
О1 99,900 0,015 0,008 0,002 0,002 0,1
02 99,565 0,05 0,016 0,002 0,002 0,435
Первая категория качества
О1пч 99,915 0,015 0,01 — — 0,085
О1 99,900 0,015 0,01 —- —. 0,1
02 99,565 0,05 0,02 — — 0,435
ОЗ 98,49 0,3 0,02 — — 1,51
04 96,43 0,3 0,02 — — 3,57
* В олове марки ОВЧ-ООО, кроме указанных примесей, ограничено содержание при-
месей золота, галлия, кобальта, никеля, индия н серебра.
Таблица 86. Химический состав оловянных баббитов
Сплав Легирующие элементы, % Примеси, %, не более
Sb Си Cd Ni Pb Fe As Zn Pb Bi Ai
Б88 7,3— 7,8 2,5—3,5 0,8— 1,2 0,15— 0,25 — 0,05 0,05 0,005 0,1 0,05 0,005
Б83 10—12 5,5—6,5 — — 1 ,1 0,1 0,05 0,004 0,35 0,05 0,005
Б83С 9—11 5—6 — — 1—1,5 0,1 0,1 0,01 — 0,05 0,005
Примечания. Sn — остальное.
317
Таблица 87. Свойства оловянных баббитов
Свойство ! Б88 Б83 Б83С
<тв, МПа б, % 90 "
— \ 6 —
НВ 270—300 . 270—300 270—300
Интервал кристаллизации, °C 320—250 370—240 400—230.
р?ОсС, г/см3 7,35 7,38 7,4
Линейная усадка, % —t 0,05 —
Жидкотекучесть, см —• 73 —
Температура литья, °C 380—420 440—460 440—460
Таблица 88. Химический состав некоторых'оловянно-свиицовых припоев
Прйпой Легирующие элементы, % Примеси, %, не более
Sn Sb ; Sb Си Bi As-
ПОС 90 , 89—91 —- 0,05 0,05 0,1 0,01
ПОС 61 59—61 — 0,05 0,05 0,1 0,03
ПОС 40 39—41 — 0,05 0,05 0,1 0,03
ПОС 10 9—10 — 6,05 0,05 0,1 0,03
ПОССу 61-0,5 59—61 0,05—0,5 — 0,08 0,1 0,03
ПОССу 30-0,5 29—31 0,05—0,5 — 0,08 .0,1 0,02
ПОССу 95-5 94—96 4—5 — 0,05 0,1 0,051
ПОССу 30-2 29—31 1,5—2 — 0,08 0,1 0,05
Примечания. 1. РЬ — остальной- 2. Все сплавы содержат не более 0,02% при-
месей Fe, Ni и S и не более 0,002 % Zn и А1.
Таблица 89-. Свойства некоторых оловяино-свиицовых припоев
- ч Свойство ПОС 90 ПОС 61 ПОС 40 ПОС 10 ПОССу 61-0,5 ПОССу 30-0,5 ПОСу 95-5 ' ПОССу 30-2
<тв, МПа < 49 43. 38 -3'2 45 36 40 40
S, % ; 40 146 52 44 . 35 45 ; 46 40
НВ ' , 150 140 125 1^5 135 132 180 -2
•Интервал кристаллиза- 220— 190— 238— .299— 189- 255— 240— 250—
цни, °C 183 183 183 268 183 183 ! 234 , 185
-р-,-т/см3 7,6— • 8,5 9,3 -40,9 3,5 - 8,7 7;3- 9,6-
318
Таблица 90. Химический состав оловянных Сплавов для лйтья под Давлением
Номер сплава Легирующие компоненты, % Примеси, %, ие более
Sb Си РЬ " As Pb Bi Zn Al Fe
1 9,5—11,5 2,25—3,75 24—27 0,08 .— 0,1 0,01 0,01 0,08
2 14—16 1,5—2,5 17—19 0,15 — 0,01 0,01 0,08
. 3 12—14 4—6 — — 0,35 — 0,01 0,01 0,08
4 6—7,5 5—6,5 — 0,1 0,35 0,1 0,01 0,01 0,08
5 4—5 4—5 —. 0,1 0,35 0,1 0,01 0,01 0,08
6 — 10 10 — •— — -— — —
Примечание. Sn — остальное.
Литейные сплавы на основе олова имеют хорошую жидкотекучесть (70—80 см),
небольшую линейную усадку (0,6—0,7 %) и мало склонны к образованию трещин при
затрудненной усадке.
§ 4. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ ОЛОВЯННЫХ СПЛАВОВ
Низкая температура плавления оловянных сплавов, малая склонность к окислению
и поглощению газов предопределяют простоту технологии их плавки. Обычно плавку
олова и оловянных сплавов ведут в чугунных тиглях в печах, работающих на всех
видах топлива. При использовании чистых металлов плавку сплавов можно вести
без применения защитных покровов; в тех же случаях, когда в состав шихты вводят
много отходов и возвратов, плавку ведут под покровом древесного угля. Перед
разливкой расплавы рафинируют хлористым аммонием (0,1—0,15 %), а в некоторых
случаях подвергают фильтрованию.
Антифрикционные сплавы, типичным представителем которых является баббит
Б83, чаще всего готовят из чистых металлов. Сначала в тигель загружают медносурь-
мяную лигатуру, сурьму и часть олова (около х/3 от массы шихты). Шихту засыпают
слоем просеянного и прокаленного древесного угля, а затем расплавляют и нагревают
до 600—700 °C. С поверхности расплава снимают шлак и покровный уголь и в не-
сколько приемов небольшими порциями загружают остальное олово. Расплав при
этом непрерывно перемешивают. Затем сплав выдёрживают в течение 10—15 мин
при 500—550 °C, вновь перемешивают, снимают шлак и при 475—500 °C рафинируют
от неметаллических и интерметаллидных включений введением 0,1—0,15 % хлори-
стого аммония или пропуская расплав через зернистые фильтры с размером зерна
2—4 мм в поперечнике. В качестве материала фильтра используют магнезит, хлори-
стый натрий и другие вещества. После рафинирования расплав выдерживают 10—
12 мин для удаления мелких газовых пузырьков и разливают в изложницы.
Технология плавки припоев и сплавов для литья под давлением та же, что и для
баббита Б83.
§ 5. СОСТАВ И СВОЙСТВА СВИНЦОВЫХ СПЛАВОВ
Свинец обладает гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. Тем-
пература плавления его 327'°С, температура кипения 1750 °C, плотность при комнат-
ной температуре, 11,34 г/см8. Чистый свинец коррозиоииостоек в растворах серной,
фосфорной и плавиковой кислот и неустойчив в азотной, уксусной, лимонной и вин-
ной кислотах. Его используют для футеровки аппаратов сернокислотного производ-
ства, для защитных оболочек электрических кабелей,' для изготовления литых пла-
стин электрических аккумуляторов, в военном деле, для производства различных
сплавов. Наиболее вредными примесями свинца, снижающими коррозионную стой-
кость, являются медь, олово и цинк.
ГОСТ 3778—77 предусматривает выпуск семи марок свинца (табл. 91). •
В технике используют три группы свинцовых сплавов: подшипниковые (ан-
тифрикционные), типографские и припои.
319
% (по массе)
2 6 1015 20 50 90 50 60 708090
Рис. 137. Диаграмма состояния системы g
Pb-Sb
В основе большинства СвиНцбвЫХ под-
Шипииковых сплавов лежит система РЬ—
Sb. Из диаграммы состояния этой системы
(рис. 137) следует, что структурой под-
шипникового материала обладают заэвтек-
тические сплавы в которых мягкой осно-
вой служит эвтектика Pb + Sb, а в ка-
честве твердых включений — кристаллы
сурьмы. Поскольку плотность сурьмы
меньше плотности свинца, кристаллы ее в
процессе кристаллизации сплавов всплы-
вают (ликвируют). Для предотвращения
ликвации в двойные сплавы вводят 1,5—
2 % меди. Образуя разветвленные кри-
сталлы Cu2Sb, медь затрудняет всплыва-
ние кристаллов сурьмы. Сплавом этого
типа является баббит БС.
Добавка олова к свиицовосурьмяным
сплавам повышает их твердость и анти-
фрикционные свойства. Сплавы свинца с сурьмой и оловом с успехом заменяют до-
рогие оловянные баббиты. Эти сплавы ликвируют так же сильно, как и двойные
сплавы РЬ—Sb и Sn—Sb. Поэтому для уменьшения ликвации в них так же вводят
1,5—2 % меди.
ГОСТ 1320—74 предусматривает три марки свинцовых баббитов: Б16, БН
и БС6. Кроме стандартных сплавов широко применяют свинцовые баббиты с мышь-
яком и кадмием (Б6) и теллуром (БТ). Присадки кадмия и мышьяка образуют между
собой твердое химическое соединение, которое снижает содержание хрупкой сурьмы.
Теллур вводят для упрочнения свинцовой основы баббита.
В качестве стандартного баббита для железнодорожного транспорта ГОСТ
1209—78 предусмотрен свинцовокальциевонатриевый сплав БКА.
Таблица 91. Химический состав свинца
Марка РЬ, %, не менее Примеси, %, не более
Ag Си Zn Bi As
со С1С С1 С2С С2 СЗ сзс 99,992 99,99 99,985 99,97 99,95 99,9 99,5 0,0002 0,001 0,001 0,002 0,0015 0,0015 0,01 0,0005 0,001 0,001 0,002 0,001 0,002 0,09 0,001 0,001 0,001 0,002 0,001 0,005 0,07 0,004 0,005 0,006 0,02 0,03 0,06 0,15 0,0005 0,001 0,001 0,002 0,002 0,005 0,05
Марка РЬ, %, не менее Примеси, %, ие более
Sn Fe Sb 2 Mg+Ca-f-Na £ при- месей
со С1С С1 С2С С2 СЗ СЗС 99,992 99,99 • 99,985 99,97 99,95 99,9 99,5 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,002 0,002 0,10 0,001 0,001 0,001 0,001 0,002 0,005 0,01 0,0005 0,001 0,001 0,005 0,005 0,005 0,20 0,002 0,002 0,003 0,003 0,015 0,04 0,008 0,01 0,015 0,03 0,05 0,1 0,5
320
Химический состав и свойства Свинцовых баббитов приведены в табл. 92 и 93.
Как следует из диаграммы состояния РЬ—Sn—Sb (рис. 138), основными структур-
ными составляющими сплава Б16, без учета добавки меди, являются первичные кри-
сталлы Р (8п8Ь)-фазы и эвтектическая (или частично перитектического происхожде-
ния) смесь кристаллов брь + Р (SnSb) или брь. + Р' (SnSb). Кристаллизация баб-
бита Б16 с медью начинается с выделения первичных кристаллов т] (Сив5п6)-фазы,
затем кристаллизуется двойная эвтектика Р (SnSb) + т] (CueSn8), состоящая в ос-
новном из кристаллов Р (8п8Ь)-фазы и тройная эвтектика брь + Р (SnSb) +
+ т] (CueSn8), в которой относительное количество т] (Сие8п6)-фазы очень мало.
Рис. 138. Диаграмма состояния системы Sn—Pb—Sb (по А. М. Захарову). Сплавы: Б16 (/);
Б6 (2); БН (3); БТ (4); БС6 (3)
Не исключено, что в неравновесных условиях кристаллизации возможна перитекти-
ческая реакция Жр + Р (SnSb) -> брь + Р' (SnSb) + i) (CueSn8) с появлением в
структуре тройной эвтектики и кристаллов р' (5п5Ь)-фазы. Сильно разветвленные
кристаллы т] (Си6Бп8)-фазы в сплаве Б16 затрудняют всплывание более легких кри-
сталлов Р (8п8Ь)-фазы.
В структуре баббита Бб твердыми включениями являются кристаллы
») (Cu8Sn8)-, Ysb-i Р (Бп8Ь)-фаз и, вероятно, Cd8As2, а мягкой основой, в которой рас-
пределены эти включения, кристаллы брь-раствора.
Основными структурными составляющими в баббите БН являются: промежуточ-
ная фаза, содержащая медь; В (SnSb)-фаза, мышьяковистая составляющая (возможно
CdgAs.;) и эвтектика брь + р (SnSb).
Структура баббита БТ аналогична структуре баббита БН, за исключением того,
что в ней отсутствует мышьяковистая составляющая.
В отличие от других баббитов кристаллизация сплава БС6 начинается с выделе-
ния мягких брь-кристаллов, вслед за которыми кристаллизуется эвтектика брь +
+ Р (SnSb). В результате мягкие бр^-кристаллы оказываются окруженными более
твердой эвтектической смесью.
Состав и свойства некоторых припоев на основе свинца приведены в табл. 88
и 89. В отличие от припоев на оловянной основе они более тугоплавки и имеют
большую плотность.
Сплавы системы РЬ—Sb—Sn используют и для типографских целей — изготов-
ления шрифтов, литья набора на монотипе, литья газетных стереотипов. В отличие
от припоев они содержат больше сурьмы и меньше олова. Состав некоторых типограф-
ских сплавов по ГОСТ 5235—74 приведен в табл. 94.
11 Заказ 235
321
й Т а б л и ц а 92. Химический состав свинцовых баббитов
ьэ__________________
Сплав Легирующие элементы, %
Sn Sb Си Cd
Б16 15—17 15-17 1,5—2 —
Б6 5-6 14—16 2,5-3 1,75—2,25
БС6 5,5-6,5 5,5-6,5 0,1—0,3 —
БТ 9—11 14—16 .0,7—1,1 —
БН 9—11 13—15 1,5-2 0,1—0,7
БС — 16—18 1—1,5 —
БКА — — — —
БК2 1,5-21,1 —— —
Прн м.,е ч а н и е. РЬ — остальное.
Прнмесн, %, не более
Другие элементы Fe As Zn Bi Al Другие,
— 0,1 0,3 0,15 0,1 0,01 —
0,6—1 As 0,1 — 0,15 0,1 — —
0,1 0,05 0,01 0,07 0,005 0,05Cd; 0,05 Ni
0,05-0,2 Те 0,1 0,3 0,15 0,1 — —
0,1—0,5 Ni; 0,1 0,02 0,1 0,05 —
0,5—0,9 As 0,1 0,2 — — — —
0,95—1,15 Са; — — — 0,1 — 0,02 Mg:
0,7—0,9 Na; 0,25Sb
0,05—0,2 Al —
0,3—0,55 Са; — — — 0,2 0,02 0,15 Cu
0,2—0,4 Na; 0,01-0,05 Mg 0,2 Sb
Таблица 93. Свойства свинцовых баббитов
Свойства Б16 Б6 БС6 БТ БН БС БКА
<тв, МПа 6, % 78 68 67 60 70 42 100
0,2 0,2 12,7 1,8 1,7 0,6 2,5
НВ 300 320 169 243 290 200 320
Интервал кристал- лизации, °C р при 20 °C, г/см8 410—240 416-232 280—247 — 400—240 410—240 440—320
9,29 9,6 10,05 9,6 9,55 10,01 10,5
Линейная усадка, % 0,55 0,55 — — 0,5 0,5 0,75
Жидкотекучесть, см 54 — — — 63 79 —
Температура литья, °C 480—500 480—490 450—470 450—470 480—500 450—460 470—480
Таблица 94. Химический состав типографских сплавов
Сплав Легирующие элементы, % Примеси, %, ре более
Sb Sn Zn Al Cu Ni As S S при- месей
Словолитные сплавы
UH 19,5—20,5 6,7—7,3 0,01 0,01 0,15 0,02 0,3 0,02 0,45
IU2 15—16 2,7—3,3 0,01 0,01 0,15 0,02 0,3 0,02 0,45
ШЗ 14—15 3,7—4,3 0,01 0,01 0,15 0,02 0,3 0,02 0,45
П1 17—18 1,8—2,2 0,01 0,01 0,10 0,02 0,2 0,02 0,35
П2 12—14 — 0,01 0,01 0,15 0,02 0,2 0,02 0,40
Линотипные сплавы
Ли I 11—12 4,2—4,8 0,01 0,01 0,06 0,02 0,2 0,02 0,35
ЛнГ 11,5—12,5 5,5—6,5 0,01 0,01 0,06 0,02 0,2 0,02 0,35
Мн | 14—15,5 5,7—6,3 0,01 0,01 0,06 0,02 0,2 0,02 0,35
Стереотипные сплаеы
Ст1 15,5—16,5 6,6—7,5 0,01 0,01 0,1 0,02 0,2 0,02 0,40
Ст2 12,5—13,5 4,7-5,3 0,01 0,01 0,1 0,02 0,2 0,02 0,40
Примечание. Pb — остальное.
§ 6. ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ СВИНЦОВЫХ СПЛАВОВ
Плавку свинца ведут в чугунных тиглях под слоем древесного угля. После расплав-
ления с поверхности металла снимают шлак и доводят температуру до 375—400 °C.
При этой температуре производят рафинирование и разливку. Очистку от неметалли-
ческих включений ведут нашатырем (NH4CI), который вводят в расплав в количестве
до 0,15 % от массы расплава с помощью колокольчика.
11*
323
Таблица 95. Химический состав кадмия
Марка Cd, % не менее Примеси, %, ие более
Zn Pb Fe Си Та 2 при- месей
КдОАС 99,98 0,01 0,01 0,001 0,004 0,002 0,02
КдОС 99,95 0,01 0,03 0,002 0,01 0,005 0,05
Кд1С 99,90 0,01 0,05 • 0,004 0,02 0,01 0,1
Кд2С 99,5 0,2 0,1 0,05 0,01 — 0,5
КдОА 99,98 0,001 0,008 0,0003 0,004 0,002 0,02
КдО 99,95 0,004 0,02 0,002 0,01 0,005 0,05
Кд1 99,93 0,005 0,03 0,004 0,015 0,015 0,07
Кд2 99,83 0,91 0,05 0,01 0,02 0,08 0,17
Работа со свинцовыми сплавами проста ввиду их легкоплавкости. Сплавы почти
не поглощают газов, поэтому в отливках отсутствуют газовые раковины и пористость.
Особенностью свинцовых сплавов является высокая склонность к ликвации по плот-
ности. Прежде всего это относится к сплавам, содержащим сурьму и олово. Для
защиты от окисления применяют древесный уголь, который загружают на поверх-
ность расплава слоем толщиной 10—15 мм.
Свинцовосурьмяные и свинцовосурьмянооловяниые баббиты плавят в тигель-
ных печах в чугунных или стальных тиглях. В качестве шихтовых материалов
используют олово, свинец, сурьму, сурьмяный свинец, кадмий, мышьяк, лигатуры
Си—Sb (50 %); Sb—Те (30 % Те), Sn—Sb—Ni (30 % Sb; 10 % Ni); подготовитель-
ные сплавы, полученные переплавкой отходов. В первую очередь в чугунный тигель
загружают тугоплавкую часть шихты (сурьму, лигатуры Sn—Sb—Ni и Си—Sb).
При расчете шихты угар сурьмы принимают равным 7—10 %, а теллура 15—20 %.
Одновременно загружают 10—20 % легкоплавкой части шихты (свинец, вторичные
сплавы, сурьмяный свинец). Завалку расплавляют под покровом древесного угля.
С поверхности расплава снимают шлак и при 600 °C вводят кусковой или порошко-
образный мышьяк. Расплав при этом тщательно перемешивают. Затем загружают
остальное количество легкоплавкой части шихты. Последними при 420—450 °C вво-
дят кадмий, теллур и олово. После непродолжительной выдержки (5—10 мин) и
тщательного перемешивания производят рафинирование расплава хлористым аммо-
нием (0,15 %). Затем после выдержки в течение 10—15 мин при 420—450 °C его раз-
ливают. Разливку ведут при постоянном перемешивании расплава, так как только
в этом случае возможно получение однородных по составу слитков. Контроль ка-
чества баббитов оценивают по результатам анализа химического состава и осмотра
поверхности и излома слитков. В изломе не допускается наличие шлака и газовых
раковин.
Плавку натриевокальциевого баббита ведут обычно путем сплавления свинца,
натрия и кальция в чугунных тиглях под слоем древесного угля при 600—650 °C.
Ведение плавки при более низких температурах влечет за собой повышенные потери
кальция из-за образования кристаллов химического соединения PbsCa и удаления
их со шлаком и съемами.
Технология плавки типографских сплавов включает две операции — плавление
шихты и рафинирование расплава от примесей. Плавку обычно начинают с очистки
тигля от остатков предшествующей плавки. В очищенный тигель загружают 3/4
навески свинца или типографской сыпи. Содержимое тигля расплавляют, поверх-
ность расплава покрывают прокаленным древесным углем (слой толщиной 10—15 мм)
и доводят температуру расплава до 500—550 °C. При достижении заданной темпера-
туры в расплав вводят сурьму или медносурьмяную лигатуру (для сплавов, содер-
жащих медь). После растворения сурьмы вводят остаток свинца.
Удаление из расплава неметаллических включений производят введением
0,1—0,3 % хлористого аммония или дразнением. Операция дразнения состоит
в погружении в расплав куска древесины и выдержки его в расплаве 30—60 мин.
324
Продукты сухой перегонки древесины, проходят через расплав, увлекают взвешен-
ные неметаллические включения.
Если расплав загрязнен нежелательными растворимыми примесями (железо,
никель, алюминий, циик и др.) предусматривают дополнительную обработку расплава
с целью их удаления. Для удаления цинка и алюминия расплав при 500—550 °C
продувают водяным паром в течении 0,5—2 ч. Пар подводят стальными трубками на
дно тигля. Образующиеся прн продувке оксиды алюминия и цинка всплывают на
поверхность расплава, откуда их удаляют со съемами.
Железо, никель и медь удаляют путем введения в расплав серы. Образующиеся
при 500—600 °C сульфиды этих металлов снимают с поверхности расплава.
Если в составе шихты не содержится сурьмы или медносурьмяной лигатуры, то
температура расплава в процессе плавки не должна превышать 400—450 °C.
§ 7. СОСТАВ И СВОЙСТВА КАДМИЕВЫХ СПЛАВОВ
Кадмий обладает гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой.
Температура плавления его 321 °C, температура кипения 765 °C; плотность при ком-
натной температуре 8,65 г/см3. Кадмий коррознонностоек в атмосфере сухого воз-
духа и хлора и в растворах щелочей. Азотная, серная и соляная кислоты растворяют
кадмий; скорость растворения увеличивается по мере снижения чистоты металла по
примесям.
Кадмий широко используют для изготовления щелочных аккумуляторов,
в производстве электротехнической (Троллейной) меди, подшипниковых сплавов,
припоев, зубопротезных сплавов и для нанесения защитных гальванопокрытий.
Соли, оксид и пары кадмия очень токсичны. Предельно допустимая концентра-
ция оксида в воздухе рабочей зоны производственных помещений не должна превы-
шать 0,1—0,03 мг/м3.
ГОСТ 1467—77 предусматривают выпуск кадмия восьми марок. Химический
состав их приведен в табл. 95.
Сплавы на основе кадмия используют, в основном, как подшипниковые мате-
риалы и припои. Основными легирующими компонентами нх являются никель, медь,
серебро и цинк. Эти металлы хорошо растворяются в кадмии при небольших перегре-
вах. Химический состав некоторых сплавов кадмия приведен ниже:
Сплав Состав, %
№ 1 1,5 Ni; Cd — ост.
Ns 2 1,5 Ni; 0,5 Си; Cd — ост.
Ns 3 1,5 Ag; 0,5 Си; Cd — ост.
Ns 4 18 Zn; Cd — ост.
Ns 5 1,3—1,7 Си; 0,8—1,2 Mg; Cd — ост.
Ns 6 60 Zn; Cd — ост.
Все кадмиевые сплавы, используемые как подшипниковые материалы, имеют
гетерогенную структуру.
Сплавы Ns 1—5 применяют для подшипников, сплав Ns 6 — для пайки алюми-
ния.
Особенностью технологии плавки кадмия и его сплавов является высокое давле-
ние пара металла, что предопределяет большие потери его на испарение. Учитывая
токсичность пара и оксида кадмия, перегрев расплавов выше 550 °C не допускают.
В процессе плавки кадмий интенсивно окисляется. Для уменьшения потерь на окис-
ление и испарение в расплавы вводят небольшие присадки магния (0,05 %). Плавку
ведут под покровом древесного угля в чугунных или графито-шамотных тиглях.
Применяют следующий порядок ведения плавки. Под слоем угля расплавляют кад-
мий. В расплав вводят магний (0,05 % от массы кадмия). Расплав нагревают до
480—500 °C и вводят в него легирующие компоненты. При непрерывном подогреве
и периодическом перемешивании выдерживают сплав до полного' растворения ле-
гирующих присадок. Затем с поверхности расплава удаляют шлак и засыпают пор-
цию древесного угля. Сплав тщательно перемешивают и после охлаждения до 350—
370 °C разливают в соответствующие формы. При выплавке сплава кадмия с 18 %
цинка кадмиевый расплав не перегревают.
325
Плавку каднмевых сплавов ведут в изолированных помещениях, оборудованных
хорошей вентиляцией и установками для очистки воздуха от токсичных выделе-
ний. ’ 1
§ 8. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ФАСОННЫХ ОТЛИВОК из ЛЕГКОПЛАВКИХ СПЛАВОВ
Изготовление фасонных отливок из легкоплавких сплавов осуществляют преимуще-
ственно методом литья под давлением на машинах с холодной и горячей камерами
прессования с широким применением автоматических дозирующих устройств для
заполнения их металлом. Этим способом литья из оловянных, свинцовых и цинковых
сплавов получают сложные тонкостенные отливки. Некоторые характеристики дан-
ных отливок приведены в табг. 96. Для подвода металла к полости формы исполь-
зуют разнообразные по конструкции внешние и внутренние, по отношению к отлив-
кам, литниковые системы, в том числе коллекторные. Обязательным является устрой-
ство промывников. Заливку ведут в подогретые пресс-формы с различными скоростя-
ми впуска. Высокие скорости впуска металла в пресс-формы принимают при изготов-
лении тонкостенных отливок (0,5—2,5 мм) сложной конфигурации. Заливку толсто-
стенных отливок производят жидкотвердым (кашеобразным) металлом с малыми ско-
ростями впуска.
Для облегчения извлечения отливок из пресс-форм на нх наружных н внутрен-
них поверхностях предусматривают литейные уклоны. Для предохранения пресс-
форм от термических ударов, увеличения срока нх службы, более легкого извлече-
ния отливок н предотвращения приваривания сплава пресс-формы периодически
смазывают машинным или моторным маслом. Стержни и детали камеры прессования
смазывают после каждой заливки. Технологические параметры литья легкоплавких
сплавов приведены в табл. 97.
' Отделение отливок от литников производят на обрубных прессах в штампах.
Для удаления остатков облоя (залива по плоскости разъема пресс-формы) применяют
абразивную и вибрационную зачистку в галтовочных барабанах. Для ускорения
зачистки отливок из цинковых сплавов в галтовочные барабаны подают жидкий
азот. Охлаждение отливок до —40 °C охрупчивает сплавы.
Для предотвращения самопроизвольного старения и изменения размеров от-
ливки нз сплавов ЦАМ подвергают термической обработке (искусственному старению),
которую ведут в сухом горячем (90 °C) воздухе в течение 10 дней с охлаждением от-
лнвок до комнатной температуры вместе с печью. Используют также ускоренное
искусственное старение: выдержку при 60 °C в течение 10 ч. прн 85 °C в течение 5 ч,
при 100 °C 3 ч н охлаждение до комнатной температуры вместе с печью. Следует от-
Таблица 96. Характеристика отливок из легкоплавких сплавов,
полученных литьем под давлением
Параметры Оловянные сплавы Свинцовые сплавы Цинковые сплавы
Минимальный диаметр отверстий, мм 0,6—1,0 0,6—1,0 . 0,8—1,0
Минимальная толщина стенок, мм 0,5—1,0 0,75—1,0 0,6—1,0
Максимальная глубина отверстий:
несквозных 2—3D 2—3D 2—3D
сквозных 6—7D 6—10D 6D
Минимальные размеры резьбы, мм:
наружный диаметр 8 8 6
шаг 0,75 0,75 0,75
Минимальные литейные уклоны:
наружная поверхность 0° 15' 0° 15' 0° 15'
внутренняя » 0° 45' 0° 45' 0° 45'
Припуск на обработку, мм 0,2—0,5 0,2—0,5 0,2—0,5
Минимальный радиус галтелн, мм 1 1 0,5
326
Т а б л и ц а 9?. Технологичёскиё па]замётры литья легкоплавких ёплайоб
под давлением
Параметры Оловянные сплавы Свинцовые сплавы Цинковые сплавы
Температура, °C:
металла при заливке 280—300 265—300 400—450
пресс-формы 130—150 120—140 180—200
Линейная усадка, %:
наружных размеров 0,4—0,5 0,4—0,5 0,5—0,65
внутренних » 0,3—0,4 0,3—0,4 0,4—0,6
Удельное давление прессования, МПа 19—35 19—35 19—35
Толщина сечения впуска, мм 0,4—0,8 0,4—0,8 0,4—0,8
Скорость впуска, м/с 10—100 10—100 10—100
Конусность стержней, % от длины 0,2—0,5 0,2—0,5 0,2—0,5
Размеры вентиляционных каналов, мм:
глубина 0,1—0,15 0,1—0,15 0,1—0,15
ширина От 10 и более
Смазка Машинн ое масло Моторное масло
Стойкость пресс-форм, заливов 500 000 500 000 200 000— 250000
метить, что такая обработка вызывает объемные изменения, снижает механические
свойства и ухудшает коррозионную стойкость, но стабилизирует размеры отливок.
Основными видами брака являются усадочные раковины и пористость в мас-
сивных узлах отливок н воздушная пористость по периферии. Усадочная пористость
может быть залечена пропиткой отливок жидким стеклом, бакелитом, смолами.
Литература: [5, 16, 23, 35] (см. рекомендательный библиографический список).
Глава 14
ПРОИЗВОДСТВО отливок
ИЗ СПЛАВОВ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
К благородным металлам относятся золото, серебро, платину, палладий, иридий,
родий, осмий н рутений. Промышленное значение имеют первые четыре из перечислен-
ных элементов.
§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ЗОЛОТЫХ СПЛАВОВ
Золото имеет гранецентрнрованную кубическую кристаллическую решетку. Оно
плавится при 1063 °C, кипит при 2600 °C; плотность его при комнатной температуре
19,3 г/см®.
Чиегое золото и сплавы на его основе применяют для защитных и декоративных
покрытий, в зубоврачебной технике, для изготовления различных электрических
контактов и ювелирных изделий. Химический состав золотых сплавов приведен в
табл. 98: Наибольшее распространение получили сплавы золота с серебром и медью.
Чистое золото в расплавленном состоянии не взаимодействует с печными газами
и огнеупорами. Равновесная растворимость водорода в золоте прн 1000 °C н рн =
= 0,1 МПа составляет лишь 0,0007 % (ат.) илн примерно 0,04 см3/100 г; раствори-
мость углерода прн 1027 °C составляет 0,055 % (ат.). Медь, входящая в состав-зо-
лотых сплавов, значительно повышает растворимость кислорода, водорода и серы.
327
Таблица 98. Химический состав золота иекоторЬк марок й золотых сплавов
Стлав Легирующие компоненты, %
Au Ag Си
Зл 999,9 99,99 — —
ЗлСрМ750—125 75±0,3 12±0,5 12,5±0,5
ЗлСрМ583—80 58,3±0,3 8,0±0,5 33,7±0,8
ЗлМ583 58,3±0,3 — 41,7±0,8
ЗлСрМ375—20 37,5±0,3 2±0,5 60,5±1,0
При высоких температурах золото заметно испаряется. Примеси (мышьяк, сурьма,
висмут, свинец и медь) увеличивают потери на испарение. Давление пара золота
при 1150 °C составляет 0,93 Па, а при 1400 °C 9,3 Па. Угар золота прн выдержке
расплава в течение 45 мин в индукционной печн при 1200 °C составляет 0,01—0,02 %.
Чистое золото плавят в индукционных печах в графито-шамотных тиглях, как
правило, без применения каких-либо защитных покровов. Для снижения потерь
золота от испарения плавку ведут быстро: загружают подогретую шнхту в нагретый
тигель, стараясь не перегревать металл в печи (предельная температура перегрева
1200—1250 °C). Шихту стараются загрузить в один прием; если имеется мелкая шихта,
то ее предварительно брикетируют н загружают (предварительно подогрев) в жид-
кий расплав.
Сплавы золота с медью плавят в тех же печах, что и чистое золото. В отличие
от чистого золота плавку ведут под покровом защитных флюсов: древесного угля,
буры, комбинированных флюсов (уголь бура). Флюсы вводят в тигель одновре-
менно с загрузкой твердой шихты. Толщина слоя угля на поверхности расплава дол-
жна быть не менее 30—50 мм. Уголь добавляют по мере его выгорания. Буру также
засыпают в тигель иа всю поверхность шихты в количестве примерно 0,5—1,0 %
от массы шихты, что обеспечивает наличие на зеркале металла жидкого покрова
флюса толщиной 10—15 мм. При нспользоваиин комбинированных покрытий нз
угля и буры их вводят обычно в два приема. Перед разливкой готовых сплавов жид-
кий металл хорошо перемешивают графитовыми мешалками. Прн этом одновременно
происходит раскисление расплава углеродом. Окончательное раскисление производят
фосфором в количестве 0,01—0,025 % в зависимости от окнслениости сплава. Фос-
фором раскисляют сплавы системы Au—Си, а также сплавы, содержащие, кроме ме-
ди, легирующие компоненты: серебро, никель, олово, кадмий, т. е. элементы с мень-
шим сродством к кислороду, чем фосфор.• Фосфористую медь вводят в расплав пред-
варительно подогретую до 500—600 °C под графитовым колокольчиком. Расплав
одновременно перемешивают н дают выдержку 2—5 мин для всплывания иа поверх-
ность продуктов раскисления.
