1. Взаимосвязь характера затвердевания с интервалом кристаллизации и скоростью затвердевания

Характер затвердевания связывают, как правило, с шириной двухфазной жидко-твёрдой зоны или расстоянием между полностью твёрдой и полностью жидкой частями отливки.

Характер затвердевания определяется интервалом кристаллизации. Реальные сплавы всегда имеют интервал кристаллизации и по этому признаку подразделяются на узкоинтрвальные

(tл -tс < 10…30К; среднеинтервальные (30К< tл -tс< 100К); и широкоинтервальные

(tл -tс>150К).

Ширина двухфазной зоны кроме интервала кристаллизации зависит также от скорости теплоотвода. С усилением теплоотвода (увеличением скорости охлаждения) ширина двухфазной зоны будет уменьшаться.

При последовательном затвердевании сплавы с Ткр = const и узкоинтрвальные сплавы обладают высокой жидкотекучестью, более высокой плотностью (меньшей склонностью к усадочной пористости), меньшей склонностью к горячим трещинам, большей склонностью к образованию столбчатой структуры. При объёмном затвердевании широкоинтервальных сплавов картина противоположная: пониженные литейные свойства, структура равноосная и т.д.

Поэтому при разработке технологии изготовления отливок необходимо заранее знать тип характера затвердевания сплава.

Глава 13. Технологические основы плавки сплавов цветных металлов

Литература к главе 13.

1. Цветное литьё: Справочник/ Н.М.Галдин, Д.Ф.Чернега, и др. под общей редакцией Н.М.Галдина.

2. Курдюмов А.В.,Пикунов М.В. и др. « Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для ВУЗов. МИСиС,1996.

3. Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. Под редакцией А.Дж. Мерфи. МЕТАЛЛУРГИЗДАТ.

4. Милицин К.Н., Ловчиков В.С., Суворов Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. Металлургиздат, 1956.

5. Юдкин В.С. Производство и литьё сплавов цветных металлов. Т.1, 2. М.:

«МЕТАЛЛУРГИЯ». 1971.

6. Воздвиженский в.М., Грачёв в.А., Спасский в.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение, 1984.432 с.

7. МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия. Раздел 111. Технология производства машин. Том 111-2. Технология заготовительных производств. М.: «Машиностроение», 1996.

8. Трухов А.П. Литейные сплавы и плавка6 учебник для студ. высш. учеб. заведений /

А.П.Трухов, А.И.Маляров. – М.: Иэдательский центр «Академия», 2004. - 2004. – 336 с.

9. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учебное пособие для вузов. – М.: «МИСиС», 2005. – 416 с.

13.1. Основные задачи разработки технологии плавки.

Главной задачей разработки технологии плавки является обеспечение условий получения качественного металла, пригодного для изготовления отливок и слитков. Понятие качественный металл включает в себя заданный химический состав сплава, необходимую температуру, минимальное содержание газов и неметаллических включений, структуру, механические и другие требуемые свойства сплава. При этом учитывается количественная потребность в расплаве в единицу времени. Исходя из этого, выбирают метод плавки и вид плавильного агрегата, его производительность. Материал футеровки печи выбирают в зависимости от температуры плавления основного компонента сплава, его химической активности и активности других легирующих элементов. Располагая сведениями о свойствах металлов, характере их взаимодействия с газами и огнеупорными материалами, можно создать научно-обоснованную технологию плавки.

Разработка технологии плавки включает в себя выбор плавильного агрегата, вида энергии, материала футеровки печи, шихтовых материалов, состава атмосферы, способа

предотвращения возможного загрязнения расплава и способов его рафинирования, а также способов раскисления и модифицирования.

Рассмотрим сначала некоторые определения и понятия.

Плавка. Плавкой называется комплекс металлургических процессов в плавильных печах, связанных с нагревом исходных шихтовых материалов и получением конечного продукта в виде расплава, имеющего определённый химический состав, температуру и свойства, обеспечивающие требуемое качество литых заготовок.

Плавкой называют также количество металла, получаемого из печи за один цикл операции плавки

Шихта – исходные материалы, загружаемые в плавильную печь, которые должны обеспечить требуемое качество получаемого жидкого металла.

Первичные шихтовые материалы – продукты первичной металлургической плавки.

