МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Металлургия черных и цветных сплавов» ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Лабораторный практикум Минск БНТУ 2018 1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Металлургия черных и цветных сплавов» ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Лабораторный практикум для студентов специализации 1-42 01 01-01 01 «Литейное производство черных и цветных металлов» Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области металлургического оборудования и технологий Минск БНТУ 2018 2 УДК 621.74:669.2/.8(076.5)(075.8) ББК 34.61я7 П80 Составители: С. П. Задруцкий, Б. М. Неменёнок Рецензенты: кафедра «Металлургия и литейное производство» Гомельского государственного технического университета им. П. О. Сухого (заведующий кафедрой – кандидат технических наук, доцент Ю. Л. Бобарикин); кандидат технических наук, доцент М. А. Садоха Производство отливок из сплавов цветных металлов: лаборатор- ный практикум для студентов специализации 1-42 01 01-01 01 «Литей- ное производство черных и цветных металлов» / сост.: С. П. Задруцкий, Б. М. Неменёнок. – Минск: БНТУ, 2018. – 54 с. ISBN 978-985-550-862-6. Лабораторный практикум предназначен для закрепления теоретических знаний, полученных при изучении курса «Производство отливок из сплавов цветных метал- лов», а также для приобретения практических навыков плавки сплавов цветных металлов, оценки структуры и свойств цветных металлов и сплавов, приобретения навыков в разработке технологического процесса изготовления отливок. УДК 621.74:669.2/.8(076.5)(075.8) ББК 34.61я7 ISBN 978-985-550-862-6 © Белорусский национальный технический университет, 2018 П80 3 Содержание Введение ........................................................................................ 3 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ....................................................... 5 Лабораторная работа № 1. Рафинирование алюминиевых сплавов ........................................................................................... 5 Лабораторная работа № 2. Модифицирование первичного зерна алюминиевых сплавов ...................................................... 15 Лабораторная работа № 3. Модифицирование эвтектики и первичного кремния в силуминах .......................................... 22 Лабораторная работа № 4. Рафинирование и упрочнение сплавов системы алюминий-магний и магний-алюминий .................................................................... 29 Лабораторная работа № 5. Влияние интервала кристаллизации и скорости охлаждения на плотность отливок из медных сплавов ................................ 33 Лабораторная работа № 6. Раскисление меди .......................... 37 Лабораторная работа № 7. Модифицирование медных сплавов ......................................................................................... 44 Лабораторная работа № 8. Изучение процесса рециклинга цинка и его сплавов .................................................................... 48 Литература ................................................................................... 54 4 ВВЕДЕНИЕ В лабораторном практикуме представлены работы по про- филирующему курсу «Производство отливок из сплавов цвет- ных металлов». Практически все они носят исследовательский характер, содержат теоретические сведения и методики их выполнения. Работы охватывают широкий спектр вопросов, связанных с технологией плавки и литья из основных сплавов цветных металлов. В лабораторном практикуме особое внимание уделено ра- финированию и модифицированию цветных сплавов, как ос- новным путям повышения служебных характеристик отливок. Перед началом занятий со всеми студентами проводится беседа о задачах лабораторных занятий и их организации, а также общий и индивидуальный инструктаж по технике без- опасности. Студенты приступают к каждой лабораторной работе толь- ко после ознакомления с литературой по изучаемому вопросу и сдачи коллоквиума преподавателю. Пропущенные лабораторные работы выполняются в до- полнительное время согласно расписанию, составленному кафедрой. 5 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ Лабораторная работа № 1 РАФИНИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Цель работы Изучить влияние различных способов рафинирования алю- миниевых сплавов и провести их сравнительную оценку. Теоретическая часть При плавке на воздухе алюминиевые сплавы окисляются и насыщаются водородом. Для предохранения от окисления и насыщения водородом плавку ведут под слоем флюса в слабо- окислительной атмосфере. В качестве покровного флюса при плавке сплавов, содержащих не более 2 % магния, используют смесь хлоридов натрия и калия (45 % NaCl и 55 % KCl) в коли- честве 1–2 % от массы шихты. Чем больше в шихте содержится мелких отходов, тем больше берется флюса. Рекомендуют также флюсы, в состав которых, кроме указанных хлоридов, вводят фтористые соли (39 % NaCl, 50 % KCl, 6,6 % Na3AlF6, 4,4 % CаF2). Для алюминиево-магниевых сплавов в качестве покровного флюса используют карналлит (MgCl2·KCl) и смесь карналлита с хлористым барием и фтористым кальцием. В тех же случаях, когда применение флюса невозможно, защиту от окисления осуществляют введением в расплав 0,03–0,05 % бериллия. Особенно вредно взаимодействие алюминиевых расплавов с парами воды, так как оно способствует одновременному за- грязнению их оксидами и водородом. Для предотвращения этого принимают меры по удалению влаги из футеровки пла- вильных печей и различных разливочных устройств, покровных, рафинирующих и модифицирующих флюсов; прокаливают и окрашивают плавильно-разливочный инструмент; очищают 6 и сушат шихтовые материалы. Однако, как бы тщательно ни проводилась бы плавка на воздухе, алюминиевые расплавы всегда оказываются загрязненными оксидами, нитридами, во- дородом, включениями шлака и флюса. Поэтому сплавы под- вергаются рафинированию. Неметаллические включения присутствуют в алюминиевых расплавах как в виде неравномерно распределенных по объе- му макроскопических крупных частиц и плен, так и в виде тонкодисперсных взвесей, распределенных по объему относи- тельно равномерно. Крупные неметаллические включения и плены с локальным характером распределения наиболее вредны, так как в местах их нахождения ослабляется сечение отливки, образуются не- сплошности, приводящие к появлению течи, очагов коррозии, снижаются пластические свойства сплавов. Эти включения, являясь концентраторами напряжений, способствуют растрес- киванию отливок. Тонкодисперсные неметаллические вклю- чения облегчают образование газовых пузырей при охлажде- нии газонасыщенных расплавов. Наличие в отливках растворенных газов – причина образо- вания газовой пористости. Предельно допустимое содержание водорода в алюминиевых сплавах 0,1–0,3 см3/100 г. Пористость деформируемых сплавов опасна тем, что при обработке слитков давлением она способствует развитию рас- слоений в зонах течения металла. Расслоения резко снижают пластичность изделий и поэтому совершенно недопустимы в нагруженных деталях. Технология рафинирования Очистку алюминиевых сплавов от взвешенных неметалли- ческих включений и растворенного водорода осуществляют продувкой расплавов инертными и активными газами, обра- боткой хлористыми солями и флюсами, вакуумированием и фильтрованием через сетчатые и зернистые фильтры. 7 Очистка расплавов продувкой инертными или активными газами основана на протекании двух процессов – диффузии растворенного газа в пузырьки продуваемого рафинирующего газа и флотации ими неметаллических включений. Рафиниро- вание осуществляется тем успешнее, чем меньше размер пу- зырьков продуваемого газа и равномернее их распределение по объему расплава. В этой связи заслуживает особого внима- ния способ обработки расплавов инертными газами с исполь- зованием пористых керамических вставок. Для продувки алюминиевых расплавов используют азот, аргон и их смесь с 5–10 % хлора или фреона. Газы должны быть очищены от влаги и кислорода. Наибольший эффект ра- финирования достигается при использовании хлора. Продувку азотом или аргоном ведут при 720–730 ºС. Длительность про- дувки зависит от объема расплава и задается в пределах 5–20 ми- нут, расход газа составляет 0,3–1 м3 на тонну расплава. Обработка расплавов хлористыми солями основана на их летучести, термической диссоциации и способности вступать в обменные реакции с компонентами сплава с выделением па- рообразных и газообразных продуктов реакции, оказывающих рафинирующее действие на расплав, аналогичное продувке хлором. Для рафинирования применяют хлористый цинк, хло- ристый марганец, гексахлорэтан и другие хлориды. Ввиду гиг- роскопичности, хлористые соли перед рафинированием под- вергают сушке (MnCl2) или переплавке (ZnCl2). В расплав их вводят в количестве 0,05–0,2 % при температуре расплава 700–730 ºС; гексахлорэтан – в количестве 0,3–0,7 % при тем- пературе 740–750 ºС в несколько приемов. «Колокольчик» с солью погружают на дно расплава и для более полной очи- стки непрерывно перемешивают до прекращения выделения газообразных продуктов реакции. При этом хлористые соли взаимодействуют с алюминием по реакции 2 33MeCl 2Al 2AlCl 3Me.   8 Пузырьки хлористого алюминия, поднимаясь на поверх- ность расплава, увлекают взвешенные неметаллические вклю- чения; внутрь пузырьков диффундирует растворенный в ме- талле водород и происходит очистка расплава. По окончании перемешивания расплаву дают отстояться в течение 10–15 ми- нут при температуре 720–730 ºС для удаления мелких пузырь- ков газа. Рафинирование хлоридами ведут в печах или ковшах с малой удельной поверхностью расплава. В печах с неболь- шим по высоте слоем расплава рафинирование введением хлоридов малоэффективно. Лучшие результаты в таких случа- ях дает рафинирование флюсами. Очистка флюсами основана на удалении взвешенных вклю- чений из расплава в результате адгезии, растворения или хи- мического взаимодействия с расплавленными солями. Глав- ную роль в процессе флюсового рафинирования играют по- верхностные явления. Флюсы уменьшают адгезию включений к металлу и под действием межфазных сил включения само- произвольно переходят во флюс. Эффективность очистки тем выше, чем лучше расплавленный флюс смачивает неметалли- ческие включения, чем больше краевой угол смачивания вклю- чений металлическим расплавом. В практике плавки большей части алюминиевых сплавов для рафинирования используют флюс, состоящий из 47 % KCl, 30 % NaCl, 23 % Na3AlF6. Для очистки сплавов алюминия с маг- нием применяют флюсы на основе карналлита с 10–20 % CaF2 или K3AlF6. Предварительно переплавленные и высушенные флюсы в количестве 0,5–1 % массы металла засыпают на по- верхность расплава при температуре 700–750 ºС. Затем флюс в течение 3–5 минут энергично замешивают в расплав, удаля- ют шлак и дают расплаву отстояться 10–15 минут. После по- вторного удаления шлака расплав используют для заполнения литейных форм. При обработке больших объемов металла флюс вводят с помощью «колокольчика» на дно расплава. 