Исследование образования неметаллических включений в кремнистой латуни ЛЦ16К4 и удаление их из расплава с целью получения качественных художественных отливок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Визавитина, Анна Александровна

• Визавитина, Анна Александровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Визавитина, Анна Александровна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Возможные варианты появления неметаллических включений

1.2 Дефекты при литье по выплавляемым моделям

1.3 Рафинирование медных расплавов от неметаллических включений

1.4 Краткие выводы и задачи исследования

2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1 Методика исследования природы появления неметаллических включений

2.1.1 Ведение плавки

2.1.2 Исследование кинетики окисления расплава меди

2.1.3 Подготовка образцов

2.1.4 Исследование содержания кислорода металлографическим способом

2.1.5 Исследование неметаллических включений

2.1.6 Количественное определение неметаллических включений

2.2 Методика удаления неметаллических включений из расплава

2.2.1 Флюсовое рафинирование

2.2.2 Удаление неметаллических включений продувкой аргоном

2.3 Обработка экспериментальных данных

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В КРЕМНИСТОЙ ЛАТУНИ ЛЦ16К4

3.1 Оценка загрязненности металла неметаллическими включениями

3.2 Экзогенные неметаллические включения

3.3 Эндогенные неметаллические включения

3.4 Оксидная пленка

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ПЛАВКИ НА СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА В МЕДНОМ РАСПЛАВЕ

5 РАФИНИРОВАНИЕ РАСПЛАВА КРЕМНИСТОЙ ЛАТУНИ ОТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

5.1 Флюсовое рафинирование

5.2 Продувка расплава аргоном

6 РЕКОМЕНДАЦИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОЛУЧЕНИЕ В КРЕМНИСТОЙ ЛАТУНИ МИНИМАЛЬНОЕ СОДЕРЖАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ВКЛЮЧЕНИЙ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Термодинамическая оценка возможности протекания реакций

восстановления

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Справка об использовании рекомендаций по приготовлению кремнистой латуни ЛЦ16К4 с низким содержанием неметаллических включений

и внешний вид отливки, полученной в результате плавки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование образования неметаллических включений в кремнистой латуни ЛЦ16К4 и удаление их из расплава с целью получения качественных художественных отливок»

ВВЕДЕНИЕ

Кремнистые латуни нашли широкое применение в промышленности в качестве конструкционного материала. Благодаря красивому золотистому оттенку, а также хорошим литейным и эксплуатационным свойствам, особенно коррозионной стойкости, кремнистую латунь широко используют для изготовления художественных отливок. Этот сплав легко поддаётся тонированию в различные цвета.

При плавке кремнистых латуней как из чистых металлов, так и при использовании возврата в расплаве всегда образуются неметаллические включения. Предположительно, на полированной поверхности художественных отливок в местах скопления неметаллических включений появляются пятна, которые ухудшают внешний вид изделия.

Возникновение пятен на скоплениях неметаллических включений и устранение этих дефектов до настоящего времени не изучены, что не позволяет обеспечить высокое качество художественных отливок из кремнистой латуни.

Научная новизна.

1. Установлено, что при введении чистого кремния или лигатуры Си - 50 %' 81 на поверхность расплава меди, содержащей более 0,03 % кислорода, образуется жидкий сплав Си - Б!, несмешивающийся с основным расплавом и принимающий форму «шариков» общей массой 5 - 10 % от всего расплава.

2. Показано, что при взаимодействии кремния или лигатуры Си - 50 % с окисленным расплавом меди с содержанием кислорода более 0,03 % возникает слой «шпинели» СигО + Б Юг, который разделяет окисленный расплав меди и образовавшийся жидкий сплав Си - Эк

3. Установлено, что алюминий, который считается в кремнистой латуни ЛЦ16К4 вредной примесью, содержание которой ограничено 0,04 %, защищает

1 Здесь и далее содержание компонентов в сплавах, смесях и т.п. приводится в массовых долях, % Слова «массовая доля» опущены.

расплав от окисления и поэтому способствует образованию чистой гладкой поверхности затвердевшего металла.

Практическая значимость.

1. В лабораторных и производственных условиях показано, что продувка расплава кремнистой латуни аргоном позволяет снизить количество неметаллических включений в сплаве на 85 - 90 %.

2. В производственных условиях разработана и опробована технология приготовления кремнистой латуни с использованием возврата собственного производства со значительно сниженным содержанием неметаллических включений.

3. Показано, что использование флюсовой смеси состава 50 % N326407, 50 % СаСОз снижает количество неметаллических включений в расплаве на 75 - 85 %, однако его применение осложнено из-за трудности отделения жидкого шлака при заливке расплава в литейные формы. Поэтому для промышленного использования требуется добавка загустителя шлака.

4. Установлено, что при легировании меди, содержащей более 0,03 % кислорода, кремний не растворяется, образуя сплав Си - Б!, отдельно плавающий на поверхности расплава.

5. Разработана методика идентифицирования неметаллических включений и определения их размеров.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6-ой и 7-ой международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, НИТУ «МИСиС», 2011 и 2013 гг.) и на научных семинарах кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС» (2010 - 2013 гг.)

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы из 73 наименований. Общий объем работы составляет 100 страниц машинописного текста, включая 33 рисунка, 16 таблиц и приложения.

Достоверность научных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных методик исследования, аттестованных измерительных установок и приборов (сканирующий электронный микроскоп HITACHI S 800, универсальная испытательная машина Zwick Z 250, дифрактометр рентгеновский ДРОН-4), а также применением методов статистической обработки экспериментальных данных. Текст диссертации и автореферат проверен на отсутствие плагиата с помощью программы «Антиплагиат» (http ://antiplagiat.ru).

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Возможные варианты появления неметаллических включений

Неметаллические включения представляют собой химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в сплаве в виде отдельных фаз [1]. В исследование и разработку методов анализа неметаллических включений большой вклад внесли советские ученые Д.К. Чернов, В.И. Явойский, Ю.Т. Лукашевич-Дуванова, Ю.А. Шульте и другие.

