Производство отливок из сплавов цветных металлов

процессов, но и возможны более полный учет и оценка наибольшего числа этих

процессов.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ

Отправными точками при создании технологии плавки металла или сплава

являются его состав, который включает в себя основу, легирующие компоненты

и примеси, и заданный уровень механических и других свойств сплава в

отливке. Кроме того, учитывается количественная потребность в расплаве в

единицу времени. Вид плавильной печи подбирают, исходя из температуры

плавления основного компонента сплава и химической активности как его, так

и всех легирующих компонентов и наиболее вредных примесей, 0дно-временно

решается вопрос о материале футеровки печи.

В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с

воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в

расплаве соединений и возникающая пленка этих соединений существенно

замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер

для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом

контакте расплава с атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства

алюминиевых, цинковых, оловянносвинцовых сплавов. Если же образующаяся

пленка нерастворимых соединений непрочна и неспособна защитить расплав от

дальнейшего взаимодействия (магний

и его сплавы), то принимают специальные меры, используя флюсы или

защитную атмосферу.

Защита расплава от взаимодействия с газами совершенно необходима, если

газ растворяется в жидком металле. Главным образом стремятся предотвратить

взаимодействие расплава с кислородом. Это относится к плавке сплавов на

основе никеля и медных сплавов, способных растворять кислород, где расплавы

обязательно защищают от взаимодействия с .атмосферой печи. Защита расплава

достигается прежде всего применением шлаков, флюсов и других защитных

покровов. Если подобные меры оказываются недостаточными или невозможными,

прибегают к плавке в атмосфере защитных или инертных газов. Наконец,

используют плавку в вакууме, т. е. при пониженном до определенного уровня

давлений газов. В некоторых случаях для уменьшения интенсивности

взаимодействия расплава кислородом в него вводят добавки бериллия (сотые

доли процента в аллюминиевомагниевые и магниевые сплавы), кремния и

алюминия (десятые доли процента в латуни).

Несмотря на защиту, металлические расплавы все же загрязняются

различными примесями выше допустимого предела. Нередко в шихтовых

материалах имеется слишком много примесей. Поэтому часто при плавке

проводят рафинирование расплавов — очистку от растворимых и нерастворимых

примесей, а также раскисление — удаление растворенного кислорода. Многие

сплавы находят применение, в модифицированною состоянии, когда они

приобретают мелкокристаллическое строение и более высокие механические или

технологические свойства. Операция модифицирования проводится как одна из

последних ступеней процесса плавки непосредственно перед разливкой. При

разработке технологии плавки учитывают, что масса полученного жидкого

металла всегда будет несколько меньше массы металлической шихты из-за

потерь металла в шлаке и потерь на угар. Эти потери составляют в сумме 2-5

%, при этом чем больше масса единичной плавки, тем меньше потери.

Шлак, всегда появляющийся на поверхности расплава, представляет собою

сложную систему из сплавов-растворов и смесей оксидов основного компонента

сплава, легирующих компонентов и примесей. Кроме того, в шлаке обязательно

присутствуют оксиды футеровки плавильной печи. Такой естественно

возникающий на расплаве первичный шлак может быть полностью жидким,

частично жидким (творожистым) и твердым. Кроме оксидов, шлаки всегда

содержат некоторое количество свободного металла. В жидких и творожистых

шлаках свободный металл находится в виде отдельных капель - корольков. Если

же оксиды, составляющие шлак, находятся ниже своей точки плавления, то они

являются твердыми. При перемешивании расплава и попытках удаления с него

шлака происходит замешивание этих оксидов, часто и имеющих вид плен, в

расплав. Таким образом, несмотря на тугоплавкость оксидов, образующийся и

удаляемый шлак имеет жидкую консистенцию, которая обусловлена большим

количеством захваченного расплава. В таком шлаке количество свободного

металла составляет около 50% от всей массы удаляемого шлака, тогда как в

действительно жидких шлаках его содержание не превышает 10—30%.

Потери металлов при плавке на угар определяются их испарением и

взаимодействием с футеровкой, выражающемся в ее металлизации.

Металл, находящийся в шлаке, может быть возвращен в производство.

Наиболее просто это достигается по отношению к свободному металлу, не

связанному в какие-либо соединения. Дробление и просев шлака позволяют

возвратить 70—80 % свободного металла. Оставшийся шлак представляет собой

доброкачественное металлургическое сырье, и его направляют на

металлургические предприятия для выделения наиболее ценных компонентов.

При определении потерь металла при плавке на угар и со шлаком нельзя

забывать о загрязненности шихтовых материалов инородными неметаллическими

примесями и включениями в виде остатков масла, эмульсии, воды, шлака,

формовочной и стержневой смесей. Масса этих примесей при невнимательной

работе автоматически засчитывается как масса подвергаемого плавке металла,

и в итоге получается необоснованно завышенная величина потерь при плавке.

