Сплавы для электродов контактной сварки

Николаев А.К., Розенберг В.М.

Металлургия, 1978 г.

ПЛАВКА СПЛАВОВ, ЛИТЬЕ СЛИТКОВ И ЭЛЕКТРОДОВ

Плавку электродных сплавов, как и других низколегированных медных сплавов, в принципе можно осуществлять в любых печных агрегатах под слоем древесного угля или сажи, в атмосфере инертного газа, под флюсом, в вакууме, электрошлаковым методом. Метод плавки и печной агрегат обычно выбирают на основе совместного анализа ряда факторов, важнейшими из которых являются объем производства, требования к качеству полуфабрикатов (следовательно, слитков или литых деталей), экономика производства, наличие конкретного оборудования и т. д.

Однако независимо от метода плавки и плавильного агрегата присутствие в составе этих сплавов легирующих элементов с большим сродством к кислороду (Сг, Ti, Zr, Be, V, Si) и во многих случаях весьма малые допуски на легирование   (иногда ±0,03%), а также требование к чистоте сплавов по примесям, главным образом для сплавов с относительно высокой проводимостью (см. табл. 8), определяют некоторые особенности технологии. Одной из таких особенностей является целесообразность во многих случаях    применения в шихту двойных или более   сложных    (комплексных) медных лигатур. Рациональность применения лигатур обусловлена необходимостью надежного воспроизведения заданного состава сплава, снижения температуры перегрева расплава, сокращения энергетических затрат, уменьшения цикла плавки, а следовательно, увеличения производительности плавильных   агрегатов,   снижения угаров дорогостоящих легирующих компонентов и зашлакованности плавильной ванны. Несмотря на то что сам факт применения лигатур определяет в ряде случаев вообще возможность воспроизведения в промышленных условиях необходимой композиции сплава (например, сплава БрХВЦр), а их качество во многом определяет качество самих сплавов, вопросам оптимизации технологии их изготовления до сих пор не уделяется достаточного внимания. Кроме того, необходимость применения лигатур при выплавке сплавов цветных металлов, в частности низколегированных сплавов на медной основе, не является общепризнанной. До сих пор обсуждаются не только методы, параметры технологии изготовления лигатур, их оптимальные составы,

но и целесообразность их использования вообще [29, 30].

В настоящее время нет сомнений относительно технической и экономической целесообразности изготовления и применения для легирования сталей ферросплавов, мировое производство которых, по данным работы [30], достигло величины порядка 15 млн. τ в год.

Этот богатый опыт может быть использован и прежде всего для централизованного изготовления лигатур с наиболее распространенными легирующими элементами (в первую очередь такими, как Cr, Zr, Cd, Ti). Решение этого вопроса является одним из основных направлений совершенствования технологии и развития производства проката цветных металлов [31].

При изготовлении медных лигатур для плавки электродных сплавов и собственно электродов контактной сварки следует обратить внимание! на некоторые общие требования к лигатурам:

1. Основа лигатуры должна соответствовать основе сплавов, выплавляемых с ее применением (при плавке медных сплавов применяемая лигатура должна быть на медной основе). В противном случае весьма вероятно осложнение процесса растворения легирующих элементов в расплаве вследствие образования! труднорастворимых или даже практически нерастворимых химических комплексов. Особенно возрастает эта опасность в случае применения комплексных лигатур [29], не содержащих меди.

2. Состав и распределение легирующих компонентов в лигатуре должны обеспечивать, с одной стороны, надежное получение заданного состава сплава, а с другой— достаточную производительность печных агрегатов при производстве и лигатуры, и сплава.

3. Температура плавления лигатуры должна быть не выше максимальной температуры перегрева медного расплава до введения легирующих или после.

4. Состав и размеры слитков лигатуры должны позволять без затруднений проводить операцию ее размельчения на куски, удобные для дальнейшей расших-товки (дробление, резка, прокатка и резка).

Особое внимание следует обращать на контроль качества лигатуры, который должен включать химический анализ на основные компоненты (при разработке технологии изготовления лигатуры — по высоте и сечению слитка), а также контроль неметаллических включений металлографическим или фрактографическим методами, для чего необходима соответствующая шкала эталонов.