Вторичные шихтовые материалы –металлический лом, вторичные сплавы (чушки), полученные на специализированных предприятиях путём переплава лома цветных металлов.

Основные и вспомогательные элементы это материалы, вводимые в печь в качестве легирующих компонентов и элементы, вводимые для раскисления и рафинирования сплавов, а также другие материалы, попавшие в печь в виде примесей.

Газовая фаза печи – газовая среда в плавильной печи, которая образуется из окружающей атмосферы печи (если печь не герметизирована или не вакуумирована), продуктов сгорания топлива и газообразных продуктов других химических реакций, протекающих в печи. В некоторых случаях в рабочее пространство печи вводят защитные, окислительные, рафинирующие газы, которые также входят в состав газовой фазы, участвующей во всех процессах плавки.

Шлаками называют продукты плавки, которые образуются в плавильной печи в результате сплавления веществ, посторонних по отношению к металлу. К таким веществам относятся оксиды металла и песок на поверхности кусков шихты, зола топлива, частицы оплавившихся огнеупорных материалов и другие вещества, наличие которых зависит от выплавляемого сплава, типа плавильной печи, используемых шихтовых материалов и других особенностей технологии плавки. Образование шлака в процессе плавки связано с дополнительными затратами энергии и времени на разогрев, плавление и на его удаление. Этим объясняется представление о шлаке как о побочном вредном продукте плавки. Однако шлаки оказывают при надлежащих физико-химических свойствах важное положительное воздействие на качество получаемого металла. Они защищают металл от окисления, растворения в нём газов, способствуют удалению вредных примесей и т. д. Для придания шлакам требуемых физико-химических свойств в печь добавляют флюсы.

Флюс- материал, вводимый в печь при плавке металлов для рафинирования сплава, раскисления и других целей.

Рафинирование - операция по удалению из расплава вредных примесей.

Раскисление – операция по удалению из расплава растворённого кислорода или оксидов.

Дегазация – операция по удалению из расплава растворённых газов.

Модифицирование – операция по обработке расплава специальными средствами для создания мелкокристаллической структуры сплава при затвердевании. (Или для создания условий преобразования структуры сплава при кристаллизации).

Угар металла - потери металла в результате окисления, испарения и взаимодействия с футеровкой и шлаками в процессе плавки. Отмечаются также общие потери металла, связанные с образованием настылей на ковшах, на тиглях, разбрызгиванием при заливке и выпуске металла из печи, потерями металла с шлаком.

Футеровкой называется слой материала, образующий внутреннее пространство плавильной печи. Этот слой должен сохранять в течение длительного времени достаточно высокие прочностные свойства при высокой температуре, а также противостоять химическому воздействию со стороны шлака, расплавленного металла и газовой фазы печи. Материалы, из которых изготовляется футеровка, называются огнеупорными материалами или просто огнеупорами.

В таблице 13.1. приведены основные характеристики огнеупорных материалов.

Таблица 13.1. Классификация огнеупорных материалов

Тип	Группа	Содержание основных составляющих, %	Химические свойства	Огнеупорность,ºС
Кремнезёмистые	Динасовые	93…96 SiO2	Кислые	1680…1730
	Кварцевые	Свыше 98% SiO2		1750…1800
Магнезиальные	Магнезитовые	90…95 MgO	Основные	2300…2500
	Доломитовые	45…60MgO;30…35CaO		1750…1850
Алюмосиликатные	Полукислые	65…80 SiO2; 30…17Al2O3	Полукислые	1600…1700
	Шамотные	50…65 SiO2; 45…30 Аl2O3	Нейтральные	1600…1700
	Высокоглинозёмистые	46…99Al2O3; до 50 SiO2		1800…2000
Хромистые	Хромомагнезитовые	10…20 Cr2O3; 70…50 MgO	Нейтральные	Свыше 2200
	Хромитовые	68 Cr2O3; 32; FeO
Углеродистые	Графитированные	До 98 С	-	До 3500
	Неграфитированные	До 85 С
	Углеродсодержащие	20…60С графит, шамот, кварцит, глина		До 2000
Цирконсодержащие	Циркониевые	Свыше 90 ZrO2	-	Cв 2400
	Цирконовые	60…65 ZrO2; 40…35 SiO2		Св 2000
Карбидкремниевые	Карборундовые	30…95 SiC	-	-

При рассмотрении процесса плавки целесообразно применить системный анализ, который представляет собой определение свойств и связей между системными объектами и явлениями.

