Производство отливок из сплавов цветных металлов. Раздел оптимизация состава плавильной шихты. Учебное пособие

Таблица 4.33

Химический состав медно-никелевых и медно-бериллиевых лигатур

* В медно-бериллиевых лигатурах ограничивается содержание марганца: в марке МБ1 ≤ 0,04 %, а в марке МБ2 – 0,04…0,06 % и более.

Примечание. Температура плавления медно-никелевых лигатур

101

102

Контрольные вопросы

1.Какие шихтовые материалы являются первичными?

2.Какие шихтовые матералы относят к вторичным?

3.К какой категории шихтовых материалов относится возврат собственного производства?

4.Какие первичные материалы используют при плавке медных сплавов?

5.Какие первичные материалы используют при плавке алюминиевых сплавов?

6.Какие первичные материалы используют при плавке магниевых сплавов?

7.Что представляют собой лигатуры?

8.В связи с чем применяют лигатуры?

9.Какие лигатуры применяют при плавке медных сплавов?

10.Какие лигатуры применяют при плавке алюминиевых сплавов?

11.Какие лигатуры применяют при плавке магниевых сплавов?

103

5.ПЛАВКА МЕДНЫХ СПЛАВОВ

ИОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ПЛАВИЛЬНОЙ ШИХТЫ

5.1.Плавка медных сплавов

5.1.1.Особенности плавки медных сплавов

Плавку медных сплавов в современном производстве ведут в электрических индукционных печах: высокочастотных тигельных печах (обычных или вакуумных), в печах промышленной частоты и канальных. Не утратили своего значения пламенные отражательные и тигельные топливные печи. Выбор типа печи обусловливается составом сплава, его потребностью, а также требованиями к качеству выплавляемого металла. Наилучшее качество обеспечивается при плавке в индукционных печах.

При плавке на воздухе медные сплавы окисляются и насыщаются водородом. Окисляются в первую очередь компоненты, имеющие более высокий, чем медь, изобарный потенциал образования оксида. По этой причине легирующие элементы (Al, Be, Sn, Zn и др.) раскисляют медь, образуя твердые, жидкие и газообразные оксиды. Твердые оксиды медленно всплывают (осаждаются) в расплавах. Они могут попасть в отливки.

Для выплавки медных сплавов применяют различные шихтовые материалы, состав которых приведен в разделе 4. Медные сплавы выплавляют из чистых металлов, готовых чушковых сплавов, различных лигатур, а также отходов производства (возврата).

Медные сплавы за исключением латуней интенсивно поглощают водород и при кристаллизации склонны к образованию газовой пористости. В большей мере этому подвержены сплавы с широким интервалом кристаллизации. В зависимости от состава бронз и условий их плавки растворимость водорода в них может достигать 20 см3 на 100 г сплава. С повышением температуры интенсивность взаимодействия с газами увеличивается; взаимодействию с газами наиболее подвержены алюминиевые и кремниевые бронзы и латуни.

104

Для защиты от окисления плавку медных сплавов ведут под покровом древесного угля или флюсов на основе фторидов, стекла или соды. Чтобы предупредить образование твердых нерастворимых оксидов, медь перед введением легирующих элементов раскисляют 0,10…0,15 % фосфора. Ввод фосфора осуществляется с помощью лигатуры медь – фосфор (7…10 % P). При производстве специальных бескислородных марок меди могут использоваться более дорогие и дефицитные раскислители, такие как литий и бор, значительно в меньшей степени снижающие электропроводность меди.

Для очистки расплавов от растворенного водорода и твердых неметаллических включений их подвергают продувке газами, вакуумированию, обработке флюсами и фильтрованию. Основные пути снижения содержания водорода в медном расплаве – уменьшение парциального давления водорода над расплавом и увеличение температуры расплава до температуры кипения. Второй путь является экономически невыгодным, он применим только для сплавов, содержащих летучие компоненты, например для латуней и бронз, содержащих цинк. Глубокую очистку расплавов дает фильтрование через зернистые фильтры из фторидов кальция и магния. Фильтры перед использованием подогревают до 700…800 С.