9 Более высокий уровень дегазации расплавов получают при вакуумировании. Сущность этого вида рафинирования состо- ит в том, что выплавленный по обычной технологии сплав пе- реливают в ковш, который затем помещают в вакуумную ка- меру, где выдерживают при остаточном давлении 102–103 Па в течение 10–30 минут. Температура расплава при этом под- держивается на уровне 720–740 ºС. Общим недостатком перечисленных способов рафинирова- ния является то, что они осуществляются на такой стадии тех- нологического процесса, которая не исключает последующего загрязнения расплава во время литья. В последние годы для очистки алюминиевых сплавов все в больших масштабах применяют фильтрование. Сущность метода состоит в пропускании расплавов через сетчатые, зер- нистые или жидкие фильтры. Сетчатые фильтры (стеклоткань, металлическая сетка) широко применяют для очистки распла- вов от крупных включений и плен. Они отделяют те включе- ния, размер которых больше размера ячейки сетки. Фильтры из стеклоткани устанавливают в раздаточных тиглях, литниковых каналах, распределительных устройствах и кристаллизаторах машин непрерывного литья слитков. Фильтры в 1,5–2 раза снижают содержание неметаллических включений в изломах технологических проб. Значительно больший эффект очистки от неметаллических включений дают зернистые фильтры, представляющие собой слой фильтрующего материала из зерен размером 5–10 мм в по- перечнике, высотой 110–150 мм. Отличительной особенностью таких фильтров является большая поверхность соприкосновения с металлом и наличие длинных тонких межзеренных каналов переменного сечения. Металл в таких фильтрах перемещается с переменной скоростью, что усиливает эффект очистки. Очистка металлических расплавов от взвешенных включе- ний при фильтровании через зернистые фильтры обусловлена механическими и адгезионными процессами. Первым из них 10 принадлежит решающая роль при отделении крупных включе- ний и плен, вторым – при отделении тонкодисперсных вклю- чений. Зернистые фильтры задерживают лишь те включения, размер которых превышает эффективный диаметр межзерен- ных каналов. Чем меньше диаметр зерен фильтра и плотнее их укладка, тем выше уровень очистки расплавов от включений и плен. С увеличением толщины слоя фильтра эффективность очистки увеличивается. Эффективность очистки зернистыми фильтрами возраста- ет по мере ухудшения смачивания фильтра и включений рас- плавом. Для изготовления фильтров используют шамот, магнезит, алунд, кремнезем, сплавы хлористых и фтористых солей и дру- гие материалы. Полнота удаления взвешенных неметалличе- ских включений зависит от природы материала фильтра, размера зерна, толщины фильтрующего слоя и металлостатического напора, определяющего скорость фильтрации. Максимальный эффект очистки получают при использовании мелкозернистых (4–6 мм в поперечнике) фильтров из материалов, характери- зующихся наиболее высокой работой адгезии к неметалличе- ским включениям. Зернистые фильтры, так же как и сетчатые, устанавливают на пути перелива металла из миксера в форму. Заливку ведут таким образом, чтобы верхний уровень фильтра был покрыт слоем металла толщиной 10–15 мм, а истечение металла после фильтра происходило под затопленный уро- вень. В последние годы широкое применение нашли корундо- вые фильтры в виде плит толщиной 50 мм с фиксированным размером межзеренных каналов и трубчатые керамические фильтры с диаметром пор около 200 мкм, обеспечивающих глубокую очистку алюминиевых расплавов от тонкодисперс- ных неметаллических включений. Самым эффективным методом очистки алюминиевых рас- плавов от плен и крупных неметаллических включений явля- ется электрофлюсовое рафинирование. Оно предусматривает 11 пропускание струй металла диаметром 5–7 мм через слой рас- плавленного хлоридно-фторидного флюса толщиной 100–150 мм с наложением поля постоянного тока силой 600–800 А и на- пряжением 6–12 В с катодной поляризацией металла. Контроль рафинирования Наличие крупных включений и плен определяют по пробе Добаткина-Зиновьева. Для этой цели из исследуемого распла- ва отливают (или вырезают из слитка) заготовку диаметром 50 мм и длинной 150 мм. Заготовку в нагретом состоянии оса- живают по длине в «галету» толщиной 30 мм (пятикратная осадка). После этого по плоскости, перпендикулярной направ- лению осадки, «галету» надрезают и ломают. По количеству и площади неметаллических включений в изломе судят о чис- тоте расплава. Удовлетворительным считается такой расплав, площадь неметаллических включений в котором по техноло- гической пробе не превышает 0,05 мм2 на квадратный санти- метр площади излома. Качественную оценку загрязненности расплавов тонкодис- персными взвесями и водородом производят с помощью структурной пробы А. Г. Спасского и Е. Н. Кулагиной. Для этого небольшую порцию расплава заливают в подогретую до 150–200 ºС графитовую изложницу. Во время кристаллиза- ции на поверхности пробы наблюдаются точечные разрывы оксидной пленки, представляющие собой следы пузырьков выделяющегося газа. Сравнивая пробу с эталонами, по числу разрывов судят о степени газонасыщенности. Загрязненность тонкодисперсными взвесями оценивают размером макрозерна на поверхности пробы. Малому содержанию взвесей соответ- ствует крупное зерно. Степень загрязненности определяется сопоставлением структурной пробы с эталонами. О содержании газов в расплаве можно также судить по ва- куум-пробе. Для вакуум-пробы прокаленным графитошамот- 12 ным тиглем марки 02 отбирается небольшая порция жидкого сплава при температуре 720–730 ºС. Этот металл охлаждают при пониженном давлении под вакуумным колпаком до полной кристаллизации. Уменьшение внешнего давления до 1000 Па, которое контролируется с помощью манометра, способствует более полному выделению растворенных газов. Под действи- ем давления выделяющихся газов поверхность металла в тиг- ле приобретает выпуклое очертание. На поверхности разреза затвердевающего слитка наблюдаются газовые раковины. Срав- нивая разрез вакуум-пробы с эталонами или определяя ее плот- ность, судят о степени газонасыщенности. Оборудование, инструмент и материалы Шахтная печь электросопротивления с автоматическим ре- гулированием температуры, установка для получения вакуум- пробы, технические и аналитические весы с разновесами, опо- ки, графитошамотные тигли, набор плавильно-заливочного инструмента, набор формовочного инструмента, набор инст- рументов и материалов для изготовления и травления микро- шлифов, силумин марки АК12ч или АК12пч, алюминий пер- вичный А8 или А7, лигатуры алюминий-медь, алюминий-мар- ганец, магний первичный Мг90 или Мг95, возврат сплавов АК9ч, АК7ч, АК12, хлористые соединения NaCl, KCl, MnCl2, MgCl2·KCl, C2Cl6, фтористые соли Na3AlF6, K3AlF6, K2SiF6, CaF2, баллон с азотом, устройство для продувки расплава азотом. Порядок проведения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Ознакомиться с оборудованием и приборами, изучить инструкцию по технике безопасности. 2. Рассчитать и взвесить шихту для приготовления 1,5 кг одного из сплавов. Марку сплава, виды и количество исполь- зуемых в шихте отходов указывает преподаватель. 13 3. В нагретый тигель, установленный на плавильной печи, загрузить алюминий, отходы, лигатуру и расплавить их. Конт- ролировать температуру. 4. При температуре 700–720 ºС ввести в расплав магний. Навеску магния погружают на дно с помощью «колокольчика». 5. По указанию преподавателя провести качественную оцен- ку содержания водорода по вакуумной пробе. Плотность ва- куум-пробы определяют методом гидростатического взвеши- вания с точностью до 0,01 г и рассчитывают по формуле 21 H O 1 2 P P P    , кг/м 3, где Р1, Р2 – масса образца на воздухе и в воде, кг; 2H O – плотность воды, кг/м3. 6. Провести дегазацию сплава одной из солей по указанию преподавателя. Навеску соли вводить на 2/3 глубины расплава с помощью «колокольчика». Выдержать расплав в течение 10–15 минут и удалить с его поверхности шлак. Операцию рафинирования и последующую выдержку проводить при температуре 720–740 ºС. Удалить шлак и определить плот- ность вакуум-пробы. 7. Провести рафинирование сплава флюсом, состав которо- го выбрать по согласованию с преподавателем. Флюс засы- пать на поверхность металла и интенсивно замешать в объем расплава ложкой. Температура рафинирования 720–740 ºС. Уда- лить шлак и определить плотность вакуум-пробы. 8. Провести дегазацию расплава азотом при температуре 720–740 ºС под давлением 0,05 МПа. Удалить шлак и опреде- лить плотность вакуум-пробы. Результаты измерений и их обработка Результаты замеров плотности вакуумных проб и исследо- вания их пористости свести в табл. 1.1. 