Производство слитков меди и медных сплавов

Характерной особенностью конструкционных сплавов являются высо­ кие механические свойства и коррозионная стойкость в различных аг­ рессивных средах. Они прекрасно поддаются обработке е! холодном и горячем состояниях. Исключение составляет свинцовистый нейзильбер, так как наличие свинца в этом сплаве не позволяет проводить горячую прокатку; поэтому листовые полуфабрикаты из него получают обработ­ кой слитков в холодном состоянии. Дополнительное легирование цин­ ком (помимо никеля) приводит к повышению прочности; аналогичное влияние оказывают и добавки алюминия.

Электротехнические сплавы применяют для изготовления термопар и компенсационных проводов (сплавы ТП, Т Б ). Манганин имеет очень малую термоэлектродвижущую силу в контакте с медью, малый темпе­ ратурный коэффициент электросопротивления. Копель отличается высо­ ким удельным сопротивлением. Константан обладает постоянным элект­ росопротивлением, высокой термоэлектродвижущей силой. Все указан­ ные сплавы хорошо обрабатываются давлением.

3.МЕХАНИЧЕСКИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ

К современным металлическим конструкциям предъявляются весьма разнообразные требования. С одной стороны, материалы должны быть легкими и прочными, не должны деформироваться под действием уси­ лий, высокой температуры и тд ., а с другой —в процессе производства полуфабрикатов металлы должны быть технологичны. Для грамотного построения технологических процессов производства полуфабрикатов и изделий, рационального использования их в современных конструкци­ ях очень важно знать свойства металлов. Познакомимся с некоторыми из них.

Механические свойства

Механические свойства - прочность, пластичность, твердость и тд . — характеризуют поведение материалов под действием нагрузок.

Величина механических свойств, полученных при медленном увелит чении нагрузок до разрушения гладких образцов, еще не может свиде­ тельствовать о работоспособности материалов. Прочность зависит не только от материала, но и от размеров, формы деталей, характера на­ грузки, скорости ее приложения, от температуры и взаимодействия с окружающей средой.

Физические свойства

Физические свойства —цвет, плотность, температура плавления, тепло­ проводность, коэффициент линейного расширения, теплоемкость.

Плотность р —это масса единицы объема металла; выражается в кг/м 3 или г/см3

Температура плавления —это температура, при которой осуществля­ ется переход металла из твердого состояния в жидкое: Температура плавления — очень важная характеристика, во многом определяющая условия плавки; выражается градусами (°С) по стоградусной Междуна­ родной шкале.

Теплопроводность —это свойство металла передавать тепло. Для оцен­ ки металлов вводится понятие удельной теплопроводности. Удельная теплопроводность —количество тепла, передающееся за единицу времени

(с) через поперечное сечение металлического стержня площадью 1 см2, по длине которого, равной 1 см, существует температурный перепад

в1 °С. Удельная теплопроводность X выражается в кал/*(см • с • град). Коэффициент линейного расширения а характеризует относительное

изменение размеров тел при их нагреве на 1°С (1/град).

Теплоемкость определяет количество тепла, поглощаемого телом при его нагреве на 1°С (удельная теплоемкость оценивается теплом, затра­ ченным для нагрева 1 г или 1 кг металла на 1°С [кал/ (г • град) ]

Скрытая теплота плавления характеризует количество тепла, которое необходимо затратить для перевода единицы массы металла из твердого состояния в жидкое (кал/г; к ал/кг).

При выборе плавильного агрегата существенную роль играют электри­ ческие свойства меди и медных сплавов, в частности удельное электросо­ противление. Электрические, оптические, магнитные и другие свойства важно учитывать также при подборе материала для конкретных кон­ струкций и изделий в условиях эксплуатации.

Технологические свойства

К основным технологическим свойствам, имеющим важное значение при различных методах обработки металла, можно отнести жидкотекучесть, склонность к усадке, ликвацию, ковкость, свариваемость, обраба­ тываемость резанием, жаропрочность и жаростойкость. Первые три свой­ ства характеризуют поведение жидкого металла в процессе его подготов­ ки, заливки и затвердевания. Рассмотрим более подробно литейные свой­ ства металла.

