Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛО...docx
Скачиваний:
177
Добавлен:
26.09.2019
Размер:
2.18 Mб
Скачать
    1. Взаимосвязь характера затвердевания с интервалом кристаллизации и скоростью затвердевания

Характер затвердевания связывают, как правило, с шириной двухфазной жидко-твёрдой зоны или расстоянием между полностью твёрдой и полностью жидкой частями отливки.

Характер затвердевания определяется интервалом кристаллизации. Реальные сплавы всегда имеют интервал кристаллизации и по этому признаку подразделяются на узкоинтрвальные

(tл -tс < 10…30К; среднеинтервальные (30К< tл -tс< 100К); и широкоинтервальные

(tл -tс>150К).

Ширина двухфазной зоны кроме интервала кристаллизации зависит также от скорости теплоотвода. С усилением теплоотвода (увеличением скорости охлаждения) ширина двухфазной зоны будет уменьшаться.

При последовательном затвердевании сплавы с Ткр = const и узкоинтрвальные сплавы обладают высокой жидкотекучестью, более высокой плотностью (меньшей склонностью к усадочной пористости), меньшей склонностью к горячим трещинам, большей склонностью к образованию столбчатой структуры. При объёмном затвердевании широкоинтервальных сплавов картина противоположная: пониженные литейные свойства, структура равноосная и т.д.

Поэтому при разработке технологии изготовления отливок необходимо заранее знать тип характера затвердевания сплава.

Глава 13. Технологические основы плавки сплавов цветных металлов

Литература к главе 13.

  1. Цветное литьё: Справочник/ Н.М.Галдин, Д.Ф.Чернега, и др. под общей редакцией Н.М.Галдина.

  2. Курдюмов А.В.,Пикунов М.В. и др. « Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для ВУЗов. МИСиС,1996.

  3. Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. Под редакцией А.Дж. Мерфи. МЕТАЛЛУРГИЗДАТ.

  4. Милицин К.Н., Ловчиков В.С., Суворов Плавка и литьё цветных металлов и сплавов. Металлургиздат, 1956.

  5. Юдкин В.С. Производство и литьё сплавов цветных металлов. Т.1, 2. М.:

«МЕТАЛЛУРГИЯ». 1971.

6. Воздвиженский в.М., Грачёв в.А., Спасский в.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. М.: Машиностроение, 1984.432 с.

7. МАШИНОСТРОЕНИЕ. Энциклопедия. Раздел 111. Технология производства машин. Том 111-2. Технология заготовительных производств. М.: «Машиностроение», 1996.

8. Трухов А.П. Литейные сплавы и плавка6 учебник для студ. высш. учеб. заведений /

А.П.Трухов, А.И.Маляров. – М.: Иэдательский центр «Академия», 2004. - 2004. – 336 с.

9. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учебное пособие для вузов. – М.: «МИСиС», 2005. – 416 с.

13.1. Основные задачи разработки технологии плавки.

Главной задачей разработки технологии плавки является обеспечение условий получения качественного металла, пригодного для изготовления отливок и слитков. Понятие качественный металл включает в себя заданный химический состав сплава, необходимую температуру, минимальное содержание газов и неметаллических включений, структуру, механические и другие требуемые свойства сплава. При этом учитывается количественная потребность в расплаве в единицу времени. Исходя из этого, выбирают метод плавки и вид плавильного агрегата, его производительность. Материал футеровки печи выбирают в зависимости от температуры плавления основного компонента сплава, его химической активности и активности других легирующих элементов. Располагая сведениями о свойствах металлов, характере их взаимодействия с газами и огнеупорными материалами, можно создать научно-обоснованную технологию плавки.

Разработка технологии плавки включает в себя выбор плавильного агрегата, вида энергии, материала футеровки печи, шихтовых материалов, состава атмосферы, способа

предотвращения возможного загрязнения расплава и способов его рафинирования, а также способов раскисления и модифицирования.

Рассмотрим сначала некоторые определения и понятия.

Плавка. Плавкой называется комплекс металлургических процессов в плавильных печах, связанных с нагревом исходных шихтовых материалов и получением конечного продукта в виде расплава, имеющего определённый химический состав, температуру и свойства, обеспечивающие требуемое качество литых заготовок.

