3. Проведение работы

3.1. Оборудование, оснастка, инструмент, приборы, материалы.

1. Оборудование: плавильная печь марки ИСТ–0,06.

2. Литейная оснастка: кокили для заливки образцов на механические свойства и специальный анализ, модели отдельно отлитых образцов, жакеты для безопочной формовки, жакеты для заливки, подопочные плиты.

3. Инструмент: разливочный ковш, ланцеты, трамбовки ручные, зубило, ножовка, молоток, тиски слесарные, штангенциркуль, линейка.

4. Приборы: прибор для регистрации термо-ЭДС, термопара, приборы для определения влажности, газопроницаемости и прочности на сжатие сырых образцов формовочной смеси, металлографический микроскоп, весы, разновесы.

5. Материалы: алюминий чушковый, силумин, медь, лигатуры двойные и тройные с различными элементами, медь катодная и др., формовочная смесь, песок, глина, жидкое стекло, асбест листовой и шнур.

3.2. Порядок проведения работы

• Проработать методику расчета пихты.

• Рассчитать шихту на сплав по указанию преподавателя.

• Приготовить навеску шихты на заданную марку сплава.

• Включить печь, разогреть тигель.

• Загрузить шихту в тигель, расплавить. При температуре 720-730°С залить образцы на спектральный анализ и на определение механических свойств.

• Охладить образцы, отделить прибыли, замаркировать пробы.

4. Содержание отчета

• Расчет шихты.

• Описать технологию подготовки шихты к плавке, плавку и заливку сплава в формы.

• Сделать эскизы проб для спектрального анализ и механических испытаний.

• Привести результаты испытания механических свойств на образцах, сравнить полученные показатели механических свойств с требованиями ГОСТ 2685-75, сделать заключение.

При несоответствии свойств установленным нормам указать вероятные причины пониженных механических свойств и назвать операции и режимы их проведения, соблюдение которых обеспечивает требуемый уровень механических свойств образцов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что относят к шихтовым материалам?

2. В чем заключается подготовка шихтовых материалов к плавке?

3. Как определяют механические свойства литейных алюминиевых сплавов?

4. Каким нормам должны соответствовать показатели механических свойств образцов, выточенных из металла отливок?

5. Какими методами определяют химический состав сплава?

6. От каких факторов зависит величина угара?

Лабораторная работа № 2 Рафинирование алюминиевых сплавов

Цель работы: Практическое ознакомление со способами рафинирования алюминиевых сплавов и контролем газосодержания и содержания неметаллических включений в них.

1. Общие сведения о способах рафинирования

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В процессе плавки алюминиевых сплавов последние загрязняются оксидными включениями и поглощают водород. В зависимости от состава сплава содержание водорода в расплаве может быть от 1–1,5см³ в 100 г сплава (алюминий) до 45 см³/100 г сплава (при плавке лигатуры алюминий – 5 % циркония). В настоящее время установлено, что чем больше сплав загрязнен оксидными включениями Al₂O₃ тем больше он содержит водорода и наоборот. Загрязненность сплава оксидами и водородом приводит к получению пористых отливок с низкими механическими свойствами.

Считают, что пригодные для разливки по литейным формам алюминиевые расплавы должны содержать, в частности, водорода не более 0,15–0,4см³/100 г сплава (в зависимости от химического состава сплава). При таком содержании водорода в исходном расплаве будет также невысоким и содержание Al₂O₃ в нем, что гарантирует получение отливок, низкой общей пористостью и высокими механическими свойствами.

Очистку алюминиевых литейных сплавов от взвешенных неметаллических включений и водорода до установленных норм осуществляют с помощью хлористых солей и флюсов, вакуумированием, фильтрованием и др. способами.

Для рафинирования применяют хлористый цинк, хлористый марганец, гексахлорэтан, четыреххлористый углерод и другие хлориды. Из-за гигроскопичности хлористые соли перед рафинированием подвергают сушке (MnCl₂) или переплавке (ZnCl₂). Введение их в расплав производят с помощью колокольчика. При температуре расплава 700–730°С вводят 0,05–0,2 % ZnCl₂ или MnCl₂ при 740–750 °С в несколько приемов вводят 0,3–0,7 % гексахлорэтана. С понижением температуры эффективность рафинирования уменьшается в связи с повышением вязкости расплава; рафинирование при более высоких температурах нецелесообразно, так как оно сопряжено с интенсивным окислением расплава. Колокольчик с солью погружают на дно расплава и для более полной очистки непрерывно перемешивают расплав до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. При этом хлористые соли взаимодействуют с алюминием по реакции:

3MnCl₂+Al=2AlCl₃+3Mn.

Пузырьки хлористого алюминия, поднимаясь на поверхность расплава, увлекают взвешенные неметаллические включения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в металле водород, происходит очистка расплава. По окончании перемешивания расплаву дают отстояться в течение 10–15 мин при температуре 720–730 °С для удаления мелких пузырьков газа. Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой удельной поверхностью расплава. В печах с небольшим по высоте слоем расплава рафинирование введением хлоридов малоэффективно. Лучшие результаты в таких случаях дает рафинирование флюсами.

