Глава 4 ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Процесс изготовления отливок включает стадии выплавки.металла, его заливки в форму и затвердевание отливки. Каждая из этих стадий сопровождается целым комплексом сложных физико-химических про­цессов, определяющих качество отливки. Поэтому ниже подробно рассматриваются явления, происходящие при плавке металла, его те­чении по литниковой системе, заполнении формы и затвердевании. Отдельный параграф посвящен анализу литейных дефектов и порож­дающих их причин.

4.1 ВЫПЛАВКА МЕТАЛЛА 4.1.1. ПЛАВИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Эстетические характеристики литых художественных изделий за­висят от качества выплавленного металла не в меньшей степени, чем от качества литейной формы.

Выбор плавильного оборудования тесно связан с двумя факто­рами — качеством и себестоимостью литья. Себестоимость первосте­пенна только при тиражировании художественных отливок, а при изготовлении уникальных литых изделий она отступа­ет на второй план.

Стали и чугун для худо­жественного литья выплав­ляют в основном в индук­ционных электрических пе­чах (рис. 4.1). Металл для крупных отливок готовят в электродуговых печах (рис 4.2).

Чугун, кроме того, пла­вят в вагранках, которые от­личаются простотой кон­струкции и высокой удель­ной производительностью (рис. 4.3).

Для плавки цветных ме­таллов применяют следую­щие печи:

камерные (рис. 4.4), ба­рабанные (рис. 4.5) и тигель-

ные (рис. 4.6), работающие на твердом, жидком и газообразном топливе;

электрические дуговые с прямым и косвенным нагревом;

электрические индукционные тигельные и канальные;

электрические печи сопротивления тигельные и камерные;

гарнисажные вакуумные.

В камерных и барабанных печах можно выплавлять все цветные сплавы, кроме магниевых и тугоплавких. Магниевые сплавы легко окисляются, а тугоплавкие имеют температуру плавления, которая не достигается в печах такого типа.

Тигельные печи благодаря минимальному окислению пригодны для всех цветных сплавов (кроме тугоплавких).

Дуговые трехфазные печи с прямым нагревом используют для выплавки стали, дуговые печи с косвенным нагревом — для выплавки медных сплавов.

Титановые сплавы выплавляют в дуговых вакуумных гарнисажных печах с расходуемым электродом (рис. 4.7).

Для получения всех сплавов, кроме магниевых, очень широко при­меняются индукционные печи без сердечника. Канальные печи с же­лезным сердечником используют для получения латуней и алюминие­вых сплавов (рис. 4.8).

Электрические печи сопротивления пригодны для получения легко­плавких сплавов — алюминиевых, цинковых (рис. 4.9).

4.1.2. ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ

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—SiO: • Для медных сплавов используют систему SiC>2—NajO с добавками хлоридов натрия, кальция, буры. Основой флюсов для магниевых сплавов служит карналит КС1 • МдСЬ- 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.!_y£-=£-_ra_f 9 ^у Ч

где W — скорость всплывания частиц; д — ускорение силы тяжести; р_м — плотность металла; /э_в — плотность металлической взвеси (час­тиц); t} — динамическая вязкость металла; г — 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 Na2<D, фторид кальция Сар2, криолит Ыаз AIFe, 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 раствора 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 раскисл е-н и е. Его проводят различными способами. Наиболее универсальным является так называемое внутреннее (осадочное) раскисление. Оно заключается во введении в расплав специальных добавок,связывающих кислород в не растворимые 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 (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.

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.

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: литейный чугун, чугунный лом, стальной лом для регулирования химического состава, ферросплавы.

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. Также 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. Однако главное преиму­щество такой плавки при производстве художественного литья — это возможность перегрева металла, нагрева до высоких температур, и выдержки его при этих температурах в течение длительного времени, что обеспечивает лучшие условия для заполнения тонких сечений литейной формы.

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 Рез С. 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 Ah Оз. которая предохраняет металл от дальнейшего окисления. Поэтому на поверхность расплава не наносят защитные покрытия.

Алюминиевые сплавы обычно рафинируют при помощи продувки газом, применения хлоридов в виде флюсов, вакуумной или автоклав­ной обработки.

Силумины эвтектического состава модифицируют натрием или его

солями.

Получение сплавов на основе меди. Сплавы меди легко насыщаются водородом, особенно если эти сплавы содержат кислород («водородная болезнь»). 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.

Получение сплавов на основе цинка. Цинк и его сплавы легко окисляются в атмосфере влажного воздуха, поэтому используют только сухие шихтовые материалы и проводят плавку в нейтральной или слабовосстановительной атмосфере. При этом перегрев выше 480 ° С не допускается, так как он может привести к дополнительному окислению и насыщению газами.

Вредные примеси (свинец, олово, кадмий) при взаимодействии с водяными парами образуют оксиды, имеющие больший объем, чем металл, из которого они образовались. В результате происходит разбу­хание, коробление и даже разрушение отливок.

Для очищения цинковых сплавов от газов и оксидов применяют хлорид цинка, хлорид алюминия, гексахлорэтан, смесь солей хлорида цинка и аммония.

Получение сплавов на основе магния. Магний обладает большим сродством к кислороду, но пленка оксидов магния слишком рыхлая, чтобы защитить металл от окисления. Кроме того, расплавленный магний воспламеняется, поэтому плавку производят под слоем защит­ных флюсов или в инертной атмосфере.

Флюсы для магниевых сплавов готовят на основе карналита КС1 • МдС1₂ с добавками ВаС1₂ и СаР₂.

При разливке магниевых сплавов форму предохраняют от попада­ния флюса для предотвращения интенсивной коррозии магния.

Получение сплавов на основе титана. Титан в расплавленном состо­янии жадно поглощает газы (водород, кислород, азот)! Поэтому плавку и разливку металла проводят в вакуумных печах. Поскольку жидкий титан активно взаимодействует со всеми огнеупорными материалами, его плавят в гарнисаже — своеобразной скорлупе из того же металла, помещенной в охлаждаемый графитовый тигель. Расплавляется расхо­дуемый электрод электродуговым способом.