Особенности получения слитков различными способами

В настоящее время разработано большое число способов и их разновидностей для получения слитков из сплавов цветных ме­таллов. Каждый способ создавался для улучшения качества слит­ков и повышения технико-экономических показателей. Все спо­собы можно разделить на две группы, различающиеся ходом зат­вердевания слитка. В способах, относящихся к первой группе, расплав заливают в форму-изложницу, где он затвердевает, при­чем фронт затвердевания (поверхность раздела расплав — твердая корка) перемещается от стенок формы в глубь образующегося слитка, остающегося неподвижным. В способах второй группы расплав заливают в специальное устройство — кристаллизатор; образующийся слиток непрерывно выводится из кристаллизато­ра, а фронт затвердевания остается практически неподвижным в пространстве. Первая группа называется литьем слитков в из­ложницы или наполнительным литьем, вторая группа — непре­рывным литьем.

Литье в изложницы

Производство слитков литьем в изложницы или наполнитель­ное литье является старым технологическим процессом. Однако и в настоящее время этим способом литья получают довольно значительное количество слитков.

Наполнительным литьем получают цилиндрические слитки диаметром от 50 до 100...200 мм и высотой 500... 1000 мм, а также плоские слитки толщиной 50... 100 мм, шириной 300.. 5000 мм и высотой 500... 1000 мм.

Для наполнительного литья используют литые массивные чу­гунные (рис. 140) и водоохлаждаемые изложницы с медной рубаш­кой (рис. 141). Водоохлаждаемые изложницы появились в 1920 1930 гг. и сыграли большую положительную роль в повышении ка­чества слитков. Увеличение скорости отвода тепла, достигаемое за счет водяного охлаждения, повышает плотность литого металла и дисперсность микроструктуры. Однако трудность обеспечения спо­койного заполнения формы-изложницы остается. В случае отлив­ки крупных слитков интенсивность охлаждения заметно снижается из-за возникновения усадочного зазора между водоохлаждаемой рубашкой изложницы и поверхностью слитка.

Для наполнительного литья показатель выхода годного, т. е. от­ношение массы годных заготовок к массе залитого металла, не пре­вышает 80 %. Главная причина этого заключается в том, что у каж­дого слитка отрезают головную часть с усадочной раковиной, а иногда и донную часть, пораженную захваченными оксидными пленами и воздушными пузырями. Нередко приходится обрабаты­вать боковую поверхность слитков для улучшения ее качества — удаления засоров, небольших раковин, ликвационных наплывов.

Процесс непрерывного литья заключается в том, что расплав непрерывно заливается в кристаллизатор, а затвердевающий в нем слиток непрерывно вытягивается обычно вертикально вниз (рис. 142). Кристаллизатор представляет собой водоохлаждаемую изложницу, не имеющую дна и оформляющую боковую поверх­ность слитка. Рубашка кристаллизатора изготавливается из меди, хромовой бронзы, малолегированных алюминиевых сплавов. Ра­бочую поверхность рубашки тщательно обрабатывают. Перед на­чалом литья и по ходу литья ее смазывают.

В последние 20...30 лет начали применять кристаллизаторы с тепловой насадкой, отличающиеся от изображенного на рис. 142 тем, что верхняя часть рубашки выполняется из графи­та — менее теплопроводного материала, чем указанные выше ме­таллы. Благодаря этому затвердевание расплава в верхней части кристаллизатора замедляется, и колебания уровня расплава в нем из-за неравномерностей поступления металла, обычно приводя­щие к образованию складок и трещин на поверхности слитков, не влияют на качество литых заготовок.

кристаллизатор называется кристаллизатором скольжения (КС).

Расплав поступает в крис­таллизатор через распредели­тельные устройства. Их назна­чение состоит в том, чтобы избежать течение расплава от­крытыми струями и рассредо­точить потоки расплава в кри­сталлизаторе.

Кроме охлаждения в крис­таллизаторе, называемого пер­вичным, обычно предусматри­вается вторичное охлаждение слитка по выходе его из крис­таллизатора. Вода в зоне вто­ричного охлаждения подается прямо на поверхность слитка. Иногда вместо воды использу­ют водо-воздушную смесь или поток воздуха.