При рассмотрении составов современных электродных сплавов, выпускаемых или рекомендованных к производству отечественной промышленностью, обращает на себя внимание тот факт, что все они в сумме содержат в качестве легирующих десять компонентов (Ag, Cd, Сr, Zr, V, Co, Be, Ni, Si, Ti). Естественно, что обязательно применять лигатуры для  введения всех этих элементов в медь нецелесообразно и нерационально. Введение в медь таких элементов, ,как Ni, Go, Ag, в большинстве случаев и кремния в чистом виде, практически не связано с какими-либо осложнениями. Обычно точность попадания в заданный состав по этим элементам не зависит от условий плавки  а определяется точностью расчета и подготовки шихты.

Остальные легирующие элементы электродных сплавов необходимо вводить в расплав в виде лигатур. Хорошие результаты при производстве, например, сплава БрНБТ дает использование вместо лигатуры Сu—Beотходов бериллиевой бронзы [5] БрБ2; БрБ2,5; БрБНТ1,9; БрБНТ 1,7 с «лигатурным» для этого сплава содержанием бериллия (около 2%).

Основная технологическая трудность при плавке сплавов Сu— Cdсвязана с нестабильностью получения оптимального состава из-за низкой температуры кипения кадмия (767°С). Упругость паров кадмия при температуре около 1000°С составляет 10588 мм рт. ст., или примерно 14 ат, что приводит к потерям более чем 50% его при введении в расплавленную медь. Наиболее рациональная, на наш взгляд, технология изготовления лигатуры Сu—Cdпредложена А. В. Курдюмовым [32, 33]. Способ основан на одновременном протекании процессов растворения меди в расплавленном кадмии и диффузии его, в медь в жидком и газообразном состояниях. Для осуществления процесса определенные навески меди и кадмия одновременно помещают в графитошамотовый тигель, который закрывают крышкой (можно использовать дно вышедшего из строя такого же тигля). Щель между крышкой и тиглем замазывают пастообразной смесью, состоящей из огнеупорной глины, кварцевого песка, волокнистого асбеста, воды и жидкого стекла. Состав и пропорция компонентов этой смеси произвольны. Закрытый тигель помещают в муфельную или шахтную печь сопротивления, пламенную или индукционную и нагревают до 650—700°С. Для садки массой 20 кг достаточна выдержка в течение 30— 40 мин [34]. В этом случае получается лигатура, содержащая 50% Cd. Для получения более бедной по кадмию лигатуры (30 и 20%) процесс следует проводить аналогично описанному выше с той лишь разницей, что после выдержки в течение 30 мин при 650— 700°С тигель нагревается до 850 или 950°С соответственно для получения лигатуры, содержащей 30 и 20% Cd. Потери кадмия при изготовлении лигатуры таким методом составляют на более 1%. Применение лигатуры Сu—Cdпри плавке сплавов Сu—Cd позволяет сократить потери кадмия в несколько раз, значительно увеличив тем самым вероятность получения заданного состава. При этом, естественно, получается ощутимый экономический эффект.

Лигатуры Сu—Сr, Сu—V, Сu—Ti и Сu—Zrв принципе можно получить и в открытых печах, в частности как это характерно для. лигатуры Сu—Сr [36]. Однако наиболее качественная лигатура получается в вакуумных индукционных высокочастотных печах. Даже если учитывать, что серийное промышленное производство всех электродных сплавов, за исключением сплава БрХВЦр, в настоящее время осуществляется в открытых индукционных канальных печах, изготовление лигатур для этого производства должно осуществляться в вакууме. В противном случае вследствие значительного содержания окислов хрома в лигатуре открытой плавки зашлаковывается печь для выплавки сплава, а расход такой лигатуры на плавку увеличивается почти вдвое по сравнению с расчетным содержанием хрома в сплаве и условным его содержанием в лигатуре. При плавке более сложных, чем двойные, сплавов (например, БрЦХр) применение лигатуры Сu—Сr низкого качества (открытой плавки) приводит к потерям циркония (главным образом в результате его взаимодействия со шлаком) до 90%. Кажущаяся экономичность открытой плавки по сравнению с вакуумной · и соображения по поводу нерентабельности применения сравнительно бедных лигатур [29] не могут быть справедливыми для всех случаев.