2. Приготовление лигатур и предварительных сплавов

Лигатуры можно приготовить путем непосредственного сплавления двух или нескольких металлов или восстановлением легирующего элемента из его окислов. Кроме того, можно воспользоваться электролизом солей, сплавлением металла с солями или другими химическими соединениями легирующих элементов или методами порошковой металлургии.

Метод непосредственного сплавления компонентов может быть применен для приготовления большинства известных лигатур. Удобнее всего для этих целей использовать индукционные тигельные печи. Исходными материалами служат, как правило, свежие металлы. Их можно расплавлять раздельно и смешивать в жидком состоянии путем введения тугоплавкой составляющей в легкоплавкую, или наоборот. Но проще вводить компоненты кусками в расплавленные легкоплавкие или тугоплавкие части. В этом случае можно обойтись лишь одним плавильным агрегатом.

Для приготовления лигатур необходимо использовать чистые шихтовые материалы известного состава. Для получения мелкозернистой структуры, а также для удобства использования, лигатуры следует разливать в изложницы, подогретые до 150 -250 ^оС, слоем толщиной не более 30 мм.

Технология плавки лигатур предусматривает проведение тех же заключительных операций, что и при плавке сплавов.

Ниже рассмотрены технологические процессы приготовления некоторых лигатур в литейном цехе.

Лигатура алюминий – кремний. Температура плавления кремния 1420 ^оС значительно выше, чем у алюминия, а плотность несколько меньше 2,37 г /см³.

В качестве шихтовых материалов применяют алюминий технической чистоты марок от А85 до А0 и кристаллический кремний марок от Кр0 до Кр3.

В расплавленный без флюсов и перегретый до температуры 1000 – 1100 ^оС алюминий небольшими порциями вводят кремний, измельченный на куски 15 – 20 мм, и подогретый до 400 – 600 ^оС. Для ускорения растворения кусочки кремния притопляют в расплав графитовой мешалкой. Очередная порция вводится после полного растворения предшествующей и перемешивания расплава. Чтобы предотвратить обволакивание кусков кремния пленкой окиси алюминия, рекомендуется предварительно завернуть их в алюминиевую фольгу или смочить их раствором хлористого цинка и затем просушить. После полного растворения всего кремния расплав тщательно перемешивают, рафинируют и при 700 – 720 ^оС разливают в изложницы непрерывной короткой, широкой струей не допуская разбрызгивания металла. Каждую плавку подвергают анализу на содержание кремния. Чушки маркируют и отправляют на склад.

Следует иметь в виду, что в соответствии с ГОСт 1521 – 76 выпускаются стандартные лигатуры – силумины в чушках, содержащие 10 – 13 % Si и отличающиеся содержанием примесей (не более):

	Fe	Mn	Ca	Ti
СИЛ - 00 СИЛ – 0 СИЛ – 1 СИЛ – 2	0,20 0,35 0,50 0.70	0,05 0,10 0,5 0,5	0,07 0,1 0,1 0,2	0,05 0,10 0,15 0,20

По своей сути это готовый сплав АК12 и промежуточный сплав для выплавки других силуминов.

Лигатура алюминий – марганец (до 10 % Mn). Температура плавления марганца достаточно высока 1245 ^оС. Для приготовления лигатуры рекомендуется использовать индукционную печь с графитовым тиглем. Сначала расплавляют 3/4 навески алюминия. Подогретый марганец марки Мр1 вводят в расплав, перегретый до 900 – 1000 ^оС, кусками по 15 – 20 мм небольшими порциями. Расплав перемешивают графитовыми мешалками. После каждой порции делают выдержку 10 мин для полного растворения марганца. После растворения всего марганца вводят остаток алюминия, чем снижают температуру расплава до 800 – 850 ^оС. Проводят рафинирование хлористым марганцем в количестве 0,2 % от массы шихты и при температуре 800 ^оС разливают в изложницы слоями не выше 25 мм.

Лигатура алюминий – медь (до 50 % Cu). Приготовление лигатуры можно начинать с расплавления алюминия или меди в зависимости от содержания меди в лигатуре. Меньшие перегревы и соответственно насыщение газами достигаются при введении меди в алюминий. Алюминий без флюса перегревают до 750 – 850 ^оС и частями вводят подогретую до 400 – 600 ^оС медь. Часть алюминия можно оставить и ввести в лигатуру в конце плавки для понижения температуры. После полного растворения меди расплав рафинируют хлористыми солями цинка или марганца (0,2 % от массы) и разливают по изложницам.

Лигатура алюминий – бериллий (до 5 % Ве). В качестве исходных материалов используют чистый алюминий и металлический бериллий, а также флюс: 60 % хлористого бария и 40 % хлористого калия. Флюс должен быть переплавлен и размолот до порошкообразного состояния.

