Исследование особенностей плавки и раскисления меди с целью получения литых электродов из хромовых бронз тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Коновалов, Алексей Николаевич

• Коновалов, Алексей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коновалов, Алексей Николаевич

Введение.

1 Обзор и анализ литературных источников по теме исследования.

1.1 Контактная сварка. Сплавы для изготовления электродов контактной сварки: требования и классификация.

1.2 Хромовые бронзы как один из материалов для электродов контактной сварки.

1.2.1 Диаграммы состояния систем, содержащих основные сплавы, формирующие группу хромовых бронз.

1.2.2 Термическая обработка хромовых бронз.

1.3 Особенности выплавки хромовых бронз.23 •

1.3.1 Плавка меди.

1.3.2 Плавильные агрегаты и последовательность плавки.

1.3.3 Роль кислорода, растворенного в медном расплаве.

1.3.4 Способы введения легирующих элементов.

1.4 Краткие выводы и задачи исследования.

2 Методика проведения экспериментов.

2.1 Методика исследования «кипения» медного расплава.

2.1.1 Ведение плавки.

2.1.2 Исследование насыщения медного расплава кислородом воздуха.

2.1.3 Металлографические исследования.

2.1.4 Оценка краевого угла смачивания.

2.2 Методика выплавки и исследований хромовых бронз.

2.2.1 Технология плавки.

2.2.2 Термическая обработка.

2.2.3 Измерение твердости и удельной электропроводности.

2.2.4 Химический анализ.

2.2.5 Исследование микроструктуры.

2.2.6 Обработка экспериментальных данных.

3 Исследование процесса «кипения» меди.

4 Исследование влияния различных раскислителей на концентрацию кислорода в медном расплаве и усвоение хрома.

5 Отработка в лабораторных условиях основ технологии приготовления хромовых бронз открытой плавкой.

6 Оценка экономического эффекта от внедрения предлагаемой технологии.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование особенностей плавки и раскисления меди с целью получения литых электродов из хромовых бронз»

Хромовые бронзы используются в основном как деформируемый материал. Для получения, электродов контактной сварки из этих бронз применяют прессование, прокатку, волочение. Для. придания электроду требуемой конфигурации, как правило, требуется5 существенная механическая-обработка деформированной заготовки. Некоторые виды электродов контактной сварки могут быть изготовлены методом литья, что позволило бы существенно снизить затраты на готовую продукцию.

Предприятия с небольшой производительностью используют электроды с широким сортаментом, но малой металлоемкостью, поэтому предприятия — изготовители проката из хромовых бронз, в первую очередь, ориентируются на крупные машиностроительные заводы. Организовать участок фасонного литья для изготовления электродов требуемой конфигурации, небольшому предприятию существенно проще и дешевле, чем участок непрерывного или полунепрерывного литья заготовок в. совокупности с участком последующей деформации заготовок. Мелкосерийным предприятиям, использующим контактную сварку, часто приходится применять электроды, из меди и медных сплавов, не предназначенных для. этих целей, что существенно* снижает срок службы электрода и качество сварного соединения. Прежде всего, это связано с определенными трудностями, возникающими при выплавке хромовых бронз. Имеющиеся на данный момент технологии приготовления сплавов, медь-хром требуют дорогих и сложных в обслуживании плавильных агрегатов: вакуумных печей или установок электрошлакового переплава. Применение открытой плавки для приготовления хромовых бронз позволило бы существенно упростить и удешевить процесс изготовления электродов. Однако на данный момент технологии открытой плавки хромовых бронз требуют использования тщательно отобранных и подготовленных дорогих высокочистых материалов, таких как катодная медь и лигатура медь-хром, приготовленная вакуумной плавкой.

Настоящая работа имела своей целью разработку основ технологии приготовления хромовых бронз открытой плавкой для-изготовления литых электродов контактной сварки: Эта технология должна быть максимально доступной, иметь минимальное количество стадий и операций, ориентироваться на дешевое и недефицитное сырье, обеспечивая при этом стабильно высокие механические и электрические свойства конечных изделий.

Научная новизна.