Принято различать непре­рывное или полунепрерывное литье. В случае непрерывного литья вытягиваемый из кристаллизатора слиток режется на мер­ные заготовки на ходу без остановки процесса литья с помощью специального устройства. При полунепрерывном литье резка слит­ка на ходу не предусматривается, и процесс литья прекращается после получения слитка определенной длины - от 2 до 8 м. От­литый слиток затем направляют на разрезку. Процессы, происхо­дящие при затвердевании слитков в условиях непрерывного и полунепрерывного литья, практически одинаковы, поэтому в даль­нейшем изложении использован термин “непрерывное литье” для обоих случаев. Различия в полунепрерывном и непрерывном ли­тье указываются по мере надобности.

Основные положительные черты непрерывного литья заключа­ются в высоком качестве литого металла и малом количестве отхо­дов. Высокое качество выражается в отсутствии усадочных пороков (раковин, рыхлоты, пористости) и в минимальном загрязнении неметаллическими включениями, главным образом, оксидными пленами.

Очень важно при непрерывном литье обеспечить одинаковую интенсивность подвода и отвода тепла на всех участках объема и поверхности слитка во всех сечениях. В случае цилиндрических слитков это достигается равномерным распределением расплава в лунке и равномерным отводом тепла с его поверхности. В слу­чае плоских слитков прямоугольная форма сечения предопреде­ляет неравномерный подвод тепла, привносимого поступающим в кристаллизатор расплавом, и такой же неравномерный отвод тепла с поверхности. Поэтому при литье плоских слитков подача расплава осуществляется не по оси симметрии слитка, а в участ­ки, расположенные ближе к узким сторонам.

Макроструктура слитков непрерывного литья из чистых ме­таллов и сплавов с узким интервалом кристаллизации является обычно полностью столбчатой. Она четко видна на продольных разрезах. На поперечных темплетах, которые вырезают для конт­роля качества слитков, выявляется не такая четкая картина. Вид макроструктуры цилиндрических и плоских слитков качественно различен. В цилиндрических слитках столбчатые кристаллы име­ют изогнутую форму, они идут почти горизонтально у поверхно­сти и, изгибаясь, становятся почти вертикальными в централь­ной части сечения. В плоских слитках столбчатые кристаллы рас­положены под некоторым почти постоянным углом к горизонта­ли (15...20^°). В центральной плоскости часто выявляются один — два зерна, идущие строго вертикально и отделяющие зоны столбчатых кристаллов, выросших от противоположных широких сторон слитка.

Это различие в форме столбчатых кристаллов связано с осо­бенностями затвердевания цилиндрических и плоских слитков и особенностями формы жидкой лунки. Кристаллы развиваются в общем перпендикулярно фронту кристаллизации. Это объясня­ется тем, что в случае неправильного отвода тепла и большого количества растущих кристаллов, они могут развиваться лишь в одном направлении, которое автоматически становится перпен­дикулярным возникающему фронту кристаллизации. Положение этого фронта определяется изотермой температуры кристаллиза­ции. Следовательно, по форме выросших в таких условиях стол­бчатых кристаллов можно восстановить существовавший фронт кристаллизации. Для этого необходимо провести кривую, кото­рая была бы перпендикулярна кристаллам во всех точках изучае­мого сечения. Выявленное положение фронта кристаллизации отвечает описанному очертанию лунки.

У сплавов со значительным интер­валом кристаллизации столбчатая зона существенно сокращается и не­редко исчезает совсем. Все сечение слитка оказывается занятым доволь­но мелкими равноосными кристалла­ми. Поскольку именно такая струк­тура наиболее желательна, то при ли­тье слитков из алюминиевых и маг­ниевых сплавов обычно прибегают к модифицированию, чтобы вообще исключить возможность появления разнозернистого строения. При полу­чении слитков из медных сплавов, ввиду большей их пластичности и ме­нее жестких требований к деформи­рованным полуфабрикатам, модифи­цирование С ЦеЛЬЮ общего измельчеНИЯ макроструктуры обычно не проводят, поэтому в слитках МОЖНО обнаружить как столбчатые, так и равноосные кристаллы.