Плавкой называют также количество металла, получаемого из печи за один цикл операции плавки

Шихта – исходные материалы, загружаемые в плавильную печь, которые должны обеспечить требуемое качество получаемого жидкого металла.

Первичные шихтовые материалы – продукты первичной металлургической плавки.

Вторичные шихтовые материалы –металлический лом, вторичные сплавы (чушки), полученные на специализированных предприятиях путём переплава лома цветных металлов.

Основные и вспомогательные элементы это материалы, вводимые в печь в качестве легирующих компонентов и элементы, вводимые для раскисления и рафинирования сплавов, а также другие материалы, попавшие в печь в виде примесей.

Газовая фаза печи – газовая среда в плавильной печи, которая образуется из окружающей атмосферы печи (если печь не герметизирована или не вакуумирована), продуктов сгорания топлива и газообразных продуктов других химических реакций, протекающих в печи. В некоторых случаях в рабочее пространство печи вводят защитные, окислительные, рафинирующие газы, которые также входят в состав газовой фазы, участвующей во всех процессах плавки.

Шлаками называют продукты плавки, которые образуются в плавильной печи в результате сплавления веществ, посторонних по отношению к металлу. К таким веществам относятся оксиды металла и песок на поверхности кусков шихты, зола топлива, частицы оплавившихся огнеупорных материалов и другие вещества, наличие которых зависит от выплавляемого сплава, типа плавильной печи, используемых шихтовых материалов и других особенностей технологии плавки. Образование шлака в процессе плавки связано с дополнительными затратами энергии и времени на разогрев, плавление и на его удаление. Этим объясняется представление о шлаке как о побочном вредном продукте плавки. Однако шлаки оказывают при надлежащих физико-химических свойствах важное положительное воздействие на качество получаемого металла. Они защищают металл от окисления, растворения в нём газов, способствуют удалению вредных примесей и т. д. Для придания шлакам требуемых физико-химических свойств в печь добавляют флюсы.

Флюс- материал, вводимый в печь при плавке металлов для рафинирования сплава, раскисления и других целей.

Рафинирование - операция по удалению из расплава вредных примесей.

Раскисление – операция по удалению из расплава растворённого кислорода или оксидов.

Дегазация – операция по удалению из расплава растворённых газов.

Модифицирование операция по обработке расплава специальными средствами для создания мелкокристаллической структуры сплава при затвердевании. (Или для создания условий преобразования структуры сплава при кристаллизации).

Угар металла - потери металла в результате окисления, испарения и взаимодействия с футеровкой и шлаками в процессе плавки. Отмечаются также общие потери металла, связанные с образованием настылей на ковшах, на тиглях, разбрызгиванием при заливке и выпуске металла из печи, потерями металла с шлаком.

Футеровкой называется слой материала, образующий внутреннее пространство плавильной печи. Этот слой должен сохранять в течение длительного времени достаточно высокие прочностные свойства при высокой температуре, а также противостоять химическому воздействию со стороны шлака, расплавленного металла и газовой фазы печи. Материалы, из которых изготовляется футеровка, называются огнеупорными материалами или просто огнеупорами.

В таблице 13.1. приведены основные характеристики огнеупорных материалов.

Таблица 13.1. Классификация огнеупорных материалов

Тип

Группа

Содержание основных составляющих, %

Химические свойства

Огнеупорность,ºС

Кремнезёмистые

Динасовые

93…96 SiO2

Кислые

1680…1730

Кварцевые

Свыше 98% SiO2

1750…1800

Магнезиальные

Магнезитовые

90…95 MgO

Основные

2300…2500

Доломитовые

45…60MgO;30…35CaO

1750…1850

Алюмосиликатные

Полукислые

65…80 SiO2; 30…17Al2O3

Полукислые

1600…1700

Шамотные

50…65 SiO2;

45…30 Аl2O3

Нейтральные

1600…1700

Высокоглинозёмистые

46…99Al2O3;

до 50 SiO2

1800…2000

Хромистые

Хромомагнезитовые

10…20 Cr2O3;

70…50 MgO

Нейтральные

Свыше 2200

Хромитовые

68 Cr2O3; 32; FeO

Углеродистые

Графитированные

До 98 С

-

До 3500

Неграфитированные

До 85 С

Углеродсодержащие

20…60С графит, шамот, кварцит, глина

До 2000

Цирконсодержащие

Циркониевые

Свыше 90 ZrO2

-

Cв 2400

Цирконовые

60…65 ZrO2;

40…35 SiO2

Св 2000

Карбидкремниевые

Карборундовые

30…95 SiC

-

-

При рассмотрении процесса плавки целесообразно применить системный анализ, который представляет собой определение свойств и связей между системными объектами и явлениями.