Важной стороной технологии является температурный режим плавки,

порядок загрузки шихтовых материалов и введения отдельных компонентов

сплава, последовательность технологических операций металлургической

обработки расплава. Плавку всегда проводят в

предварительно разогретой печи, температура в которой должна быть на

100—200 °С выше температуры плавления основного компонента сплава.

Желательно, чтобы все загружаемые в печь материалы были нагреты до

150—200°С с тем, чтобы в них не оставалась влага. Первым в плавильную печь

загружают тот шихтовой материал, который составляет наибольшую долю в

навеске. В случае приготовления сплава из чистых металлов первым всегда

загружают основной компонент сплава. Если плавку ведут с применением шлаков

и флюсов, то их обычно засыпают сверху загружаемой металлической шихты.

Если условия производства позволяют, новую плавку

начинают, оставляя в печи некоторое количество расплава от предыдущей

плавки. Загрузка шихты в жидкую ванну существенно ускоряет процесс плавки и

снижает потери металла. Сначала в жидкую ванну загружают более тугоплавкую

шихту. Периодически добавляют свежий шлак или флюс и, если необходимо,

удаляют старый. Если по технологии необходимо раскисление расплава

(удаление растворенного кислорода), то его проводят таким образом, чтобы

избежать образования в расплаве трудно удаляемых и вредных неметаллических

включений и обеспечить надежное удаление продуктов раскисления (см. ниже).

В последнюю очередь в расплав вводят летучие и химически активные

компоненты сплава, чтобы уменьшить их потери. Затем проводят рафинирование

расплава. Непосредственно перед разливкой расплав модифицируют.

Условия введения отдельных видов шихты или компонентов сплава в жидкую

ванну целесообразно определять, сопоставляя температуру плавления

загружаемого материала и его плотность с температурой плавления и

плотностью сплава. Необходимо также знать хотя бы двойные диаграммы

состояния основного компонента сплава с легирующими компонентами, примесями

и модифицирурующими и добавками.

В подавляющем большинстве случаев все легирующие компоненты и

примеси растворяются в жидкой основе сплава, так что расплав можно считать

раствором. Однако получение и образование такого раствора осуществляют

различными путями. Если очередная твердая добавка будет иметь температуру

начала плавления более высокую, чем расплав, то возможно лишь обычное

растворение твердого тела в жидком. Для этого необходимо активное

принудительное перемешивание. Указанная тугоплавкая добавка может иметь

плотность, меньшую плотности расплава, и в этом случае она будет плавать на

поверхности, где возможно ее окисление, запутывание в шлак. Отсюда

возникает опасность непопадания в заданный состав сплава. Если такая

«легкая» добавка имеет меньшую температуру плавления, чем расплав, она

переходит в жидкое состояние и поэтому ее даль-дальнейшее растворение в

расплаве существенно облегчается. В некоторых случаях, чтобы избежать

окисления и потерь, подобные добавки вводят в расплав с помощью так

называемого колокольчика— дырчатого стакана, в который закладывают вводимую

добавку, и затем погружают в расплав. Если добавка тяжелее расплава, она

погружается на дно жидкой ванны, поэтому ее окисление маловероятно. Однако

трудно проследить за растворением таких добавок, особенно если они более

тугоплавки, чем расплав. Необходимо достаточно длительное и тщательное

перемешивание всей массы расплава, чтобы обеспечить полное растворение.

Для приготовления сплавов нередко пользуются лигатурами. Так называют

промежуточные сплавы, состоящие обычно из основного компонента рабочего

сплава с одним или несколькими легирующими компонентами, но в значительно

больших содержаниях, чем в рабочем сплаве. К использованию лигатур

приходится прибегать в тех случаях, когда введение компонента-добавки в

чистом виде затруднено по различным причинам. Такими причинами могут быть

длительность процесса растворения, потери от окисления, испарения,

шлакообразования.

Лигатуры используют также при введении химически активных добавок,

которые на воздухе в свободном виде могут взаимодействовать с кислородом и

азотом. Лигатуры широко используют и в тех случаях, когда чистый элемент-

добавка слишком дорог или его вообще не получают, производство же сплавов-

лигатур уже освоено, они доступны и достаточно дешевы.

Наконец, лигатуры целесообразно применять при необходимости введения в

сплав очень малых добавок. Навеска чистой добавки может составлять всего

несколько сот граммов на несколько сот килограммов расплава. Надежно ввести

такое малое количество легирующего компонента практически невозможно из-за

различного рода потерь и неравномерности распределения. Использование

лигатуры, которую вводят в значительно большем количестве, устраняет эти

трудности.