Неметаллические включения возникают в результате целого ряда физико-химических явлений, протекающих в расплавленном и затвердевающем металле в процессе его производства. Представление о природе неметаллических включений при металлографическом анализе можно получить, используя некоторые частные признаки и свойства включений, которые описываются в справочной литературе. Качественные характеристики устанавливаются по наружному виду включений, которые выявляются на нетравленой поверхности шлифа при рассмотрении под микроскопом [2].

Согласно исследованиям [3 - 11], все неметаллические включения в цветных сплавах можно разбить на три вида: плены (размер от 1 мм), крупные включения (размер от 0,1 мм до 1 мм) и мелкодисперсные включения (размер до 0,1 мм). Пути образования этих включений и их влияние на свойства сплавов различны.

Количество включений в затвердевшем металле обычно невелико и составляет от процента к весу металла. Однако, несмотря на столь малое количество, они оказывают отрицательное влияние на свойства металла [2].

Оксидная плена сложного состава образуется на поверхности расплава в результате взаимодействия кислорода печной атмосферы с плено образующим и компонентами сплава [8, 9]. Плотность, прочность и толщина пленки может быть

различной в зависимости от характера окисления сплава. При перемешивании жидкого металла или загрузке новых компонентов сплава пленка оксидов на поверхности разрушается и заносится внутрь расплава. Существует мнение, что при переплавах плена может накапливаться в сплавах и потому для получения ответственных отливок применение возвратов ограничивают. Однако в работе [10] на алюминиевых сплавах и бронзах типа БрА9Мц22 экспериментально доказано, что крупные оксидные плены в металле при переплавах не накапливаются, а всплывают из расплава и переходят в шлак.

Крупные включения представляют собой оксиды, карбиды, нитриды, флюсы. Они бывают разнообразной формы и размеров. Количество такого вида включений зависит от многих металлургических факторов: качества шихты, состояния плавильного агрегата, особенностей технологии плавки и разливки металла, от применяемых флюсов и методов рафинирования расплава.

Включения первых двух видов резко отрицательно влияют на механические свойства сплавов, снижая прочность и пластичность металла, ослабляется сечение отливок, в местах скопления включений образуются очаги усиленной коррозии [6, 7].

Мелкодисперсные включения образуются в результате обменных реакций между оксидами, находящимися в расплаве, и вновь вводимым компонентом сплава с высоким сродством к кислороду, а также при взаимодействии расплава с футеровкой печи [6 — 8].

При плавке и, особенно в процессе заливки, на поверхности кремниевых, марганцевых, алюминиевых и других латуней и бронз постоянно образуются оксидные плены, которые при неблаго приятных условиях литья могут попадать в металл и оставаться в отливке, вызывая несплошности металла по сечению. В работах [12 - 14] рассмотрены вопросы, относящиеся к образованию плен на поверхности черных и цветных металлов, и установлено, что пленообразование происходит вследствие кристаллизации оксидной фазы на поверхности металла

2 В обзоре и анализе литературных источников по теме исследования все марки сплавов приведены в соответствии с действующей нормативной документацией

при его охлаждении. При этом, чем больше разность в значениях температур плавления оксидной плены и расплава, тем выше склонность к пленообразованию металла и больше опасность ее попадания с поверхности в тело отливки. Для уменьшения пленообразования рекомендуются меры, направленные на изменение физико-химических свойств плены, уменьшение ее температуры плавления в интервале кристаллизации, а также снижение работы адгезии плены к металлу и выбору оптимальных температур заливки. Уменьшение работы адгезии плены к металлу в сочетании с понижением температуры плавления плены способствует также более полной очистке металла от неметаллических включений, образующихся в результате его окисления при заливке. Чем больше работа адгезии, тем труднее плена отделяется от металла и тем больше опасность попадания ее внутрь металла.

По своему происхождению неметаллические включения в медных сплавах могут быть эндогенного и экзогенного происхождения [14].

В работе [ 15] отмечается, что неметаллические и металлические включения в медных заготовках довольно часто встречающееся явление. Чаще всего в медной катанке обнаруживают экзогенные неметаллические включения, которыми являются частицы оксидов БЮг, СаО, КО, №0, А120з. Это

частицы огнеупорного материала футеровок шахтной печи и литейного тракта, а также частицы материалов фильтров, используемых для очистки меди в литейном тракте.

Сравнительный анализ работ [3, 4, 16 - 20] показывает, что загрязненность оксидными включениями медных сплавов все же значительно ниже, чем у сталей.

Состав и количество неметаллических включений, образующихся при плавке алюминиевых бронз, изучали в работах [3, 4, 21]. Анализ полученных данных показывает, что неметаллические включения в алюминиевых бронзах можно подразделить на два вида: дисперсные включения размером от 0,5 до 20 мкм и грубые включения размером более 1 мм.

В таблице 1 представлены данные о составе и количестве неметаллических включений в алюминиевых бронзах [21].

Таблица 1 - Неметаллические включения в алюминиевых бронзах [21]

Марка бронзы % н.в. Химический состав (н. в.)

СиО А1203 МпО, Мп02 МО БеО БЮг

БрАЮ 0,060,07 79,25 18,57 0,68 1,24

БрА9Ж4 0,090,10 75,32 18,51 4,56 1,38

БрА9Мц2 0,045 -0,07 67,3 16,2 10,6

БрА10Ж4Н4 0,030,07 70,56 18,98 4,49 4,38 1,31

БрА10Мц1,5ЖЗ 0,040,07 75,6 6, 1 10,3 6,0

Удалось установить [21], что дефектные места отливок, пораженные крупными оксидными и шлаковыми включениями, состояли не из одних оксидных пленок, а и из включений макроскопических размеров. Детальное изучение этих включений показало, что оксидные шлаковые включения представляют собой слоистый конгломерат, состоящий из оксидной пленки с двух сторон и внутри из тонкой пленки металла, соответствующего среднему составу алюминиевой бронзы.

