Растворение металлов в расплавах металлов

Обновлено: 02.07.2024

Получение меди и ее сплавов сопровождается рядом физико-химических процессов, главными из которых яв­ляются:

Некоторые из происходящих в плавильных печах про­цессов необходимы, другие нежелательны, так как при­водят к ухудшению качества слитков, дополнительным потерям цветных металлов и зарастанию футеровки пе­чей и миксеров.

Для придания металлу или сплаву жидкотекучести, обеспечивающей свободное его перемещение при запол­нении кристаллизатора или изложницы, к нему подводят тепло. Все способы нагрева шихтовых материалов в су­ществующих плавильных печах сводятся к трем основ­ным: а) нагрев сверху; б) нагрев с боков и снизу; в) на­грев всей массы металла индуктируемыми в металле то­ками.

Принцип нагрева металла сверху положен в основу работы отражательных печей. Нижним сло­ям шихтовых материалов или расплавленного металла тепло передается за счет теплопроводности. В то время как верхние слои шихты, нагреваясь, начинают оплав­ляться, нижние слои остаются относительно холодными. Металл верхних слоев, оплавляясь, стекает вниз и про­гревает нижние слои. Даже после полного расплавления всех шихтовых материалов жидкий металл имеет неоди­наковую температуру: верхние слои нагреты значительно выше, чем нижние. Для выравнивания температуры верх­них и нижних слоев расплав периодически перемеши­вают.

При нагреве сплава с боков или снизу создаются условия для конвекции. Более нагретый в нижней части ванны печи расплав поднимается вверх, а более холодный опускается вниз. При боковом или нижнем подводе тепла различие в температуре верхних и нижних слоев значительно меньше, чем при подводе тепла сверху.

Наиболее благоприятные условия для нагрева и перемешивания расплава, а следовательно, и для выравни­вания температуры во всем объеме жидкой ванны дости­гаются при плавлении в индукционных канальных пе­чах.

В случае приготовления тугоплавких металлов и спла­вов большое значение имеет очередность и последова­тельность загрузки компонентов шихты. В первую оче­редь загружают наиболее тугоплавкие компоненты и только после полного их расплавления — остальную шихту.

Металлы, способные легко окисляться и переходить в шлак или испаряться (марганец, магний, фосфор и др.) вводят в печь в конце плавки. Такой порядок за­грузки сокращает время взаимодействия их с компонен­тами сплава и атмосферой печи, что значительно сни­жает их потери.

Мелкие шихтовые материалы загружают в ванну пе­чи постепенно небольшими порциями и постоянно пере­мешивают с расплавленным металлом. При загрузке од­новременно большого количества мелкой шихты может произойти ее зависание над поверхностью расплава спекание в сплошную глыбу. После того как нижняя часть зависшей шихты расплавится, между ней и зерка­лом жидкого металла образуется заполненное парами цинка и газом пространство, медленно проводящее теп­лоту. Расплавленный металл в каналах будет перегре­баться, и это может привести к размягчению футеровки подового камня, прорыву через нее металла и выходу пе­чи из строя.

В рабочем пространстве плавильных печей без спе­циальной защитной атмосферы шихтовые материалы и расплавленный металл подвергаются воздействию кислорода, водорода, азота, водяного пара, окиси угле­рода, углекислого газа и др. В зависимости от этого над металлом в печи может быть окислительная, восстанови­тельная или нейтральная атмосфера. Если в печное пространство непрерывно поступает поток атмосферного воздуха, то в печи преобладает окислительная атмосфе­ра, если водород или окись углерода — восстановитель­ная. Для нейтральной атмосферы характерно одновре­менное присутствие окислительных и восстановительных газов.

