Способ рафинирования сплавов
Использование: литейное производство , в частности к процессам рафинирования цветных сплавов от неметаллических включений и газов. Сущность: разработка способа рафинирования цветных сплавов легкоплавкими флюсами, отличающимися высокой адгезионной активностью по отношению к взвешенным в металле включениям , но трудно удаляемыми с поверхности металла. Для повышения степени рафинирования от неметаллических и газовых примесей и предупреждения образования флюсовых включений в отливках предложен способ, в котором после диспергирования флюса расплав перемешивают, выдерживают до всплытия отработанного флюса, а затем на поверхность флюса наносят хлориды щелочных металлов зернистостью 0,32.. 0,40 мм при соотношении к массе флюса 0,8...1,0. 1 табл.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (si)s С 22 В 9/10
ГОСУДАР СТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4854130/02 (22) 26.07.90 (46) 15.06.92, Бюл, ¹ 22 (71) Уральский политехнический институт им. С.М.Кирова (72) А.С.Кауфман, В.В.Хлынов, Ю.П,Белый, А.Л.Савичев и С.В.Клинов (53) 669.715.018(088,8) (56) Цветное литье. Легкие сплавы. Под ред:
И.Ф.Колобнева, М.: Машиностроение, 1966, с.38. (54) СПОСОБ РАФИНИРОВАНИЯ- СПЛАВОВ (57) Использование: литейное производство, в частности к процессам рафинирования цветных сплавов от неметаллических вклюИзобретение относится к области литейного производства, а именно к процессам рафинирования, которые применяют для очистки металлических расплавов от инородных включении.
Известны способы рафинирования расплавов легкоплавкими флюсами с пониженными значениями межфазного натяжения (где-фд на границе между солевым и металлическим расплавами. Для обработки алюминиевых сплавов из системы NaCI — KCI — NaF рекомендован состав легкоплавкого флюса (Тлд 875 K) с содержанием индивидуальных солей, приближающимся к эвтектическому, мас.%: натрий хлористый 62,5; калий хлористый 12,5; натрий фтористый 25,7, Этот флюс может быть диспергирован в металлическом расплаве в жидком или порошкообразном состоянии, B обоих случаях имеют. Ж„„1740468 Al чений и газов. Сущность: разработка способа рафинирования цветных сплавов легкоплавкими флюсами, отличающимися высокой адгезионной активностью по отношению к взвешенным в металле включениям, но трудно удаляемыми с поверхности металла. Для повышения степени рафинирования от неметаллических и газовых примесей и предупреждения образования флюсовых включений в отливках предложен способ, в котором после диспергирования флюса расплав перемешивают, выдерживают до всплытия отработанного флюса, а затем на поверхность флюса наносят хлориды щелочных металлов зернистостью
0,32...0,40 мм при соотношении к массе флюса 0,8...1,0. 1 табл. место трудности удаления отработанного флюса с зеркала металла, обусловленные . -а пониженным значением межфазного натя-:
1 жения (UMe-фд = 310 мДж/м2) на границе с ф металлической фазой. Трудности удаления таких флюсов заключаются в том, что на поверхности металла всегда находятся неснятые остатки расплавленной соли, которые могут попасть в литейную заготовку при !00 заливке вместе с жидким металлом, Флюсовые включения снижают механические свойства отливок и слитков, способствуют их коррозионному разрушению. Поэтому такие флюсы почти не применяются в производственных условиях. В то же время известно, что солевые системы с пониженными значениям межфазного натяжения ..оме-фл отличаются от прочих лучшей способностью к извлечению оксидных включе1740468 ний, взвешенных в жидком металле. В этой связи применение таких систем в качестве флюсов для рафинирования цветных сплавов было бы весьма рационально в том случае, если решить проблему предупреждения попадания остатков расплавленной соли в тело отливки или слитка при заливке металла в форму или изложницу. Для решения этой проблемы необходима разработка способа полного удаления остатков отработанного флюса с зеркала металла до начала заливки (перелива) последнего, Известны способы удаления жидкоподвижных флюсов с зеркала расплавленного металла введением в состав солевых систем растворимых или нерастворимых веществ, называемых загустителями, Однако последние, хотя и обеспечивают удаление шлака с зеркала металла, способствуют росту межфазного натяжения флюса оме-фл и как следствие ухудшению условий извлечения включений, взвешенных в металле, с помощью рафинирующей фазы.