Рассмотрим схему системного анализа процесса плавки (рис. ). Системные объекты в данном случае - это вход, процесс плавки, выход, а также обратная связь. Входом называется то, что изменяется при протекании процесса плавки.

При плавке литейных сплавов входом является шихта, а также плавильная печь и энергия. Вход состоит из элемента, который обрабатывается (в данном случае это шихта) и элементов, с помощью которых производится обработка, т.е. это процессор. Процессором в данном случае является энергия и плавильная печь.

Выходом является результат или конечное состояние процесса. Процесс превращает вход в выход.

Обратная связь содержит три элемента: модель выхода, проверку соответствия и модель воздействия.

Процессы, преобразующие вход в выход, состоят из следующих операций: подготовки печи, загрузки шихты в печь, нагрева, плавления шихты, перегрева и доводки расплава, т.е доведения расплава до заданной температуры, очистки расплава от вредных примесей (рафинирования), доведения расплава до заданного химического состава, накопления определённого количества готового сплава, выпуска расплава в разливочный ковш, внепечной обработки.

Выходом является основной продукт – жидкий расплав. Побочным продуктом является жидкий шлак и отходящий газ.

Моделью выхода является состав, структура и свойства сплава.

При этом производится проверка принятой программы управления процессом плавки путём сравнения параметров свойств сплава с нормативами, стандартами и техническими условиями.

По результатам проверки производится корректировка принятой модели путём корректирования состава шихты, подготовки печи, последовательности загрузки шихтовых материалов и выполнения режима плавки.

Воздействие на расплав производится путём корректировки его химического состава, температуры, рафинирования, и внепечной обработки.

При проведении процесса плавки происходит изменения и с процессором. Энергия расходуется на процесс плавки. В плавильной печи происходит оплавление футеровки. Поэтому при работе процессора также необходима обратная связь, состоящая в контроле и корректировке состояния печи и интенсивности подачи энергии.

СХЕМА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ПЛАВКИ

В Ы Х О Д
Побочные продукты(шлак)	Плавильная печь после плавки
ЖИДКИЙ СПЛАВ

ВХОД
Плавильная печь	Энергия
	Шихта

Процессы плавки
Подготовка печи печи	Подготовка шихты	Загрузка шихты	Нагрев	Плавление шихты	Перегрев и доводка расплава	Накопление	В Ы П У С К

Контроль подготовки печи

Контроль подготовки шихты

Дозирование шихты и флюсов, расчёт и корректировка шихты

Режим плавки

Корректировка расплава по хим. составу и температуре

Раскисление расплава, рафинирование, дегазация, модифицирование

Внепечная обработка расплава: вакуумирование, обработка инертными газами, модифицирование

Соответствие сплава стандартам, техническим условиям, инструкциям.

Температура, хим. состав, структура, физико-механические свойства

Состояние футеровки печи

МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ ПЛАВКИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОВЕРКИ

Проверка соответствия

Модель выхода

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

При проведении процесса плавки сплавов осуществляют следующие технологические операции:

- Расчёт шихты.

В зависимости от необходимого химического состава сплава определяют необходимые шихтовые материалы и выполняют расчёт шихты с учётом угара элементов.

- Предотвращение расплава от загрязнения.

В большинстве случаев плавку цветных сплавов ведут на воздухе. Если при взаимодействии жидких металлов с воздухом образуется плотная окисная плёнка, то плавку ведут без применения специальных средств, предотвращающих контакт с воздухом. Это алюминий, цинк, олово, свинец и их сплавы. Если плёнка непрочная и не способна защищать сплав от окисления (магний), то используют защитную атмосферу. Если газ (водород) растворяется в металле и может образовывать газовые раковины, то совершенно необходима защита расплава от контакта с атмосферой. Это относится к меди, никелю и другим металлам. Для этого применяют специальные флюсы или другие защитные средства. Если этого недостаточно, применяют инертные газы или вакуум.

- Рафинирование расплава. Раскисление.

