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 – Si₂О. Для медных сплавов используют систему SiО₂ – Na0₂ с добавками хлоридов натрия, кальция, буры. Основой флюсов для магниевых сплавов служит карналлит КСl • МgСl₂. Алюминиевые сплавы в случае использования грязной и легкой шихты (например, в виде стружки) плавят также под защитой флюса из карналлита 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, 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

где W – скорость всплывания частиц; g – ускорение силы тяжести; ρ_м – плотность металла; ρ_в –плотность металлической взвеси (частиц); – 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 – это 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, риолит Na₃AlF₆, которые хорошо растворяют оксидные включения.

Неметаллические включения хорошо отделяются при продувке расплава 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 нерастворимыми в них газами, вымораживанием.

При продувке нерастворимыми в расплаве газами пузырьки этих газов поглощают растворенные газы за счет того, что парциально 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 охлаждении 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 так называемое внутреннее (осадочное) раскисление. Он 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, лучше всего сферическую, форму и возможно меньшую плотность. Поэтому для раскисления меди используют фосфор (фосфат 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.

Необходимо отметить, что раскислению подвергают только расплавы, содержащие кислород (стали, сплавы железо-никель, никель-медь, чистая медь). Никогда не проводят раскисления сплавов железа с большим содержанием углерода, кремния, титана, сплавов никеля с алюминием, сплавов меди с оловом, цинком, алюминием, всех сплавов на основе алюминия, а также магния, цинка, свинца, олова.

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, как следствие, повышения физико-механических свойств. Так, путем модифицирования серого чугуна получают высокопрочный чугун со сферической формой графитовых включений. Широко применяется модифицирование алюминиевых сплавов.