Цветное литье: справочник

Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф.

Машиностроение, 1989 г.

Компоненты с большим давлением пара испаряются интенсивно. Из-за этого расплав обедняется этими компонентами, и заданный состав сплава не выдерживается.

Легколетучие компоненты, как правило, вводят в сплав в последнюю очередь, а сплав готовят в закрытых печах или под слоем покровного флюса.

Не допускается также взаимодействие сплава с футеровкой плавильной печи. Цинковые сплавы инертны к любым огнеупорам. Магниевые сплавы способны восстанавливать кремний из оксидов; такой же процесс характерен для алюминиевых сплавов. Медь, цинк и олово не восстанавливают кремний из SiO2) однако при получении медных сплавов, содержащих хром, титан или цирконий, необходимо использовать магнезитовую футеровку из-за способности этих металлов восстанавливать кремний. Помимо химических реакцийвосстановления возможны и другие реакции, например, растворение графитовых тиглей, «металлизация» футеровки, образование легкоплавких соединений и т. д.

Рафинирование расплавов. Загрязнение сплава различными примесями и включениями ухудшает свойства отливок, поэтому перед разливкой сплавы подвергают рафинированию.

Технология рафинирования определяется природой и формой существования примесей — растворимые примеси удаляют химическими способами; газы и неметаллические включения — механическими.

Окислительное рафинирование проводят продувкой воздухом или введением в расплав окислителей. Перед разливкой такой расплав необходимо дополнительно раскислить.

Рафинирование флюсованием проводят с целью образования летучих или шлакующихся соединений, не растворяющихся в основном металле.

Рафинирование вакуумной дистилляцией применяют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем основной металл.

Удаление неметаллических включений из расплава осуществляется при продувке ванны металла хлором или инертным газом, а также при фильтровании жидкого металла через сетчатые   или   зернистые   фильтры.   Все большее применение находит также электрофлюсовое рафинирование, предусматривающее перелив металла через солевой расплав с наложением электромагнитного поля.

Модифицирование проводят с целью изменения физических свойств расплава, определяющих при затвердевании размеры и форму структурных составляющих. Оптимальные составы модификаторов имеют избирательный характер и могут видоизменять как макроструктуру и размер зерен а-твердого раствора, так и дисперсность эвтектики, заэвтектических составляющих или отдельных структурных составляющих в многофазном сплаве.

Механизм модифицирования связан с процессами адсорбции и локальными химическими реакциями в микрообъемах жидкого металла, что в различных сплавах дает различные результаты. Измельчениемикроструктуры происходит либо вследствие увеличения количества центров кристаллизации за счет возникновения коллоидно-дисперсной взвеси при модифицировании, либо за счет переохлаждения расплава как следствия адсорбции модификаторов на гранях растущих кристаллов.

Магниевые сплавы модифицируют углеродсодержащими добавками или перегревом, а алюминиевые сплавы — солями натрия, стронция, серой и фосфором, а также их соединениями.

Повышенная скорость затвердевания действует аналогично модифицированию. Поэтому при изготовлении тонкостенных отливок в металлических формах модифицирование сплава не применяют.

Приготовление алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы легко окисляются при расплавлении, насыщаются водородом (содержание водорода может достигать 0,5—1,0 см3 на 100 г металла) и другими неметаллическими включениями.

Основные окислители — кислород и пары воды. В зависимости от температуры, парциального давления кислорода и паров воды, а также кинетических условий взаимодействия при окислении образуется оксид алюминия (А12О,) и субоксиды (А12О и А1О).

В обычных условиях плавки термодинамически устойчивой фазой является оксид алюминия у = А1аО8, который не растворяется в алюминии и не образует легкоплавких соединений.

Кроме оксидов алюминия в расплавах могут присутствовать: оксид магния (MgO), магнезиальная шпинель MgAl2O4, нитриды алюминия, магния, титана (A1N, Mg3Na2, TIN), карбиды алюминия (A14Q, бориды алюминия и титана (А1В2, TiB2) и др.

Большинство легирующих элементов (Си, Si, Mn) не оказывает влияния на процесс окисления алюминия; щелочные и щелочно-земельные металлы (К, Na, Li, Ba, Ca, Sr, Mg), а также цинк увеличивают окисляемость алюминия из-за образования рыхлых оксидных плен.