Микроструктура в разных участках <7,2 м/_Ч)

слитка непрерывного литья однознач­но определяется скоростью охлажде­ния на данном участке при его затвердевания. Если оценить мик­роструктуру количественно как величину дендритной ячейки, то в общем случае выявляется следующая картина: в на­правлении от поверхности наблюдается довольно быстрое укруп­нение дендритной ячейки. Это связано с замедлением теплоот­вода по мере утолщения корки и отхода слитка от стенок крис­таллизатора вследствие линейной усадки в поперечном направ­лении. Как только данное сечение вышло из кристаллизатора и попало под прямое охлаждение водой, интенсивность отвода тепла возрастает, скорость охлаждения увеличивается, что и вызывает уменьшение размеров дендритной ячейки. В более глубоких сло­ях обычно отмечается дальнейшее измельчение дендритной ячей­ки, несмотря на утолщение твердой корки. Это связано с возрас­танием скорости роста кристаллов под действием усиливающего­ся отвода тепла в осевом направлении слитка. В цилиндрических слитках усиление теплоотвода в глубинных слоях происходит также Под действием геометрического фактора: протяженность фронта Кристаллизации сокращается, а площадь поверхности охлажде­ния остается постоянной.

В слитках непрерывного литья обычно обнаруживается обрат­ная зональная ликвация в поперечных сечениях. В периферий­ных слоях выявляется повышенное содержание компонентов и примесей, понижающих температуру ликвидуса сплава и имею­щих коэффициент распределения К< 1 (коэффициентом распре­деления называется отношение содержания элемента в твердой фазе с_тв, выпадающей из жидкости, к содержанию этого элемента в последней с_ж: К = с^с_ж). Соответственно в глубинных слоях отмечается понижение содержания таких компонентов.

Обратная зональная ликвация имеет практическую значимость лишь для тех легирующих элементов, которые при данном содер­жании в сплаве создают достаточно большой интервал кристал­лизации. Поэтому в слитках алюминиевых сплавов отмечается обратная ликвация меди, магния, цинка, а в слитках медных спла­вов — олова и кремния. Отклонение содержания ликвирующих компонентов от среднего состава расплава составляет + (0,2...0,4)% в периферийных слоях и — (0,2...0,4)% в глубинных.

Возникновение обратной зональной ликвации вызывается пе­ремещением расплава в двухфазной переходной области слитка вследствие объемной усадки при кристаллизации.

Поэтому про­явление обратной ликвации связано с размерами и формой двух­фазной области в затвердевающем слитке и направлением дви­жения расплава в ней. Приповерхностные слои затвердевают, когда еще не имеется протяженной двухфазной области. Поэтому вос­полнение объемной усадки происходит жидкостью примерно сред­него состава, и в итоге в этих слоях обнаруживается также сред­ний состав по всем компонентам. По мере увеличения протя­женности двухфазной области расплав, перемещающийся между ветвями и осями дендритов от изотермы ликвидуса к изотерме солидуса, в ходе течения все более обогащается компонентами с К< 1. Эта жидкость, восполняющая объемную усадку в пределах двухфазной области, неизбежно должна вызвать общее повыше­ние содержания таких компонентов. Так возникают периферий­ные слои слитка, обогащенные компонентами с К < 1.

Получение непрерывным литьем слитков из чистых металлов (меди, алюминия разных марок) осложнено опасностью появле­ния мелких горячих межкристаллитных трещин в глубиннных слоях. Кроме подбора скоростей литья и режимов охлаждения, в данном случае велика роль содержания примесей. Важен не только определенный допустимый верхний предел их содержания, боль­шое значение имеет соотношение некоторых их них. Так, для алюминия важно соотношение примесей железа и кремния, для меди — кислорода, серы и водорода. При некоторых сочетаниях примесей практически невозможно получить слитки без тонких межкристаллитных трещин. Это объясняется особенностями ха­рактера кристаллизации металла, содержащего примеси. Уменьшение опасности появления трещин в слитках непрерыв­ного литья во всех случаях обеспечивается измельчением макро­зерна.

Непрерывное литье заготовок малых сечений. Гранульная технология

Из цветных металлов и сплавов изготавливают большое коли­чество полуфабрикатов очень малых поперечных сечений (лента, проволока, фольга), причем от них требуются высокие механи­ческие свойства, которые обычно обеспечиваются большой ко­нечной холодной деформацией. Поэтому для подобных полуфаб­рикатов — проволоки из меди и алюминия электротехнического назначения, упаковочной фольги из алюминия — невыгодно по­лучать массивные слитки и затем деформировать их на мощных станах или прессах. Целесообразно получать литые заготовки малых сечений, чтобы избежать затрат на последующее деформи­рование. С этой целью за последние десятилетия были разрабо­таны специальные способы непрерывного литья. Наибольшее распространение получили способы с применением роторного, валкового и ленточного кристаллизаторов. Для всех них харак­терно отсутствие скольжения затвердевающей заготовки относи­тельно рабочей поверхности кристаллизатора. Заготовка в зоне затвердевания движется совместно с кристаллизатором. Благода­ря этой особенности возможно осуществлять литье с очень боль­шими скоростями (несколько сотен метров в час) и достигать большой производительности установок.