Медные сплавы модифицируют с целью измельчения первичного зерна отливок. Для измельчения зерна в сплавы вводят 0,02…0,10 % тугоплавких элементов (Ti, V, Zr, В, W, Mo).

5.1.2. Плавка бронз

Высокооловянные бронзы, содержащие 7…10 % олова, которые, как правило, предназначены для изготовления ответственных изделий, выплавляют из чистых металлов. Бронзы с содержанием олова менее 6 % выплавляют с использованием вторичных чушковых сплавов и отходов собственного производства. При этом в зависимости от требований к литому изделию количество отходов в шихте может составлять от 10 до почти 100 %. Корректировку состава производят в конце плавки присадками чистых металлов и лигатур. Использование стружки в качестве компонента шихты не рекомендуется из-за загрязненности ее маслом, влагой и посторонними примесями.

105

При плавке из чистых металлов вначале расплавляют тугоплавкие компоненты (медь и др.), при этом для снижения содержания водорода плавку осуществляют в окислительной атмосфере. Полученный первичный расплав раскисляют фосфором

вколичестве 0,01…0,05 %, а затем расплав легируют подогретыми легкоплавкими компонентами (цинком, свинцом и оловом).

При плавке из вторичных сплавов и отходов прежде всего расплавляют чушки и крупные отходы, а затем мелкие отходы и лигатуры.

Втигельных печах бронзы плавят под слоем древесного угля. Это позволяет предохранять расплав от окисления и охлаждения. Но древесный уголь адсорбирует много влаги, и потому способствует насыщению жидкого металла водородом, поэтому предпочтительнее вместо древесного угля использовать графитовую крошку.

Вотражательных печах с большим зеркалом металла и газовой средой, в которой содержатся пары воды, плавку бронз осуществляют под слоем флюсов. Флюсы защищают расплав от окисления, но также рафинируют его от неметаллических включений.

Алюминиевые бронзы плавят с учетом их повышенной склонности к окислению. В качестве компонентов шихты используют первичные металлы, вторичные сплавы, лигатуры и отходы производства. При плавке бронзы из чистых металлов вначале расплавляют 2/3 расчетного количества меди и никель, если он входит в состав сплава. После расплавления первичной завалки металл разогревают и раскисляют фосфором. Затем

врасплав вводят компоненты, содержащие легирующие элементы – Fe, Al, Mn и др. Растворение алюминия в меди сопровождается экзотермическим эффектом, поэтому расплав сильно перегревается, что нежелательно. Для предотвращения этого в него присаживают остатки меди, а также отходы производства. Если шихта состоит преимущественно из вторичных сплавов и отходов, то плавку алюминиевой бронзы ведут под слоем флюса из фтористых солей натрия и калия. Они хорошо ассимилируют включения Al2O3, которыми обычно загрязняются алюминиевые бонзы вследствие высокого сродства алюминия к кислороду. Алюминиевые бронзы также рафинируют летучими солями

106

(MnCl2 и др.), а также продувкой азотом или аргоном. При плавке алюминиевой бронзы не удается эффективно удалять из расплава примеси Sn, Sb и некоторых других элементов, поэтому содержание таких элементов необходимо строго контролировать на стадии выбора шихтовых материалов.

5.1.3. Плавка латуней

Особенности технологии плавки латуней связаны с присутствием в них цинка в качестве основного легирующего элемента. Цинк обладает высокой летучестью, поэтому для плавки латуней не рекомендуется применение электродуговых печей из-за сильного испарения цинка вследствие высокого перегрева металла в зоне горения дуги. При плавке в таких печах угар металла достигает 3…6 %. Наиболее подходящим являются индукционные тигельные печи.

Литейные латуни можно плавить из чистых металлов, а также с использованием вторичных сплавов, лигатур и отходов.

При плавке латуней из чистых металлов предварительно расплавляют медь и после раскисления в расплав присаживают компоненты, содержащие легирующие элементы. Затем добавляют цинк и отходы.

При плавке латуней из вторичных сплавов их вместе с отходами загружают в печь в первую очередь. По результатам анализа химического состава полученного расплава при необходимости осуществляют корректировку содержания элементов присадкой соответствующих лигатур.