Газ в зависимости от природы, концентрации, време­ни нахождения в печи, температуры и давления может действовать на металл или сплав следующим об­разом:

1) в результате химического взаимодействия с компо­нентами сплава образовывать продукты реакции, рас­творимые в сплаве;

2) в результате химического взаимодействия с отдель­ными компонентами сплава образовывать вещества, не­растворимые в сплаве;

Вероятность окисления того или иного элемента, вхо­дящего в сплав, зависит от химической активности этого элемента по отношению к кислороду. По степени актив­ности (сродству к кислороду) все металлы располагают в ряд, в котором-каждый предыдущий металл вытесняет (восстанавливает) последующий. В этом ряду металлы расположены в следующем порядке: кальций, магний,, литий, бериллий, алюминий, кремний, ванадий, марга­нец, хром, цирконий, фосфор, олово, кадмий, железо, ни­кель, кобальт, свинец, (углерод), медь, серебро, золото.

1) кислород свободно проникает (диффундирует) в жидкий металл и находится в расплаве преимуществен но в виде окислов, например меди, никеля. Длительное время окисление может идти беспрепятственно, так как на поверхности расплава нет плотной окиснои пленки;

2) кислород не может свободно диффундировать в жидкий металл, так как образует на поверхности распла­ва пленку окиси (свинец, олово, цинк, алюминий и др.). Окисление протекает за счет постепенного утолщения пленки окислов.

Характер взаимодействия медных сплавов с окисла­ми определяется составом входящих в него компонентов. Если сплав состоит из меди и никеля, то весь кислород будет находиться в расплаве. Присадка в сплав неболь­ших количеств элементов, образующих плотные пленки окиси, например алюминия, свинца и др., приводит к об­разованию на поверхности ванны пленки, защищающей расплав от дальнейшего окисления.

Растворимость газов в твердом металле значительно меньше, чем в жидком, поэтому при затвердевании рас­плава газы выделяются, образуя пористость в слитках. Анализ газов, содержащихся в твердой меди и ее спла­вах, показывает, что 80—90% их объема составляет во­дород. В обычных условиях плавки оловяннофосфористая бронза может растворить 3,5 см 3 водорода в 100 г металла, медь — до 16 см 3 , простая латунь — до 28 см 3 специальная латунь —до 245 см 3 . Приемлемо плотный металл должен содержать не более 10—12 см 3 водорода в 100 г металла. Поэтому при плавлении стремятся, что­бы металл как можно меньший период времени находил­ся в расплавленном состоянии.

В процессе работы печи ее футеровка подвергается физическим, механическим и химическим воздействиям расплавленных веществ. Нагрев ее до высокой темпера­туры — это физическое воздействие. Гидростатическое давление столба жидкого металла на футеровку и загру­жаемых шихтовых материалов на подину печи — меха­ническое воздействие. Химическое воздействие проявля­ется в виде обменных реакций между расплавом и футе­ровкой, в результате чего происходит износ ее и расширение каналов печи.

При длительной работе печи жидкий металл и глав­ным образом его пары проникают в футеровку на зна­чительную глубину. Потери металла вследствие этого составляют значительную величину (100% от массы фу­теровки). Для снижения потерь цветных металлов рабо­чую поверхность футеровки предварительно обрабатыва­ют солевым расплавом, состоящим из 80% поваренной соли и 20% криолита.

Огнеупорные футеровочные материалы в основном состоят из смеси окислов различных металлов (кремния, алюминия, магния, кальция и др.). Реакции между рас­плавом и футеровкой протекают в тех случаях, когда плавящийся металл обладает большим сродством к кис­лороду по сравнению с окислами огнеупоров. Металл образует окись, входящую в состав футеровки. Так, при плавлении сплавов, содержащих алюминий, последний будет вступать в химическое взаимодействие с кремнезе­мом по реакции:

При температуре выше 800° С реакция протекает энергично. Футеровка при этом не разъедается, а за­растает, так как окислы алюминия остаются на стенках кладки. После образования слоя окислов взаимодействие не прекращается, а идет дальше. Алюминий непрерывно проникает внутрь футеровки, а кремний переходит в рас­плав. Частицы футеровки могут также переходить в рас­плав и приводить к браку по неметаллическим включе­ниям.

