Легирование и модифицирование алюминия и магния
Напалков В.
МИСИС, 2002 г.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИГАТУР И СПОСОБОВ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
2.1. Требования к лигатурам
В литейном производстве лигатуры занимают значительную долю в объеме шихтовых материалов: в зависимости от химического состава до 50 % сплавов. Лигатурой называют промежуточный сплав, содержащий в достаточно большом количестве легирующий металл, добавляемый в расплав для получения требуемого химического состава, структурных и технологических свойств отливок и слитков. Как правило, лигатуры для алюминиевых и магниевых сплавов содержат только один легирующий компонент, но иногда готовят тройные и четверные лигатурные сплавы. Состав сложных лигатур подбирают таким образом, чтобы обеспечить получение нужного химического состава сплава в заданных пределах по каждому легирующему компоненту.
Необходимость применения лигатур обусловлена малой скоростью растворения тугоплавких компонентов в чистом виде в жидком алюминии и магнии, а также повышением степени усвоения легко-окисляющихся легирующих элементов. В большинстве алюминиевых и магниевых лигатур легирующий компонент находится в виде кристаллов интерметаллических соединений, в некоторых магниевых — в виде мелких частиц в чистом виде. Учитывая характер распределения компонента в лигатурных материалах и скорость растворения его в расплавах алюминия или магния, можно получить заданное содержание легирующего компонента в сплаве добавлением в твердую шихту или непосредственно в расплав определенного количества лигатуры. Важным свойством лигатуры является значительно более низкая температура плавления, чем тугоплавкого компонента. Благодаря этому сплавы на основе алюминия или магния не нужно перегревать до высокой температуры, в результате уменьшается угар основного и легируюшего металла. Применение лигатур с легкоплавкими элементами позволяет снизить потери последних на испарение и окисление. С помощью лигатур в расплав значительно легче ввести элементы, которые имеют резко отличную от основного расплава температуру плавления, обладают высокой упругостью паров и легко окисляются при температурах приготовления расплава, а также в тех случаях, когда введение легирующего элемента непосредственно в расплав сопровождается сильным экзотермическим эффектом, приводящим к значительному перегреву расплава, или когда испарение легирующего элемента сопровождается выделением токсичных паров в атмосферу цеха.
Поскольку лигатура является промежуточным сплавом, то к ней не предъявляют требования в отношении механических свойств. Но в связи с введением ее в большом количестве в основной расплав, наследственным влиянием шихтовых материалов на структуру отливок и слитков, а также с повышенными требованиями к качеству отливок и полуфабрикатов к чушкам лигатур предъявляют ряд требований:
1. Достаточно низкая температура плавления лигатуры, что позволит обеспечить минимальную температуру присадки элемента, которая на 100-200 °С выше температуры ликвидуса. Низкая температура ликвидуса лигатуры способствует быстрому растворению легирующего элемента и его однородному распределению по объему расплава, особенно при условии достаточно интенсивного и равномерного перемешивания последнего. Только лигатуры систем Аl—Сu, Аl—Siимеют температуру ликвидуса, близкую или меньшую, чем температура плавления основы, что следует из табл. 20.
Температура ликвидуса остальных лигатур непрерывно повышается с увеличением содержания в них тугоплавкого легирующего компонента.
С экономической точки зрения лучше иметь лигатуры с высоким содержанием легирующего компонента вследствие экономии рабочей плошали для хранения лигатуры, транспортных средств, расхода первичного алюминия и его угара. Поскольку в настоя шее время лигатуры готовят преимущественно в отражательных печах из чистых металлов, то содержание титана, циркония и хрома в плавках обычно равно 2-5%. При более высоком содержании этих металлов в лигатурах необходима очень высокая (1200-1400 °С) температура. С увеличением содержания компонента в лигатуре при существующей организации разливки ее в чушках образуются грубые скопления интерметаллидов, для растворения которых требуется дополнительное время выдержки сплава или повышение температуры последнего.
2. Однородное распределение легирующих элементов по сечению чушки. Во избежание неоднородного химического состава чушек необходимо тщательно перемешивать расплав перед разливкой, а саму разливку производить как можно быстрее. Неоднородное распределение элемента в чушках может быть следствием двух причин. Во-первых, низкой скорости затвердевания чушки, во-вторых, неоднородного распределения элемента в жидкой лигатуре перед разливкой. В свою очередь неоднородный состав жидкой лигатуры зависит от разности плотности фазовых составляющих лигатур В магниевых лигатурах, в которых легирующий элемент присутствует обычно в чистом виде, этот фактор действует постоянно; в алюминиевых же ликвация интерметаллидов по плотности развивается при понижении температуры лигатуры ниже ее ликвидуса.
3. Малое испарение и окисление легирующего элемента при введении его в расплав из лигатуры.
4. Легкое дробление чушек лигатурного сплава на мелкие куски для более точного взвешивания шихты; в то же время лигатура должна быть достаточно технологичной при литье. Например, увеличение содержания марганца в двойной лигатуре более 15 % приводит к растрескиванию чушки, что затрудняет ее транспортировку и хранение.