8. Плавка цинковых сплавов

Цинковые сплавы делятся на литейные (ГОСТ 25140 – 93) и антифрикционные (ГОСТ 21437 – 95). В их основе две базовые системы: двойная Zn – Al (сплавы ЦА4о и ЦА4) и тройная Zn – Al – Cu (сплавы ЦА4М1о, ЦА4М1, ЦА4М1в ЦА4М3о и ЦА4М3). Все цинковые сплавы содержат малую добавку магния для подавления эвтектоидного распада, приводящего к росту отливок – увеличению размеров при эксплуатации.

Литейные сплавы наиболее широко используются в автотракторной промышленности, электротехнике и бытовой технике. Из них отливают корпуса карбюраторов, магнето, бензонасосов и др. детали.

8.1. Физико-химические особенности плавки цинковых сплавов

Цинк легко окисляется, особенно в присутствии паров воды. Так как в состав сплавов входит алюминий, то на поверхности расплава образуется пленка шпинели ZnAl₂O₄ (ZnО·Al₂O₃). При перемешивании и разливке пленка попадает в расплав, а затем и в тело отливки. Образовавшаяся оксидная плена вначале тормозит окисление, но при повышении температуры защитные свойства теряются.

Кроме ZnAl₂O₄ в цинковых сплавах можно обнаружить и другие твердые неметаллические включения. В первую очередь это SiO₂ и 3Al₂O₃·2SiO₂. При насыщении железом в сплавах с алюминием образуется интерметаллидная твердая фаза FeAl₃. Суммарное содержание оксидных включений находится в пределах от 0,2 до 0,6 % (объемн.), а интерметаллидов от 0,2 до 1,5 % (объемн.). До 90 % всех оксидных включений приходится на долю ZnAl₂O₄. Микротвердость ZnAl₂O₄ в 2 – 3 раза выше микротвердости матрицы. Еще более твердыми (в 7 – 10 раз) являются интерметаллиды. Твердые включения резко ухудшают обрабатываемость резанием и увеличивают шероховатость поверхности, поэтому сплавы необходимо рафинировать и не допускать насыщения железом.

Сплавы чувствительны к перегреву, так как с повышением температуры растет окисляемость расплава и увеличиваются потери на испарение.

8.2. Технологические особенности плавки

В виду низкой температуры плавления цинка (419 ^оС) выбор печей для плавки цинковых сплавов не представляет трудностей. Можно использовать любые отражательные и тигельные печи, предназначенные для плавки алюминиевых сплавов. В специализированных цехах применяют плавильные индукционные или отражательные печи большой емкости, из которых расплав разливают в раздаточные тигельные печи. При малых масштабах производства используют плавильно-раздаточные печи тип САТ (тигельные печи электросопротивления). Футеровка отражательных печей изготовляется из шамотного кирпича. В тигельных печах обычно устанавливают чугунные тигли. Для защиты сплава от насыщения железом поверхность тигля покрывают обмазкой из смеси каолина и жидкого стекла. Плавильный инструмент защищают краской на водной основе из окиси цинка и жидкого стекла.

В качестве шихты применяют чистые металлы (Ц1, Ц2, А95,А85, М1, М2 и Мг90) и собственный возврат. Медь лучше вводить лигатурой Al – Cu (50 Cu %). Кроме того, в соответствии с ГОСТ 19424-93 выпускаются первичные чушковые сплавы, предназначенные для переплавки в литейные сплавы по ГОСТ 25140 – 95. Состав чушковых сплавов приведен в табл. 17.

Таблица 17

Химический состав, % (по массе) цинковых литейных сплавов в чушках по ГОСТ 19424 - 93