Следует отметить, что общим правилом технологии плавки сплавов

является как можно меньшее время процесса. Это способствует уменьшению

затрат энергии, потерь металла, загрязнения расплава газами и примесями.

Вместе с тем необходимо иметь в виду, что для полного растворения всех

компонентов и усреднения состава сплава обязательно следует «проварить»

расплав — выдержать его при наибольшей допустимой температуре в течение

10—15 мин.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

В зависимости от масштабов производства, требований, предъявляемых к

качеству выплавляемого металла и целого ряда других факторов, в цехах

заготовительного и фасонного литья цветных металлов применяют различные

типы плавильных печей.

По виду используемой для плавки сплавов энергии все плавильные печи

делят на топливные и электрические. Топливные печи подразделяют на

тигельные, отражательные и шахтно-ванные. Электрические печи классифицируют

в зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В

литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые,

электронно-лучевые и плазменные.

В электрических печах сопротивления нагрев и расплавление шихты

осуществляются за счет тепловой энергии, поступающей от

электронагревательных элементов, установленных в своде или в стенках

плавильной печи. Эти печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых,

цинковых, оловянных и свинцовых сплавов.

Индукционные печи по принципу работы и конструкции подразделяют на

тигельные и канальные. Тигельные печи в зависимости от частоты питающего

тока классифицируют на печи повышенной [(0,15—10)- 10^6 пер/с] и

промышленной частоты (50 пер/с).

Независимо от частоты питающего тока принцип работы всех индукционных

тигельных печей основан на индуктировании электромагнитной энергии в

нагреваемом металле (токи Фуко) и превращении ее в тепловую. При плавке в

металлических или других тиглях, изготовленных из электропроводных

материалов, тепловая энергия передается к нагреваемому металлу также

стенками тигля. Индукционные тигельные печи применяют для плавки

алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов, а также сталей и

чугунов.

Индукционные канальные печи используют для плавки алюминиевых, медных,

никелевых и цинковых сплавов. Помимо плавильных печей, применяют также

индукционные канальные миксеры, служащие для рафинирования и поддержания

температуры жидкого металла на заданном уровне. Плавильно-литейные

комплексы, состоящие из плавильной печи — миксера — литейной машины,

используют при литье слитков из алюминиевых, магниевых и медных сплавов

непрерывным методом. Принцип тепловой работы канальных индукционных печей

аналогичен принципу работы силового электрического трансформатора тока,

состоящего, как известно, из первичной катушки, магнитопровода и вторичной

катушки. Роль вторичной катушки в печи играет короткозамкнутый канал,

заполненный жидким металлом. При пропускании тока через индуктор печи

(первичная катушка) в заполненном жидким металлом канале индуцируется

электрический ток большой величины, который разогревает находящийся в нем

жидкий металл. Тепловая энергия, выделяемая в канале, нагревает и

расплавляет металл, находящийся над каналом в ванне печи.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла от электрической дуги к

нагреваемому металлу подразделяются на печи прямого и косвенного нагрева.

В печах косвенного нагрева большая часть тепловой энергии от горячей

дуги передается к нагреваемому металлу излучением, а в печах прямого

действия — излучением и теплопроводностью. Печи косвенного действия

применяют в настоящее время ограниченно. Печи прямого действия

(электродуговые вакуумные с расходуемым электродом) используют для плавки

тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, а также легированных

сталей, никелевых и других сплавов. По конструкции и принципу работы

электродуговые печи прямого действия делятся на две группы: печи для плавки

в гарнисажном тигле и печи для плавки в изложнице или кристаллизаторе.

