книги / Плавка цветных металлов

Для очистки расплава от включений Al2О3 его необходимо рафинировать жидкими флюсами из смесей хлористых и фтористых солей щелочных элементов. Наибольший эффект достигается при использовании флюсов, содержащих криолит Na3AlF6.

Процесс рафинирования можно ускорить, если расплав вливать в ковш с флюсом, расплавленным в дополнительной флюсовой печи. Очистить расплав можно и хлористыми солями (МnСl2, С2Сl6 и др.), которые вводят графитовым колокольчиком. Его плавными движениями перемещают по всему объему расплава. Всплывающие пузырьки хлористого алюминия смачивают оксиды и выносят на поверхность в шлак. После обработки в течение 30–60 с металл выдерживают в течение 3–10 мин для полного всплывания твердых частиц.

Хорошие результаты достигаются и при продувке расплавленной бронзы азотом или аргоном в течение 5–7 мин с удельным расходом газа 0,05 л/мин через пористые насадки.

При получении отливок ответственного назначения, и в первую очередь крупных толстостенных отливок, рекомендуется проводить модифицирование ванадием, вольфрамом, бором, титаном или цирконием. Модификаторы вводят в виде лигатур с медью или алюминием в количестве0,05–0,15 % при температуре1200–1250 °С.

При разливке алюминиевых бронз по формам большое значение имеет температура расплава. Оптимальные значения температуры разливки при фасонном литье лежат в интервале 1100–1200 °С. При значениях температуры ниже оптимальной на поверхности расплава образуется твердая малопластичная оксидная пленка, которую трудно отделить от расплава. При повышенных значениях температуры растет скорость окисления алюминия и увеличивается количество плен.

Надежным способом удаления твердых неметаллических частиц является фильтрация через сетчатые, зернистые или пористые керамические фильтры. Для зернистых фильтров используют крошку (5–10 мм) магнезита, алунда, фторидов кальция и магния, толщина слоя от 60 до 150 мм. Перед фильтрацией зернистые фильтры подогревают до 700–800 °С.

131

6.2.4. Плавка латуней

Наибольшая экономичность при плавке латуней достигается в индукционных канальных печах с железным сердечником типа ИЛК или ИЛКА. Эти печи используют в специализированных цехах с высоким объемом производства. В небольших литейных цехах наибольшее распространение получили индукционные тигельные печи (ИЛТ, ИЧТ или ИСТ) с набивной футеровкой из кварцита или высокоглиноземистого шамота. Как и для других медных сплавов, удобно использовать прессованные графитошамотные тигли.

Цинк имеет низкую температуру кипения (907 °С). Высокая упругость паров цинка в расплавленном состоянии приводит к значительным потерям (от 0,5 до 5,0 %) этого элемента путем угара.

Двойные латуни (Л63, Л68 и др.) выплавляют из чистых металлов, вторичных сплавов и отходов собственного производства. Сначала расплавляют медь под покровом из древесного угля и раскисляют фосфором. В расплав вводят цинкосодержащие отходы и вторичную латунь. Сплав нагревают до 1000–1050 °С и перед разливкой, если необходимо по расчету, вводят цинк. Медь можно и не раскислять, так как цинк сам является хорошим раскислителем.

Литейные латуни плавят из шихты, в состав которой входят металлы промышленной чистоты, лигатуры, вторичные чушковые латуни и собственные отходы. Чушковые вторичные сплавы выпускаются для всех марок литейных латуней. Использование чушек готового состава существенно упрощает плавку, повышает производительность плавильных агрегатов и снижает себестоимость отливок. Необходимо иметь в виду, что чушковые сплавы содержат повышенное количество примесей. Перед плавкой необходимо свериться с сертификатом, а еще лучше произвести химический анализ чушковой латуни и сделать вывод о допустимом количестве этой составляющей в шихте.

Латунь для отливки можно получить путем переплава соответствующего чушкового сплава. В этом случае в разогретый тигель печи загружают чушки и крупные собственные отходы. Если на складе имеется стружка или другие мелкие отходы, то для уменьше-

132

ния угара их перемешивают с флюсом и загружают на расплав. При плавке необходимо использовать защитные покровы.

При плавке многокомпонентных литейных латуней из шихты, содержащей чистые металлы, сначала расплавляют медь, перегревают до 1130–1150 °С и раскисляют фосфором. Плавку меди нужно вести быстро под древесным углем или под флюсами (см. табл. 18). Вместе с медью можно загрузить лигатуры с тугоплавкими добавками (железо, марганец, никель). Затем в расплав погружают чушки

икрупные отходы. Легкоплавкие (алюминий, свинец, олово) и легкоокисляющиеся компоненты (кремний) вводят в конце плавки.

