книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

150 см/с. Поэтому для алюминиевых сплавов применяют расширяю­ щиеся литниковые системы с соотношением

Для снижения скорости движения сплава в стояке их часто де­ лают зигзагообразными, однако это увеличивает потери теплоты сплавом и снижает заполняемость формы. Для задержания шлака иногда используют фильтровальные сетки.

Площадь сечения стояка для отливок из алюминиевых сплавов определяют по номограмме (рис. 227). По высоте (шкала I) и массе отливки (шкала III) находят точки, которые соединяют прямой линией. Эту линию продолжают до пересечения со шкалой IV. Точку пересечения соединяют прямой с точкой (средняя толщина отливки) на шкале II и эту прямую продолжают до пересечения со шкалой У. Точка на шкале У соответствует сечению стояка для данной отливки.

§ 3. ПЛАВКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ЗАЛИВКА ФОРМ

Алюминиевые сплавы легко окисляются при расплавлении, рас­ творяют газы и вредные примеси. На поверхности расплавленного сплава образуется прочная окисная пленка, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Сплав может загрязняться окисью алюминия, не растворяющейся в расплавленном алюминии, ее можно удалить только рафинированием. Алюминиевые сплавы интенсивно растворяют газы и главным образом водород, в резуль­ тате в отливках образуется пористость.

Поэтому для плавки алюминиевых сплавов очень важно'е зна­ чение имеют правильный подбор шихтовых материалов и выбор пла­ вильного агрегата.

Алюминиевые сплавы плавят в печах различных конструкций. В цехах мелкосерийного производства (до 30 т литья в месяц) применяют тигельные печи, работающие на мазуте, газе и электри­ честве, или отражательные печи небольшой емкости; в цехах мас­ сового производства — газовые, мазутные или электрические отра­ жательные печи, печи сопротивления и индукционные печи большой емкости (до 5 т).

В связи с тем, что алюминиевые сплавы не рекомендуется пере­ гревать, так как они легко поглощают газы и окисляются, их не пла­ вят в пламенных и дуговых печах.

Т и г е л ь н ы е п е ч и применяют, в основном, в цехах литья под давлением и в кокиль в качестве раздаточных печей, но они не­ производительны и требуют большого расхода топлива. В этих печах устанавливают литые чугунные тигли емкостью 125—300 кг. Для предохранения тигля от растворения во время плавки и от на­ сыщения алюминиевого сплава железом тигли изготовляют из чугуна или футеруют. Тигель после окраски "отжигают при 500— 600° С в течение 3—5 ч. Стойкость чугунных тиглей 60—100 плавок.

3 9 0

Производительность тигельных печей 80—150 кг/ч, продолжи­ тельность плавки в печи с тиглем емкостью 250 кг — 1,5—2,5 ч, расход мазута 11—20% массы шихты. Для стационарных печей кроме чугунных применяют графитовые тигли емкостью 150—300 кг.

и железом (нихрома). Нихром лучших марок выдерживает нагрев до 1150° С в течение 6—8 месяцев.

В печи делают две камеры для загрузки шихты (рис. 228). В ка­ мерах металл прогревается до оплавления нихромовыми нагрева­ тельными стержнями. Жидкий металл из камер стекает в металлосборник, центральную часть печи, где он также подогревается.

Рис. 228. Печь сопротивления для плавки алюминиевых сплавов:

плавок в сутки, угар металла невысокий (1%), расход электроэнер­ гии в печи емкостью 1,5—2 т 550 кВт-ч/т.

И н д у к ц и о н н ы е п е ч и с ж е л е з н ы м с е р д е ч ­ н и к о м для плавки алюминиевых сплавов изготовляют емкостью от 30—60 кг до 6—8 т. В них сплав во время плавки не соприкасается с газами печи. Угар металла составляет 0,5—0,8%, а при переплавке стружки около 5%. Расход электроэнергии 380—450 кВт-ч вместо 530—600 кВт-ч при плавке в печи сопротивления.

Плавка алюминиевых сплавов. В качестве шихтовых материалов для приготовления алюминиевых сплавов применяют первичные ме­ таллы, первичные сплавы, лигатуры, а также отходы собственного производства (литники, прибыли, брак).

Для примера ниже описана плавка сплава АЛ2. В шихту этого сплава входят силумин в чушках, алюминий первичных сплавов, лигатуры алюминий — кремний с содержанием 12—15% Si; до 35—50% отходов собственного производства; до 15% чушек пере­ плава из стружки собственного производства. Шихта должна быть чистой, сухой, без загрязнения маслом, мазутом, землей и др. Ших­

товые материалы перед присадкой в расплавленный металл подо­ гревают до 100—150° С.