В работе [20] отмечается, что шихтовые материалы, а особенно чушки, используемые для приготовления оловянной бронзы Бр05Ц5С5, загрязнены оксидными включениями. Результаты работы приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание неметаллических включений в исходных шихтовых материалах [20]

№ п/п Исходные шихтовые материалы Количество неметаллических включений, %

1 Чистая сухая стружка кокильного литья 0,5 - 0,6

2 Отходы кокильного литья 0,4 - 0,6

3 Вторичная паспортная чушка Бр05Ц5С5:

Низ чушки 0,9-1,1

Середина чушки 0,6-0,8

Верх чушки 3,0-3,2

Увеличение содержания неметаллических включений в Бр05Ц5С5 при использовании большого количества вторичной чушки в шихте влечет за собой увеличение количества шлака, образующегося при плавке и, следовательно, увеличение количества металла, запутавшегося в шлаке в виде корольков [20].

Кроме этого загрязненность неметаллическими включениями сплава зависит от времени и скорости разливки [22]. Чем это время больше, а скорость разливки меньше, тем загрязненность металла выше. Уменьшение времени заливки металла с 10 до 3 секунд снизило значение параметра «индекс загрязненности неметаллическими включениями» в 3,8 раз. Автором работы [22] отмечено, что при высокой скорости разливки уменьшается как количество включений, так и их разброс по высоте образца, а изменение условий охлаждения образцов (формовочная смесь - воздух) обуславливает снижение «индекса загрязненности неметаллическими включениями» в 1,5 раза.

1.2 Дефекты при литье по выплавляемым моделям

Все дефекты отливок условно разделяют на поверхностные, внутренние, отклонения размеров и конфигурации, несоответствия по химическому составу, структуре и механическим свойствам металла [23].

В точном литье по выплавляемым моделям основными видами брака являются деформация восковых моделей, пористость, облой, газовые раковины, усадочные раковины и рыхлота, шлаковые включения, засор формовочным материалом, горячие и холодные трещины [24].

В таблице 3 представлены основные виды дефектов, возникающих от попадания экзогенных неметаллических включений в металл, при литье по выплавляемым моделям художественных отливок.

Автор в работе [25] отмечает, что основная причина, вызывающая при литье по выплавляемым моделям возникновение неметаллических включений в отливках из жаропрочных сплавов - проникновение шлака и оксидных плен с металлом в отливку при заливке. Также отмечено, что неметаллические включения по своему составу близки к шлаковым включениям на поверхности металла. Доля неметаллических включений составляет ~ 40 % от общего количества дефектов в отливках из жаропрочных сплавов, изготавливаемых литьем по выплавляемым моделям (из них 32,5 % - засор; 6,9 % - оксидная плена).

При наличии вышеперечисленных дефектов, имеющихся на поверхности художественной отливки, изделия могут быть подвержены локальной атмосферной коррозии [24, 26 - 28]. В работах [29, 30] проведен анализ влияния неметаллических включений, в том числе коррозионно-активных неметаллических включений, на стойкость стальных труб к локальной коррозии.

Таблица 3 - Дефекты, возникающие от попадания экзогенных неметаллических включений в металл [31-33]

№ Вид Способ выявления Причины образования дефекта

п/п дефекта дефекта

1 2 3 4

1 Засор Дефект выявляется - использование модельного состава с

визуально. Мелкие высокой зольностью, засоренность

засоры вызывают модельной массы керамическими

свечения при материалами;

люминесцентном - нетехнологичная отливка. В

контроле. литниковой системе имеются места,

Дополнительно доступ к которым при припайке

исследуют излом, моделей к блоку и контроле

микрошлиф. затруднен;

- небрежная работа сборщиков моделей;

смывание струей металла

керамических заусенец в полости

формы, образовавшихся в результате

попадания суспензии в зазор между

моделями и литниковой системой;

- попадание связующего суспензии

через поры плохо пропитанных

парафином стержней к дефектам во

внутренней полости моделей;

- выкрашивание кромок внутреннего

слоя формы металлической

державкой;

- плохая очистка поверхности

Продолжение таблицы 3

1 2 3 4

литниковой чаши от остатков

формовочных материалов,

приводящая к их попаданию в полость

формы;

- засыпка наполнителя при незакрытой

литниковой чаше у блоков, формовка

дефектных блоков с поломами и

трещинами.

2 Шлаковая Дефект - использование тигля с разрушениями

раковина определяется внутреннего слоя (осыпание,

визуально, мелкие трещины);

дефекты вызывают - использование шихты с остатками

свечения при керамических материалов.

люминесцентном

контроле.

Дополнительно

исследуют излом,

микрошлиф.

3 Оксидная Выявляется при — использование металла, загрязненного

плена люминесцентном пленами;

контроле в виде — взаимодействие металла, оставшегося

одиночных или в тигле, с воздухом при открывании

групповых крышки заливочной установки для

точечных или загрузки шихты;

штриховых - некачественные раскисление и разгон

свечений. Для плены, медленная заливка форм;

Продолжение таблицы 3

1 2 3 4

определения вида и - большое натекание в заливочную

размера исследуют камеру;

излом и - конструкция литниковой системы, не

микрошлиф, по обеспечивающая улавливание плен в

которому плены чаше.

выявляются в виде

темных линейных

включений.

Агрессивность атмосферы определяется влажностью, наличием пыли, окислителей и электролитов. Наиболее опасными окислителями и электролитами в воздухе являются кислород и озон, оксиды азота и азотная кислота, органические пероксиды, диоксид серы и сернистая кислота, углекислый газ, кислые продукты перегонки нефти, сульфат алюминия, хлорид натрия и щелочи [34].

Степень коррозии меди и ее сплавов в атмосфере, содержащей влагу и сернистый газ, зависит от концентрации газа, так как он является стимулятором, а влага - ускорителем коррозии [35].