В процессе плавки многие металлы загрязняются примесями выше допустимых пределов, поэтому для удаления этих примесей проводят рафинирование расплавов (для удаления растворённых газов – дегазацию). Для удаления растворённого кислорода применяют раскисление.

- Модифицирование.

Многие сплавы для повышения механических и технологических свойств подвергают модифицированию, в результате чего они приобретают мелкокристаллическое строение. Эффект модифицирования теряется с течением времени, поэтому осуществляется непосредственно перед разливкой сплава.

При разработке технологии плавки учитывают. Что количество полученного жидкого металла будет несколько меньше, чем масса загруженной шихты из-за потерь металла в шлаке и на угар. Эти потери составляют 2-5 % в зависимости от активности металлов, составляющих сплав, типа печи, состава атмосферы, массы металла и др. факторов.

При плавке на поверхности расплава всегда образуются шлаки, представляющие собой смесь оксидов основного компонента сплава, легирующих компонентов и примесей. Кроме того, в шлаке обязательно присутствуют частицы футеровки. Шлаки могут быть твёрдыми, жидкими или частично жидкими (творожистыми). Шлаки всегда содержат примеси свободного металла в виде корольков. В твёрдом шлаке замешивается до 50% свободного металла, в жидком – 20-30% от массы шлака.

13.2. Исходные шихтовые материалы

Шихтовыми материалами или шихтой называются все металлические материалы, применяемые для приготовления сплава заданного химического состава.

При производстве отливок из сплавов цветных металлов в качестве исходных шихтовых материалов применяют:

1. первичные или чистые металлы, которые являются основой сплава или легирующими элементами;

2. чушки вторичных сплавов цветных металлов, получаемых с заводов вторичных цветных металлов и используемых для приготовления специальных марок сплавов или для подшихтовки;

3. лигатуры цветных металлов и сплавов;

4. возврат собственного производства (литники, скрап, выпоры, прибыли, бракованные отливки, стружка и др. отходы);

5. лом и отходы цветных сплавов, поступающих со стороны;

6. предварительные сплавы, полученные в литейных цехах путём переплава отходов и отлитые в виде чушек.

Все материалы должны быть снабжены сертификатами, подтверждающих качество материалов.

Химический состав первичных металлов, вторичных сплавов, лигатур, лома и предварительных сплавов регламентирован соответствующими стандартами и техническими условиями.

13.2.1. Первичные металлы

Алюминий. Алюминий применяют в качестве основы алюминиевых сплавов и легирующего элемента магниевых, медных, титановых и других сплавов.

Первичный алюминий поставляется в чушках по ГОСТ 11070-74 массой 5, 15 и 1000 кг. По химическому составу алюминий в соответствии с ГОСТ 11069-2001 подразделяется на алюминий особой высокой и технической чистоты.

Магний. Магний является основой магниевых сплавов. Кроме того, магний используется для легирования алюминиевых, цинковых и других сплавов. Первичный магний выпускают в чушках в соответствии с ГОСТ 804-93 и маркируют в зависимости от чистоты.

Медь. Медь является основой бронз и латуней. Применяют медь также для легирования алюминиевых цинковых и других сплавов. Промышленность выпускает медь в виде катодов и слитков. По химическому составу медь различается содержанием примесей и должна соответствовать ГОСТ 859-2001. Медные катоды выпускают в соответствии с ГОСТ 546-2001.

Марганец. Марганец применяют для легирования алюминиевых, медных, магниевых и других сплавов. Промышленность выпускает металлический марганец в соответствии с ГОСТ 6008-91 в виде кусков, пластинок или слитков массой не более 15 кг.

Никель .Никель является основой жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких и других сплавов, а также никель применяют для легирования алюминиевых. Медных, титановых и других сплавов. Химический состав никеля регламентирован ГОСТ 849-97. Никель выпускают в виде катодов, гранул и слитков.

Кремний. Кремний (ГОСТ 2169-69) поставляется в виде кусков нерегламентированной формы размерами не менее 20 мм. Кремний используется для легирования алюминиевых, медных и других сплавов.

Цинк. Цинк выпускают по ГОСТ 3640-94. Цинк является основой антифрикционных сплавов, сплавов для литья под давлением и типографских сплавов. Цинк применяют также для легирования медных, алюминиевых и других сплавов.