Наиболее близким к изобретению является способ переплава отходов и стружки алюминиевых сплавов с помощью флюса, имеющего состав, мас.%: хлорид натрия 50; хлорид калия 35; креолит натриевый 15. Солевая система в количестве 2 — 3% от массы шихты засыпается на поверхность последней в виде порошка сразу после ее загрузки. Флюс предназначен для очистки расплава от газов и окислов и для его защиты от воздействия атмосферы печи. Согласно способу межфазное натяжение флюса, используемого при рафинировании, составляет Оме-фл= 350 — 360 мДж/м при 1098 К.
Это относительно низкое значение межфазного натяжения сочетается с хорошей отделяемостью рассматриваемой солевой системы от поверхности металла, обусловленной образованием на этой поверхности вязкой корки отработанного флюса.
Указанные свойства флюса, используемого для рафинирования, характеризуют его удовлетворительную способность как к смачиванию окСидных включений, взвешенных в жидком металле, при достаточно высокой температуре обработки металлической ванны, так и к удалению образующейся шлаковой корки с зеркала металла.
Недостатки способа связаны в основном с неудовлетворительными физико-химическими свойствами применяемой солевой системы, содержащей значительное количество криолита, необходимого для повышения вязкости флюса. Достижение сравнительно низких значений межфазного натяжения такого флюса (350 — 360 мДж/м ) г требует значительного перегрева флюса (-1100 К), а следовательно, и металла при рафинировании, что увеличивает степень окисления и газонасыщенности, а также
5 приводит к излишним затратам энергии.
В то же время известно, что температуру рафинирования следует принимать в определенном интервале ее значений, при которых из жидкого металла наиболее пол10 ным образом удаляются газовые и неметаллические включения. Для жидких алюминиевых сплавов диапазон температур рафинирования принимается в пределах 990„,1000
К. При этих температурах значение межфаз15 ного натяжения для флюса-прототипа составит о е-фд = 570 — 600 мДж/м . Повы2 шение межфазового натяжения, имеющее место при снижении температуры металлической ванны от Т 1100 К до температуры
55 рафинирования, должно вызывать ухудшение условий смачивания оксидных включений флюсом и кинетические торможения при их переходе в объем рафинирующей фазы.
Высокая температура плавления флюса-прототипа (Tnn 973 К) и сравнительно высокая вязкость его при температуре рафинирования должны затруднять процесс растекания этого солевого расплава по поверхности включений, Необходимо отметить также высокое отношение фторидной добавки в прототипе к его хлоридной основе (0,18), что должно привести к быстрой утрате флюсом способности к смачиванию включений оксидов изза блокирования межфазной поверхности продуктами реакции, имеющей место между алюминием и фторидной частью флюса.
Целью изобретения является разработка способа рафинирования цветных расплавов, включающего их очистку от газовых и неметаллических включений с помощью легкоплавких флюсов, характеризующихся высокбй смачиваемостью инородных частиц, взвешенных в жидком металле при температуре его обработки, и наиболее полное удаление образовавшегося шлака с зеркала металла перед заливкой последнего в полость формы или кристаллизатора.
Для достижения поставленной цели после диспергирования хлоридно-фторидного легкоплавкого флюса его замешивают в объем металла, после чего осуществляют выдержку до всплытия капель рафинирующей фазы с последующим введением на поверхность отработанного флюса хлоридов щелочных металлов (например, натрия или калия) зернистостью 0,32-40,40 мм и ри соотношении к массе флюса 0,8-1,0, обеспечивающих полное удаление отработанного
1740468 флюса за счет его впитывания в межзеренные промежутки поглощающей фазы и удаления образовавшегося шлака.
