Файл: Постников Н.С. Прогрессивные методы плавки и литья алюминиевых сплавов.pdf

пользование на практике прогрессивных методов плавки, литья, термической обработки, контроля позволит еще больше расширить применение литейных сплавов и по­ высить надежность и экономичность конструкций из ник.

Глава I I

ПЛАВКА И Р А З Л И В К А

ЛИ Т Е Й Н Ы Х СПЛАВОВ

Для более правильного пониминия всех явлений и процессов, сопровождающих плавку, необходимо их рас­ сматривать не оторванно один от другого, а во взаим­ ной связи, что наиболее просто может 'быть выполнено, если процесс плавки разбить на отдельные элементар­ ные процессы и выявить влияние на них отдельных фак­ торов. Такое деление процесса плавки и рассмотрение его элементарных явлений позволяет точнее устанавли­ вать поведение различных металлов и сплавов при плав­ ке, разрабатывать технологический процесс плавки но­ вых сплавов, быстрее находить причины неполадок про­ изводства, устанавливать причины брака и рекомендо­ вать способы его предотвращения.

Жидкий -металл взаимодействует с газовой атмосфе­ рой печи, с жидкими сплавами (флюсами) и с футеров­ кой печи. Это химическое взаимодействие протекает са­ мопроизвольно и в большинстве случаев оно нежела­ тельно. Но при плавке происходят и таюие процессы, как рафинирование, .модифицирование, которые не явля­ ются самопроизвольными и осуществляются для повы­ шения качества сплава.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВКИ

Приготовление сплавов базируется на физико-химиче­ ских законах. При плавке металлов физические и хими­ ческие процессы протекают между твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Большое значение для процесса плавления имеет ме­

-61

Аукционном способе). Первый способ подвода тепла (сверху) характерен для отражательных печей (топлив­ ных и электрических). При таком способе нагрева раз­ ница в температуре верхних и нижних слоев металла может достигать значительной величины и зависит от температуры источника тепла, теплопроводности метал­ ла и глубины ванны. Перегрев верхних слоев металла приводит к заметному испарению и окислению легко­ плавких элементов и растворению газов в жидком ме­ талле.

Второй способ подвода тепла (с боков и снизу) при­ сущ тигельным (топливным и электрическим) печам. При данном способе подвода передача тепла осуществ­ ляется конвекцией; при этом достигается большая рав­ номерность температуры по массе металла и уменьша­ ется угар.

свойства металла, как теплопроводность, теплоемкость, теплота плавления и др.

Процессы, протекающие в расплавленном алюминии, также подчиняются физико-химическим законам, поэто­ му при разработке технологии плавки необходимо учи­ тывать особенности каждого сплава, обусловленные его химическим составом, а также общие вопросы физикохимического взаимодействия расплава с окружающей атмосферой.

При взаимодействии алюминия с газами печной ат­ мосферы и влагой, вносимой с шихтой, происходит насы­ щение расплава водородом, растворимость которого уве­ личивается с повышением температуры. Поскольку водород с алюминием химических соединений не образу­ ет, он находится в' нем в виде газовых пузырьков, кото­ рые значительно ухудшают механические свойства, за­ твердевшего металла. Газы же, оставшиеся в твердом растворе, практически не влияют на механические свой­ ства.

Поэтому, чем активнее металл, тем в большей степе­ ни (при прочих равных условиях) он активизирует про­ цессы адсорбции и диффузии газов в сплавах [32].

62

Металлы, образующие гидриды (титан, цирконий и др.), способствуют поглощению водорода расплавом вследствие образования и последующего распада гидри­ дов. Это является закономерным, так как гидриды име­ ют переменное химическое строение. Поскольку металлы по отношению к газам ведут себя аддитивно, можно по составу сплава с достаточной точностью предположить о склонности его к газонасыщению и принять меры по дегазации.

Медь, іцинк, кремний, т. е. .металлы, не образующие гидридов, мало влияют на степень газонасыщения алю­ миниевых сплавов. Однако кремний активно понижает

из алюминиевокремииевых сплавов необходимо уделять особое внимание.

Общее количество растворенных в алюминии газов

с3,6% Т і — д о 30 см3 водорода на 100 г и т. д. Поэтому при­ менение таких лигатур возможно только после переплава с последующим рафинированием и контролем качества лигатуры по излому.