Кремнистые латуни обычно плавят без защитного покрова, а плавку алюминиевых латуней осуществляют аналогично плавке алюминиевых бронз.

Деформируемые латуни плавят в канальных индукционных печах. Вначале в печь загружают медь, затем тугоплавкие компоненты (никель, лигатуры) и отходы. Легкоплавкие компоненты шихты (алюминий, свинец, цинк и олово) присаживают в последнюю очередь. Плавку ведут под покровом прокаленного древесного угля.

Угар компонентов медных сплавов при плавке приведен в табл. 5.1.

107

Таблица 5.1

Угар элементов при плавке бронз и латуней, % отн.

Окончание табл. 5.1

5.2. Оптимизация состава шихты при плавке медных сплавов

Рассмотрим пример оптимизации компонентного состава шихты при выплавке медного сплава – обрабатываемой давлением безоловянной бронзы БрАЖМц10-3-1,5 в индукционной тигельной печи.

Согласно методике, изложенной в разделе 2, процедура решения задачи оптимизации состоит из пяти этапов.

На первом этапе определяем расчетный химический состав сплава. Согласно ГОСТ 18175-78 бронза БрАЖМц10-3-1,5 должна иметь следующий химический состав (табл. 5.2).

Согласно рекомендациям, изложенным в разделе 2, в качестве расчетных элементов включаем все легирующие элементы (Al, Fe и Mn), а в качестве примесей – только сумму учитываемых примесей (∑Пр), через которую косвенно учитываются примеси Sn, Si, Pb, P и Zn.

108

Таблица 5.2

Химический состав бронзы БрАЖМц10-3-1,5, %

Расчетный состав бронзы БрАЖМц10-3-1,5 в соответствии с (2.1) … (2.5) можно записать в виде следующих неравенств:

На втором этапе составляем перечень шихтовых материалов, которые можно (или обязательно нужно) использовать при выплавке бронзы БрАЖМц10-3-1,5.

Вперечень шихтовых материалов, необходимых для плавки данной бронзы, прежде всего включаем один или несколько компонентов, которые содержат медь – основу сплава. В качестве таковых используем более чистую катодную медь марки М2к и черновую медь марки М3 (ГОСТ 859–2014).

Вперечень необходимо включить также компоненты, содержащие легирующие элементы, т.е. материалы, содержащие Al, Fe и Mn. В качестве алюминийсодержащего компонента в перечень включаем алюминий первичный марки А0 (ГОСТ 11069– 2001), а в качестве железо- и марганецсодержащих компонентов – соответственно стальной лом и марганец металлический Мр2 (ГОСТ 6008–90). С целью утилизации отходов и удешевления шихты обязательно при плавке используют возврат собственного производства в виде литников, прибылей и брако-

ванных отливок. Перечень должен содержать информацию о содержании всех контролируемых элементов Эi во всех j-х ком-

109

понентах шихты (Эij ш) и стоимости всех компонентов шихты Cj ш (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Сведения о выбранных компонентах шихты для плавки бронзы БрАЖМц10-3-1,5

В возврате содержание легирующих элементов принято также как среднее от регламентируемых пределов. В остальных случаях содержание элементов принято как предельное или околопредельное значение.

На третьем этапе устанавливаем угар элементов из шихтовых материалов при плавке бронзы БрАЖМц10-3-1,5 в индукционной тигельной печи и рассчитываем усредненный химический состав плавильной шихты, который обеспечит требуемый состав сплава.

Компоненты шихты, представленные в табл. 5.3, частично компактны (медь и алюминий), а частично некомпактны (лом стальной и возвратные отходы бронзы). Согласно табл. 5.1 при использовании компактной шихты угар алюминия составляет 0,5…1,0 %, а некомпактной – 2…5 %, поэтому для алюминия принимаем среднее значение угара – 3 %. По аналогичному основанию для марганца угар при плавке принимаем равным 2 %, а для железа – 1,0 %. Угар примесных элементов приравниваем нулю – У∑Пр = 0.

Общий угар шихты Уш находим по соотношению (2.25):

110