Для приготовления сплавов нередко пользуются лигатурами. Так называют промежуточные сплавы, состоящие обычно из основного компонента рабочего сплава с одним или несколькими легирующими компонентами, но в значительно больших содержаниях, чем в рабочем сплаве. К использованию лигатур приходится прибегать в тех случаях, когда введение компонента-добавки в чистом виде затруднено по различным причинам. Такими причинами могут быть длительность процесса растворения, потери от окисления, испарения, шлакообразования.
Лигатуры используют также при введении химически активных добавок, которые на воздухе в свободном виде могут взаимодействовать с кислородом и азотом. Лигатуры широко используют и в тех случаях, когда чистый элемент-добавка слишком дорог или его вообще не получают, производство же сплавов-лигатур уже освоено, они доступны и достаточно дешевы.
Наконец, лигатуры целесообразно применять при необходимости введения в сплав очень малых добавок. Навеска чистой добавки может составлять всего несколько сот граммов на несколько сот килограммов расплава. Надежно ввести такое малое количество легирующего компонента практически невозможно из-за различного рода потерь и неравномерности распределения. Использование лигатуры, которую вводят в значительно большем количестве, устраняет эти трудности.
Следует отметить, что общим правилом технологии плавки сплавов является как можно меньшее время процесса. Это способствует уменьшению затрат энергии, потерь металла, загрязнения расплава газами и примесями. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что для полного растворения всех компонентов и усреднения состава сплава обязательно следует «проварить» расплав — выдержать его при наибольшей допустимой температуре в течение 10—15 мин.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
В зависимости от масштабов производства, требований, предъявляемых к качеству выплавляемого металла и целого ряда других факторов, в цехах заготовительного и фасонного литья цветных металлов применяют различные типы плавильных печей.
По виду используемой для плавки сплавов энергии все плавильные печи делят на топливные и электрические. Топливные печи подразделяют на тигельные, отражательные и шахтно-ванные. Электрические печи классифицируют в зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые, электронно-лучевые и плазменные.
В электрических печах сопротивления нагрев и расплавление шихты осуществляются за счет тепловой энергии, поступающей от электронагревательных элементов, установленных в своде или в стенках плавильной печи. Эти печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных и свинцовых сплавов.
Индукционные печи по принципу работы и конструкции подразделяют на тигельные и канальные. Тигельные печи в зависимости от частоты питающего тока классифицируют на печи повышенной [(0,15—10)- 10^6 пер/с] и промышленной частоты (50 пер/с).
Независимо от частоты питающего тока принцип работы всех индукционных тигельных печей основан на индуктировании электромагнитной энергии в нагреваемом металле (токи Фуко) и превращении ее в тепловую. При плавке в металлических или других тиглях, изготовленных из электропроводных материалов, тепловая энергия передается к нагреваемому металлу также стенками тигля. Индукционные тигельные печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов, а также сталей и чугунов.
Индукционные канальные печи используют для плавки алюминиевых, медных, никелевых и цинковых сплавов. Помимо плавильных печей, применяют также индукционные канальные миксеры, служащие для рафинирования и поддержания температуры жидкого металла на заданном уровне. Плавильно-литейные комплексы, состоящие из плавильной печи — миксера — литейной машины, используют при литье слитков из алюминиевых, магниевых и медных сплавов непрерывным методом. Принцип тепловой работы канальных индукционных печей аналогичен принципу работы силового электрического трансформатора тока, состоящего, как известно, из первичной катушки, магнитопровода и вторичной катушки. Роль вторичной катушки в печи играет короткозамкнутый канал, заполненный жидким металлом. При пропускании тока через индуктор печи (первичная катушка) в заполненном жидким металлом канале индуцируется электрический ток большой величины, который разогревает находящийся в нем жидкий металл. Тепловая энергия, выделяемая в канале, нагревает и расплавляет металл, находящийся над каналом в ванне печи.
Электродуговые печи по принципу передачи тепла от электрической дуги к нагреваемому металлу подразделяются на печи прямого и косвенного нагрева.
В печах косвенного нагрева большая часть тепловой энергии от горячей дуги передается к нагреваемому металлу излучением, а в печах прямого действия — излучением и теплопроводностью. Печи косвенного действия применяют в настоящее время ограниченно. Печи прямого действия (электродуговые вакуумные с расходуемым электродом) используют для плавки тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, а также легированных сталей, никелевых и других сплавов. По конструкции и принципу работы электродуговые печи прямого действия делятся на две группы: печи для плавки в гарнисажном тигле и печи для плавки в изложнице или кристаллизаторе.