Плавку сплава АЛ2 рекомендуется вести на чушках готового силумина, а при отсутствии его — с применением лигатуры алюми­ ний — кремний. Тщательно просушенный и прокаленный тигель перед загрузкой шихты нагревают до 600—700° С. Затем в него за­ гружают отходы собственного производства, после расплавления которых загружают чушки паспортного силумина или алюминия (при плавке на лигатуре). Затем вводят лигатуру алюминий — крем­ ний и сплав тщательно перемешивают. Температуру доводят до 680—700° С и рафинируют сплав сухими хлористыми солями.

Р а ф и н и р о в а н и е х л о р и с т ы м и с о л я м и. К рафи­ нирующим солям, легко разлагающимся при нагреве, относятся соли: ZnCl2, МпС12, С.2С16, А1С13 и др. Рафинирующее действие солей основано на их реакции с алюминием

ЗМеС13 + 2А1 = 2А1С13 + ЗМе,

в результате которой выделяется газообразный хлористый алю­ миний, а восстановленный цинк или марганец переходит в ра­ сплав.

Перед рафинированием соли необходимо тщательно подготовить, так как они имеют повышенную гигроскопичность, особенно хло­ ристый цинк. Хлористый цинк необходимо переплавить при 380— 400° С и размолоть, а хлористый марганец просушить при этой же температуре в течение 4—6 ч.

Соли следует хранить в термостате или сушильном шкафу при 120—150° С. При рафинировании 0,1—0,2% соли (от массы шихты) вводят расплав с помощью колокольчика. Рафинирование сплава считают законченным после окончания бурления. Для устранения сильного бурления и окисления соль можно вводить в два приема. После рафинирования сплав выдерживают в течение 5—8 мин, так как в этот период всплывают оставшиеся в расплаве пузырьки газов и окисных плен.

Гексахлорэтан С2С10, применяемый в качестве рафинирующей соли, имеет преимущества по сравнению с хлористым цинком и мар­ ганцем: он негигроскопичен, при взаимодействии с расплавленным алюминием обладает большой газотворной способностью:

ЗС2С16 + 2А1 ЗС2С14 + 2А1С13.

Газообразный тетрахлорэтилен С2С14 выделяется в виде крупных, быстровсплывающих пузырьков, что затрудняет диффузию в него водорода из расплава и снижает эффект рафинирования по сравне­ нию с хлором. Поэтому вводят в сплав 0,5—1,0% гексахлорэтана от массы шихты в несколько приемов. Температура рафинирования

730—750° С.

Р а ф и н и р о в а н и е ф л ю с а м и . Флюсы, покрывающие ванну сплава, защищают его от воздействия атмосферы печи, способ­ ствуют очищению сплава от окисных включений и дегазируют его.

3 9 2

В качестве флюсов применяют хлористый натрий и калий в соотно­ шении 1: 1. Они образуют легкоплавкую эвтектику.

Покровные флюсы в количестве 2—3% массы шихты засыпают на поверхность чушек сразу после загрузки их в печь. По мере испа­ рения флюса его периодически добавляют. Покровно-рафиннрую- щне флюсы в количестве 0,5—1,0% массы шихты засыпают на поверх­ ность расплава. Затем на его поверхность насыпают фтористый натрий для сгущения флюса, флюс снимают и сплав разливают.

В а к у у м и р о в а н и е с п л а в о в : Сущность этого способа заключается в том, что с понижением давления растворимость водо­ рода в сплаве уменьшается. Водород в сплаве, находящийся в иони­ зированном или атомарном состоянии, переходит в молекулярное со­ стояние; образуются пузырьки, которые всплывают на поверхность.

Сплав перед заливкой вакуумируют в специальной камере, в ко­ торой вакуум-насосом поддерживается разрежение 1—10 мм рт. ст. Время вакуумирования 10—15 мин в зависимости от загрязненности сплава.

Наиболее совершенным способом получения качественных спла­ вов является плавка и заливка под вакуумом. Уменьшение давле­ ния над зеркалом сплава в процессе плавки понижает температуру испарения примесей, обладающих высоким давлением паров, в ре­ зультате чего происходит очистка от них алюминиевых сплавов.

При заливке в вакууме сплав не окисляется, что позволяет производить заливку с разрывом струи для создания лучших условий последовательно-направленной кристаллизации отливок.’ Вакуумную плавку проводят в специально оборудованных индукционных печах.

