1.4. Рафинирование цветных сплавов

При плавке литейных сплавов на воздухе, несмотря на принимаемые меры по защите расплава, чистый металл получить не удается. Кроме того, некоторое количество загрязнений вносится с шихтовыми материалами. Таким образом, в металлических расплавах всегда присутствуют примеси. К ним относятся примеси металлов и элементов, находящиеся в растворенном состоянии. Значительную долю их составляют газы, находящиеся в растворе. Вторую часть примесей составляют вещества, которые находятся в расплаве в виде нерастворенных инородных частиц. К ним относятся оксиды, карбиды, нитриды и сульфиды основы и компонентов сплава, а также частицы шлаков, флюсов и огнеупорной футеровки, оказавшиеся в расплаве.

Для получения качественных отливок необходимо очистить расплав от всех видов примесей, т.е. произвести рафинирование расплава (или дегазацию, если целью рафинирования является очистка расплава от растворенных газов).

1.4.1. Рафинирование от растворенных примесей

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела, однако подобные процессы приходится проводить и в ходе приготовления сплавов в литейном цехе. Для этих целей можно воспользоваться окислением, хлорированием, обработкой флюсами, отстаиванием или вакуумной дистилляцией.

Путем окислительной плавки можно удалить из расплава примеси, обладающие большим сродством к кислороду, из металлов, которые способны растворять кислород. Таким способом можно удалить из меди свинец, мышьяк, висмут, сурьму, а из никеля – кремний, магний, марганец. Если ввести в расплав твердые окислители или продуть его кислородом, то в начале произойдет окисление основного металла и насыщение его кислородом. Затем будут окисляться растворенные примеси. Если образовавшиеся оксиды нерастворимы в расплаве, то они постепенно перейдут в шлак. Избыток кислорода из основного металла удаляется путем раскисления, механизм которого рассмотрен ниже.

Элементы, обладающие большим сродством к хлору, могут быть удалены хлорированием - продувкой расплава хлором. Таким путем проводится очистка алюминиевых сплавов от примесей натрия и магния.

Рафинирование флюсованием применяют для тех примесей, которые растворяются во флюсе или образуют с ним летучие или легко шлакующиеся соединения, нерастворимые в основном металле. Если над алюминиевым расплавом навести флюс, содержащий криолит (Na₃AlF₆), то можно удалить излишний магний.

Вакуумную дистилляцию используют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем у рафинируемого металла.

Рафинирование отстаиванием применяют для удаления примесей, которые образуют между собой или с основным металлом тугоплавкие соединения, отличающиеся от рафинируемого металла по плотности. Во время выдержки при температуре лежащей ниже точки выпадения из раствора кристаллов тугоплавких соединений, последние всплывают или оседают в расплаве.

1.4.2. Рафинирование расплавов от нерастворимых примесей

Нерастворимые примеси решающим образом влияют на технологические и рабочие свойства металлов. Они резко снижают пластические свойства, существенно понижают коррозионную стойкость.

Нерастворимые примеси представляют собой неметаллические вещества: оксиды, нитриды, карбиды, карбонитриды и т.п. В связи с этим их называют неметаллическими включениями. Они делятся на экзогенные и эндогенные. Экзогенными называют примеси, которые попадают в расплав извне. К ним относятся частицы футеровки, шлака, флюса, литейной формы и других инородных материалов, занесенные в расплав с шихтой или попавшие в него при перемешивании и разливке сплава. К эндогенным относятся неметаллические включения, образовавшиеся при протекании физико-химических процессов в расплаве, например, при раскислении.

Для получения годных отливок необходимо удалить из расплава как растворимые, так и нерастворимые примеси. Как правило, при любом методе рафинирования достигается определенный эффект по одновременному удалению и тех и других примесей.

Различают адсорбционные, неадсорбционные и комбинированные методы рафинирования.