1. Установлено, что «кипение» медных расплавов является результатом образования пузырей оксидов углерода вследствие взаимодействия кислорода, растворенного в расплаве, и графита, содержащегося в материале тигля. В связи с этим явление «кипения» связано с краевым углом смачивания расплавом поверхности тигля.

2. На основании термодинамических расчетов теоретически, обоснована возможность восстановления окиси хрома с помощью циркония, растворенного в медном расплаве. Данная восстановительная реакция может протекать в широком интервале температур (от 1100-до 1400 °С) и концентраций циркония (от 0,01 до 0,3 %'>

3. Установлено, что добавка 0,1 — 0,2 % циркония при выплавке хромовых бронз позволяет получать пересыщенный твердый раствор хрома в меди в процессе затвердевания отливки при скорости охлаждения более 0,14 К/с. Вследствие этого отпадает необходимость в проведении закалки при термообработке литого изделия.

Практическая значимость.

1. Установлено, что применение циркония в качестве раскислите л я при приготовлении хромовых бронз предпочтительнее, чем применение алюминия

1 Здесь и далее содержание компонентов в сплавал, смесях и т.п. приводится в массовых доляч, %. Слова «массовая доля» опущены. и фосфора. После раскисления цирконием в количестве 0,2 % насыщение медного расплава атмосферным кислородом при 1150 °С в 1,5 — 2 ниже, чем после использования алюминия и фосфора в количестве 0,3 и 0,1 % соответственно.

2. Предложен и опробован в лабораторных условиях способ изготовления лигатуры Си — 10%Сг — 1 % Zr открытой, плавкой. Способ приготовления данной лигатуры защищен НОУ - ХАУ (№ 17-004-2010 ОИС от «12» апреля 2010 г.).

3. В лабораторных условиях отработана технология получения открытой плавкой сплава медь - 1 % хрома — 0,1 % циркония, имеющего после литья и термообработки твердость не менее 120 НВ и электропроводность не менее 80 % IACS. При этом в качестве шихты используются медный лом типа А 1/1 и лигатуры медь-хром-цирконий и медь-цирконий, изготовленные открытой плавкой.

4. В лабораторных условиях отработано приготовление открытой плавкой сплава медь - 0,75 % хрома — 0,25 % железа — 0,1 % циркония с использованием в качестве шихты медного лома типа А 1/1, лигатуры медь-цирконий и феррохрома FeCr70C05. Полученный сплав по уровню свойств несколько уступает сплаву медь — 1 % хрома — 0,1 % циркония- и имеет твердость 100 НВ и электропроводность до 70 % IACS.

5. Экономический эффект от внедрения указанной технологии связан с переходом от вакуумной плавки к открытой и с использованием метода литья при изготовлении изделий из хромоциркониевой бронзы. При существующих ценах на медный лом, хром и цирконий при производстве электродов размером 025x100 мм ожидаемый экономический эффект составит около 150 000 рублей на тонну изделий.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на IV международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, МИСиС, 2007 г.;

- на VI ежегодной конференции «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии», НИТУ «МИСиС», 2008 г.;

- на V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, НИТУ «МИСиС», 2009 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 8 таблиц, состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 74 наименований.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Коновалов, Алексей Николаевич

Выводы

1. Описано, изучено и объяснено явление «кипения» медного расплава. Установлено, что причиной возникновения «кипения» является образование в расплаве пузырей* оксидов.углерода вследствие взаимодействия кислорода, растворенного в медном расплаве, и углерода, содержащегося в материале тигля. Установлена связь явления «кипения» с краевым углом смачивания расплавом поверхности тигля.

2. Термодинамическими расчетами показана теоретическая возможность восстановления оксида хрома цирконием, растворенным в медном расплаве. На основании этого предложено комплексное раскисление медного расплава фосфором (0,05 %) и цирконием (0,1 %), позволяющее существенно снизить повторное насыщение расплава кислородом и повысить стабильность процесса выплавки хромовых бронз.

3. Предложен и опробован в лабораторных условиях способ изготовления лигатуры Си — 10 % Сг — 1 % Ъх открытой плавкой. Способ« приготовления данной лигатуры защищен НОУ-ХАУ (№ 17-004—2010 ОИС от «12» апреля 2010 г.).

