Лекция 6

1. Составление и расчет шихты. Основные положения. Методы расчета. Рекомендуемые составы.

2. Методы плавки сплавов.

3. Виды плавильных агрегатов.

4. Защитные среды, покровные флюсы и раскислители, лигатуры и модификаторы.

Для составления и расчета шихт необходимо знать: назначение шихты и требования, предъявляемые к годному конечному продукту или слитку, для которых составляется шихта; характеристику имеющихся шихтовых материалов по их виду, состоянию и готовности к плавке; величину угара компонентов, входящих в шихту, и шихты в целом при плавке и литье; массу годного конечного продукта или слитка, для которых составляется шихта, показатель выхода годного или заправочный коэффициент.

Наиболее ценные составляющие шихты  свежие металлы и лигатуры, поэтому их количество в шихте ограничивают минимумом, необходимым для получения сплава хорошего качества.

В отдельных случаях, особенно если приготовляемый сплав не имеет ответственного назначения, шихту для его производства можно без ущерба для качества изготовляемых полуфабрикатов и изделий составлять полностью из возвратных продуктов своего производства прошедших соответствующую подготовку к плавке.

Многократный переплав продуктов переработки металлов и сплавов, без освежения первичными металлами не рекомендуется, так как приводит к увеличению в металлах и сплавах примесей, с одной стороны, за счет загрязнения их в процессе переработки на полуфабрикаты и изделия, а с другой  за счет различной интенсивности угара компонентов и примесей при переплаве (рис. 1.2.1), в результате чего полученный сплав не будет удовлетворять заданным требованиям.

Для стабилизации пробы драгоценных металлов в сплавах и упрощения их учета в производстве необходимо расчет шихт вести строго на номинальное по ГОСТу или ТУ содержание драгоценных и других металлов в сплавах.

Расчет шихты в ювелирном производстве производят, пользуясь следующими исходными данными: требуемым химическим составом готового сплава; химическим составом шихты; угаром элементов при плавке и литье. Расчетное содержание элементов в шихте (г) определяется по формуле:

(1.2.3)

где – масса готового сплава, г; – известное содержание элемента в готовом сплаве, %; – угар элемента при плавке и литье, %.

Содержание составляющих шихты (г) рассчитывается по формуле:

(1.2.4)

где , …, – принятое или рассчитанное количество составляющей шихты, г; , …, – содержание элемента в составляющих шихты, %; – содержание элемента в определенной составляющей шихты, %.

Угар элементов при плавке и литье принят равным: для золота – 0,1 – 0,2 %; серебра – 0,2 – 0,5 %; меди – 0,5 – 1,5 %; никеля – 0,1 – 0,8 %; цинка – 2 – 10 %.

От 1  0 до 1  2  повторные переплавки без добавления свежих металлов; от 2  0 до 2  2  то же, с добавлением свежих металлов в количествах менее угара расплавов; от 3  0 до 3  2 то же, в количествах, равных угарам расплавов; 4  1 и 4  2  то же, в количествах, превышающих угары расплавов (по Андронову В. П.)

Рис. 1.2.1. Принципиальная зависимость накопления примесей в металлах и сплавах с различным исходным содержанием примесей от числа повторных переплавок и количества добавки свежих металлов.

Точность расчетов шихты определяет качество получаемого готового продукта. Эта операция является важнейшим этапом подготовки металла к плавке. В литейном производстве, в том числе и при использовании драгоценных металлов, термином плавка обозначают весь комплекс физических и химических процессов, связанных с приготовлением сплава, имеющего определенный химический состав и температуру, а так же приемлемые литейные свойства, обеспечивающие получение отливки или слитка требуемого качества.

Метод или вид плавки зависит от типа используемого плавильного агрегата. В свою очередь тип плавильного агрегата зависит от вида подводимого к нему энергии. Плавильный агрегат (далее печь) может работать на твердом, жидком, газообразном топливе, а так же при использовании электроэнергии. В свою очередь, электрические печи подразделяются на печи сопротивления, индукционные тигельные и канальные, электронно-лучевые. Так же, вид плавки зависит от используемых футеровочных материалов, защитных сред и покровных флюсов. Кроме того, если это необходимо, применяют раскисление и модифицирование.