Шихтовые материалы прн плавке золота н других драгоценных металлов взве-
шивают с особой точностью (до 0,1 г). Очередность загрузки шихтовых составляющих
прн плавке сплавов на основе золота зависит от состава сплава, вида шихты, ее раз-
меров. Так, ювелирный сплав ЗлМ 583 (золото 583 пробы) плавят следующим об-
разом. Шихту (золотые слитки, кускн меди) стараются загрузить в тигель одновре-
менно. Если в шихте содержатся возвраты производства готового сплава, то вначале
загружают возвраты и слитки золота, а по мере расплавления добавляют расчетное
количество меди. Мелкую шнхту рекомендуется вводить в расплав. Если в состав
сплава входит серебро (ЗлСрМ 583—80), то его вводят в жидкий металл в конце
плавки. Такая очередность загрузки уменьшает время взаимодействия расплава
с кислородом воздуха, так как медь и серебро в золоте способствуют растворению
в нем кислорода.
Не рекомендуется излишний перегрев сплавов выше их температур плавления
(обычно не более, чем на 140—300 °C). Так, сплав ЗлМ 583 при температуре ликвн-
328
Примеси, %, не более Применение
РЬ Fe Sb Bi 2 при- меси
0,003 0,004 0,001 0,002 0,01 Аноды массой 100—4700 г, про- волока
0,005 0,18 0,005 ' 0,005 0,28 Проволока (круглая, полукруг- лая и др.) сечением 0,3—10 мм
0,005 0,18 0,005 0,005 0,28 То же
0,005 0,18 0,005 0,005 0,28 » , ювелирная промышлен- ность
0,005 0,18 &Д05 0,005 0,28 То же
дуса, равной примерно 980 °C, перегревают до 1150—1250 °C (более высокая темпе-
ратура перегрева необходима прн литье в водоохлаждаемые кристаллизаторы). Если
в состав сплавов золота входят цинк, кадмий, олово, то нх вводят в жидкий металл
в последнюю очередь под колокольчиком для уменьшения угара и лучшей усваивае-
мостн. Перед введением легкоплавких компонентов расплав раскисляют фосфором,
чтобы избежать образования твердых оксидов. Для сплавов, содержащих цинк,
в качестве флюса используют борную кислоту.
Сплавы золота, содержащие тугоплавкие платину, палладий, никель, марганец
плавят с введением тугоплавких компонентов в расплав. Учитывая, что прн введе-
нии тугоплавкого компонента перегрев расплава уменьшается, ванну с металлом
одновременно подогревают. Легкоокисляющнйся марганец вводят обычно в послед-
нюю очередь, непосредственно перед заливкой. Так, при плавке сплава
ЗлПдПл-ЗО-Ю в печь загружают и плавят вначале золото, которое перегревают до
1250—1280 °C, и затем небольшими частями вводят платину с одновременным повы-
шением температуры расплава. Прн перегреве до 1600 °C и более вводят палладий
в несколько приемов. Расплав нагревают до 1620—1680 °C и разливают.
Прн подготовке шихтовых материалов для плавки сплавов золота особое вни-
мание следует обращать на чистоту материалов по вредным примесям. Наиболее вред-
на примесь свинца. Свинец снижает пластичность золота. Содержание его не должно
превышать 0,005 %. Присутствие свинца в количестве 0,06 % в золоте делает его
хрупким. Такое же вредное влияние оказывает свинец н на сплавы золота с медью
и серебром. К нежелательным примесям относятся теллур и висмут, содержание каж-
дого из которых не должно превышать 0,01 %.
Эти примеси образуют с золотом химические соединения, выпадающие по гра-
ницам зерен и сообщающие металлу хрупкость.
§ 2. СОСТАВ И СВОЙСТВА СЕРЕБРЯНЫХ СПЛАВОВ
Серебро обладает гранецентрнрованной кубической кристаллической решеткой.
Температура плавления серебра 960,5 °C; температура кипения 2210 °C; плотность
прн комнатной температуре 10,5 г/см3. Серебро обладает высокой пластичностью,
тепло- и электропроводностью. Его применяют для изготовления электрических
контактов, аккумуляторов батарей, различных припоев, ювелирных изделий, на-
несения защитных и декоративных покрытий. Значительное количество серебра идет
на изготовление кино- и фотоматериалов.
В отлнчне от других благородных металлов серебро растворяет кислород и
практически не растворяет водород. При температуре плавления равновесная раство-
римость кислорода составляет около 208 см3/100 г. Растворимость кислорода описы-
вается уравнениями:
lg [O]Ag}K = 1/2 lgpo2 (Па) — 2,8 - 780/7 (для 1250 - 1450 К), % (ат.) (48)
1/2Ог [Ag]JK; AG = —15 ± 0,0447 (для 1250—1450 К), кДж/моль |0] (49)
329
Таблица 99. Химический состав серебра некоторых марок и серебряных спла
Сплав Легирующие компоненты, % Примеси,
Ag Си Zu РЬ
Ср999,9 СрМ916 99,99 91,6+0,3 Ост. — 0,003 0,005
СрМ875 ПСрМ72—28 87,5+0,3 72,0+0,5 28,0+0,5 — 0,005 0,005
ПСрМ50—50 ПСрМЦ52—33—15 50,0±0,5 52+0,5 50,0+0,5 33,0+0,5 15,0 ± (1,0—1,5) 0,005 0,005
Растворимость пропорциональна квадратному корню из парциального давления
кислорода.
С понижением температуры растворимость кислорода в расплаве резко сни-
жается, а оксид серебра неустойчив, происходит выделение кислорода, которое со-
провождается разбрызгиванием металла. Степень разбрызгивания иногда служит
грубым показателем степени окисленности серебра. Температура, прн которой про-
исходит разбрызгивание металла, не зависит от скорости охлаждения и содержания
кислорода в расплаве. Термодинамическим расчетом установлено, что давление
кислорода в металле при разбрызгивании может достигать 5 МПа. Выделение кис-
лорода при затвердевании серебра может приводить к образованию газовых пор
в отливках; степень газовой пористости зависит от концентрации растворенного
кислорода в кристаллизующемся расплаве.
Азот практически нерастворим ни в твердом, ни в жидком серебре. Углерод
в серебре при температуре плавления способен растворяться в небольших концен-
трациях 6-10-2 % (ат.). О растворимости серы в жидком серебре точных данных
не имеется.
В промышленности применяется обширная группа серебряных сплавов. Хими-
ческий состав некоторых из~ них приведен в табл. 99.
Медь, входящая в состав большинства серебряных сплавов, значительно по-
вышает растворимость кислорода и водорода в расплавах. Так, при 1200 °C в се-
ребре, содержащем 10 % меди, растворимость кислорода может повыситься в 25 раз
по сравнению с растворимостью в чистом серебре. В то же время золото и платина
снижают растворимость кислорода в сплавах на основе серебра.
Чистое серебро плавят в графито-шамотных тиглях под покровом древесного
угля (слой угля должен быть не менее V4 высоты расплава в тигле). Расплав перегре-
вают до 1100—1150 °C, перемешивают графитовыми мешалками и разливают. Для
уменьшения окисления серебра вначале расплавляют компактную шихту, а мелкие
составляющие вводят в жидкий металл (растворяют). Шихту загружают в подогре-
тый тигель и стараются время расплавления и перегрева свести до минимума. Се-
ребро раскисляют небольшими количествами фосфора (до 0,003 %). Серебро, предна-
значенное для электротехнических целей, раскисляют кадмием или литием (0,01 %
от массы шихты), так как фосфор заметно снижает электропроводность. При плавке
под покровом древесного угля имеет также место раскисление углеродом с образова-
нием газообразных продуктов реакции — СО н СОа.
Во время плавки давление пара серебра достигает заметных величин. Так, при
нагреве серебра до 1000—1100 °C упругость паров серебра составляет 9,3—13,3 Па.
Это обстоятельство обусловливает потери серебра на угар до 1 % в час при выдержке
расплава при температуре около 1400 °C.
Установлено, что в атмосфере кислорода и углекислого газа серебро улетучи-
вается быстрее, чем например, в атмосфере азота или светильного газа.
Сплавы серебра с медью (от 4 до 75 %) по сравнению с чистым серебром прн плав-
ке способны растворять кислород и водород в более значительных количествах,
поэтому их плавку ведут с применением защитных покровов из древесного угля,
330
BOB
%, не более Применение
Sb Bi Fe Zn S при- меси
0,001 0,002 0,004 .—. 0,01 Аноды массой 100—4700 г
0,002 0,002 0,15 — 0,25 Листы, полосы толщиной 0,1— 10 мм
0,02 0,002 0,15 -—. 0,3 То же
— — — 0,007 0,25 Припои в виде полос и прово- локи толщиной 0,125 мм
—• •—• 0,007 0,25 То же
-— — л— X — 0,5 »
жидких флюсов или комбинированных (древесный уголь -|- жидкий флюс) покрытий.
Порядок загрузки шихты прн плавке серебряномедных сплавов (СрМ916, СрМ875
и др.) зависит от их состава. Если в сплаве преобладает серебро, то вначале загружают
и расплавляют серебро (слитки, куски, брикеты) и по мере расплавления добавляют
медь. Если в сплаве меди больше, чем серебра (ПСр25М — серебряный припой), то
вначале плавят медь и в расплавленную медь вводят серебро. Мелкие составляющие
шихты в обеих случаях вводят (растворяют) в конце плавки. Если в сплавах серебра
содержится олово, то его вводят обычно после раскисления расплава фосфором
непосредственно перед заливкой, хорошо перемешивая расплав. Легколетучие со-
ставляющие, входящие в состав ряда серебряных сплавов (кадмий и цинк) вводят
в раскисленный расплав обычно в конце плавки в виде лигатур Си—Cd, Си—Zn
или в чистом виде. Как правило, перед разливкой расплавы раскисляют кадмием,
литием, фосфором или боридом кальция.
Сплавы серебра с медью подвержены обратной ликвации, которая приводит
к обогащению медью наружных слоев отливок.
Сплавы серебра с палладием прн плавке растворяют водород. Поэтому недо-
пустима плавка их в восстановительной атмосфере. При изготовлении этих сплавов
возможно образование водяного пара во время введения палладия.
Тугоплавкие компоненты сплава (никель, марганец, кремний, палладий и др.)
стараются вводить в расплав (растворять) в виде лигатур в конце плавки, одновремен-
но ступенчато нагревая расплав с учетом степени возрастания температуры ликви-
дуса сплавов от добавок тугоплавких металлов. При этом стараются не допускать
излишнего перегрева и длительной выдержки расплава при высоких температурах,
так как при этом возрастает опасность повышенного окисления расплава. Не реко-
мендуется перегрев более, чем на 100—150 °C, выше температуры ликвидуса сплава.
Сплавы серебра с марганцем и оловом плавят в восстановительной атмосфере.
Для предотвращения загрязнения расплава оксидами олова этот элемент вводят
в расплав только после полного растворения марганца, выполняющего в этом случае
роль раскислителя. В расплавы, не содержащие марганца, олово вводят после рас-
кисления серебра кадмием, литием или фосфором.
§ 3. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЛАТИНОВЫХ СПЛАВОВ
Платина обладает гранецентрированной кубической кристаллической решеткой.
Температура плавления платины 1769 °C; температура кипения 4400 °C; плотность
при комнатной температуре 21,4 г/см3.
Платина имеет высокую коррозионную стойкость в минеральных и органических
кислотах, обладает хорошей пластичностью и легко подвергается пластической де-
формации. При нагревании на воздухе платина не окисляется. Оксид платины РЮ
образуется при нагревании губчатой или листовой платины в сухом кислороде прн
450 °C. При температуре плавления платина растворяет до 5,57 см3/100 г кислорода.
Растворимость водорода в платине возрастает с повышением температуры, достигая
331
Таблица 100. Химический состай некоторых Платоновых Сплавоб
Сплав Легирующие элементы, % 2 примесей, %, не более
Pt другие элементы
Пл99,9 99,9 0,1
ПлИ-5 94,7—95,3 4,6—5,3 1г 0,5
ПлРд-7 92,7—93,3 6,7—7,3 Rh 0,22
ПлПд-10 89,6—90,4 9,6—10,4 Pd ~ 0,25
ПлМ-8,5| 91,1—91,9 8,1—8,9 Cu 0,25
ПлН-4,5 95,1—95,9 4,1—4,9 Ni 0,25
при температуре плавления 0,2—0,3 см3/100 г. Водород легко дифундирует через
пластинки платины. Это свойство платины используют в газовом анализе для отделе-
ния водорода от других газов. С азотом жидкая платина практически не взаимодей-
ствует; растворимость углерода в жидкой платине достигает 1,45 %. При охлажде-
нии углерод выделяется по границам зерен в' виде графита, что делает платину
хрупкой.
Чистую платину применяют в химической промышленности, медицине, ювелир-
ном производстве. ГОСТ 13498—68 предусматривает выпуск трех марок платины,
различающихся содержанием примесей (табл. 100). В технике используют большую
группу платиновых сплавов. Химический состав платины и некоторых ее сплавов
приведен в табл. 100.
Плавку платины и ее сплавов ведут в тигельных индукционных высокочастот-
ных печах с набивной футеровкой из оксида кальция, магнезита или оксида цирко-
ния. Тигли для плавки изготавливают из тех же огнеупоров. Шамотовые и графито-
вые тигли не пригодны для плавки платиновых сплавов из-за образования хрупкого
силицида платины и насыщения расплава углеродом. В тех случаях, когда необхо-
димо получать изделия, не содержащие примеси кальция или магния, плавку ведут
в тиглях из оксида тория или оксида циркония. Плавку ведут в окислительной ат-
мосфере без применения флюса.
В качестве шихтовых материалов используют губчатую платину, спрессован-
ную в брикеты, или скрап. Легирующие компоненты вводят в расплавленную пла-
тину при 1850—1900 °C. Несмотря на слабое взаимодействие платины с печными
газами плавку ведут форсированно. Раскисление расплава перед заливкой не про-
изводят из-за опасения загрязнения сплавов-избытком раскислителя.
Заливку платиновых сплавов ведут с небольшим перегревом расплава в подо-
гретые стальные или туфовые (известковые формы).
§ 4. СОСТАВ И СВОЙСТВА ПАЛЛАДИЕВЫХ СПЛАВОВ
Палладий имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку.
Температура плавления палладия 1552 °C; температура кипения 3980 °C; плотность
его при нормальной температуре 12,16 г/см3. Обладая высокими пластическими
свойствами, палладий хорошо воспринимает обработку давлением. По сравнению
с другими платиновыми металлами он менее устойчив в концентрированных азотной
и серной кислотах; растворяется в царской водке; при температуре выше 700 °C
реагирует с кислородом с образованием оксида PdO, который диссоциирует при
877 °C. В значительном количестве палладий растворяет водород. Равновесная рас-
творимость описывается уравнением
lg [Н ]pd = 1/2 1g рНг (Па) -2,12+ 535/7. (50)
Как следует из уравнения (50) понижение температуры сопровождается ростом
растворимости водорода. При температуре плавления палладий растворяет до
60 см®/100 г водорода; при комнатной температуре палладий растворяет до 850
объемов водорода. Способность палладия поглощать большое количество водорода
332
Используют в вакуумной технике. Палладий раСтворяёТ углёрод; При Охлаждении
расплава углерод в виде графита выделяется по границам зерен, ухудшая пластиче-
ские свойства металла.
Металлургическая промышленность, согласно ГОСТ 13462—68, выпускает пал-
ладий двух марок. Палладий находит применение в электротехнической, химической
н ювелирной промышленности. Из него изготавливают электрические контакты те-
лефонных аппаратов, химическую посуду, порошковые катализаторы; большое
количество палладия идет на приготовление сплавов. Химический состав палладия
марки Пд99,9 и некоторых его сплавов приведен в табл. 101.
Т а б л и ц а 101. Химический состав некоторых палладиевых сплавов
Сплав Легирующие элементы, % 2 примесей, %, не более
Р<1 Ag Другие элементы
Пд99,9 99,9 • 0,10
ПдСр-30 69,5—70,5 29,5—30,5 — 0,35
ПдИ-10 89,7—90,4 — 9,6—10,3 1г 0,30
ПдСрМ-36-4 59,2—60,8 35,4—36,6 3,5—4,5 Си 0,35
ПдСрК-35-5 59,2—60,8 34,1—35,6 4,5—5,5 Со 0,35
Плавку палладия, ведут в окислительной атмосфере в магнезитовых тиглях.
При плавке в кварцевых тиглях особенно вредна восстановительная атмосфера,
так как она способствует загрязнению расплава кремнием. Прн содержании в распла-
ве 0,003 % кремния в отливках появляются горячие трещины. Перед разливкой пал-
ладий раскисляют 0,1 % алюминия. Флюс при плавке не применяют.
Для плавки чаще всего используют индукционные печи с магнезитовой футе-
ровкой и окислительной атмосферой. В качестве раскислителей используют алюми-
ний и силикокальций.
При плавке благородных металлов и сплавов особое значение придается созда-
нию условий, обеспечивающих их минимальные безвозвратные потери. В частности,
не допускаются излишне высокий перегрев расплавов над температурой ликвидуса
сплавов и длительная выдержка при температурах литья.
§ 5. ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ
БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Фасонные отливки нз сплавов благородных металлов, преимущественно сплавов
золота, используют в зубопротезном деле и ювелирном производстве. Изготовление
фасонных отливок осуществляют методом литья по выплавляемым моделям. В каче-
стве формовочного материала используют гипсовые смеси, состоящие из 85 % по-
рошка динаса марки ЭД н 15 % гипса. Динасовый порошок должен содержать не
менее 72 % фракции с диаметром зерен менее 0,08 мм. В качестве затворителя гип-
совых смесей используют водный раствор ортофосфорной кислоты (1 г ортофосфор-
ной кислоты на 10 мл воды). На каждый килограмм смеси дают 380—400 мл затвори-
теля. Такие смеси имеют хорошую текучесть, небольшое (около 10 мин) время твер-
дения, обладают высокой прочностью н малой осыпаемостью после обжига.
Для изготовления выплавляемых моделей широко используют резиновые формы.
Заливку горячих форм осуществляют на центробежных машинах.
Литература: [23, 46] (см. рекомендательный библиографический список).
Раздел Hl. ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ
ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Глава 15
ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА слитков
Слитком называется отливка простейшей формы (параллелепипед,
призма, цилиндр, полый цилиндр), предназначенная для последу-
ющей обработки давлением на поковки, штамповки, листы, профили,
прутки, трубы и далее — на ленту, фольгу, проволоку.
В мире (без СССР) на слитки перерабатывается в год около 25—
27 млн. т цветных металлов, в то время как производство фасонных
отливок из сплавов цветных металлов, по данным 1980—1981 гг.,
составляет 5—6 млн. т.
Обработка давлением заключается в пластическом деформиро-
вании слитка. В связи с этим слиток должен обладать определенным
уровнем свойств, среди которых на первом месте стоит так называе-
мая технологическая пластичность, т. е. способность изменять форму
без разрушения при возможно меньших внешних усилиях. Всю тех-
нологию производства слитков строят так, чтобы в первую очередь
обеспечить пластичность при заданном составе сплава. Вместе с тем
при обработке давлением слитков, особенно первичной, следует учи-
тывать особенности свойств литой заготовки, заключающиеся в пони-
женной'деформационной способности и повышенных усилиях дефор-
мирования по сравнению со свойствами заготовок, уже подвергнутых
деформированию тем или иным способом. В связи с этим первичную
обработку слитков почти всегда осуществляют в горячем состоянии
при возможно более высоких температурах, когда показатели пла-
стичности металлов имеют повышенные значения, а показатели проч-
ности (твердость, предел текучести) понижены. Для первичной обра-
ботки слитков используют такие технологические процессы обра-
ботки давлением, при которых схемы главных напряжений и глав-
ных деформаций обеспечивают наиболее благоприятные условия
пластического деформирования — свободную ковку, объемную штам-
повку, прокатку, прессование (экструдирование). Наилучшие усло-
вия для пластического деформирования создаются при объемной
штамповке и прессовании.
§ 1. о качестве слитков
Качество слитков, которое определяет их пригодность для после-
дующей обработки давлением и получения деформированных полу-
фабрикатов с заданным уровнем свойств, связано со многими пока-
зателями. Прежде ’ всего необходимо остановиться на размерах
слитков. Размеры слитков, а также их форма и масса должны быть
334
такими, чтобы из них можно было получить деформируемые полу-
фабрикаты заданной величины с учетом выхода годного. Особенно
важно это при получении слитков для изготовления крупных поко-
вок и штамповок массой в несколько тонн. Вместе с тем во всех слу-
чаях выгоднее получать крупные слитки, поскольку они обеспечи-
вают большой выход годного и большую производительность. В связи
с этим наблюдается тенденция к увеличению массы единичного
слитка. Масса же литой заготовки, направляемой -на ковку, про-
катку, прессование, обычно в несколько раз меньше отливаемого
слитка. Поэтому слитки как правило режут на мерные заготовки,
размер и масса которых определяется мощностью головного обраба-
тывающего оборудования: усилием штамповочного или экструзион-
ного пресса, длиной приемных рольгангов у обжимных головных
станов и т. д.
Важной стороной качества слитка является чистота его поверх’
ности. Грубая нечистая поверхность слитка с ликвационными на-
плывами неизбежно вызывает появление засоров и плен на поверх’
ности деформированного полуфабриката. Чем выше требования к по-
луфабрикатам, тем чище должна быть поверхность слитков. Часто
не удается получить слитки с достаточно чистой поверхностью и
поэтому их подвергают механической обработке, при которой удаляют
поверхностный слой на глубину 5—10 мм и более. В некоторых слу-
чаях начинают деформировать слитки с литой поверхностью, а затем
удаляют поверхностный слой.
Очень высоки требования к слиткам на наличие раковин, рыхлот,
пористости. Если в фасонной отливке допускается некоторая по-
ристость, оговоренная специальными эталонами, то в слитках это
допустимый максимум в несколько раз меньше. Особенность боль-
шинства сплавов цветных металлов состоит в том, что в них почти
не происходит заваривание несплошностей в ходе пластического де-
формирования, как это имеет место в углеродистых сталях. Поэтому
любая несплошность в литой заготовке не исчезает при обработке
давлением, а лишь меняет свою форму, вытягивается и утоняется.
В итоге подобные пороки поражают полуфабрикаты на большую
длину, но в силу малой толщины могут'быть выявлены с большим
трудом. Вместе с тем они пагубно сказываются на прочности, пла-
стичности, герметичности металла. По этой причине технологию
строят таким образом, чтобы обеспечить надежное питание затвер-
девающего слитка, при котором исключалось бы возникновение
таких пороков как пористость, рыхлость, усадочные раковины.
Расплав, из которого отливают слитки, должен содержать мини-
мальное количество растворенных газов (для большинства сплавов
цветных металлов — водорода), чтобы исключить образование газо-
вой пористости. При работе со сплавами ответственного назначения
производят сплошной контроль слитков методами ультразвуковой
или рентгеновской дефектоскопии.
Очень большое значение имеет структура слитков, при этом
в равной степени важна как макро-,,так и микроструктура. Наилуч-
шие результаты при пластическом деформировании по качеству
335
получаемых полуфабрикатов достигаются в случае возможно более
мелкой равноосной и равномерной по всему объему слитка макро-
структуры. Крупнозернистая макроструктура литой заготовки может
быть причиной появления трещин при первичном деформировании,
причем трещины возникают несмотря на то что общие показатели
пластичности металла вполне удовлетворительны. Разрушение круп-
нозернистых заготовок связано с анизотропией свойств металличе-
ских кристаллов. В случае мелкого зерна влияние анизотропии
незаметно, поскольку различия В упругопластической деформации
соседних зерен проявляются в малых объемах и потому не дости-
гают критических значений. В' случае же крупнозернистого металла
эти различия могут быть очень большими. Из двух расположенных
рядом кристаллических зерен одно может быть ориентировано так,
что способно выдержать большую пластическую деформацию. Сосед-
нее же зерно в направлении действующих напряжений выдерживает
лишь малую пластическую деформацию. Поэтому в процессе дефор-
мирования это зерно, исчерпав свой запас пластичности, разрушится,
и в заготовке появится трещина.
В ходе деформирования происходят также повороты и перемеще-
ния кристаллических зерен. Эти. перемещения легко осуществляются
при мелкокристаллическом строении. В случае крупнокристалличе-
ского строения перемещения должны быть соответственно большими,
так что запаса локальной пластичности в районе неблагоприятно
ориентированных зерен оказывается недостаточно, и по границам
зерен появляются трещины.
Крупное макрозерно особенно опасно в слитках из металлов и
сплавов с объемноцентрированной и гексагональной и плотноупако-
ванной структурами. Однако, даже в тех случаях, когда крупнозер-
нистая заготовка благополучно выдержала деформирование, свойства
полученных из нее полуфабрикатов при жестких требованиях могут
оказаться неудовлетворительными. Данные полуфабрикаты имеют,
как правило, различную величину рекристаллизованного зерна на
разных участках. Участки, занятые в литой заготовке зернами с бла-
гоприятной ориентировкой, испытывают большую степень дефор-
мации. После рекристаллизации они окажутся мелкозернистыми.
Участки, бывшие в литой заготовке зернами с неблагоприятной
ориентировкой, испытывают меньшую пластическую деформацию,
поэтому после рекристаллизации окажутся крупнозернистыми. Возни-
кающая таким образом разнозернистость деформированных полуфаб-
рикатов при жестких требованиях представляет собою очень трудно-
устранимый брак, для борьбы с которым необходимо как изменение
технологии литья, так и изменение технологии обработки давлением.
Таким образом, в слитках нежелательна смешанная макрострук-
тура, состоящая из кристаллических зон с зернами различной формы
и величины. Для создания однородной мелкой макроструктуры
слитков расплавы перед разливкой часто подвергают модифици-
рующей обработке.
Для получения рядовых полуфабрикатов широко используют
слитки с обычной макроструктурой, состоящей из мелких равноос-
336
ных кристаллов в приповерхностной зоне, столбчатых кристаллов
в следующей за ней зоне и крупных равноосных кристаллов в цен-
тральной зоне. Слитки с транскристаллической структурой, со-,
стоящей только из двух зон столбчатых кристаллов, выросших от.
противоположных сторон, стараются не использовать, так как
обычно в них при обработке появляются центральные трещины по
линии стыка столбчатых кристаллов.
Что касается микроструктуры металла в слитках, то наиболее
благоприятно тонкое микрокристаллическое строение с возможно
меньшими размерами всех элементов микроструктуры. Желательно,
чтобы ветви и оси дендритов были тонкими с размерами дендритной
ячейки не более 20—30 мкм. Выделения различных фаз, появля-
ющихся при кристаллизации сплавов в ходе эвтектических, пери-
тектических, монотектических превращений, также должны иметь
возможно меньшие размеры (5—10 мкм и менее). Наконец жела-
тельно, чтобы все неметаллические включения имели минимальные
размеры (не более 3 мкм). Высокая дисперсность микроструктуры
сплавов сама по себе является необходимым условием повышения
технологической пластичности слитков. Кроме того, чем тоньше
микроструктура литого металла, тем однороднее она будет у де-
формированного полуфабриката.
Одна из основных особенностей деформированных полуфабрика-
тов состоит в неодинаковости свойств, прежде всего механических,
вдоль и поперек направления течения металла в ходе пластического
деформирования. Эта'особенность в первую очередь связана с так
называемой полосчатой микроструктурой полуфабрикатов, которая
является следствием химической и физической неоднородности ми-
кростроения литой заготовки. Поэтому снижение неоднородности
структуры и свойств полуфабрикатов достигается в первую очередь
измельчением микростроения литых заготовок. Это измельчение,
можно получить, как известно, повышенными скоростями кристал-
лизации. Именно поэтому стремятся увеличивать интенсивность те-
плоотвода при затвердевании слитков. Другой путь измельчения
микроструктуры — модифицирование расплава, к которому также
часто обращаются при литье слитков,-
Для улучшения технологической пластичности прибегают к пред-
варительному гомогенизационному отжигу слитков. Он позволяет
повысить химическую однородность металла в микрообъёмах за счет
уменьшения дендритной ликвации и растворения- избыточных не-
равновесных фаз в структуре. Процесс гомогенизации пройдет тем
быстрее и интенсивнее, чем меньше размеры микрообластей с разны-
ми составами. Полезно также усилить теплоотвод от затвердевающе-
го слитка, что вызывает общее измельчение микроструктуры металла.
Очевидно, что в слитках недопустима химическая макронеод-
нородность, которая может возникать, как известно, вследствие раз-
личных видов зональной ликвации: прямой и обратной, внецентро-
вой, гравитационной (по плотности). Основные пути снижения макро-
ликвации — увеличение интенсивности охлаждения и рациональ-
ное затвердевание слитков,
337
В слитках, как и в любых отливках, возникают напряжения.
Из них наиболее опасны для качества слитков температурные напря-
жения, которые возникают вследствие разности температур по сече-
нию слитка в ходе его затвердевания и охлаждения. В общем случае
в любом слитке всегда имеются остаточные температурные напряже-
ния. Их особенностью является то, что они достигают наибольших
значений после полного охлаждения слитка. Схема их всегда такова,
что внутренние объемы слитка растянуты, а наружные сжаты.
Температурные напряжения в слитках обусловлены наличием пере-
пада температур по сечению, т. е. разницей температур между вну-
тренними и наружными слоями.
Ранее отмечалось, что повышенное качество литого металла до-
стигается увеличением интенсивности отвода тепла. Очевидно, что
это должно привести к соответствующему увеличению перепада
температуры по сечению и в итоге к возрастанию температурных на-
пряжений. Эти напряжения могут превышать по величине предел
прочности, в результате чего происходит разрушение слитка. Для
уменьшения величины температурных напряжений целесообразно
осуществить интенсивный теплоотвод от слитка в начале процесса
затвердевания до момента окончания затвердевания внутренних
участков. Затем необходимо замедлить отвод тепла от слитка так,
чтобы перепад температур по сечению уменьшился за счет некоторого
разогрева наружных объемов теплом более горячей сердцевины.
При таком положении к моменту перехода внутренних слоев в упру-
гое состояние разница в температуре между ними и наружными
слоями снизится и определяемые этой разницей остаточные тем-
пературные напряжения не превысят опасного уровня.
Следует отметить, что остаточные температурные напряжения,
даже если они не вызвали разрушения слитка, тоже нежелательны.
Они могут быть причиной коробления литых заготовок и разрушения
их в начале пластического деформирования, так как добавляются
к напряжениям от приложенных внешних сил. Основной путь сни-
жения уровня остаточных температурных напряжений в слитках —
проведение отжигов. Повышение температуры способствует проте-
канию релаксационных явлений в металле, когда упругие деформа-
ции переходят в пластические и напряжения исчезают. Таким обра-
зом, отжиг слитков перед обработкой давлением повышает их пла-
стические свойства как за счет гомогенизации, так и за счет снятия
остаточных температурных напряжений (их релаксации). Снятие
напряжений проходит значительно быстрее и при более низких тем-
пературах, чем гомогенизация, поэтому гомогенизационный • отжиг
слитков автоматически приводит к исчезновению в них напряжений.
§ 2. ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ
РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
В настоящее время разработано большое число способов и их раз-
новидностей для получения слитков из сплавов цветных металлов.
Каждый способ создавался для улучшения качества слитков и повы-
538
шения тёхпико-экбномиЧёских показателей. Все способы можно раз-
делить на две группы, различающиеся ходом затвердевания слитка.
В способах, относящихся к первой группе, расплав заливают в форму-
изложницу, где он затвердевает, причем фронт затвердевания (по-
верхность раздела расплав — твердая корка) перемещается от сте-
нок формы в глубь образующегося слитка, остающегося неподвиж-
ным. В способах второй группы расплав заливают в специальное
устройство — кристаллизатор; образующийся слиток непрерывно
выводится из кристаллизатора, а фронт затвердевания остается
практически неподвижным в пространстве. Первая группа назы-
вается литьем слитков в изложницы или наполнительным литьем,
вторая группа — непрерывным литьем.
Литье в изложницы
Производство слитков литьем в изложницы или наполнительное
литье является старым технологическим процессом. Однако и в на-
стоящее время этим способом литья получают довольно значительйое
количество слитков.
Наполнительным литьем получают цилиндрические' слитки диа-
метром от 50 до 300—400 мм и высотой 500—1500 мм, а также пло-
ские слитки толщиной 50—100 мм, шириной 300—500 мм и высотой
500—1000 мм.
Для наполнительного литья используют литые массивные чугун-
ные (рис. 139) и водоохлаждаемые изложницы с медной рубашкой
(рис. 140). Водоохлаждаемые изложницы появились в 1920—1930 гг.
и сыграли большую положительную роль в повышении качества
слитков. Увеличение скорости отвода тепла, достигаемое за счет
водяного охлаждения, повышает плотность литого металла и дисперс-
Рис. 139. Чугунная излож-
ница
Рис. 140. Водоохлаждаемая из-
ложница (Л — медная рубаш-
ка)
339
кость микроструктуры. Однако, Трудность обеспечений спокойного
заполнения формы-изложницы остается. В случае отливки крупных
слитков интенсивность охлаждения заметно снижается из-за воз-
никновения усадочного зазора между водоохлаждаемой рубашкой
изложницы и поверхностью слитка.
