Материаловед

Процесс приготовления жидкого металла является одной из самых ответственных операций литейного производства. Он оказывает большое влияние на качество литья.

Перед плавкой производят расчет шихты – количества материалов, необходимого для получения сплава заданного состава с учетом потери при плавке.

В первую очередь в печь загружают наиболее тугоплавкие материалы. Легколетучие, сильноокисляющиеся и малые добавки желательно вводить с помощью лигатур (вспомогательных сплавов). Специальные шлаки и флюс засыпают на первую порцию шихты.

Слой шлаков или флюсов защищает расплав от взаимодействия с воздухом. Покровный шлак должен быть более легкоплавким и легким, чем расплав, не взаимодействовать с расплавом.

Для стали и чугуна используют шлаки на основе системы   СаО – SiО₂. Для медных сплавов используют систему SiО₂ – Na₂Ос добавками хлоридов натрия, кальция, буры. Основой флюсов для магниевых сплавов служит карналит КСl • МgСl₂. Алюминиевые сплавы в случае использования грязной и легкой шихты (например, в виде стружки) плавят также под защитой флюса из карналита с добавками хлоридов и фторидов натрия и кальция.

В процессе плавки металл может взаимодействовать с воздухом, влагой, футеровкой, в результате чего расплав загрязняется нерастворимыми оксидами, частицами разрушенной футеровки, а также каплями шлаков, флюсов. Для очищения металла от неметаллических включений его рафинируют. Удаляются только докристаллизационные неметаллические включения, т. е. те, которые были в расплаве до начала кристаллизации.

Рафинирование цветных металлов осуществляют различными способами. Простейший из них – отстаивание. Поскольку частицы неметаллических включений легче расплава, они всплывают к поверхности и переходят в шлак. Правда, при этом удаляются лишь сравнительно крупные частицы, движение которых описывается формулой Стокса

W=2/9*g*((ρ_м-ρ_в)/η)*r²,

где W – скорость всплывания частиц; g – ускорение силы тяжести; ρ_м – плотность металла; ρ_в – плотность металлической взвеси( частиц); η –динамическая вязкость металла; r – радиус частиц.

Частицы, размер которых измеряется микрометрами, всплывают настолько медленно, что очистить от них металл до истечения времени затвердевания методом отстаивания (даже крупных слитков) практически невозможно.

Более действенный способ удаления неметаллических включений – обработка расплава рафинирующими шлаками или флюсами. Расплав перемешивают со шлаком или флюсом. Частицы неметаллических включений либо прилипают к каплям шлака или флюса за счет смачивания, либо просто растворяются в них. После обработки расплав необходимо отстаивать. Рафинирующие шлаки и флюсы для цветного литья отличаются от покровных тем, что они более легкоплавки и содержат оксид натрия Na₂О, фторид кальция CaF₂ криолит Na₃AlF₆. которые хорошо растворяют оксидные включения.

Неметаллические включения хорошо отделяются при продувке расплавов газами. Мелкие пузырьки газа, проходя через толщу расплава, встречаются с инородными частицами, которые прилипают к ним и выносятся на поверхность.

Универсальным и наиболее действенным способом удаления неметаллических включений является фильтрование расплава через зернистые или спеченные пористые фильтры.

Удаление из расплава растворенных газов, кроме кислорода, осуществляется вакуумированием, продувкой расплава другими не растворимыми в них газами, вымораживанием.

При продувке нерастворимыми газами пузырьки этих газов поглощают растворенные газы за счет того, что парциальное давление растворенного газа равно нулю и он переходит из растворов в пузырек продуваемого газа. Все сплавы можно продувать аргоном и гелием, медные и алюминиевые – азотом. Для алюминиевых сплавов применяют, кроме того, летучие хлориды алюминия, цинка, марганца, а также – гексахлорэтан.

Вымораживание заключается в медленном охлаждения расплава до затвердевания с последующим быстрым нагреванием. При медленном охлаждении водород и азот постепенно выделяются из расплава.

Удалить из расплава растворенный кислород позволяет раскисление. Его проводят различными способами. Наиболее универсальным является внутреннее (осадочное) раскисление. Оно заключается во введении в расплав специальных добавок, которые связывают кислород в нерастворимые в расплаве соединения. Осадочное раскисление приводит к появлению большого количества неметаллических включений, которые обычно удаляются из расплава отстаиванием.