Установки с роторным кристаллизатором (рис. 153) состоят из двух шкивов, объединенных гибкой стальной лентой. Верхний шкив приводной, нижний является роторным кристаллизатором. В ободе шкива проточена канавка, которая перекрыта стальной лентой. В образующуюся полость на участке набегания ленты на кристаллизатор заливается расплав, поступающий из раздаточно­го миксера по изогнутому желобу. Затвердевающая заготовка оги­бает примерно половину роторного кристаллизатора, где уста­новлена система водяного охлаждения, затем выходит из него, отводится вбок и сматывается в рулон на специальной моталке. Заготовка имеет трапециевидное сечение шириной 30...40 мм и площадью 200...800 мм².

Скорость литья (скорость движения заготовки) составляет 800-3000 м/ч. Получение заготовок на подобных установках иногда называют литьем по способу Проперци (по имени специалиста, предложившего этот процесс).

Установки с валковым кристаллизатором берут свое начало от конструкции, указанной в патенте Г. Бессемера в сере­дине XIX века. Главной частью этих установок являются два по­лых валка диаметром 600...800 мм, в зазор между которыми по­ступает расплав. Здесь происходит затвердевание и небольшое обжатие затвердевшей заготовки.

Валки охлаждаются водой снаружи и изнутри. Заготовка свер­тывается в рулон. Таким образом получают ленту из Al и некоторых его сплавов толщиной 5...7 мм, шириной 1000... 1500 мм. Скорость литья составляет 300-600 м/ч.

В установках с ленточным кристаллизатором (рис. 155) рас­плав поступает в зазор между двумя гибкими стальными лентами, натянутыми на нескольких приводных, опорных и натяжных ро­ликах. Величина зазора определяет толщину заготовки — 20...50 мм. Ширина заготовки задается двумя рядами коротких колодок, укрепленных на нижней ленте. Эти колодки плотно смыкаются на прямолинейных участках ленты и расходятся при изгибе ее наружу на роликах. Ширина заготовки составляет 400...800 мм.

Для отвода тепла предусмотрено мощное водяное охлаждение. Скорость литья 300...600 м/ч. Данные установки отличаются очень высокой производительностью — до 50...60 т в час по меди.

В последние годы для производства деформированных полу­фабрикатов начинают использовать заготовки, полученные осо­бым способом с применением гранул. Появление гранульной тех­нологии объясняется тем, что для сплавов традиционных соста­вов практически исчерпаны все возможности повышения проч­ностных свойств, особенно при повышенных температурах. Су­щественного прироста свойств можно добиться лишь принципи­альными изменениями составов сплавов, введением в них значи­тельных количеств тугоплавких компонентов, образованием в структуре тугоплавких промежуточных фаз. Подобные сплавы совершенно нетехнологичны при обычных способах производ­ства, но при кристаллизации с повышенными скоростями охлаж­дения (более 10³ К/с) они приобретают очень мелкозернистое строение с необычно большими областями твердых растворов, с метастабильными фазами. В них может образоваться аморфная некристаллическая структура.

Все обычные способы получения литых заготовок обеспечива­ют кристаллизацию со скоростями охлаждения не более 10.100 К/с. Достижение требуемых больших скоростей охлажде­ния возможно лишь при затвердевании очень малых масс рас­плава. Поэтому расплав разбивается различными способами на капли диаметром 0,5...2,0 мм, которые затем кристаллизуются с большой скоростью охлаждения. Алюминиевые расплавы разбрыз­гивают центробежным способом литьем во вращающийся стакан с отверстиями. Капли расплава попадают в активно перемешива­емую воду, где и затвердевают со скоростями охлаждения 1000-5000 К/с. Полученные гранулы дегазируют нагревом в ва­кууме, уплотняют прессованием (компактируют), переводя в за­готовки, которые обычно подвергают прессованию на пруток. В настоящее время гранульная технология реализована примени­тельно к алюминиевым сплавам, содержащим до 2...8 % хрома, титана, циркония, железа, до 20...30 % кремния, а также к нике­левым жаропрочным сплавам с молибденом, вольфрамом, нио­бием, хромом.