Для наполнительного литья показатель выхода годного, т. е.
отношение массы годных заготовок к массе залитого металла, не
превышает 80 %. Главная причина этого заключается в том, что
у каждого слитка отрезают головную часть с усадочной раковиной,
а иногда и донную часть, пораженную захваченными оксидными пле-
нами и воздушными пузырями. Нередко приходится обрабатывать
боковую поверхность слитков для улучшения ее качества — удаления
засоров, небольших раковин, ликвационных наплывов.
При наполнительном литье обязательно используют краски и
смазки, которые наносят на рабочую поверхность изложниц. Краски
состоят из минеральной основы (мел, тальк, огнеупорная глина),
связующего материала (жидкое стекло) и воды. Слой краски должен
быть совершенно сухим перед заливкой расплава в изложницу.
Смазки представляют собой сложную смесь жидких углеводородов
(керосин, масло, мазут). Такие смазки при заливке от действия высо-
кой температуры при недостатке воздуха в полости изложницы под-
вергаются пиролитическому разложению. Летучие вещества, за-
полняя свободную полость изложницы, создают восстановительную
атмосферу и препятствуют окислению падающей струи и зеркала
расплава. Твердые углеродистые продукты остаются на стенках
изложницы. Эти продукты, так же как и слой сухой краски, защи-
щают стенки изложницы от прямого соприкосновения с расплавом,
предотвращая приваривание слитка к изложнице и ее разрушение.
Кроме того, пористый слой краски или углеродистых остатков,
находящийся между расплавом и поверхностью изложницы, обес-
печивает достаточно свободный выход газов из этого зазора. При от-
сутствии пористого слоя на рабочей поверхности изложницы по-
верхность слитка оказывается неровной вследствие расширения газов
в зазоре между стенкой изложницы и слитком.
Получение чистой поверхности становится- очень сложным при
литье слитков высотой 1000 мм и более. При заливке в начале про-
цесса расплав падает с этой большой высоты на дно изложницы
и разбрызгивается. Брызги попадают на стенки изложницы, где
затвердевают. Затем уровень расплава накрывает их, и они оказы-
ваются в виде своеобразных включений на поверхности слитка.
Кроме того, струя, падающая с большой высоты, вызывает сильное
перемешивание расплава. Возникающие оксидные плены попадают
внутрь металла и на боковую поверхность слитка. Чтобы избежать
этих явлений, регулируют процесс заполнения изложницы. Разбрыз-
гивание и перемешивание под струей определяются кинетической
энергией, вносимой падающим расплавом. Количество расплава
определяется диаметром струи. Если одну струю большого диаметра
разбить на несколько струй меньших диаметров, то при прежней
линейной скорости, определяемой высотой изложницы, энергия,
340
Вносимая в расплав каждой струей, будет Меньше. Массовую ско*
рость заполнения можно сохранить прежней, подбирая диаметр
и число струй. В результате этого достигается белее спокойное
без разбрызгивания и бурления заполнение изложниц. Практи-
чески регулирование процесса заливки осуществляется с помощью
заливочных воронок, имеющих 2—5 отверстий диаметром 5—15 мм.
Применение этих воронок оказывает также очень большое влияние на
процесс затвердевания слитка, и, следовательно, на вероятность
образования в нем усадочных пороков.
Если принять, что изложница для высокого цилиндрического
слитка заполняется расплавом мгновенно и теплоотвод происходит
только с боковой поверхности, то нетрудно сделать вывод, что в за-
твердевшем слитке неизбежно возникнет усадочная раковина кони-
ческой формы с обращенной вниз вершиной (при условии, что сплав
не имеет интервала кристаллизации). Теоретически вершина этой
конической усадочной раковины должна дойти до самого низа
слитка. Таким образом, теоретически оказывается, что обычным
литьем в изложницу невозможно получить здоровой даже часть вер-
тикально отливаемого слитка. Практика, однако, показывает, что
это не так — нижняя часть слитка оказывается плотной, без следов
усадочной раковины.
Это несоответствие теории с практикой объясняется тем, что при
теоретическом анализе с использованием метода изотерм считается,
что отвод тепла и, следовательно, толщина нарастающей твердой
корки одинаковы по всей высоте слитка. На самом же деле это далеко
не так. В жидком металле развивается интенсивная естественная
конвекция. Холодные слои расплава, граничащие с фронтом затвер-
девания, в силу большей плотности движутся вниз вдоль поверх-
ности нарастающей твердой корки. На их место подходит более горя-
чий расплав, поднимающийся по центру жидкой части слитка. Таким
образом, оказывается, что в нижней части слитка расплав, грани-
чащий с нарастающей коркой, всегда имеет более низкую темпера-
туру, чем в верхней части слитка. Поэтому твердая корка нарастает
в нижней части слитка быстрее, чем в верхней, несмотря на одинако-
вые внешние условия отвода тепла. Тепловая естественная конвек-
ция как бы усиливает охлаждение нижней части слитка. В итоге
оказывается, что фронт затвердевания расположен не вертикально,
а несколько наклонно, и нижняя часть слитка затвердевает быстрее
верхней.
Таким образом, затвердевание слитка само собой приобретает
некоторую направленность снизу вверх, что благоприятно сказы-
вается на сосредоточении усадочной раковины в верхней головной
части слитка. Этому также способствует большая величина зазора
между слитком и изложницей в верхней части слитка. Зазор возни-
кает из-за линейной усадки слитка в горизонтальных сечениях.
Термическому сжатию слитка некоторое время препятствует ме-
таллостатическое давление жидкой сердцевины. Это противодей-
ствует тем сильнее, чем больше высота столба расплава над данным
сечением, т. е. оно сильнее в нижней части слитка. Меньшая величина
341
зазора предопределяет большую теплоотдачу от слитка к йзложницё
в этой части слитка. Следовательно, толщина твердой корки будет
нарастать здесь также быстрее.
Иногда изложницы делают с разной толщиной стенки по высоте
в расчете на то, что более толстые стенки внизу ускорят охлаждение
нижней части слитка. Это позволяет в большей мере сосредоточить
усадочную раковину вверху и получить большую часть слитка
здоровой.
Однако главным способом создания направленного снизу вверх
хода затвердевания слитков является замедленная заливка, скорость
которой снижают до самой низкой величины, обеспечивающей нуж-
ную жидкотекучесть расплава. Этим добиваются, чтобы затвердева-
ние хотя бы частично началось с нижней части слитка еще в ходе
заливки. В таких условиях часть усадки автоматически воспол-
няется при заливке, а раковина надежно выводится в головную часть
слитка. Установление и поддержание малой скорости заливки до-
стигается использованием заливочных воронок.
Для создания направленного хода затвердевания слитков на из-
ложницы сверху устанавливают тепловые насадки — футерованные
внутри малотеплопроводными огнеупорными материалами обечайки.
Расплав заливают до верхнего обреза насадок, и он здесь сохраняется
В\жидком состоянии, пока идет затвердевание слитка в самой излож-
нице. Объем расплава в тепловой насадке служит прибылью, откуда
идет пополнение объемной усадки. При хорошей конструкции тепло-
вых насадок и правильной их эксплуатации удается почти всю уса-
дочную раковину вывести из слитка в насадку и получить плотный
слиток по всей высоте. Следует отметить, что в случае значительного
интервала кристаллизации сплава эффективность работы тепловых
насадок снижается. В некоторых случаях для восполнения усадки
используют обычную доливку в затвердевающий слиток прямо в ра-
стущую усадочную раковину.
В слитках, получаемых наполнительным литьем из сплавов с ши-
роким интервалом кристаллизации, обнаруживается заметная обрат-
ная ликвация (бронзы с 5—10 % Sn и 3—5 % Si). В слитках из
медных сплавов, содержащих 2—3 % свинца и более, возможно про-
явление гравитационной ликвации этого компонента.
Невысокая скорость охлаждения практически не вызывает появ-
ления значительных температурных напряжений в слитках, полу-
чаемых в изложницах. Выявляемые иногда трещины в слитках воз-
никают из-за усадочных напряжений, порождаемых сопротивленйем
неудачно сконструированной или изношенной и неправильно экс-
плуатируемой изложницы (заливы по стыку изложницы с поддоном,
покоробленная изложница, крупные трещины на рабочей поверх-
ности изложницы).
При наполнительном литье в чугунные изложницы существенное
значение приобретает их износ, выражающийся в появлении на
рабочей поверхности трещин в виде так называемой сетки разгара.
Эти трещины, вначале тонкие и неглубокие, с каждой последующей
заливкой раскрываются и углубляются. Механизм появления этих
342
трещин такой же, как и в орудийных стволах. Этот механизм был
в свое время блестяще объяснен русским металлургом и металло-
ведом Д. К. Черновым. При заливке изложницы наружные слои
рабочей поверхности, испытывая наибольший разогрев, стремятся
увеличить свои линейные размеры. Однако, этому препятствуют более
холодные слои стенки изложницы. Поскольку их общая прочность
во много раз больше прочности горячих слоев, последние начинают
пластически деформироваться, испытывая напряжения сжатия, тогда
как основная ттеица стенки испытывает лишь упругую деформацию
растяжения. После того как в горячих слоях прошла пластическая
деформация сжатия, вся стенка оказывается разгруженной. Однако,
температура по толщине стенки распределена по-прежнему нерав-
номерно. Рабочая поверхность имеет высокую температуру, которая
постепенно понижается в направлении к наружной поверхности
стенки. При охлаждении изложницы слои на рабочей поверхности
должны сократиться на большую величину, чем остальные слои
стенки изложницы. В результате этого на рабочей поверхности
возникают деформации растяжения, вызывающие появление напря-
жений растяжения. Многократное повторение этого процесса при
заливке и охлаждении изложницы приводит к разрушению металла
на рабочей поверхности стенки в виде многочисленных трещин.
Непрерывное литье слитков
Процесс непрерывного литья заключается в том, что расплав не-
прерывно заливается в кристаллизатор, а затвердевающий в
нем слиток непрерывно вытягивается обычно вертикально вниз
(рис. 141). Кристаллизатор представляет собой водоохлаждаемую
изложницу, не имеющую дна и оформляющую боковую поверхность
слитка. Рубашка кристаллизатора изготавливается из меди, хромо-
вой бронзы, алюминиевых спла-
вов. Рабочую поверхность рубаш-
ки тщательно обрабатывают. Иног-
да на нее наносят электролитиче-
ски слой твердого хромового
покрытия. Обязательно производят
смазку рабочей поверхности перед
началом и в ходе литья минераль-
ными или растительными маслами.
Данный кристаллизатор принято
называть кристаллизатором сколь-
жения (КС).
Расплав поступает в кристал-
лизатор через распределительные
устройства. Их назначение состоит
в том, чтобы избежать течения рас-
плава открытыми струями и рас-
средоточить потоки расплава в
кристаллизаторе.
Рис. 141. Схема непрерывного литья слит-
ков в кристаллизатор скольжения (КС):
1 — корпус кристаллизатора; 2 — рубашка
кристаллизатора; 3 — распределительное
устройство (сито-поплавок); 4 — струя
воды; 5 — лунка жидкого металла; 6 —
слиток
343
Кроме охлаждения в кристаллизаторе, называемого первич-
ным, обычно предусматривается вторичное охлаждение слитка
по выходе его из кристаллизатора. Вода в зоне вторичного
охлаждения подается прямо на поверхность слитка. Иногда
вместо воды используют водо-воздушную смесь или поток воз-
духа.
Принято различать непрерывное и полунепрерывное литье. В слу-
чае непрерывного литья вытягиваемый из кристаллизатора слиток
режется на мерные заготовки на ходу без остановки процесса литья
с помощью специального устройства. При полунепрерывном литье
резка слитка на ходу не предусматривается, и процесс литья
прекращается после получения слитка определенной длины —
от 2 до 8 м. Отлитый слиток затем направляют на разрезку. Про-
цессы, происходящие при затвердевании слитков в условиях непре-
рывного и полунепрерывного литья, практически одинаковы, поэ-
тому в дальнейшем изложении использован термин «непрерывное
литье» для обоих случаев. Различия в полунепрерывном и непре-
рывном литье указываются по мере надобности.
Непрерывное литье в полунепрерывном варианте получило про-
мышленное развитие в 40-х годах XX в. применительно к слиткам
из алюминиевых, а затем из магниевых сплавов. Развитие авиа-
ционной техники потребовало крупногабаритных литых заготовок
высокого качества. Крупногабаритные слитки, получаемые литьем
в изложницы, оказывались пораженными усадочной рыхлотой и ок-
сидными пленами. Переход к полунепрерывному литью позволил обе-
спечить нужное качество литых заготовок. С конца 40-х годов про-
исходило освоение полунепрерывного литья слитков из медных
сплавов, в первую очередь из алюминиевых бронз. С 60-х годов
стали разрабатывать и затем осваивать установки полностью непре-
рывного литья слитков из медных и алюминиевых сплавов. Однако до
настоящего времени основная масса слитков из цветных сплавов
производится способом полунепрерывного литья.
Сейчас полунепрерывным литьем получают все слитки из алю-
миниевых и магниевых сплавов, 70—80 % слитков из медных спла-
вов, около 40—50 % слитков из никелевых сплавов. Начинается
освоение непрерывного литья (в особом варианте) слитков из цинка
и его сплавов.
В настоящее время непрерывным литьем можно'получать слитки
любой формы, необходимой для последующей обработки давлением:
плоские, цилиндрические, полые. Толщина плоских слитков из
алюминиевых сплавов доходит до 500 мм, из медных сплавов до
300 мм; ширина — до 2000 мм (алюминиевые сплавы) и до 1200 мм
(медные сплавы). Наименьшая толщина литых заготовок состав-
ляет 50—70 мм и доходит до 6—8 мм при особых разновидностях
процесса непрерывного литья.
При обычных схемах непрерывного литья получают цилиндри-
ческие слитки, начиная с диаметра 70—80 мм до 1000—1200 мм
(алюминиевые сплавы) и до 500 мм (медные сплавы). С помощью
344
особых видов непрерывного литья удается получать литые заготовки
малых диаметров — до 16—18 мм.
Непрерывное и полунепрерывное литье осуществляют на спе-
циальных установках, которые довольно сложны в изготовлении и
эксплуатации, имеют большие габариты (высота доходит до 40 м).
Стоимость установок непрерывного литья составляет несколько мил-
лионов рублей. Несмотря на все эти обстоятельства в перспективе
все производство слитков несомненно будет основываться на непре-
рывном литье. За наполнительным литьем останется лишь малая
доля, связанная с малотоннажными сплавами и опытными разра-
ботками.
Основные положительные черты непрерывного литья заклю-
чаются в высоком качестве литого металла и малом количестве от-
ходов. Высокое качество выражается в отсутствии усадочных по-
роков (раковин, рыхлоты, пористости) и в минимальном загрязне-
нии неметаллическими включениями, главным образом., оксидными
пленами. Снижение количества отходов, т. е. повышение выхода
годного, связано с тем, что уменьшается относительная масса го-
ловной и донной части слитка, которые приходится отделять при
разрезке слитка на мерные заготовки, отправляемые в обрабаты-
вающие цеха. Средний выход годного при полунепрерывном литье
составляет не менее 90 %, при непрерывном достигает 95 %.
Главным технологическим показателем при непрерывном литье
является скорость литья, т. е. линейная скорость вытягивания
слитка из кристаллизатора. Скорость литья предопределяет произ-
водительность процесса, поэтому всегда стремятся ее увеличить.
Вместе с тем она должна быть такой, чтобы за время движения в пре-
делах кристаллизатора возникла корка твердого металла, способ-
ная противостоять металлостатическому давлению расплава, нахо-
дящемуся в срединной части затвердевающего слитка. Если ско-
рость литья слишком велика, твердая корка оказывается недостаточно
прочной, и расплав может прорваться сквозь нее на поверхность.
Во многих случаях скорость литья ограничивают в связи с воз-
можностью возникновения трещин внутри и на поверхности слитков.
Процесс затвердевания слитка при непрерывном литье можно
описать аналитическими зависимостями, если принять ряд допу-
щений и ограничений. Достаточно полное решение этой задачи
возможно лишь при использовании электронно-вычислительной
техники и также с определенными допущениями, количественные
характеристики которых приходится брать из экспериментальных
данных.
Решение задачи затвердевания слитка при непрерывном литье
в первом приближении сводится к определению времени его пол-
ного затвердевания. Необходимо найти время, за которое корка,
нарастающая с поверхности, при данной скорости литья, достигнет1
величины, равной половине толщины плоского слитка или радиуса
цилиндрического слитка. Для решения принимаем следующие усло-
вия: рассматривается затвердевание слитка из чистого металла;
расплав, поступающий в кристаллизатор, имеет температуру кри-
345
Стййлизации /кр; температура на поверхности слитка постоянна И
равна tn; теплопередача осуществляется только в горизонтальном
(радиальном) направлении, теплоотводом в осевом (вертикальном)
направлении пренебрегаем; все физические свойства металла прини-
маем не зависящими от температуры и состояния металла; считаем,
что распределение температуры по толщине нарастающей твердой
корки описывается параболой n-ого порядка, уравнение которой
в общем случае имеет вид:
х — расстояние от
£ — толщина этой
t = 4Р — (4р — in) (1 — х/1)п, где
наружной поверхности вглубь твердой корки;
корки в данный момент времени.
Расчеты будем основывать на уравнении
теплового баланса в твердой корке, нарас-
тающей с поверхности вглубь слитка.
Плоский слиток. Рассмотрим тонкий слой высо-
той Ай в поперечном сечении слитка. Этот слой не-
прерывно перемещается вниз со скоростью и в нем
с поверхности нарастает твердая корка переменной
толщины ё. Принимаем, что ширина слитка В во много
раз больше его толщины S, поэтому затвердевание бу-
дет определяться только теплоотводом по широким
сторонам. Начало координат поместим иа наружную
поверхность (рис. 142). Согласно опытным данным,
принимаем, что распределение температуры в затвер-
девшей корке описывается прямолинейным законом,
поэтому показатель степени п в общем уравнении пара-
болы равен 1. При условии п = 1 получаем: t = tn -f-
(4tp tn) xli..
Рассмотрим изменение общей энтальпии твердой
корки за бесконечно малый промежуток времени dx.
За это время с поверхности рассматриваемого слоя
будет отведено количество тепла dQ0TB = X \dt!dx\ F dx,
где X — теплопроводность металла; [dt/dx]x_0— тем-
наружной поверхности корки при х = 0; F = В Ай —
Нетрудно видеть, что [dt/dx]x=0= /кр — tu/S, в данном
Рис. 142. Схема к расчету
процесса 1 _гд_ __________
плоского слитка толщиной S
в условиях
литья
затвердевания
непрерывного
градиент на
охлаждения.
пературный
поверхность
случае величина постоянная, не зависящая от х. Таким образом,
^Qotb ~ а АйХ (^кр — 4t) (51)
За время dx происходит затвердевание слоя толщиной d^. Это приводит к возра-
станию общей энтальпии твердой корки на dQsaTB = FР (? + d£, где р — плот-
ность металла; q — теплота плавления; с — теплоемкость.
Теперь необходимо вычислить изменение энтальпии твердой корки, происшед-
шее за время dr, для того, чтобы составить уравнение теплового баланса. Общая
энтальпия корки — это тепло, аккумулированное ею. Оно определяется ее разме-
рами и распределением температуры. Обозначив это тепло Саки можно записать:
Е Е
Сакк = J Fpctdx = В Айрс J [fn + (G;p — tn) x/g] dx = BAftpcg (tKp + Zn)/2.
о о
(52)
Изменение энтальпии твердой корки, происходящее при изменении ее толщины на
величину d£, можно найти дифференцированием <3акк по Отсюда получаем: dQaKK =
= В Айрс (гкр -|- ta) d%/2.
Уравнение теплового баланса для твердой корки запишем так: dQsaTB — dQOTB =
= dQaKK. Заменяя dQ их значениями, получаем: В Айр (q -|- с^кр) dg — В Bhk (tKp —
— tn) dx/z = В Айрс (/кр -|- гп) dg/2. После сокращений и преобразований имеем
X (1Бр — ta) dx = р [<у -|- с (tvp -|- £п)/2] gdg. При непрерывном литье, осуществляе-
346
мом co скоростью ол, за время с/т рассматриваемый слой опустится на расстояние
dh = vdx. Отсюда с/т = dh/vSI и поэтому можно записать:
(^кр — tn)dh = p[q с (/Кр + /п)/2] ол|с/|. (53)
Интегрирование уравнения (53) с учетом условия h = 0 и | = 0 дает следующую
зависимость:
h — [q + с (tKp + /и)/2] плр|2/2Х (ZKp tu). (54)
Уравнение (54) показывает, как меняется толщина нарастающей твердой корки |
по мере продвижения^рассматриваемого слоя от поверхности расплава, где h = О,
вниз. Иначе говоря, уравнение (54) описывает положение фронта кристаллизации
при непрерывном литье.
График зависимости (54) изображен на рис. 143. Величина h равна глубине не-
затвердевшей области слитка при толщине корки Н. Эту незатвердевшую область на-
Рис. 143. Фронт кристалли-
зации и луика жидкого ме-
талла при непрерывном
литье плоского слитка
Рис. 144. Схема к расчету процесса
затвердевания цилиндрического
слитка радиусом в условиях не-
прерывного лйтья
зывают жидкой лункой. Как видно, в плоском слитке жидкая лунка образована дву-
мя параболическими поверхностями, идущими от широких сторон слитка. Наиболь-
шая глубина лунки Н находится на оси слитка и равна Н = h при | = S/2:
Н = [q + с (/кр /п)/2] v;[pS2/8'k (/кр tn). (55)
Объединив все постоянные величины в один множитель /С, получаем:
Н = KvnS*. (56)
Из формулы (56) следует, что наибольшая глубина лунки прямо пропорциональ-
на скорости литья и пропорциональна квадрату толщины плоского слитка.
Цилиндрический слиток. Сохраним все прежде принятые условия. Ради удоб-
ства математических преобразований начало координат поместим в центр слитка
(рис. 144). Распределение температуры в затвердевшей корке описывается пара-
болой n-ого порядка. Из опытных данных следует, что в данном случае я< 1, и
температурная кривая имеет провисающую к оси абсцисс форму. Обычно п = 0,7ч-
-5- 0,8. Уравнение этой кривой в принятой системе координат имеет следующий вид:
= ^кр (^кр ^п) П;)/(^ П;)1 > (57)
где R — наружный радиус слитка; rj — радиус внутренней поверхности нарастаю-
щей корки; г — радиус слоя в пределах толщины корки.
Уравнение теплового баланса в корке в тонком слое высотой Ай за бесконечно
малый промежуток времени с/т имеет вид:
^Сзатв — c/Qotb — dQanK (58)
Величина c/QsaTB определяется количеством затвердевшего металла за время dx
и равна c/(?saTB = (q + с/ир) р dV, где g — теплота плавления; с — теплоемкость;
347
р — плотность металла; dV — объем затвердевшего металла. Этот объем равен про-
изведению площади 2nrg Д/г на бесконечно малую толщину dr$: dV = 2л &hr% dr%.
Отсюда А?3атв = 2л Д/гр (q + с/кр) rg drg. Количество отведенного от рассматривае-
мого слоя тепла d<?0TB определяется теплопроводностью X, градиентом температуры
на поверхности охлаждения [dt/dr]r_R и площадью этой поверхности 2лК Д/г:
<*2ОТВ = 2л/? Д/Л [di/dr]r=R di. (59)
Градиент
[d//dr]r=fi = {- (<кр - Q п (г - - rg)”}r=R =
= -n(tKp~tuM(R-r$. (60)
Знак минус в данном случае показывает, что при выбранной системе координат
с ростом г происходит снижение t. В дальнейших расчетах этот знак можно опустить.
Таким образом, получаем:
dQoTB = 2лR^h'ktl (/кр — /п) di/(R — rg). (61)
Величину dQaKK надо искать путем дифференцирования факк по rg. QaKK — эн-
тальпия твердой корки в данный момент времени, когда ее толщина равна R — г^.
Очевидно, что для отыскания Раки необходимо суммировать энтальпию всех слоев
твердой корки в соответствии с имеющейся в данный момент времени температурой
в каждом слое. Следовательно:
R
<3акк = j 2лгД/грп {/ир — (/кр — /ц) [(г — rg)/(/? — rg)]4} dr, (62)
I
где 2nr Ah dr — объем элементарного слоя твердой корки; р — плотность металла;
с — теплоемкость. После интегрирования, при котором удобно воспользоваться пра-
вилом интегрирования по частям для второго слагаемого под знаком интеграла, по-
лучаем:
<2акк = 2"ДЛРС Икр ~ I)/2 - Икр - 'л) [* & - '6)/(« + 4-
-(R-O2/(«+l)(n + 2)]J. (63)
Отсюда
^Оакк ~ 2лД/грс {nR (/кр — /п) -|- [2 (/кр — /п) —
— <кр (п + О (« + 2)] rg) drt/(n + 1) (n + 2). (64)
Заменив величины <Л?3атв> dQ0TB, dQaKK найденными значениями в уравнении теп-
лового баланса в твердой корке Л?аатв — dQo-гв — ^Сакк и решив довольно громозд-
кое дифференциальное уравнение с учетом того, что du = dhJvn, получаем следую-
щую зависимость глубины лунки h в цилиндрическом слитке от радиуса г:
h = рол {6/?2 (rg — /?) спМ + 3/? (г( - /?г) [с (2Д/ - пД/ — /п/кр) — ml] +
+ 2 (r| — /?3) [ml — с (2&t — /п/кр}]}/fftAtmnR, (65)
где Д/ = /кр — /п; 1 = q + с/кр; т = (п + 1) (п + 2). Наибольшая глубина
лунки Н будет находиться в центре сечения при rg = 0. Нетрудно видеть, что И =
= К1ил/?21 где fa — множитель, объединяющий все постоянные-величины в приве-
денной выше формуле. Таким образом, и в случае цилиндрических слитков наиболь-
шая глубина лунки пропорциональна скорости литья и квадрату линейного размера
в поперечном сечении.
Форма лунки в цилиндрическом слитке зависит от показателя п в уравнении,
описывающем распределение температуры- в твердой корке, и имеет сложную кон-
фигурацию. На рис. 145 изображена лунка цилиндрического слитка. Оиа имеет вид
перевернутого колокола, при этом на периферии поверхность выпукла в сторону рас-
плава, а в центральных слоях, напротив, вогнута. На этом же рисунке изображена
луика плоского слитка, толщина которого равна диаметру цилиндрического слитка.
Размеры лунки определены по приведенным выше формулам при условии одинаковой
348
скорости литья и одинаковых свойств металла. Для цилиндрического слитка показа-
тель степени функции t = f (г) принят п = 0,8, а распределение температуры в корке
плоского слитка — прямолинейным. В этих условиях наибольшая глубина лунки
плоского слитка оказывается в 1,9 раза больше, чем у цилиндрического.
внутренних и наруж-
Рис. 145. Форма луики в ци-
линдрическом (/) и плоском
(2) слитках при непрерывном
литье с одинаковой скоро-
стью
Особенности формы и глубины лунки во многом предопределяют
различия в технологии производства плоских и цилиндрических
слитков. Из-за большой глубины лунки затвердевание плоских
слитков заканчивается на более низких уровнях под кристалли-
затором, когда поверхность слитка приобретает низкую температуру.
Следовательно, разность между температурой
ных слоев, оказывается значительной. Это
приводит к появлению больших температур-
ных напряжений и к возможности разруше-
ния слитка из-за трещин. В узкой глубокой
полости, образуемой лункой в центре слит-
ка, возможно затруднение питания объемной
усадки и возникновение усадочной рыхлоты
и пористости. В связи с этим применяемые
на производстве скорости литья плоских
слитков, как правило, в 1,5—2 раза меньше,
чем скорости литья цилиндрических слитков
из тех же сплавов и при равенстве толщины
и диаметра.
Несмотря на принятые упрощающие усло-
вия, -полученные зависимости позволяют так-
же сформулировать закономерности выбора
скоростей литья слитков, имеющих разные
размеры в поперечном сечении. Поскольку
наибольшая глубина лунки, в первом приближении, предопределяет
условия возникновения трещин и усадочных^пороков, то, очевидно,
соблюдая постоянным соотношение между диаметром (толщиной)
слитка и наибольшей глубиной лунки, можно получать здоровые
слитки. Из основных формул Н = Kv„S2 и Н = KiVnR2 следует, что
H/KS = vnS (плоский слиток) и H/K.J) = vnD (цилиндрический
слиток). Таким образом, оказывается, что скорость литья и линей-
ный размер слитков в поперечном сечении связаны обратной про-
порциональной зависимостью: чем больше диаметр или толщина
слитка, тем меньше должна быть скорость литья. Практические
данные подтверждают эту общую закономерность.
Экспериментальные исследования тепловых условий в затверде-
вающих слитках при непрерывном литье позволили выявить сле-
дующие особенности. Отвод тепла совершается не только в горизон-
тальном направлении, но и в вретикальном, где отводится 20—40 %
всего количества тепла. Температура на поверхности непрерывно
меняется по мере перемещения слитка. После образования первых
слоев твердой корки температура снижается ниже точки кристал-
лизации металла примерно на 100—200 °C. Затем из-за линейной
усадки в поперечном направлении слиток отходит от стенки кристал-
лизатора, образуется воздушный зазор. Отвод тепла от поверхНЪсти
349
слитка замедляется, и температура на поверхности либо перестает
снижаться, либо даже начинает повышаться. Это состояние сохра-
няется до выхода данного сечения слитка из кристаллизатора, где
начинает действовать вторичное охлаждение. Поверхность слитка
охлаждается до температуры ниже 100 °C на расстоянии нескольких
метров ниже кристаллизатора.
Температура расплава в жидкой лунке обычно очень близка к тем-
пературе ликвидуса сплава и превышает ее на несколько градусов.
Увеличение температуры жидкого' металла, заливаемого в кристал-
лизатор, незначительно’ сказывается на температуре расплава
в лунке. Вследствие интенсивной теплопередачи в металлических
расплавах поступающая тепловая энергия рассеивается по всему
объему лунки. Конечным результатом
является увеличение объема (глубины)
лунки с соответствующим возрастанием
площади фронта кристаллизации, кото-
рая воспринимает и передает увеличен-
ный поток тепла в твердую корку.
В случае литья сплавов, имеющих
заметный интервал кристаллизации
(свыше 10 °C), в затвердевающем слитке
возникает двухфазная область, ограни-
„ х ченная изотермами ликвидуса и соли-
Рис* 146. Двухфазная .область в . , . •>
слитке непрерывного литья из спла- дуса (рис. 146). Питание объемной усад-
ва с интервалом кристаллизации ки в условиях цепрерЫВНОГО ЛИТЬЯ ОСу-
ществляется достаточно свободно,
поскольку происходит строго направленное затвердевание. Появле-
ние усадочной рыхлоты в центре слитка наблюдается в случае спла-
вов с достаточно большим интервалом кристаллизации (более 50—
100 °C) при завышенной скорости литья. В этих условиях двухфазная
область настолько вытягивается по длине слитка, что возможно ее
местное перемерзание на отдельных участках. Часть двухфазной об-
ласти отсекается от жидкой лунки и не может получить дополни-
тельного количества расплава для пополнения убыли объема при
кристаллизации жидкости в промежутка хмежду ветвями дендритов.
В целом же, пока перед двухфазной областью имеется жидкая об-
ласть, расплав достаточно свободно перемещается в пределах двух-
фазной области от изотермы ликвидуса к изотерме солидуса, и тем
самым осуществляется надежное питание затвердевающих слоев
слитка.
Очень важно при непрерывном литье обеспечить одинаковую
интенсивность подвода и отвода тепла на всех участках объема и
поверхности слитка ро всех сечениях. В случае цилиндрических
слитков это достигается равномерным распределением расплава
в лунке и равномерным отводом тепла с его поверхности. В случае
плоских слитков прямоугольная форма сечения, предопределяет не-
равномерный подвод тепла, привносимого поступающим в кристал-
лизатор расплавом, и такой же неравномерный отвод тепла с поверх-
ности. Поэтому при литье плоских слитков подача расплава осу-
350
ЩеСТЁлйётсй не по оси Симметрий ёЛиткй, й 6 участки, рйСйолбжей-
ние ближе к узким сторонам.
Макроструктура слитков непрерывного литья из чистых метал-
лов и сплавов с узким интервалом кристаллизации является обычно
полностью столбчатой. Она четко видна на продольных разрезах.
На поперечных темплетах, которые вырезают для контроля ка-
чества слитков, выявляется не такая четкая картина. Вид макро-
структуры цилиндрических и плоских слитков качественно различен
В цилиндрических слитках столбчатые кристаллы имеют изогнутую
форму, они идут почти горизонтально у поверхностии и, изгибаясь,
становятся почти вертикальными в центральной части сечения.
В плоских слитках столбчатые кристаллы расположены под неко-
торым почти постоянным углом к горизонтали (15—20°). В централь-
ной плоскости часто выявляются один — два зерна, идущие строго
вертикально и отделяющие зоны столбчатых кристаллов, выросших
от противоположных широких сторон слитка.