Защитные среды и покровные флюсы защищают расплав от вредного воздействия окружающей атмосферы. Рассмотрим некоторые из них.

Вакуум  наиболее эффективная, но и весьма дорогая защитно-дегазационная среда, требующая специального плавильно-литейного оборудования, что ограничивает его применение. Недостатком является повышенная по сравнению с другими защитно-дегазационными средами летучесть в нем металлов и сплавов при плавке и литье; прежде всего это относится к сплавам, содержащим кадмий, цинк и фосфор.

Вакуум над расплавом следует поддерживать в течение всего времени плавки и литья или 1,5  2 мин непосредственно перед литьем, если нужна только дегазация расплава, а от окисления его лучше защищать иными средами. Степень разрежения 1,0  100 мм рт. ст.

Аргон, гелий (Ar, He)  инертные газы, химически не реагирующие ни друг с другом, ни с каким-либо иным веществом и исключительно диффузионно-пассивные по отношению к металлам и сплавам. Столь ценные качества инертных газов позволяют защищать и одновременно дегазировать любой металл и сплав при плавке и литье. Однако применение инертных газов в этих целях ограничивается сравнительно высокой их стоимостью, а также необходимостью создания специальных приспособлений для их подготовки к работе: при поставке они содержат до 0,3 % кислорода и влагу, и потому их нельзя сразу использовать по назначению.

Перед применением аргон и гелий очищают от кислорода и других газов, пропуская их через щелочной раствор перманганата или хромовую смесь или только (в случае очистки от кислорода) через раскаленные железные опилки, а также обезвоживают, пропуская через крепкую (но не концентрированную) серную кислоту или сухой хлористый кальций. Еще тщательнее осушают газы пропусканием через склянку с фосфорным ангидридом. Очистка газов от кислорода и влаги перед использованием обязательна, в противном случае будут иметь место не защита и дегазация, а насыщение кислородом и парами воды.

Применение газозащитных сред эффективно, если шихты и расплавы будут непрерывно находиться под их положительным давлением, для чего защитный газ следует подавать в печь (тигель) в процессе всей плавки под давлением выше атмосферного.

Азот молекулярный технический (N₂)  газ практически нейтральный по отношению ко многим металлам и сплавам, в том числе драгоценным, при обычных и повышенных температурах, вследствие чего хорошо защищает и одновременно дегазирует их при плавке и литье; обладает большой пас­сивностью диффузии во многие металлы и сплавы, которая для драгоценных металлов и сплавов практически отсутствует. В состоянии поставки азот содержит влагу и до 0,3 % кислорода, ввиду чего применение его ограничено из-за необходимости обезвоживания и очистки от кислорода. Назначение, состояние, режимы применения и подготовка азота к работе те же, что и для инертных газов.

Водород молекулярный технический (Н) – активно взаимодействует при плавке и литье драгоценных металлов и их сплавов с кислородом рабочего пространства печи и оксидами драгоценных, а также недрагоценных металлов и сплавов. Расплавы насыщаются водородом при плавке под молекулярным водородом крайне медленно вследствие большой энергии диссоциации его молекул и сравнительно небольшого времени плавки. С понижением температуры растворимость водорода падает для серебра, меди, платины, золота, никеля, кобальта и резко возрастает для палладия, с чем необходимо считаться для предотвращения образования пузырей, трещин и других дефектов. В состоянии поставки технический водород содержит влагу, ввиду чего не может быть сразу использован по назначению. Состояние, режимы применения и методы подготовки водорода к работе те же, что и для инертных газов.

Уголь березовый обычный (кусковой печной) или активированный марки БАУ-2 или их смесь в соотношении 1:1 по массе в прокаленном состоянии  хороший теплоизолятор, наиболее дешевый и эффективный защитный и дегазационный покров при плавке и литье многих металлов и сплавов, не реагирующих (обязательное условие) или слабо реагирующих с углеродом и его окислами (СО и СО₂).