Марка сплава	Легирующие элементы (Zn – ост.)			Примеси, не более
	AL	Cu	Mg	Cu	Pb	Fe	Sn	Cd	Ni
ZnAl4A* ЦА4о ЦА4 ZnAl4Cu1A* ЦА4М1о ЦА4М1 ZnAl4Cu3A* ZnAl4Cu3* ЦА4М3 ЦА4М1в	3,5 – 4,3 3,9 – 4,3 3,5 – 4,3 3,5 – 4,3 3,9 – 4,3 3,9 – 4,3 3,5 – 4,3 3,5 – 4,3 3,5 – 4,3 3,5 – 4,3	– – – 0,7 – 1,2 0,7 – 1,2 0,7 – 1,2 2,5 – 3,5 2,5 – 3,5 2,5 – 3,5 0,6 – 1,2	0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 0,03 – 0,06 ≥0,1	0,03 0,03 0,03 – – – – – – –	0,003 0,04 0,01 0,003 0,004 0,01 0,003 0,005 0,01 0,02	0,03 0.05 0,05 0,03 0,05 0,01 0,03 0,05 0,05 0,10	0,001 0,001 0,002 0,001 0,001 0,002 0,001 0,001 0,002 0,005	0,002 0,002 0,005 0,002 0,002 0,005 0,002 0,002 0,005 0,015	– 0,015 0,015 – 0,015 0,015 – – – 0,03
* Сплавы, изготовляемые по согласованию потребителя с изготовителем.

Для литья неответственных деталей, в том числе сувениров, можно использовать и вторичные чушковые сплавы (сплав ЦА4М1в).

Маркировка чушек осуществляется краской: ЦА4М1о – одна черная полоса; ЦА4М1в – одна черная и одна красная полосы; ЦА4М1 – одна зеленая полоса; ЦА4 – две красные полосы; ЦА4о – одна красная.

Кроме литейных выплавляются и чушковые антифрикционные сплавы марок ЦА9М1,5Ч и ЦА10М5Ч

Для повышения качества отливок проводят рафинирование расплава. Используют следующие методы:

1. отстаивание;

2. обработка хлористыми солями;

3. продувка инертными газами;

4. фильтрация.

Оксиды значительно легче расплава и при выдержке (отстаивании) могут всплывать на поверхность, но очистка идет медленно.

Достаточно эффективна обработка хлористыми солями. Хлористый аммоний (0,1 – 0,2 %) или гексахлорэтан (0,3 – 0,4 %) вводят в расплав колокольчиком при температуре 450 – 470 ^оС и перемешают его круговыми движениями до прекращения выделения продуктов реакции. Таким методом удаляется до 80 % оксидов и 70 % интерметаллидов.

Продувка азотом является достаточно простым способом рафинирования, но очистка менее полная, чем при обработке солями.

Самая глубокая очистка (до 90 % оксидов и до 85 % интерметаллидов) происходит при фильтровании через механические сетчатые или активные фильтры. Наиболее простые фильтры готовят из кусочков магнезита или рафинируюших флюсов со средним размером 2 – 3 мм. Толщина слоя не менее 100 мм. Фильтрование производят при переливе сплава из плавильной печи в раздаточную и перед разливкой в литейную форму. При литье в разовые формы или в кокиль фильтр устанавливают в литниковой чаше. При ЛПД фильтры удобно размещать непосредственно в раздаточной печи, как показано на рис. 38. В этом случае металл зачерпывают мерной ложкой из стакана над фильтром.

Можно использовать и более современные пенокерамические фильтры.

Рис. 38. Установка фильтра в тигле раздаточной печи: 1 – тигель, 2 – стакан, 3 – кусковой фильтр

При плавке из чистых металлов в печь загружают половину расчетного количества цинка, отходы и лигатуру. Шихту засыпают прокаленным древесным углем, расплавляют и при температуре не выше 550 ^оС вводят алюминий. После растворения алюминия добавляют частями оставшийся цинк. Металл охлаждается до 420 – 450 ^оС. Расплав тщательно перемешивают, снимают уголь и шлак, и колокольчиком вводят магний. После этого металл рафинируют хлористыми солями и приступают к разливке.

Готовый расплав нельзя перегревать выше 480 ^оС и долго выдерживать в тигле печи. Недопустимо оставлять жидкий металл в печи в нерабочую смену. Неиспользованный сплав нужно разлить по изложницам.

Технология плавки цинковых антифрикционных сплавов ЦА9М1,5Л и ЦА10М5Л такая же, как и для литейных сплавов.

Вопросы для самоконтроля

1. Защищает ли окисная пленка от окисления цинковые расплавы?

2. Чем опасен перегрев цинковых сплавов?

3. Какое влияние на свойства сплавов оказывает железо?

4. В каких печах можно плавить цинковые сплавы?

5. Как рафинируют цинковые сплавы?

6. Нужно ли модифицировать цинковые сплавы?