Проще всего удаляются включения, которые имеют компактную форму (например, сферическую) и возможно меньшую плотность. Поэтому для раскисления меди используют фосфор (жидкие фосфаты меди), для сталей – сложные раскислители, которые содержат кремний, марганец, кальций, образующие легкоплавкие силикаты. Лишь для завершения раскисления стали вводят более сильный раскислитель – алюминий, дающий в расплаве практически неотделимую взвесь твердых частиц.

Некоторые сплавы перед заливкой в литейную форму подвергают модифицированию: в жидкий металл вводят специальные добавки, которые становятся дополнительными центрами кристаллизации, или изменяют поверхностное натяжение расплава на границе с зародышем кристаллизации. Тем самым достигают измельчения структуры литого металла и повышения физико-механических свойств. Так, путем модифицирования магнием серого чугуна получают высокопрочный чугун со сферической формой графитовых включений. Широко применяется модифицирование алюминиевых сплавов.

Выплавка стали. Цикл плавки в электрической дуговой печи можно разделить на три этапа.

Первый – период расплавления шихты. Его продолжительность зависит от состава шихты и интенсивности подвода теплоты.

Второй – период окисления, в течение которого из расплава удаляются основная часть сопутствующих элементов и газы.

Третий – период доводки плавки, во время которого из стали удаляется сера, производится раскисление и легирование.

В течение всего процесса плавки печная атмосфера, шлак и расплав взаимодействуют между собой. В печи создаются условия для снижения содержания нежелательных элементов.

Подавляющую часть вредных примесей можно удалить из стали окислением. Кислород в металл поступает из руды или из воздушной атмосферы. Образующиеся при этом оксиды переходят в шлак.

При плавке в индукционных печах химические реакции между металлической ванной и шлаком протекают вяло, так как печь открыта и шлак постоянно охлаждается атмосферным воздухом. Поэтому индукционные печи применяют, как правило, для переплава металлической шихты.

Выплавка чугуна. Металлическая шихта при плавке чугуна в вагранке состоит из следующих компонентов: литейного чугуна, чугунного лома, стального лома для регулирования химического состава, ферросплавов.

Топливом служит литейный кокс, а флюсом – известь.

Плавка протекает следующим образом. Вначале в горне вагранки разжигают порцию кокса, которая называется холостой колошей. Когда она разгорится, в вагранку попеременно загружают слой металлической шихты, слой кокса с флюсом. Одновременно в вагранку подается воздух от вентилятора. Металлическая шихта начинает плавиться. Капли расплавленного металла протекают через зазоры между кусками кокса и собираются вместе со шлаком в горне печи. Когда накопится большое количество чугуна, его через летку выпускают в разливочный ковш. Так же периодически выпускают шлак.

Плавка чугуна в электрических печах имеет ряд преимуществ по сравнению с плавкой в вагранке. Прежде всего, она позволяет более точно выдержать химический состав сплава.

В индукционных печах можно выплавлять синтетический чугун путем науглероживания расплавленного стального лома соответствующими карбюризаторами – боем графитовых электродов или коксом.

При повышении температуры расплава у чугуна появляется склонность к отбелу. При затвердевании углерод выделяется не в виде графита, а в виде цементита Fe₃С. Для предотвращения отбела чугун модифицируют на желобе или в ковше графизирующими модификаторами (FeSi, SiCa).

Получение сплавов на основе алюминия. Выплавка алюминиевых сплавов, как правило, сводится к переплавке чушек. Поскольку алюминий и его сплавы склонны к окислению и поглощению газов, их плавят обычно быстро и без избыточного перегрева. На поверхности расплава образуется тонкая пленка Аl₂О₃, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Поэтому на поверхность расплава не наносят защитные покрытия.

Алюминиевые сплавы обычно рафинируют продувкой газом с применением хлоридов в виде флюсов, вакуумной или автоклавной обработкой. Силумины эвтектического состава модифицируют солями натрия.

Получение сплавов на основе меди. Сплавы меди легко насыщают водородом, особенно если эти сплавы содержат кислород. Водород при затвердевании сплава выделяется в виде пузырьков. Чтобы избежать подобных пороков на отливках, плавку производят под слоем предохраняющего флюса из сухого древесного угля и различных солей (буры, поваренной соли, безводной соды и др.)

Обязательной стадией плавки меди является раскисление, для которого чаще всего применяют фосфористую медь.