14 Таблица 1.1 Результаты измерений Вид обработки расплава Плотность вакуумной пробы, кг/м3 Пористость вакуумной пробы, % Число пор, штук на 1 см2, шлифа размером, мм Балл порис- тости 0,1 0,2–0,5 0,6–1,0 Содержание отчета 1. Расчет шихты для выплавки сплава заданного состава. 2. Краткое описание технологии плавки и рафинирования расплава. 3. Методика определения содержания газов. 4. Результаты исследований. 5. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какими способами осуществляют дегазицию расплавов? 2. В чем сущность дегазации вакуумированием? При каких обстоятельствах ее осуществляют? 3. Какова сущность механизма дегазации продувкой распла- вов инертными и активными газами, обработкой хлоридами? 4. Сколько рафинирующего газа и хлоридов расходуется на тонну расплава? 5. Какие хлориды используют для рафинирования расплавов? Какую подготовку они проходят перед введением в расплав? 6. Какой из способов дегазации наиболее эффективен? 7. Какие методы используют для очистки расплавов от неме- таллических включений? Какой из них наиболее эффективен? 8. При каких температурах целесообразно проводить дега- зацию и очистку от неметаллических включений расплавов хлористым цинком и хлористым магнием? 15 9. Какие методы контроля используют для оценки содер- жания неметаллических включений? 10. Какие параметры зернистых фильтров обеспечивают оп- тимальные условия очистки алюминиевых расплавов от круп- ных включений и плен? 11. Как отражается природа материала фильтра на эффектив- ности очистки расплавов от неметаллических включений и плен? 12. Какой механизм лежит в основе очистки расплавов от дисперсных включений при фильтровании через зернистые фильтры? 13. В чем сущность электрофлюсового рафинирования? Лабораторная работа № 2 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНОГО ЗЕРНА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Цель работы Изучить влияние модификаторов первого рода на размер мак- розерна алюминиевых сплавов и некоторые литейные свойства. Теоретическая часть Модифицирование первичного зерна алюминиевых спла- вов производится с целью его измельчения. При модифициро- вании уменьшается анизотропия структуры и существенно возрастают технологические свойства алюминиевых сплавов – уменьшается склонность сплавов к образованию горячих тре- щин, изменяются форма и распределение усадочных дефек- тов. Улучшение комплекса литейных свойств сплавов в ре- зультате измельчения зерна обусловлено снижением темпера- туры начала линейной усадки, т. е. температуры образования кристаллического каркаса в сплаве в интервале кристаллиза- ции. Крупные кристаллы, представляющие собой в процессе 16 роста сильно разветвленные дендриты с осями первого, второ- го и третьего порядков, имеют большую поверхность контакта с расплавом. Отдельные ветви дендритов при температуре вбли- зи ликвидуса образуют кристаллический каркас, вызывающий начало линейной усадки и затрудняющий питание отливки. Измельчение макрозерна препятствует развитию их дендрит- ного строения. В зернах хорошо модифицированного сплава различаются только оси первого и редко второго порядков. Модифицирование увеличивает жидкотекучесть сплавов и за- полняемость формы вследствие уменьшения температуры ну- левой жидкотекучести. Механизм модифицирования. Измельчение макрострукту- ры алюминиевых сплавов осуществляется введением в расплав элементов, образующих с компонентами сплава тугоплавкие соединения (TiAl3, ZrAl3, TiB2 и другие). При этом модифика- торами следует называть элементы, вызывающие измельчение структуры при небольшом их содержании (менее 0,1 %). Энергия образования зародыша, которая определяется меж- фазными свойствами контактирующих фаз, должна быть ми- нимальной. Низкая энергия образования зародышей α-твер- дого раствора Al на границе Al–TiAl3, Al–ZrAl3 объясняется идеальным кристаллографическим соответствием плоскостей решеток     3TiAl Al 100 || 100 ,     3ZrAl Al 100 || 100 , имеющих рас- хождение параметров не более 5 % в твердом состоянии. Физи- ческое соответствие контактирующих фаз характеризуется ра- венством числа свободных электронов в пересчете на один атом (три электрона на один атом). Именно благодаря близо- сти концентрации свободных электронов в зародыше и алю- миниевом сплаве на их границе имеет место низкая межфаз- ная энергия. В реальных условиях затвердевания центрами кристаллизации могут быть только фазы, зарождение крис- таллов α-твердого раствора Al на которых происходит при пе- реохлаждении не более нескольких градусов. 17 Благоприятные термодинамические свойства зародышей яв- ляются необходимыми, но недостаточными для получения ста- бильного эффекта модифицирования. Необходимо, чтобы цент- ры кристаллизации выделялись в очень дисперсном виде (не более 1 мкм), образуя при этом устойчивую взвесь, не склон- ную к коагуляции и седиментационному расслоению во время длительной выдержки расплава в миксере и в процессе литья. Алюминиды титана и циркония выделяются в виде сравни- тельно крупных кристаллов иглообразной формы, размеры ко- торых сильно зависят от скорости охлаждения, перегрева, дли- тельности выдержки расплава. Более дисперсные и стабильные интерметаллиды образуются при совместном введении титана и бора. Бор образует тугоплавкие, нерастворимые в алюминие- вом расплаве соединения TiB2, AlB2, (Ti,Al)B2, которые имеют размер менее 1 мкм и компактны по форме. В период кристал- лизации на боридах выделяется слой алюминида титана, а на нем зарождаются кристаллы α-твердого раствора Al. Технология модифицирования. В промышленности для модифицирования сплавов в большинстве случаев применяют титан или титан совместно с бором, которые вводят чаще все- го в виде лигатуры AlTi5B (5 % Ti, 1 % B). Соотношение Ti : B = 5 : 1 является оптимальным. Количество вводимого модификатора зависит от состава сплава, качества модифици- рующей лигатуры, условий ее введения и режимов литья. В этой связи к лигатуре предъявляются определенные требования: в ней не должны встречаться крупные интерметаллиды, а их фазовый состав должен соответствовать заданному. Крупные интерметаллиды не растворяются в расплаве при его модифи- цировании и переходят в слиток, образуя затем соответствую- щие дефекты в полуфабрикатах. Ввиду сложности приготовления лигатуры с тонкими вы- делениями интерметаллидов, распространен метод введения титана и бора с помощью солей. Для этой цели применяют смеси солей типа модифицирующего препарата «Зернолит», 18 содержащего 55 % K2TiF6, 30 % КBF4 и 15 % C2Cl6. Титан и бор образуются при обработке расплава в результате протекания следующих реакций: 2 6 3 6 33K TiF 4Al 2K AlF 2AlF 3Ti;    4 3 6 33KBF 3Al K AlF 2AlF 3B.    Фтортитанат и фторборат калия целесообразно вводить в алю- миниевый расплав в смеси с хлоридами натрия и калия (35 % NaCl, 33 % KCl, 20 % K2TiF6, 10 % KBF4), что позволяет уве- личить степень усвоения модифицирующих элементов. Кроме того, модифицирующий флюс этого типа в процессе обработ- ки расплава находится в жидком состоянии и дополнительно оказывает рафинирующее действие. Обработка расплава соля- ми производится при температуре 720–750 ºС. Расход флюсов составляет 0,2–1,0 % массы расплава. Аналогичные действия оказывает и фторцирконат калия (K2ZrF6). Оборудование, инструмент и материалы Шахтная печь электросопротивления с автоматическим ре- гулированием температуры, потенциометр для измерения тем- пературы расплава, переносная хромель-алюмелевая термопара, графитовая изложница диаметром 50 мм, технические и ана- литические весы, прибор конструкции И. Ф. Большакова, поли- ровальная установка, слесарные инструменты, набор плавильно- заливочного инструмента, набор инструментов и материалов для изготовления и травления макро- и микрошлифов, рукави- цы, защитные очки, халат, силумин марки АК12ч или АК12пч, алюминий первичный А8 или А7, лигатуры: алюминий-медь, алюминий-марганец, магний первичный Мг90 или Мг96, воз- врат сплавов АК9ч или АК7ч, хлористые соединения NaCl, KCl, C2Cl6, фтористые соли K2TiF6, КBF4, K2ZrF6. 19 Порядок проведения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Рассчитать и взвесить шихту для получения сплава за- данного состава массой 5000 г. Загрузить шихту в горячий ти- гель, установить тигель в печь. 2. Рассчитать массу каждой порции одного из модифика- торов, приведенных в табл. 2.1. Состав и количество модифи- катора согласовать с преподавателем. Таблица 2.1 Модификаторы № п/п Состав, % Необходимое количество от массы металла, % 1 55K2TiF6, 30КBF4, 15K2ZrF6 0,1–0,5 2 35NaCl, 35KCl, 20K2TiF6, 10КBF4 0,5–2,0 3 100K2ZrF6 0,2–0,8 3. Подготовить литейные формы для отливки образцов диаметром 50 мм на исследование макроструктуры и линей- ной усадки. 4. Отлить образцы из немодифицированного сплава при тем- пературе 700–720 ºС, 800–820 ºС или 900–920 ºС по указанию преподавателя. 5. Провести модифицирование сплава. Для этого ввести в расплав модификатор в виде смеси солей при температуре 700–750 ºС и перемешать. После десяти минутной выдержки с поверхности расплава удалить шлак и при заданной тем- пературе отлить образцы для исследования макроструктуры и определения величины ε и температуры начала линейной усадки tнлу. 20 6. В остаток расплава ввести вторую порцию модификато- ра и повторить операции, перечисленные в пункте 5. 7. В остаток расплава ввести третью порцию модификатора и провести операции, перечисленные в пункте 5. 8. Определить величину и температуру начала линейной усадки. Промаркировать полученные образцы. 