Олово. Олово выпускают в соответствии с ГОСТ 860-75. Олово является основой сплавов для литья под давлением, баббитов и припоев. Олово применяют также для легирования медных сплавов.

Свинец. Свинец является основой подшипниковых сплавов (антифрикционных), припоев и типографских сплавов. Химический состав свинца регламентирован ГОСТ 3778-98.

Титан. Титан применяют как конструкционный материал и в качестве легирующего элемента для чёрных и цветных сплавов. Химический состав титана регламентирован ГОСТ 19807-91. Для получения полуфабрикатов и титановых сплавов чаще применяют губчатый титан, химический состав которого регламентирован ГОСТ 17746-96.

Кобальт. Кобальт выпускают по ГОСТ 123-78 в виде слитков, катодных листов или пластин. Применяют кобальт для легирования жаропрочных сплавов.

Литий. Литий применяют для легирования алюминиевых, медных, магниевых сплавов, а также баббитов для замены олова. Выпускают литий по ГОСТ 8774-75.

Бериллий. Бериллий применяют для легирования сплавов на основе меди , магния, никеля, алюминия и др. металлов.

Кадмий. Кадмий применяют в качестве легирующего элемента в припоях, типографских, медных и других сплавов. Химический состав кадмия регламентирован ГОСТ 1467-93. Изготавливают кадмий в виде чушек, слитков, гранул и прутков.

Сурьма. Сурьма по химическому составу должна удовлетворять требованиям ГОСТ 1089-82. Применяется сурьма в качестве легирующего элемента в свинцовых, алюминиевых, медных, оловянных и других сплавов.

Хром. Хром металлический по химическому составу должен удовлетворять требованиям ГОСТ 5905-79. Применяют хром в качестве легирующего компонента в никелевых, медных, титановых и других сплавах.

Ниобий. Ниобий выпускают в виде штабиков по ГОСТ 16100-79 и слитков по ГОСТ 16099-80. Ниобий в штабиках предназначен для производства и легирования сплавов. Ниобий в слитках предназначен для изготовления труб, листов, прутков, проволоки и других изделий.

Вольфрам. Вольфрам применяют для изготовления твёрдых сплавов, проволоки для источников света. Вольфрам для изготовления проволоки должен иметь химический состав в соответствии с ГОСТ 19671-81.

Ванадий. Ванадий применяется для легирования чёрных и цветных сплавов и выпускается в виде феррованадия, лигатур и чистого ванадия по ТУ в виде слитков и электролитического порошка. Феррованадий выпускают по ГОСТ 27130-86.

Цирконий. Цирконий применяют в качестве припоев для пайки титановых сплавов, а также для изготовления полос, труб, прутков и для легирования различных сплавов. Циркониевый порошок выпускают по ЦМТУ 3145-52……………….?

Тантал. Тантал применяют для изготовления тугоплавких, износостойких и коррозионностойких сплавов.

Редкоземельные металлы (лантан, церий, празеодим, иттрий и др.). РЗМ применяют для легирования самых различных сплавов…………………………………………………………..?

14.2.2. Вторичные сплавы цветных металлов

Вторичными сплавами называют сплавы, получаемые на заводах вторичных сплавов из отходов цветных сплавов и применяемых в качестве шихтовых материалов при плавке и получении отливок и слитков из сплавов цветных металлов.

К вторичным сплавам относятся:

Баббиты кальциевые в чушках, ГОСТ 1209-90.

Баббиты оловянные и свинцовые, ГОСТ 1320-98.

Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 1583-93. Названный стандарт регламентирует сплавы алюминиевые литейные и сплавы в чушках.

Сплавы медно-фосфористые, ГОСТ 4515-81.(4518-75). Эти сплавы применяют для раскисления и легирования фосфором медных сплавов.

Бронзы литейные в чушках, ГОСТ 614-97.

Сплавы цинковые литейные в чушках для литья под давлением, ГОСТ 19424- 97.

Сплавы цинковые антифрикционные в чушках, ГОСТ 21438-95.

Латуни литейные в чушках, ГОСТ 1020-97.

Сплавы алюминиевые деформируемые в чушках, ГОСТ 1131-76.

Сплавы магния в чушках, ГОСТ 2581-78.

Силумины в чушках, ГОСТ 1521-76 (1571-76).