4. В лабораторных условиях отработана технология получения открытой плавкой сплава медь — 1 % хрома — 0,1 % циркония, имеющего после литья и термообработки твердость не менее 120 НВ и электропроводность не менее 80 % LA.CS. При этом в качестве шихты используются медный лом типа А 1/1 и лигатуры медь-хром-цирконий и медь-цирконий, изготовленные открытой плавкой.

5. В лабораторных условиях отработано приготовление открытой плавкой сплава медь - 0,75 % хрома - 0,25 % железа - 0,1 % циркония с использованием в качестве шихты медного лома типа А 1/1, лигатуры медь-цирконий и феррохрома РеСг70С05. Полученный сплав по уровню свойств твердость 100 НВ и электропроводность до 70 % LA.CS) несколько уступает сплаву медь — 1 % хрома - 0,1 % циркония.

6. Установлено, что добавка 0,1 % циркония в сплав медь — 1 % хрома не только улучшает его эксплуатационные свойства (что хорошо известно), но и предопределяет надежное и более полное введение хрома.

7. Показано, что сплав медь - 1 % хрома - 0,1 % циркония при охлаждении в ходе кристаллизации даже с очень малой скоростью (0,14 К/с), самозакаливается, в связи с чем термообработка сводится только к старению литых заготовок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коновалов, Алексей Николаевич, 2011 год

1. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т./Редкол.: Г.А. Николаев (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1978' - Т. 1/Под ред. H.A. Ольшанского. 1978. - 504 с.

2. Николаев А.К., Розенберг В.М'. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия, 1978. - 96 с.

3. Николаев А.К. О проблеме электродных сплавов и электродов контактной сварки. // РИТМ 2009 г, - № 1. - С. 30-32.

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

5. Николаев А.К., Новиков А.И., Розенберг В.М. Хромовые бронзы. М. Металлургия-, 1983. 176 с.

6. Коржов В.П., Карпов М.И., Внуков В.И. Структура и свойства хромистой бронзы Си 2 % Cr, полученной дуговой плавкой. // Металловедение и термическая обработка. №8. 2009 г. с.21-25

7. Христенко В.В. Литые электроды из сплавов системы Cu-Cr-Fe-C // Литейное производство. 2003. - №8. - С. 30 - 31.

8. Мирошников-A.A. Особенности кокильного литья токопроводных отливок из хромистой бронзы. / Литейное производство. 2008г. - № 1. - С. 3435.

9. Мирошников A.A. Исследование технологических параметров получения токопроводных отливок из чистой и низколегированной меди. М.: ВИНИТИ, 2007. № 07.01-14F.35.

10. Мирошников A.A. Разработка низколегированных сплавов на основе меди с помощью планирования экспериментов. М.: ВИНИТИ, 2009. №09.06- 14Г.27.

11. Мирошников A.A. Получение отливок из хромовой бронзы методом литья в кокиль. М.: ВИНИТИ, 2009. №09.08-14Г.81.

12. Юдина И:В;, Герасимов С.П.,, Пикунов М.В. Получение сплавов медь-хром для литых электродов контактной сварки. // Известия вузов. Цветная металлургия. 2008г. 1. - С. 37-39.

13. Дриц М.Е., Бочвар Н.Р., Гузей JI.G. и др. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди: Справочник. М.: Наука, 1979; 248 с.

14. Деформациями свойства сплава CuCr25: Zhou Zhiming, Jiang Peng, Wang Yaping. M. : ВИНИТИ^ 2006; № 06.05-15Й369

15. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.2 / Под редакцией Н.П. Лякишева Mi: Машиностроение, 1997. - 1024 с.

16. Влияние титана на микроструктуру лент из сплава. CuCr,-полученных методом спиннингования из расплава. Вань И., Сонь С., Сан Ж., Чжао С., Гуо // М. : ВИНИТИ, 2008. № 08.02-15И. 116.

17. Новиков И.И. Теория термической обработки. Учебник. М.: Металлургия, 1978. 392 с.

18. Захаров М.В. Влияние температур на вид диаграмм состав-жаропрочность.Московский институт цветных металлов и золота им М.И. Калинина, сборник научных трудов № 25. М.: Металлургиздат. 1955 г, С. 315324.