Рассмотрим схему системного анализа процесса плавки (рис. ). Системные объекты в данном случае - это вход, процесс плавки, выход, а также обратная связь. Входом называется то, что изменяется при протекании процесса плавки.

При плавке литейных сплавов входом является шихта, а также плавильная печь и энергия. Вход состоит из элемента, который обрабатывается (в данном случае это шихта) и элементов, с помощью которых производится обработка, т.е. это процессор. Процессором в данном случае является энергия и плавильная печь.

Выходом является результат или конечное состояние процесса. Процесс превращает вход в выход.

Обратная связь содержит три элемента: модель выхода, проверку соответствия и модель воздействия.

Процессы, преобразующие вход в выход, состоят из следующих операций: подготовки печи, загрузки шихты в печь, нагрева, плавления шихты, перегрева и доводки расплава, т.е доведения расплава до заданной температуры, очистки расплава от вредных примесей (рафинирования), доведения расплава до заданного химического состава, накопления определённого количества готового сплава, выпуска расплава в разливочный ковш, внепечной обработки.

Выходом является основной продукт – жидкий расплав. Побочным продуктом является жидкий шлак и отходящий газ.

Моделью выхода является состав, структура и свойства сплава.

При этом производится проверка принятой программы управления процессом плавки путём сравнения параметров свойств сплава с нормативами, стандартами и техническими условиями.

По результатам проверки производится корректировка принятой модели путём корректирования состава шихты, подготовки печи, последовательности загрузки шихтовых материалов и выполнения режима плавки.

Воздействие на расплав производится путём корректировки его химического состава, температуры, рафинирования, и внепечной обработки.

При проведении процесса плавки происходит изменения и с процессором. Энергия расходуется на процесс плавки. В плавильной печи происходит оплавление футеровки. Поэтому при работе процессора также необходима обратная связь, состоящая в контроле и корректировке состояния печи и интенсивности подачи энергии.

СХЕМА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ПЛАВКИ

В Ы Х О Д

Побочные продукты(шлак)

Плавильная печь после плавки

ЖИДКИЙ СПЛАВ

ВХОД

Плавильная

печь

Энергия

Шихта

Процессы плавки

Подготовка печи

печи

Подготовка шихты

Загрузка шихты

Нагрев

Плавление шихты

Перегрев и доводка

расплава

Накопление

В Ы П У С К

Контроль подготовки

печи

Контроль подготовки

шихты

Дозирование шихты и флюсов, расчёт и корректировка шихты

Режим плавки

Корректировка расплава по хим. составу и температуре

Раскисление расплава, рафинирование, дегазация, модифицирование

Внепечная обработка расплава: вакуумирование, обработка инертными газами, модифицирование

Соответствие сплава стандартам, техническим условиям, инструкциям.

Температура, хим. состав, структура, физико-механические свойства

Состояние футеровки

печи

МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕССЫ ПЛАВКИ ПО

РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОВЕРКИ

Проверка соответствия

Модель выхода

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

При проведении процесса плавки сплавов осуществляют следующие технологические операции:

- Расчёт шихты.

В зависимости от необходимого химического состава сплава определяют необходимые шихтовые материалы и выполняют расчёт шихты с учётом угара элементов.

- Предотвращение расплава от загрязнения.

В большинстве случаев плавку цветных сплавов ведут на воздухе. Если при взаимодействии жидких металлов с воздухом образуется плотная окисная плёнка, то плавку ведут без применения специальных средств, предотвращающих контакт с воздухом. Это алюминий, цинк, олово, свинец и их сплавы. Если плёнка непрочная и не способна защищать сплав от окисления (магний), то используют защитную атмосферу. Если газ (водород) растворяется в металле и может образовывать газовые раковины, то совершенно необходима защита расплава от контакта с атмосферой. Это относится к меди, никелю и другим металлам. Для этого применяют специальные флюсы или другие защитные средства. Если этого недостаточно, применяют инертные газы или вакуум.

- Рафинирование расплава. Раскисление.