Для удаления неметаллических включений литейные латуни подвергают рафинированию хлористым марганцем. Разливку латуней по формам рекомендуется осуществлять через фильтры.

Наибольшие сложности возникают при плавке кремнистых

иалюминиевых латуней.

Кремнистые латуни отличаются повышенной склонностью к поглощению водорода, особенно в присутствии примесей алюминия. Перед началом плавки печь тщательно очищают от остатков металла предыдущей плавки. Если в печи проводилась плавка сплавов, содержащих вредные для кремнистой латуни примеси (например, алюминий или олово в одноименных бронзах), то рекомендуется провести промывочную плавку.

Газонасыщенность резко возрастает при температуре выше 1100 °С, поэтому расплавы кремнистой латуни нельзя перегревать и выдерживать при высоких значениях температуры. Плавку ведут под покровными флюсами (№ 5 и 6 в табл. 18). Кремний лучше вводить лигатурой Cu–Si (20 % Si). После расплавления заливается технологическая проба на излом и газонасыщенность. Если излом мелкокристаллический, а поверхность вогнутая от усадки без наплывов и выпотов, то сплав разливают по формам при температуре 950–980 °С. Если поверхность выпуклая со следами вздутий, выпотов, то расплав подвергают дегазации путем продувки азотом или аргоном. При использовании вторичной латуни необходимо отбраковать чушки с белесой и вздутой поверхностями. Это явные признаки, что

133

латунь содержит примеси алюминия и имеет повышенное содержание растворенного водорода.

Латуни, содержащие алюминий, склонны к пленообразованию. Они не допускают больших перегревов. Лигатуру Cu–Al вводят только в хорошо раскисленную медь. Плавку ведут под покровным флюсом. Для удаления плен расплав рафинируют хлористыми солями или продувкой газом.

6.2.5. Плавка медно-никелевых сплавов

Медно-никелевые сплавы по своему составу могут быть приравнены к безоловянным бронзам. Но они имеют и существенные отличия. Так, температура плавления гораздо выше, чем у остальных медных сплавов. Температура в плавильной печи может достигать 1350–1450 °С. При таких значениях температуры выше опасность насыщения расплава кислородом и водородом.

Присутствие в сплавах никеля увеличивает растворимость углерода, что затрудняет выбор огнеупорных футеровок и защитных покровов.

Плавку медно-никелевых сплавов можно вести в индукционных тигельных и электродуговых печах. Футеровку предпочтительнее выполнять основной из сухих набивных масс (98 % магнезита и 2 % буры). Можно рекомендовать и высокоглиноземистую футеровку на основе дистенсиллиманита с добавками электрокорунда (40–45 %) и 1,5–2,0 % борной кислоты. Удобно использовать и графитошамотные тигли. В этом случае сплав не должен перегреваться до температуры выше 1350 °С. Лучше выбирать специальные графитошамотные тигли, глазурованные изнутри. На поверхности таких тиглей графит отсутствует, и опасность насыщения металла углеродом снижается.

Медно-никелевые сплавы готовят из чистых металлов и возвратов до 50 %. Стружку и мелкие отходы рекомендуется предварительно переплавить, разлить в чушки и затем вводить в состав шихты.

Плавка мельхиора. Эти сплавы (МН19, МНЖМц30-1-1) имеют высокую температуру плавления. Плавку необходимо проводить

134

с обеспечением защиты сплава от окисления и насыщения газами. Если использовать защитные покровы из древесного угля, то содержание углерода превысит допустимые 0,5 %. В связи с этим в качестве защитного покрова рекомендуется применять жидкие флюсы на основе жидкого стекла и буры. Допускается использование комбинированного углеродосодержащего флюса, состоящего из 30–40 % древесного угля, 45–60 % стекла и 10–15 % криолита или флюса следующего состава: 16–20 % боя графита, 9–12 % буры, остальное – бой шамота или графитошамотных тиглей [15]. В контакте с углеродосодержащими покровами расплав должен находиться не более 10 мин.