Это различие в форме столбчатых кристаллов связано с особен-
ностями затвердевания цилиндрических и плоских слитков и осо-
бенностями формы жидкой лунки. Кристаллы развиваются в общем
перпендикулярно фронту кристаллизации. Это объясняется тем, что
в случае направленного отвода тепла и большого количества расту-
щих кристаллов, они могут развиваться лишь в одном направлении,
которое автоматически становится перпендикулярным возникаю-
щему фронту кристаллизации. Положение этого фронта определяется
изотермой температуры кристаллизации. Следовательно, по форме -
выросших в таких условиях столбчатых кристаллов можно восста-
новить существовавший фронт кристаллизации. Для этого необхо-
димо провести кривую, которая была бы перпендикулярна кристал-
лам во всех точках изучаемого сечения. Выявленное положение
фронта кристаллизации отвечает описанному очертанию лунки.
У сплавов со значительным интервалом кристаллизации столб-
чатая зона существенно сокращается и нередко исчезает совсем.
Все сечение слитка оказывается занятым довольно мелкими равно-
осными кристаллами. Поскольку именно такая структура наиболее
желательна, то при литье слитков из алюминиевых и магниевых
сплавов обычно прибегают к модифицированию, чтобы вообще
исключить возможность появления разнозернистого строения. При
получении слитков из медных сплавов, ввиду большей их пластич-
ности и менее жестких требований к деформированным полуфабри-
катам, модифицирование с целью общего измельчения макрострук-
туры обычно не проводят, поэтому в слитках можно обнаружить
как столбчатые, так и равноосные кристаллы.
Микроструктура в разных участках слитка непрерывного литья
однозначно определяется скоростью охлаждения на данном участке
при его затвердевании. Если оценить микроструктуру количественно
как величину дендритной ячейки, то в общем случае выявляется
следующая картина (рис. 147). В направлении от поверхности наблю-
дается довольно быстрое укрупнение дендритной ячейки. Это свя-
зано с замедлением теплоотвода по мере утолщения корки и отхода
351
слитка of стейок кристаллизатора вследствие линейной усадки в по*
перечном направлении. Как только данное сечение вышло из кристал-
лизатора и попало под прямое охлаждение водой, интенсивность
отвода тепла возрастает, скорость охлаждения увеличивается, что
и вызывает уменьшение размеров дендритной ячейки. В более глу-
боких слоях обычно отмечается дальнейшее измельчение дендрит-
ной ячейки, несмотря на утолщение твердой корки. Это связано с воз-
растанием скорости роста кристаллов под действием усиливающегося
отвода тепла в осевом направлении слитка.
В цилиндрических слитках усиление теплоот-
вода в глубинных слоях происходит также
под действием геометрического фактора: про-
тяженность фронта кристаллизации сокра-
щается, а площадь поверхности охлаждения
остается постоянной.
Если сравнивать размер дендритной ячей-
ки слитков, полученных при переменной ско-
рости литья, но на одинаковом расстоянии
от поверхности, то обнаруживается общая
закономерная картина: с ростом скорости
литья дендритная ячейка непрерывно измель-
чается. Эта очень важная зависимость впер-
вые была выявлена 1947 г. В. И. Добат-
киным.
Реальный размер дендритной ячейки в
слитках непрерывного литья из сплавов на
основе алюминия, меди, никеля находится
в пределах 20—150^мкм.
В слитках непрерывного литья [обычно
обнаруживается обратная зональная ликва-
ция в поперечных сечениях. В периферийных
d мкм
60
<ю
20
О 0,2 0,6 1,0
Рис. 147. Зависимость вели-
чины дендритной ячейки d
от расстояния от поверхно-
сти в цилиндрическом слит-
ке Диаметром 200 мм из ла-
туни Л96, получением не-
прерывным литьем со ско-
ростью 120 мм/мни
слоях выявляется повышенное содержание
компонентов и примесей, понижающих температуру ликвидуса спла-
ва и имеющих коэффициент распределения К. < 1 (коэффициентом
распределения называется отношение концентрации элемента в
твердой фазе с.ГЕ, выпадающей из жидкости, к концентрации этого
элемента в последней сж: К. — ств/сп). Соответственно в глубинных
слоях отмечается понижение содержания таких . компонентов.
Обратная зональная ликвация имеет практическую значимость
лишь для тех легирующих элементов, которые при данном содержа-
нии в сплаве создают достаточно * большой интервал кристаллиза-
ции. Поэтому в слитках алюминиевых сплавов отмечается обратная
ликвация меди, магния, цинка, а в слитках медных сплавов — олова
и кремния. Отклонение содержания ликвирующих компонентов от
среднего состава расплава воставляет + (0,2—0,4) % в периферий-
ных слоях и — (0,2—0,4) % в глубинных.
Возникновение обратной зональной ликвации вызывается пере-
мещением расплава в двухфазной переходной области слитка вслед-
ствие объемной усадки при кристаллизации. Поэтому проявление
обратной ликвации связано с размерами и формой двухфазной
области в затвердевающем слитке и направлением движения рас-
плава в ней. Приповерхностные слои слитка затвердевают, когда
еще не имеется протяженной двухфазной области. Поэтому питание
объемной усадки происходит жидкостью примерно среднего состава,
и в итоге в этих слоях обнаруживается также средний состав по всем
компонентам. По мере увеличения протяженности двухфазной об-
ласти расплав, перемещающийся между ветвями и осями дендритов
от изотермы ликвидуса к изотерме солидуса, в ходе течения все
более обогащается компонентами с К < 1. Эта жидкость, восполня-
ющая объемную усадку в пределах двухфазной области, неизбежно
должна вызвать общее повышение содержания таких компонентов.
Так возникают периферийные слои слитка, обогащенные компонен-
тами с К. < 1. Положение качественно меняется, когда в данном
горизонтальном сечении исчезает центральная жидкая область, так
что центр сечения оказывается занятым только двухфазной областью.
Данная центральная часть слитка при дальнейшем затвердевании
может питаться только за счет притекания расплава в вертикальном
направлении из жидкой лунки. Имевшаяся здесь жидкость, обо-
гащенная компонентами с К < 1, частично оттягивается на питание
периферийных слоев, и именно на ее место приходит жидкость сред-
него состава. В результате этого в затвердевшем слитке глубинные
- слои имеют пониженное содержание компонентов с К < 1.
При затвердевании слитка с односторонним отводом тепла из
сплава с интервалом кристаллизации и обычной объемной усадкой
состав затвердевших слоев определяется поведением двухфазной
области. Самый первый слой, возникающий на поверхности охла-
ждения, будет иметь средний состав, равный составу расплава.
Далее по мере расширения двухфазной области происходит обога-
щение затвердевших слоев компонентами с /С < 1. Если размеры
двухфазной области далее сохраняются неизменными, то слои, воз-
никающие на задней границе двухфазной области, приобретают
средний состав, соответствующий составу исходного расплава. Если
же по каким-либо причинам начинается сокращение размеров двух-
фазной области, то состав затвердевших слоев немедленно начнет
обедняться компонентами с К. < 1.
В реальных слитках местные и случайные искажения фронта
затвердевания, вызванные отклонениями струи подаваемого рас-
плава или нарушением отвода тепла с поверхности, отражаются на
величине двухфазной области на данном участке с соответствую-
щим изменением состава затвердевающих слоев,. Если же двухфаз-
ная область в рассматриваемом сечении, слитка в течение всего вре-
мени затвердевания не меняет своих размеров, то это обеспечивает
практическое отсутствие зональной ликвации. Такое явление на-
блюдается при малых скоростях литья слитков больших диаметров
из алюминиевых сплавов, когда создается неглубокая лунка, а тол-
щина двухфазной зоны почти постоянна.
Для уменьшения степени обратной зональной ликвации реко-
мендуется создавать неглубокую лунку с возможно более плоским
12 Заказ 236 353
Дном. Это достигается малыми скоростями литья, возможно более
интенсивным охлаждением слитка вне пределов кристаллизатора,
равномерным вводом расплава в лунку через распределительные
устройства с горизонтальным направлением струй.
Кроме описанной зональной неоднородности, в слитках непре-
рывного литья наблюдается еще один вид макронеоднородности со-
става. Он выражается в образовании своеобразных ликвационных
наплывов на поверхности. На поперечном сечении слитка эти на-
плывы выявляются в виде ободка (рис. 148). По составу наплывы
резко отличаются от заливаемого расплава. Содержание в них
компонентов с К < 1 и создаю-
щих заметный интервал кристал-
лизации, в несколько раз больше,
чем в исходном расплаве. Эти по-
верхностные ликвационные на-
плывы образуются вследствие вы-
текания жидкости, появляющейся
в конце кристаллизации сплава,
в зазор между слитком и стенкой
кристаллизатора. Чем больше эф-
фективный интервал кристаллиза-
ции сплава (интервал между тем-
пературой образования сплошного
каркаса и температурой неравно-
весного солидуса), тем дольше в
поверхностных слоях слитка будет
сохраняться жидкость после на-
чала линейной усадки слитка. Эта
жидкость может вытекать по кана-
Рис. 148. Лнквационный ободок на по- ЛаМ МеЖЛУ ВЕТВЯМИ И ОСЯМИ ДеН-
верхности слитка непрерывного литья ДрИТОВ НЯ ПОВерХНОСТЬ И ЗЗПОЛНЯТЬ
нз сплава Д16 « г тт
возникающий зазор. Величина та-
кого зазора тем значительнее, чем
больше абсолютная линейная усадка слитка в горизонтальном се-
чении. Следовательно, чем больше сечение слитка (ширина, толщина,
диаметр), тем грубее становятся наплывы на поверхности. Толщина
этих наплывов может доходить до 15—20 мм.
Образование ликвационных наплывов усиливается при механи-
ческом повреждении поверхности из-за трения слитка о стенку кри-
сталлизатора при плохой обработке рабочей поверхности, плохой
смазке, при перекосе вытягиваемого слитка.
Поверхностные ликвационные наплывы на слитках из алюминие-
вых и магниевых сплавов, как правило, удаляют механической обра-
боткой. Слитки из медных и никелевых деформируемых сплавов, имею-
щих небольшие интервалы кристаллизации, подвержены этому виду
пороков в значительно меньшей мере, и поэтому механической обработ-
ке перед пластическим деформированием их обычно не подвергают.
В слитках непрерывного литья всегда возникают напряжения,
вызываемые неравномерным распределением температуры в ходе
354
затвердевания и охлаждения. Неравномерное распределение темпе-
ратуры в слитке предопределяет такое же неравномерное сокращение
размеров. Более горячие слои должны после полного охлаждения
сократить свои размеры на большую величину, чем менее горячие.
Поскольку все слои находятся в одном твердом слитке, свободное
изменение размеров невозможно. Слои, более горячие и стремя-
щиеся сократить в большей мере свои размеры, встречают сопро-
тивление слоев; менее горячих, температурное сокращение размеров
которых соответственно меньше. Поэтому слои, более горячие, ока-
зываются в растянутом состоянии, а слои, менее горячие — в сжатом.
Именно поэтому во всех случаях после полного охлаждения перифе-
рийные слои слитков оказываются сжатыми, а глубинные — рас-
тянутыми. Как правило, остаточные напряжения являются трех-
осными, что, как известно, крайне неблагоприятно для сопротив-
ления материала.
Описанная общая схема остаточных напряжений предопределяется
разностью температуры наружных и глубинных слоев слитка в мо-
мент перехода последних в упругое состояние. Если при дальней-
шем охлаждении слитка эта разница непрерывно снижается, то в ходе
его охлаждения знак напряжений не меняется, а величина их непре-
рывно возрастает, достигая максимума при полном выравнивании
температуры в объеме слитка. В тех случаях, когда в ходе охлажде-
ния разница температур наружных и глубинных слоев возрастает,
может возникнуть обратная схема напряжений, при которой наруж-
ные слои окажутся растянутыми, а внутренние — сжатыми. Это
состояние всегда оказывается временным, поскольку в конце кон-
цов перепад температур по сечению слитка неизбежно вновь умень-
шается и достигает нулевого значения при полном охлаждении.
Таким образом, описанная обратная схема напряжений является
временной и всегда сменяется указанной ранее общей схемой: на-
ружные слои сжаты, внутренние растянуты.
Величина остаточных температурных напряжений, обнаружива-
емых в слитках, определяется также возможностью их изменения
в ходе охлаждения вследствие релаксационных процессов или из-за
пластической деформации. Следовательно, при прочих равных ус-
ловиях остаточные напряжения будут больше в слитках из сплавов,
обладающих большими упругими характеристиками при повышен-
ных температурах. В слитках больших диаметра или толщины на-
пряжения всегда больше, чем в слитках малых сечений:
Диаметр слитка *, мм . . 160 330 470
Напряжение, МПа:
периферия слитка .... —120 —200 —240
центральная область . . +60 +120 +120
Примечание. Знак «+» соответствует напряжению
растяжения, знак «—» — напряжению сжатия.
* Сплав Д16.
Возникающие напряжения могут вызвать разрушение слитков,
которое проявляется в виде трещин. В цилиндрических слитках об-
наруживаются несколько типов трещин (рис. 149). Центровые тре-
щины зарождаются в глубинных слоях обычно как горячие и затем
12* 355
Рнс. 149. Типы трещин в цилиндриче-
ских слнтках непрерывного лнтья: а —
центровые; б — радиальные поверх-
ностные; е — круговые
развиваются как холодные. Как известно, горячими или кристал-
лизационными называют трещины,- появляющиеся в незатвердев-
шей до конца массе металла, т. е. при наличии некоторого количества
жидкости. Эти трещины имеют грубую поверхность, образовавшуюся
вследствие разрушений по границам зерен или дендритных ячеек.
Холодные трещины появляются в полностью твердом металле как
при низких, так и при высоких температурах. Эти трещины пере-
секают границы дендритных ячеек и зерен и имеют гладкую поверх-
ность.
Центровые трещины образуются вследствие всестороннего растя-
жения центральных слоев. Для уменьшения возможности образова-
ния 'центровых трещин стремятся уменьшить первоначальный пере-
пад температур по сечению слитка путем снижения скорости литья,
увеличением высоты кристаллизатора, равномерным распределением
струй расплава в лунке, уменьшением интенсивности вторичного
охлаждения слитка вне кристаллизатора.
Радиальные поверхностные трещины располагаются только в пе-
риферийных слоях слитков. Они возникают вследствие развития
временных температурных напряжений, вызываемых временным, но
резким возрастанием перепада температуры в слитке от вторичного
охлаждения в момент выхода его из кристаллизатора. Эти трещины
обычно горячие. После полного охлаждения слитка они закрываются
под действием напряжений сжатия в наружных слоях. Радиальные
поверхностные трещины появляются при слишком малой скорости
литья, когда дно лунки оказывается выше нижнего обреза кристал-
лизатора. Для борьбы с ними рекомендуется увеличивать скорость
литья и уменьшать высоту кристаллизатора.
Круговые трещины образуются в тех слоях, где фронт кристал-
лизации и двухфазная область резко изгибаются под действием пря-
мого охлаждения водой. Для их предупреждения рекомендуется
избегать образования столбчатой структуры и обеспечивать равно-
мерное и более мягкое охлаждение слитков вне кристаллизатора.
В цилиндрических слитках больших сечений могут также воз-
никать поперечные трещины. Они образуются в процессе охлажде-
ния после затвердевания слитков. Причины их появления заклю-
чаются, по-видимому, в неравномерном охлаждении по длине слитка.
Плоские слитки из-за менее симметричной формы сечения под-
вержены разрушению от трещин в большей мере, чем цилиндрические.
В них часто образуются поверхностные, сравнительно неглубокие
(20—50 мм) идущие в вертикальном направлении трещины на ши-
роких сторонах. Длина этих трещин сильно колеблется от 1—2 см
до 1—2 м. Иногда такие трещины появляются и на узких сторонах
356
развиваются как в процессе
в в
Рис. 150. Крупные трещины в пло-
ских слитках непрерывного литья:
а — головные; 2 — донные; 3 — боко-
вые
слитка. Эти продольные поверхностные трещины являются типично
горячими, кристаллизационными. Как и в цилиндрических слитках,
они возникают в период выхода данного сечения слитка из кристал-
лизатора в зоне вторичного охлаждения.
Для уменьшения вероятности появления поверхностных трещин
регулируют состав сплава по основным компонентам и примесям
в пределах ГОСТа или ТУ с целью уменьшения его горячеломкости,
увеличивают скорость литья, уменьшают высоту кристаллизатора.
На плоских слитках встречаются также крупные головные,
донные и боковые трещины (рис. 150). Эти трещины являются ти-
пично-холодными. Они возникают и
литья слитка, так и спустя несколь-
ко часов после литья. Их образова-
ние всегда сопровождается сильным
звуком. Появление данных трещин
обусловлено остаточным температур-
ными напряжениями, распределение
которых в объеме оказывается всегда
сложным вследствие неравномернос-
ти охлаждения широких и узких
сторон слитка, головной и донных
частей по сравнению с основным объ-
емом по длине.
Для борьбы с головными трещи-
нами по окончании литья слитка
прекращают подачу воды, когда лунка еще не затвердела. При даль-
нейшем затвердевании без принудительного охлаждения головная
часть слитка разогревается-, в металле происходит релаксация на-
пряжений.
Для ликвидации донных трещин в начале литья слитка на под-
дон, введенный в кристаллизатор, заливают чистый алюминий слоем
50—70 мм. После частичного затвердевания включают движение
поддона вниз и начинают литье основного сплава. Таким образом,
донная часть слитка замкнута слоем пластичного алюминия. Этот
слой воспринимает напряжения и частично их гасит за вчет локаль-
ных пластических деформаций.
Для борьбы с боковыми трещинами разработаны кристаллиза-
торы с вырезами по узким сторонам, описание которых приведено
ниже. Разновременный выход из кристаллизатора широких и уз-
ких сторон слитка и неодновременное попадание их под действие
вторичного охлаждения сопровождается перераспределением на-*
пряжений, в результате чего боковые трещины не возникают.. •
Проблема трещин остра при литье слитков из высоколегирован*
ных алюминиевых и магниевых сплавов. В слитках из медных сила*
вов трещины встречаются значительно реже. Однако и среди них
имеются технологические сложные в этом отношении сплавы (кремне1
марганцовые, оловянноцинковые и оловяннофосфористые бронзы);
Получение непрерывным литьем слитков из чистых мета'ллов
(меди, алюминия, разных марок) осложнено опасностью появления
357
мелких горячих межкристаллитных трещин в глубинных слоях.
Кроме подбора скоростей литья и режимов охлаждения, в данном слу-
чае велика роль содержания примесей. Важен не только определен-
ный допустимый верхний предел из содержания, большое значение
имеет соотношение некоторых их них. Так, для алюминия важно
соотношение примесей железа и кремния, для меди — кислорода,
серы и водорода. При некоторых сочетаниях примесей практически
невозможно получить слитки без тонких межкристаллитных тре-
щин. Это объясняется особенностями характера кристаллизации
металла, содержащего примеси. Уменьшение опасности появления
трещин в слитках непрерывного литья во всех случаях обеспечи-
вается измельчением макрозерна.
Линейная усадка слитков непрерывного литья имеет следующие
особенности. В цилиндрических слитках линейная усадка по диа-
метру имеет величину не менее 1,8—2,0 %. Чем больше скорость
литья и чем больше диаметр слитка, тем больше величина линейной
усадки, которая может достигать 2,5—2,8 %. Такие большие зна-
чения обусловлены действием остаточных температурных напря-
жений. Внутренние слои, будучи растянутыми, стягивают наружные
слои, за счет чего и происходит необычно большое уменьшение ли-
нейных размеров в поперечных сечениях. В плоских слитках слож-
ное распределение температуры по сечению предопределяет соот-
ветствующее проявление линейной усадки. Посередине широких
сторон линейная усадка по толщине слитка в 2—3 раза превосхо-
дит усадку около узких сторон. Из-за этого поверхность широких
сторон оказывается как бы вдавленной внутрь. Прокатка таких
слитков затруднена. Чтобы избежать прогиба широких сторой,
который может достигать 20 мм при ширине слитка 1200—1500 мм,
изменяют конструкцию кристаллизатора. Размер, определяющий
толщину слитка, предусматривается на 10—15 мм больше посередине
широких сторон, чем по краям. Неравномерная линейная усадка
приводит к тому, чтсгв отлитом слитке широкие стороны оказываются
плоскими.
В последнее десятилетие получают все большее распространение
непрерывное литье с применением так называемого электромагнит-
ного кристаллизатора (ЭМК). Главной частью электромагнитного
кристаллизатора является индуктор (рис. 151), состоящий обычно
из одного витка. На индуктор подается переменный ток частотой
500—2500 Гц и напряжением 5—100 В. Возникающее электрома-
гнитное поле удерживает слой расплава высотой в несколько санти-
метров. Для получения вертикальной поверхности расплава под-
бирают необходимое распределение интенсивности электромагнит-
ного поля в пространстве с помощью металлического экрана. В ЭМК
отсутствует водоохлаждаемая рубашка — вода поступает сразу на
поверхность слитка. По мере необходимости под кристаллизатором
устанавливают вторичное охлаждение, усиливающее теплоотвод
от твердого слитка.
При литье в ЭМК исключается механическое взаимодействие
с кристаллизатором, достигается постоянство условий охлаждения
358
Йа разных уровнях в хоДе затвердевания, отсутствует зазор между
поверхностью слитка и рубашкой кристаллизатора. Благодаря этим
особенностям существенно улучшается качество поверхности слит-
ков, не возникают поверхностные ликвационные наплывы, повы-
шается однородность макроструктуры слитков, измельчается ма-
крозерно.
Кроме описанного варианта непрерывного литья с движением
слитка в вертикальном направлении сверху вниз, разработан про-
цесс горизонтального непрерывного литья (рис. 152). Главное пре-
имущество горизонтального непрерывного литья — значительно
меньшие стоимость и габариты установки. На подобных установках
Рис. 151. Электромагнитный кристаллизатор:
1 —"корпус; 2 — индуктор; 3 — экран; 4 — слиток
Гис. 152. Схема установки горизон-
тального непрерывного литья:
1 — металлоприемник с расплавом;
2 — переходная насадка; 3 — графи-
товая рубашка; 4 — слиток; 5 — во-
доохлаждаемый кессон
получают слитки сравнительно небольших сечений: цилиндрические
диаметром 50—250 мм, плоские (их отливают в положении на «ребре»)
толщиной 30—60 мм и шириной 100—500 мм.
Для горизонтального литья характерна различная степень при-
легания слитка к стенкам кристаллизатора по нижней и верхней
сторонам. На нижней стороне под действием силы тяжести слиток
плотно соприкасается с рабочей поверхностью кристаллизатора и
теплопередача в этом направлении осуществляется беспрепятственно.
На верхней стороне расплав вначале прилегает к поверхности кри-
сталлизатора также плотно под действием металлостатического
давления. Однако, как только возникнет достаточно прочная корка,
металлостатическое давление перестает действовать. Из-за линейной
усадки и действия силы тяжести на верхней стороне возникает
зазор. Теплопередача затрудняется, и затвердевание здесь сущест-
венно запаздывает по сравнению с нижней стороной. Из-за действия
силы тяжести возникают значительные силы трения по нижней
стороне слитка.
Все эти обстоятельства приводят к необходимости применять
кристаллизаторы с графитовыми рубашками ради их малого коэф-
фициента трения и вытягивать слиток не непрерывно, а путем пе-
риодических шагов вперед и остановок. Иногда предусматривают
небольшой шаг назад. За время остановки корка успевает приобрести
достаточную толщину и прочность, так что при последующем шаге
' 359
вперед ойа йе разрушается. Время остановки составляет 5—20 С,
время вытягивания 3—5 с, шаг вытягивание 15—75 мм. Меньшие
значения соответствуют слиткам больших сечений. Итоговая усред-
ненная скорость литья при горизонтальном вытягивании оказы-
вается в 2—3 раза меньше, чем при вертикальном для одинаковых
сечений слитков. Однако, конечные технико-экономические пока-
затели, как правило, выше в результате меньших капитальных
и эксплуатационных затрат. Основной технологической проблемой
при горизонтальном литье является борьба с поверхностными тре-
щинами и разрывом слитков из-за трения о кристаллизатор. Гра-
фит, используемый для кристаллизаторов, должен удовлетворять
жестким требованиям по плотности, прочности, стойкости и пр.
Непрерывное литье заготовок малых сечений.
Гранульная технология
Из] цветных металлов и сплавов изготавливают большое количе-
ство полуфабрикатов очень малых поперечных сечений (лента,
проволока, фольга), причем от них требуются высокие механические
свойства, которые обычно обеспечиваются большой конечной хо-
лодной деформацией. Поэтому для подобных полуфабрикатов — про-
волоки из меди и алюминия электротехнического назначения, упа-
ковочной фольги из алюминия — стало невыгодным получать мас-
сивные слитки и затем деформировать их на мощных станах или
прессах. Целесообразно получать литые заготовки малых сечений,
чтобы избежать затрат на последующее деформирование. С этой
целью за последние десятилетия были разработаны специальные
способы непрерывного литья. Наибольшее распространение полу-
чили ^способы с применением роторного, валкового и ленточного
кристаллизаторов. Для всех них характерно отсутствие скольжения
затвердевающей заготовки относительно рабочей поверхности кри-
сталлизатора. Заготовка в зоне затвердевания движется совместно
с кристаллизатором. Благодаря этой особенности возможно осу-
ществлять литье е очень большими скоростями (несколько сотен
метров в час) и достигать большой производительности устано-
вок.
Установки с роторным кристаллизатором (рис. 153) состоят из
двух шкивов, объединенных гибкой стальной лентой. Верхний шкив
приводной, нижний является роторным кристаллизатором. В ободе
шкива проточена канавка, которая перекрыта стальной лентой.
В образующуюся полость на участке набегания ленты на кристал-
лизатор заливается расплав, поступающий из раздаточного миксера
по изогнутому желобу. Затвердевающая заготовка огибает примерно
половину роторного кристаллизатора, где установлена система во-
дяного охлаждения, затем выходит из него, отводится вбок и сма-
тывается в рулон на специальной моталке. Заготовка имеет трапе-
циевидное сечение шириной 30—40 мм и площадью 200—800 мм2.
Скорость литья (скорость движения заготовки) составляет 800—
3000 м/ч.
360
Рис. 153. Схема установки непре-
рывного лнтья с роторным кристал-
лизатором (способ Проперци):
1 — расплав: 2 — литая заготовка;
3 — стальная лента; 4 — роторный
кристаллизатор; 5 — водяное ох-
лаждение
Рис/154. Схема установки непрерывного литья с
валковым кристаллизатором:
1 — расплав; 2 — валки-кристаллизатор; 3 — ве-
дя ное охлаждение; 4 литая заготовка; 5 — заго-
товка, свернутая в рулон
Установки с валковым кристаллизатором (рис. 154) называют
также установками бесслитковой прокатки ленты. Главной их
частью являются два полых валка диаметром 600—800 мм, в зазор
между которыми поступает расплав. Здесь происходит затверде-
вание и небольшое обжатие (на 30—40 %) затвердевшей заготовки.
Валки охлаждаются водой снаружи и изнутри. Заготовка сверты-
вается в рулон. Таким образом получают ленту из алюминия и не-
которых его сплавов толщиной 5—7 мм, шириной 1000—1500 мм.
Скорость литья составляет 300—600 м/ч.
В установках с ленточным кристаллизатором (рис. 155) расплав
поступает в зазор между двумя гибкими стальными лентами, натя-
нутыми на нескольких приводных, опорных и натяжных роликах.
Величина зазора определяет толщину заготовки —20—50 мм.
Ширина заготовки задается двумя рядами коротких колодок, ук-
репленных на нижней ленте. Эти колодки плотно смыкаются на
прямолинейных участках ленты и расходятся при изгибе ее наружу
на роликах. Ширина заготовки составляет 400—800 мм. Для^отвода
тепла предусмотрено мощное водяное охлаждение. Скорость литья
300—600 м/ч. Данные установки отличаются очень высокой произ-
водительностью — до 50—60 т в час по меди.
Рис. 155. Схема установки непрерывного литья с ленточным
кристаллизатором (способ Хазелетта):
1 — расплав; 2 — лента с колодкамн; 3 — гладкая лента; 4 —
опорные ролики; 5 — водяное охлаждение; 6 — литая заготовка
361
В последние годы для производства деформированных полуфа-
брикатов начинают использовать заготовки, полученные особым
способом с применением гранул. Появление гранульной технологии
объясняется тем, что для сплавов традиционных составов практи-
чески исчерпаны все возможности повышения прочностных свойств,
особенно при повышенных температурах. Существенного прироста
свойств можно добиться лишь принципиальными изменениями со-
ставов сплавов, введением в них значительных количеств тугоплав-
ких компонентов, образованием в структуре тугоплавких промежу-
точных фаз. Подобные сплавы совершенно нетехнологичны при обыч-
ных способах производства, но при кристаллизации с повышенными
скоростями охлаждения (более 103 К/с) они приобретают очень мел-
козернистое строение с необычно большими областями твердых
растворов, с метастабильными фазами. В них может образоваться
аморфная некристаллическая структура.
Все обычные способы получения литых заготовок обеспечивают
кристаллизацию со скоростями охлаждения не более 10—100 К/с.
Достижение требуемых больших скоростей охлаждения возможно
лишь при затвердевании очень малых масс расплава. Поэтому рас-
плав разбивается различными способами на капли диаметром 0,5—
2,0 мм, которые затем кристаллизуются с большой скоростью ох-
лаждения. Алюминиевые расплавы разбрызгивают центробежным
способом литьем во вращающийся стакан с отверстиями. Капли
расплава попадают в активно перемешиваемую воду, где и затвер-
девают со скоростями охлаждения 1000—5000 К/с. Полученные
гранулы дегазируют нагревом в вакууме, уплотняют прессованием
(компактируют), переводя в заготовки, которые обычно подвергают
прессованию на пруток. В настоящее время гранульная технология
реализована применительно к алюминиевым сплавам, содержа-
щим до 2—8 % хрома, титана, циркония, железа, до 20—30 %
кремния, а также к никелевым жаропрочным сплавам с молибденом,
вольфрамом, ниобием, хромом.
Особым случаем производства литых заготовок является полу-
чение литой ленты толщиной около 0,1 мм и шириной 10—50 мм из
сплавов на основе железа, никеля, кобальта с большим содержанием
кремния, фосфора, углерода, бора — вТсумме до 20—30 %. Эту
ленту получают литьем расплава на внутреннюю поверхность водо-
охлаждаемого вращающегося барабана. В этих условиях дости-
гается очень большая скорость охлаждения (106—107 К/с), вслед-
ствие чего сплавы приобретают аморфную структуру. Полученные
материалы обладают уникальными свойствами: очень большой
прочностью (ов до 3000 МПа), высокой пластичностью (удлинение
до 10 %), малым температурным коэффициентом линейного рас-
ширения (6—8-10-6), очень большим электросопротивлением, вы-
сокой коррозионной стойкостью. Кроме того, они являются ма-
гнитомягкими материалами с ничтожной коэрцитивной силой.
Литература: [1, 3, 4, 12, 17, 18, 23, 26, 31, 46] (см. рекомендатель-
ный библиографический список).
362
Глава 16
ПРОИЗВОДСТВО слитков
ИЗ СПЛАВОВ ЛЕГКИХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
§ 1. ПРОИЗВОДСТВО слитков ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Слитки из алюминиевых сплавов получают в основном методом не-
прерывного литья на тросовых или цепных машинах со скоростью
опускания стола 1,7—28,5 см/мин; круглые слитки диаметром до
300 мм успешно отливают на роликовых (валковых) машинах; значи-
тельно реже используют машины с гидравлическим приводом, так
как они требуют сложного устройства для поддержания постоянной
скорости литья. Схемы перечисленных машин приведены на рис. 156.
” Из алюминия и его сплавов отливают круглые (сплошные и по-
лые) и плоские слитки. Круглые сплошные слитки используют для
получения профилей, прутков, поковок и штамповок, полые — для
изготовления бесшовных труб; плоские слитки предназначены для
изготовления листов и плит.
В серийном производстве круглые сплошные слитки отливают
диаметром 55—1100 мм, а полые наружным диаметром 150—850 мм
и внутренним диаметром 50—600 мм. Длина их обычно не превы-
шает 4—6 м. Плоские слитки изготавливают толщиной 200—500 мм
и шириной 900—1700 мм; длина их колеблется от 1 до 6,5 м.
Плоские слитки из алюминия и низколегированных сплавов
(АД00, АДО, АД1, АД, АМц, АМг2 и др.) из-за трудностей раз-
резки прокатывают, как правило, вдоль направления литья. Поэ-
тому их отливают длиной 1—2 м. Слитки из этих сплавов имеют
обычно прямоугольное сечение. Заготовки из высоколегированных
сплавов (Д1, Д16, Д19, Д20, АМгЗ, АМгб, АМгб, АК8, АК4, АК6
и др.) склонны к разрушению в начальный период горячей прокатки.
Поэтому их прокатывают поперек направления литья, а для пред-
отвращения раскрытия боковым граням придают выпуклую тре-
угольную форму с внутренним углом 110°. Длина отливаемых слит-
ков из высоколегированных сплавов кратна длине заготовки (6—
6,5 м).