Электронно-лучевые плавильные печи применяют для плавки тугоплавких и

химически активных металлов и сплавов на основе ниобия, титана, циркония,

молибдена, вольфрама, а также для ряда марок сталей и других сплавов. В

основе принципа электронно-лучевого нагрева лежит преобразование

кинетической энергии потока электронов в тепловую при их встрече с

поверхностью нагреваемой шихты. Выделение тепловой энергии происходит в

тонком поверхностном слое металла. Нагрев и плавление проводят в вакууме

при остаточном давлении 1,3- 10^-3 Па. Электронно-лучевую плавку используют

для получения слитков, и фасонных отливок. При электроннолучевой плавке

можно значительно перегревать жидкий металл и длительное время выдерживать

его в жидком состоянии. Это преимущество позволяет эффективно рафинировать

расплав и очищать его от ряда примесей. С помощью электронно-лучевой

Плавки из металла могут быть удалены все примеси, давление пара

которых существенно превышает давление пара основного металла. Высокая

температура и глубокий вакуум способствуют также очистке металла от

примесей за счет термической диссоциации оксидов нитридов и других

соединений, находящихся в металле. Печь электрошлакового переплава ЭШП

по принципу работы Представляет собой печь сопротивления косвенного

нагрева, в которой источником тепла является ванна расплавленного шлака

заданного химического состава. Переплавляемый металл в виде расходуемого

электрода погружают в слой (ванну) жидкого электропроводного шлака. Через

расходуемый электрод и шлак пропускают электрический ток. Шлак

разогревается, торец расходуемого электрода оплавляется и капли жидкого

металла, проходя через слой химически активного шлака, очищаются в

результате контакта с ним и формируются в изложнице в виде слитка. Шлак

защищает жидкий металл- от взаимодействия с атмосферой воздуха. Печи ЭШП в

основном применяют для получения слитков из высококачественных сталей,

жаропрочных, нержавеющих и других сплавов. Метод ЭШП используют также для

производства крупных фасонных отливок: коленчатых валов, корпусов, арматуры

и других изделий.

В плазменных плавильных печах источником тепловой энергии является

поток нагретого до высокой температуры ионизированного газа (плазменная

дуга), который при соприкосновении с металлом нагревает и расплавляет его.

Для получения потока плазмы плавильные печи оборудуют специальными

устройствами — плазмотронами. Плазменный способ нагрева и плавления сплавов

применяют в печах ванного типа, в плавильных установках для получения

слитков в кристаллизаторе и для плавки металлов в гарнисажном тигле.

Плазменные печи ванного типа в основном применяют для плавки сталей, а

также сплавов на основе никеля. Плазменные печи для плавки в

кристаллизаторе могут использоваться для получения слитков из сталей,

бериллия, молибдена, ниобия, титана и других металлов. Плазменные печи для

плавки в гарнисажном тигле предназначены для фасонного литья сталей,

тугоплавких и химически активных металлов.

ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ АЛЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Литье в песчаные формы

Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее широкое

применение при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов получило литье в

сырые песчаные формы. Это обусловлено невысокой плотностью сплавов,

небольшим силовым воздействием металла на форму и низкими температурами

литья (680—800С).

Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые

смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138—74),

формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих и вспомогательных материалов.

Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью стержней,

изготавливаемых в основном по горячим (220—300 °С) стержневым ящикам. Для

этой цели используют плакированный кварцевый песок или смесь песка с

термореактивной смолой и катализатором. Для изготовления стержней широко

используют однопозиционные пескострельные автоматы и установки, а также

карусельные многопозиционные установки. Стержни, подвергающиеся сушке,

изготавливают на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах или

вручную из смесей масляными (4ГУ, С) или водорастворимыми связующими.

Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч) зависит от массы и размеров стержня

и определяется обычно опытным путем. Температуру сушки назначают в

зависимости от природы связующего: для масляных связующих 250—280 °С, а для

водорастворимых 160—200 °С. Для изготовления крупных массивных стержней все

большее применение получают смеси холодного твердения (ХТС) или

жидкодвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холодного твердения в

качестве связующего содержат синтетические смолы, а катализатором холодного

твердения обычно служит ортофосфорная кислота. Смеси ЖСС содержат

поверхностно-активное вещество, способствующее образованию пены.

Соединение стержней в узлы производят склейкой или путем заливки

алюминиевых расплавов в специальные отверстия в знаковых частях. Усадка

сплава при охлаждении обеспечивает необходимую прочность соединения.

Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм

обеспечивается применением расширяющихся литниковых систем с соотношением

площадей сечений основных элементов Fст : Fшп : Fпит 1:2:3; 1:2:4; 1:3:6

соответственно для нижнего, щелевого или многоярусного подвода металла к

полости литейной формы. Скорость подъема металла в полости литейной формы

не должна превышать 4,5/6, где 6 — преобладающая толщина стенок отливки,

см. Минимальную скорость подъема металла в форме (см/с) определяют по

формуле А. А. Лебедева Vmin = 3/§.

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отливки, сложности

ее конфигурации и расположения в форме. Заливку форм для отливок сложной

конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних

литниковых систем. При большой высоте отливок и тонких стенках

предпочтительно применение вертикально-щелевых или комбинированных

литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать

через верхние литниковые системы. При этом высота падения струп металла в

полость формы не должна превышать 80 мм.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в полость литейной

формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых

включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические

сопротивления — устанавливают сетки (металлические или из стеклоткани) или

ведут заливку через зернистые фильтры.

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечениям (стенкам)

отливок рассредоточенно по периметру с учетом удобств:» их последующего

отделения при обработке. Подвод металла в массивные узлы недопустим, так

как вызывает образование в них усадочных раковин, макрорыхлот и усадочных

«провалов» на поверхности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего

имеют прямоугольную форму с размером широкой стороны 15—20 мм, а узкой 5—7

Страницы: 1, 2, 3