Кроме того, во время плавки в расплаве присутствуют окислы, которые не остаются нейтральными по отноше­нию к футеровке печи. Взаимодействие окислов металлов с окислами футеровки (например, с окисью кремния) идет по реакциям:

Продукты реакций имеют температуру плавления 700—1200°С. В результате образования легкоплавких химических соединений футеровка постепенно разъедает­ся, что также приводит к загрязнению расплава.

Одним из основных условий получения качественных слитков является ведение процесса плавки под защитным слоем покровных флюсов. Все флюсы, применяемые для защиты расплава от окисления, подразделяются на ней­тральные и активные. Нейтральные флюсы не взаимо­действуют с расплавленным металлом и служат в основ­ном для предохранения расплава от окисления, газо­поглощения и охлаждения. Активные флюсы помимо защитных функций вступают во взаимодействие с рас­плавом или его отдельными составляющими.

Для защиты меди и ее сплавов от окисления чаще всего применяют древесный уголь. Рекомендуется при­менять уголь, выжженный из древесины лиственных по­род, раздробленный до кусков размером 30—80 мм. Пе­ред употреблением древесный уголь прокаливают при температуре 900—1000° С для удаления влаги и до за­грузки в печь или миксер хранят в герметических сосу­дах. Лучше всего использовать горячий уголь непосред­ственно после прокалки.

При плавлении медноцинковых сплавов древесный уголь не является достаточно надежной защитой от испа­рения цинка. Высокими защитными свойствами в этом случае обладают специальные флюсы, имеющие более низкую, по сравнению с приготовляемым сплавом, тем­пературу плавления и образующие на поверхности рас­плава жидкий покров, изолирующий металл от атмос­феры.

Присутствующие в шихте окислы металлов в процессе расплавления смачиваются флюсом и переходят в шлак.

При плавлении никелевых и медноникелевых сплавов с высоким содержанием никеля древесный уголь приме­нять Fieрекомендуется, так как он насыщает расплав углеродом, который придает металлу хрупкость. В каче­стве защитного покрова при производстве этих сплавов применяют бой оконного стекла, буру и др.

Иногда растворимые в сплаве примеси (железо, алю­миний и др.) путем окисления, например, закисью меди (медной окалиной) переводят в нерастворимые окислы, которые, как более легкие, всплывают на поверхность и растворяются во флюсе, а затем удаляются вместе со шлаком.

Флюс для каждого сплава или группы сплавов подби­рают опытным путем, учитывая его влияние на санитар­но-гигиеническое состояние атмосферы цеха, качество слитков, величину потерь цветных металлов и т.д.

Медь и ее сплавы в процессе нагрева и расплавления шихтовых материалов, перегрева и перелива расплава из печи в миксер и разливки в слитки подвергаются воз­действию атмосферы и, следовательно, окисляются кис­лородом воздуха. Если не принимать специальных мер. по раскислению (восстановлению) металлов, то остав­шиеся в расплаве окислы будут ухудшать технологиче­ские и эксплуатационные свойства деталей, изготовлен­ных из этих металлов или сплавов.

Под восстановлением понимается процесс вытеснения металлов из окислов более активными по отношению к кислороду веществами. Кроме того, для защиты рас­плава от окисления в процессе плавления предусматри­ваются специальные меры:

По характеру распределения в расплаве все раскислители делят на поверхностные и растворимые. Поверх­ностные раскислители в процессе взаимодействия с окис­лами металлов в расплаве не растворяются. Реакции восстановления окислов протекают только на поверхно­сти соприкосновения их с металлом. Несмотря на срав­нительно малую скорость восстановления, поверхностные раскислители широко применяют. Их можно легко нано­сить и удалять с поверхности расплавленных металлов, не загрязняя сплав и, следовательно, не ухудшая его свойств. Одновременно с восстановлением металлов из окислов поверхностные раскислители защищают зеркало металла от взаимодействия с кислородом воздуха, при­сутствующим в атмосфере печи или миксера. Наибо­лее распространенным поверхностным раскислителем при плавлении и литье меди и некоторых ее сплавов яв­ляется углерод, применяемый в виде древесного угля, ламповой сажи, графитового порошка и генераторно­го газа.