9. Изготовить микрошлифы. Травление микрошлифов про- водить в «царской водке» или растворе следующего состава, %: 20–30 CuCl2, 70–80 H2O, затем осветлить их концентрирован- ной азотной кислотой. Из исходного образца с максимальным содержанием модификатора изготовить микрошлифы. Травить шлифы раствором Келлера. 10. Исследовать структуру образцов. Размер макрозерна определить на шлифах методом случайных секущих визуаль- но и вычислить по формуле з , Ld N  где L – длина секущей; N – число зерен на секущей. 11. Зарисовать макро- и микроструктуры исходного и мо- дифицированного сплавов. Результаты наблюдений и их обработка Результаты измерения представить в виде табл. 2.2. Провести статистическую обработку результатов опреде- ления размера макрозерна пробы. Найти доверительный ин- тервал при вероятности 0,95. Построить графические зависимости dз, ε и tнлу от количе- ства модификатора. 21 Таблица 2.2 Результаты наблюдений Модификатор Количество, % dз, мм ε, % tнлу, ºС Содержание отчета 1. Краткое описание теории и технологии модифицирова- ния сплава 2. Таблицы. 3. Графики. 4. Рисунки микро-, макроструктуры до и после модифици- рования. 5. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какие цели преследует модифицирование? 2. В чем состоит механизм модифицирующего действия переходных металлов? 3. Как оценивают эффект модифицирования? 4. На какие свойства алюминиевого расплава влияет моди- фицирование? 5. Какие элементы применяют для модифицирования мак- розерна? 6. Какие соединения являются центрами кристаллизации алюминия? 7. В каком виде вводят модифицирующие элементы в рас- плав? 8. Какой состав имеет модифицирующий препарат «Зер- нолит»? 22 Лабораторная работа № 3 МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЭВТЕКТИКИ И ПЕРВИЧНОГО КРЕМНИЯ В СИЛУМИНАХ Цель работы Освоить технологию модифицирования силуминов. Опре- делить зависимость величины переохлаждения сплава от ско- рости охлаждения. Теоретическая часть Силумины – наиболее распространенные литейные алюми- ниевые сплавы, обладающие хорошим сочетанием технологи- ческих и эксплуатационных свойств. Однако при литье доэв- тектических силуминов в разовые формы или при получении толстостенных отливок литьем в кокиль из-за грубого выде- ления кремния в эвтектике невозможно обеспечить необходи- мый уровень механических свойств. В немодифицированном сплаве эвтектический кремний кристаллизуется в виде пла- стин, длина которых достигает 100 мкм. Такая форма кремния придает сплаву низкие пластические свойства, его разрушение идет по хрупкой фазе кремния при относительном удлинении 1–3 %. Поэтому доэвтектические силумины, содержащие бо- лее 6 % кремния, в целях измельчения выделений эвтектиче- ского кремния, подвергаются модифицированию. Модифицирование осуществляют введением в расплав по- верхностно-активных элементов (натрий, стронций, литий и др.), которые затрудняют рост пластин кремния. Пластинчатая фор- ма кристаллов кремния переходит в компактную, почти равно- осную, с длиной кристаллов кремния 2–5 мкм. Дисперсность кремния в эвтектике, которая характеризуется длиной крис- таллов кремния, расстоянием между кристаллами или ветвями 23 дендритов, зависит также и от скорости охлаждения (кристал- лизации) сплава. Зависимость дисперсной структуры эвтектики от переохла- ждения расплава при кристаллизации и содержания модифика- тора позволяют контролировать качество модифицирования расплава путем сопоставления кривых охлаждения, снятых до и после модифицирующей обработки. Например, при литье в песчаные формы хорошо модифицированная структура достига- ется при содержании в силумине 0,006–0,12 % Nа, чему соответ- ствует переохлаждение Δt = 6–10 ºС. При меньшем переохла- ждении структура сплава модифицирована недостаточно. В сплавах заэвтектического состава необходимо измельчать первичные кристаллы кремния. Модифицирование достигает- ся путем введения центров кристаллизации, например фосфи- да алюминия (AlP). В производственных условиях для модифицирования мик- роструктуры алюминиевых сплавов используют модификато- ры, приведенные в табл. 3.1. Таблица 3.1 Составы модификаторов и режимы модифицирования алюминиевых сплавов Но- мер смеси Состав, % Количество модифика- тора, % Расчетное коли- чество модифи- цирующего эле- мента, % Температура модифициро- вания, ºС 1 100 Na 0,05–0,1 0,05–0,1 Na 750–780 2 67 NaF, 33 NaCl 1,0–2,0 0,05–1,0 Na 780–810 3 62,5 NaCl, 25 NaF, 12,5 KCl 1,0–2,0 0,05–0,1 Na 730–750 4 50 NaCl, 30 NaF, 10 KCl, 10 Na3AlF6 0,5–1,0 0,05–,1 Na 720–750 24 Окончание табл. 3.1 Но- мер смеси Состав, % Количество модифика- тора, % Расчетное коли- чество модифи- цирующего эле- мента, % Температура модифициро- вания, ºС 5 35 NaCl, 40 KCl, 10 NaF, 15 Na3AlF6 1,0–1,5 0,05–0,1 Na 740–760 6 90 Al, 10 Sr (лигатура) 0,6–0,8 0,06–0,08 Sr 750–780 7 90 Cu, 10 P (лигатура) 0,5–2,0 0,05–0,1 P 790–820 8 20 P, 10 K2ZrF6, 70 KCl 1,5–2,0 0,05–0,1 P 790–825 9 8P, 58 K2ZrF6, 34 Al 0,3–0,4 0,05–0,1 P 790–825 Модифицирование двойным модификатором (см. табл. 3.1, смесь № 2), ведут при температуре 780–810 ºС, при использо- вании тройного модификатора (см. табл. 3.1, смесь № 3) обра- ботку расплава ведут при 730–750 ºС. Модификатор в коли- честве 1–2 % массы расплава ровным слоем засыпают на по- верхность последнего. При температуре модифицирования металл с двойным мо- дификатором выдерживают 12–15 минут, при использовании тройного модификатора 6–7 минут. При этом происходит вза- имодействие 3 66NaF Al Na AlF 3Na 200    кДж/моль. Выделяющийся натрий оказывает модифицирующее дей- ствие. 25 Для ускорения протекания реакции и насыщения сплава натрием флюс замешивают в расплаве на глубину 50–100 мм. После удаления шлака расплав в течение 20–30 минут разли- вают по формам. Целесообразно модифицировать силумины универсальным флюсом следующего состава, %: 50 NaCl, 30 NaF, 10 KCl, 10 Na3AlF6. Порошок сухого флюса в количестве 0,5–1 % мас- сы расплава засыпают под струю металла при переливе из пла- вильной печи в ковш. Струя энергично замешивает флюс в рас- плав. Процесс идет при температуре 720–750 ºС. Этот способ модифицирования приводит к измельчению кремния в эвтек- тике и очистке сплава от неметаллических включений. Хорошими модифицирующими свойствами относительно эвтектики обладает стронций. В отличие от натрия этот эле- мент значительно медленнее выгорает из алюминиевого рас- права и является модификатором длительного действия (более 5–6 часов). Кроме того, стронций не увеличивает в такой ме- ре, как натрий, окисляемость алюминиевых сплавов, их склон- ность к газонасыщению, объемную усадку. Стронций вводят в алюминиево-кремниевые сплавы в количестве 0,01–0,05 % в виде лигатуры Al-Sr. При литье в кокиль алюминиево-кремниевых сплавов, не со- держащих магний, в качестве модификатора рекомендуют при- менять сурьму. Это модификатор длительного действия, кото- рый вводят в количестве 0,1–0,3 % в виде чистого металла. Сурьма практически не выгорает из расплава. Качество модифицирования оценивают по излому и макро- структуре. Излом модифицированного сплава характеризуется мелким зерном светло-серого цвета. По микроструктуре эф- фективность модифицирования оценивается длиной частиц кремния в эвтектике: в немодифицированной структуре длина частиц достигает 10 мкм, в хорошо модифицированной эвтек- тике – 3–5 мкм. В последней частицы имеют форму, близкую к равноосной. 26 Заэвтектические силумины (18–25 % Si) в литом состоянии имеют грубую структуру – кремний выделяется в виде круп- ных кристаллов, затрудняющих обработку отливок резанием и снижающих литейные и механические свойства. Модифици- рование этих сплавов осуществляют фосфором в количестве 0,05–0,1 %. Для этой цели используют модификаторы № 7–9 (см. табл. 3.1). Модификатор № 9 представляет собой смесь K2ZrF6, красного фосфора и порошка алюминия. Модифици- рование заэвтектических силуминов ведут при температуре 780–820 ºС. После модифицирования расплав рафинируют хло- ристым марганцем и заливают в литейные формы. Оборудование, инструмент и материалы Шахтная печь электросопротивления с автоматическим ре- гулированием температуры, хромель-алюмелевая термопара с электродами диаметром 0,1–0,2 мм, установка «Термозонд», песчаная и чугунная формы диаметром 20 мм, микроскоп МИМ-7, технические и аналитические весы, набор слесарного инструмента, набор плавильно-заливочного инструмента, тигли графитошамотные, силумин марки АК12ч или АК12пч, лигату- ры Al – 10 % Sr; Cu – 10 % P, соли для изготовления модифици- рующих флюсов (NaCl, KCl, Na3AlF6, K2ZrF6), шлифовальная шкурка, защитные очки, халат, кристаллический кремний. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Навесить шихту в количестве 5000 г и загрузить ее в печь. 2. Рассчитать количество модификатора и подготовить его для введения в расплав. 3. Изготовить песчаную форму для отливки трех–четырех образцов. 4. Подготовить к работе установку «Термозонд», шесть смен- ных термопар с равными термоэлектрическими свойствами и 27 установить по одной термопаре в песчаную и металлическую формы (по центру образцов). 5. После достижения металлом температуры 700 ºС залить его поочередно в песчаную и металлические формы и снять кривые охлаждения с помощью установки «Термозонд». 6. Провести модифицирование расплава по указанию пре- подавателя, вновь залить образцы и снять термограммы, опре- делить переохлаждение 7. Надпилить и сломать образцы. Описать вид поверхности излома пробы. 8. Изготовить микрошлиф и протравить его 0,5 % раство- ром плавиковой кислоты. 9. На микроскопе, при увеличении 200, методом секущих определить длину кристаллов кремния и расстояние между частицами кремния в эвтектике. Замеры производить в центре образца в трех–четырех полях по трем–пяти секущим. Результаты наблюдений и их обработка Результаты измерений представить в виде табл. 3.2. Таблица 3.2 Результаты наблюдений Состояние расплава Форма Скорость охлажде- ния, ºС/с Пере- охлаж- дение, ºС Длина кристаллов кремния, мкм Расстояние между частицами кремния, мкм По кривой охлаждения в интервале 600–700 ºС определить скорость охлаждения. Зарисовать микроструктуры сплава до и после модифици- рования. 