Для рафинирования большинства алюминиевых сплавов используют флюс, содержащий 47 % КС1, 30 % NaCl и 23 %Na₃AlF₆. Для очистки алюминиево-магниевых сплавов применяют флюсы на основе карналита: 80–85 % MgCl₂·KCl, 15–20 %CaF₂(MgF₂). Предварительно расплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5–1,0 % от массы металла засыпают на поверхность расплава при 700–750 ºС. Затем флюс в течение 3–5мин энергично замешивают в расплав, удаляют шлак и дают расплаву отстояться 10–15 мин. После повторного удаления шлака сплав используют для заливки форм. При обработке больших объемов металла флюс вводят с помощью колокольчика на дно расплава. Очистка расплавов хлоридами и флюсами не обеспечивает необходимую чистоту расплавов.

Более высокий уровень дегазации расплавов получают при вакуумировании. Сущность этого вида обработки состоит в том, что выплавленный по стандартной технологии в обычных печах металл переливают в ковш, который затем помещают в вакуумную камеру. Металл в камере выдерживают при давлении 1–10 мм рт. ст. в течение 10–30 мин; температура расплава при этом поддерживается 720–740 ºС. В тех случаях, когда вакуумирование осуществляют без подогрева, расплав перед обработкой перегревают до 760–780 ºС.

Общий недостаток перечисленных способов: операцию рафинирования производят на такой стадии технологического процесса, которая не исключает последующего загрязнения расплава во время заливки.

Сейчас для очистки алюминиевых сплавов все в больших масштабах применяют фильтрование, т.е. расплав пропускают через сетчатые, активные и жидкие фильтры. Сетчатые фильтры (стеклоткань; металлическая сетка) широко применяют для очистки расплавов от крупных включений и плен. Они отделяют те включения, размен которых больше размера ячейки сетки. Фильтры из стеклоткани устанавливают в литниковых каналах (рис. 3), раздаточных тиглях (рис. 4). Фильтры в 1,5- 2 раза снижают загрязненность расплавов неметаллическими включениями. Значительно больший эффект очистки дают"активные"фильтры (рис. 5). Простейший фильтр этого рода представляет собой слой крупки фильтрующего материала от 5 до 15мм в поперечнике высотой 100–150 мм. Отличительная особенность таких фильтров – большая поверхность соприкосновения с металлом и наличие длинных тонких каналов переменного сечения. Металл в таких фильтрах движется с переменной скоростью, что усиливает эффект очистки. Существенное значение для более тонкой очистки сплавов имеют адсорбционные силы, которые проявляются в смачивании материала фильтра металлом. Смачивающиеся ("активные") фильтры действуют в 2–3 раза более эффективно, чем несмачивающиеся.

Д ля изготовления фильтров используют шамот, магнезит, алунд, кремнезем, сплавы хлористых и фтористых солей и другие металлы. Полнота удаления взвешенных неметаллических включений зависит от природы материала, размера частиц фильтра, толщины фильтрующего слоя.

"Активные" фильтры, наряду с крупными включениями и пленками, удаляют до 30–40 % тонкодисперсных взвесей и на 10–20 % снижают содержание водорода в сплавах, прошедших рафинирование флюсом или хлоридами. По мере удаления тонкодисперсных взвесей увеличивается размер зерна в оливках, повышаются пластические свойства сплавов.

П ропускание алюминиевых сплавов через жидкие флюсы (рис. 6) обеспечивает более эффективную очистку от крупных плен и включений по сравнению с кусковыми фильтрами, и в отношении же очистки от взвесей и водорода кусковые фильтры имеют преимущества перед жидкими фильтрами.

Содержание неметаллических включений определяют методами химического анализа и отбором технологических проб. Вследствие сложности и трудоемкости химических методов последние не применяются для текущего контроля в цеховых условиях.

П рисутствие в расплавах крупных включений и плен в практике определяют по пробе В.И. Добаткина и В.К. Зиновьева (рис. 8). Из исследуемого расплава изготовляют (или вырезают из слитка) заготовку диаметром 50 мм и длиной 150 мм. Заготовку в нагретом виде осаживают по длине в "галету" толщиной 30 мм (пятикратная осадка). После этого по плоскости, перпендикулярной к направлению осадки, "галету" надрезают и ломают.

По количеству и площади неметаллических включений в изломе судят о чистоте расплава, Удовлетворительным считают такой расплав, в котором по технологической пробе неметаллических включений содержится не более 0,05 мм² на 1 см² площади излома. Качественную оценку загрязненности расплавов тонкодисперсными взвесями и водородом производят с помощью структурной пробы А.Г. Спасского и Е.Н. Кулагиной. Небольшую порцию расплава заливают в подогретую до 150–200 °С графитовую изложницу или в стержневую чашку. При кристаллизации на поверхности пробы происходят точечные разрывы оксидной пленки, представляющие собой следы пузырьков выделяющегося газа. По количеству разрывов, сравнивая пробу с эталонами, судят о степени газонасыщенности.