Из анализа представленных в таблице результатов испытаний следует, что наиболее высокая эффективность рафинирования цветных сплавов от включений достигается в случае применения для этой цели способа рафинирования легкоплавкими солевыми композициями с пониженными значениями межфазного натяжения (см, составы 2, 3, 5 таблицы). Эффективность методов рафинирования с помощью флюсов, в состав которого введен загуститель, заметно ниже (составы 1 — прототип; 4 — флюс для рафинирования магниевых сплавов). Заметное снижение межфазного натяжения наблюдается при ограничении отношения фторидной добавки и хлоридной основе флюса. Из таблицы видно, что.составы флюсов, рекомендуемые для рафинирования по данному способу, либо не содержат фторидов в своем составе (флюсы 3 и 5), либо их отношение к хлоридной основе флюса не превышает
0,12 (флюс 2).
При рафинировании для обеспечения надежного удаления отработанного флюса с зеркала металла рекомендуется применение поглощающей фазы — хлоридов натрия или калия (см. флюсы 2, 3, 5). Из таблицы видно, что при использовании последней заметно снижается содержание включений флюса в литых изделиях.
Особое влияние на эффективность рафинирования оказывает зернистость (фракционный состав поглощающей фазы).
Наиболее высокая эффективность рафинирования наблюдается при зернистости поглотителя 0,32 — 0,4; при этом отмечается наименьшее содержание включений флюса в отливках, наивысшая абсорбционная емкость поглотителя по отработанному флюсу (колонка 10 таблицы), и наименьший расход поглощающей фазы (колонка 8 таблицы), При оценке способности флюсов к извлечению из цветных расплавов неметаллических и газовых включений подготовлены легкоплавкие солевые системы (составы 2 и
3) с низкими значениями межфазного натяжения на границе с металлической фазой при отношении суммы фторидов и хлоридной основе флюса, не превышающем 0,12, Полноту удаления легкоплавких флюсов с зеркала металла оценивали по результатам их впитывания в межзеренные промежутки зернистых материалов, различающихся фракционным составом, температурой плавления и растворимостью в солевом расплаве при различных отношениях массы материала к массе флюса. Одновременно с
55 испытуемыми приготовлены флюс-прототип (состав 1) и фторидно-хлоридный флюс для рафинирования магниевого сплава без применения поглотителя (состав 4). Эффективность способа рафинирования с применением флюса 4 сопоставлялась с таковой для флюса 3, используемого также при обработке магниевого сплава, но с применением поглощающей фазы.
Эффективность рафинирования отходов сплава ПОС Су 30 — 2 (флюс 5) оценивали только с применением поглотителя, поскольку при низком межфазном натяжении
его он полностью не удаляется с зеркала металла иным способом. Высокие требования к качеству расплавов для припоя не позволяют применять для их отработки флюсы, содержащие в своем составе загустители, Такие флюсы отличаются, как правило, значительной величиной межфазного натяжения, Ом<-фд, а следовательно. затрудненными условиями при переходе включений из металла в объем рафинирующей фазы.
Межфазное натяжение флюсов оМр-фд оценивали по результатам измерений с помощью метода максимального давления в капле металла, сформированной в среде жидкого флюса.
Фракционный состав зернистых материалов устанавливали на приборе 071 для определения гранулометрического состава по стандартной методике.
Температуру плавления солевых систем определяли с помощью метода дифференциального термического анализа, растворимость зернистых материалов во флюсах оценивали по известным данным.
Полноту впитывания легкоплавких флюсов в поры поглотителя оценивали предварительно по увеличению массы навески последнего, hP, помещенной в специальный патрон, приводимый в контакт с исследуемым солевым расплавом, находящимся в корундизовом тигле, помещенном в электрической печи сопротивления. Продолжительность впитывания принимали в интервале 60 — 80 с, Как показали предварительные эксперименты, эта продолжительность оказалась достаточной для прогрева зерен поглотителя, необходимого при впитывании солевого расплава р его межзеренные пространства. При увеличении продолжительности выдержки свыше 80 с во всех случаях отмечали значительное растворение зерен поглотителя во флюсе и обратное стекание последнего в солевую ванну. Эффективность рафинирования цветных сплавов по предлагаемому способу и прототипу
1740468
ЭР
55 проверяли на опытных отливках из сплавов
АЛ2, МЛ5 и отходов припоя ПОС Су 30 — 2 при литье в кокиль. Жидкий металл готовили в газовой печи ПБ2721, затем его переливали в раздаточный ковш. Предварительно приготовленные порошковые флюсы предлагаемых составов и прототипа в количестве 2 от массы расплава наносили на зеркало последнего в ковше, а затем порошки замешивали в объем расплава. Температура обработки была принята для алюминиевых и магниевых сплавов 1023К.