Электронно-лучевые плавильные печи применяют для плавки тугоплавких и химически активных металлов и сплавов на основе ниобия, титана, циркония, молибдена, вольфрама, а также для ряда марок сталей и других сплавов. В основе принципа электронно-лучевого нагрева лежит преобразование кинетической энергии потока электронов в тепловую при их встрече с поверхностью нагреваемой шихты. Выделение тепловой энергии происходит в тонком поверхностном слое металла. Нагрев и плавление проводят в вакууме при остаточном давлении 1,3- 10^-3 Па. Электронно-лучевую плавку используют для получения слитков, и фасонных отливок. При электроннолучевой плавке можно значительно перегревать жидкий металл и длительное время выдерживать его в жидком состоянии. Это преимущество позволяет эффективно рафинировать расплав и очищать его от ряда примесей. С помощью электронно-лучевой
Плавки из металла могут быть удалены все примеси, давление пара которых существенно превышает давление пара основного металла. Высокая температура и глубокий вакуум способствуют также очистке металла от примесей за счет термической диссоциации оксидов нитридов и других соединений, находящихся в металле. Печь электрошлакового переплава ЭШП по принципу работы Представляет собой печь сопротивления косвенного нагрева, в которой источником тепла является ванна расплавленного шлака заданного химического состава. Переплавляемый металл в виде расходуемого электрода погружают в слой (ванну) жидкого электропроводного шлака. Через расходуемый электрод и шлак пропускают электрический ток. Шлак разогревается, торец расходуемого электрода оплавляется и капли жидкого металла, проходя через слой химически активного шлака, очищаются в результате контакта с ним и формируются в изложнице в виде слитка. Шлак защищает жидкий металл- от взаимодействия с атмосферой воздуха. Печи ЭШП в основном применяют для получения слитков из высококачественных сталей, жаропрочных, нержавеющих и других сплавов. Метод ЭШП используют также для производства крупных фасонных отливок: коленчатых валов, корпусов, арматуры и других изделий.
В плазменных плавильных печах источником тепловой энергии является поток нагретого до высокой температуры ионизированного газа (плазменная дуга), который при соприкосновении с металлом нагревает и расплавляет его. Для получения потока плазмы плавильные печи оборудуют специальными устройствами — плазмотронами. Плазменный способ нагрева и плавления сплавов применяют в печах ванного типа, в плавильных установках для получения слитков в кристаллизаторе и для плавки металлов в гарнисажном тигле.
Плазменные печи ванного типа в основном применяют для плавки сталей, а также сплавов на основе никеля. Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе могут использоваться для получения слитков из сталей, бериллия, молибдена, ниобия, титана и других металлов. Плазменные печи для плавки в гарнисажном тигле предназначены для фасонного литья сталей, тугоплавких и химически активных металлов.
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ АЛЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Литье в песчаные формы
Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее широкое применение при изготовлении отливок из алюминиевых сплавов получило литье в сырые песчаные формы. Это обусловлено невысокой плотностью сплавов, небольшим силовым воздействием металла на форму и низкими температурами литья (680—800С).
Для изготовления песчаных форм используют формовочные и стержневые смеси, приготовленные из кварцевых и глинистых песков (ГОСТ 2138—74), формовочных глин (ГОСТ 3226—76), связующих и вспомогательных материалов. Выполнение полостей в отливках осуществляют с помощью стержней, изготавливаемых в основном по горячим (220—300 °С) стержневым ящикам. Для этой цели используют плакированный кварцевый песок или смесь песка с термореактивной смолой и катализатором. Для изготовления стержней широко используют однопозиционные пескострельные автоматы и установки, а также карусельные многопозиционные установки. Стержни, подвергающиеся сушке, изготавливают на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах или вручную из смесей масляными (4ГУ, С) или водорастворимыми связующими. Продолжительность сушки (от 3 до 12 ч) зависит от массы и размеров стержняи определяется обычно опытным путем. Температуру сушки назначают в зависимости от природы связующего: для масляных связующих 250—280 °С, а для водорастворимых 160—200 °С. Для изготовления крупных массивных стержней все большее применение получают смеси холодного твердения (ХТС) или жидкодвижные самотвердеющие смеси (ЖСС). Смеси холодного твердения в качестве связующего содержат синтетические смолы, а катализатором холодного твердения обычно служит ортофосфорная кислота. Смеси ЖСС содержат поверхностно-активное вещество, способствующее образованию пены.