2.3. Подготовка сплавов и заливка их в литейные формы

Подготовка сплавов заключается в дополнительной их обработке в процессе плавки и после плавки, в литейном раздаточном ковше или непосредственно в литейной форме с целью придания им различных свойств и улучшения качества. Основные виды подготовки высоко­качественных сплавов – это модифицирование, легирование и рафи­нирование (очистка).

Модифицирование – это введение в жидкий металл после его плавки различных добавок в малых количествах (сотые или десятые доли процента), которые изменяют условия кристаллизации сплава, влияя на его внутреннее строение (микроструктуру) практически без изменения химического состава. Изменение внутреннего строения сплава влечет изменение его механических, физических и технологиче­ских свойств. Вещества, вводимые в жидкий сплав перед его кристал­лизацией, называют модификаторами.

В качестве модификаторов могут быть использованы тугоплавкие частицы, которые искусственно увеличивают число центров кристал­лизации (зародышей) в расплаве; поверхностно-активные элементы, которые адсорбируются на гранях кристалла, сдерживая его рост путем изоляции от жидкости, вещества, вступающие в химические реакции с элементами и газами, находящимися в расплаве, образуя новые соединения, влияющие на последующие процессы кристаллиза­ции и изменяющие физико-химическую природу сплавов. Модификаторы часто представляют собой комплексные соединения, состоящие из нескольких элементов и обладающие раскисляющей, дегазирующей и графитизирующей способностью.

На практике в качестве модификаторов для серого чугуна исполь­зуют ферросилиций, силикокальций, редкоземельные элементы с це­рием и иттрием, теллур, висмут, бор и др. Для получения чугуна с шаровидным графитом применяют магний и церий. Серые чугуны модифицируют с целью получения износостойкой структуры, повыше­ния механических свойств. При этом форма графита может остаться пластинчатой или перейти в вермикулярную или шаровидную. Ков­кие чугуны модифицируют для сокращения цикла отжига и получения графита, близкого по форме к шаровидной. Модифицирование твердыми добавками осуществляют различными способами (рис. 2.8).

После модифицирования чугун сразу же заливают в литейную форму во избежание потери эффекта модифицирования и охлаждения металла. Жидкое модифицирование осуществляют методом сливания двух расплавов при получении толстостенных отливок, для которых не требуется высокая температура чугуна. Модификатор расплавляют и заливают в ковш с жидким чугуном или в жидкий чугун заливают чугун с низким содержанием углерода и кремния по составу, соот­ветствующему белому чугуну. Модифицирование путем сливания жидких белого и серого чугунов повышает механические свойства металла по сравнению со свойствами чугунов того же химического состава, но не модифицированных.

Алюминиевые сплавы, содержащие более 6 % Si, перед заливкой в разовые формы модифицируют для измельчения выделений кремния и повышения механических свойств. В качестве модификатора исполь­зуют натрий в виде хлористых и фтористых солей или в чистом виде. Модифицирование проводят при температуре 800–820°С двойным модификатором (33 %NaCl+ 67 %KC1) и при температуре 720– 740°С тройным модификатором (25 %NaF+ 62,5 %NaCl+ 12,5 % KC1); модифицирование часто совмещают с рафинированием, исполь­зуя универсальный флюс (40 %NaF+ 45 %NaCl+ 15 %Na₃AlF₆).

Магниевые сплавы модифицируют с целью измельчения зерна и повышения механических свойств путем перегрева расплава до тем­пературы 850–900 °С и добавками хлористого железа и углеродосодержащих веществ (мел, мрамор).

Рис.2.8. Способы ввода модификатора в чугун: а – в поворотном герметичном ковше; б – в ковше, размещенном в автоклаве, работающем под давлением воздуха; в – в копильнике вагранки; г – на дне разливочного ковша; д – в литейной форме; 1 – расплавленный металл; 2 – модификатор;

Перегрев сплава и последующее его охлаждение до температуры заливки (700 °С) способствуют измельче­нию зерна за счет растворения примесей железа, которые при охла­ждении выделяются в виде мелких дисперсных включений (FeAl₂) и служат центрами кристаллизации. Углеродсодержащие модификаторы способствуют образованию карбида алюминия в расплаве (Аl₄С₃) благодаря тому, что магний способен восстановить углерод из боль­шинства его соединений. Тонкодисперсные включения карбида алю­миния служат центрами кристаллизации сплава, измельчая его струк­туру.

Легирование –это введение в жидкий сплав различных добавок (Cr,Ni, Си, Мо, V,W,Ti,Coи др.) в количествах от десятых долей процента до десятков процентов с целью придания сплаву таких свойств, как прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, немагнитность, магнитность, жаропрочность и т. п. благодаря изме­нению внутреннего строения сплава. Введение нескольких компонен­тов называется комплексным легированием. При легировании изме­няется структура сплава, его свойства и химический состав. Химические элементы, вводимые в сплав в значительных количе­ствах с целью изменения его строения и свойств, называют легирую­щими элементами. Легирующие элементы, склонные к окислению и угару (хром, ванадий и др.), вводят в расплав в конце плавки металла, а элементы не окисляющиеся, с малым угаром (никель, медь), можно вводить в шихту в начале плавки. Для быстрого растворения и мень­шего угара легирующих элементов необходимы высокая температура расплава и условия, не способствующие активному окислению. По этой причине для плавки, например, легированных чугунов преиму­щественно применяют электропечи. Легирующие элементы вводят в плавильный агрегат, но легирование возможно также путем малых добавок в литейный ковш.

Заполнение металлом литейных форм в литейном производстве осуществляют из разливочных ковшей различной емкости и конструк­ции (рис. 2.9), перемещаемых от плавильных и раздаточных печей к месту разливки кранами, талями, электрокарами и другими средст­вами

.

Рис. 2.9. Устройства разливочных ковшей: а – стопорного; б – шиберного; в – барабанного; г – чайникового; 1 -корпус ковша, 2 – футеровка, 3 – расплавленный металл; 4 – стопор; 5 – привод стопора; 6 – шиберные шайбы;

Автоматические высокопроизводительные формовочные линии тре­буют применения автоматизированных устройств для заливки ме­талла в литейные формы. При заливке крупных литейных форм исполь­зуют автоматизированные системы взвешивания и дозировки жидкого металла. При этом на мостовых кранах устанавливают высокочувст­вительные датчики которые измеряют массу металла в ковше. Сигнал от датчиков по линии связи поступает к вторичным приборам в ка­бину крановщика, управляющего процессом. Для синхронной работы заливочного участка и формовочных машин на конвейере мелких ли­тейных форм устанавливают промежуточную канальную индукцион­ную печь для непосредственной заливки из нее металла в формы. В такой печи происходит подогрев чугуна, выплавленного в дуговых печах или вагранках. Заливку можно осуществ­лять через стопорное устройство в дне печи.

Использование заливочных литейных печей дает ряд преимуществ перед ковшовой заливкой: снижается потребность в рабочей силе и улучшаются условия труда; повышается качество отливок благодаря постоянству температуры металла и равномерной заливке форм; исключается попадание шлака в формы; уменьшаются потери металла из-за неточности заливки, переполнения формы и настывания металла на стенках, наблюдаемые в обычных ковшах. Литейные заливочные печи обычно имеют полезную емкость тигля на 2–5 т чугуна, и в час такие печи могут дозировать 3,8–4,3 т металла. Особую сложность в литейном производстве вызывает заливка форм сплавами, склонными к окислению. В этом случае плавку металла и заливку форм совмещают в одном агрегате, работающем в вакууме или в среде инертных газов.