28 Определить зависимость величины переохлаждения сплава от скорости охлаждения. Построить графические зависимости переохлаждения и дисперсности структуры от количества мо- дификатора. Содержание отчета 1. Краткое описание теории и технологии модифицирова- ния силуминов. 2. Описание условий проведения экспериментов (составы сплавов, лигатуры, температурные режимы, расчеты шихты). 3. Таблицы и графические зависимости. 4. Рисунки микроструктур сплава до и после модифици- рования. 5. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какие цели преследует модифицирование? 2. В чем состоит механизм модифицирующего действия модификаторов? 3. С каким минимальным содержанием кремния доэвтекти- ческие силумины подвергаются модифицированию? 4. Какие модификаторы применяются для модифицирова- ния доэвтектических силуминов? 5. Какие модификаторы используются для модифицирова- ния заэвтектических силуминов? 6. Какие соли входят в состав двойного модификатора? 7. В каком виде вводят в расплав натрий, стронций, сурьму? 8. Какое количество двойного модификатора необходимо для модифицирования? 9. При каких температурах осуществляют модифицирова- ние на поверхности расплава? 10. Сколько времени выдерживают двойной модификатор на поверхности расплава? 11. Какие соли входят в состав тройного модификатора? 29 12. При каких температурах осуществляют модифицирова- ние тройным модификатором? 13. Сколько времени сохраняется эффект модифицирова- ния натрием, стронцием и сурьмой? 14. Как оценивают эффект модифицирования? 15. Какие свойства алюминиевого сплава улучшаются при модифицировании? Лабораторная работа № 4 РАФИНИРОВАНИЕ И УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ И МАГНИЙ-АЛЮМИНИЙ Цель работы Сравнить пределы прочности при растяжении и относи- тельное удлинение исходного и модифицированного сплавов. Определить влияние размера первичного зерна на прочност- ные характеристики сплавов. Теоретическая часть Сплавы системы алюминий-магний отличаются малой плот- ностью, высокими коррозийной стойкостью и прочностью, их используют для изготовления отливок, несущих большие виб- рационные нагрузки. Основными структурными составляю- щими сплавов этой группы являются αAl-твердый раствор маг- ния в алюминии и двойная эвтектика αAl+Al8Mg5. Прочность сплавов на основе системы алюминий-магний с увеличением концентрации магния до 13 % возрастает, но пластичность начинает снижаться при содержании более 11 % магния. Средней прочностью обладают сплавы АМг5К, АМг6лч, АМг7, содержащие 4,5–7 % магния (по массе), и применяемые без термической обработки. 30 Сплавы повышенной прочности (АМг10, АМг11) содержат 9,5–13 % магния (по массе) и применяются в закаленном со- стоянии. Для улучшения технологических свойств в большинство сплавов вводят до 0,15–0,2 % титана и циркония. Образующие- ся на их основе интерметаллиды TiAl3, ZrAl3 более тугоплав- кие, чем основа сплава, и являются модификаторами первого рода. Механические свойства сплавов повышаются на 20–30 %. Сплавы АМг10, АМг11 применяют только в закаленном со- стоянии. Термическая обработка производится по режиму Т4: нагрев до температуры 430 ºС, выдержка 12–20 часов, охлаж- дение в масле с температурой 45 ºС. При закалке фиксируется состояние пресыщенного твердого раствора, повышается проч- ность и пластичность до 20 %, увеличивается также коррози- онная стойкость. Особенностью сплава АМг10 является повы- шенная чувствительность к естественному старению. Поэтому литые детали из этого сплава можно применять до рабочих температур –60–80 ºС. Сплавы АМг5К, АМг11 и АМг7, содержащие 0,8–1,3 % кремния, имеют более высокие литейные свойства, так как кремний увеличивает количество эвтектики, в результате чего повышается жидкотекучесть и плотность отливок, снижается их склонность к образованию горячих трещин. Сплавы системы Al-Mg обладают повышенной склонностью к взаимодействию с газами и к образованию газовой и газоуса- дочной пористости, а при взаимодействии с азотом и парами во- ды образуются неметаллические включения и оксидные плены. Сплавы алюминия с магнием образуют оксидную плену пе- ременного состава. При малом содержании магния (до 0,0005 %) оксидная плена имеет структуру γ-Al2O3 и представляет собой твердый раствор MgO в γ-Al2O3; при содержании магния 0,01– 1 % оксидная плена состоит из шпинели (MgO·Al2O3) пере- менного состава и оксида магния; при содержании свыше 1 % Mg плена практически полностью состоит из оксида магния. 31 Бериллий и лантан (до 0,01 %) снижают скорость окисления этих сплавов до уровня скорости окисления алюминия. Защит- ное действие их обусловлено уплотнением оксидной плены сплавов за счет заполнения образующихся в ней пор. Продувка расплава газами с целью его рафинирования сопровождается потерями магния. При обработке азотом теряется 0,01 % маг- ния. Дегазация хлором увеличивает эти потери до 0,2 %. При плавке алюминиевых сплавов, содержащих более 1 % Mg, необходимо использовать защитные флюсы на основе кар- наллита (MgCl2·KCl) и смесь карналлита с 10–15 % фтористого кальция или фтористого магния. Если применять флюс нельзя, то защиту расплава от окисления осуществляют введением в сплав бериллия (0,001–0,005 %). Технология плавки сплавов системы Al-Mg с содержанием более 10 % Mg сравнима с тех- нологией плавки сплавов системы магний-алюминий. Оборудование, инструмент и материалы Тигельная печь сопротивления с автоматическим регулиро- ванием температуры для плавки сплавов, гальванометр, термо- пары, металлографический микроскоп, сухие песчаные формы, набор плавильно-заливочного инструмента, алюминий марки А7, А8, магний чушковый Мг96, сплав АК12ч, лигатуры алю- миний-титан, алюминий-цирконий, фторцирконат калия, фтор- титанат калия, карналлит, фторид магния, фторид кальция, набор инструментов и материалов для изготовления шлифов, защитные очки, халат. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Рассчитать шихту для приготовления 3 кг одного из спла- вов системы алюминий-магний. Марку сплава, виды и количе- ство используемых в шихте отходов указывает преподаватель. Подготовить шихтовые материалы согласно расчету. 32 2. Взвесить флюс (80 % MgCl2·KCl + 20 % CaF2) из расчета 2 % от массы шихты. Применение влажного флюса не допус- кается. 3. Загрузить шихту, кроме магния, в прокаленный тигель и присыпать ее половиной навески флюса. 4. Расплавить содержимое тигля при температуре 680 ºС и ввести навеску магния при помощи колокольчика. Загрузить остаток флюса и нагреть расплав до 720 ºС. 5. При температуре расплава 720 ºС пробить корочку флю- са на поверхности расплава и залить пробу в песчаную форму. Одновременно залить партию разрывных образцов в подогре- тый до 200 ºС кокиль. 6. Остаток расплава промодифицировать 0,15 % титана из лигатуры и после 10-минутной выдержки снять пробу в сухую песчаную форму и партию разрывных образцов в кокиль. 7. Разрывные образцы отделить от литниковой системы и промаркировать. 8. Определить предел прочности при растяжении и относи- тельное удлинение модифицированного и исходного сплавов. 9. Из остатков разрывных образцов и проб сделать шлифы для металлографического анализа. Результаты наблюдений и их обработка Рассчитать предел прочности при растяжении и относи- тельное удлинение исходного и модифицированного сплавов. Определить размеры зерна проб для модифицированного и исходного сплавов при литье в кокиль и сухую песчаную форму. Содержание отчета 1. Общие сведения о технологии рафинирования и упроч- нения сплавов системы алюминий-магний. 2. Расчет шихты на 3 кг заданного состава. 3. Условия проведения плавки и модифицирования. 33 4. Данные по механическим свойствам и размеру зерна ис- следованных сплавов. 5. Выводы. Контрольные вопросы 1. Как влияет содержание магния на механические свой- ства сплавов системы алюминий-магний? 2. Какие существуют способы упрочнения сплавов систе- мы алюминий-магний? 3. Какие сплавы системы алюминий-магний имеют лучшие технические свойства? 4. Как обеспечивается защита от окисления при бесфлюсо- вой плавке алюминий-магниевых сплавов? 5. Назовите составы защитных флюсов для алюминий-маг- ниевых сплавов. 6. Как влияет продувка хлором и азотом на содержание магния в сплавах системы алюминий-магний? Лабораторная работа № 5 ВЛИЯНИЕ ИНТЕРВАЛА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПЛОТНОСТЬ ОТЛИВОК ИЗ МЕДНЫХ СПЛАВОВ Цель работы Определить влияние параметров кристаллизации на харак- тер усадочных явлений в медных сплавах. Теоретическая часть Согласно общим представлениям образование усадочной пористости в отливках связано с наличием области твердо- жидкого состояния при затвердевании. Затвердевание сплавов типа твердых растворов начинается от стенок формы в глубь 34 отливки, т. е. продвижением границы начала кристаллизации, соответствующей изотерме ликвидуса. Вслед за этой границей движется граница затвердевания, соответствующая изотерме солидуса. Расстояние между границами начала и конца за- твердевания зависит от температурного интервала затвердева- ния и скорости охлаждения. Чем шире температурный интер- вал затвердевания расплава и меньше скорость охлаждения, тем шире область твердожидкого состояния в отливке и тем больше зона рассеянной пористости. По величине интервала кристаллизации медные сплавы условно делят на три группы. Первую группу составляют сплавы с узким (15–30 ºС) интервалом кристаллизации. В нее входят латуни с содержанием цинка около 40 %, высокопроч- ные латуни, алюминиевые бронзы. Эти сплавы при недоста- точном питании отливки образуют глубокие сосредоточенные усадочные раковины. Во вторую группу входят оловянные и кремнистые бронзы с широким интервалом кристаллизации (70–200 ºС). Отливки из этих сплавов склонны к рассеянной усадочной пористости. К третьей группе относят сплавы со средним интервалом кристаллизации (30–70 ºС). Это латуни с содержанием цинка от 20 до 30 %, кремниевые латуни, мельхиоры, никелевые бронзы. Оборудование, инструмент и материалы Тигельная печь (индукционная или сопротивления с авто- матическим регулированием температуры) для плавки сплавов, гальванометр, термопары, металлографический микроскоп, гра- фитошамотный тигель вместимостью 3–5 кг, графитовая из- ложница для отбора проб, набор плавильно-заливочного инст- румента, графитовый стержень для перемешивания расплава, электролитическая медь марок М0, М1, М2, М3, олово, цинк, кремний, никель, железо, марганец, алюминий, лигатуры (медь- фосфор, медь-литий), защитные покровы (древесный уголь, порошок графита, флюсы из 50 % Na2CO3 и 50 % CaF2 или из 35 25 % Na3AlF6, 10 % NaCl, 35 % KCl и 30 % Na2B4O7), модель- ная оснастка, аналитические и технические весы, формовоч- ный инструмент, набор инструментов и материалов для изго- товления микрошлифов, установка для полирования шлифов, защитные очки, спецодежда. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Рассчитать шихту для приготовления 0,5 кг медных спла- вов с узким и широким интервалами кристаллизации. Марку сплава, виды и количество используемых в шихте отходов указывает преподаватель. 2. В нагретый тигель, установленный в плавильной печи, загрузить рассчитанное количество меди, засыпать ее древес- ным углем и расплавить. 3. Подготовить литейные формы для отливки образцов диа- метром 60 мм на исследование усадочной пористости. 4. После нагрева меди до 1160–1200 ºС ввести раскисли- тель (фосфор) в количестве 0,01–0,05 %, затем последователь- но ввести в тигель предварительно подогретые легирующие элементы или лигатуры. Произвести рафинирование расплава хлористым марганцем в количестве 0,15 %. 5. Перемешать расплав нагретым графитовым стержнем, снять шлак и залить сплав в предварительно подогретую пес- чаную форму и подогретую до 50 ºС металлическую излож- ницу. Полученные образцы промаркировать. 6. Произвести плавку и разливку второго сплава согласно пунктам 2–5. 7. Определить объем усадочных раковин в отливках, за- полняя их водой из бюретки. 8. Разрезать полученные образцы по вертикальной плоскос- ти, зачистить поверхность реза, протравить ее в азотной кислоте. 9. Очертить на шлифах участки, пораженные усадочной пористостью. Определить их объем. 36 10. Отметить на каждом шлифе на расстоянии 10, 30, 50 мм от дна по три участка площадью 3 см2, начиная от оси слитка. С помощью бинокулярной лупы подсчитать на каждом участ- ке число пор. Результаты наблюдений и их обработка Результаты определения объемов усадочных раковин и по- ристых зон, а также результаты подсчета числа пор внести в табл. 5.1. Таблица 5.1 Результаты расчетов Сплав Литейная форма Объем, см3 Число пор на участке, расположенном от дна отливки на расстоянии, мм усадочной раковины пористой части отливки 10 30 50 Содержание отчета 1. Расчет шихты заданного состава сплава. 2. Краткое описание технологии плавки и заливки образцов. 3. Методика определения пористости образцов. 4. Результаты подсчета пористости и эскизы образцов с рас- положением пористости. 5. Эскизы разрезанных отливок с указанием расположения усадочной раковины и зоны видимой пористости. 6. Выводы. 37 Контрольные вопросы 1. На какие группы по химическому составу подразделяют медные сплавы? 2. Какими характерными эксплуатационными свойствами обладают медные сплавы? 3. Какие бронзы используют как заменители оловянных бронз? 4. Какие футеровки используют для плавки медных сплавов? 5. В каком виде фосфор вводят в расплав? 6. В какой последовательности в медный расплав вводят легирующие элементы? 7. Какие медные сплавы имеют узкий интервал кристалли- зации, а какие – широкий? Лабораторная работа № 6 РАСКИСЛЕНИЕ МЕДИ Цель работы Освоить практику определения содержания кислорода в меди и технологию ее раскисления. Теоретическая часть Сплавы на основе меди имеют высокие механические и ан- тифрикционные свойства, хорошо противостоят коррозии в мор- ской воде, водяном паре и других средах, сохраняют высокую пластичность при низких температурах. Медные сплавы не- магнитны, легко полируются и обрабатываются резанием. При плавке на воздухе медные сплавы окисляются и насы- щаются водородом. Окисляются в первую очередь компонен- ты, имеющие более высокий, чем медь, изобарный потенциал образования оксида. По этой причине легирующие элементы 38 медных сплавов (алюминий, бериллий, олово, цинк и др.) рас- кисляют медь, образуя твердые, жидкие и газообразные окси- ды. Твердые оксиды медленно всплывают в расплавах и могут попасть в отливки. Для защиты от окисления плавку медных сплавов ведут под покровом древесного угля или флюсов на основе фторидов, стекла или соды (2–3 % массы расплава). Чтобы предупредить образование твердых нерастворимых оксидов, медь перед вве- дением легирующих элементов раскисляют 0,01–0,15 % фос- фора. Легирующие компоненты вводят в расплав только после раскисления меди. Во избежание сильного окисления и насыщения водородом не рекомендуется сильно нагревать расплавы. Особенно это касается алюминиевых бронз и кремнистых латуней, так как образующиеся оксиды алюминия и кремния трудно удаляются из расплавов и, попадая в отливки, снижают их свойства. Пе- регрев алюминиевых бронз может быть обусловлен выделе- нием теплоты смешения при введении алюминия в расплав. Поэтому рекомендуется вводить алюминий небольшими пор- циями одновременно с медью. Для очистки расплавов от растворенного водорода и твер- дых неметаллических включений их подвергают продувке га- зами, вакуумированию, обработке флюсами или фильтрова- нию. Наиболее глубокую очистку расплавов от неметалличе- ских твердых включений дает фильтрование через зернистые фильтры из фторидов кальция и магния. Фильтры перед ис- пользованием подогревают до 800 ºС. Чистая медь применяется в технике в основном в виде де- формированных полуфабрикатов: проволоки, труб, прутков, листов и др. Отливки из меди применяют в котлостроении, при изготовлении электроаппаратуры и сварочных машин, в химической промышленности. Изготовление фасонных от- ливок, ввиду низких литейных свойств меди, сопряжено с ря- дом трудностей. 39 В зависимости от требований, предъявляемых к свойствам изделий, применяют катодную медь марок М0, М1, М2, М3. При нагреве на воздухе медь окисляется. Образующийся оксид Cu2O растворяется в жидкой меди. Растворимость кис- лорода в твердой меди при 100 ºС составляет 0,005 %. При большем содержании кислорода по границам зерен меди вы- деляется эвтектика, существенно снижающая пластические свойства меди и делающая ее предрасположенной к водород- ной болезни – образованию трещин в изделиях, работающих в атмосфере водяного пара. Содержание кислорода в расплаве определяет выбор футеровки плавильных агрегатов. Медь с по- вышенным содержанием кислорода нельзя плавить в печах с кислой футеровкой, так как последняя оплавляется в резуль- тате образования легкоплавкого силиката: 2 2 2 2Cu O SiO Cu O SiO .m n m n   На практике используют футеровку из магнезита. Расплав- ленная медь интенсивно растворяет водород. Между содержа- нием кислорода и водорода устанавливается динамическое рав- новесие, описываемое гиперболической зависимостью (кривая Аллена). Взаимодействие с газами интенсифицируется при повышении температуры перегрева расплава. Для предохранения от взаимодействия с газами печной ат- мосферы плавку меди ведут с применением защитного покрова из древесного угля. Необходимым условием применения дре- весного угля является его тщательная сушка в целях удаления адсорбированной влаги. Лучшие результаты обеспечивает плав- ка в вакуумных печах или печах с защитной атмосферой. При плавке на воздухе в медных расплавах всегда обнару- живается некоторое количество кислорода. Содержание кис- лорода определяют измерением его активности или метал- лографическим путем по площади, занимаемой эвтектикой Cu + Cu2O. Удаление кислорода из нераскисленной меди осу- 40 ществляют вакуумной переплавкой, раскислением или фильт- рованием расплава через слой раскаленного древесного угля. Для получения бескислородной меди (менее 0,001 % кислоро- да) используют плавку в вакууме. Раскислением называют процесс удаления кислорода из расплава путем введения в него активных элементов, образу- ющих нерастворимые в расплаве оксиды. Раскислитель дол- жен обладать большим по сравнению с расплавленной медью сродством к кислороду. По характеру действия раскислители делят на две группы: поверхностные нерастворимые и объем- ные растворимые в расплаве. При использовании поверхност- ных раскислителей (карбид кальция CaC2, борид магния Mg3B2, углерод С, борный шлак B2O3·MgO) реакция с кислородом протекает только по поверхности раздела раскислителя с рас- плавом, что обуславливает малую скорость раскисления. Для ускорения этого процесса раскислители замешивают в расплав. Достоинством данной группы раскислителей является то, что с их участием процесс раскисления проходит по диффузион- ному механизму. Расход поверхностных раскислителей со- ставляет 1–3 % от массы расплава. Растворимые раскислители взаимодействуют с кислородом по всему объему расплава. Существенным недостатком их яв- ляется неблагоприятное воздействие на эксплуатационные свойства меди (электрическую проводимость). По физическому состоянию продуктов раскисления раство- римые раскислители делят на три группы:  дающие газообразные продукты (углеводороды, оксид углерода);  образующие парообразные или жидкие продукты (фос- фор, литий);  дающие твердые продукты (кальций, магний, алюминий, кремний). Поскольку газообразные и жидкие оксиды удаляются из расплава легче, чем твердые, при раскислении предпочтение 41 отдают раскислителям первой и второй групп. Растворимые раскислители вводят в медь в количестве 0,1–0,15 % от массы расплава. Реакции раскисления меди раскислителями первых двух групп упрощенно можно представить в следующем виде: 1) углеродом:      2Cu O C 2 Cu CO ;   2) углеводородами:        2 4 23 Cu O CH 6 Cu CO 2 H O ;    3) литием:        2 2Cu O 2 Li 2 Cu Li O ;   4) фосфором:        2 2 55 Cu O 2 P 10 Cu P O ;   5)      2 2 5 3Cu O P O 2 CuPO .  