6. Плавка меди и медных сплавов
В промышленности широко используются как чистая медь, так и различные литейные, и деформируемые сплавы на медной основе: оловянные бронзы, безоловянные (специальные) бронзы и латуни.
Оловянные литейные бронзы (ГОСТ 613-79) обладают хорошими литейными, механическими и эксплуатационными (коррозионными и антифрикционными) свойствами. Из них изготовляют арматуру, подшипники, шестерни, втулки, работающие в условиях трения. Оловянные бронзы имеют большой интервал кристаллизации (150 – 200 °С), поэтому отливки могут быть подвержены газоусадочной пористости. Наиболее вредными примесями являются алюминий и кремний.
Безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79) по механическим, коррозионным и антифрикционным свойствам не уступают оловянным, а по некоторым превосходят их. Более широкое распространение получили алюминиевые бронзы. Из них изготовляют детали зубчатых и червячных передач, гребные винты и др. детали. Алюминиевые бронзы относятся к сплавам с узким интервалом кристаллизации.
Литейные латуни (ГОСТ 17711-80) в зависимости от состава имеют широкий диапазон механических и эксплуатационных свойств. Для изготовления фасонных отливок чаще всего используются кремнистая латунь ЛЦ16К4 и свинцовистая латунь ЛЦ40С, а также высокопрочные сложнолегированные латуни (ЛЦ23А6Ж3Мц2 и др.).
В чистом виде медь применяют для изготовления таких фасонных отливок, как фурмы доменных печей и кислородных конвертеров, а также токопроводящих фасонных изделий.
Медь является дефицитным цветным металлом, поэтому при получении изделий из меди и медных сплавов особое внимание обращается на разработку малоотходных экономичных технологических процессов плавки и литья. В качестве шихтовых материалов широко применяются вторичные чушковые сплавы и собственный возврат.
Плавка чистой меди и каждой группы сплавов на ее основе имеет свои отличия, но они базируются на общих закономерностях, которые рассмотрены ниже.
6.1. Физико-химические особенности плавки меди и медных сплавов
Медь имеет плотность 8,96 г/см3, температуру плавления 1083°С, а температуру кипения 2595 °С.
Наиболее важными для плавки меди являются такие физико-химические процессы, как взаимодействие расплава с кислородом, водородом, серой, а также с футеровкой, печи, шлаками и флюсами.
Плавку меди можно вести на воздухе, в среде защитных газов, под защитным покровом и в вакууме. При плавке на воздухе медь окисляется до закиси Сu2О, которая в дальнейшем растворяется в расплаве. При 1200 °С в меди может быть растворено до 1,5 % кислорода в виде Сu2О. При кристаллизации закись меди образует эвтектику Сu – Сu2О, которая располагается по границам зерен и снижает пластичность сплавов
Расплавленная медь взаимодействует с сернистым газом, образуя растворимый сульфид Сu2S, который также ухудшает пластические свойства.
Медь в ходе плавки интенсивно поглощает водород. При температурах перегрева до II00 – I300 °С растворимость водорода может достигать 5-7 см3/100 г. Источниками водорода при плавке меди и медных сплавов служат водяной пар, а также влага, попадающая в расплав из свежей футеровки, шихты и флюсов. Наибольший вклад в насыщение водородом вносит водяной пар. Его парциальное давление в печной атмосфере в реальных условиях колеблется в пределах от 0,0001 до 0,02 МПа. В практических расчетах допустимо считать, что РН2 » РН2О и для расчета равновесной концентрации водорода в расплаве пользоваться известным уравнением Сивертса
где КН - растворимость водорода в сплаве при расчетной температуре и давлении РН2 = 0,101 Мпа.
Растворение водорода идет тем интенсивнее, чем выше температура (рис. 31). При температуре плавления растворимость возрастает скачкообразно в 2-3 раза. По сравнению с другими металлами растворимость водорода в меди не так уж и велика, но существенная разность растворимостей в жидком и твердом состояниях указывает на возможность появления газовой пористости.
Легирующие элементы и примеси меняют растворимость водорода. Так, между содержанием кислорода и водорода, как видно из рис. 32, в расплаве меди устанавливается динамическое равновесие. Чем больше в меди кислорода, тем меньше будет её насыщение водородом, и наоборот. Влияние других элементов показано на рис. 33. Более склонны к насыщению водородом бронзы и латуни, легированные никелем, железом, хромом и марганцем.
Рис. 31. Влияние температуры на растворимость водорода в различных металлах: 1 – в алюминии; 2 – в меди; 3 – в железе; 4 – в никеле; 5 – в магнии
При кристаллизации и охлаждении отливок избыточный водород ухудшает свойства медных сплавов, способствует образованию в отливках газовой или газоусадочной пористости. Предельно допустимая концентрация водорода зависит от скорости охлаждения. При литье в кокиль (быстрое охлаждение) можно допустить более высокое содержание водорода, чем при литье в песчаные формы.
В любом случае при плавке необходимо принимать меры против насыщения расплава водородом и проводить дегазацию перед разливкой.
Расплавы меди и медных сплавов могут вступать в химическое взаимодействие с материалом футеровки и огнеупорных тиглей. Наиболее пригодны для данных сплавов футеровки из основных материалов: магнезита и хромомагнезита. При использовании кислых футеровок для плавки окисленной меди возможно оплавление футеровки из-за образования легкоплавких силикатов:
mCu2O + nSiO2 ® mCu20×nSi02.
При плавке бронз с повышенным содержанием свинца в печах с шамотной футеровкой может наблюдаться интенсивное разъедание огнеупоров за счет образования легкоплавких эвтектик (715 °С) в системе Pb0-Si02.
Рис. 32. Зависимость растворимости водорода в меди от содержания кислорода при 1473 К (кривая Аллена)
Рис. 33. Влияние некоторых элементов (Хi) на равновесную растворимость водорода в меди при 1423 К и РН2 = 0,101 МПа
На практике для плавки меди и медных сплавов широко применяют графитошамотные плавильные тигли (смесь шамота с 30-40 % графита).
Для предохранения расплава от взаимодействия с газами печной атмосферы, плавку необходимо вести быстро, целесообразно применять защитные покровы из древесного угля. Уголь должен быть тщательно просушен, а ещё лучше прокален, для удаления адсорбированной влаги и продуктов сухой перегонки, в противном случае может произойти насыщение расплава водородом.