Коррозия медных сплавов начинается при содержании сернистого газа в атмосфере более 1 % [34]. Си02, окисляясь до оксида СиО и адсорбируя влагу, образует серную кислоту, непосредственно воздействующую на медный сплав.

Латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы (типа нейзильбера МНЦ15 - 20), широко применяемые для изготовления ювелирных и художественных изделий, обладают достаточно хорошими коррозионными свойствами [24].

Необходимо учитывать, что многие медные сплавы более стойки к коррозии, чем сама медь. Это объясняется наличием в сплаве либо коррозионностойких металлов (никель и олово), либо таких металлов, как

алюминий и бериллий, присутствие которых способствует формированию защитных оксидных пленок на поверхности изделий, изготовленных из этих сплавов.

На Опытно-экспериментальном заводе метхоизделий ПО Мосгорпрома при изготовлении отливок ювелирных и сувенирно-подарочных изделий широкое применение нашел процесс легирования сплавов меди алюминием, который вводят в расплав перед разливкой в формы. Введение алюминия в бронзу, латунь, медно-никелевые сплавы позволяет, кроме повышения коррозионной стойкости, получать отливки с хорошим качеством лицевой поверхности.

Кроме атмосферной коррозии изделия подвергаются также биокоррозии [24]. К биокоррозии относится коррозия от захвата руками. Чувствительность зависит от состава пота и свойств сплава, устойчивость сплава - от микрогеометрии поверхности изделий.

1.3 Рафинирование медных расплавов от неметаллических включений

Проблема неметаллических включений в медных расплавах является одной из главнейших, поскольку они отрицательно влияют на технологические свойства сплавов [35, 37]. Неметаллические включения также резко снижают пластические и коррозионные свойства металлов [38, 39].

Неметаллические включения могут быть удалены отстаиванием, вакуумированием, обработкой флюсами, продувкой газами, фильтрованием и другими способами.

Для наиболее полного удаления неметаллических включений следует стремиться получить такие продукты раскисления, которые по возможности всплывали бы в расплаве.

Метод обработки расплава жидкими флюсами и солями с целью рафинирования известен давно и широко применяется в практике. Рафинирование металлов от неметаллических включений основано на физико-химическом

взаимодействии расплавленных солей с оксидами, сопровождающемся адсорбцией и растворением включений, или образованием легкоплавких химических соединений. Полнота очистки металла определяется временем контакта неметаллических включений с расплавленным флюсом и величиной удельной поверхности их соприкосновения.

Одно из основных требований, предъявляемых к рафинирующим флюсам, заключается в том, что они должны хорошо смачивать твердые неметаллические включений и не смачивать металл.

Смачиваемость флюсом включений и металлического расплава зависит от величины поверхностного натяжения на границах с оксидами и металлом. Чем больше поверхностное натяжение флюса на границе с металлом, тем легче флюс отделяется от него. С другой стороны, чем меньше поверхностное натяжение на границе флюс — оксид, тем лучше флюс смачивает оксид и отделяет его от металлического расплава [40]. Поверхностное натяжение флюсов зависит от содержания поверхностно-активных веществ. Чем их больше, тем ниже поверхностное натяжение флюса и лучше, в целом, его адсорбционные свойства.

В работе [41] проведено изучение механизма удаления неметаллических включений при флюсовом рафинировании. Автор работы отмечает, что доставка неметаллических включений к межфазной границе происходит за счет интенсивного перемешивания расплава, которое приводит к уменьшению толщины пограничных вязких слоев и снижению сопротивления переходу частиц.

Для обработки алюминиевых бронз используют флюсы состава: СаР2-52,7%, ИаБ - 47,3 %; ШС1 - 35 %, СаР2- 15 %, ИазАШб- 50 %, позволяющие снизить содержание оксидов на 40 - 75 % [3]. Для оловянных бронз используют рафинирующий флюс N336407 - 7 %, Ыа2СОз - 60 %, СаБ2 - 33 %, а для алюминиевых бронз №С1 - 60 %, Ка3А1Р6 - 40 %. Оптимальная температура расплава при обработке жидкими флюсами 1180 °С, расход флюса 2 - 3 %.

Для бронз и латуней используют флюс, который состоит из СаР2 - 50 %, М^2 - 50 % [42], позволяющий уменьшить содержание неметаллических

включений в расплаве в 1,3 — 2,4 раза. Применительно ко всем медным сплавам для уменьшения количества неметаллических включений в расплавах используют флюс следующего состава: Ка3А1Рб- 30 - 36 %, КагОСаОбЗЮг- 13 - 19 %, Кг804 - 11 - 17 %, ИагСОз - остальное. Данный флюс позволяет уменьшить содержание неметаллических включений в 2 — 2,5 раза, а также способствует снижению содержания металла в шлаке с 45 - 50 до 28 - 32 % [43]. Флюс состава №2СОз - 21 %, ШзАШб - 21 %, ЭЮг - 58 % позволяет снизить количество неметаллических включений в латуни ЛАФ94 - 0,5 - 0,15 в 2 раза [44].

Одним из эффективных методов рафинирования медных расплавов от неметаллических включений является фильтрование расплава, которое осуществляется через сетчатые, зернистые, ячеистые, пенокерамические и градиентные фильтры [34, 45 - 53].

Известно, что процесс фильтрационного рафинирования жидких металлов реализуется путем [48]:

- сеточного осаждения на входной стороне фильтра неметаллических включений, которые ввиду относительно больших размеров не могут проскочить через фильтр-сетку;

- адгезионного осаждения на стенках каналов фильтра неметаллических включений, которые по своим размерам могут проскочить сквозь фильтр, но по разным причинам доставляются к поверхности его каналов и удерживаются на ней;

- затравочного осаждения неметаллической фазы непосредственно из пересыщенного расплава, когда поверхность каналов фильтра служит подложкой для выделения новой фазы.