Адсорбционные методы сопровождаются физико-химическим взаимодействием (адсорбцией) между рафинирующим веществом и включением или газом. К ним относятся:

• Продувка инертными (нейтральными) газами. В расплав через пористые насадки под небольшим избыточным давлением вдувают аргон или азот (в сплавы, к которым он инертен). Пузырьки инертного или нейтрального газа адсорбируют водород, а также смачивают некоторые неметаллические включения и уносят их на поверхность.

• Продувка активными газами. В расплав вдувается газ, вступающий в химическое взаимодействие с основным металлом с образованием нейтрального газа, который и оказывает рафинирующее действие. Так алюминиевые сплавы с большой эффективностью продувают хлором, который образует газообразное соединение AlCl₃. Газообразные продукты с рафинирующим действием могут быть получены и при введении в расплав хлористых солей.

• Рафинирование флюсами. Флюсы предназначаются для защиты металла при плавке от окисления и насыщения газами. Кроме защитных свойств, некоторые составы флюсов могут растворять примеси или образовывать с ними летучие или шлакующиеся соединения. Такие флюсы называют рафинирующими или универсальными. Они широко применяются при плавке магниевых и алюминиевых сплавов.

Неадсорбционные методы рафинирования также весьма разнообразны:

• Отстаивание расплава. Метод основан на разности плотностей расплава и материала включений. Легкие частицы могут всплывать и переходить в шлак. Скорость всплывания частиц не велика. Время всплывания крупных частиц измеряется минутами. Мелкие частицы (менее 5 мкм) удалить отстаиванием практически невозможно. Реальный результат может быть достигнут в том случае, если есть возможность укрупнения частиц и придания им компактной формы.

• Вымораживание. Проводится с целью дегазации. Расплав медленно охлаждается почти до температуры кристаллизации. Растворимость газа уменьшается, и он выделяется через открытую поверхность расплава в атмосферу. Затем сплав быстро нагревается до температуры заливки.

• Фильтрация расплава через механические фильтры. При заливке металл пропускают через сетчатые, фильтры. Неметаллические включения с размерами больше, чем ячейки фильтра будут задерживаться на нем. Сетчатые фильтры изготовляют из стеклоткани или металлической сетки с размером ячеек не менее 0,2 мм. Обычно сетчатые фильтры устанавливают в литниковой системе под стояком.

• Вакуумирование расплавов. Снижение общего давления над расплавом приводит к выделению растворенных газов и увеличению размеров газовых пузырьков, которые будут всплывать к открытой поверхности и удаляться из расплава. Вместе с газовыми пузырьками всплывают и частицы нерастворимых примесей, поры и трещины которых служили центрами образования газовых пузырьков.

• Физическое воздействие на расплав. Методы физического воздействия весьма разнообразны. Это может быть простое механическое перемешивание, обработка электрическими или магнитными полями. Хорошие результаты достигаются при введении в расплав ультразвуковых колебаний. В расплаве возникают кавитационные полости с малым парциальным давлением растворенных газов, поэтому они устремляются в них. По достижении определенного размера, образующиеся пузырьки могут всплывать.

Комбинированные методы рафинирования совмещают оба механизма удаления неметаллических включений и газов. Так при фильтрации расплава через активные зернистые или пористые фильтры тонкодисперсные включения (с размерами меньше, размера ячейки) удерживаются за счет поверхностных явлений. Зернистые фильтры изготовляют из кусочков огнеупоров, пропитанных флюсом или из кусочков флюса. Пористые фильтры представляют собой спеченный керамический материал на основе Al₂O₃ и Cr₂O₃ с открытыми порами, имеющими размеры в доли миллиметра. Спеченные материалы изготовляют в виде пластин различной толщины, из которых вырезают фильтр с необходимыми размерами. Можно заказывать и фасонные изделия с заданными размерами.

Примерами комбинированного метода рафинирования могут служить, например, обработка ультразвуком в вакууме, отстаивание расплава с замешанным флюсом и т. п.

Использование физических полей для рафинирования часто сопровождается и модифицирующим эффектом. Если при ультразвуковой обработке в качестве волновода использовать титановую проволоку, то она будет растворяться в расплаве и создавать дополнительные центры кристаллизации