Ход процесса раскисления контролируют по показаниям активометра, установленного в печи, либо по технологиче- ским пробам на излом и усадку. Хорошо раскисленный ме- талл характеризуется светлым мелкозернистым изломом без вспучиваний и концентрированной раковины. Оборудование, инструмент и материалы Тигельная печь с силитовыми нагревателями, графитоша- мотный тигель, хромель-алюмелевая термопара, гальванометр, технические весы, металлографический микроскоп, слесарные тиски, установка для полирования шлифов, набор инструмен- тов и материалов для изготовления микрошлифов, шлифо- вальная бумага, шихтовые материалы, раскислители, защит- ные очки, спецодежда. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Навеску исходной меди (0,5–1 кг) расплавить под слоем древесного угля. Перегреть расплав на 100 ºС выше темпера- туры плавления меди и выдержать в течение 10 мин. 42 2. Отлить пробу на излом и усадку. Путем вакуумного вса- сывания отлить образцы для определения электросопротивле- ния металла. Разлить в два тигля, загрузить древесный уголь и поместить в печь. 3. Разрезать образец и изготовить микрошлиф. По нему определить содержание кислорода. Для этого микрошлиф про- сматривают при увеличении 200 и сравнивают микроструктуру с эталонами. При определении содержания кислорода необ- ходимо строго различать включения оксида меди, имеющие голубовато-серый цвет, от темных неметаллических включе- ний и пор, которые не должны приниматься в расчет. В поля- ризованном свете включения оксида меди имеют рубиново- красный цвет. При концентрации кислорода меньше эвтекти- ческой (менее 0,39 %) на металлографическом шлифе опреде- ляют площадь, занимаемую эвтектикой (Fэ) и площадь шлифа (Fш). Затем рассчитывают содержание кислорода в меди, %:   э ш O 0,39 .F F  Определение кислорода производится в пяти-десяти полях зрения и вычисляется среднее значение. 4. Рассчитать количество раскислителей, необходимое для связывания кислорода, содержащегося в меди. 5. Раскислить двумя раскислителями медь, разлитую в тиг- ли. Залить пробы на излом и усадку, отлить образцы для опре- деления электросопротивления. 6. Определить содержание кислорода по излому и микро- шлифам. Сделать снимки микроструктур исходной и раскис- ленной меди. Произвести замеры электросопротивления об- разцов меди. Оценить полноту раскисления меди различными раскислителями. 43 Результаты наблюдений и их обработка Результаты определения содержания кислорода в меди и за- меров электросопротивления представить в виде таблицы. Оценить качество раскисления меди различными раскисли- телями и сравнить полученные результаты с замерами элект- росопротивления. Содержание отчета 1. Описание технологии плавки и рафинирования меди. 2. Описание методики плавки и определения содержания кислорода в меди по микроструктуре и излому. 3. Расчет необходимого количества раскислителей. 4. Описание изломов образцов и полученных микрострук- тур, результатов измерения электросопротивления. 5. Фотографии микроструктур. 6. Выводы. Контрольные вопросы 1. С какой целью проводят раскисление меди? 2. В чем состоит сущность раскисления? 3. Какими раскислителями раскисляют медь, используемую для электротехнических целей? 4. В каком виде вводят раскислители в расплав? 5. Как защищают медь от взаимодействия с газами во вре- мя плавки? 6. Какие продукты получают при раскислении фосфором, литием, магнием, углеродом и углеводородами? 7. Какие продукты раскисления наиболее предпочтительны? 8. Какие методы используют для определения содержания кислорода в меди? 9. Как изменяется содержание кислорода в меди с увеличе- нием содержания водорода? 44 Лабораторная работа № 7 МОДИФИЦИРОВАНИЕ МЕДНЫХ СПЛАВОВ Цель работы Исследовать влияние процесса модифицирования на макро- и микроструктуру медных сплавов. Теоретическая часть Особенностью многих медных сплавов является их склон- ность к образованию столбчатой структуры. При определенных условиях литья и охлаждения столбчатые кристаллы могут про- низывать всю толщину слитка или отливки. Столбчатая струк- тура слитков во многих случаях служит причиной их разруше- ния при последующей обработке давлением. Фасонные отливки с такой структурой имеют низкие механические свойства. Улучшения механических свойств медных сплавов дости- гают измельчением первичного зерна отливки и изменением размеров кристаллизующихся фаз. Для этого в расплав вводят добавки (0,02–0,1 %) тугоплавких элементов (титан, бор, мо- либден, ванадий, вольфрам, цирконий), образующих с компо- нентами сплава тугоплавкие интерметаллиды, являющиеся до- полнительными центрами кристаллизации при формировании первичной структуры отливок. Следует заметить, что модифи- цирующее действие присадок тугоплавких элементов во мно- гом определяется присутствием в сплаве железа. В сплавах, не содержащих железа, модифицирующие действия титана, бора и вольфрама проявляются слабо. Для получения мелкозернистой структуры отливок в сплавы, не содержащие железо и алюминий (оловянные бронзы, свин- цовые бронзы, латуни), вводятся тугоплавкие элементы (титан, цирконий, молибден, ванадий) в количестве 0,05 % вместе с 0,02 % бора. В алюминиевых бронзах, содержащих железо 45 и марганец, резкое измельчение зерна наблюдается при введе- нии сотых долей процента указанных элементов. При этом полностью устраняется зона столбчатых кристаллов в отлив- ках. Совместное введение модификаторов в алюминиевые бронзы способствует более сильному измельчению первично- го зерна отливок. Введение тугоплавких модификаторов из- меняет и микроструктуру сплавов. Тугоплавкие модификаторы вводят в расплав в виде лигатур: алюминий-ванадий (до 50 % ванадия), медь-бор (3–5 % бора), алюминий-титан (5 % титана), медь-титан (30 % титана) и дру- гих при температуре 1200–1250 ºС. Перегрев модифицированно- го металла перед заливкой сопровождается огрубением зерна. Оборудование, инструмент и материалы Тигельная печь (индукционная или сопротивления с авто- матическим регулированием температуры) для плавки меди, гальванометр, термопары, металлографический микроскоп, гра- фитошамотный тигель вместимостью 1–3 кг, графитовая из- ложница для отбора проб, набор инструментов для плавки и заливки металла, графитовый стержень для перемешивания расплава, электролитическая медь марок М0, М1, М2, М3, алю- миний, лигатуры (медь-фосфор, медь-бор, медь-титан), защит- ные покровы (древесный уголь, порошок графита), набор инст- рументов и материалов для изготовления микрошлифов, уста- новка для полирования шлифов, защитные очки, спецодежда. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Рассчитать шихту для приготовления 0,5 кг одного из медных сплавов, указанных преподавателем. 2. В графитошамотный тигель, установленный в плавильной печи, загрузить рассчитанное количество меди, засыпать про- каленным древесным углем и расплавить. 46 3. После расплавления меди и перегрева ее до 1200 ºС вве- сти в расплав 0,05 % фосфора, используя для этого лигатуру медь-фосфор (10 %), затем загрузить в печь легирующие эле- менты, тщательно перемешивая жидкий металл. 4. Отлить образцы из немодифицированного сплава. 5. Осуществить модифицирование сплава тугоплавкими эле- ментами в количествах, указанных преподавателем. 6. Отметить образцы из модифицированных сплавов. 7. Из немодифицированного и модифицированного сплавов изготовить макро- и микрошлифы. Травление макрошлифов проводить 85 %-м раствором азотной кислоты, а микрошли- фов – раствором, содержащим 3 % FeCl3 и 10 % HCl. 8. Исследовать структуру образцов. Размер макрозерна опре- делять на шлифах методом случайных секущих визуально. Число секущих должно быть не менее 5, длина линии 20–40 мм. Степень модифицирования микрозерна оценить аналогично под микроскопом при увеличении 200. Сделать рисунки мик- роструктур. Результаты наблюдений и их обработка Результаты измерения размеров микро- и макрозерен ис- следованных образцов занести в табл. 7.1. Таблица 7.1 Результаты наблюдений Сплав Состояние сплава Модификатор Средний размер, мкм вид количе-ство макро- зерна микро- зерна Немодифицированный Модифицированный 47 Содержание отчета 1. Расчет шихты заданного состава сплава. 2. Описание технологии плавки и модифицирования сплава. 3. Методика подготовки образцов и исследования величи- ны зерна. 4. Результаты модифицирования. 5. Выводы. Контрольные вопросы 1. В чем заключаются особенности плавки медных сплавов? 2. С какой целью проводят раскисление меди перед введе- нием легирующих компонентов? 3. В каком количестве вводят в расплав покровно-рафини- рующие флюсы? 4. Какие цели преследуют при модифицировании? 5. В чем состоит механизм модифицирования медных сплавов? 6. Почему в присутствии железа и марганца в большей степени проявляется эффект модифицирования при введении титана и бора? 7. В каком виде вводят в расплав титан, бор, ванадий? 8. Как оценивается эффект модифицирования? 