Для получения слитков указанного сортамента применяют кор-
пусные (рис. 157) и гильзовые (рис. 158) кристаллизаторы сколь-
жения, а также электромагнитные кристаллизаторы. Корпусные
кристаллизаторы для отливки круглых сплошных слитков состоят
из двух основных частей — корпуса и гильзы. Корпус изготавли-
вают из сплавов Д1 или АК6, а гильзу из дуралюмина. Внутреннюю
поверхность гильзы полируют. Для отливки слитков из сплавов,
не склонных к образованию трещин и не требующих мер против
образованйя неслитин, используют кристаллизаторы самой про-
стой конструкции (рис. 157, а), более сложные кристаллизаторы
(рис. 158, б) с конусностью по внутреннему диаметру в верхней
части используют для отливки слитков диаметром более 300 мм из
сплавов, склонных к образованию трещин и неслитин. Величину
363
Рнс. 156. Принципиальные схемы машин непрерывного литья с роликовым (а), гидравличе-
ским (б), тросовым (в) и цепиым (г) приводами:
1 — металл из миксера; 2 — кристаллизатор; 3 — валки; 4 — слиток; 5 — привод; 6 — под-
вижный поддон; 7 — направляющие поддона; 8 — двигатель подъема стола поддона; 9 — дви-
гатель опускания стола поддона; 10 — редуктор; И — барабан; 12 — трос; 13 — блоки;
14 — ведущая звездочка; 15 — цепь; 16 — противовес
конуса принимают равной 2°, а высоту конусной части кристалли-
затора 60—80 мм. Высоту кристаллизаторов дифференцируют в за-
висимости от диаметра слитков. Кристаллизаторы для отливки
полых слитков (рис. 157, в) имеют водоохлаждаемый стержень, об-
364
разующий внутреннюю поверхность слитка. Высоту стержня при-
нимают равной высоте кристаллизатора или несколько меньше,
конусность. 1 : 15.
В гильзовых кристаллизаторах, предназначенных для отливки
плоских слитков из низколегированных и высоколегированных
сплавов (см. рис. 158) в отличие от корпусных кристаллизаторов,
охлаждение осуществляют распылением воды, подаваемой из охла-
дителя, расположенного по периметру кристаллизаторов (рис. 159).
Следует отметить, что у кристаллизаторов для литья высоколегиро-
ванных сплавов узкие боковые грани треугольной формы имеют
вырезы для защиты от боковых трещин.
Поддоны для круглых и плоских слитков изготавливают из
сплавов Д1 или АК6, их размеры в поперечном сечении на 1—2,5 %
меньше соответствующих размеров кристаллизаторов. На торцах
поддонов для круглых слитков фрезеруют углубление, предназна-
ченное для вытягивания слитков из кристаллизаторов. Поддоны
для литья полых слитков имеют отверстия в центре, куда входит
водоохлаждаемый стержень.
Плавку алюминиевых сплавов ведут в отражательных или индук-
ционных канальных печах емкостью 15—30 т. Готовые сплавы сли-
вают в миксеры, число которых обычно равно числу плавильных
печей. Возле миксеров устанавливают одну или несколько литей-
ных машин. Печь, миксер и машины размещают в непосредственной
близости друг к другу на разных уровнях, чтобы можно было пере-
ливать металла из печи в миксер и из миксера в кристаллизатор
через летку или с помощью сифона (рис. 160). В миксерах расплавы
Рис. 157. Корпусные кристаллизаторы скольжения для отливки сплошных (а. б) и полых (в)
слитков из алюминиевые сплавов:
1 — корпус; 2 — гильза; 3 — водоохлаждаемый стержень; 4 — скоба; 5 — рукоятка для
вращения и подъема стержня; 6 — слиток
365
в
Рис. 158. Гильзовые кристаллизаторы для отливки плоских слитков:
с — из алюминия и низколегированных алюминиевых сплавов; б — из алюминиевомаг-
ииевых, жаропрочных сплавов и сплавов типа дуралюмин
рафинируют, отстаивают и подогревают до температуры литья.
Применяют электрические (открытые и вакуумные) и газовые ми-
ксеры. Из миксеров через летку или сифоном металл подают в рас-
пределительные устройства, из которых он поступает в кристалли-
заторы (рис. 161). Для очистки расплавов от оксидных плен и раст-
воренного водорода на пути перелива металла из миксера в кристал-
лизатор устанавливают сетчатые, зернистые или керамические филь-
тры, осуществляют электрофлюсовое рафинирование или продувку
расплава инертным газом через пористую керамику с использо-
Рис. 159. Подача воды иа гильзу кристал-
лизатора для отливки плоских слитков:
1 — охладитель; 2 — гильза; 3 — слиток
Рис. 160. Плавильно-литейный агрегат:
1 — плавильная печь; 2 — сифон; 3 — мик-
сер; 4 — машина непрерывного литья
366
ванием гранул для защиты поверхности расплава от окисления.
Регулирование подачи металла в кристаллизатор производят с по-
мощью стопорно-поплавковых устройств. Все распределительные
устройства футеруют. Для футеровки используют асбест, глину и
асботермосиликат. Футерованную оснастку сушат, прокаливают
при 700—800 °C в течение 2—3 ч и хранят в термостатах при 150—
200 °C.
Перед началом литья кристаллизатор скольжения смазывают
универсальной легкоплавкой синтетической смазкой, вводят в него
поддон и устанавливают распределительную воронку так, чтобы
истечение металла из нее в направлении стенок кристаллизатора
происходило под затопленный уровень. Применение воронок на
5—10 % уменьшает глубину лунки и способствует более равномер-
ному распределению температуры металла в кристаллизаторе.
Качество слитков зависит от параметров литья: скорости литья,
температуры металла, высоты кристаллизатора, интенсивности
Рис. 161. ПоДача расплава в кристаллизатор через летку с поплавковым регулятором (а)
и сифоном с поплавковыми регуляторами для поддержания уровня металла в распредели-
тельной коробке и кристаллизаторе (о)
367
охлаждения и условий начала и конца литья. Оптимальные парамет-
ры литья круглых и плоских слитков из алюминиевых сплавов
приведены в табл. 102—105.
Увеличение скорости литья слитков сверх оптимальной улуч-
шает качество их поверхности за счет сокращения числа неслитин
и уменьшает возможность образования поверхностных трещин.
Однако чрезмерное повышение скорости литья- влечет за собой об-
разование внутренних трещин и увеличивает ширину двухфазной
области, обуславливая повышение пористости слитков. При ско-
рости литья ниже оптимальной возникают поверхностные трещины
в то время как склонность к образованию внутренних трещин сни-
жается. Низкие скорости литья, кроме того, способствуют появ-
лению грубых неслитин.
Повышение температуры литья сверх оптимальной приводит к
углублению лунки, увеличению склонности к образованию внутрен-
них трещин, увеличению пористости слитков и образованию ликва-
ционных наплывов. Низкая температура литья (ниже оптимальной)
влечет за собой увеличение глубины неслитин и создает возможность
для объемной кристаллизации и возникновения неоднородного
строения слитков. Температуру расплава в миксере при литье
круглых слитков поддерживают на 50—100 °C, а плоских на 40—
80 °C выше температуры ликвидуса.
Высота кристаллизатора оказывает такое же влияние на ка-
чество слитков, как и температура литья. С увеличением высоты
кристаллизатора уменьшается интенсивность охлаждения, увели-
чивается глубина лунки и ухудшается структура и качество поверх-
ности слитков.
Поскольку процесс формирования слитков в начале и конце
литья является неустановившимся, в донной и литниковой (голов-
ной) частях их возникают дополнительные термические напряжения,
способствующие образованию холодных трещин в высоколегиро-
ванных сплавах. Для увеличения пластичности этих частей слитков
в донную часть подливают алюминий, литниковую часть подвергают
самоотжигу (медленному охлаждению).
Круглые сплошные и полые слитки из алюминия и низколегиро-
ванных сплавов (АД1, АД31, АДЗЗ, АМц, АВ) не склонны к обра-
зованию холодных трещин, поэтому их с успехом отливают в про-
стые кристаллизаторы (см. рис. 157, а). Для предупреждения обра-
зования горячих трещин, вызываемых отклонением состава сплава
от оптимального, корректируют состав сплава. При литье алюми-
ниевых слитков содержание железа обязательно должно превышать
содержание кремния на 0,02—0,05 %; в сплаве АМц содержание
железа поддерживают на уровне 0,4—0,6 %, а кремния на уровне
0,2—0,4 %; оптимальное содержание кремния в сплаве АВ 0,9 %.
В простые кристаллизаторы отливают также круглые сплошные и
полые слитки из сплавов Д1, В65, АК6, АК8, АМг2, АМгЗ. Слитки
из высоколегированных сплавов Д16, В95, В96, начиная с диаметра
280 мм и сплавов АМгб и АМгб с диаметра 350 мм отливают в кристал-
лизаторы с конусностью (см. рис. 157, б).
368
Таблица 102. Оптимальные режимы литья сплошных круглых слитков
из алюминиевых спдавов. в кристаллизаторы скольжения (давление воды
0,05—0,13 МПа; смазка — масло «Вапор Т»)
Сплав Диаметр слитка, мм Высота кри- сталлизатора, мм Скорость литья м/ч Температура литья, °C
Все сплавы 110—115 120 11—12 690—710
АД31, АДЗЗ 120—130 120 11—12 690—710
АД1, АМц 220—240 150 9,1 690—710
310—320 180 5 690—710
430—440 180 3,3 690—710
АВ ' 120—130 120 9 690—710
220—240 150 5,7 690—710
430—440 180 2,2 690—710
Д1, АК6, АК8 120—130 120 13 680—700
310—320 180 5 680—700
640—650 180 1,9 680—700
АК4, АК4-1 120—130 120 12 700—720
310—320 180 3,5 720—730
650 180 1,26 720—730
Д16, Д18, 120—130 120 9—12,5 690—710
В65, В93* 310—320 • 180 2,7—3,5 690—710
650 180 1,2—1,26 690—710
АМг2, АМгЗ, 120—130 120 11—12 690—710
АМгб, АМгб 310—320 180 4—4,7 690—710
650 180 1,4—1,6 690—710
• Сплав В93 отливают при меиьших скоростях литья.
Таблица 103. Оптимальные режимы литья полых круглых слитков
из алюминиевых сплавов в кристаллизаторы скольжения (температура литья
690—710 °C; смазка — масло «Вапор Т» )
Сплав Диаметр слитка, мм •* Высота кристал- лизатора, мм Скорость литья, м/ч
АД1, АМц, АВ 155/52 150 10
220/105 150 7
АД1 290/90 180 6
420/200 180 4,2
АВ, АМц 290/90 180 4
420/200 180 3
Д1, АК6, Д16 *2 155/52 150 9—10
290/90 180 4,3—6
365/90 180 4—4,3
АМг2, АМгЗ, АМгб, 155/52 150 8,5
АМгб 290/90 180 4,5-5
365/90 180 3,6—4,3
510/290 180 3
В числителе — наружный диаметр, в знаменателе — внутренний.
•* Сплав Д16 отливают при меиьших скоростях литья.
369
Т а б л и ц а 104. Оптимальные режимы литья плоских слитков из алюминиевых
сплавов в кристаллизаторы скольжения
Сплав Поперечное сечение слитка, мм Скорость литья, м/ч Температура литья, °C
АД, АД1 300X950 300X124 > 5,4—6,6 5,4—6,6 695—710 700—720
АМг2 300X950 . 300Х1040 3,6—4,8 5,4—6,6 680—700 695—710
Д1 210X1480 240Х 1565 290X1670 4,8—5,4 4,2—4,8 4,2—4,8 680—700 670—695 670—695
Д16 210X1480 240Х 1565 290Х1350 6,3—6,9 4,5—5,4 4,8—5,4 670—685 690—705 665—685
АМгЗ, АМгб, АМгб 210X1480 290Х 1670 3,6—4,8 3,0—3,9 680—700 680—700
В95 220X800 300X1100 3,6—4,2 2,4—2,7 675—700 690—710
Для предотвращения образования холодных донных трещин
слитки из сплавов В96, начиная с диаметра 250 мм, В95 с диаметра
300 мм, Д16 с диаметра 350 мм, АК4 с диаметра 500 мм отливают
с подливкой алюминия на поддон до образования слоя толщиной
30—40 мм. Снижение склонности к образованию холодных трещин
в литниковой части слитков обеспечивают операцией самоотжига,
которая состоит в том, что литниковую часть после окончания по-
дачи металла опускают на 2/3 высоты кристаллизатора и выдержи-
вают в нем без подачи охлаждающей воды в течение 10—15 мин
до достижения температуры 60—80 °C. Медленное охлаждение спо-
собствует релаксации напряжений.
Для уменьшения брака по горячим трещинам сплав Д16 выплав-
ляют с возможно низким содержанием железа и кремния; в сплаве Д1
Таблица 105. Режимы литья слитков нз алюминиевых сплавов
в электромагнитные кристаллизаторы
Сплав Температура ЛИТЬЯ, °C Размеры слитков, мм
0 190 0 480 300Х 1650
АМц, АМг2, АМгЗ, АМгб, АМгб 690—730 80—100/25—30 50—60/38—45 65—75/35—40
Д1, АК6, АК8 700—730 90—110/25—30 35—40/38—45 —
Д16 700—730 80—90/25—30 20—30/38—45 70—90/35—40
АК4 720—740 — 20—30/38—45 •—.
АД1 690—720 120—140/25—30 50—60/38—45 75—85/35—40
Примечание. В числителе — скорость литья» мм/мин; в знаменателе — напря-
жение, В.
370
поддерживают более Высокое содержание кремния (0,5—0,? %)
по сравнению с железом; в сплавах В93 и В95 для слитков диаме-
тром более 500 мм и в сплаве В96 содержание кремния должно быть
не выше 0,1 %. Примесь железа в этих сплавах повышает пластич-
ность в литом состоянии, поэтому содержание железа в сплаве В93
держат на уровне 0,2—0,4 %. В сплавах В95 и В96 содержание
железа превышает содержание кремния на 0,05—0,1 %.
В отличие от дуралюминов алюминиевомагниевые сплавы (АМг2,
АМгЗ, АМгб, АМгб) склонны к образованию надрывов в процессе
литья и к образованию неслитин. Для получения качественной по-
верхности слитков из этих сплавов необходимо равномерное нане-
сение смазки на рабочую поверхность кристаллизатора. Особенно-
стью этих сплавов является также склонность к образованию хо-
лодных трещин при содержании натрия более 0,001 %.
Плоские слитки из низколегированных сплавов, так же как и
круглые, подвержены горячим поверхностным трещинам. Основ-
ным средством борьбы с ними является регулирование химического
состава сплавов — содержание железа во всех сплавах, кроме
сплава АВ, должно превышать содержание кремния не менее, чем
на 0,05 %. В слитках из сплава АВ брак по горячим трещинам воз-
растает по мере увеличения содержания меди и снижения содер-
жания кремния. Поэтому содержание меди в сплаве поддерживают
на уровне 0,2—0,3 %, а кремния — на уровне 0,9—1,2 %.
Склонность к образованию горячих трещин снижается при вве-
дении в сплавы титана (0,07 %). Слитки из сплавов этой группы
отливают в прямоугольные кристаллизаторы (см. рис. 158, а) вы-
сотой 160 мм без подливки алюминия на поддон. Уровень металла
в кристаллизаторе поддерживают на расстоянии 50—60 мм от верх-
него среза.
Слитки из высоколегированных сплавов (Д1, Д16, Д19, АК8,
АК4, АК4-1 и др.) склонны к образованию горячих и холодных
трещин. Отливку их ведут в кристаллизаторы высотой 180 мм с вы-
пуклыми узкими гранями треугольной формы и вырезами на них
(см. рис. 158, б). Охлаждение широких и узких граней ведут раз-
дельно. Давление воды для охлаждения узких граней составляет
50—70 кПа, широких граней 80—150 кПа. Отливку слитков осу-
ществляют с подливкой алюминия на поддон и самоотжигом лит-
никовой части. Уровень металла в кристаллизаторе поддерживают
также на расстоянии 50—60 мм от верхнего среза.
Для предупреждения образования горячих трещин в плоских
слитках из сплавов Д16, Д19 и Д20 необходимо чтобы сумма при-
месей железа и кремния в них не превышала 0,7 %, а в крупнога-
баритных слитках 0,5 %. Содержание магния в этих сплавах жела-
тельно держать на нижнем пределе. Горячие трещины в слитках
из сплавов Д1 и АК8 не образуются если сплавы содержат не менее
0,55 % кремния и не более 0,05 % цинка. Для снижения брака по
поверхностным трещинам во все высоколегированные сплавы вво-
дят титан в сотых долях процента и берилий в десятитысячных
долях.
371
Технология литья слитков из алюминиекомагниеных сплавов
аналогична технологии литья дуралюмина. Литье осуществляют
в кристаллизаторы с выпуклыми гранями и вырезами с подливкой
алюминия на поддон и самоотжигом литниковой части. Для предот-
вращения образования поверхностных трещин содержание железа
в сплавах АМгЗ, АМгб и АМгб должно превышать содержание крем-
ния не менее, чем на 0,05 %. Склонность к образованию трещин
в этих сплавах резко возрастает, при содержании примеси натрия
более 0,001 %.
Высокой склонностью к образованию поверхностных трещин об-
ладает сплав В95. Слитки из этого сплава отливают в высокие кри-
сталлизаторы (до 560 мм) с вырезами по широким граниям без по-
дачи воды на слиток. Для вторичного охлаждения используют сжа-
тый воздух. Так же как и в других высоколегированных сплавах,
содержание железа в сплаве В95 поддерживают выше содержания
кремния не менее, чем на 0,03 %. Литниковую и донную части слит-
ков защищают от растрескивания при литье.
Отлитые круглые, плоские и полые слитки из высоколегирован-
ных сплавов Д1, Д6, Д16, АМгб, АМгб, В93, В95, В96 и плоские
слитки из сплавов АК4, АК6, АК8, АК4-1, склонные к разрушению
под действием внутренних напряжений при разрезке, подвергают
гомогенизации. Целью гомогенизации является уменьшение ден-
дритной ликвации и снижение внутренних напряжений в слитках,
что обеспечивает повышение их пластичности и облагчает обработку
давлением. Круглые слитки из сплавов АК4, АК6, АК8 и АК4-1
гомогенизируют в тех случаях, когда они предназначены для из-
готовления поковок или штамповок. Загрузку слитков в печи гомо-
генизации рекомендуют производить сразу же после отливки. Дли-
тельное хранение (более 3 сут) их до гомогенизации резко увели-
чивает брак по холодным трещинам. Часто во время хранения про-
исходит разрушение слитков под действием температурных напря-
жений с вылетом крупных кусков (1—2 т) из стопок. Во избежание
несчастных случаев слитки хранят в специальных стеллажах в бе-
зопасных местах. Слитки из алюминия и низколегированных
сплавов, как правило, не подвергают гомогенизации. Опти-
мальные режимы термической обработки слитков приведены в
табл. 106.
Круглые и полые слитки после гомогенизации, так же как и
слитки из низколегированных сплавов, дисковыми пилами разре-
зают на заготовки заданной длины. При этом, вырезают теывлеты
толщиной 2D—3D мм для контроля макроструктуры и отрезают
донную (80—250 мм) и литниковую (20—170 мм) части. Круглые
заготовки из алюминия, большинства низколегированных сплавов
и высоколегированных сплаов Д1, АК6 и АК8 до диаметра 380 мм
и заготовки из сплавов АМц и Д16 до диаметра 280 мм деформируют
в горячем состоянии без обточки. Обточку и расточку заготовок
ведут на токарных полуавтоматах. В зависимости от диаметра за-
готовок с их поверхности при обточке удаляют слой толщиной от
2,5 до 15 мм.
372
t а б л и ц a 106. Режимы гомогенйзации слйткоЬ ha алкомйннЬиЫх СплаЬоЬ
Сплав , Форма слитка Температура слитка при выдержке, °C Продолжи- тельность гомогенизации, ч
Д1, Д16 Круглые, диаметром до 400 мм 480—500 8—12
АК6 То же, 600 мм 480—500 24—36
АК6 Плоские 480—500 12
АМгЗ Круглые, диаметром до 600 мм 510—530 24
В93, В95 То же, 400 мм 450—465 12—24
АМгб » 480—500 6
АМгб То же, 400—600 мм 480—500 20—24
АМгб Плоские 480—500 3—6
АМгб Полые 480—500 6
АК4 Круглые диаметром до 400 мм 480—500 6
Плоские слитки после гомогенизации для сглаживания ликва-
тов и выравнивания поверхности подкатывают на двухвалковом
стане с обжатием 3—5 % и правят на многовалковой правильной
машине, а затем дисковыми пилами разрезают на заготовки необхо-
димой длины. Широкие грани заготовок из всех сплавов, кроме
сплавов АД1 и ММ, и узкие грани заготовок из высоколегированных
сплавов подвергают фрезерованию, удаляя с поверхности их слой
металла толщиной от 5 до 15 мм. Эти операции осуществляют на фре-
зерных агрегатах.
Слитки, полученных литьем в электромагнитные кристаллиза-
торы, за исключением обточки и фрезерования, проходят такую же
обработку перед горячим деформированием, как и слитки, отлитые
в кристаллизаторы скольжения. Режимы литья слитков в ЭМК
приведены в табл. 105.
Для слитков из алюминиевых сплавов, полученных непрерыв-
ным литьем, характерна обратная зональная ликвация, которая вы-
ражается в обогащении периферийных слоев элементами, образую-
щими легкоплавкие структурные составляющие (медь, магний,
кремний), и соответственном обеднении этими элементами центра
слитка.
Кроме обычного способа непрерывного литья, для получения
литых заготовок из алюминиевых сплавов небольшого сечения при-
меняют ряд специальных способов. Один из них — получение ли-
той проволочной заготовки диаметром 6—8 мм — предложил
В. Г. Головкин в 1943 г.
Установка для получения литой проволоки состоит из^печи,
роликов с системой охлаждения и барабанов для намотки литой
проволоки (рис. 162). Емкость печи 0,5—1 т, глубина ванны 100—
150 мм. В ванне имеется перегородка, отделяющая загрузочную
камеру от разливочной, в которую металл перетекает через отвер-
стие в перегородке у подины. Назначение перегородки — удержать
шлак и предотвратить колебания уровня расплава при загрузке
шихты. Металл вытекает из разливочной камеры через отверстия
373
fe асбошиферных матрицах; число отверстий достигает 8—12 штук.
Отверстия в матрицах располагают на расстоянии около 5 мм от
уровня расплава в печи. Это расстояние строго соблюдают, так как
скорость движения затвердевающей заготовки должна быть точно
равна скорости истечения расплава. Поэтому загрузку металла
в печь производят мелкими порциями. Вытекающая из матрицы
струя металла попадает под сильное водяное охлаждение, образую-
щаяся заготовка подхватывается приемным роликом и далее 3—4 па-
рами тянущих роликов. Затем заготовка наматывается на барабан.
Литье алюминиевых сплавов ведут
обычно при 700—710 °C со ско-
ростью 30—45 м/ч. Получаемая
проволочная заготовка имеет гру-
бую структуру с вытянутыми
вдоль заготовки кристаллами.
Рис. 162. Схема установки для получе-
ния проволочной заготовки по способу
В. Г. Головкина:
1 жидкий металл; 2 — труба для под-
вода воды; 3 — ролик; 4 — асбошифер-
ная матрица; 5 — стенка плавильной
печи
Рис. 163. Схема установки Для отливки
слитков способом погружения изложницы
в воду (способ А. С. Лаврова):
1 — сварная изложница с металлом; 2 —
печь; 3 — шток гидравлического подъемни-
ка; 4 — бак с проточной водой
Для отливки слитков крупного сечения с высокой плотностью
центральных зон и низкими внутренними напряжениями с успехом
используют способ погружения изложницы в воду. Этот способ был
предложен известным русским металлургом А. С. Лавровым в 70-х
годах прошлого века для стали, однако из-за трудностей в подборе
материала изложницы получил применение лишь для отливки слит-
ков из алюминиевых и магниевых сплавов.
Сущность этого способа (рис. 163) состоит в следующем. Расплав
заливают в тонкостенную стальную изложницу, которую помещают
в печь. В печи поддерживают температуру 730—750 °C. После вы-
стаивания расплава в изложнице в течение 20—40 мин, необходи-
мых для оседания оксидов и флюса, стол, на котором стоит излож-
ница, начинают медленно (со скоростью 0,8—1,2 м/ч) опускать в воду.
Интенсивное охлаждение позволяет вести кристаллизацию направ-
ленно снизу вверх при неглубокой лунке, что помогает избежать
в слитках создания температурных напряжений и зональной лик-
вации.
Основные недостатки способа погружения: громоздкость уста-
новки, низкая производительность и меньший, чем при непрерыв-
374
ном литье, выход годного, обусловленный необходимостью обработки
слитков для удаления конусности по высоте.
Для получения литых заготовок малых сечений используют также
способ, предложенный Проперци, рассмотренный выше.
§ 2. ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Слитки из магниевых сплавов получают в основном методом верти-
кального непрерывного литья. Для этой цели используют цепные
или тросовые литейные машины (см. рис. 156) со скоростью опуска-
ния стола 2—20 см/мин. Слитки больших сечений могут быть из-
готовлены литьем в тонкостенные изложницы способом погружения.
Методом непрерывного литья изготавливают слитки круглого
сечения диаметром 250—800 мм (предпочтительно от 350 до 550 мм)
и плоского сечения размерами от 160x550 мм до 300 x 900 мм. Длина
их обычно не превышает 6 м. Слитки из магниевых сплавов должны
иметь мелкое равноосное зерно, высокую плотность, однородность
по химическому составу (слабая зональная ликвация), малое содер-
жание водорода и высокие механические свойства в литом и гомо-
генизированном состояниях.
Для отливки слитков применяют корпусные и гильзовые со спе-
ерным охлаждением кристаллизаторы (рис. 164). Корпусные кри-
сталлизаторы («глухие» и с подачей воды на слиток) по конструк-
ции мало отличаются от кристаллизаторов для алюминиевых спла-
вов. Кристаллизаторы для отливки слитков круглого сеченйя имеют
следующие соотношения между диаметром, высотой и углом подачи
воды на слиток:
Диаметр, мм. . . 315
Высота, мм . . . 200
Угол подачи воды
на слиток,град . . 30
354 370 370 430
200 200 270 200
30 30 20 30
450 550 550 690
250 250 200 250
20 20 20 20
375
Отливку слитков из высоколегированных сплавов, склонных
к образованию горячих трещин, ведут в кристаллизаторы большой
высоты с минимальным углом подачи воды на слиток.
Гильзы корпусных кристаллизаторов имеют толщину 15 мм,
внутреннюю конусность 1,5—2° на 1/3 высоты от верхнего среза,
зазор между корпусом и стенкой 15 мм. Подачу воды в кристалли-
затор осуществляют через 2—4 патрубка; общее сечение выходных
отверстий меньше входных на 20 %, что необходимо для создания
напора. Диаметр выходных отверстий принимают обычно равным
2—3 мм при шаге 10—15 мм.
Отливку слитков ведут иа кованые поддоны из сплавов Д1 или
АК6. Диаметр или сечение поддона принимают на 1,5—2 % мень-
шим диаметра (сечения) кристаллизатора. Особенностью конструк-
ции поддона является сферическая форма его рабочей поверхности,
что предотвращает образование донных трещин.
Плавку сплавов ведут в отражательных или индукционных пе-
чах под флюсом. Из отражательных печей металл переливают в ми-
ксеры и выдерживают в них в течение 20—30 мин с целью осажде-
ния частиц флюса и оксидов. Из миксеров в кристаллизаторы ме-
талл подают через летку или с помощью центробежных и электро-
магнитных насосов. Применение насосов обеспечивает меньшее за-
грязнение слитков оксидными пленами. Расплав из миксера сливают
неполностью. Сильно загрязненную оксидами часть металла (1/4—
1/6 часть по высоте от подины печи) сливают через специальную летку
и подвергают переплаву.
При литье магниевых сплавов особое внимание уделяют мерам
по предотвращению попадания влагц на поверхность расплавлен-
ного металла и жидкого металла в воду. Интенсивное взаимодей-
ствие магния с влагой может стать .причиной взрыва.
Перед началом литья кристаллизатор смазывают маслом «Ва-
пор Т» и устанавливают в него распределительную воронку, нагре-
тую до 150—200 °C. Отверстия для подачи металла (0 10 мм) в кри-
сталлизатор располагают равномерно по периметру воронки на рас-
стоянии 10—15 мм от дна, чтобы тяжелые неметаллические вклю-
чения не попадали в слиток. Поверхность жидкого металла в кристал-
лизаторе защищают от загорания сернистым газом, который подают
по перфорированной трубке, расположенной по краю кристалли-
затора. Расход газа составляет 10—20 кг на 1 т в зависимости от пло-
щади сечения слитков.
Для отделения оксидных плен и неметаллических включений при
литье широко используют сетчатые и зернистые фильтры, уста-
навливаемые в кристаллизаторе (см. рис. 52, 55) или в распреде-
лительной коробке. Чаще всего применяют сетчатые фильтры с ячей-
кой размером 1X1 мм, выполненные из окалиностойкой стали.
Зернистые фильтры изготавливают из магнезита, углеродистых
огнеупоров и фтористых солей. Размер зерна фильтров принимают
равным 6—10 мм в поперечнике, а толщину слоя фильтра 50—100 мм.
Наряду с отделением оксидных плен зернистые фильтры из углеро-
дистых материалов способствуют существенному снижению содер-
376
Таблица 107. Оптимальные режимы литья Слитков из Магниевых сплавов
(по Б. И. Бондареву)
Сплав Диаметр кристал- лизатора, мм Высота кристал- лизатора, мм Угол подачи воды на слиток, град Скорость литья, мм/мнн Температура металла, °C Давле- ние воды, МПа
в мик- сере в литей- ной воронке
МА1 370 200 30 5 720-750 700-720 0,04-0,15
МА2, 370 200 30 5-5,5 720-750 700-720 0,04-0,12
МА2-1 550 200 20 3-3,6 720-750 700-720 0,08-0,12
МАЗ 370 200 30 5 690-710 670-690 0,04-0,12
МА5 315 200 30 6 690-710 670-690 0,04-0,12
МА8 354 200 30 6,5 .720-750 700-720 0,04-0,15
550 250 20 3,6 720-750 700-720 0,05-0,20
МАИ 370 270 20 4,8-5,0 720-750 700-720 0,04-0,15
МА14 690 250 20 2,4 710-730 690-710 0,1-0,25
МА15 370 270 20 5 710-730 690-710 0,04-0,12
550 250 20 3,6 710-730 690-710 0,08-0,15
МА17 370 200 30 5 740-755 710-730 0,04-0,15
МА1, МА8 ч 165Х 550 240—250 20 5 720-760 700-720 0,04-0,15
МА2-1 165Х 550 370 20 5,5 710-730 690-710 0,08-0,15
жания водорода в сплаве. По данным Б. И. Бондарева, содержание
водорода снижается с 24 до 12 см3/100 г металла.
Для предупреждения образования грубых неслитин уровень рас-
плава в кристаллизаторе поддерживают на расстоянии 30—40 мм
от его верхней кромки.
Оптимальные режимы литья слитков из магниевых сплавов при-
ведены в табл. 107.
Сплавы систем Mg—Мп и Mg—Al—Zn—Мп склонны к образо-
ванию крупнозернистой столбчатой структуры, что приводит к воз-
никновению трещин по границам столбчатых кристаллов и разру-
шению слитков при небольших обжатиях во время деформации.
Для измельчения зерна в слитках из указанных сплавов применяют
электромагнитное перемешивание расплава в кристаллизаторе или
снижают температуру литья. Электромагнитное перемешивание обе-
спечивает полное устранение столбчатой структуры в' слитках из
сплавов MAI, МА8, МА2-2 и МАП и позволяет получать равно-
осное зерно по всему сечению слитка. Кроме того, уменьшается
склонность сплавов к образованию горячих трещин. Электрома-
гнитное перемешивание наиболее целесообразно применять для
измельчения зерна сплавов, кристаллизующихся в узком интервале
температур. Индуктор при литье слитков большого сечения рас-
полагают над расплавом, а при литье слитков малого сечения —
по периметру кристаллизатора (рис. 165).
Слитки больших диаметров (более 300 мм) целесообразно отли-
вать методом погружения. Перед заполнением изложницу нагре-
вают до 600—650 °C. Расплав в изложнице выдерживают при 690—
700 °C в течение 30—60 мин для осаждения неметаллических вклю-
377
Чёний, а затем в зависимости от диаметра слитка погружают из-
ложницу в воду с заданной скоростью:
Диаметр слитка, мм 300 350 450
Скорость погруже-
ния, м/ч........ 1,2 1,0 0,8
Перед обработкой давлением слитки разрезают на заготовки за-
данной длины, которые подвергают механической и термической
(гомогенизации) обработке.
Резку слитков осуществляют дисковыми пилами. При этом вы-
резают темплеты толщиной 25—30 мм для контроля макроструктуры
1 2 3 4 5 6 2 8 9 5 3 W -77
Рис. 165. Расположение индукторов для перемешивания расплавалунке;
а — по периметру кристаллизатора; б — над кристаллизатором; 1 — жидкий металл; 2 —
кристаллизатор; 3 — магнитопровод; 4 — изоляция; 5 — индуктор; 6 — крепление; 7 —
слиток; 8 — плита; 9 — болт регулировочный; 10 — корпус; 11 — воронка
и обрезают литниковую (150—350 мм) и донную (250—500 мм) части
слитков.
Поверхность большинства заготовок круглого и плоского се-
чения подвергают механической обработке. Обточку круглых за-
готовок ведут на токарных полуавтоматах с отсосом стружки. В за-
висимости от состава сплава и размеров заготовки с поверхности ее
удаляют слой металла толщиной 10—25 мм. Обточку заготовки ве-
дут на. максимальный размер при скорости резания 550—950 м/мин
и глубине резания 7—-7,5 мм. Заготовки из сплавов системы
Mg—Zn—Zr обтачивают в два приема. До гомогенизации снимают
слой ли квасов толщиной 2—3 мм, а после термообработки ведут
обточку на окончательный размер. Обработка в два этапа позво-
ляет удалять неслитины, хорошо выявляющиеся после гомогени-
зации. Без обточки можно деформировать заготовки из сплавов МА1
и МА8 диаметром до 300 мм.