Плавку необходимо вести в индукционных печах в графитовых тиглях с большой скоростью. Вначале в тигель загружают до 2/3 алюминия, расплавляют и присыпают поверхность флюсом. Температуру в печи доводят до 1100 – 1200 ^оС. Измельченный (10-20 мм) металлический бериллий вводят небольшими порциями и замешивают всплывающие куски бериллия графитовой мешалкой. Поверхность расплава постоянно присыпается свежим флюсом. После полного растворения бериллия добавляют остальной алюминий, сплав перемешивают, снимают шлак и разливают лигатуру в мелкие изложницы, подогретые до 150 -200 ^оС. Каждая плавка подвергается анализу на содержание бериллия, маркируется и сдается на склад шихтовых материалов.

Лигатура алюминий – титан (до 5 % Ti). Лигатуру можно готовить из чушкового алюминия, окиси титана и криолита в соотношении: 100: 15: 15 весовых частей. Окись титана и криолит, каждый по отдельности просушивают при температуре 120 ^оС , затем перемешивают и просеивают через сито. Плавку можно вести в индукционной печи или в газовом горне с графитовыми тиглями. Печь должна быть оборудована хорошей вытяжной вентиляцией. Алюминий расплавляют и перегревают под слоем криолита до температуры 1000 – 1200 ^оС. Горн выключают и на поверхность алюминия насыпают мелкими порциями смесь окиси титана с криолитом. При этом должна протекать термитная реакция, сопровождающаяся ярким свечением и выделением густого белого дыма. При отсутствии или слабом проявлении этих признаков металл необходимо подогреть. Порошкообразная смесь энергично замешивается сверху вниз подогретой графитовой мешалкой в металл. При этом протекает реакция восстановления титана из окиси

3TiO₂ + 4Al = 2Al₂O₃ + 3Ti + Q.

После окончания ввода смеси в расплав включают печь на 10 – 15 мин и выдерживают расплав под толстым слоем образовавшегося шлака. После этой выдержки, необходимой для частичного удаления растворенных газов, металл интенсивно перемешивают металлической окрашенной мешалкой, чтобы поднять осевшие на дно тигля кристаллы, богатые титаном. Лигатуру быстро разливают в мелкие изложницы (толщина слитка не более 30 мм), придерживая шлак скребком или ложкой. Готовая лигатура имеет высокую вязкость и с трудом заполняет изложницу. При малой скорости разливки кристаллы, богатые титаном продолжают оседать на дне тигля в виде кашеобразной массы. Поверхность затвердевших чушек лигатуры должна быть выпуклой без усадочных раковин и иметь радужные цвета побежалости. Излом лигатуры крупнозернистый с блестками чешуйчатых кристаллов химического соединения титана с алюминием.

Лигатуры со сложной технологией приготовления (Al – Be, Al – Ti, Al – Zr и др.) рекомендуется приобретать в готовом виде. Приготовление лигатуры Al – Be осложняется тем, что пары бериллия и его соединений токсичны, а плавка лигатур с тугоплавкими элементами требует высоких перегревов алюминия до 1200 – 1300 ^оС, что приводит к повышенному окислению и потерям металла.

2.1. Приготовление предварительных чушковых сплавов

Предварительные чушковые сплавы выплавляют в том случае, когда необходимо получить высококачественный рабочий сплав стабильного состава, соответствующего требованиям ГОСТа. Такие предварительные сплавы готовят из чистых шихтовых материалов. Собственный возврат (бракованные отливки, литники и прибыли) подвергают тщательной очистке. В ходе плавки проводят тщательное рафинирование или дегазацию.

При плавке и разливке предварительного сплава необходимо:

избегать лишнего перегрева расплава и поддерживать его температуру максимально приближенной к температуре разливки;

плавление сплава вести с максимальной скоростью, чтобы избежать насыщения металла газами.

Каждую плавку подвергают химическому анализу на содержание всех легирующих добавок и примесей. Использование предварительных сплавов с известным химическим составом существенно упрощает получение рабочих сплавов. Если состав предварительного сплава будет отличается от заданного, то его можно легко откорректировать при последующем переплаве.

В цехах, где нет оборудования для проведения экспресс-анализа спектральным методом, результаты химического анализа получают не ранее, чем через 2 дня. Если выплавлять сразу рабочий сплав, то отливки из него до получения результатов должны лежать на складе. Кроме того, вся партия отливок может быть забракована из-за несоответствия химического состава.

Чушки предварительного сплава должны иметь чистую и светлую поверхность и мелкозернистый излом без шлаковых и флюсовых включений.

Наиболее часто предварительные сплавы используют при получении отливок из многокомпонентных сплавов и сплавов, в которых содержание легирующих добавок ограничено узкими пределами, как, например, в сплавах системы алюминий-магний. При плавке таких сплавов велика опасность получения рабочего сплава с отклонениями по химическому составу.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое лигатура?

2. Для чего применяют лигатуры? Виды лигатур?

3. В какой форме поставляют лигатуры?

4. Для чего готовят предварительные чушковые сплавы?