Дегазацию алюминиевых сплавов осуществляют обработкой ультразвуком. При прохождении ультразвуковых волн в расплаве возникают упругие колебания частиц. Вследствие инерции скорость возвратно-поступательного движения отдельных частиц будет раз­ личной, что приведет к временному разрыву сплошности и образо­ ванию микрополостей с глубоким вакуумом. В эти полости устрем­ ляются растворенные в сплаве газы, где они образуют пузырьки. При обратном движении частиц происходит сжатие газа, но молеку­ лярный водород в раствор не переходит'. При последующих разрывах сплошности расплава пузырьки увеличиваются до критического раз­ мера, всплывают и удаляются в атмосферу.

Модифицирование. Модифицирование является необходимой технологической операцией для сплавов с высоким (более 6%) содер­ жанием кремния, если они кристаллизуются в составе двойной эвтек­ тики а + Si. Грубые, пластинчатой формы частицы кремния ухуд-. шают механические свойства сплавов, особенно удлинение.

Для модифицирования применяют натрий, который вводят в сплав из смесей солей. При содержании 0,09—0,1% Na в сплаве кремний кристаллизуется в виде мелких округленных частиц, что способствует повышению механических свойств.

В табл. 61 приведены модификаторы для алюминиевокремниевых сплавов.

393

Таблица 61

Состав модификаторов для алюмшшевокремниевых сплавов, % по массе

Алюминиевые сплавы можно обрабатывать модифицирующими флюсами. Этот способ заключается в следующем. Расплавленный размолотый и просеянный через сито № 20 модификатор в количестве 1,5—2% массы шихты насыпают на поверхность расплава, нагретого до температуры модифицирования. Расплав выдерживают под флю­ сом в течение 10—15 мин, а затем флюс замешивают в расплав на глу­ бину 100—150 мм в течение 2—3 мнн. Введение в расплав натрия сопровождается реакцией

3NaF + Al = AlF3 + 3Na.

После окончания модифицирования флюс снимают (для сгуще­ ния флюса используют NaF) и заливают формы. Чтобы исключить выгорание натрия, время модифицирования с момента окончания модифицирования и до конца заливки не должно превышать 30 мин. Если в течение этого промежутка заливку не закончат, оставшуюся часть сплава необходимо модифицировать вторично.

Наилучшие результаты достигаются при модифицировании уни­ версальными флюсами, обеспечивающими одновременно и рафиниро­ вание сплавов. Применение тугоплавких флюсов № 1 требует значительного перегрева сплава, что приводит к газонасыщенности. Поэтому их целесообразно использовать при литье сплавов с повы­ шенным содержанием кремния (АЛ2), когда необходима наиболь­ шая модифицирующая активность флюса, и при литье крупногаба­ ритных тонкостенных деталей, которыезаливают при высоких тем­

Г Л А В А 111

\

ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

§ 1. СОСТАВ И СВОЙСТВА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Магний и его сплавы являются хорошим конструкционным мате­ риалом, так как он в 4,5 раза легче железа и 1,6 раза легче алюми­ ния. Чистый магний — это металл серебристо-белого цвета. Темпе-

394

ратура плавления его 650° Q плотность при 20° С 1,738 г/смя. Плот­ ность магниевых сплавов 1,75—1,9 г/см3, по значениям удельной прочности они превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы, обладают поглощением вибрации, что очень важно для авиации и транспорта. Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и после надлежащей обработки не усту­ пают по коррозионной стойкости алюминиевым сплавам.

1. Магниевые сплавы широко применяют в авиационной промыш­ ленности, в приборостроении, в авто- и моторостроении, радиотех­ нике и других отраслях промышленности. Из магниевых сплавов изготовляют корпуса приборов, бурильных, пневматических и руч­ ных инструментов, корпуса радиоаппаратуры, фотокамер, детали двигателей и др. Масса отливок из магниевых сплавов достигает

300—500 кг.

Наибольшее применение в промышленности нашли магниевые сплавы систем Mg — А1 — Мп и Mg — А1 — Zn. Основной легирую­ щей добавкой в магниевых сплавах является алюминий, который вводят непосредственно в расплавленный магний в количестве

5,0—11%.

Алюминий уменьшает способность магниевых сплавов самовос­ пламеняться, повышает механические свойства, а также улучшает литейные свойства. При дальнейшем увеличении содержания алюми­ ния в сплаве снижается механическая прочность и увеличивается хрупкость.