Березовый уголь (обычный, активированный или их смесь) рекомендуется применять для защиты от окисления, верхней теплоизоляции, одновременной дегазации и раскисления при плавке и литье серебра, серебряно-медных, золотосеребряных, золотосеребряно-медных сплавов, а также в тех же целях (кроме раскисления) при плавке и литье серебряно-медно-фосфористых, серебряно-свинцовых, серебряно-оловянных, серебряно-свинцово-оловянных и других аналогичных припоев и сплавов, не содержащих или содержащих небольшое количество (10  15 %) платины, металлов платиновой группы, никеля и других компонентов, взаимодействующих с углеродом с образованием карбидов или значительно растворяющих его с последующим выделением при кристаллизации.

Уголь может быть применен также для плавки и литья цветных металлов и сплавов, а также золотых и серебряных припоев, содержащих цинк и кадмий, но в этом случае лучше пользоваться свежеприготовленным углем. Перед применением уголь должен быть хорошо просушен и прокален без доступа воздуха или лучше в вакууме (для гарантированной дегазации) до вишнево-красного цвета. После прокаливания уголь необходимо просеять от мелочи и хранить до использования подогретым выше температуры окружающей среды на 20  50 ^СС. Оптимальный размер кусков 10  30 мм. Особенно тщательно уголь сушат и прокаливают при плавке сплавов, содержащих более активные по отношению к кислороду компоненты, чем углерод, так как в их присутствии насыщение расплавов газами из угля протекает с повышенной интенсивностью.

Натрий борнокислый – бесцветные стекловидные кусочки, получаемые при нагреве так называемой «ювелирной буры» до 723 , когда она полностью теряет влагу. Сильно гигроскопичен, во влажном воздухе поглощает воду и при этом мутнеет. Химически не реагирует с большинством металлов и сплавов, в том числе со всеми драгоценными металлами, сплавами и припоями, ни при обычных условиях, ни при нагреве и плавке; не разлагается при этом хорошо ошлаковывает окислы многих металлов и шлаковые включения, в связи с чем является одним из наилучших защитно-рафинировочных флюсов при плавке металлов и сплавов.

Применяется бура только в переплавленном, мелкотолченом и прокаленном при 723 состоянии. Буру после прокаливания следует хранить в герметичной, предварительно хорошо просушенной таре (обычно стеклянные банки с притертыми пробками) либо в подогретом состоянии.

Березовый кусковой, березовый активированный уголь или их смесь в сочетании с натрием борнокислым в соотношении по массе в прокаленном состоянии (1 – 2):1 рекомендуется применять для защиты от окисления, верхней теплоизоляции, одновременной дегазации (только в случае применения угля, прокаленного в вакууме), а также ошлаковывания загрязнений и оксидов при плавке в литье в основном серебряно- и золото-медно-цинковых припоев, а также других сплавов и припоев на основе золота и серебра, содержащих наряду с медью и цинком кадмий, олово и другие компоненты, кроме платины, металлов платиновой группы, никеля и прочих элементов, взаимодействующих с углеродом с образованием карбидов или значительно растворяющих его с последующим выделением при кристаллизации, а также фосфора.

Смесь шлаковая в сочетании с березовым кусковым или березовым активированным углем в соотношении 1:(1 – 2) по массе в прокаленном состоянии состоит из измельченной до 5  10 мм плавленой буры и углекислого кальция (мела) марки А в соотношении 1:1. Мел марки А содержит не менее 98 % углекислого кальция и магния и не более 1 % не растворимых в соляной кислоте веществ.

Прочие защитные покровы  хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый барий. Свойства и поведение этих флюсов при плавке и литье металлов и сплавов однотипны. Имея большую теплоту образования, малую плотность, температуру плавления 1050  1200 , температуру кипения более 1673 и не разлагаясь при этом, эти флюсы механически защищают расплавы драгоценных металлов и сплавов с температурами плавления от 973 до 1573 и механически ошлаковывают оксиды недрагоценных металлов.