19. Механические свойства сплавов системы Cu-Cr с Zr и Ag и без них. Watanabe Chihiro, Monzen Ryoichi, Tazaki Kazue. M.: ВИНИТИ. 2009. № 09.07-15И.379.

20. Мусагаджиев A.M. Исследование метода восстановления опор скольжения валов судовых высокооборотных дизелей приваркой порошковой ленты. Автореф. дисс. канд. техн. наук 03.07.09 / A.M. Мусагаджиев; ФГОУ ВПО «АГТУ». Астрахань, 2009: - 24 с.

21. Микроструктура и магнитные свойства in situ композита Cu-18Fe / Sun Shiging, Pan Chengfu // Rare Metal Mater. And Eng. M.: ВИНИТИ, 2006. № 06.12-15И.174.

22. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта М.: Интекст, 2005. - С. 408.

23. Влияние термомеханической обработки на микроструктуру и свойства сплава Cu-0,1 % Fe-0,03 % Р / Dai Jiaoyan, Yin Zhimin, Lou Huafen, Chen Shaohua. M.: ВИНИТИ, 2008. № 09.01-15И.440.

24. Куманин A.B. Разработка и совершенствование жаропрочных медных сплавов для кристаллизаторов непрерывного литья слитков: Автореф. дис. .канд.техн. наук: 05.16.01/ Куманин А.В; «Гипроцветметобработка». -Москва, 1988. 23 с.

25. Термодинамическая база данных диаграмм состояния в системах медных сплавов/ Wang С.Р., Liu X.J., Jiang M., Ohnuma I., Kainuma R., Ishida K. // J. Phys. and Chem. Solids. M.: ВИНИТИ, 2006. № 06.12-15И.29.

26. Сплав медь-хром с хорошим сочетание свойств. Kuhm Hans-Achim, Tyler Derek E., Robinson Peter W. M.: ВИНИТИ, 2008. № 09.20-15И.404.

27. Исследование влиянияредкоземельных элементов на физические и механическиехвойетва^.С1шава!@и^ GJvYàng;.€iX.",:€ào?-' X;Mí, Mu S.G., Tang Y.Q: M: ВИНИТЩ 2009; № 09ЮЗ-15И*405:

28. Микроструктура и механические свойства сплава Cu-l,2Cr, полученного струйным формованием. Wang Xiaofeng, Zhao Jiuzhou, Li Zhongyuan, He Jie, Wang Jiangtao Мк ВИНИТИ, 2006. № 06.12-15И376.

29. Розенберг В.М;, Дзуцев В.Т. Диаграммы изотермического распада в. сплавах на основе меди. М.: Металлургия, 1989. 326 с.

30. Микроструктура и свойства быстрозатвердевшего сплава Cu-Cr-Zr после отжига и отжига после обработки на твердый раствор;. Eiu Ping; Su Jùanhua; Döng Qiming, Li Hëjum M.: ВИНИТИ; 2006: № 07.03- 14F. 15.

31. Фазовое превращение в сплаве Cu-Gr-Zr-Mg. Su Juanhua, Liu Ping, Li Hejun, Ren Fengzhang, Dong Qiming: Mb ВИНИТИ; 2008; Ж 09151-15Ж82:

32. Влияние деформации и термической деформации на морфологию фазы Cr и свойства сплава CuCr. Chanh Limin, Xiao Ying, Hao Wenguang. M.: ВИНИТИ, 2008. № 09.08-15И:72.

33. Рындина Н.В., Дегтярева А.Д. Энеолит и бронзовый век: Учеб. пособие. М. -Изд-во МГУ, 2002. - 226 с.

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

35. Мерфи А. Дж. Плавка и литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1959, - 646 с.

36. Аглицкий В.А. Пирометаллургическое рафинирование меди: -М.: Металлургия, 1971.-е. 320.

37. Козлов В.А., Набойченко С.С., Смирнов Б.Н. Рафинирование меди. М.: Металлургия, 1992, 268 с.

38. Курдюмов A.B., Пикунов М.В., Чурсин В.М. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. М.: Металлургия, 1996. - 504 с.

39. Термодинамический анализ для невакуумного плавления сплава Cu-Cr-Zr / Mu Si-guo, Tang Yu-qiong, Guo Fu-an, Tang Mo-tang, Peng Chang-hong UM.: ВИНИТИ, 2009. № 08.11-15И.17.