Обработку заготовок плоского сечения ведут на фрезерных стан-
ках. Большие грани фрезеруют на глубину 12,5—20 мм, а малые
на 4,5—20 мм. Максимальный по толщине слой удаляют с поверх-
ности плоских заготовок из высоколегированных сплавов МА2-1
и МАИ. Не подвергают фрезерованию малые грани слитков из ма-
лолегированных сплавов МА1 и МА8, на которых не образуются
ликвационные наплывы.
Гомогенизацию заготовок после механической обработки осу-
ществляют в шахтных печах или печах с выкатным подом в воз-
378
Таблица 108. Режимы гомогенизации слитков из магниевых сплавов
Сплав Форма слитка Температура слитков при выдержке, °C Продолжительность гомогенизации, ч
МА2 Круглые и плоские 400+5 18
МА2-1 Круглые 390+5 8
МА2-2 Плоские 420±5 6
MA2I-1 » 390±5 10
420±5 8
MAI, МА8 Круглые 490±5 12
МА14, МА5 » 355±5 16
МА17 Плоские и круглые 470+^о 12
МА9 То же 470ifo 14
МАИ Круглые 490+во 24—48
душной среде по режимам, приведенным в табл. 108. По окончании
выдержки при температуре гомогенизации заготовки извлекают
из печей и охлаждают на воздухе.
Литература: [1, 3, 9, 19, 23, 26, 28, 31, 44) (см. рекомендатель-
ный библиографический список).
Глава 17
ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ
ИЗ СПЛАВОВ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
§ 1. ПРОИЗВОДСТВО слитков ИЗ МЕДНЫХ
И НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Наиболее прогрессивным методом получения слитков из тяжелых
цветных металлов и сплавов в современной промышленности яв-
ляется метод непрерывного литья. Однако в отличие от заготови-
тельного литья слитков из легких сплавов значительное количество
слитков (примерно 30—50 %) из медных и никелевых сплавов по-
лучают в настоящее время традиционным наполнительным литьем
в изложницы, главным образом, в водоохлаждаемые. Это связано
с тем, что объем производства слитков из медных и никелевых спла-
вов сравнительно невелик и затраты на изготовление и эксплуата-
цию установок непрерывного литья удорожают продукцию. Напол-
нительное литье в изложницы характеризуется использованием
сравнительно простого в эксплуатации и недорогого оборудования.
Однако при этом доля ручного труда при его обслуживании велика,
способ литья слитков в изложницы трудно механизировать. Су-
щественным недостатком наполнительного литья является труд-
ность получения плотного слитка, так как сложно осуществить
направленное затвердевание металла в изложнице. Кроме того, при
получении слитков большой длины при заливке металла сверху
происходит разбрызгивание металла с образованием ряда дефек-
379
Рис. 166. Водоохлаждаемые изложницы:
а — горизонтальная; б — вертикальная; 1 — боковая стенка (чугун); 2 — медный лист;
3 — кожух (чугун); 4 — патрубок для подвода и слнва воды; 5 — ребра; 6 — основание
тов в поверхностных слоях слитка (раковины, несплошности, тре-
щины и др.).
В настоящее время наиболее ходовые марки медных сплавов и
практически все заготовки из чистой меди получают непрерывным
методом, который со временем вытеснит наполнительное литье в из-
ложницы. На рис. 166 показаны водоохлаждаемые изложницы (го-
ризонтальная и вертикальная), которые применяют для отливки
плоских слитков относительно небольшого размера из сплавов на
основе меди и цинка. В производстве применяют также многогнезд-
ные неводоохлаждаемые изложницы для отливки одновременно
нескольких заготовок (в основном круглого сечения). Такие излож-
ницы заливают из одной заливочной воронки. Конструктивно они
выполнены с раскрывающимися боковыми стенками, которые в мо-
мент заливки скрепляют приспособлениями, а при выбивке рас-
крывают. Наполнительным литьем в настоящее время отливают,
например, плоские слитки из медноникелевых сплавов-размерами
от 165 x 50 x 750 до 330 x 50x1800 мм и массой от 40—50 до 300 кг,
а также заготовки из латуни размерами от 350 x 50 x 500 мм до
570X175X1250 мм и массой от 250 кг до 1т. •
: Внутреннюю поверхность изложниц при литье медных и нике-
левых сплавов перед заливкой покрывают слоем смазки для полу-
ченияу слитков чистой и ровной поверхности. При литье меди и ее
сплавов в основном применяют так называемые жирные смазки на
380-
основе нефтепродуктов и минеральных масел с добавкой различных
компонентов, улучшающих свойства смазок. При соприкосновении
с жидким металлом слой смазки на поверхности изложницы начи-
нает возгоняться (гореть), образуя газовую и сажистую прослойку
между стенкой изложницы и поверхностью слитка, которая предохра-
няет расплав от приваривания к изложнице и способствует полу-
чению чистой поверхности слитка. При этом подбирают такой состав
смазки, чтобы скорость возгонки соответствовала примерно ско-
рости подъема уровня металла в изложнице. При преждевременной
перегонке смазки (т. е. если летучие удаляются слишком быстро
со стенки изложницы) не будет образовываться газовой прослойки
между металлом и изложницей и на поверхности слитка могут воз-
никнуть поверхностные дефекты в виде шлаковых и газовых вклю-
чений. Наоборот, при запоздалой возгонке образующиеся газооб-
разные продукты не успевают удаляться в атмосферу, они будут
входить в еще не застывший металл, давая газовые дефекты (свищи).
Составы смазок подбирают обычно опытным путем. Составы рас-
пространенных жирных смазок при литье медных и никелевых спла-
вов приведены в табл. 109.
Заливку металла при наполнительном литье'слитков из медных
и никелевых сдлавов производят сверху через специальные литей-
ные воронки, футерованные изнутри огнеупорными составами. Ли-
тейные воронки имеют различное количество отверстий, с помощью
которых регулируются подача расплава и скорость подъема металла
в изложнице. Чаще всего отверстия выполняют в виде калиброван-
ных втулок из графита. Диаметры отверстий выбирают расчетным
или 'опытным путем таким образом, чтобы скорость подачи металла
в полость изложниц обеспечивала направленное затвердевание слитка
в изложнице снизу вверх.
Таблица 109. Состав и свойства смазок для покрытия стенок изложниц
при литье медных и никелевых сплавов
Компонент Содер- жание компо- нента, % Коли- чество летучих, % Кроющая способность Применение
Мазут (обезвожен- 100 91 Удовлетвори- При литье латуней
ный) тельная
Машинное масло 34 80—85 Хорошая При литье бронзы н спец-
Мыло 33 латуней
Керосин 33
Сажа голландская 70 23—25 Удовлетвори- То же
Керосин 30 тельная
Т рансформаторное 100 90 Хорошая При литье оловянных
масло бронз бесструйным мето-
ДОМ
Машинное масло 70 82 Удовлетвори- При лнтье никеля и его
Канифоль 15 тельная сплавов
Сажа 15
38Т
Таблица 110. Основные параметры литья слитков из медных сплавов
и никеля в изложницы
Сплав Размеры слитка, мм Конструкция изложницы Размеры литниковой воронки Температура заливки, °C
диаметр отвер- стий число отвер- ст» й
Л63 0 190, L = 1500 Водоохла- ждаемая 30—34 1 1070—1100
ЛЖМц59-1-1 0 190, L = 1300 То же 30—34 1 1020—1080
ЛА85-0 5 0 120, L = 1500 » 26—28 1 1140—1190
БрОФ6,5-0,15 0 250, L = 1400 Плоский слиток: » 35—40 1 1150—1170
220X25X700 » 15 4 1170—1200
БрОЦС4-4-2,5 45X 220X1500 Бесструйное литье в водо- охлаждаемую изложницу 8 2 1200—1250
Никель НП Плоские: (100—130) X X 270X 700 Водоохла- ждаемая 16—18 3 1550—1600
В табл. ПО приведены основные параметры литья некоторых
сплавов на основе меди и никеля.
Медь заливают в водоохлаждаемые изложницы при 1170—1200 °C
с перегревом выше температуры плавления на 90—120 °C. Латуни
заливают с перегревом выше температуры ликвидуса на 100—180 °C
в зависимости от состава и массы слитка. Так, латунь Л90 заливают
при 1150—1180 °C, Л63 —при 1070—1100 °C, ЛЖМц59-1-1 — при
1020—1080 °C, ЛА85-0.5 — при 1140—1190 °C. Слитки из никеля и
никелевых сплавов в настоящее время в основном получают залив-
кой в водоохлаждаемые изложницы.
Конструктивно водоохлаждаемая изложница для производства
слитков из никеля несколько отличается от изложниц для меди:
стенки рабочей медной рубашки толщиной 30—40 мм охлаждаются
душирующими устройствами, интенсивно омывающими медную ру-
башку струями воды, которая стекает в специальный сборник. Одна
половина изложницы выполняется обычно стационарной, другая —
подвижной откидной. Обе половины скрепляют винтовыми стяж-
ками. Изложницы обычно установлены на подвижных тележках.
В водоохдаждаемых изложницах получают слитки никеля массой
до 1 т. Стойкость таких изложниц составляет примерно 60—100 за-
ливок, после чего производят ремонт медных рубашек. Температура
охлаждаемой воды не менее 35 °C, отходящей 45—50 °C. Расход
воды 5—10 л на 1 кг жидкого металла, давление воды 0,2 МПа.
Металл заливают сверху через футерованные воронки. Число и
диаметр отверстий в воронках подбирают в зависимости от массы
и размеров слитка. Так, слитки из анодного никеля размером
140 x 612 x 780 мм отливают с использованием воронок, имеющих
три отверстия диаметром 34 мм.
382
Для питания верхней части слитка никеля, его сплавов, atakxkfe
некоторых медных сплавов, предусматривается установка питающих
тепловых насадок, которые изготовляют из нетеплопроводных огне-
упорных составов. Так, при литье никеля насадки делают из смеси
следующего состава: шамотный порошок 80—85 %; огнеупорная
глина 15—20 %; жидкое стекло 0,5—1,5 % (сверху 100 %). Пита-
ние слитков осуществляют также путем доливки жидкого металла
в изложницы для восполнения усадки металла. Поверхность рас-
плава покрывают теплоизолирующим составом (сыпучим или
жидким).
При литье никеля высокочистых марок и сплавов, склонных
к пленообразованию, на зеркало металла и струю иногда подают
инертный газ.
Для отливки плоских слитков небольшой толщины (40—50 мм)
из сплавов с широким интервалом кристаллизации типа оловянно-
фосфористых бронз, а также из бериллиевой бронзы БрБ2 приме-
няют способ литья в подвижные водоохлаждаемые изложницы
с минимальной высотой падения струи жидкого металла, назван-
ный методом бесструйного литья. Три водоохлаждаемые стенки
изложницы 1—3 (рис. 167) вместе с поддоном 4 могут перемещаться
вертикально с помощью винтового привода, установленного снизу,
а одна стенка (торцевая) 5 имеет небольшую высоту (~200 мм),
крепится неподвижно и плотно прижимается к слитку. Жидкий
металл из плавильной индукционной печи 6 поступает в горизон-
тальное разливочное устройство 7 с отверстиями и вытекает в по-
лость изложницы с небольшой высоты либо под уровень зеркала
металла с помощью графитовых трубок 8, создавая таким образом
бесструнное заполнение изложницы и обеспечивая направленное
затвердевание металла и получение плотного слитка. Постоянный
уровень металла в изложнице поддерживается с помощью автомати-
ческих устройств. Скорость литья (скорость опускания изложницы)
варьируется в пределах 15—25 м/ч.
Для извлечения готового слитка одна из боковых стенок излож-
ницы делается подвижной, откидной. После затвердевания слитка
снимают прижимы, отводят в сторону подвижную стенку и извле-
кают слиток. Затем слиток разрезают на мерные заготовки, пред-
варительно удалив прибыльную (верхнюю) часть высотой 50—
ПО мм.
В последние годы постепенно литье в водоохлаждаемые излож-
ницы меди, никеля и их сплавов заменяют более прогрессивным не-
прерывным литьем, обеспечивающим более высокое качество литых
заготовок (плотность, механические свойства, деформируемость и др.).
Одним из основных элементов установок непрерывного литья яв-
ляется кристаллизатор. При литье тяжелых металлов и их сплавов
применяют кристаллизаторы скольжения различных конструк-
ций. Кристаллизаторы скольжения имеют сравнительно несложную
конструкцию, основными элементами которой являются корпус,
рабочая стенка из меди или низколегированной меди и система под-
вода воды для охлаждения (первичного и вторичного). При литье
383
меди и ее сплавов применяют кристаллизаторы скольжения двух
типов: однокамерные (рис. 168, а) с широким (12—30 мм) каналом
водяного охлаждения и двухкамерные (рис. 168, б) с узкими ка-
налами водяного охлаждения, обеспечивающими более экономии-
Рис. 167. Установка бесструйиого литья
ное расходование воды. В ряде
случаев при литье слитков из
меди и ее сплавов применяют
кристаллизаторы скольжения с
дополнительными внутренними
вставками из графита для умень-
шения трения, повышения ско-
рости литья и срока службы
кристаллизатора и обеспечения
чистоты поверхности слитка.
Такие кристаллизаторы приме-
няют, например, при горизон-
тальном непрерывном литье
заготовок, а также при литье
крупных слитков на машинах
вертикального типа. Фирма
«Асарко» применяет при литье
меди кристаллизаторы, целиком
изготовленные из графита. Гра-
Рис. 168. Кристаллизаторы скольжения:
а — однокамерные; б — двухкамерные;
1 — корпус; 2 — перегородка; 3 — гиль-
за; 4 — патрубок для подвода воды
фитовые кристаллизаторы однако сложнее в изготовлении и тре-
буют высокого качества графита.
На рис. 169 показан однокамерный кристаллизатор с хромиро-
ванной медной гильзой для литья слитков из меди диаметром до
400 мм, а на рис. 170 — двухкамерный кристаллизатор для литья
плоских слитков из меди. Оба кристаллизатора относятся к систе-
мам со струйной сосредоточенной подачей воды на слиток для его
охлаждения. Для дополнительного охлаждения слитка, выходящего
из кристаллизатора, при литье тяжелых металлов применяют вто-
ричное охлаждение. Вторичное охлаждение производится с помощью
спрейеров, которые располагаются ниже кристаллизатора (см.
рис. 169) по всей периферии слитка и омывают слиток струями воды,
стекающей вниз. В зависимости от размеров слитков и сплава спрей-
384
еры устраивают в один или несколько рядов по высоте затверде-
вающего слитка.
Высота кристаллизаторов при литье меди и ее сплавов колеб-
лется от 100 до 500 мм (чаще 300—400 мм). Ее выбирают в зависи-
мости от величины предельной глубины лунки, с учетом некоторого
технологического запаса, исключающего возможность прорыва ме-
талла. При полунепрерывном литье слитков из бескислородной
меди применяют кристаллизаторы имеющие сравнительно неболь-
шую высоту (170—200 мм). Дальнейшее уменьшение высоты может
Рис. 169. Кристаллизатор для литья круг-
лых медиых слитков с устройством для вто-
ричного охлаждения:
1 — гильза; 2 — корпус; 3,4 — верхнее и
нижнее кольца корпуса; 5, 6 — прокладки;
7 — спрейер вторичного охлаждения; 8 —
отверстия для подачи воды
вызвать прорыв расплава, об-
разуются наплывы, происходит
\вода
Рис. 170. Сборный кристаллизатор для отливки
плоских слитков из меди и ее сплавов:
1 — боковая стейка; 2 — плоская стенка; 3 —
патрубок.
попадание воды в зазор между отливаемым слитком и кристал-
лизатором, приводящее к пористости. Расход воды составляет
5—60 м3/ч.
Для предотвращения прилипания металла к стенкам кристал-
лизатора, уменьшения трения, повышения эффективности отвода
тепла, улучшения качества поверхности слитков при литье медных
сплавов иногда применяют возвратно-поступательное перемещение
(качание) кристаллизатора в вертикальном направлении: для меди
и латуней — с амплитудой 2—4 мм и частотой циклов 70—80 в ми-
нуту.
В качестве смазки при литье меди и медных сплавовув кристал-
лизаторы скольжения используют веретенное и трансформаторное
масло, графит, сажу, минеральные и растительные масла. При непре-
рывном литье с использованием графитовых кристаллизаторов
смазку не применяют, так как графит является самосмазывающим
материалом.
Жидкий расплав подается в кристаллизатор с помощью стопор-
норазливочных устройств (рис. 171), обеспечивающих равномерное
распределение жидкого металла по всему фронту затвердевания
в кристаллизаторе. Металл подается под затопленный уровень ме-
талла в лунке.
13 Заказ 235 ' 385
Рис. 171. Стопорно-разливочное устройство
для отлнвкн прямоугольных слнтков:
1 — стопор; 2 — расплав; 3 — коробка
миксера; 4 — трубка; 5 — графитовый трой-
ник; 6 — графитовый патрубок; 7 — кри-
сталлизатор
)
Примерные режимы литья слитков из медных сплавов непрерыв-
ным методом приведены в табл. 111.
При литье меди и медных сплавов для предотвращения ’ повтор-
ного окисления металла заливку ведут под слой углеродсодержа-
щих материалов' (древесный уголь, сажа и др-), которые наводятся
на поверхность металла в промежуточных устройствах и в кристал-
лизаторе. В последние годы для этих же целей используют жидкие
солевые флюсы с низкой температурой плавления. При литье
меди и латуни хорошие результаты получены при применении
флюсов, состоящих из SiO2 Na2O и B2OS.
Промышленный опыт литья
слитков из медных сплавов свиде-.
тельствует, что качество слитков
зависит от целого ряда технологи-
ческих параметров литья и в пер-
вую очередь от скорости литья.
Существенны также высота кри-
сталлизатора, поперечное сечение
слитка, температура литья и ин-
тенсивность вторичного охлажде-
ния. Для каждого из перечислен-
ных параметров существуют пре-
дельные значения, превышение
которых снижает качество слитка,
вызывает появление дефектов (тре-
щины, пористость, зональная ликвация и др.). Работа на скоростях
литья с меньшими значениями, чем предельная, снижает производи-
Таблица 111. Режимы литья слитков из меди и ряда медных сплавов
полунепрерывным методом
Сплав Диаметр (се- чение) слит- ка, мм Скорость литья, м/ч Высота кри- сталлизато- ра, мм Температура литья, °C Райс од воды, м’/ч Давление воды, МПа
Бескислородная медь Медь Ml, М2 130Х Х270 300 160 8,0-9,0 2,0—2,5 12—14 200 270— 500 1200—1220 40—48 20—30 12—20 0,18—0,23
Бр.АЖ9-4 300 175 5-6 5,0—5,4 560 200 1150—1200 20—30 16—24 0,18—0,23
Бр.ДЖМцЮ-3-1,5 Бр.ОЦ4-3 200 300 163 4,0—4,5 3,0—3,3 9—10 100 300 1180—1200 25 30 0,01—0,02
242 6,8—7,2 400 .1200—1240 14—16 0,01—0,02 ;
Бр.КМцЗ-1 200 4,0—4,2 400 1170—1280 14 0,01—0,02
Л90. 165 12—14 300 1170—1190 17—18 0,18—0,23
ЛС59-1 200 11—12 300 1100—1140 — —
МНЖМцЗО-1-1 250 4—5 250 1130—1350 — —
МНЦ1Б-20 110Х ПО 4—7 300 1240—1260 — —
386
тельность. Повышение предельных значений скоростей литья ве-
дется за счет увеличения интенсивности охлаждения в кристалли-
заторе и в зоне вторичного охлаждения. Так, при увеличении
высоты кристаллизатора, т. е. увеличении поверхности отвода
тепла от затвердевающего металла, с 160 до 500 мм при литье
слитков из бронзы БрКМц 3-1 удалось повысить предельную ско-
рость литья с 2,8 до 6,5 м/ч, т. е. более, чем в 2 раза; при от-
ливке слитков из латуни Л63 в кристаллизаторы высотой 400 мм
предельная скорость литья увеличена с 12 до 30 м/ч, т. е. в 2,5
раза.
Большую роль при повышении скорости литья играют создание
конструкции кристаллизаторов, обеспечивающей увеличение интен-
сивности теплоотвода в кристаллизаторе за счет изменения скорости
Рнс. 172. Установка
горизонтального непрерывного литья
течения воды в охлаждающем канале и повышение теплопровод-
ности рубашки кристаллизатора. Производительность процесса ли-
тья медных слитков- повышают также путем подачи жидкого металла
в кристаллизатор при минимально возможной температуре. С этой
целью совершенствуют конструкцию литниково-заливочного уст-
ройства, применяют литье с наведением на поверхность жидкого
металла в кристаллизаторе жидких флюсов, применяют суспен-
зионный метод заливки, т. е. подачу в струю металла перед кристал-
лизатором металлического порошка и дроби того же состава, что и
заливаемый сплав.
Наряду с вертикальными установками непрерывного литья мед-
ных сплавов в промышленности работают установки горизонталь-
ного непрерывного литья. Их применяют для получения заготовок
проволоки, а также цилиндрических и трубных заготовок и др.
из медных сплавов.
На рис. 172 показана установка горизонтального непрерывного
литья для получения цилиндрических и трубных заготовок из ли-
тейных бронз и латуней диаметром 15—250 мм. Жидкий металл из
плавильной печи 1 подается с помощью приемного лотка 2 в печь
Выдержки 3. Обычно это — индукционная канальная или газовая
печь. В окне боковой стенки печи устанавливаются кристаллиза-
тор 4 или блок кристаллизаторов в 2—4 ручья. В печи выдержки
производится контроль температуры жидкого металла. Вытягивае-
мые из кристаллизатора слитки, поддерживаемые стойкой 5, про*
13* 387
ходят охлаждающую панель 6, где они интенсивно охлаждаются
водой и поступают в вытяжное устройство 7, регулирущее режим
вытяжки слитка. Если установка многоручьевая, то вытяжка каж-
дого ручья может регулироваться независимо от других, что дает
возможность подобрать оптимальный режим, например, в зависи-
мости от состояния кристаллизатора, или прекратить протяжку
одного из ручьев, не останавливая работу других ручьев. Вытяжка
при горизонтальном непрерывном литье (в отличие от вертикаль-
ного) обычно совершается в прерывистом режиме. Применение пре-
рывистой вытяжки объясняется особенностями затвердевания жид-
кого металла в горизонтально расположенном кристаллизаторе и
обеспечивает стабильность процесса, устраняет опасность прорыва
Рис. 173. Кристаллизатор для горизонтального лнтья трубчатых заготовок
жидкого металла, появление волнистости поверхности слитка, тре-
щин и, в конечном итоге, обеспечивает высокую производительность
процесса.
Из вытяжного устройства непрерывные заготовки 8 поступают
к отрезным станкам 9. •
Основными технологическими параметрами, обеспечивающими
качество слитков из медных сплавов при непрерывном горизонталь-
ном литье, являются температура поступления расплава в кристал-
лизатор, шаг вытягивания, время цикла вытягивания, отношение
времени остановки к времении вытягивания, расход воды на охла-
ждение кристаллизатора. Так, при литье заготовок малого сечения
(0 20 мм) из бронзы БрО5Ц5С5 рекомендуются следующие опти-
мальные технологические режимы: шаг вытягивания z — 20 мм,
температура расплава /р = 1200 °C, температура слитка на выходе
из кристаллизатора ta = 500 ± 10 °C, а для слитков большого се-
чения соответственно z = 25 мм, tv = 1200—1250 °C и /п = 600 ±
± 10 °C. При литье трубных заготовок из латуни ЛЦ40С (ЛС59-1Л)
диаметром 47/25 мм. z =9 мм; /р = 1050 и /п = 400 °C. ’
На рис. 173 показана типичная конструкция горизонтального
кристаллизатора с графитовой формой для получения трубных
заготовок из латуней и оловянных бронз. Кристаллизатор состоит
из наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, соединенных фланцем 3.
388
В пространстве между корпусами имеются полости с перегородками,
в которых циркулирует охлаждающая вода, поступающая и вытекаю-
щая через отверстия 4. Корпус кристаллизатора медный, в него
запрессована графитовая втулка 5. Если необходимо получить труб-
чатую заготовку, то в торец вводят на резьбе графитовый стержень 6.
Стержень имеет небольшой конус в сторону вытягивания и фла-
нец, в котором предусмотрены отверстия 7 для подачи жидкого
металла из печи в кристаллизатор. Для изготовления графитовых
частей кристаллизаторов применяют графит высокоплотных и проч-
ных сортов, стойкий к термическим ударам, обладающий высокой
теплопроводностью, хорошо полирующийся.
Работа на установках непре-
рывного литья слитков из бронз и
латуней проводится в следующей
последовательности. В установ-
ленный на печи кристаллизатор
вводят затравки в виде стержней
или труб с захватывающими тор-
цевыми цапфами, печь разогре-
вают и одновременно в кристалли-
затор подают охлаждающую воду.
В разогретую печь заливают жид-
кий металл и включают привод
вытягивания слитка. Уровень ме-
талла в печи выдержки в про-
Рнс. 174. Схема установки горизонталь-
ного непрерывного литья медной прово-
локи
цессе литья поддерживают по-
стоянным (выше верхней точки кристаллизатора не менее, чем на
300 мм) путем периодической доливки жидкого металла из плавиль-
ной печи.
По такой же, как на рис. 173, схеме построена установка для по-
лучения проволочных заготовок из меди, латуни, оловяннофосфо-
ристой и оловянноцинковой бронз, (рис. 174). Установка состоит из
низкочастотной плавильной индукционной печи /, водоохлаждае-
мых втулочных кристаллизаторов 2, вытягивающих механизмов 3
(гидропривод) и моталок 4 с роликами-указателями.
Медную катанку для производства тролейных проводов в настоя-
щее время получают совмещенным методом литья и прокатки путем
получения литой заготовки на непрерывной машине с вращающимся
роторным кристаллизатором (см. рис. 153). Из кристаллизатора
получаемая полоса поступает к прокатному агрегату, где в резуль-
тате обжатия выходит в виде готовой катанки диаметром 8—10 мм.
§ 2. ПРОИЗВОДСТВО слитков из цинковых СПЛАВОВ
Слитки из цинка и цинковых сплавов получают методами наполни-
тельного и непрерывного литья. Большую часть цинковых слитков
изготавливают литьем в горизонтальные водоохлаждаемые излож-
ницы.' Заполнение изложниц ведут непосредственно из наклоня-
кйцихсй плавильных печей (рис. 176) через стальные воронки с пер-
389
Рис. 175. Заливка слитковЗиз^цинковых спла-
вов в изложницу с водоохлаждаемым поддоном:
1 — водоохлаждаемый поддон; 2 — изложница;
3 — воронка с перфорированным дном; 4 —
желоб', 5 — плавильная печь „Liti fc!
форированным дном (диаметр отверстий 5 мм). На дно воронок для
отделения крупных оксидных плен и включений шлака помещают
сетку из стеклоткани с размером ячейки 1 X 1 или 0,5 X 0,5 мм..
Изложницы''представляют собой горизонтальные медные водо-
охлаждаемые’поддоны с боковыми'стенками из массивных чугунных:
брусьев’сечением 100 X 130’мм. В такие изложницы отливают’
слитки размером до’660 X 530 X 75 мм массой до 200 кг за 60-—
80 с. После заполнения изложниц из них извлекают воронку и с по-
верхности расплава удаляют ’ всплывшие оксидные плены и шлак-
Для замедления охлаждения верхней части слитка с целью получе-
ния столбчатой структуры изложницы закрывают крышкой с элек-
троподогревом. После кристаллизации и охлаждения до 250—
300 °C слиток извлекают из изложницы, помещают в термостат
и сразу же направляют на теп-
лую прокатку без дополнитель-
ного подогрева.
С целью более глубокой
очистки микроцинка, исполь-
зуемого для изготовления газет-
ных клише, расплав в процессе
заполнения изложниц подвер-
гают фильтрованию через зер-
нистые или керамические фильт-
ры, устанавливаемые в воронки.
Заливку слитков ведут при тем-
пературе расплава 450—470 °C.
Перспективным является процесс непрерывного литья полосовой
заготовки из цинковых сплавов, который позволяет повысить каче-
ство продукции, существенно увеличить производительность труда
и совместить отливку с прокаткой полосовой заготовки в одной
установке.
§ 3. ПРОИЗВОДСТВО слитков
ИЗ СПЛАВОВ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
Слитки из сплавов благородных металлов в зависимости от масштаба
производства изготавливают методами наполнительного и непрерыв-
ного литья. Небольшие по массе слитки при небольшом масштабе
производства получают литьем в неводоохлаждаемые металлические
(стальные, чугунные, медные) и неметаллические (графит, туф)
изложницы. Для предотвращения образования газовых пор слитки
ряда сплавов отливают’в вакууме. Более крупные плоские слитки
отливают в изложницы с’водоохлаждаемым поддоном. При произ-
водстве листов и лент’из^Чйстого'золота используют слитки, вы-
пускаемые аффинажными заводами.
При больших объемах производства изготовление слитков из
сплавов благородных металлов осуществляют методами полунепре-
рывного (см. рис. 141) и .бесструйного литья (см. рис. 167).
Основным требованием к технологии литья является создание
условий для направленного затвердевания слитков снизу вверх
390
к зоне жидкого металла. &тому требованию наиболее полно удо-
влетворяют литье в водоохлаждаемые кристаллизаторы и бесструй-
ное литье.
Технология литья слитков из сплавов благородных металлов
имеет много общего с технологией литья слитков из медных сплавов.
В частности, скорость заливки регулируют путем применения воро=
нок с фиксированным числом и диаметром отверстий. При этом ско-
рость подъема уровня металла в изложнице принимают близкой
к скорости кристаллизации металла. Полунепрерывное литье слит-
ков ведут в низкие кристаллизаторы со скоростью 2,5—8 м/ч в за-
висимости от состава сплава и размеров слитков. При литье исполь-
зуют близкие по составу смазки.
Характерной особенностью литья слитков из сплавов на основе
серебра и золота в металлические изложницы является необходи-
мость значительных перегревов расплавов (до 1100—1450 °C для
золотых и 1050—1400 °C для серебряных сплавов), так как они
обладают малой теплоемкостью и высокой теплопроводностью. При
небольших перегревах получить качественные слитки трудно из-за
повышенной склонности сплавов к образованию газовых раковин
и низкого качества поверхности. Однако следует отметить, что
заливка чрезмерно перегретых сплавов также нежелательна, так как
сопровождается повышенным угаром металла, окислением и боль-
шими объемными изменениями в процессе охлаждения и кристалли-
зации. Поэтому для различных сплавов и типоразмеров слитков под-
бирают оптимальную температуру заливки. Наибольшие трудности
возникают при изготовлении слитков из сплавов с широким интер-
валом кристаллизации: Au—Cd (10—25 %), Au—Sn (5—17 %),
Au—Pt (10 %), Ag—Cu, Ag—Sn и др. Эти сплавы склонны к зональ-
ной ликвации и рассеянной газоусадочной пористости, имеют низкие
механические свойства в области твердо-жидкого состояния
и склонны к горячеломкости. Для получения качественных слитков
из таких сплавов необходимо создание направленной кристаллиза-
ции. Сплавы с меньшим интервалом кристаллизации Au—Ag (25 %),
Ag—Си (2 %), СрМ916 и др. менее склонны к усадочной пористости
и получать из них качественные слитки легче.
Литература: 6, 7, 12, 23, 47 (см. рекомендательный библиогра-
фический список).
Глава 18
ПРОИЗВОДСТВО СЛИТКОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Наибольшее распространение для изготовления слитков из титановых
сплавов получил способ переплавки расходуемого электрода в кри-
сталлизаторе вакуумной электродуговой печи.
Сущность способа заключается в следующем: заранее приго-
товленный из титановой губки и других кусковых шихтовых мате-
риалов методом прессования (или каким-либо другим методом)
391
расходуемый электрод плавится электрической дугой й расплавлен-
ный металл стекает в жидкую ванну. В течение всего процесса плавки
длина выплавляемого слитка непрерывно возрастает и в конце
плавки она становится равной высоте изложницы.
Полученный слиток первого переплава неоднороден по хими-
ческому составу и поэтому его переплавляют вновь. При втором
переплаве в качестве расходуемого электрода используют слиток
первого переплава. Для плавки металла в печах, предназначенных
для фасонного литья, в качестве расходуемого электрода используют
слитки первого переплава.
Жидкий металл в процессе производства слитка непосредственно
контактирует только с разреженной атмосферой (открытая поверх-
ность ванны с жидким металлом) и с затвердевшим металлом слитка
(донная часть ванны). Это практически исключает насыщение тита-
новых сплавов примесями в процессе плавки и формирования слитка.
§ 1. ПЕЧИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА слитков
В современных вакуумных электродуговых печах получают титано-
вые слитки массой до 30 т, длиной до 5 м, диаметром до 1400 мм.
Химический состав ряда титановых сплавов, применяемых для
производства слитков, приведен в табл. 67.
Разработано и находит промышленное применение значительное
число вакуумных электродуговых печей, которые имеют следующие
общие элементы: вакуумную камеру, изложницу (кристаллизатор),
поддон, электрододержатель, систему охлаждения, вакуумную си-
стему, источники питания электрической энергией, контрольно-
измерительную аппаратуру, механизмы для перемещения электродо-
держателя, поддона и др. Различаются они только компоновкой
отдельных элементов, порядком загрузки в печь расходуемого
электрода и выгрузки слитка, габаритными размерами, производи-
тельностью.