Флюсы предварительно переплавляют (один или лучше два раза), перед использованием прокаливают и хранят аналогично борнокислому натрию.

Для удаления из расплава вредных примесей, сродство к кислороду которых выше чем у компонентов составляющих сплав, используют окислительно-рафинирующие флюсы и среды. Азотнокислый натрий или азотнокислый калий (селитры) и натрий борнокислый в соотношении 1:(1 – 4) при нагреве несколько выше температуры плавления селитры энергично разлагаются. Образующийся кислород взаимодействует с элементами шихты и пере­водит их в оксиды. Если в шихте присутствуют компоненты с большим сродством к кислороду, чем у натрия или калия, возможны дополнительные реакции окисления этих компонентов оксидами натрия или калия. В присутствии угля или угля и серы нельзя применять для плавки KNO₂ вследствие образования взрывчатых веществ.

Натриевую и калиевую селитры рекомендуется применять для окислительно-рафинировочных плавок, сильно загрязненных примесями не окисленных и окисленных шихтовых материалов из золота, серебра и их сплавов с медью, никелем и небольшим количеством (до 15%) платины и палладия. Составляющие флюсы следует тщательно просушивать и прокаливать при 423 – 473 в течение 1  1,5 ч.

Газообразные воздух или кислород  сильные окислители металлов, особенно недрагоценных, в расплавленном состоянии. Действие их аналогично действию селитры. Их рекомендуется применять для окислительно-рафинировочных плавок металлов и сплавов, подавая в расплавы через керамические трубки под избыточным давлением в течение 0,5 – 3 мин в за­висимости от количества подлежащих ошлаковыванию примесей.

После проведения окислительно-рафинирующих процессов, необходимо удалить лишний кислород, находящийся в сплаве в виде окислов компонентов сплава или в ионизированном состоянии. С этой целью используются раскислители. Одним из лучших раскислителей для сплавов цветных и драго­ценных металлов, содержащих медь и другие недрагоценные компоненты с меньшим сродством к кислороду, чем фосфор, является фосфористая медь марки МФ1 или МФ2. При раскислении сплавов и металлов фосфористой медью (фосфором) не следует опасаться излишнего ввода раскислителя, так как фосфор в довольно широких пределах улучшает их механические и литейные свойства. Однако не следует слишком увлекаться фосфором: могут образоваться легкоплавкие эвтектики (например, в серебряно-медных сплавах), которые, располагаясь по границам зерен сплавов при их затвердевании, существенно снижают жаростойкость и могут в дальнейшем привести к пережогу полуфабрикатов и изделий при отжиге.

Раскислителем так же является литий металлический или его сплавы с медью. Температура начала плавления сплавов лития с медью 352 К. Литий – один из самых активных и быстродействующих раскислителей и дегазаторов водорода для металлов и сплавов. Однако оксиды лития значительно труднее удалять из расплавов, чем оксиды фосфора, так как оксиды фосфора газообразны, а оксиды лития, твердые в чрезвычайно дисперсном состоянии, имеют вид ветвистых образований, понижающих вязкость расплавов. В связи с этим применять литий для раскисления сильно окисленных шихт нежелательно, лучше пользоваться фосфористой медью.

Легирование – это введение в расплавленные или твердые металлы легирующих материалов (лигатур) для получения сплава заданного химического состава для придания ему требуемых свойств: высокой пластичности и прочности, большой твердости, жаропрочности и т.д. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сплава зависит от соответствия кристаллических решеток основного и легирующего металлов. К числу элементов, используемых для легирования, относят 39 элементов, расположенных в левой части периодической системы Д.И. Менделеева, в том числе 14 редкоземельных металлов.

Непосредственно перед разливкой сплава производят его модифицирование. Модифицированием называют процесс преднамеренного изменения структуры литого металла и сплава под воздействием специальных очень малых добавок, называемых модификаторы. Модификаторы способствуют кристаллизации структурных составляющих в округлой форме, значительному их измельчению и равномерному распределению по всему объему. Активными модификаторами для золотых и серебряных сплавов являются металлы платиновой группы, особенно рутений.