Способ рафинирования сплавов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1740468 1)5 С 22 В 9/10 И ИСАН БРЕТЕН ВИДЕТЕЛ ЬСТ РСКО К ский институт Ю,П,Белыи лавы. Под ред: троение, 1966,СОБ РАФИНИ ВАНИЯ СПЛА- ое производстрафинирования лических вклюОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР(56) Цветное литье. Легкие сИ,Ф,Колобнева, М,: Машинос 38 54) СПО РОВОВ57) Использование: литейнво, в частности к процессамцветных сплавов от немета Изобретение 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 Уме-фл на границе между солевым и металлическим расплавами. Для обработки алюминиевых сплавов из системы КаС - КС - МаР рекомендован состав легкоплавкого флюса (Тлл 875 К) 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, В обоих случаях имеют 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 0,320,40 мм при соотношении к массе флюса 0,81,0. 1 табл. место трудности удаления отработанного флюса с зеркала металла, обусловленные -а пониженным значением межфазного натя- . 1 жения ( Оме-фл = 310 мДж/м ) на границе с 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 приОо заливке вместе с жидким металлом, Флюсовые включения снижают механические свойства отливок и слитков, способствуют а их коррозионному разрушению. Поэтому такие флюсыпочти 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 включе 1740468ний, 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 )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 пол ным образом удаляются газовые и неметаллические включения, Для жидких алюминиевых сплавов диапазон температур рафинирования принимается в пределах 990,1000 К, При этих температурах значение межфаз ного натяжения для флюса-прототипа составит оме-фл = 570 - 600 мДж/м . Повы 2шение межфазового натяжения, имеющее место при снижении температуры металлической ванны от Т 1100 К до температуры20рафинирования, должно вызывать ухудшение условий смачивания оксидных включений флюсом и кинетические торможения при их переходе в объем рафинирующей фазы. 253035 404550 55 Высокая температура плавления флюса-прототипа (Тпл 973 К) и сравнительно высокая вязкость его при температуре рафинирования должны затруднять процесс растекания этого солевого расплава поповерхности 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 при соотношении к массе флюса 0,8-1,0, обеспечивающих полное удаление отработанногофлюса 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 всолевом расплаве при различных отношениях массы материала к массе флюса. Одновременно с 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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, оме-ф, а следовательно, затрудненными условиями при переходе включений из металла в объем рафинирующей фазы,Межфазное натяжение флюсов уме-фл 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, ЬР, помещенной в специал ьный 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 в 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 прототипу1740468 ЭР 55 проверяли на опытных отливках из сплавов АЛ 2, МЛ 5 и отходов припоя ПОС Су 30 - 2 при литье в кокиль. Жидкий металл готовили в газовой печи ПБ 2721, 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 1023 К. 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 Ч 1, Ч - объемная доля, занятая включениями в нерафинированном Ч 1 и рафинированном Ч 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 АЛ 2, обработанных по способу с применением флюса состава 1 - прототип и по предложенному способу с применением флюса состава 2, Объемная 5 10 15 20 25 30 35 40 45 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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,ОЗГ Юоооооооо сч С 03 О с ш (ох о е е(С с5 Се се цсо ха э5 фЕ фте еЕ 5т 1 1е хй о.о са5х еХ Феее са сццд а аСХОвес ОЮае а5сЕ,тх.О Ш ассе е е (о х х е х , й С ф а цс о а с О 55 е о.а с оо с ", с о х х С (Е (Е 5 5 5 а а а ооо с с - ххе с2 55 1 111 1ф о11 УЕ1 5 Е Е 5 - сх1 6 6 Ц е1 1 33 5 Б Эалеоф 31115(а1Офс3 о Схоо1 1 Ш С Эомоооясчее О Со Ео.111 р ф1оцф1 1О 5 Е Ц1 ее-ЕЯэео соасхв1л( -Хоайс х с с о1 331 1-1151 О1 1 1 1 еСе сС асФ аО СЕХ