Способ рафинирования сплавов Советский патент 1992 года по МПК C22B9/10 

СО

с

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.

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 Оме-фл на границе между солевым и металлическим расплавами. Для обработки алюминиевых сплавов из системы NaCI-KCI-NaF рекомендован состав легкоплавкого флюса (Тпл 875 К) с содержанием индивидуальных солей, приближающимся к эвтектическому, мае. %: 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 случаях1 имеют

место трудности удаления отработанного флюса с зеркала металла, обусловленные пониженным значением межфазного натяжения (Стме-фл 310 мДж/м2) 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 при 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 включе 2

О

:О iOO

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 жидкопод- вижных 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 аме-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/м2 при 1098 К. Это относительно низкое значение межфазного натяжения сочетается с хорошей отде- ляемостью 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/м2)

требует значительного перегрева флюса (1100 К), а следовательно, и металла при рафинировании, что увеличивает степень окисления и газонасыщенности, а также

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 пол0 ным образом удаляются газовые и неметаллические включения. Для жидких алюминиевых сплавов диапазон температур рафинирования принимается в пределах 990..,1000 К. При этих температурах значение межфаз5 ного натяжения для флюса-прототипа составит 0ме-фл 570-600 мДж/м . Повышение межфазового натяжения, имеющее место при снижении температуры металлической ванны от Т 1100 К до температуры

0 рафинирования, должно вызывать ухудшение условий смачивания оксидных включений флюсом и кинетические торможения при их переходе в объем рафинирующей фазы.

5Высокая температура плавления флюса-прототипа (Тпл 973 К) и сравнительно высокая вязкость его при температуре рафинирования должны затруднять процесс растекания этого солевого расплава по

0 поверхности включений,

Необходимо отметить также высокое отношение фторидной добавки в прототипе к его хлоридной основе ( 0,18), что должно привести к быстрой утрате флюсом способ5 ности к смачиванию включений оксидов из- за блокирования межфазной поверхности продуктами реакции, имеющей место между алюминием и фторидной частью флюса Целью изобретения является разработ0 ка способа рафинирования цветных расплавов, включающего их очистку от газовых и неметаллических включений с помощью легкоплавких флюсов, характеризующихся высокой смачиваемостью инородных час5 тиц, 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.

0 Для достижения поставленной цели после диспергирования хлоридно-фторидного легкоплавкого флюса его замешивают в объем металла, после чего осуществляют выдержку до всплытия капель рафинирующей

5 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 отработанного

флюса за счет его впитывания в межзерен- ные 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 поданному 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

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, Стме-фл, а следовательно, затрудненными условиями при переходе включений из металла в объем рафинирующей фазы.

Межфазное натяжение флюсов Г7Ме-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, АР , 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

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 результатам просмотра металлографического шлифа в 40 полях зрения. Оценку ЭР производили по соотношению:

ЭР

Vi

V

где Vi, V - объемная доля, занятая включениями в нерафинированном Vi и рафинированном V металле.

Дополнительно, полноту впитывания флюса в поры поглотителя оценивали по объемной доле флюсовых включений /фл, 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

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 обработайного флюса с последующим введением на поверхность флюса хлоридов щелочных металлов зернистостью 0,32-0,40 мм при соотношении их масс 0,8-1,0.

ел ел

Примечание. Рафинирование производили при 773 К.

-I

-Ib

о

J

о со