Отходы припоя предварительно перегревались до 773 К с целью надежного расслоения металла и флюса. После замешивания флюсов ковш с расплавом выдерживали в течение 10 — 12 мин для полного всплывания капель расплавленной соли на зеркало металла. Флюс-прототип и флюс состава 4 снимали с зеркала в виде корки, хорошо отделяемой от металла. В остальных случаях на поверхность жидкого флюса наносили поглощающую фазу слоем 2 — 3 см и после выдержки в течение 60 — 80 с образовавшийся шлак удаляли без затруднений с зеркала металла, Затем обработанный металл разливали в предварительно подогретые кокильные формы. В качестве поглощающей фазы применяли хлориды натрия и калия.
Эффективность рафинирования ЭР флюсами различного состава определяли по результатамм просмотра металлографического шлифа в 40 полях зрения. Оценку ЭР производили по соотношению: где V>, V — объемная доля, занятая включениями в нерафинированном V1 и рафинированном V металле.
Дополнительно, полноту впитывания флюса в поры поглотителя оценивали по объемной доле флюсовых включений Чф, обнаруженных в образцах рафинированного металла.
Результаты произведенных испытаний подтверждаются актом испытаний и микрофотографиями характерных полей зрения шлифов из сплава АЛ2, обработанных по способу с применением флюса состава 1— прототип и по предложенному способу с применением флюса состава 2. Объемная
50 доля, занятая включениями, во втором случае заметно снижается.
Использование предлагаемого изобретения при рафинировании цветных сплавов по сравнению с базовым (прототип), имеет следующие преимущества.
Обеспечивается повышение эффективности рафинирования металла за счет применения флюсов с наиболее высокой смачивающей способностью по отношению к неметаллическим включениям в расплаве, Снижается содержание включений флюса в отливках за счет его наиболее полного удаления после рафинирования с зеркала металла, Экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с базовым состоит в следующем: достигается повышение степени извлечения неметаллических включений из цветных сплавов за счет применения флюсов с пониженным значением межфазного натяжения и поглощающей фазы; снижаются затраты энергии и степень газонасыщенности металлического расплава за счет снижения температуры жидкой ванны при рафинировании, возможного в случае применения легкоплавких флюсов; улучшается обрабатываемость отливок за счет общего снижения содержания как неметаллических, так и флюсовых включений в отливках.
Экономический эффект от предлагаемого способа складывается в основном за счет увеличения механических свойств и улучшения обрабатываемости отливок вследствие уменьшения загрязненности сплавов включениями и снижения степени газонасыщенности жидкой металлической ванны при снижении температуры ее, возможном в случае применения легкоплавких флюсов, Формула изобретения
Способ рафинирования сплавов, включающий расплавление металла, диспергирование хлоридно-фторидного флюса и выдержку расплава, отличающийся тем, что, с целью повышения степени рафинирования от неметаллических и газовых примесей, после диспергирования флюса проводят перемешивание расплава, а выдержку осуществляют до всплытия обработанного флюса с последующим введением на поверхность флюса хлоридов щелочных металлов зернистостью 0,32 — 0,40 мм при соотношении их масс 0,8-1,0, 1740468
1
Г)
Г) а
80DcO
1
1 <С
1 fc
1 Z х е
IO о
2 с 3 х «3.
<Х а с z
0 Э х м со а <ч о оооо оооо
О) ЛС<3О О О С) оооо
С «
3-3
О)
Ю
Ф «30
x o
1O fO о
tZ3 С«3
w o CQ o оооо оооо
1
1 1 1
I tO fO
s a.