Цинк в количестве до 5,5% способствует повышению механиче­ ских свойств, но ухудшает литейные свойства сплавов. Коррозион­ ная стойкость их выше сплавов системы Mg — А1 — Мп.

Марганец вводят в магниевые сплавы для повышения их корро­ зионной стойкости в количестве до 2—2,5%, а в сплавах системы Mg — А1 — Zn от 0,1 до 0,5%. Добавка до 1,5—2% Мп повышает механические свойства сплава, плотность отливок, улучшает свари­ ваемость, но ухудшает жидкотекучесть и увеличивает склонность к горячим трещинам.

Цирконий измельчает структуру, повышает механические свой­ ства, но ухудшает литейные свойства. В настоящее время получают отливки с прочностью при растяжении до 35 кгс/мм2 и удлинением

5—15%.

Сплав магния с марганцем Мл2 применяют сравнительно редко из-за невысоких механических и литейных свойств.

Наибольшее распространение получили сплавы магния с алю­ минием Мл4 и Мл5.

Сплав Мл4 (6,0% А1, 2,5% Zn и 0,3% Мп, остальное Mg) имеет высокие механические свойства в литом состоянии и повышенную коррозионную стойкость после оксидирования. Из сплава Мл4 изготовляют детали -агрегатов и приборов, от которых тре­ буется повышенная стойкость против коррозии. Но при литье этот сплав сильно окисляется и имеет склонность к образованию микрорыхлот, горячих трещин, большую усадку, что вызывает

3 95

затруднения при получении отливок сложной конфигурации из этого сплава.

Сплав Мл5, содержащий 8,5% А1, 0,5% Zn, 0,3% Мп, остальное Mg, обладает более высокими технологическими свойствами, чем сплав Мл4, так как он менее склонен к образованию микрорыхлот, горячих трещин и по жидкотекучестн уступает только сплаву Млб (10% Al, 1 % Zn, 0,3% Мп, остальное Mg). Сплавы Мл5 и Млб приме­ няют для литья в разовые песчаные формы, кокиль и под давле­ нием при производстве высоконагруженных деталей. Сплавы Мл9, Мл 10, Мл 12 и др. применяются для работы при повышенных темпе­ ратурах порядка 150—350° С.

§ 2. ОСОБЕННОСТИ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ

Отличительной особенностью магниевых сплавов является их способность сильно окисляться и Даже воспламеняться при плавке

и заливке.

При заливке магниевых сплавов в разовую песчаную форму, не содержащую специальных защитных присадок, магний реагирует с влагой формы и с кислородом воздуха, содержащимся в порах формы, а в местах наибольшего разогрева формы — с кремнеземом. При этом могут происходить реакции с выделением большого коли­ чества теплоты и загорания сплава:

Mg + НоО -> MgO + Н2 + 77,5 ккал; 2Mg4 -0 „ -> 2MgO + 287,2 ккал.

Для того чтобы предотвратить горение магния в форме, в с о с ­ т а в ф о р м о в о ч н ы х с м е с е й в в о д я т з а щ и т н ы е п р и с а д к и в виде фтористых солей аммония NH,,P или фторборкислого аммония NH4BF4, или смеси, состоящей из борной кис­ лоты НВ03, технической мочевины СО (NH,)3 и сернокислого алю­ миния AU (S04)3. Присадки (85% NH4 или NH4BF4 и 15% НВ03)

вводят в формовочную смесь в количестве 4—8% массы смеси. В стержневые смеси добавляют 0,25—1,0% смеси борной кислоты и серы. Компоненты присадок соединяются с магнием млн продук­ тами его окисления и образуют на поверхности металла защитные пленки Mg0-B20 3; А120 3-В20 3 и др., которые более плотны, чем пленки MgO. Кроме того, присадки образуют газообразные продук­ ты, создающие инертный защитный слой газа. Эта газовая оболочка препятствует контакту сплава с парами воды и газов формы.

Формовочные и стержневые смеси (табл. 62) для литья магние­ вых сплавов приготовляют из обычных песков и глин с минимально возможной влажностью, высокой газопроницаемостью, так как фторсодержащие присадки очень газотворны.

Высококачественные формовочные смеси приготовляют из отмы­ тых от глины песков с добавкой 2—4% бентонита и с минимальной влажностью. Стержневые смеси приготовляют на связующих: М, 4Гу, сульфитно-спиртовой барде и др. Для стержней следует выби-

3 9 6

Таблица 62

Типовые составы формовочных и стержневых смесей для отливок из магниевых сплавов, %

Свойства смесей

рать связующие, которые высыхают при низких температурах сушки стержней во избежание выгорания защитной присадки (серы).