Наибольшее распространение, как для первого, так й для вто-
рого переплавов получили вакуумные электродуговые печи с форми-
рованием слитка в медной водоохлаждаемой изложнице («глухом»
кристаллизаторе) (рис. 176). Ограниченное применение находят
печи, в которых слиток получают путем вытягивания из медного
водоохлаждаемого кристаллизатора (полунепрерывное литье).
Слиток 1 (см. рис. 176) формируется в изложнице 2 за счет пла-
вления расходуемого электрода 3. Плавление металла осущест-
вляется электрической дугой, горящей между расходуемым элек-
тродом и ванной жидкого металла 4. Расходуемый электрод 3 при-
варен к титановому огарку 5 (огарок — остаток расходуемого
электрода от предыдущей плавки), который с помощью резьбового
соединения закреплен на нижнем конце электрододержателя 6.
Электрододержатель проходит через вакуумное уплотнение 7, на-
ходящееся в крышке 8 вакуумной камеры печи 9, и соединяется
своим верхним концом с механизмом перемещения электрододержа-
теля. Механизм может перемещать электрододержатель и расходу-
392
емый электрод в необходимом направлении (вверх, вниз) и с заданной
скоростью. Вакуумная камера имеет люк 10 для. осмотра качества
приварки расходуемого электрода, чистки камеры печи и замены
титанового огарка. В камеру печи вмонтирован вакуум-провод 11,
соединяющий камеру печи с вакуумной системой. Электрододержа-
тель печи гибкими шинами соединен с отрицательным полюсом
источника питания. Изложница 2 снизу закрыта поддоном 12, кото-
рый с помощью специального меха-
низма может от нее отсоединяться и
опускаться вниз. При снятом поддоне
выгружают из печи выплавленный
слиток и загружают в печь расходуе-
Рис. 176. Вакуумная электродуго-
вая печь типа ДСВ
Рис." 177. Изложница вакуумной электро-
дуговой печн с медным кристаллизатором
мый электрод 3. Поддон и изложница соединены с положительным
полюсом источника питания.
Ввиду того, что при несоблюдении требований техники безопас-
ности и нарушения режима плавки может возникнуть взрывоопасная
обстановка, вся печь помещена в специальной защитной камере.
Пульт управления печи вынесен за пределы защитного кожуха.
Самая важная и основная часть печи — изложница. В ней проис-
ходит расплавление расходуемого электрода с помощью электриче-
ской дуги^и формирование слитка. Изложница работает в тяжелых
условиях: она испытывает большие тепловые нагрузки. В ее стенках
возникают значительные по величине температурные перепады.
В зоне горения дуги удельный тепловой поток от слитка к изложнице
составляет более 1000 кВт/м2. Образующиеся в стенках изложницы
высокие термические напряжения могут вызвать ее деформацию
393
и вывести из строя. Этому способствует также разница давлений
менаду внешней поверхностью изложницы (атмосферное давление)
и внутренней (вакуум).
В связи с этим материал, из которого изготовлена изложница,
должен обеспечивать отвод от зоны горения дуги большого коли-
чества тепла, а ее конструкция должна обладать высокой надеж-
ностью и простотой для удобства эксплуатации и ремонта.
Этим требованиям удовлетворяет изложница, конструкция кото-
рой представлена на рис. 177. Кристаллизатор изложницы 1 изго-
товлен из меди с толщиной стенки до 30—50 мм. Кристаллизатор
через резиновые уплотнения соединен с корпусом 2 и фланцем 3
изложницы. Между кристаллизатором и корпусом имеется полость,
по которой с заданной скоростью проходит вода для охлаждения
кристаллизатора. Высокая теплопроводность меди и охлаждение
внутренней полости кристаллизатора водой позволяет отводить от
зоны плавкИ’тепловой поток большой мощности. С помощью фланца 3
изложница через резиновое - уплотнение присоединяется к фланцу
камеры печи. На корпус изложницы намотана из медных или алю-
миниевых проводов катушка соленоида 4, которая создает перемен-
ное магнитное поле, интенсивно перемешивающее металл в ванне.
Перемешивание способствует растворению легирующих компонентов
и выравнивает химический состав сплава в ванне с жидким распла-
вом. Рабочая часть поддона 5 изготавливается из меди. Снизу поддон
закрыт стальной крышкой. Рабочая часть поддона охлаждается
водой, проходящей через полость, находящуюся между крышкой
и рабочей частью поддона.
Вакуумная система электродуговых печей откачивает из камеры
печи перед' началом плавки воздух и удаляет газы, выделяющиеся
из металла в процессе плавки, а также воздух, попадающий в камеру
печи в период ее работы из-за недостаточной герметичности плавиль-
ной установки.
Установлено, что для получения слитка, незагрязненного эле-
ментами, входящими в состав воздуха, давление газов в зоне горения
дуги должно быть около 13,3 Па и не менее 1,33 Па в камере печи.
По величине требуемого давления и по известному количеству вы-
деляющихся из металла газов с учетом^натекания воздуха через
несплошности камеры печи подбирают вакуумные насосы требуемой
производительности.
Следует отметить, что производительность вакуумных насосов
для печей первого переплава должна быть в 1,5 раза выше, чем для
печей второго переплава. Эго связано с интенсивным газовыделе-
нием при плавке расходуемого электрода, изготовленного из титано-
вой губки (титановая губка, используемая для изготовления рас-
ходуемого электрода, "содержит до 0,2 % хлористого магния, не-
которое количество магния и других летучих веществ).
Наиболее распространенная современная вакуумная система
показана на рис. 178. Она состоит из механического плунжерного
насоса предварительной откачки 1 (серии ВН; ВН-6, ВН-300), меха-
нического бустерного вакуумного насоса 2 (ДВН-500, 2ДВН-1500),
394
Вакуум-гфоводов 3-, сильфон»
ных компенсаторов 4, задви-
жек 5, пылеулавливающей
ловушки 6, вентилей 7, дат-
чиков для измерения вакуу-
ма 8, манометров 9.
Для плавки применяют
постоянный электрический
ток. Переменный ток промыш-
ленной и высокой частоты не
обеспечивает стабильного го-
рения электрической дуги при
плавке титановых сплавов в
вакууме и поэтому его не
используют.
Современные источники
Рис. 178. Вакуумная система электродуговых пе-
чей
питания постоянного тока
работают на полупроводниковых выпрямителях.
В отечественной промышленности находят применение вакуумные
электродуговые печи типа ДСВ-5, ДТВ, ВД-11 и др. В табл. 112
приведены технические характеристики печей серии ДТВ и ДСВ.
Печи типа ДТВ имеют более высокую производительность по
сравнению с печами типа ДСВ, достигнутую благодаря некоторым
изменениям конструкции. Так, изменены способы загрузки расходу-
Таблица 112. Технические характеристики печей серии ДТВ и ДСВ
Параметры ДСВ-6,3-16 (£> СЧ СО . О ЕХ <© т <© Й О ОС а ДТВ-14-Г26
Наибольший диаметр кристаллиза- тора, мм 630 820 650 1000 1400
Максимальная длина расходуемого электрода, мм 4550 6000 5450 5600 5000
Масса слитка, т 6,0 16,0 5,5 10,3 26,5
Длина слитка, мм. Номинальный ток, кА 2700 4000 4000 4000 4000
25 25 25 37,5 50,0
Напряжение, В 75 75 75 75 75
Мощность вспомогательного обору- дования, кВт 100 75 35 35 70
-Расход охлаждающей воды, м®/ч, ие более 70 90 70 80 150
Общая масса печи, т Габаритные размеры, мм: — . — 118 120 200
длина ~— -— 7 350 7 350 9 000
ширина Высота печи, мм: — — 5 400 5 400 6 000
общая — — 20 950 20 950 21 400
заглубление — — .7 800 7 800 7 900
395
ёмогб эЛёк*грбда в йейь й выЬрузкй с.Ш4
ка. В печах типа ДСВ (см. рис. 176)
слиток извлекается из изложницы вмес*
те с опускающимся поддоном. Излож*
ница неподвижна и жестко закреплена
с камерой печи. Загрузка электрода в
печь производится в обратном порядке,
Такая схема выгрузки и загрузки слит-
ков и’ Электрода усложняет конструк-
цию Печи и увеличивает ее высоту.
В печах типа ДТВ (рис. 179) после
плавки от вакуумной камеры печи 3
Изложница 4 отсоединяется вместе со
слитком; она затем несколько опускает-
ся гидравлическим плунжером 5 и
отводится в сторону. С помощью мосто-
вого крана слиток извлекают из излож-
ницы и после контроля состояния из-
ложницы в нее загружают расходуемый
электрод. Для печей второго переплава
два слитка первого переплава свари-
вают на специальной установке. Загру-
Рис. 179. Вакуумная электродугс-
вая печь ДТВ-8.7Г10:
1 — защитная камера; 2 — электро-
додержатель; 3 — вакуумная каме-
ра; 4 — изложница; 5 — гидравли-
ческий плунжер; 6 — поддон; 7,
8 — токоподводы
женную изложницу по рельсам подкатывают под камеру печи и гер-
метично к ней присоединяют. При одной и той же общей высоте
печей типа ДСВ и ДТВ в последних можно получать слитки, име-
ющие почти в два раза большую длину.
Вакуумная электродуговая печь ВД-11 отличается от печей типа
ДСВ и ДТВ тем, что при одинаковых по длине выплавленных слит-
ках имеет значительно меньшую высоту. Достигается это исключе-
нием из конструкции печи механиз-
ма перемещения поддона (печь типа
ДСВ) и изложницы (печь типа ДТВ).
На рис. 180 показана печь ВД-11.
Как и в печах типа ДТВ, после окон-
чания плавки изложница 1 отсоеди-
няется от камеры печи. Однако в
данной конструкции она неподвижна
и находится в специальном приямке,
а камера печи 2 вместе с электродо-
держателем 3 и механизмом его пере-
мещения 4 поднимается с помощью
гидроподъемника 5 над изложницей
и поворачивается около опорной ко-
лонны 6 на 90° и опускается- на спе-
циальную подставку. Изложница из-
влекается из приямка мостовым кра-
ном и направляется на выгрузку
слитка и профилактический осмотр.
В приямок-шахту в это время уста-
Рис. 180. Вакуумная электродуговая
печь ВД-11
396
йайливйют другую изложницу й новый расходуемый электрод. К
изложнице подводят вакуумную камеру, которую герметично с ней
соединяют. После подсоединения вакуумной системы и создания
необходимого разрежения начинают плавку в обычном Для элек-
тродуговых печей порядке.
Печь ВД-11 рассчитана на установку изложниц высотой до
4550 мм для производства титановых слитков массой 2,0; 4,7; 6,8
и 13,7 т.
§ 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛИТКОВ
В ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ
Технологический процесс изготовления слитков состоит из следу-
ющих основных этапов:
1) изготовления расходуемого электрода для первого переплава;
2) плавки расходуемого электрода и получения слитка первого
переплава;
3) подготовки слитков ко второму переплаву;
4) плавки расходуемого электрода •(слитка первого переплава)
и получения слитка второго переплава;
5) механической обработки и контроля качества слитка.
Расходуемый электрод для первого переплава изготавливают
из шихтовых материалов путем их прессования с целью получения
компактного электрода требуемого размера. Шихтовые материалы
состоят из губчатого титана (титановой губки), легирующих компо-
нентов и титановых отходов.
Для получения слитка заданного химического состава в шихту
вводят в зависимости от марки сплава следующие легирующие
элементы: алюминий, марганец, молибден, ванадий, цирконий,
хром, олово, кремний, железо и др. (составы сплавов приведены
в гл. 11). Физические свойства этих элементов и в первую очередь
такие, как температура плавления, плотность, упругость пара,
в большинстве случаев существенно отличаются от аналогичных
свойств титана. Поэтому введение легирующих элементов в шихту
в чистом виде может привести к получению слитка с недопустимой
химической неоднородностью.__ Так, в ряде промышленных сплавов
в качестве легирующего компонента содержится молибден (темпе-
ратура плавления 2620 °C, плотность 1020 г/см3). Если в шихту
вместе с титановой губкой вводить куски чистого молибдена, то при
плавке он практически не растворится в жидком титане. В процессе
плавки торец расходуемого электрода нагревается до температуры
плавления титана 1665 °C, и капли жидкого титана стекают в ванну
(рис. 181). Молибден при этом не расплавляется на торце расходу-
емого электрода и в виде твердого куска падает в ванну. Так как
плотность его значительно выше плотности жидкого титана, то кусок
молибдена опускается на дно ванны, в нижней части которой жидкий
титан затвердевает. Молибден, не успев раствориться в жидком
титане, остается в виде включения в слитке. Второй переплав полу-
ченного слитка также не приводит к растворению молибдена.. По-
397
плавления от титана,
1
ЗтбмУ Молибден и Целый ряд тугоплавкйк й другйк эЛеМейтбь вббДй!
в шихту в виде лигатур. Для получения слитка более однородного
химического состава лигатуры не должны существенно отличаться
от титана по температуре плавления. Если температуры плавления
лигатуры и титана близки, то расплавление лигатуры происходит
на торце расходуемого Электрода. В этом случае легирующий ком-
понент будет равномерно распределяться по объему жидкой ванны.
Поэтому все элементы, значительно отличающиеся по температуре
вводятся в шихту в виде лигатур (вольфрам,
молибден, алюминий, олово и др.). Элементы,
имеющие близкую к титану температуру
плавления, вводят в шихту в виде технически
чистых металлов.
В зависимости от химического состава
сплаВа применяют либо двойные лигатуры
А1—Мо, А1—V и др., либо сложные по хи-
мическому составу комплексные лигатуры
(табл. 113).
Чистые металлы и лигатуры перед ис-
пользованием размельчают на куски не более
10—15 мм. Частицы менее 2 мм отсевают.
Оборотные отходы (титановые куски, ли-
стовая обрезь, стружка) после соответст-
вующей подготовки вводят в шихту в коли-
честве 25—30 %.
На поверхности титановых отходов, как
и на всех литых и полученных обработкой
давлением изделиях, имеется слой окалины,
а поверхностный слой металла толщиной
0,5—1,5 мм содержит повышенное количест-
во примесей — кислорода, азота, водорода,
углерода и других элементов. Крупные кус-
ковые отходы измельчают на куски размером
до 60 X 60 мм и затем галтовкой с них уда-
ляют окалину и большую часть газонасыщенного поверхностного
слоя. Листовую обрезь подвергают химическому травлению. Стружку
измельчают в шнековых или в щековых дробилках и подвергают
магнитной сепарации и отсеву от кусочков разрушенных резцов.
Распространенный способ изготовления расходуемых электро-
дов для первого переплава — полунепрерывное прессование на
горизонтальных и вертикальных гидравлических прессах исходных
шихтовых материалов через конусную или цилиндрическую проход-
ную матрицу.
На рис. 182 представлена схема прессования электрода в конус-
ную (а) и цилиндрическую (б) матрицы. Мерная порция шихты /,
представляющая собой сыпучую смесь кусковых материалов, со-
стоящих из губчатого титана, легирующих компонентов, лигатур
’ и оборотных отходов, из шихтопровода 2 попадает в приемный
патрубок 3. При движении пресс-шайбы 4 с пресс-штемпелем 5
Рис. 181. Схема расходуемо-
го электрода, содержащего
куски тугоплавкого эле-
мента:
1 — слиток; 2 — ванна жид-
кого металла; 3 — 'порция
шихты; 4 — расходуемый
электрод; 5 — кускн туго-
плавкого элемента
398
Рис. 182. Схема прессования расходуемого электрода
в конусную (а) и цилиндрическую (б) матрицы ।
порция шихты направляется в матрицу 6 и под действием высокого
давления шихта уплотняется. Затем пресс-штемпель 5 отводят
в исходное положение и из шихтопровода на приемный патрубок 3
поступает новая порция шихты, которая также уплотняется. Про-
цесс прессования повторяется до тех пор, пока не будет получен
электрод 8 необходимой длины. Матрица 6 установлена в контей-
нере 9. Находящийся внутри контейнера электроподогреватель 10
Таблица 113. Химический состав, %, и физические свойства лигатур
Лигатура Мо Сг V Zr Ti Fe Si Al W р. г/сма ^ПЛ’ °C
АХМК 30-34 23-27 — — — 3-6 2,5- 4,0 Ост. — 4,7 1430
АХМКФ 32-36 21-25 —- —- — 4-6 2,5- 4,0 » 4,0 5,2 1470
АМТ 48-52 -— — 6-9 — —. » -— 5,0 1480
АМТФ 48-52 — —- — 6-9 — — » 4,5 5,1 1520
АХМ-50 38-42 50-63 — — — —. 6-9 -— 7,1 1800
АЦМК 38-42 — — 18-21 — —- 2,5- 3,5 Ост. — 4,8 1590
АЦМКФ 38-42 — — 18-21 — — 2,5- 3,5 » 4,0 4,9 1610
АМВТ 35-38 30-34 —— Ост. — — С'6.5 — 5,8 1830
К5 32-34 6-8 32-34 — — 5-8 — Ост. -— 5,8 1720
К5к 32-34 6-8 32-34 -— — 5-8 — 1 » 3,5 5,9 1750
ВнАЛ — — 70-80 .— — —- — » — 4,9 1820
ЛТ7 -— — — — Ост. 10-13 4-6 6-8 — 4,8 1500
Примечание. Значения плотности и температуры плавления даиы для лигатур
со среднеарифметическим содержанием основных компонентов.
399
нагревает втулку 11 и матрицу 6 до необходимой для лучшего прессо-
вания шихты температуры.
Качество шихты, подготовка ее к прессованию, технологический
процесс оказывают значительное влияние на получение слитка
однородного по химическому составу. Основные причины, вызыва-
ющие химическую неоднородность: порционное прессование расходу-
емого электрода и ограниченные размеры ванны с жидким металлом.
При порционном прессовании легирующие элементы из расходуемого
электрода попадают в ванну с жидким металлом периодически.
При этом максимальная концентрация легирующего элемента
в слитке оказывается наибольшей в тех сечениях, которые в момент
попадания легирующего компонента совпадали с открытой поверх-
ностью ванны с жидким металлом. В начальный период плавки
объем жидкой ванны изменяется от нуля до номинального объема,
поэтому введение легирующего компонента в слиток на начальной
стадии плавки приводит к резкому изменению химического состава
по длине слитка в его донной части.
Химическая неоднородность слитка первого переплава может
быть снижена путем соответствующей подготовки шихты к прессова-
нию электрода. Для этого следует использовать шихтовые материалы
одинакового фракционного состава. Перед прессованием необходимо
। тщательно перемешать шихту. Легирующие элементы, как уже
указывалось выше, вводят в шихту в виде лигатур, имеющих тем-
пературу плавления, близкую к температуре плавления ти-
тана.
Расчеты и практические данные показывают, что однородность
слитка по химическому составу после второго переплава зависит
также от соотношения массы одной порции шихты,^направляемой
на изготовление электрода, и массы ванны жидкого металла.
Работами В. И. Добаткина и Н. Ф. Аношкина установлено, что
слиток второго переплава будет однородным по химическому составу
в том случае, если соотношение между массой порции шихты, ис-
пользуемой для изготовления расходуемого электрода первого пере-
плава тп и массой ванны жидкого металла тв, будет составлять
0,5.
Масса ванны жидкого металла зависит от диаметра слитка:
тв = (этр/2) R2H, (66)
где р — плотность металла, кг/м3; R — радиус слитка, м; Н — глу-
бина ванны, м.
Тогда условие однородности по химическому составу слитка при
двойном переплаве может быть записано в виде:
та < 0,5тв < 0,25лр7?2Д. (67)
Первый переплав расходуемого электрода. Отпрессованный элек-
трод загружают в печь. После герметизации и откачивания воздуха
электрод приваривают к огарку. Проверяют величину натекания
и давления в печи и при соответстрии их норме начинают плавку,
400
Оптимальное соотношение между диаметром расходуемого элек-
трода £>р.э и внутренним диаметром изложницы £)изл следует под-
держивать в пределах £>р.а/£>изл = 0,84-4-0,86.
После зажигания дуги в течение 25—30 мин плавку ведут на
пониженной мощности во избежание прожога поддона. После по-
явления первых порций жидкого металла силу тока на дуге и напря-
жение увеличивают до номинальных значений: 35—37 кА и 46—
50 В; По окончании плавки слиток оставляют в печи для охлаждения
до 400—500 °C.
Второй переплав расходуемого электрода. После выгрузки сли-
ток готовят ко второму переплаву. Титановая губка содержит хло-
ристые соли, которые при плавке расплавляются и испаряются.
Они частично конденсируются на стенках изложницы и затем при-
вариваются к поверхности слитка. Поэтому горячие слитки напра-
вляют в моечную установку, где металлическими щетками в проточ-
ной воде с их поверхности удаляется слой хлоридов. Затем на
токарном станке обрезают короны слитков и обтачивают по образу-
ющей окисленные места слитка.
Второй переплав проводят, как уже указывалось выше, в основ-
ном, для устранения химической неоднородности слитка первого
переплава. В целом параметры и режим плавки аналогичны первому
переплаву, но в конце плавки величину тока и напряжение снижают
с целью предотвращения образования в слитке глубокой усадочной
раковины. При выплавке слитков второго переплава силу тока I А,
на дуге определяют по соотношению: I = (354-50) D, где D —
диаметр выплавляемого слитка, мм.
Плавку слитков второго переплава с целью выведения усадочной
раковины обычно заканчивают на пониженной мощности. Выведение
усадочной раковины выполняют в две стадии: подготовительной
и основной. За время подготовительной стадии в течение 10—15 мин
ток на дуге снижают до 10—12 кА, а напряжение —до 30 В. За
время основной стадии ток плавно снижают до 2,5—5,0 кА, а напря-
жение — до 22 В. Продолжительность этапа выведения растет с уве-
личением диаметра выплавляемого слитка. Так, при выплавке
слитка диаметром 850 мм режим выведения длится 2,5 ч, а ра-
бочий процесс плавки 4 ч. В настоящее время все большее рас-
пространение находит процесс плавки без выведения усадочной
раковины с целью повышения производительности и экономич-
ности.
При производстве крупных слитков (8—Юти более) используют
расходуемый электрод, составленный из двух слитков первого пере-
плава, которые сваривают по литниковым торцевым поверхностям
на специальной установке аргоно-дуговым методом. Так, чтобы
получить слиток диаметром 650—950 мм и длиной до 4000 мм рас-
ходуемый электрод для второго переплава сваривают из двух слитков
первого переплава диаметром 560—850 мм и длиной 2000—2600 мм,
каждый из которых в свою очередь был получен при первом пере-
плаве из прессованных расходуемых электродов длиной 4000—
5000 мм и диаметром 450—650 мм.
40(
После установки расходуемого электрода в печь, ее герметизации
и вакуумирования электрод приваривают через переходник' к элек-
трододержателю.
Полученный слиток после повторной переплавки обтачивают
на токарных слиткообдирочных и токарно-винторезных станках.
Поверхностные слои слитка имеют целый ряд дефектов (неслитины,
наплывы, раковины, окисленные поверхности и др.). Поэтому об-
дирку производят на глубину 5—20 мм. Масса слитка при этом
уменьшается на 7—12 %.
После механической обработки слитки направляют на контроль
качества, который включает определение химического состава сплава,
замер твердости на поверхности слитков, ультразвуковой контроль
с целью выявления внутренних дефектов и испытание образцов для
определения механических свойств.
§ 3. ПРОИЗВОДСТВО слитков С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГАРНИСАЖНОЙ ПЛАВКИ
Технологический процесс производства слитков при гарнисажной
плавке существенно отличается от вакуумно-электродугового. В гар-
нисажном тигле вначале наплавляют необходимое количество жид-
кого металла, а затем его сливают в изложницу. Наполнение необ-
ходимого количества жидкого металла в гарнисажном тигле осуще-
ствляется за счет расплавления расходуемого электрода электри-
ческой дугой постоянного тока. Расходуемый электрод, как и при
вакуумно-электродуговой плавке, изготавливают из кусковых ших-
товых материалов прессованием. После наплавления в гарнисажном
тигле необходимой массы жидкого металла его сливают для получе-
ния слитка в изложницу.
Весьма перспективным является способ гарнисажной плавки
по способу ГРЭ (гарнисаж — расходуемый электрод). При данном
способе плавки отпадает необходимость в прессовании расходуемого
электрода. В связи с этим эффективность данного процесса возра-
стает. Этот способ позволяет также вводить в плавку любую долю
оборотных отходов и этим резко сократить расход первичных метал-
лов при производстве слитков.
Производство слитков с использованием гарнисажной плавки
имеет ряд преимуществ по сравнению с их производством в кристал-
лизаторе вакуумных электродуговых печей. Основные из
них следующие:
1) однородность получаемых слитков по химическому составу
и отсутствие в них включений нерастворившихся частиц тугоплавких
элементов;
2) возможность вовлекать в плавку большое количество оборот-
ных отходов (способ ГРЭ);
3) высокая скорость охлаждения жидкого металла в изложнице,
что способствует формированию в слитке мелкокристаллической
структуры.
Однако технологическому процессу производства слитков с ис-
пользованием гарнисажной плавки присущи определеннее недо»
402
СТйтки, Основной недбсФйтбй сосТойТ fe Ф6М, 4td бей Масса найЛйблеЙ«
ного в гарнисажном тигле жидкого металла должна сливаться в из-
ложницу за относительно короткое время. В слитке образуются
различные дефекты (ликвация, усадочная пористость, крупная
усадочная раковина и т. д.), которые не позволяют использовать
полученный слиток непосредственно для обработки давлением.
Для устранения этих дефектов слиток необходимо вновь Перепла-
влять в вакуумных электродуговых установках. В связи с этим
гарнисажную плавку с расходуемым электродом в настоящее время
применяют в отдельных случаях для производства заготовок малого
диаметра или производства слитков, Применяемых в качестве рас-
ходуемых электродов для второго переплава на вакуумных электро-
дуговых печах.
Для плавки титана помимо электродуговых печей могут быть
использованы электронно-лучевые, электрошлаковые и плазменные
печи.
Литература: [16, 23, 32, 37, 40] (см. рекомендательный библио-
графический список).
Глава 19
ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
В ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК
ИЗСПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Задачи охраны труда состоят в сохранении здоровья трудящихся и предотвращении
экономического ущерба, причиняемого травматизмом и профессиональными заболе-
ваниями.
Охрана природы — государственная обязанность каждого гражданина СССР,
закрепленная в статье 18 Конституции СССР, которая предусматривает принятие
мер для сохранения в чистоте воздуха н воды, охраны, защиты и улучшения окружаю-
щей человека среды.
В июне 1980 г. Верховный Совет СССР принял закон «Об охране атмосферного
воздуха». Законом предусмотрено установление норм предельно допустимых выбро-
сов загрязняющих веществ в атмосферу, проведение профилактических мер по охране
атмосферного воздуха, учреждение общественно-государственной службы наблюде-
ния и контроля за уровнем загрязнения природной среды. В результате принятых
мер в последнее время стало меньше неочищенных сточных вод, уменьшаются за-
пыленность атмосферы и содержание в ней вредных веществ.
Положения_указаниого закона и требования к охране природы имеют прямое
отношение к литейному производству, так как оио является одним из заметных ис-
точников загрязнения воздушного бассейна и окружающей среды. Работа в литей-
ных цехах требует строгого соблюдения требований техники безопасности, так как
она связана с наличием опасных производственных факторов во всех производствен-
ных отделениях и на протяжении всего технологического цикла изготовления отли-
вок. Воздействие на работающего опасных производственных факторов — физиче-
ского (контакт с движущимися частями механизмов, электрическими токопрово-
дами, расплавленным металлом), химического (контакт с токсичными веществами)
и др. — может вызвать травмы, которые могут иметь летальный исход. Производ-
ственной травмой называется травма, полученная вследствие несоблюдения требова-
ний техники безопасности.
Охрана труда работающих производится иа предприятиях в двух основных на-
правлениях. Инженерная охрана труда обеспечивает контроль за рациональной
403
б^аййзаиней пройзйбдбШ й труДа; расположением оЙоруДовайий а цекак, удовЛё*
Творяющим строительным и санитарным нормам; за безопасностью технологического
процесса и действующего оборудования; за обеспечением работающих необходимыми
Ьредствами защиты. Кроме того, администрация ведет постоянный контроль за
Соблюдением работающими всех требований, содержащихся в инструкциях по ох*
ране труДа. Инструкции по технике безопасности составляются Для каждого вида
работк в литейном цехе, выдаются рабочему и вывешиваются на видном месте.
§ 1. ЙГ'АЬЙЛА безопасной работы при плавке сплавов
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Наиболее Часто встречающимися видами травм в плавильном отделении являются
ожоги, поражение электрическим током и ушибы. Поэтому основные мероприятия
по охране труда в плавильных отделениях направлены иа их предупреждение. В
большинстве случаев причиной ожогов является выброс расплавленного металла при
загрузке шихты в жидкую ванну в процессе плавки и разливки металла из печи
в ковш, при заливке металла в формы; ожоги могут также возникать и при контакте
с горячими отливками во время их выбивки из форм. Выбросы жидкого металла воз-
никают в основном в результате контакта расплава с влагой. Наиболее частой причи-
ной выбросов металла является загрузка влажной металлической шихты в .процессе
плавки, когда завалку шихты производят в несколько приемов, в частности, в жид-
кую ванну. Особенно опасна загрузка влажного лома с закрытыми полостями, где
скапливается влага. Такая шихта погружается в расплав и быстро нагревается,
влага испаряется, образовавшиеся пары воды, нагреваясь до температуры жидкого
металла, многократно увеличиваются в объеме. Давление пара в закрытой полости
резко возрастает, что влечет за собой разрушение полости со взрывным эффектом.
Выбросы бывают настолько сильными, что могут разрушаться плавильные печи.
Причинами выбросов металла могут являться также выход из строя систем водяного
охлаждения плавильных печей, заливка металла в непросушениые и иеподогретые
металлические формы, интенсивное выделение пара при загрузке в жидкий металл
легирующего элемента с низкой температурой кипения (цинк, кадмий, магний, фос-
фор и др.), применение влажных солей для рафинирования и модифицирования рас-
плавов, уход жидкого металла из плавильных печей при самопроизвольном наклоне
(повороте) их и в результате разрушения тиглей или футеровки.
При плавке титана и других тугоплавких металлов в дуговых печах имеется
опасность выбросов металла при прогорании стенок водоохлаждаемых тиглей. Эта
опасность еще более возрастает из-за образования водородно-кислородной смеси при
нарушении герметичности плавильных печей. Поэтому правилами техники безо-
пасности предусмотрены для наклоняющихся печей с приводом ограничители на-
клона, самотормозящие устройства и блокировка для автоматического выключения
механизма поворота. Пульты управления наклоном печей'устанавливают в таких
местах, чтобы плавильщик мог видеть струю металла, идущую из печи, и кранов-
щика, участвующего в разливке. Щиты и пульты управления снабжают световыми
и звуковыми сигнализирующими устройствами.
Печи с системами водяного охлаждения снабжают блокировочными устройства-
ми, отключающими электропитание при падении давления воды или прекращении
ее подачи в любом из узлов системы во время плавки. Воронки для слива охлажда-
ющей воды располагают в таких местах, чтобы струи воды были видны с рабочего
места плавильщика.
Во избежание ожогов и травм при аварийных ситуациях во время плавки туго-
плавких металлов дуговые печи помещают в железобетонные или стальные бронека-
меры. Для предотвращения прогара футеровки и ухода металла современные пла-
вильные агрегаты снабжают специальными сигнализирующими системами, устанав-
ливаемыми в подовой части печи, реагирующими иа утечку расплава через футеровку.
Правилами техники безопасности предусматриваются сушка и подогрев шихты
перед завалкой в печь. Обязательной технологической операцией при лнтье в металли-
ческие формы является предварительный подогрев форм (особенно после покраски
рабочих полостей огнеупорными красками).
В целях предотвращения выбросов металла ввод элементов с низкой температу-
рой кипения осуществляют лигатурами. При этом предусматривается их предвари-
404
Тельный подогрев, йри работе с Магнием необходимо п^иййМаТь Специальные меры
противовзрывной и противопожарной защиты.
Магниевые сплавы в зависимости от состава загораются на воздухе при 400—
500 °C. Сухая пыль магния и его сплавов воспламеняется со взрывом при 400*—480 °C,
а влажная — при 360—380 °C. Для предотвращения самовозгорания стружку и опил-
ки хранят Небольшими порциями в специальных закрытых контейнерах. Мелкую
пыль необходимо Систематически уничтожать, сжиГая ее В специально отведенных
Местах.
Г1ри плавке Способность магниевых сплавов к возгоранию возрастает, что обус-
ловливает необходимость защиты их флюсами, которые не должны содержать влаги.
Недопустимо тушение очагов загорания Водой.
Для плавки сплавов цветных металлов Широко применяют электрические пла-
вильные печи. Их Обслуживание сопряжено С опасностью поражения электрическим
током в результате Непосредственного соприкосновения с токоведущими частями.