<3 Х .Л с) z
fO
О)
oо
О. < 3
X х tc
S е z сч о
Ю 3<б
«Ю СЧ с:) со
ОО <Г)О
Cl
О 3 оооо о
-о о.о
С) бсб
fD
«о
tot ООО С<СО сч сч м.а <Г) <Г) Ш о м м«х I S s а ас. о Ф Jl У I- l о ом о ол о St O O CZ3CO оо бсб<Ч О сч<чоо Ф ! Ю м со Ю а о с а z е Е S а v с э S О. с I I 1 1 I I I I 1 ! Г \ С Г\ Г м -т Г м -.Г с» м м сс м м Об с«\ бс\ 1 N х K 1 С I -м е Ъ с Ю Ю -а Ю С 3 CD со «Ъ CD Ю бо I 1 f I 1 1 I 1. 1 l 1 I l I 1 м бсб Ю «о Г CD СГ fc Ю л бсб бг3 fc c 3 а э с S а а S a s 3с со СО Z Iz х о а cztzs с с а a. o v О О X 2 ссас хxre 1 о о. s x Z л Ф е е 1O X a z fz а о s 2 z с е Ф о. — <Г) о а "х э Сб e u a c Iа е с е с а о s 2 z е О m )С С3 2 с Ф е G л tC Г) х с с t) С) о х а э z e х е х е s х 1 I 1O S <О Q. о с а * е S Ф ее е с a c о 2 lk СС сxo вх с Ю Ю -а а tc х с fO Е -с -о м о 3<С а а х х tcеz аs аe2 сl-ас О fc П) Е« х z а с а. С CZ IZ С X s х х z ааа,v е ООО2е сс)-со хх еа <Г а Ь S tc .с л ас с fO Е 10 Х Х е Z с <О C а с о с с v x о а с с) СО О. О. С О .G с -". с о х х ссс S X X o,aa ооо с с ххе 1 с с с 1 1 1 I 1 1 е о I У e I l-szestc * х I C) Э V i I tO X Б Е Олхое«) I I I I I I 1 О а а Ф с О МОО 1 I Ф Л Е ом о оо2сче Г) О СО о б 1 р Э t о)- vnl V S fO V еоХ2 эхо с О * С х <О. zеL л< )-хосе охссv I О) 1 I- 1 < 1 X 1 <О <- б б ФОС 101 ес С< О.с е а ol ces c l z аz fu >l fO 1 1 1 <С 1 1 S I х 1 I C) а е I 1 1 1 б tC с I I e z ос 1 1 Ol Е o.ce s I I ЕФV «О 1 о х. I I fO о< zаэ 1 3 I Е О Х «« Ф Е е б- сг бх<эхаэс О -Г) ХЕ ! О) I с < Ф О< ) ОХ О u l O) с ЭЕФО) S 0 0 Z а с) c< z. o s s лс o z av x < 3 1 3 I 1 I 1 I 1 I 1 1 1 1 I I I 1 1 I I I 1 1 I I б 1 I ! I 1 I I 1 б I I I I 1 ! I 1 1 а Q. fO хомосч оро м 3Z soooo а о с х tz S .с fO Y ОМОСЧ со о ам с хoooo а о с х.о о сч -а со Ic tO Ф х а а 0 х х Ф сас <Р <О fc Е Е с хХ)ОХ с о сссс Х X X S х a.o.ao. л 0 0 0 0 е хххх а S а СО СО W Г б, с soooo а о I 1 1 I I 1 1 1 1 ! 1 I 1 1 I .I I 1 I 1 l 1 1 1 I ! 1 I I 1 I I I 1 1 1 I 1 3 hC I М л л ° I S I а с 1 S с 1 S с о I CO 1 Ф 1 о а с I О) 1 X 1 «О I Ф о 1 Ct 1 X 1 I Э 1 fc 1 О I 1 Е I X 1 Z I fO ! I У I е 1 I S 1 а I с 1 ! «Г. 