48 Лабораторная работа № 8 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕЦИКЛИНГА ЦИНКА И ЕГО СПЛАВОВ Цель работы Изучить технологию плавки цинка и его сплавов из вторич- ных шихтовых материалов. Теоретическая часть Под рециклингом понимают повторное использование ших- товых материалов в виде лома и различных отходов, как про- мышленных, так и бытовых. Согласно ГОСТ 1639–93 наиболее распространенными видами лома цинкового сплава ЦА4М1 являются детали транспортных машин, сверлильных и токар- ных станков, кухонного оборудования, декоративные детали. Вредными примесями в цинковых сплавах являются олово и свинец. Образуя с цинком легкоплавкие эвтектики, эти эле- менты придают цинку красноломкость, делая невозможной обработку давлением при повышенных температурах. Отрицательное влияние на свойства цинковых сплавов ока- зывает также железо. Последнее плохо растворяется в твердом сплаве и при концентрациях, превышающих тысячные доли процента, образует интерметаллиды FeZn7 и FeAl3, твердость которых значительно превышает твердость матрицы сплавов, что затрудняет прокатку цинка и его сплавов. Цинк и его сплавы легко окисляются. Образующийся оксид цинка ZnO нелетуч. Высокая химическая активность компо- нентов сплава обуславливает образование на поверхности рас- плава пленки шпинели ZnAl2Ox. Обогащению расплавов окси- дными пленками в большей мере способствует использование в шихте литников, стружки, сплесов. Наряду со шпинелью в цинковых сплавах обнаруживают включения кремнезема 49 (SiО2), а иногда и глинозема (Al2O3), источниками которых являются загрязненные шихтовые материалы. Для снижения интенсивности окисления плавку цинка и его сплавов ведут под покровом древесного угля. Обогащение оксидными вклю- чениями происходит также в результате взаимодействия рас- плавов с футеровкой печи. Для повышения свойств отливок цинковые расплавы под- вергают очистке от металлических и неметаллических при- месей. Рафинирование цинка и его сплавов приобретает осо- бое значение при их рециклинге. Для этого используют отста- ивание, обработку хлоридами, продувку инертными газами, фильтрование. Очистка расплавов отстаиванием связана с седиментацион- ной устойчивостью взвешенных в них включений. Она опре- деляется разностью плотностей расплава и включений, вязко- стью расплава, размерами включений. Влияние этих факторов на скорость седиментации взвешенных частиц определяется соотношением Стокса. Возможности метода очистки расплава отстаиванием огра- ничены, поэтому как самостоятельный процесс он использу- ется в случаях, когда разность в плотностях достаточно высо- ка, а размер включений не слишком мал. Преимущественно процесс реализуется при рафинировании чернового цинка от свинца, олова и железа на цинковых заводах. Рафинирование цинковых расплавов осуществляется вве- дением в расплав с помощью колокольчика при 450–470 ºС 0,1–0,2 % хлористого аммония или 0,3–0,4 % гексахлорэтана и перемешиванием жидкого металла до прекращения выделе- ния продуктов реакции. Наиболее эффективным способом рафинирования металли- ческих расплавов от твердых включений является фильтрова- ние через зернистые фильтры. Известно также, что очистка расплава в значительной степени определяется адгезией дис- персных частиц к поверхности зерен фильтра. 50 Работа адгезии включений к фильтру численно равна термо- динамически обусловленной убыли удельной свободной энер- гии в системе расплав-включение-фильтр при переходе включе- ния из расплава на поверхность зерен фильтра. Применительно к этой системе, в которой включения представляют микроско- пические, несжимаемые и практически нерастворимые в распла- ве тела, в изобарно-изотермических условиях величины работы адгезии могут быть определены по уравнению Дюпре:   1 2 1 2 ,a S L S L S SW L     мДж/м2, где 1S L – межфазная энергия на границе фильтр-расплав; 2S L – межфазная энергия на границе включение-расплав; 1 2S S – межфазная энергия на границе фильтр-включение. Уравнение Дюпре в общем виде неприменимо для практи- ческих расчетов, поскольку в настоящее время межфазная энергия большинства твердых тел неизвестна. Решение этого уравнения совместно с аналогичным уравнением для адгези- онного взаимодействия конденсированных тел в газообразной среде, а также с уравнением Дюпре-Юнга позволяет исклю- чить из расчета межфазную энергию твердых тел:     1 2cos cos ,LV LVa L a VW W     мДж/м2, где  a LW – работа адгезии включения к фильтру в газообраз- ной среде;  a VW – работа адгезии расплава к включению в газообраз- ной среде; LV – поверхностное натяжение расплава; 1 – краевые углы смачивания материала фильтра рас- плавом; 2 – краевые углы смачивания включения расплавом. 51 Это уравнение позволяет определить работу адгезии вклю- чения к фильтру по экспериментальным данным по смачивае- мости фильтра и включения металлом, поскольку адгезия твер- дых фаз в газообразной среде ввиду их плохого контакта весьма мала и составляет не более 1 % от полной работы адгезии этих фаз в среде расплавленного металла. Материал фильтрующего элемента может быть выбран из ре- зультатов теоретического расчета работы адгезии. Расчеты вы- полнены на кафедре «Металлургия литейных сплавов» в сравне- нии с данными других авторов, которые приведены в табл. 8.1. Таблица 8.1 Расчетные величины работы адгезии к различным материалам фильтра Материал фильтра Работа адгезии включе- ний к фильтру   ,a LW мДж/м2 Краевые углы сма- чивания расплавом ЦA4М1 материала фильтров, град ZnAl2O4 FeAl3 ZnO 1157 –78 131º5´ Al2O3 229 –5,7 138 MgO 1179 –5,8 133 SiO2 1265 –30,6 143 3Al2O3·SiO2 1291 51 146º60´ ZnAlO4 1282 37 145 CaO 1201 –33 135 KF 1307 72,2 148º5´ CaF2 1183 –51,3 134 NaF 1308 73,7 KCl 1323 88,4 151 CaCl2 1340 105,8 165º30´ NaCl 1358 103,8 160º30´ MgF2 1341 107,1 156º30´ 52 Из таблицы следует, что в качестве фильтрующего матери- ала желательно использовать хлористый натрий (NaCl). Теоретический анализ, включающий данные по вредным при- месям в цинковых сплавах и существующих их методах рафи- нирования, позволил разработать технологический процесс вы- плавки сортовых цинковых сплавов из лома и отходов произ- водства. Он должен включать разделку лома для удаления железа и других материалов, плавку в графитовом или графи- тошамотном тигле под слоем древесного угля, выстаивание жидкого металла, рафинирование хлористым аммонием и раз- ливку в изложницу через слой хлористого натрия, обеспечива- ющего соответствующую экономику и экологичность процесса. Оборудование, инструмент и материалы Шахтная печь электросопротивления с автоматическим ре- гулированием температуры, графитошамотные тигли, установка для фильтрования, технические и аналитические весы с разно- весами, набор плавильно-заливочного инструмента, набор ин- струментов и материалов для изготовления и травления шли- фов, лом цинковых сплавов, магний первичный Мг90 или Мг96, лигатура алюминий-медь, хлористые соединения NaCl, NH4Cl, древесный уголь, защитные очки, спецодежда. Порядок выполнения работы Работа рассчитана на 4 часа. 1. Определить засоренность цинкового лома и удалить сталь- ные детали и другие загрязнения. 2. Взвесить шихту в количестве 5–10 кг. 3. Загрузить шихту в нагретый до температуры 500–550 ºС графитошамотный тигель и присыпать древесным углем. 4. После расплавления металла взять пробу для определе- ния химического состава сплава и, при необходимости, откор- ректировать его на марку ЦА4М1. 53 5. Залить пробу для металлографического анализа. 6. Снизить температуру расплава до 420–450 ºС и произвести рафинирование хлористым аммонием в количестве 0,1–0,15 % от массы металла с помощью колокольчика, опущенного на дно тигля, и тщательно перемешать. 7. Удалить шумовкой шлак, выдержать 10–15 мин и отлить пробу для анализа 8. Залить в изложницу металл и отлить пробу для анализа. 9. Из отлитых проб сделать шлифы для металлографиче- ского анализа. Результаты наблюдений и их обработка Определить количество твердых включений до и после опе- раций рафинирования. Определить вид включений в светлом и темном поле. Содержание отчета 1. Общие сведения о технологиях рафинирования цинко- вых сплавов. 2. Технология дометаллургической подготовки и плавки цинкового лома. 3. Данные по рафинированию выплавляемых сплавов. 4. Выводы. Контрольные вопросы 1. Какое значение имеет рециклинг цинка и его сплавов? 2. В чем заключается дометаллургическая подготовка лома? 3. Какие существуют способы рафинирования цинковых сплавов? 4. Как осуществляется защита цинкового расплава от окис- ления? 54 ЛИТЕРАТУРА 1. Производство отливок из сплавов цветных металлов / А. В. Курдюмов [и др.]. – Москва: МИСиС, 1996. – 504 с. 2. Лабораторные работы по технологии литейного произ- водства / А. В. Курдюмов [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1990. – 272 с. 3. Цветное литье : справочник / Н. М. Галдин [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1989. – 528 с. 4. Чурсин, В. М. Плавка медных сплавов / В. М. Чурсин. – Москва: Металлургия, 1982. – 152 с. 5. Золоторевский, В. С. Металловедение литейных алюми- ниевых сплавов / В. С. Золоторевский, Н. А. Белов. – Москва: МИСИС, 2005. – 376 с. 6. Немененок, Б. М. Теория и практика комплексного мо- дифицирования силуминов / Б. М. Немененок. – Минск: Техно- принт, 1999. – 270 с. 7. Повышение экологической безопасности процессов плав- ки и рафинирования алюминиевых сплавов / С. П. Задруцкий [и др.]. – Минск: БНТУ, 2012. – 231 с. 8. Кечин, В. А. Цинковые сплавы / В. А. Кечин, Е. Я. Люб- линский. – Москва: Металлургия, 1986. – 247 с. 55 Учебное издание ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ Лабораторный практикум для студентов специализации 1-42 01 01-01 01 «Литейное производство черных и цветных металлов» Составители: ЗАДРУЦКИЙ Сергей Петрович НЕМЕНЁНОК Болеслав Мечеславович Редактор Ю. В. Ходочинская Компьютерная верстка Н. А. Школьниковой Подписано в печать 01.03.2018. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,20. Уч.-изд. л. 2,50. Тираж 100. Заказ 603. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.