В процессе плавки многие металлы загрязняются примесями выше допустимых пределов, поэтому для удаления этих примесей проводят рафинирование расплавов (для удаления растворённых газов – дегазацию). Для удаления растворённого кислорода применяют раскисление.

- Модифицирование.

Многие сплавы для повышения механических и технологических свойств подвергают модифицированию, в результате чего они приобретают мелкокристаллическое строение. Эффект модифицирования теряется с течением времени, поэтому осуществляется непосредственно перед разливкой сплава.

При разработке технологии плавки учитывают. Что количество полученного жидкого металла будет несколько меньше, чем масса загруженной шихты из-за потерь металла в шлаке и на угар. Эти потери составляют 2-5 % в зависимости от активности металлов, составляющих сплав, типа печи, состава атмосферы, массы металла и др. факторов.

При плавке на поверхности расплава всегда образуются шлаки, представляющие собой смесь оксидов основного компонента сплава, легирующих компонентов и примесей. Кроме того, в шлаке обязательно присутствуют частицы футеровки. Шлаки могут быть твёрдыми, жидкими или частично жидкими (творожистыми). Шлаки всегда содержат примеси свободного металла в виде корольков. В твёрдом шлаке замешивается до 50% свободного металла, в жидком – 20-30% от массы шлака.

13.2. Исходные шихтовые материалы

Шихтовыми материалами или шихтой называются все металлические материалы, применяемые для приготовления сплава заданного химического состава.

При производстве отливок из сплавов цветных металлов в качестве исходных шихтовых материалов применяют:

  1. первичные или чистые металлы, которые являются основой сплава или легирующими элементами;

  2. чушки вторичных сплавов цветных металлов, получаемых с заводов вторичных цветных металлов и используемых для приготовления специальных марок сплавов или для подшихтовки;

  3. лигатуры цветных металлов и сплавов;

  4. возврат собственного производства (литники, скрап, выпоры, прибыли, бракованные отливки, стружка и др. отходы);

  5. лом и отходы цветных сплавов, поступающих со стороны;

  6. предварительные сплавы, полученные в литейных цехах путём переплава отходов и отлитые в виде чушек.

Все материалы должны быть снабжены сертификатами, подтверждающих качество материалов.

Химический состав первичных металлов, вторичных сплавов, лигатур, лома и предварительных сплавов регламентирован соответствующими стандартами и техническими условиями.

13.2.1. Первичные металлы

Алюминий. Алюминий применяют в качестве основы алюминиевых сплавов и легирующего элемента магниевых, медных, титановых и других сплавов.

Первичный алюминий поставляется в чушках по ГОСТ 11070-74 массой 5, 15 и 1000 кг. По химическому составу алюминий в соответствии с ГОСТ 11069-2001 подразделяется на алюминий особой высокой и технической чистоты.

Магний. Магний является основой магниевых сплавов. Кроме того, магний используется для легирования алюминиевых, цинковых и других сплавов. Первичный магний выпускают в чушках в соответствии с ГОСТ 804-93 и маркируют в зависимости от чистоты.

Медь. Медь является основой бронз и латуней. Применяют медь также для легирования алюминиевых цинковых и других сплавов. Промышленность выпускает медь в виде катодов и слитков. По химическому составу медь различается содержанием примесей и должна соответствовать ГОСТ 859-2001. Медные катоды выпускают в соответствии с ГОСТ 546-2001.

Марганец. Марганец применяют для легирования алюминиевых, медных, магниевых и других сплавов. Промышленность выпускает металлический марганец в соответствии с ГОСТ 6008-91 в виде кусков, пластинок или слитков массой не более 15 кг.

Никель .Никель является основой жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких и других сплавов, а также никель применяют для легирования алюминиевых. Медных, титановых и других сплавов. Химический состав никеля регламентирован ГОСТ 849-97. Никель выпускают в виде катодов, гранул и слитков.

Кремний. Кремний (ГОСТ 2169-69) поставляется в виде кусков нерегламентированной формы размерами не менее 20 мм. Кремний используется для легирования алюминиевых, медных и других сплавов.

Цинк. Цинк выпускают по ГОСТ 3640-94. Цинк является основой антифрикционных сплавов, сплавов для литья под давлением и типографских сплавов. Цинк применяют также для легирования медных, алюминиевых и других сплавов.