Вероятность смертельного исхода при поражении электрическим током больше,
Чем при воздействий других производственных вредностей. Современные печи снаб-
жены целой системой блокировок, который автоматически отключают напряжение
в случае нарушения правил эксплуатапии. Так, операция выпуска металла из печи
(наклон печи) сопровождается автоматическим отключением тока. Печи снабжают
сигнализацией, информирующей обслуживающий персонал о подаче напряжения
на нагревательные элементы или об нх отключении. Включение и выключение печн
должно производиться только с помощью устройств, выведенных на лицевую сторону
щита или пульта управления печи. Обслуживание электрических частей печей
производят только специалисты-электрики. Правилами техники безопасности преду-
сматривается ряд обязательных профилактических мер по проверке и осмотру пла-
вильного оборудования перед плавкой металла (осмотр футеровки, состояния индук-
торов, изоляции, проверка исправности поворотных устройств, вентиляции, работо-
способности пусковых механизмов, заземлений, ограждений, наличие защитных
средств — резиновых ковриков и т. п.). При плавке в электрических печах все опе-
рации, связанные с прикосновением к тиглю или жидкому металлу, осуществляют
только при снятом напряжении с нагревателей. Особой предосторожности требует
обслуживание электроплавильных установок высокого напряжения (электронно-
лучевые установки, установки бестигельной зонной плавки и др.). Поражение элек-
трическим током часто происходит в результате случайного замыкания на корпус
печи. Прикосновение к корпусу печи в этом случае опасно для жизни, особенно, если
отсутствует заземление.
Электромагнитные поля, возникающие при работе высокочастотных генераторов,
также представляют определенную профессиональную вредность, так как вызывают
нарушение нормальной работы нервной и сердечно-сосудистой систем и других ор-
ганов человека. Санитарными нормами предусмотрено ограничение интенсивности
электромагнитных полей в диапазоне частот 0,1—30 МГц. Для соблюдения этих
норма установки мощностью до 30 кВт размещают в специальных помещениях
предусматривают защитные ограждения индукторов.
§ 2. ЗАЩИТА ОТ ВРЕДНЫХ (ТОКСИЧНЫХ) ВЕЩЕСТВ
При производстве отливок из сплавов цветных металлов используют вещества и реа-
генты, которые в исходном состоянии обладают токсичными свойствами по отноше-
нию к человеку и окружающей среде. Токсичными называются вещества, обладаю-
щие способностью в относительно малых количествах нарушать нормальную жизне-
деятельность организма человека и отрицательно влиять на окружающую природу.
Такие вещества могут образоваться и при взаимодействии различных материалов
с жидкими металлами, деструкции связующих, испарении компонентов сплавов.
Органами здавоохранения СССР установлены предельно допустимые концентра-
ции токсичных веществ в воздухе рабочей зоны и в воде водоемов санитарно-бытового
водоиспользования, а также строгие санитарно-гигиенические правила работы с эти-
ми веществами, включающие правила приобретения и хранения этих веществ, устрой-
ство надлежащей вентиляции и безопасного захоронения остатков и отходов этих
веществ. Наиболее часто встречающимися токсичными вредностями в литейном про-
изводстве являются пары металлов, газы и мелкодисперсная пыль. Особенно токсич-
405
ЙЫ ПЙ|)Ы frtytii, <!ЬййЦа, бериллий й йк Соедийёйий. &ти вЙДе^тйй йыШвают Заболева*
иия дыхательных органов, кожи и кроветворных систем (Приложения I, II).
Ниже приведены предельно допустимые концентрации (ПДК) некоторых вред-
ных веществ в атмосферном воздухе, мг/м8:
МйксимаЛь- Среднесуточ-
ная раао- ная ПДК
вая ПДК
Оксид азота NO20,086 0,085
Аммиак..................................... 0,2 0,2
Ацетон...................................... 0,35 0,35
Оксид Ванадия V2Oe........................... — 0,002
Марганец и его соединения (в пересчете на МпО2)... — 0,01
Мышьяк (неорганические соединения в пересчете на As) — 0,003
Нетоксичная пыль............».... . 0,5 0,15
Металлическая ртуть ................’.... — - 0,0003
Сажа (копоть)....................... ,. 0,15 0,05
Оксид углерода СО.......................... 3,0 1,0
Фенол ..................................... 0,01 0,01
Формальдегид............................... 0,035 0,012
Фосфорный ангидрид ........................ 0,15 0,05
Фтористые соединения:
газообразные HF, SiF4 ................... 0,02 0,005
растворимые NaF, Na2SiFe................. 0,03 0,01
плохо растворимые A1F3; NasAlFe; CaF2 ... 0,2 0,03
Хлор....................................... 0,1 0,03
Шестивалентный хром (в пересчете на СгО3) . 0,0015 0,0015
При плавке многих сплавов цветных металлов применяют хлорсодержащие~ве-
щества. Хлор является токсичным газом и его содержание в атмосфере цеха ограни-
чивают 0,1 мг/м3. Образующийся при рафинировании алюминиевых сплавов хлорид
алюминия оказывает раздражающее действие на кожу, глаза, дыхательные пути че-
ловека. При реакции хлорида с влагой образуются капельки соляной кислоты, вред-
но действующие иа зеленые насаждения и даже на стальиые коиструкции. Предельно
допустимая концентрация хлористого алюминия' в воздухе рабочей зоны не должна
превышать 30 мг/м3. Не менее вредны фториды, их ПДК должна быть не более 20 мг/м3,
а соединений газообразного фтора — не более 5 мг/м3. Наиболее опасными счита-
ются кислые фториды, так как они разлагаются при низкой температуре с выделе-
нием HF. При плавке тяжелых цветных металлов применяют покровы из углерод-
содержащих веществ (древесный уголь, графит и др.), которые при сгорании выделя-
ют СО. Предельно допустимая концентрация СО в воздухе рабочей зоны должна быть
не более 3 мг/м3. Особую вредность представляет фосген, образующийся при смеше-
нии хлора и СО. Применение таких смесей газов возможно только при обеспечении
надлежащих мер безопасности (вентиляция, улавливание и др.). При обработке
расплавов солями, содержащими нитраты, может образоваться NO, ПДК которой
должна быть не более 0,1 мг/м3. К вредным относится фторид бария, который входит
в состав флюсов для магниевых сплавов; более безопасен борид кальция. Вреден
также NaF. Средства рафинирования, включающие нитраты и сульфаты, не должны
одновременно содержать сильно восстановительные составляющие, например дре-
весный уголь, в противном случае образуются газообразные оксиды азота и серы,
реагирующие с Н2О с образованием азотной и серной кислот.
Средства для обработки медных сплавов не должны содержать одновременно
хлориды и сильно окисляющие добавки, так как это может приводить при высоких
температурах (1100—1200 °C) к образованию свободного хлора.
При плавке и разливке урана, тория и магниевых сплавов, содержащих торий,
наряду с общими правилами безопасных работ предусматриваются строгие и гаран-
тированные меры по защите работающих от радиоактивного излучения, предусмо-
тренные правилами работы с радиоактивными материалами.
406
§ 3. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ,
ФОРМОВОЧНЫХ, СТЕРЖНЕВЫХ И ВЫБИВНЫХ
ОТДЕЛЕНИЯХ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ
Для приготовления разовых форм и стержней применяют смеси, содержащие токсич*
ные вещества. Работа с такими смесями регламентируется инструкциями по.техиике
безопасности. Так, при работе со смесями, содержащими жидкое стекло, предусмо-
трены меры, исключающие контакт обслуживающего персонала с NaOH. Едкий натр
следует вводить в стержневую смесь без разбрызгивания, а его водный раствор го-
товить в резиновых перчатках, сапогах, фартуке и в очках. Для предупреждения
кожиых заболеваний при работе со стержневыми смесями, содержащими синтетиче-
ские фенолформальдегидные и фурдровые смолы, запрещается работа без резиновых
перчаток. Установлено, что действие синтетических смол на кожу зависит от содер-
жания в них свободного формальдегида. Обычно его содержание не должно пре-
вышать 2,5 %. Поэтому каждую партию крепителей, например крепителя М, про-
веряют на содержание в нем свободного формальдегида. Если это содержание больше
допустимого, то для нейтрализации свободного формальдегида в смесь при ее при-
готовлении дополнительно вводят аммиачную воду (1—3 % от массы крепителя).
Места заливки форм со стержнями с фенолформальдегидными смолами должны
быть снабжены надежной вытяжной вентиляцией, так как при нагревании смолы
выделяют токсичные для человека продукты. По этой же причине необходимо венти-
лировать места сушки стержней.
В цехах, производящих отливки из магниевых и алюминиевомагниевых сплавов,
применяют смеси, содержащие органические присадки. Правилами предусмотрены
специальные меры безопасной работы с этими присадками, обеспечивается надежная
приточио-вытяжная вентиляция от очагов выделения продуктов сгорания и де-
струкции присадок при контакте с расплавом. Особые правила существуют также
при переработке этих смесей в выбивных и смесеприготовительных отделениях.
Выбивка, просеивание и транспортировка песчаных смесей связаны с повышен-
ным выделением пыли, поэтому такие места оборудованы защитными кожухами и
вытяжной вентиляцией. Правила охраны труда при производстве формовочных и
стержневых работ, связанных с эксплуатацией формовочных, стержневых машин,
транспортных средств в цехах цветного литья, предусматривают обязательные меры,
которые во многом едины для всего литейного производства.
В цехах, производящих отливки в металлические формы (кокили) особое внима-
ние уделяется рациональному, безопасному для обслуживающего персонала, раз-
мещению оборудования, надежному креплению кокилей на станках. Все металли-
ческие формы и стержни перед заливкой требуется обязательно нагревать для уда-
ления адсорбированной влаги. Заливочный инструмент хранят в сухих местах, а
перед работой подогревают. Установки центробежного литья снабжаются защит-
ными ограждениями, а машины литья под давлением — блокировками, исключаю-
щими возможность создания давления до закрытия пресс-форм. Между машинами
устанавливают защитные металлические щиты, предохраняющие от возможного ава-
рийного выплеска расплава из разъема форм.
Современные литейные цехи имеют надежную вентиляцию, обеспечивающую
многократный обмен воздуха в цехе, систему местной вентиляции, предотвращающую
выброс вредных выделений в атмосферу цеха, устройство воздушных душей или теп-
ловых завес иа рабочих местах и особенно там, где имеются источники теплоизлу-
чений. Широко используются изоляционные устройства на шумопроизводящем обо-
рудовании, размещение его в специальных, изолированных от основной массы рабо-
чих, помещениях; эффективная очистка выбросов, загрязняющих воздушный бас-
сейн, примыкающий к территории литейных цехов. В хорошо спроектированных
цехах рабочие места с обильным газо- и пылевыделением располагают в одном месте,
что обеспечивает возможность устройств с более мощными отсасывающими систе-
мами (Приложения III, IV).
Охрана воздушного бассейна предусматривает пыле- и газоулавливание выде-
лений, возникающих в процессе плавки и литья цветных металлов. Охрану водных
бассейнов осуществляют путем создания эффективных способов очистки загрязнен-
ных производственных стоков и создания оборотного водоснабжения.
407
Для улавливания пыли применяют различные пылеулавливающие устройства:
единичные и групповые циклоны, мокрые пылеулавливатели (скрубберы). Скруб-
беры выполняют две функции: охлаждают газы и укрупняют мельчайшие частицы пы-
ли за счет их смачивания и слипания. Кроме того, применяют электрофильтры, от-
деление пыли в которых основано на принципе зарядки частиц пыли в электрическом
поле и их притяжении на осадительном электроде, имеющем противоположный
знак заряда. Электрофильтры особенно эффективны для очистки газов от тонкой пы-
ли; к. п. д. электрофильтров превышает 95 %. Для улавливания возгонов при плавке
цветных металлов и сплавов применяют рукавные (тканевые) фильтры. Принцип
их действия заключается в фильтрации запыленного газового потока через хлопчато-
бумажную, синтетическую или шерстяную, ткань. Однако, не менее важным меро-
приятием по охране окружающей среды является создание технологии и оборудова-
ния, исключающих интенсивное газо- и пылеобразование: окускование мелких
фракций при подготовке шихты, брикетирование стружки и др.
Для улучшения условий труда и уменьшения вредности от пыли в цехах не
реже двух раз в год предусматривается уборка пыли с металлоконструкций и из
воздуховодов вентиляционных систем, осуществляется побелка стен. Рабочие места
после каждой смены убирают беспыльным способом; на рабочих местах с обильным
газовыделеиием предусматривают установку местной вытяжной вентиляции.
Важной задачей охраны окружающей среды является также очистка и охлажде-
ние сточных промышленных вод, образующихся в литейных цехах. Горячая и
теплая вода, образующаяся в результате охлаждения кокилей, кристаллизаторов,
водоохлаждаемых изложниц и других агрегатов, вредна природе. Попадание теплой
воды в естественные водоемы вызывает снижение уровня кислорода в воде (поэтому
сброс очищенной воды должен быть при ее температуре не более 20 °C). Основными
показателями, определяющими качество воды, являются жесткость, общее солесо-
держание, прозрачность, окисляемость и реакция воды. Сброс сточных вод в водоемы
производят только в тех случаях, когда концентрация вредных веществ в них ниже
ПДК- Если концентрация в воде вредных примесей, в том числе ионов цветных
металлов (свинца, меди, висмута и др.) превышает ПДК, то воду подвергают специаль-
ной. очистке. Для удаления грубодисперсных примесей применяют отстаивание,
фильтрацию. Одиако даже глубокая оч истца сточных вод не гарантирует сохранение
качества естественных водоемов, поэтому предприятиям, в составе которых функ-
ционируют литейные цехи, в настоящее время предписывается организация замкну-
тых циклов водоснабжения.
Все рабочие должны иметь соответствующую спецодежду, защищающую от
ожогов, ушибов, световых ударов, шума и вибрации. Ношение спецодежды должно
осуществляться строго по инструкции.
Следует иметь в виду, что самые совершенные защитные устройства, новейшие
технические мероприятия и спецодежда ие могут обеспечить безопасной эксплуата-
ции оборудования, если рабочие не знают правил техники безопасности и не умеют
правильно эксплуатировать это оборудование. Поэтому всех рабочих необходимо
систематически обучать правилам техники безопасности, повышать их производ-
ственную квалификацию и обеспечивать инструкциями и наглядным материалом
по безопасным методам труда.
Все вновь поступающие рабочие проходят инструктаж в заводском отделе по
технике безопасности и получают подробный инструктаж на рабочем месте. Еже-
квартально инструктаж мастера на рабочем месте повторяется. Рабочий допускается
к работе только после ознакомления с инструкцией по эксплуатации оборудования
и прохождения всех форм инструктажа по технике безопасности.
Безусловное выполнение правил техники безопасности, постоянное обучение
рабочего персонала безопасным методам работы и систематическая проверка выпол-
нения их каждым работающим, соблюдение трудовой дисциплины, хорошая органи-
зация рабочего места, наряду со своевременным обеспечением исправной спец-
одеждой — основные условия снижения травматизма в литейных цехах.
Решающее влияние на уровень травматизма оказывают условия труда. Созда-
ние благоприятных (комфортных) условий труда в литейном цехе предполагают
поддержание на всех участках оптимальной температуры, необходимой влажности
воздуха, низкой концентрации пылн и вредных выделений, низкого уровня шума
и вибраций, надлежащей освещенности помещений и рабочих мест. Поддержание та-
ких условий требует отвода избытка тепла или подогрева помещений, очистки воз-
408
Духа от пылй й Вредных выделении, глушейИй шума й Вибраций, поддержания додж--
ной чистоты и гигиены. С этой целью при проектировании литейных цехов преду-
сматривается устройство вентиляционных систем, обеспечивающих необходимую
кратность обмена воздуха в цехе, устройство эффективной местной вентиляции,
предотвращающей выброс вредных выделений в атмосферу цеха, устройство воздуш-
ных душей или тепловых завес на рабочих местах и особенно там, где имеется боль-
шое теплоизлучение, предусматривается вентиляция кабин мостовых кранов, широ-
кое использование естественной аэрации, изоляция шумопроизводящего оборудова-
ния звукоизоляционными материалами и размещение его в специальных изолирован-
ных помещениях, эффективная очистка загрязненного воздуха.
Вредное влияние на окружающую среду могут оказывать тепловое излучение,
шум, вибрация, электромагнитные поля (Приложения V—VII).
За последние годы в литейном производстве осуществлено много мероприятий,
позволивших улучшить санитарно-гигиенические условия труда и оздоровить окру-
жающую среду. Разработаны эффективные системы очистки ваграночных газов,
внедрены установки для очистки дымовых газов от паров хлоридов, разработаны
и внедрены новые нетоксичные связующие, широкое применение получили металли-
ческие формы.
Генеральным направлением в развитии литейного производства, обеспечиваю-
щим выполнение требований законов Об охране и защите окружающей среды, яв-
ляется создание и внедрение безотходных или малоотходных прогрессивных техно-
логических процессов с утилизацией всех выделений в атмосферу. К числу перво-
очередных задач следует отнести необходимость быстрейшей повсеместной оценки
литейных процессов, материалов и оборудования, применяемых для их осуществле-
ния с точки зрения соответствия их санитарно-гигиеническим и экологическим тре-
бованиям и замены тех из них, которые ие удовлетворяют этим требованиям, новы-
ми, исключающими загрязнение окружающей природной среды. В частности, это ка-
сается вопросов регенерации формовочных и стержневых смесей с органическими
смолами. Необходимо расширение исследований по изысканию нетоксичных мате-
риалов для защиты расплавов от взаимодействия с газами, модификаторов и приса-
док для внепечиой обработки расплавов.
При проектировании новых и реконструкции действующих литейных цехов
В проекты должны закладываться процессы и оборудование, позволяющие исклю-
чить или максимально снижать выделение пыли и газов и осуществить эффективную
очистку и обезвреживание выбросов.
ПРИЛОЖЕНИЯ
1. Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в рабочей зоне
Вещество Предельно допустимая концентра- ция, мг/м3 Класс опасно- сти Агрегатное состояние 1
Азота оксид 5 2 П
Аммиак 20 4 п
Ацетон ... 200 '4 п
Бериллий и его соединения (в пересчете на
бериллий) 0,001 1 а
Ванадия оксид (V2OB) 0,1 1 а
Германий и оксид германия 2,0 3 а
Кадмия оксид 0,1 1 а
Кобальт и оксид кобальта 0,5 2 а
Марганец 0,3 2 а
Мышьяковый ангидрид 0,3 2 а
1 п — пары и газы, а — аэрозоль.
409
Никеля соли (в пересчете на никель) . .
Ртуть металлическая ....................
Сулема (ртуть двухлористая).............
Свинец и его неорганические соединения
Сурьма металлическая (пыль) ............
Теллур .................................
Торий ..................................
Углерода оксид .........................
Феиол ...............................’ .
Фосфор желтый ................
Хлор....................................
Хромовый ангидрид (в пересчете на CrOs)
ft podoxilciHlit
б,005 1 а
0,01 1 п
0,1 1 а
0,01 1 а
0,5 2 а
0,1 1 а
0,05 1 а
20 4 п
5 3 п
0,03 1 п
0,1 1 п
0,01 1 а
II. Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в воде водоемов санитарно-бытового использования
Вещество Предельно допустимая концентра- ция, мг/л Вещество Предельно допустимая концентра- ция, мг/л
Бензол 0,5 Теллур 0,01
Бериллий (Ве2+) .... 0,0002 Фуран 0,2
Ванадий (Vv) ..... 0,1 Кадмий (Cd2*) .... 0,01
Вольфрам (WVI) ... 0,1 Медь (Сц2+) 0,1
ДДТ 0,1 Никель (Ni2+) 0,1
Молибден (MoVI) . . 0,5 Стирол 0,1
Мышьяк (Ass+) . . 0,05 Фенол (карболовая кис-
Ртуть (Hg2+) 0,005 лота) 0,001
Свинец (РЬ2+) ... 0,1 Фурфурол 1,0
Селен (Se6+) 0,001 Хлорофос 0,05
Сурьма (Sb8+) .... 0,05 Хром (Сг®+) 0,1
111. Предельно допустимые концентрации пылей
в воздухе рабочей зоны
Вещество
Предельно
допустимая
концентрация,
мг/м8
Доломит ......................................................... 6
Известняк ....................................................... 6
Кремнеземсодержащие пыли:
а) при содержании в пыли более 70 % кристаллического диок-
сида кремния .................................................. 1
б) при содержании в пыли более 70 % аморфного диоксида
кремния ....................................................... 1
в) при содержании в пыли от 10 до 70 % кристаллического
диоксида кремния .............................................. 2
г) при содержании в пыли от 2 до 10 % кристаллического
диоксида кремния .............................................. 4
Карбид кремния (карборунд)....................................... 6
Силикаты:
асбест .......................................................... 2
тальк.......................................................... 4
цемент ....................................................... 6
Углерод пыли:
кокс электродный, пековый ....................................... 6
каменный уголь с содержанием менее 2 % диоксида кремния 10
Электрокорунд в смеси с легированными сталями.................... 6
410
IV. Средняя запыленность воздуха на рабочих местах
при отсутствии защитных устройств
Наименование операций
Ручная формовка..................‘..............
Ручная очистка отливок................., . . . .
Очистка отливок на шлифовальных станках ........
Очистка отливок в барабанах.....................
Очистка отливок пневматическим инструментом ....
Пескоструйная очистка отливок (в камерах) ......
Выбивка отливок из форм.........................
Приготовление формовочных смесей вручную........
Открытая пескоструйная очистка отливок .........
V. Предельно допустимая напряженность
электромагнитного поля радиочастот на рабочих местах
Среднее содержание
пыли в воздухе, мг/м®
10
20
’ 40
50
70
80
85
100
3000
Составляющие поля, по которым
оценивается его воздействие
и диапазоны частот. МГц
Предельно допустимая напря-
женность в течение рабочего
Дня
Электрическая сосоставляющая:
0,06—3 .................................
з—зо-.................................
30—50 ................................
50—300................................
Магнитная составляющая:
0,06—1,5................................
30—50 ................................
50
20
10
5
В/м
В/м
В/м
В/м
5 А/м
0,3 А/м
VI. Гигиенические нормы воздействия на человека
электрического поля токов промышленной (50 Гц) частоты
Напряженность электрического
поля, кВ/м
Допустимое время пребывания
человека в электрическом поле
в течение суток, мни, не более
До 5...................
От 5 до 10.............
> 10 » 15 ............
» 15 » 20 .... '.......
> 20 » 25 ............
Без ограничения
180
90
10
5
VII. Допустимые значения параметров вибрации
Среднегеометрические и гра- ничные (даны в скобках) частоты октавных полос, Гц Амплитуда (пиковые значе- ния) перемещения прн гар- монических колебаниях, мм Среднеквадратичное значение колебатель- ной скорости *, мм/с
2 1,28 11,2'(107)
(1,4—2,8) 4 (3,11—0,61) 0,28 5 (100)
(2,8—5,6) 8 (0,61—0,13) 0,056 2 (92)
(5,6—11,2) 16 (0,13-0,041) 0,028 2 (92)
(11,2—22,4) 31,5 (0,041—0,02) 0,014 2 (92)
(22,4—45) 63 (0,02—0,102) 0,007 2(92)
(45—90) (0,0102—0,005)
1 В скобках приведены значения а децибелах относительно 8-10-* мм/с.
411
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Алюминиевые сплавы Справочник. Плавка и литье алюминиевых сплавов/Под
ред. В. И. Добаткина. М. Металлургия. 1983. 351 с.
2. Производство фасонных отливок из титановых сплавов/Бибиков Е. Л., Глазу-
нов С. Г., Неуструев А. А. и др. М.: Металлургия, 1983. 296 с.
3. Бондарев Б. И. Плавка и литье деформируемых магниевых сплавов. М.: Метал-
лургия, 1973. 288 с., ил.
4. Анисович Г. А. Затвердевание отливок. Минск: Наука и техника. 1979. 228 с.,
ил.
5. Воздвиженский В. М., Грачев В. А., Спасский В. В. Литейные сплавы и техно-
логия их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение. 1984.
6. Волкогон Г. М., Брезгунов М. М. Производство слитков меди и медных сплавов.
М.: Металлургия, 1980. 100 с., ил.
7. Волкогон Г. М. Производство слитков никеля и никелевых сплавов. М.: Метал-
лургия, 1976. 96 с., ил.
8. Вольский А. Н:, Сергиевская Е. М. Теория металлургических процессов. М.:
Металлургия, 1968. 344 с., ил.
9. Газы и окислы в деформируемых алюминиевых сплавах/Добаткин В. И., Га-
бидуллин Р. М., Калачев Б. А. и др. М.: Металлургия, 1976. 264 с., нл.
-10. Газы в цветных сплавах/Чернега Д. Ф., Бялик О. М., Иванчук Д. Ф. и dp. М.:
Металлургия, 1982. 176 с., ил.
11. Галдин Н. М. Литниковые системы для отливок из легких сплавов. М.: Ма-
шиностроение, 1978. 198 с., ил.
12. Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов/ Шатагин О. А.,
Сладкоштеев В. Т., Вартазаров М. А. й др. М.: Металлургия, 1974. 176 с., ил.
13. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Д. Теоретические основы элек-
тросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1979. 256 с., ил.
14. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение, 1976. 216 с.,
ил.
15. Гуляев Б. Б., Магницкий О. Н., Демидова А. А. Литье из тугоплавких металлов.
М.—Л.: Машиностроение, 1964. 292 с., ил.
16. Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. М.: Металлургия,
1980. 256 с., ил. *
17. Кац А. М., Шадек Е. Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков
цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983. 208 с., ил.
18. Китаев Е. М. Затвердевание стальных слитков. М.: Металлургия, 1982. 168 с.,,
ил.
19. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая
обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981. 416 с., ил.
20. Краткий справочик физико-химических величин/Барон Н.М., Пономаре-
ва А. М., Ривдель А. А. и др. Л.: Химия, 1983. 232 с., ил.
21. Куликов И. С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. 504 с.
22. Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов. М.: Машиностроение,
1976. 216 с., ил.
23. Курдюмов 4. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М. Литейное производство цветных
и редких металлов. М.: Металлургия, 1982. 351 с., нл.
24. Лебедев В. М., Мельников А. В., Николаенко В. В. Отливки из алюминиевых
сплавов. М.: Машиностроение, 1970. 216 с., ил.
25. Левинский Ю. В. Диаграммы состояния металлов с газами. М.: Металлургия,
1975. 296 с., ил.
26. Ливанов В. А., Габидуллин Р. М., Шипилов В. С. Непрерывное литье алюминие-
вых сплавов. М.: Металлургия, 1977. 168 с., ил.
27. Магниевые сплавы: Справочник. Ч; 1. Металловедение магния и его сплавов.
Области применения/Под ред. М. Б. Альтмана, М. Е. Дрица, М. А. Тимоновой,
М. В. Чухрова. М.: Металлургия, 1978. 232 с., ил.
28. Магниевые сплавы: справочник. Ч. II. Технология производства и свойства от-
ливок и деформированных полуЛабрикатов/Под ред. И. И. Гурьева, М. В. Чух-
рова. М.: Металлургия, 1978. 296 с., ил.
29. Макаров Г. С. Рафинирование алюминиевых сплавов газами. М.: ..Металлургия,
1983. 120 с., ил.
412
30. Вакуумная металлургия тугоплавких металлов и твердых сплавов/Мсльцев М. В.,
Клячко Л. И., Доронькин Е. Д., Абалихин А. В. М.: Металлургия, 1981. 272 с.,
ил.
31. Непрерывное литье в электромагнитный кристал л изатор/Гецелее 3. И., Бала-
хонцев Г. А., Квасов Ф. И. и др. М.: Металлургия, 1983. 152 с., ил.
32. Неуструев А. А., Ходоровский Г. Л. Вакуумные гарнисажиые печи. М.: Метал-
лургия, 1967. 272 с., ил.
33. Ниженко В. И., Флока Л. И. Поверхностное натяжение жидких металлов и спла-
вов: Справочник. М: Металлургия, 1981. 208 с., ил.
34. Никулин Л. В., Липчин Т. Н., Заславский М. Л. Литье под давлением магние-
вых сплавов. М.: Машиностроение, 1978. 181 с., ил.
35. Орлов Н. Д., Чурсин В. М. Фасонное литье из сплавов тяжелых цветных метал-
лов: Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1971. 256 с., ил.
36. Пику нов М. В., Десипри А. И. Металловедение. М.: Металлургия, 1980. 256 с.,
ил.
37. Плавка и литье титановых сплавов/Андреев А. Л., Аношкин Н. Ф., Борзецов-
ская К. М. и др. М.: Металлургия, 1978. 383 с., ил.
38. Постников Н. С., Мельников А. В. Производство литых алюминиевых деталей.
М.: Металлургия, 1979. 136 с., ил. ,
39. Ригель А. Р., Глазов В. М. Физические свойства электронных расплавов. М.:-
Наука, 1980. 296 с., ил.
40. Слитки титановых сплавов/Добаткин В. И., Аношкин Н. Ф., Андреев А. Л.
и др. М.: Металлургия, 1966. 286 с., ил.
41. Смитлз К. Дж. Металлы: Пер. с англ. М.: Металлургия, 1980. 447 с., ил.
42. Теоретические основы литейной технологии: Пер. с чешек. Киев: Вища школа,
1980. 320 с., ил.
43. Филин Ю. А., Исаев А. С. Литейное производство новых судостроительных
сплавов. Л.: Судостроение, 1971, 216 с., ил.
44. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов/Кг/р5юлов А. В.,
Инкин С. В., Чулков В. С., Графас Н. И. М.: Металлургия, 1980. 196 с., ил.
45. Фромм Е., Гебхардт Е. Газы и углерод в металлах: Пер. с нем. М.: Металлургия,
1980. 712 с., ил.
46. Черняк С. Н., Коваленко П. А., Симонов В. Н. Бесслитковая прокатка ленты.
М.: Металлургия, 1976. 134 с,, ил.
47. Чурсин В. М. Плавка медных сплавов. М.: Металлургия, 1982. 152 с., ил.
48. Электротермическое оборудование: Справочник/Под общ. ред. А. П. Альтгау-
зена. М.: Энергия, 1980. 416 с., ил.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоклав 143
Аддитивности правило 19
Адгезия 65
Адгезии работа 65
Адсорбция 33
Активность 25
Активности коэффициент 25
«Acurad-процесс» 155
Вакуумирование 66
Вентиляция форм 148
Возвраты 55
Вредные вещества 406
Вторичные металлы 15
Вымораживание 66
Гарнисаж 277
Гексахлорэтан 124
Герметичность 158, 239
Гранулы 125
Дегазация 66
Динас 46
Допуск 92, 93
Дуплекс-процесс 171
Закон Дарси 65
— Сивертса 34
— Рауля 25
Камера прессования 153
Карналлит 123
Кластеры 30
Коагулянт нефелиновый 184
Кокиль 123
Коруид 46
Краевой угол смачивания 22
Красноломкость 384
Кристаллизатор 343
— валковый 361
— ленточный 361
— роторный 360
— скольжения (КС) 343
— электромагнитный (ЭМК) 359
Кристаллизация под давлением 143
Лигатура 54
Литниковая система 141, 148
Литье с направленным затвердеванием 143
--- противодавлением 152
Луика 347, 349
Магнезит 46
Мельхиор 232
Модификаторы 135, 177, 178
Мочевина техническая 184
Наплывы ликвациоиные -854
Настыль 48
Нейзильбер 232
414
Отходы 55
Пресс-остаток 153
Пресс-форма 153, 245 '
Питатель 142
Плены оксидные 117
Поверхностно-активные добавки 20
Пористость 118
Прибыль 142, 241
Припуск на обработку 93
Раскисление-67, 253
Сварка аргоно-дуговая 159
Связующие материалы 139
Сиботаксические группы 31
Силумин 103, 106
Скорость впуска 155
— прессования 155
Смачивание 21
Смеси стержневые 139, 140
— формовочные 139, 184, 257, 281
Стержни 139
Технологическая проба 117
Технологические свойства сплавов 109, 165
Тигли для плавки металлов 73, 78, 80, 83, 171, 271
Травматизм 403, 405, 407
Угар 219
Удельное давление прессования 153
Фильтры сетчатые 127, 128
— зернистые 128, 131
Флюсы 126, 170
Фреон 124
Футеровка 46, 79, 80, 85
Футеровки металлизация 47
Хемосорбция 33
Холодильник 143
Хромомагнезит 46
Цены оптовые на отливки из алюминиевых сплавов 100
— на вторичные сплавы 10
Циркон 46
Чистота поверхности 93
Шамот 46
Щелевой стояк 182, 183
Электрофлюсовое рафинирование 133
Ячейка дендритная 351
Ящик стержневой 139
Алексей Васильевич КУРДЮМОВ
Михаил Владимирович ПИ КУНОВ
Виктор Макарович ЧУРСИН
Евгений Львович БИБИКОВ
ПРОИЗВОДСТВО
ОТЛИВОК
ИЗ СПЛАВОВ
ЦВЕТНЫХ
МЕТАЛЛОВ
Редактор издательства И. В. Ольшанская
Художественный редактор Ю. И. Смурыгин
Технический редактор Н. А. Сперанская
Корректоры; Н. П. Собко, В.М. Гриднева *
Сдаио в набор 03-09.86. Подписано в печать 19.12-85. Т-23865.
Формат бумаги 60Х90*/м> Бумага типографская № 1.
Гарнитура литературная. Печать высокая.
Усл. печ. л. 26,0. Усл. кр.-отт. 26,0. Уч.-изд. л. 33,05- Тираж 5700 экз.
Заказ 235. Цена 1 р. 40 к. Изд. № 0877
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Металлургия», 119857, ГСП, Москва,
Г-34, 2-й Обыденский пер., д. 14
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии н книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.