Таким образом, при сеточном и адгезионном механизмах фильтр улавливает уже присутствующие в фильтруемом расплаве частицы неметаллической фазы. При затравочном механизме на фильтре осаждается неметаллическая фаза, которая потенциально должна была бы выделиться, но этого не произошло из-за дефицита центров кристаллизации.

Использование для фильтрации медных сплавов сетчатых фильтров в достаточной мере не изучено. Работа таких фильтров основана на механическом удержании частиц, размеры которых больше, чем размеры ячейки. По мере накопления задержанных частиц сетка способна удерживать все более мелкие частицы. В качестве материала фильтра может использоваться сетка с температуростойкостью выше, чем температура плавления медных сплавов. Ткань из стекловолокна или слюда используются в качестве недорогих сетчатых фильтров [50]. Часто сетки из стеклоткани заменяются на керамические фильтры.

Для зернистых фильтров применяют такие материалы, как магнезит, алунд, плавленые фториды кальция и магния. Работа зернистого фильтра основана не только на механическом удержании неметаллических включений. Большое значение имеют гидродинамические явления, связанные с изменением линейной скорости движения металла при протекай™ между зернами фильтра. Толщина фильтрующего слоя составляет 60... 150 мм, а размер зерна фильтра 5...10 мм в поперечнике. Зернистые фильтры перед фильтрованием нагревают до 700...800 °С. Фильтр из фторида кальция размером зерен 5...10 мм в поперечнике и толщиной 70... 100 мм позволяет в 1,5 - 2 раза снизить содержание неметаллических включений в расплаве бериллиевой бронзы БрБНТ2 по сравнению с плавкой без фильтрации [51].

Для повышения эффективности фильтрационного рафинирования без существенного снижения коэффициента расхода были изготовлены градиентные фильтры с постепенным сужением его каналов в направлении течения расплава: большими на входной стороне и малыми на выходной стороне [48].

Испытания градиентных фильтров проводились на отливках из бронзы БрАЖб - 4. Как видно из результатов, представленных в таблице 4, градиентный фильтр, несмотря на то, что на выходной стороне имеет каналы в 2 раза больше, чем у пенокерамического фильтра, обладает сопоставимой с ним рафинирующей способностью.

Таблица 4 - Влияние фильтрования на загрязненность неметаллическими включениями отливок из бронзы БрАЖ6 - 4 [48]

Вариант получения образцов Количество включений, шт.

Всего На одном участке На 1 мм2

1. Без фильтрования 1230 246 9,84

2. Фильтрование через пенокерамический фильтр с 20 рр1* 445 89 3,56

3. Фильтрование через градиентный фильтр с каналами 0 3,6 - 2,8 - 2,2 мм 615 123 4,92

* 20 ppi - 20 каналов на 1 метрический дюйм

В работе [19] предлагается в качестве фильтров тонкой очистки медных расплавов от неметаллических включений использовать специально обработанные кремнеземные сетки. После фильтрации медных расплавов типа МЗ, приготовленных с использованием 100% вторичного сырья, через двухслойные фильтрующие элементы, выполненные из кремнеземных сеток марки КС—11—ЛА—2,0—А наблюдается снижение содержания неметаллических включений в 1,85 раз. «Остаток на фильтре», представляющий собой оксиды примесных элементов, составляет 0,085 - 0,098 % от массы фильтрованного металла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Визавитина, Анна Александровна, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. НА. Смирнов. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

2. Лаборатория металлографии / Под ред. Б.Г.Лившица. - М.: Металлургия, 1965.-440 с.

3. Колосков В.Ф. Рафинирование алюминиевых бронз. Дисс. канд. техн. наук / Колосков В.Ф.; М, 1972 . - 170 с.

4. Синичкин А.М. Исследование взаимодействия алюминиевых и марганцевых бронз с газами и выбор методов их рафинирования. Автореф. канд. дисс. / Синичкин A.M.; Л. 1978.

5. A. Ahmad, J. Purbolaksono, Z. Yahya. Estimating inclusion size in WE43-T6 magnesium alloys based on Gumbel extreme values // Materials Science and Engineering A , 2009. - P. 319 - 324.

6. EPMA and HRAES determination of complex inclusions in primary aluminium. M. Torkar, B. Breskvar, M. Tandler, Mandrino, M. Dobersek // Vacuum 62, 2001. -P. 379-385.

7. М.Б. Альтман. Неметаллические включения в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия, 1965. - 128 с.

8. Беляев А.П. Рафинирование и литье первичного алюминия. — М.: Металлургия, 1966. - 76 с.

9. Горшков И.Е. Литье слитков цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургиздат, 1952. - 416 с.

10. Лебедев К.П. // Литейное производство. - 1966. - №2.

11. Спасский А.Г. Основы литейного производства. - М.: Металлургиздат, 1950.-319 с.

13. Плотинский Л.Е., Авилов И.И. // Литейное производство. - 1973. - №9. -С.16- 17.

14. Стрельцов Ф.Н., Лейбов Ю.М // Цветные металлы. - 1974. - №7. - С. 67 - 72.

15. Пугачева Н.Б. Смирнова С.В. Анализ технологических причин появления неметаллических и металлических включений в медной катанке и проволоке // IV Российская научно-практическая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». - Екатеринбург, май. - 2009. - С. 30.

16. Quantitative study on nonmetallic inclusion particles in steels by automatic image analysis with extreme values method. / C. Barbosa, J. Brant de Campos, J. Lopes do Nascimento, I. M. Vieira Caminha // Journal of Iron and Steel Research, International, Volume 16, Issue 4. - July 2009. - P. 18 - 21, 32.

17. Х.-И. Шпис. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации. — М.: Металлургия, 1971. - 125 с.

18. L. Zhang, В. G. Thomas. State of the art in the control of inclusions during steel ingot casting. // Metallurgical and materials transactions B, volume 37 B. - October 2006.-P. 733-761.