Порядок загрузки шихтовых материалов: чушковый алюминий, крупногабаритные отходы, отходы литейных и механических цехов (литники, некачественные отливки, брикетизированная стружка и т. п.), переплав, лигатуры (чистые металлы). Компоненты шихты вводят в жидкий металл при температуре, °С: 730 (не выше) — стружку и мелкий лом; 740—750 — медь, при 700—740 — кремний, 700— 740 — лигатуры; цинк загружают перед магнием к концу плавки. Температура нагрева литейных алюминиевых сплавов не должна превышать 800—83О'°С.

Обязательной операцией является рафинирование от неметаллических включений и растворенного водорода.

Основным источником водорода являются пары воды, оксидные пленки на шихтовых материалах, легирующие элементы и лигатуры. Максимальная скорость плавки и минимальная длительность выдержки расплава в печи перед разливкой способствуют повышению его чистоты.

Уменьшение компактности и увеличение удельной поверхности шихтовых материалов оказывают существенное влияние на степень загрязнения алюминиевых сплавов неметаллическими включениями и водородом. При плавке алюминиевых сплавов, содержащих кремний, следует предусмотреть меры от загрязнения сплавов железом. Перед плавкой необходимо очистить печь (тигель) от остатков шлака предыдущей плавки. Чугунный тигель и плавильный инструмент очищают от следов расплава и окрашивают защитной краской.

При плавке алюминиевых сплавов, содержащих магний, медь и марганец, вначале в печь загружают чушковый алюминий и силумин, затем лигатуры и чушковые отходы. Магний вводят после рафинирования при 720—730 °С с помощью окрашенного колокольчика, после чего сплавы модифицируют и разливают.

Плавку сложнолегированныя алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния проводят только в графитовых тиглях в связи с минимально допустимым содержанием вредных примесей железа и кремния.

Применяемый плавильно-разливочный инструмент должен быть из графита или титана.

При использовании для приготовления сплавов возврата собственного производства порядок плавки должен быть следующий: расплавление чистого алюминия и лигатуры Al—Be; введение при 670—700 °С возврата собственного производства. После расплавления возврата порядок загрузки остальных составляющих шихты и режимы плавки сохраняются такими же, как и при приготовлении на чистых металлах. Температура перегрева сплавов не должна превышать 750 °С.

Магниевые сплавы. При плавке необходимо защищать эти сплавы от окисления и насыщения водородом, так как это приводит к образованию микропористости в отливках.

Плавку литейных магниевых сплавов ведут следующими способами: в стационарных и выемных тиглях и дуплекс-процессом (отражательная печь-тигель или индукционная печь-тигель). Технологии приготовления сплава этими способами одинаковы, различие состоит лишь в технологии заливки и составах применяемых флюсов.

Шихтовые материалы не должны содержать продуктов коррозии, масла, эмульсии и прочих загрязнений. Отходы (литники, прибыли, бракованные отливки) очищают на дробеструйной установке или переплавляют.

При плавке магниевых сплавов соблюдают следующий порядок загрузки шихтовых материалов: магний (отходы и возврат), лигатуры, алюминий, цинк и кадмий. Добавки церия, кальция и бериллия вводят перед самой разливкой. При переплаве возврата кальций выгорает полностью, что следует учитывать при расчете шихты. После присадки легирующих элементов сплав перемешивают 5—7 мин и отбирают пробы для определения химического состава.

При плавке в стационарных (стальных) тиглях их нагревают до 400— 500 °С, после чего загружают флюс ВИ2 в количестве 10 % от массы шихты. В расплавленный флюс небольшими порциями загружают нагретые до 120—150 °С шихтовые материалы. Сплав нагревают до 700— 720 °С, проводят рафинирование и модифицирование. Сплав выстаивается 10—15 мин, из него отбирают пробы и ручными ковшами проводят разливку.

При выплавке магниевых литейных сплавов в выемных стальных тиглях с перегородкой флюс. ВИ2 заменяют на ВИЗ.

Выплавка сплавов дуплекс-процессом в отражательных печах ведется под слоем флюса ВИ2. Из печей сплав переливают в выемные тигли, в которых проводят рафинирование и модифицирование.

При плавке в индукционных печах на дно тигля загружают часть мелкой шихты, а затем компактно-крупные куски. Промежутки между кусками заполняют мелочью, сверху засыпают флюс. После расплавления и перегрева расплав переливают в выемные тигли.

Образующаяся на поверхности расплава пористая пленка оксида магния не предохраняет его от окисления и загорания. Легирующие компоненты (иттрий, церий, лантан, неодим и литий) усиливают окисление. Алюминий, медь, серебро, индий, никель, свинец, сурьма, олово и цинк понижают температуру воспламенения магния.