Кроме того, источником образования неметалличес­ ких включений в алюминиевых сплавах являются хими­ ческие соединения газов с металлами, которые распола­ гаются главным образом по границам зерен, нарушай связь между «ими и уменьшая прочность, герметичность и коррозионную стойкость отливок.

Алюминий образует соединения, с кислородом, азо­ том и углеродом. Однако нитриды и карбиды алюминия практически не вызывают дефектов в отливках, так как образуются в очень небольших количествах, не раство­ ряются в жидком алюминии, имеют небольшую плот-

63

ность и легко удаляются при рафинировании. Основной причиной образования дефектов в виде неметаллических включений (окнсной плены) является кислород. Актив­ ность процесса окисления алюминиевых сплавов зависит от сродства компонентов сплава к кислороду, поэтому у большинства алюминиевых сплавов окисная пленка на поверхности расплава будет состоять в основном из оки­ си алюминия. Пленка А12 03 обладает большой адсорб­ ционной способностью по отношению к водяному пару даже при высоких температурах (890—900°С), что не­ редко является причиной повышения газонасыщаемостн сплава.

Степень загрязнения сплавов неметаллическими включениями главным образом зависит от качества ших­ товых материалов, типа плавильной печи и режима плавки. Объем неметаллических включений складывает­ ся из примесей, содержащихся в шихтовых материалах (чушковой металл, переплав отходов, лигатуры и т. д.), и примесей, образующихся при плавке. Поэтому для уменьшения количества неметаллических включений т» алюминиевых сплавах необходимо применение предва­ рительно очищенных шихтовых 'материалов и хранение их в сухих закрытых помещениям.

Одним из основных источников нопадания газов в расплав является печная атмосфера. Например, при плавке сплава АЛ4 в электропечи содержание в нем во­

тем, что при реакции между алюминием и парами воды,

алюминия. Поэтому наиболее высокого качества алюми­ ниевые сплавы получают при плавке сплава в электро­ печах.

Важными факторами, влияющими на чистоту рас­ плава, являются также температуры расплава и время его расплавления. В работе [32] было показано, что сплав АЛ4, нагретый до 800°С, содержит в два раза больше водорода и окиси алюминия, чем сплав, нагре­ тый до 680°С.

Источником попадания в сплавы водорода и других примесей может быть также футеровка печей. Процесс взаимодействия сплава с футеровкой печи сопровожда-

64

ниями одинаково, однако недооценивать их нельзя, так как это может привести к снижению качества литья. Ме­ роприятия, направленные на устранение влияния этих факторов, являются первой ступенью в процессе получе­ ния высококачественного литья и называются предупре­ дительными.

К таким предупредительным мероприятиям относят­ ся: 1) защитное легирование, т. е. создание защитной окисной пленки из окислов металлов, входящих в состав сплава; 2) защита флюсами, т. е. покрытие поверхности расплава смесями солей. Оба эти мероприятия направ­ лены на создание пассивной поверхности расплава и, следовательно, влияют на адсор'бцию и диффузию газов.

2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАФИНИРОВАНИЯ

Все методы удаления из расплава 'неметаллических включений (рафинирования), которые при адсорбции водорода с окисью алюминия образуют комплекс, де­ лятся на адсорбционные и неадсорбционные (физичес­ кие) и направлены на удаление из расплава одновре­ менно водорода и окиси алюминия.

Рафинирование адсорбционными методами, к кото­ рым относится также рафинирование флюсами, протека­ ет по следующей принципиальной схеме: введение или образование в расплаве газа (адсорбента), всплывание пузырьков газа на поверхность, адсорбция растворенных газов и удаление их из расплава. В качестве рафиниру­ ющих газов применяются азот, аргон, гелий и хлор. Газ пропускается снизу через всю толщу расплава; при этом в пузырьки газа диффундирует растворенный в распла­ ве водород. Всплывающие пузырьки встречают на пути

по отношению к алюминию при температурах до 700°С Азот из баллона поступает в сосуды с поглотителями, в которых производится очистка его от кислорода и осу­ шение хлористым кальцием (Са'СЬ), так как техничес-