19. Сластионов, A.A. Разработка и внедрение технологии получения качественных медных полуфабрикатов с использованием в шихте низкосортного сырья. Дисс. канд. техн. наук: 05.16.04 / Сластионов А.А. -Владимир, 2003. - 125 с.

20. Литейные бронзы / Под ред. К.П. Лебедева. - Л.: Машиностроение, 1973. -312 с.

21. Чурсин В.М., Колосков В.Ф. Технология, теплотехника и автоматизация металлургического производства. Труды / МВМИ. - М.: Металлургия, 1971. -вып. 12.-С. 121-123.

22. Н.А. Зюбан, С.О. Авилов. Влияние скорости разливки и условий охлаждения на формирование структуры и неметаллических включений стали 25 // Литейщик России. - №3. - 2009. - С. 43 - 45.

23. Зборщик A.M. Конспект лекций по дисциплине «Специальные методы литья». - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2007. - 158 с.

24. Урвачев В.П., Кочетков В.В., Горина Н.Б. Ювелирное и художественное литье по выплавляемым моделям сплавов меди. - Челябинск: Металлургия, 1991. - 166 с.

25. С.П. Серебряков, A.A. Берстнев, Е.И. Чернова. Неметаллические включения в отливках из жаропрочных сплавов при JIBM. // Литейное производство. -№4.-2012.-С. 12-14.

26. Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас: Справ, изд. / Сокол И. Я., Ульянин Е. А., Фельдгандлер Э. Г. и др. - М.: Металлургия. - 1989. - 400 с.

27. Stenward Y., Williams D. E. // Corrosion Science. - № 3. -1993. - P. 457 - 464.

28. M. A. Emami, M. Bigham. Mechanism of corrosion due to unalloyed copper inclusion in ancient bronzes. - Surface Engineering. - Volume 29. - Number 2. -March 2013.-P. 128-133.

29. Влияние неметаллических включений на стойкость нефтепромысловых трубопроводов к локальной коррозии ОАО "Черметинформация". / Пышминцев И. Ю., Костицына И. В, Мананников Д. А. и др. // Бюллетень "Черная металлургия". - № 1. - 2010. - С. 55 - 60.

30. Роль неметаллических включений в ускорении процессов локальной коррозии нефтепромысловых трубопроводов и других видов металлопродукции и оборудования из углеродистых и низколегированных сталей. / Родионова И. Г., Бакланова О. Н. , Филиппов Г. А. и др. // Сб. трудов "Коррозионно-активные неметаллические включения в углеродистых и низколегированных сталях". - М.: Металлургиздат. - 2005. - С. 7 -14.

31. Литье по выплавляемым моделям отливок авиационно-космического назначения: Учеб. пособие / Л.Г. Максютина, A.B. Шилов, В.Л. Звездин, A.C. Коряковцев. - Пермь: Перм. гос. техн. ун-т. - 2005. -140 с.

32. Дитер Ott. Справочник по дефектам литья и иным порокам ювелирных изделий из золота. Перевод с английского. - Омск: Издательский Дом «Дедал-Пресс». - 2004. - 92 с.

33. Технология художественного литья: Учеб. Под ред. Ри Хосена. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та. - 2006. - 455 с.

34. Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. — М.: Машиностроение. —1979. — 296 с.

35. Николаев А.К., Костин С.А. Медь и жаропрочные сплавы: энциклопедический терминологический словарь: фундаментальный справочник. - М.: Издательство ДПК Пресс. - 2012. - 720 с.

36. Чурсин В.М. Плавка медных сплавов. — М.: Металлургия. — 1982. — 152 с.

37. Медведев А.И. Современные цветные сплавы и прогрессивные методы литья. - М.: МДНТП. - 1974.

38. Курдюмов A.B., Пикунов М.В., Чурсин М.В. Литейное производство цветных и редких металлов. - М.: Металлургия. - 1982. - 352 с.

39. Волкогон Г.М., Брезгунов М.М. Производство слитков меди и медных сплавов. - М.: Металлургия. - 1980. - 100 с.

40. Альтман М.Б. Плавка и литье легких сплавов. - М.: Металлургия. - 1950.

41. Григорьев, Г.А. Физико-химические основы смачивания при удалении неметаллических включений в цветных металлах. Дис. д-ра хим. наук / Григорьев Г.А. - М., 1977.

42. Липницкий A.M. Технология цветного литья. - Л.: Машиностроение. — 1986.-224 с.

43. A.c. 742477 СССР. Покровно-рафинирующий флюс для обработки сплавов на основе меди / Б.Л. Кузнецов, A.B. Донской, Т.Г. Ахметов, Т.Ф. Шайхутдинов, Ю.А. Нагибин, Р.Г. Оскордова (СССР) - Заявл. 17.01.79, опубл. 30.06.80, бюлл. №23. НИИ автотракторных материалов.

44. A.c. 1404542 СССР. По кровно-рафинирующий флюс для сплавов на основе золота, серебра или меди / В.Н. Майоренко, И.И. Литовченко, С.Н. Линев, O.A. Шелюх (СССР) - Заявл. 25.09.86, опубл. 23.06.88, бюлл. №23. Киевское производственное объединение «Ювелирпром».

45. Выбор фильтрующих материалов для сплавов на медной основе. / Бреннер и др. // Цветная металлургия. - 1994. - №5. - С. 54 - 55.

46. Воздвиженский В.М., Грачев В.А., Спасский В.В. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. - М.: Металлургия. - 1980. - 432 с.

47. Вольский А.Н., Сергиевская Е.М. Теория металлургических процессов. - М.: Металлургия. - 1968. - 343 с.

48. Ресурсы повышения рафинирующего потенциала фильтров для жидких металлов. / Э.Б. Тен, Е.М Рахуба, Б.М. Киманов, Ж.Д. Жолдубаева. // Литейщик России. - №11. - 2013. - С. 38 - 42.

49. Фильтрование металла в литейной форме. // Сб. материала по фильтрам, эффективности применения, опыту использования в отечественной и зарубежной практике. - М. - 2005. - 220 с.