Жидкотекучесть —способность металла или сплава заполнять полость формы — зависит от химического состава, температуры, степени окис-

ляемости и газонасьпцаемости металла. Жидкотекучесть определяется по длине прутка или спирали, которую может заполнять расплав. При этом чем большую длину прутка или спирали заполнит расплав при опреде­ ленной температуре и прочих равных условиях, тем более высокой жидкотекучестью обладает сплав.

Все металлы и сплавы в процессе кристаллизации изменяют свои объем и размеры. Способность изменять свои геометрические параметры называется объемной или линейной усадкой. Под линейной усадкой по­ нимается изменение линейных размеров образца при охлаждении его от температуры литья до комнатной. Объемная усадка - это сокращение объема металла при кристаллизации и последующем охлаждении. Разли­ чают три периода усадки (рис. 2).

В практике отличают усадку металла или сплава от усадки слитков из этого сплава. Последняя зависит не только от природы металлов, входя-

щих в состав сплава, но и от скорости литья и кристаллизации, темпера­ туры литья и других литейных параметров.

Объемная усадка различно проявляется у меди и ее сплавов. Чистая медь и медные сплавы, кристаллизующиеся в узком температурном интервале, даже в условиях медленного охлаждения (малого перепада температур по сечению слитка) затвердевают от поверхности охлажде­ ния в глубь слитка тонкими слоями и образуют плотные отливки. Уса­ дочная раковина в слитках указанных сплавов — концентрированная (рис.З, а ) . Сплавы с большим интервалом кристаллизации, у которых процесс затвердевания протекает одновременно в большом объеме, способны к образованию рассеянной усадочной пористости (рис.З, б ) . Встречается и смешанный характер усадочной пористости (рис. 3, в ) .

Ликвация - неоднородность химического состава в различных ме­ стах слитка. Различают три основных вида ликвации: по плотности, дендритную и зональную.

Ликвация по плотности —неоднородность состава в верхней и нижней частях слитка. Причиной такого вида ликвации являются различие в плотностях составляющих расплава, кристаллизация одной из фаз сплава

в кристаллы, которые могут легко опускаться или всплывать в расплаве (свинцовистые бронзы). Ликвация по плотности зависит от состава спла­ ва, скоростиохлаждения и сечения слитка.

Дендритная ликвация характеризуется разницей состава внутри крис­ таллов: обычно по осям кристаллов затвердевают более тугоплавкие компоненты, а между осями и по его краям - легкоплавкиеДендритная ликвация зависит от состава сплава и скорости охлаждения в процессе затвердевания.

Обогащение центральных частей слитка легкоплавкими компонента­ ми, а периферийных —тугоплавкими называется прямой зональной лик­ вацией. Различают и обратную зональную ликвацию. Оба вида ликвации присущи крупным слиткам. Зональная ликвация зависит главным обра­ зом от условий кристаллизации (скорости литья, чистоты металла). Ей подвержены бронзы.

В табл. 4 приведены некоторые свойства основных латуней, бронз и медноникелевых сплавов.

П р о д о л ж е н и е т а б л . 4

Медь технической чистоты в твердом и мягком (в скобках) состоя­ ниях характеризуется следующими свойствами:

П р и м е ч а н и е . fл —температура литья; Д/ — линейная усадка..

Таким образом, механические, физические и технологические свой­ ства меди и медных сплавов зависят от многих факторов. Поэтому, характеризуя свойства металла, необходимо точно указывать его чисто­ ту, состояние и условия испытания.

Глава 11

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАВКИ И ЛИТЬЯ СЛИТКОВ. ФУТЕРОВКА

Для получения высококачественных слитков меди и ее сплавов, со­ держащих минимальное количество неметаллических примесей и газов, плавку ведут в вакууме или в среде защитных газов с использованием различного рода плавильных агрегатов.

1. ПЛАВИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Электроннолучевые печи

Нагрев и расплавление шихты в электроннолучевых печах (рис. 4) осуществляются за счет электронов, выделяемых катодом. Под дейст­ вием высокого напряжения сконцентрированный пучок электронов дви­ жется с большой скоростью к аноду. При столкновении электронов с шихтой вся их энергия движения переходит в тепло, нагревая металл. При этом получается достаточно высокая температура, при которой быстро расплавляется металл. Электронным лучом — источником кон­ центрированной энергии легко создается и поддерживается высокая сте­ пень перегрева жидкого металла. Это способствует получению однород­ ных сплавов и позволяет достигнуть высокой степени очистки от лету­ чих примесей.

В табл. 5 приведены сравнительные технические характеристики наи­ более известных и совершенных электроннолучевых печей, разработан­ ных в последнее время. В стадии разработки находятся и более крупные

печи, работающие при вакууме 1(Г4 — 10“5 мм рт. ст. с подводимой мощностью до 6000 кВт.

Практика показала, что элек­ троннолучевая плавка (ЭЛП) не обеспечивает рафинирования расплава меди от неметалли­ ческих включений, поэтому ши­ рокого применения для произ­ водства меди и ее сплавов указанный метод не получил.

Рис. 4. Принципиальная схема элек­ тронной плавильной печи:

1 - катод; 2 - отклоняющая систе­ ма; 3 - вакуумные насосы; 4 - фо­ кусирующая система; 5 - нагревае­ мый металл; 6 - анод

Дуговые вакуумные печи

Печь состоит из вакуумной камеры, внутри которой расположены из­ ложница, тигель и расходуемый электрод. В качестве расходуемого электрода служат слитки переплавляемого металла или сплава. Плавле­ ние шихты осуществляется за счет тепла электрической дуги между элек­ тродом и тиглем. Плавку начинают с установки тигля и электрода в

печь. Затем печь герметизируют и вакуумируют. Дуговые печи —высоко­ производительные. Недостаток этих печей —сложность подготовки рас­ ходуемого электрода. Вакуумно-дуговой переплав меди и малолегиро­ ванных медных сплавов свидетельствует, что расплав практически не очищается от неметаллических включений. Поэтому дуговой вакуумный переплав медных сплавов в настоящее время можно рассматривать как временную меру для получения слитка, свободного от усадочной ракови­ ны и осевой усадочной пористости.

Плазменные печи

Плазменная плавка обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с дуговой плавкой. Отсутствие огнеупорной футеровки ис­ ключает загрязнение металла углеродом из графитизированных элек­ тродов, азотом и водородом из атмосферы печи. Металл расплавляют теплом электрической дуги, которая горит между стержневым анодом и кольцевым охлаждаемым катодом. Через катод проходит поток плаз­ мы, т.е. поток сильно ионизированного инертного газа (аргона или сме­ си аргона и азота).

Применяя различные смеси газов, можно поддерживать в печи любую атмосферу - окислительную, восстановительную и нейтральную. Благо­ даря повышению общего давления угар металла при плазменной плавке меньше, чем при вакуумной. При плазменной плавке можно достичь вы­ соких и легко регулируемых температур. Сохраняя основные преимуще­ ства вакуумных дуговых и электроннолучевых печей, плазменная печь отличается безопасностью эксплуатации, простотой устройства. Расплав, получаемый в плазменных печах, отличается высокой степенью чистоты.

Плазменно-дуговая плавка является весьма перспективной, особенно при плавке сплавов, содержащих значительный процент отходов. Однако

впромышленном масштабе этот способ для производства слитков меди

имедных сплавов еще не освоен.

Печи электрошлакового переплава

Электрошлаковый переПлав металлов и сплавов —новый эффектив­ ный метод улучшения качества литой заготовки, предназначенной для дальнейшей деформации (рис. 5).

Рис. 5. Схема электрошлакового пе­ реплава в печах с расходуемым электродом: