1.3. Защита расплава при плавке

Плавка металлов и сплавов в большинстве случаев производится на открытом воздухе. Жидкие металлы тем или иным образом взаимодействуют с газами, входящими в состав воздуха. Результатом этого взаимодействия является загрязнение металла растворимыми и нерастворимыми примесями, снижающими качество отливок.

Если взаимодействие с газами ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и образующаяся пленка этих соединений замедляет дальнейшее взаимодействие (алюминий и алюминиевые сплавы, цинковые и оловянносвинцовые сплавы), то можно продолжать плавку при прямом контакте расплава с атмосферой. Но для уменьшения угара все же лучше вести защитную плавку.

Если на расплаве образуется рыхлая пленка, неспособная защитить металл от дальнейшего окисления (магний и его сплавы), то необходимо принимать специальные меры для его защиты.

Защита расплава необходима и в том случае, когда газ растворяется в жидком металле. На первый план выходит защита расплава от кислорода. При плавке сплавов на основе железа, никеля и меди, которые растворяют кислород, металл требуется изолировать от атмосферы печи.

Для защиты расплавленного сплава от взаимодействия с газами печного пространства применяют флюсы, твердые покровные смеси и защитные атмосферы. В некоторых случаях для уменьшения взаимодействия расплава с газами проводят легирование специальными добавками. Так в алюминиевые сплавы с магнием и в магниевые сплавы вводят тысячные доли процента бериллия. Если перечисленных мер оказывается недостаточно, то прибегают к вакуумной плавке.

Наибольшее применение для защиты нашли флюсы, представляющие собой расплавленную смесь различных солей и других химических соединений. Флюсы создают на поверхности металлической ванны сплошной шлаковый покров для изоляции расплава от газовой фазы или для очистки расплава от нежелательных примесей. Применение флюсов дает возможность уменьшить безвозвратные потери металла и повысить качество литья.

Флюсы делятся на покровные, рафинирующие и универсальные.

Все они должны отвечать следующим основным требованиям:

1. Иметь температуру плавления ниже, чем у расплавляемого металла.

2. Флюс должен быть нейтральным к металлу, футеровке и атмосфере плавильной печи, т. е. не вступать с ними в химическое взаимодействие, растворять их или растворяться в них.

3. Флюс должен иметь плотность, значительно отличающуюся от плотности расплава. Чем больше разность плотностей, тем проще отделение флюса от расплава. Плотность покровных флюсов, как правило, должна быть меньше плотности расплава.

4. Обладать повышенным поверхностным натяжением и минимальной смачивающей способностью по отношению к расплаву, чтобы обеспечивать сплошность покрова над расплавом и легко отделяться от него.

5. Обладать малой вязкостью при плавлении и повышенной вязкостью при разливке.

6. Обладать минимальной гигроскопичностью и не содержать водород.

7. Рафинирующие и универсальные флюсы к дополнению к этому должны обладать адсорбционной способностью к примесям, чтобы растворять или адсорбировать включения или вступать с ними в химическое взаимодействие с образованием частиц, которые будут всплывать в шлак или оседать на дно тигля.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют смеси хлористых и фтористых солей щелочных, щелочноземельных и некоторых других металлов. Главные физические свойства солей, применяемых для приготовления флюсов, приведены в табл. 7. Здесь же показаны и свойства некоторых оксидов.

При составлении составов флюсов необходимо руководствоваться соответствующими диаграммами плавкости солей. Флюсы можно приготовить механическим смешиванием солей, но лучше произвести их сплавление, а затем раздробить на кусочки и хранить в термостате при 120 ^оС. В том и другом случае соли предварительно обезвоживают путем сушки в нагревательных печах.

Весьма перспективным является использование жидких флюсов, предварительно расплавленных в специальных флюсовых печах.

Следует иметь в виду, что шлаки и флюсы, применяемые при плавке, могут оказывать разрушающее воздействие на огнеупорную футеровку.

Составы, назначение и условия применения флюсов будут рассмотрены в разделах плавки тех или иных сплавов.

Защитные атмосферы могут быть созданы из инертных или нейтральных газов. Они используются в тех случаях, когда невозможно или нежелательно применять флюсы, например, при плавке сплавов, содержащих химически активные добавки. Атмосферы не загрязняют расплав примесями и шлаковыми включениями и не разрушают футеровку. Наиболее надежную защиту дают такие инертные газы, как гелий и аргон. Аргон дешевле и удобнее в работе. Для алюминиевых, магниевых и медных сплавов можно взять азот, который до определенной температуры является инертным по отношению к ним. При повышении температуры выше 750 ^оС азот образует нитриды AlN в алюминиевых и магниевых сплавах.

При всей эффективности флюсов и защитных атмосфер, наиболее надежным способом получения чистых расплавов будет плавка в вакууме в специальных вакуумных печах или вакуумирование готового расплава в вакуумных камерах.

Расплавленные металлы представляют собой гетерогенные жидкости с большим количеством примесей. Это могут быть примеси металлов и других элементов, находящиеся в растворе. Значительную долю их составляют растворенные газы. Часть примесей находится в виде нерастворимых частиц. Это оксиды основы сплава и легирующих добавок, а также их нитриды и карбиды, частицы шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки.

Процесс очистки металла от таких нежелательных примесей называется рафинированием или дегазацией, если целью рафинирования является удаление растворенных газов. Разнообразие видов примесей, их природы, состава, агрегатного состояния, формы и размеров затрудняет выбор способа рафинирования.

Таблица 7

Свойства хлоридов и фторидов, входящих в состав флюсов и некоторых оксидов

Соединение	Плотность ρ, г/см 3, (при 20 оС)	Температура плавления, оС	Температура кипения, оС
AlCl3 BaCl2 C2Cl6 CaCl2 KCl KCl∙MgCl2 LiCl MgCl2 MnCl2 NaCl NH4Cl Zn Cl2 AlF3 BaF2 CaF2 KF MgF2 NaF Na3AlF6 SiO2 MnO2 Cu2O CuO MgO Na2B4O7 CaCO3	2,44 3,87 2,1 2,5 2,0 1,7 2,1 2,33 2,98 2,16 1,54 2,9 3,07 4,83 3,18 2,48 2,47 2,30 2,9 2,26 5,03 6,0 6,4 3,2 – 3,7 2,37 2,71	180 (возг) 925 187 (возг) 780 770 488 610 718 650 800 58 (разл.) 313 1040 1280 1403 880 1263 842 1100 1470 535 1235 1026(разл.) 2800 741 1339	- 1830 - 1650 1400 - 1350 1412 1190 1440 - 732 1260 2260 2500 1500 2239 1676 - 2230 - 1800 - 3600 1575(разл) -

Плавка металла в вакууме необходима для титановых и некоторых никелевых сплавов. Остаточное давление в плавильной печи, как правило, не более 0,13 Па.

Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов из-за их испарения. Так как плавка ведется при включенной вакуумной системе, то испарение происходит непрерывно.