Материаловед

Приготовление литейных сплавов связано с плавлением различных материалов. Загрузка шихты в печь осуществляется последовательно. Сначала загружают вещества, составляющие основную долю шихты, а также тугоплавкие материалы. Для получения заданного химического состава и определенных свойств в расплав добавляют специальные легирующие элементы: хром, никель, марганец, титан и др. в виде ферросплавов и лигатур. Для получения оптимальной формы и размеров структурных составляющих сплавов в сплавы вводят модификаторы. Наибольший эффект модифицирования наблюдается в сплавах, обладающих малой исходной пластичностью и пониженной прочностью. Различают два механизма воздействия модификаторов на процесс кристаллизации:

– образование искусственных центров кристаллизации с последующей сфероидезацией их формы (процесс инокуляции), реализуется при условии большей тугоплавкости вводимых добавок по сравнению со сплавом;

– формирование барьеров на пути растущих кристаллов, тормозящих их рост (процесс лимитации).

Модифицирование силуминов солями натрия приводит к измельчению структуры эвтектики, снижению температуры ее кристаллизации, увеличению доли α-твердого раствора. Это обеспечивает значительное повышение пластичности. Модифицирование серого чугуна магнием приводит к изменению формы графитовых включений с пластинчатой на шаровидную, что способствует повышению механических свойств.

Модифицирование расплава является заключительной операцией плавки.

Важную роль в процессе литья играет рафинирование расплава от растворенных газов и неметаллических включений. Удаление неметаллических включений осуществляют отстаиванием расплава, рафинированием флюсами, фильтрованием (пропусканием расплава через пористые материалы). Растворенные газы, за исключением кислорода, удаляют из расплава его вакуумированием, продувкой инертными к данному металлу газами (аргон, гелий и др.), вымораживанием (охлаждением расплава с малой скоростью почти до твердого состояния с последующим быстрым нагревом до требуемой температуры). Для обеспечения всплывания шлаков, оксидов и пузырьков газа на поверхность ванны перез разливкой расплав выдерживают около 15 минут при температуре выше температуры плавления на 100…200 ⁰С.

Для плавления чугуна и стали в качестве исходных материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства (литники, брак), а также для понижения температуры плавления и образования шлаков – флюсы (известняк).

Чугуны в основном выплавляют в вагранках.  Вагранка представляет собой шахтную печь непрерывного действия, работающую по принципу противотока, в которой металл соприкасается с твердым топливом и продуктами его горения. Металлическая шихта, опускаясь, нагревается и плавится за счет теплоты поднимающихся газов и затем перегревается при контакте с раскаленным коксом. При ваграночной плавке возможно использование передельного доменного чугуна, характеризующегося низким содержанием кремния. При замене литейных чугунов в шихте передельными улучшаются механические свойства выплавляемого серого чугуна, а также повышается его жидкотекучесть.  Вагранки имеет наибольший тепловой коэффициент полезного действия, достигающий 35…45 %.

Развивается плавка в электрических печах – индукционных и дуговых – для получения модифицированных, высокопрочных и других качественных чугунов. Наиболее  совершенными являются индукционные, обеспечивающие получение точного химического состава чугуна, его рафинирование, высокий перегрев.

Применяется также дуплекс-процесс, в особенности вариант вагранка – индукционная печь. Чугун плавят в вагранке, а его  доводку, рафинирование, перегрев осуществляют в индукционной печи. Такой способ позволяет получать чугун высокого качества при сниженном расходе электроэнергии.

Плавку стали проводят: в мартеновских печах в производстве средних и крупных отливок менее ответственного назначения; электродуговых печах для отливок ответственного назначения; индукционных и плазменно-индукционных печах для отливок особо ответственного назначения.

Для плавления цветных металлов используют  как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли).

Для плавки бронз и латуней применяют электрические дуговые и индукционные печи, иногда пламенные отражательные печи (если требуется получение большого количества расплава для заливки крупных форм) или закрытые графитовые тигли. Использование дуговых печей для выплавки латуней нежелательно из-за опасности перегрева и испарения цинка. Выплавку алюминиевых сплавов обычно проводят в электрических печах сопротивления или индукционных. Также применяют пламенные печи, а при небольших объемах производства плавку осуществляют в тиглях с электронагревом или нагревом в пламенных печах.

Плавку магниевых сплавов в зависимости от размеров производства и массы отливок проводят в тиглях, индукционных тигельных печах (открытых и вакуумных), электрических печах сопротивления.

Плавка магниевых сплавов связана с рядом трудностей: в расплавленном состоянии магний и его сплавы на воздухе легко окисляются, а при незначительном перегреве возгораются, интенсивно поглощают водород, с азотом образуют нитриды. Для предотвращения взаимодействия с печными газами плавку магниевых сплавов ведут под флюсами,  в вакууме или в среде защитных газов.