40. Николаев A.K., Пружинин И.Ф., Розенберг В.М. Влияние легирования на рекристаллизацию меди. Научные труды института сплавов и обработки цветных металлов (гипроцветметобработка). Выпуск 48. под редакцией В.М. Розенберга. М.: Металлургия, 1975 г. 25-31 с.

41. Смирягин А.П. Промышленные металлы и сплавы. М.: Металлургиздат. 1956 г. 559 с.

42. Куликов И.С. Раскисление металлов: -М.: Металлургия, 1975. 256с.

43. Елисеев Е.И., Колесов Г.Н., Бородулина Г.И. Определение концентрации кислорода в анодной меди. / Цветная металлургия. 2008г. - № 1. - С. 3-6.

44. Тен Э.Б., Бадмажапова И.Б., Киманов Б.М. Кинетика раскисления жидкой меди углеродом// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2008 .- № 7.-М.: МИСиС.- С.41-45.

45. Обзор сплавов Cu-Cr-Zr с высокими прочностью и проводимостью: Ye Quan-Hua, Liu Ping, Liu Yong, Tian Bao-Hong. M.: ВИНИТИ, 2006. № 07.02-Г5И.356.

46. Растворение хрома в жидкой меди. / Белоусов Н.П., Сергеев JI.H., Хныжов Б.Н. // Цветные металлы. 1981. - №4. - С. 61- 62.

47. Структура и свойства; композиционных материалов на основе системы Cu-Cr, полученных методом механического легирования / Аксенов A.A., Просвиряков A.C., Кудашев Д.В., Гершман И.С. // Известия Вузов; Цветная металлургия. 2004. - №6;-С. 39-46.

48. Влияние экструдирования на микроструктуру и свойства'; субмикрокристаллического сплава Cu-5%Cr. Не Wenxiorig, Wang Erde, Hu Lianxi, Yu Yang, SuniHongfei; M.: ВИНИТИ, 2009. № 09.03-15И.396. '

49. Салтыков С. А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976 г. - 270 с.

50. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация • сплавов,, затвердевание отливок: Учебное пособие для вузов. М.: МИСиС, 2005. - 416 с.

51. Рабинович В.Я., Хавин 3. Я. Краткий химический справочник. Под ред. А.А. Потехина и А.И. Ефимова. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1991.-432 с.

52. А.с. 1324808 (СССР). Флюс для высокотемпературной пайки стали медномарганцевыми припоями / Ю.Ф. Шейн. 1988.

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

54. Качественные характеристики особо чистых графитов Электронный ресурс. Режим доступа: http ://www. energoprom.ru/print/production/speci al graphites/pure/. Дата обращения: 10.10.2010.

55. Фиалков А.С. Процессы и аппараты производства порошковых углеграфитовых материалов. М.: Аспект Пресс, 2008, 687 с.

56. Григорян В.А., Белянчиков Я.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1987 г., 272 с.

57. Пайка и металлизация сверхтвердых инструментальных материалов. Найдич Ю.В., Колесниченко Г.А, Лавриненко И.А., МоцакЯ.Ф. К.: «Наук, думка», 1977. 186 с.

58. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургия. 1987. 688 с.

59. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. Учебник для вузов / Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. 3-е изд., перераб. и доп. - М: МИСиС, 1999. - 416 с.

60. Роднянская А.Л. «Исследование сплавов и термодинамический расчет диаграмм состояния систем Cu-Cr-Zr и Cu-Cr-Zr-Ca. Автореф. дисс. канд. техн. наук 24.12.77 / А.Л. Роднянская; «МИСиС». Москва, 1977. - 24 с.

61. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник, выпуск первый. Торопов H.A., Барзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева H.H. М.: Наука, 1965г. 824 с.

62. Стоимость металлопроката из хромовых бронз. Электронный ресурс. Режим доступа: http://lig.tiu.ru. Дата обращения: 12.11.2010.

63. Стоимость лома цветных металлов. Электронный ресурс. Режим доступа: http://http://www.vtormetplus.ru/. Дата обращения: 12.11.2010.