50. MJ.Jakobs. Фильтры: Что и Как. // Modern Casting. - V - 2003.

51. Производство отливок из сплавов цветных металлов: учебник / Под ред. В.Д. Белова. - М: Изд. Дом МИСиС. - 2011.-615 с.

52. Патент - 2082791 РФ, С22В15/14. Способ очистки медных расплавов / Щерецкий A.A., Апухтин В.В., Шумихин B.C., Толочко Н.И., Ярошенко Н.Ф.. // Институт проблем литья АН Украины (UA). - № 94027720/02; Заяв. 22.07.1994; Опубл. 27.06.1997.

53. И.И. Ярополов, Г.М Павлова, И.М. Шарапов. // Литейное производство. -№12.- 1976.

54. Rate of Si02 inclusion removal from molten Cu to slag under gas injection stirring condition. / K.Okumura, MBan, MSano, K.Mori. // ISIG International. - Vol.35 -1995.-№7.-P. 832-837.

55. Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотация. - М.: Недра. - 1973. - 384 с.

56. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. - М.: Металлургия. -1976.-270 с.

57. Диаграммы состояния двухфазных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.2 / Под общей ред. Н.П.Лякишева - М.: Машиностроение. - 1997. - 1024 с.

58. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Современные методы исследований функциональных материалов. Учебно-методическое пособие. / Под ред. С.Д. Калошкина. - М.: МИСиС. - 2010. - 200 с.

59. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия. - 1970. - 364 с.

60. Шеметов Г.Ф., Лебедев К.П. Неметаллические включения в оловянных бронзах. // Литейное производство. - 1969. - №4.

61. Демидович В.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. - М.: Наука. - 1967.-368 с.

62. В.П. Андронов. Плавильно-литейное производство драгоценных металлов и сплавов. - М.: Металлургия. - 1974. -320 с.

63. Осинцев O.E., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. - М.: Машиностроение. - 2004. - 336 с.

64. Физико-химические свойства окислов. / Самсонова Г.В., Буланкова Т.Г., Бурыкина А.Л. и др. / Справочник. - М.: Металлургия. - 1969. - 456 с.

65. И.С. Куликов. Раскисление металлов. - М.: Металлургия. - 1975. - 504 с.

66. Лякишева Н.П. Диаграммы состояния двухфазных металлических систем: Справочник. - М.: Машиностроение. - 1996.

67. Жуховицкий A.A., Шварцман Л.А. Физическая химия. - М.: Металлургия. -1987.-688 с.

68. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы // 8-е изд. Под ред. Егорова A.C. - Ростов на/Д: Феникс. - 2003. - 768 с.

69. Осипов И.С. Исследование пористости и неметаллических включений в отливках из цветных сплавов. Дисс. - Горький. - 1970 г. - 172 с.

70. Коновалов А.Н. Исследование особенностей плавки и раскисления меди с целью получения литых электродов из хромовых бронз. Дисс. канд. техн. наук.; 05.16.04. - Москва, 2011. - 109 с.

71. Phase equilibria studies of Cu-O-Si systems in equilibrium with air and metallic copper and Cu-Me-O-Si systems (Me=Ca, Mg, Al, and Fe) in equilibrium with metallic copper. / T. Hidayat, H.M. Henao, P.C. Hayes, E. Jak. // Metallurgical and materials transactions B. - September 2012.

72. Совершенствование параметрической базы, необходимой для термодинамического моделирования огневого рафинирования меди. / Г.Г. Михайлов, О.В. Самойлова, Е.А. Трофимов, JI.A. Макровец. // Вестник ЮУрГУ. - №34. - 2010. - Серия «Металлургия», выпуск 15. - С. 35 - 38.

73. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник, выпуск первый. / Топоров Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева Н.Н. - М.: Наука. -1965. - 824 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Термодинамическая оценка возможности протекания реакций восстановления

Таблица А. 1 - Термодинамическая оценка возможности восстановления оксидов меди, кремния и цинка каждым легирующим компонентом в сплаве и примесями, регламентируемыми ГОСТ 17711 - 93 на ЛЦ16К4

№ п/п Реакция Изменение стандартной энергии Гиббса реакции в стандартном состоянии, АС0, кал Изменение энергии Гиббса с учетом фактических концентраций участвующих в реакции компонентов, АС, кал

1 2 3 4

1 [&] + 2 Си20 = 5/02 + А[Си] Авй =-115207 + 8,19 -Т Ав = Ав0 + Я • Т • 1п ^ ' а2°г =Авд + Я-Т-1п Х('и ' аСы2()

2 [1п] + СигО = 2пО + 2[Си\ АС0 =-25560+ 8,04-Г АО = АС° + Я-Т -\п 'аш) =АО°+К-Т-\пХ<" а7м 'аСи20 Х7.п

3 З^е] + 4 Си20 = Л304 + 8 [Си] Ав0 =-110010+ 14,26-Г о8 • а 8 Ав = АС0 + К • Т • 1п ? = Ав° + Я • Т • 1п Х<? 3 4 3 а 1-е ' аСигО Х1с

4 [Лг] + Си20 = РеО + 2[Си] Ав0 =-27600 + 3,39 -Т АО = АС0 + /г • Т • 1п а< " ' а,е° = АО0 + Я • Т ■ 1п а1-е ' аСч20 Х1-е

Продолжение таблицы А. 1

1 2 3 4

5 2 [А1] + 3 Си2 О = А120з + б[См] АС0 =-225510+ 21,23-Г Ав = дс° + я • г • 1п а(2"' = Ав0 + /г • Г • 1п Л*(2" аА1 ' аСи2() ХА1

6 [м]+а<2о = мо+2[см] ДО0 =-15110-14,36-Г АС = ДС° + Я ■ Т ■ 1п 'аш> = ДС° + Я • Г • 1п аЛ7 ' аСи1() ХМ