Олово. Олово выпускают в соответствии с ГОСТ 860-75. Олово является основой сплавов для литья под давлением, баббитов и припоев. Олово применяют также для легирования медных сплавов.

Свинец. Свинец является основой подшипниковых сплавов (антифрикционных), припоев и типографских сплавов. Химический состав свинца регламентирован ГОСТ 3778-98.

Титан. Титан применяют как конструкционный материал и в качестве легирующего элемента для чёрных и цветных сплавов. Химический состав титана регламентирован ГОСТ 19807-91. Для получения полуфабрикатов и титановых сплавов чаще применяют губчатый титан, химический состав которого регламентирован ГОСТ 17746-96.

Кобальт. Кобальт выпускают по ГОСТ 123-78 в виде слитков, катодных листов или пластин. Применяют кобальт для легирования жаропрочных сплавов.

Литий. Литий применяют для легирования алюминиевых, медных, магниевых сплавов, а также баббитов для замены олова. Выпускают литий по ГОСТ 8774-75.

Бериллий. Бериллий применяют для легирования сплавов на основе меди , магния, никеля, алюминия и др. металлов.

Кадмий. Кадмий применяют в качестве легирующего элемента в припоях, типографских, медных и других сплавов. Химический состав кадмия регламентирован ГОСТ 1467-93. Изготавливают кадмий в виде чушек, слитков, гранул и прутков.

Сурьма. Сурьма по химическому составу должна удовлетворять требованиям ГОСТ 1089-82. Применяется сурьма в качестве легирующего элемента в свинцовых, алюминиевых, медных, оловянных и других сплавов.

Хром. Хром металлический по химическому составу должен удовлетворять требованиям ГОСТ 5905-79. Применяют хром в качестве легирующего компонента в никелевых, медных, титановых и других сплавах.

Ниобий. Ниобий выпускают в виде штабиков по ГОСТ 16100-79 и слитков по ГОСТ 16099-80. Ниобий в штабиках предназначен для производства и легирования сплавов. Ниобий в слитках предназначен для изготовления труб, листов, прутков, проволоки и других изделий.

Вольфрам. Вольфрам применяют для изготовления твёрдых сплавов, проволоки для источников света. Вольфрам для изготовления проволоки должен иметь химический состав в соответствии с ГОСТ 19671-81.

Ванадий. Ванадий применяется для легирования чёрных и цветных сплавов и выпускается в виде феррованадия, лигатур и чистого ванадия по ТУ в виде слитков и электролитического порошка. Феррованадий выпускают по ГОСТ 27130-86.

Цирконий. Цирконий применяют в качестве припоев для пайки титановых сплавов, а также для изготовления полос, труб, прутков и для легирования различных сплавов. Циркониевый порошок выпускают по ЦМТУ 3145-52……………….?

Тантал. Тантал применяют для изготовления тугоплавких, износостойких и коррозионностойких сплавов.

Редкоземельные металлы (лантан, церий, празеодим, иттрий и др.). РЗМ применяют для легирования самых различных сплавов…………………………………………………………..?

14.2.2. Вторичные сплавы цветных металлов

Вторичными сплавами называют сплавы, получаемые на заводах вторичных сплавов из отходов цветных сплавов и применяемых в качестве шихтовых материалов при плавке и получении отливок и слитков из сплавов цветных металлов.

К вторичным сплавам относятся:

Баббиты кальциевые в чушках, ГОСТ 1209-90.

Баббиты оловянные и свинцовые, ГОСТ 1320-98.

Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 1583-93. Названный стандарт регламентирует сплавы алюминиевые литейные и сплавы в чушках.

Сплавы медно-фосфористые, ГОСТ 4515-81.(4518-75). Эти сплавы применяют для раскисления и легирования фосфором медных сплавов.

Бронзы литейные в чушках, ГОСТ 614-97.

Сплавы цинковые литейные в чушках для литья под давлением, ГОСТ 19424- 97.

Сплавы цинковые антифрикционные в чушках, ГОСТ 21438-95.

Латуни литейные в чушках, ГОСТ 1020-97.

Сплавы алюминиевые деформируемые в чушках, ГОСТ 1131-76.

Сплавы магния в чушках, ГОСТ 2581-78.

Силумины в чушках, ГОСТ 1521-76 (1571-76).