Загрязненность тонкодисперсными взвесями определяется размером макрозерна на поверхности структурной пробы. Малому удержанию взвесей соответствует крупное зерно. Степень загрязненности находят сопоставлением структурной пробы с эталонами.

О содержании газов в расплаве можно судить также при помощи вакуум-пробы. Для вакуум-пробы прокаленным графито-шамотным тиглем емкостью 200 г отбирается, небольшая порция жидкого сплава при 720–730 ºС. Этот металл охлаждается при пониженном давлении, 200–300 мм рт. ст., под вакуумным колоколом до полной кристаллизации. Уменьшение внешнего давления способствует полному выделению растворенных газов. Под давлением выделяющихся газов поверхность металла в тигле приобретает выпуклое очертание; в разрезе затвердевшего слитка появляются газовые раковины. Разрез вакуум-пробы сравнивают с эталонами, что дает возможность судить о степени газонасыщенности.

Газосодержание расплава на практике определяют методом Дардела-Гудченко (рис. 7). Метод основан на том, что в условиях равновесия парциальные давления газа в металле и в окружающей его газовой среде между собой равны. Пробу жидкого расплава помещают в вакуумную камеру и выдерживают ее при постоянной температуре с постепенным уменьшением наружного давления над расплавом (созданием разряжения) до появления первого пузырька газа, выделившегося из расплава. Момент выделения первого пузырька при условии наличия на расплаве плотной оксидной пленки (такая пленка образуется на алюминии и его сплавах), задерживающей диффузию газа, соответсвует равенству парциальных давлений внутри расплава и вне его. Зная остаточное давление в приборе и температуру расплава в момент выделения первого пузырька, определяют содержание газа в расплаве по уравнению:

где S – содержание газов в расплаве, см³/100 г сплава;

Т – температура расплава, К;

Р – остаточное давление в приборе, мм рт. ст.;

А, В – константы; для алюминия А=2760, В=1,356; для сплавов алюминия с кремнием А=2950, В=1,47; для сплава алюминия с 6 %Мg А=26 %, В=1,574.

В зависимости от прочности оксидной пленки на поверхности расплава пузырек газа будет выделяться при различном остаточном давлении. Это давление будет тем меньше, чем прочнее пленка оксидов. Различие плотности оксидной пленки учитывается в расчетной формуле величиной коэффициентов А и В.

В процессе заливки литейных форм очищенный расплав взаимодействует с воздухом атмосферы и газовой средой литейной формы, окисляется. В него замешиваются оксидные пленки с поверхности, разрывающиеся на кусочки при течении в каналах литниковой системы. Поэтому содержание газов в металле отливки будет более высоким, чем в исходном расплаве. В металле отливки будет и большее содержание неметаллических включений.

Оценить газосодержание металла отливки можно при помощи пятибалльной шкалы пористости ВИАМ. Шкала пористости ВИАМ устанавливает 5 эталонов, каждый из которых характеризуется количеством пор на 1 см² поверхности микрошлифа и диаметром пор в мм. В свою очередь каждому эталону пористости соответсвует определенное содержание газов (водорода). Количественые характеристики эталонов ВИАМ и соответствующие содержания газов приведены в табл. 7.

Для определения газовой пористости из отливок вырезают тем-плеты. Их фрезеруют, а затем последовательно шлифуют наждачной бумагой № 80, 120 и 280. Для окончательной доводки поверхности шлифа наждачную бумагу покрывают парафином. Шлиф перед травлением пропитывают спиртом, ацетоном или смывкой РД для удаления грязи и масла, а затем просушивают фильтровальной бумагой. После просушки темплеты протравливают 10–15 % раствором NaОН путем погружения в раствор и выдерживают до образования темной пленки на поверхности. Температура травления 60–80 °С, выдержка 10–90 с.

Затем шлиф пропитывают водой и опускают в 20–30 % раствор НNО₃ для снятия темной пленки, промывают водой и сушат. Отливки считают годными, если они имеют общую пористость 1–3 эталонов и зональную пористость (не более 25 % от площади контролируемой поверхности) 4 эталона шкалы ВИАМ.

По фактически выявленной пористости по шкале ВИАМ можно оценить примерное содержание водорода в отливке.

Таблица 7–Шкала пористости эталона

Характеристики эталонов	Номер эталона
	1	2	3	4	5
1. Количество пор на 1 см2	до 5	до 10	до 15	до 20	до 25
2. Диаметр пор, мм	до 0,1 (90 %) до 0,2 (10 %)	до 0,1 (80 %) до 0,2 (20 %)	до 0,3 (80 %) до 0,5 (20 %)	до 0,5 (70 %) до 1,0 (30 %)	до 0,5 (60 %) до 1,0 (30 %) св. 1,0 (10 %)
3. Содержание газов, см2/100 г сплава	0,3–0,4	0,4–0,65	0,65–1,0	1,0–1,3	1,3–2,6