7 2[р] + 5Си20 = {Р205) +10[Сг/] Ав° =-252710 +1,98- Т аю-а г10 Ав^АС0 +Я-ТЛп ^ = ДС° +ДТ-1п ^ ' аСи20 Х1>

8 [Мп]+Си20 = МпО+2 [Си] дб0 =-44950+ 5,38-Г Ав = Ав° + Л • Г • 1п а(2"' аА'и0 = ДС0 + Д • Г • 1п Х(2'й аМп 'аГи20 ХЛ/п

9 4[Си]+&"02 = 2Си20 + [&] ДО0 = 115207-8,19-Г 2 ДС = ДС° + Я • Т • 1п 'асиг° = Ав° + Я-Т- 1п 4 4 аГи 'аШ)2 ХСи

10 2[гп]+8Ю2=2гпО + [Я1] Ав* =64087 + 7,89 Т ДС = ДО0 + Я ■ Т■ 1п '=АС° + Я-Т- 1п ** а7.п' а$ю2 хгп

11 3[^е]+2 =/ЗД + 2[й] Дб0 =120404-2,12-Г Ав = АС° + Я-Т- 1п ' а'2А = ДС° + Л • Т • 1п а1ч! ' аЯ02 Х1;е

12 2[Л>]+5/02 = 2/^(9+[&'] ДС° =60007 -1,41 -Т Ав = ДС° + Я • Т • 1п ' = Ав0 + Я • Т • 1п

Продолжение таблицы А. 1

1 2 3 4

13 А[А1]+ЗБЮ2 =2 А1203 +ЗЭД АС0 =-105399+ 17,89-Г 3 2 з АС = АС0 + Л • Т ■ 1п ' = АС0 + Я • Т • 1п 4 3 4 аА1 ' аХЮг ХА1

14 2[М]+ЗЮ2 = 2М О + [5/] Ав° =84987-36,91-Г АС = АО0 + Я-Т Лп '= Ав0 + Я • Т• 1п ' а.Ч1()2 хм

15 4 [Р]+5БЮ2 = 2 (Р205) + ] АС0 = 441415-36,99-Г АО = АО°+Я-Г-1п'°'5>Л = Ав0 + Л• Т• 1п** ар ' ахю2 Х1>

16 2 [Мп]+БЮ2 = 2М?0+ И =25277 + 2,57 -Т АО = Ав0 + Я-ТЛп '= АО0 +Я-ТЛп аШ ' аЯ()2 ХМп

17 2[Са]+1п0 = Си20 + [2п] АО0 = 25560-8,04-Г АО = АО°+Я'ТЛпа7п2'а^° =АО°+Я-Т-\пХ1" аСи ' а1пО ХС'и

18 27»0 = БЮ2 + АС0 =-64087-7,89-7 Ае = АС°+/г-Г-1паа =АО°+Я-Т-\пХ 'а7.пО ХУ.!

19 + = ¥еъО, + 4[г«] Аб0 =-7770-17,9-Г 4 4 АО = АС0 + Я • Т ■ 1па7'1'- АО0 +Я-Т-\п 3 4 3 а! 'с * а7мО ХГе

20 АС0 = -2040 - 4,65 • Г АО = АО0 +Я-Т-Ы °7м 'а,ю = АС + Я • Т • 1п а1е ' а7.пО ХГе

Продолжение таблица А. 1

1 2 3 4

21 2[А1]+Ъ2пО = А1гОг + 3 [2п] Ав0 =-148830-2,89-Г 3 з АС = Ав0 + Я • Г • 1п 0г"2 '= АО° + Я-Т- 1п ' а7-пО ХА1

22 [м]+2п0 = МО+ [2п] АС0 =10450-22,4-Г Ав^АО0 +Я-ТЛпагп'а"ю =Авй+Я-ТЛпХгп а№ ' а2п0 ХМ

23 2[Р]+ 5 2пО = (Р205) + 5[гп] АОй = 60490-38,22-Г Ав = Ав° + Я • Т ■ 1п Лг\ °=Ав°+Я-ТЛпХг; а1> ' а2пО Х1>

24 Мп]+гпО=МпО+[гп] Ав° = -19390-2,66-Г Ав = Ав" + Я • Т • 1п 'аш) = АО0 +Я-ТЛпХг" аШ ' а7.пО ХМп

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Справка об использовании рекомендаций по приготовлению кремнистой латуни ЛЦ16К4 с низким содержанием неметаллических включений и внешний вид отливки, полученной в

результате плавки.

СПРАВКА

об использовании рекомендаций по приготовлению латуни ЛЦ16К4 с низким содержанием неметаллических включений для получения художественных отливок» разработанных в диссертационном исследовании Визавитиной А.А.

В процессе приготовления латуни марки ЛЦ16К4 (ГОСТ 17711 - 93} из чушек Ж и Ж1 (ГОСТ 1020 - 97) и возврата в цехе опытного производства инжинирингового центра «Литейные технологии и материалы» (ИЦ «ЛТМ») Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») были использованы рекомендации по подготовке шихты» раскислению и высокоскоростной продувке расплава, разработанные аспирантом кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС» Визавитиной Анной Александровной.

На основании предложенных рекомендаций плавка проводилась в графито-шамотном тигле емкостью 50 кг. Защита расплава от взаимодействия с атмосферой цеха осуществлялась графитовой крышкой, раскисление проводили фосфором и алюминием 0,05 % и 0,02 % от массы жидкого металла соответственно. Расплав продували аргоном высокой чистоты в течение 4-х минут с последующей выдержкой 10 минут.

В результате использования этой технологии было достигнуто уменьшение содержания неметаллических включений в полученном сплаве ЛЦ16К4 на 92 %, что позволило изготовить художественные отливки с высоким качеством лицевой поверхности.

профессор

Аспирант

А.А. Визавтина Начальник цех

"А.В. Сам ох и н

Рисунок В. 1 - Художественная отливка, полученная в результате плавки в цехе опытного производства ИЦ «ЛТМ» НИТУ «МИСиС»