Литниковые системы для магниевых сплавов почти ничем не отличаются от литниковых систем для алюминиевых сплавов. Литниковые чаши должны быть металлоемкими для удержания в них шлака. Предпочтительно использовать вертикально-щелевую лит­ никовую систему. Для устранения пористости усадочного проис­ хождения ускоряют затвердевание отливки установкой наружных холодильников и соответствующим подводом металла. Литниковую систему для магниевого сплава можно рассчитать по формуле (6). Соотношения площадей поперечного сечения элементов литниковой системы следующие:

F„ : Fm„: nFmT= 1 : 2 : 4; 1: 3: 1; 1: 3: 6; 1: 4: 2 .

Широкое распространение нашел разработанный А. Г. Спасским п А. А. Бочваром способ литья в разовые формы, помещаемые в авто-

Рнс. 229. Заливка форм в автоклавах:

в автоклав (рис. 229), который герметически закрывают. Через спе­ циальное отверстие металл из ковша заливают в форму, затем отвер­ стие герметически закрывают, в автоклав подают сжатый воздух под избыточным давлением 5—7 ат. Внешнее давление усиливает питающее действие прибылей и одновременно препятствует выделе­ нию газов из охлаждающегося металла, это способствует повышению плотности отливок и их механических свойств.

Для получения плотных отливок из магниевых сплавов приме­ няют наружные холодильники, так как внутренние не свариваются с заливаемым металлом из-за наличия окисных пленок на поверх­ ности раздела металл — холодильник.

Наружные холодильники делают из меди и медных сплавов, чугуна, графита, стали и алюминия. Рабочие поверхности холодиль­ ников, соприкасающиеся с жидким металлом, покрывают различ-

398

нымп красками.■Толщину холодильников из чугуна, стали и гра­ фита при литье легких сплавов рекомендуется принимать 0,3—1,0 толщины захолаживаемой части отливки.

Для магниевых сплавов характерны низкое теплосодержание, малая плотность и незначительное металлостатическое давление, поэтому прибыли на фасонных отливках из этих сплавов делают более массивными, чем на отливках из алюминиевых сплавов.

§ 3. ПЛАВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Для плавки магниевых сплавов применяют тигельные и отража­ тельные печи, работающие на газе, мазуте, электропечи, а также индукционные печи.

Тигельные печи для плавки магниевых сплавов применяют с вы­ емными п стационарными тиглями. В литейных цехах массового производства применяют печи со стационарным тиглем. Емкость стальных стационарных печей до 900 кг, производительность 60— 120 кг/ч, а с тиглем емкостью 900 кг — около 250 кг/ч. Печи с выем­ ным тиглем применяют в литейных цехах, изготовляющих круп­ ные отливки и выпускающих небольшое число мелких и средних отливок. При литье крупных отливок емкость тигля достигает

200 кг.

Отражательные печи большой емкости применяют при непре­ рывной плавке магниевых сплавов и переплавке крупногабаритного лома и отходов. Для плавки магниевых сплавов все большее распро­ странение получают индукционные печи' промышленной частоты.

Печи футеруют магнезитовым кирпичом. Готовый сплав из печи переливают в раздаточные тигельные печи с помощью центробеж­ ной помпы, которая перекачивает металл на расстояние до 10 м.

Шихтовые материалы, флюсы и их подготовка. В качестве исходных материалов применяют чистые металлы, первичные спла­ вы, отходы собственного производства, предварительные сплавы и лигатуры. Из чистых, первичных металлов применяют магний чушковой, алюминий чушковой, кремний кристаллический или кремний чушковой, силумины, цинк чушковой.

При плавке магниевых сплавов применяют-лигатуры: алюминиевобериллиевую (97—95% А1 и 3—5% Be, температура плавления 700—800° С); магниевомарганцевую (96—98% А1, 2—4% Мп, тем­ пература плавления 700—800° С); алюминиевомарганцевую (92— 88% А1 и 8—12% Мп, температура плавления 770—830° С); алюми­ ниевомагниевомарганцевую (70% А1, 20% Mg и 10% Мп,температура плавления 700—800° С) и другие лигатуры.

Шихту составляют из возврата различных сортов, который вво,- дят до 30—40% от массы шихты. Для модифицирования магниевых сплавов применяется магнезит или мел с размером кусков не более

10—25 мм.

В качестве легирующего компонента применяют металлический кальций для повышения плотности отливок.

3 9 9