В тигель сначала загружают никель, железо и крупные отходы. Затем добавляют чистый марганец или лигатуру Cu–Mn и куски меди. После расплавления расплав перемешивают и проводят раскисление фосфором (0,0005 %), марганцем (0,0015 %), магнием и кремнием (по 0,0015 %). Марганцем раскисляют только мельхиоры, не содержащие марганец в качестве легирующей добавки. Можно использовать в качестве раскислителя лигатуру АМС (24,5 % Al, 5 % Si, 19 % Fe, остальное – Mn). Ее вводят в количестве 0,4 % от массы шихты.

Плавка нейзильбера (МНЦ 15–20) осуществляется при меньших перегревах, чем при плавке мельхиора. Ввиду этого допускается применение древесного угля. Очередность загрузки шихты такая, как при плавке мельхиора. Цинк вводят последним, после расплавления отходов.

Плавку куниалей (МНА 13–3) также ведут под покровом из древесного угля. Для уменьшения окисления алюминия в покровы добавляют криолит. Алюминий вводят в последнюю очередь небольшими порциями. К этому моменту плавки расплав должен быть раскислен марганцем или комплексными раскислителями.

135

Вопросы для самоконтроля

1.Какие печи предназначены специально для плавки меди

имедных сплавов?

2.В каких тиглях плавят медь и медные сплавы?

3.Какое влияние на свойства меди оказывает водород?

4.Какая связь между содержанием кислорода и водорода?

5.Как защитить медь от окисления?

6.Назовитеосновной источникпопадания водорода в расплав?

7.Какие раскислители применяют при плавке меди?

8.Какие продукты раскисления легче удаляются из расплава?

9.Для чего используют древесный уголь?

10.Какие покровные и рафинирующие флюсы применяют при плавке медных сплавов?

11.Какие элементы лучше вводить в медные сплавы при помощи лигатур?

12.Как рафинируют и дегазируют медные сплавы?

13.К чему склонны алюминиевые бронзы при плавке?

14.В каких случаях не проводят раскисление?

15.Какие раскислители применяют при плавке медно-никеле- вых сплавов?

16.Почему не рекомендуется использовать покров из древесного угля при плавке мельхиора?

136

7. ПЛАВКА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Никель используется в современной технике как конструкционный и электротехнический материал. Он является основой современных жаростойких, коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов. В настоящее время особенно велика роль жаропрочных сложнолегированных сплавов, идущих на изготовление ответственных деталей и узлов газотурбинных двигателей [5].

7.1. Физико-химические особенности плавки никелевых сплавов

Плотность никеля 8,9 г/см3, температура плавления 1455 °С, а температура кипения 2900 °С. Наиболее вредными примесями являются сера, кислород и углерод. Эти примеси при кристаллизации выделяются по границам зерен в виде эвтектик Ni–NiS, Ni–NiO и никель–графит. Легкоплавкая эвтектика (645 °С) вызывает горячеломкость, а эвтектики Ni–NiO и никель–графит ухудшают пластичность. Также снижают физические, механические и технологические свойства Bi, Pb, P, Cd, Sb и As.

Чистый никель и никелевые сплавы отличаются повышенной склонностью к взаимодействию с газами печной атмосферы. В нем растворяются водород (до 43 см3/100 г), кислород (до 0,5 %) и углерод (до 2,5 %). Растворимость газов уменьшается при понижении температуры. При взаимодействии с парами воды происходит одновременное загрязнение никеля кислородом и водородом. Избыточный кислород вступает в химическое взаимодействие с компонентами сплава с образованием оксидных неметаллических включений. Выделение водорода при кристаллизации является основной причиной появления газовой пористости.

Определенные сложности вызывает и выбор огнеупорных материалов для никелевых сплавов, особенно жаропрочных, в состав которых входит до 12 легирующих элементов, в том числе с высокой химической активностью.

137

Таким образом, при разработке технологии плавки никелевых сплавов необходимо предусматривать защиту от насыщения газами, проведение дегазации, раскисления и рафинирования от неметаллических включений.

7.2. Технологические особенности плавки никелевых сплавов

Для никелевых сплавов можно применить один из следующих технологических процессов плавки:

•плавка в электрических печах (дуговых или индукционных) на открытом воздухе;

•плавка в электрических печах (дуговых или индукционных)

ввакууме;

•электрошлаковый переплав слитков открытой или вакуумной плавки;

•плазменная плавка;

•плазменная гарнисажная плавка;

•электронно-лучевая плавка и др.

Чистый никель, жаростойкие и коррозионно-стойкие никелевые сплавы, а также некоторые марки жаропрочных сплавов, идущих на изготовление малоответственных деталей, можно плавить в открытых индукционных тигельных, индукционных канальных и электродуговых печах [16].

Современные жаропрочные сложнолегированные сплавы при плавке на открытом воздухе могут интенсивно окисляться с образованием стойких окисных плен, загрязняющих металл. В открытых печах невозможно полностью удалить такие вредные примеси, как кремний, сера и др. Необходимо проведение вакуумной плавки. Наибольшее распространение получили индукционные вакуумные печи. Перспективно также применение различных вариантов дуп- лекс-процессов с использованием электронно-лучевых, электрошлаковых и плазменных способов ведения плавки.

138

7.2.1.Плавка чистого никеля

Вбольшинстве случаев для плавки чистого никеля выбирают индукционные тигельные или канальные печи, которые обеспечивают высокую скорость нагрева и плавления. Никель для вакуумной техники необходимо плавить в вакуумных индукционных печах.

Футеровка индукционных печей должна быть основная или нейтральная. Набивная футеровка выполняется из плавленого магнезита и 2 % буры или борной кислоты. Можно использовать пластичную массу следующего состава: 80 % магнезита, 8 % жидкого стекла и 12 % воды. Можно использовать графитовые или графитошамотные тигли. Поверхность таких тиглей рекомендуется покрыть магнезитовой обмазкой, чтобы избежать насыщения расплава углеродом и образования карбидов легирующих элементов.

Вкачестве шихты используют катодный никель марок Н-0

иН-1 и крупный собственный возврат в количестве до 50 %. Катоды режут на куски размером 150×150 мм. Листы с шишковатыми наростами, указывающими на повышенное содержание водорода, должны быть отбракованы.

На дно тигля сначала загружают отходы и плавят их под слоем флюса (бой стекла, плавиковый шпат, известь и магнезит). Расход флюсов от 3 до 5 % от массы шихты. При этом толщина слоя составляет 10–15 мм. После расплавления отходов начинают вводить катодный никель. Температуру расплава доводят до 1500–1600 °С и приступают к раскислению и десульфурации. Основным раскислителем является углерод. Его вводят с первой порцией шихты в виде графита (бой, стружка и др.) или лигатуры никель–углерод (1,5–2 % С). Избыток углерода придает никелю хрупкость. Ввиду этого при помощи углерода удаляют основное количество кислорода, а его остаток – кремнием, марганцем, магнием. Углерод вводят в количестве

0,05–0,1 %, кремний 0,07–015 %, марганец 0,05–0,2 %, магний 0,05– 0,1 %. На практике удобнее использовать комплексные раскислители, содержащие все четыре раскислителя в соотношении 1:1, 5:1, 5:1. Общее количество такого комплексного раскислителя принимают в количестве 0,18–0,22 % от массы расплава [5].

139

После раскисления металл перемешивают никелевой мешалкой, выдерживают и после небольшой выдержки разливают по формам при температуре 1550–1650 °С.

Если для плавки используют загрязненную шихту с большим количеством отходов, то примеси удаляют путем окисления. Для этого сдвигают флюс и в расплав вводят закись никеля. После окисления примесей необходимо раскислить расплав комплексным раскислителем. Степень раскисления определяют при помощи технологической пробы. В графитовую форму заливают слиток диаметром 20 мм и наблюдают за его затвердеванием. Если он дает усадку, то металл раскислен. Если наблюдается рост поверхности слитка, то необходимо дополнительное раскисление.

7.2.2. Плавка жаростойких и коррозионно-стойких никелевых сплавов

Эти сплавы можно выплавлять в открытых печах, поэтому технология плавки аналогична технологии плавки чистого никеля. При плавке сплавов в контакте с воздухом происходит окисление расплава и насыщение водородом. Как следствие металл загрязняется твердыми нерастворимыми включениями оксидов легирующих элементов (TiO2, Cr2O, BeO и др.), образуются газовые раковины и пористость в отливках. Для получения наиболее ответственных отливок рекомендуется плавка в вакуумных печах. Для всех прочих сплавов можно использовать открытые индукционные тигельные, индукционные канальные и электродуговые печи.

Для предохранения взаимодействия с газами применяют флюсы в количестве от 2 до 5 % от массы расплава. Состав наиболее употребительных флюсов приведен в табл. 20.

Флюсы не дают полной защиты от насыщения расплава водородом. С этой целью можно вести плавку под окислительным шлаком (MnO2 + CuO + Na2CO3 + SiO2) с последующим раскислением до введения легкоокисляющихся легирующих компонентов. Перед разливкой рекомендуется проведение дегазации продувкой нейтральными или инертными газами.

140