Чтобы ускорить процесс восстановления, иногда увеличивают площадь поверхности соприкосновения раскислители с расплавом. Это достигается перемешиванием расплава или пропусканием его через раскислитель, а иногда применяют одновременно несколько раскислителей, например древесный уголь, сажу и генераторный газ.

Растворимые раскислители распределяются по всему объему расплавленного металла, поэтому больше кон­тактируют с окислами, и процесс восстановления прохо­дит значительно быстрее. К числу растворимых в метал­ле раскислителей относят фосфор, вводимый в расплав в виде сплава меди с фосфором, цинк, магний, марганец, кремний, бериллий, литий и др.

При плавлении меди в индукционных канальных пе­чах в качестве раскислителей применяют главным обра­зом древесный уголь, генераторный газ и фосфор (меднофосфористую лигатуру). Химические реакции закиси меди с этими раскислителями могут быть представлены в следующем виде:

Фосфорный ангидрид P₂O₅имеет температуру возгон­ки 347°С. При температуре расплавленной меди он на­ходится в парообразном состоянии и легко удаляется из ванны. Капли расплавленной фосфорнокислой соли СuРО₃ остаются на поверхности жидкой меди в виде «масляных» пятен.

В результате взаимодействия с закисью меди таких раскислителей, как магний, марганец, кремний, берил­лий, литий и др., получаются продукты раскисления в ви­де мелко раздробленных твердых частиц окислов, рас­творенных в расплаве и трудно удаляемых из него даже при отстаивании. Расплавленная медь при наличии в ней таких частиц находится в кашеобразном состоянии; для придания необходимой жидкотекучести ее перегревают.

Отдельные частицы твердых окислов могут образо­вывать крупные ветви, которые после затвердевания рас­плава остаются в слитках в виде неметаллических вклю­чений, понижающих свойства металла. Поэтому раство­римые раскислители, дающие в результате реакции с закисью меди твердые продукты раскисления, широкого применения не имеют.

Для раскисления никеля и медноникелевых сплавов применяют главным образом марганец, кремний и маг­ний. Оловянные бронзы раскисляют фосфором (фосфо­ристой медью). Для латуней наилучшим раскислителем служит цинк, являющийся одновременно одним из основ­ных компонентов сплава. Иногда для повышения жид­котекучести латуни в нее в небольших количествах вво­дят фосфор.

Источник:
Буров А.В. Литье слитков меди и медных сплавов «Металлургия» 1972 г.

РАСТВОРЕНИЕ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА В РАСПЛАВЕ ПРИПОЯ

В процессе пайки растворение основного металла в расплавленном припое может протекать в следующих случаях:

1) когда расплав припоя не перемещается относи­тельно поверхности основного металла в зоне спая — статические условия взаимодействия;

2) когда припой после расплавления течет в капил­лярном зазоре — динамические условия взаимодействия.

Как в первом, так и во втором случае изменяются составы твердой и жидкой фаз, и на границе между ни­ми образуется поверхность раздела. Различие состоит в том, что при динамических условиях растворения в контакт с основным металлом, не смоченным припоем, вступает расплав припоя, который уже провзаимодей — ствовал с ним, поэтому в направлении от входной гал­тели к выходной интенсивность процесса растворения снижается.

Интенсивность растворения основного металла в рас­плаве припоя лимитируется или скоростью перехода атомов в пограничный слой, или скоростью их диффузии в расплаве припоя. Если скорость перехода атомов ос­
новного металла меньше скорости диффузии их в жид­кой фазе, т. е. лимитирует интенсивность растворения, то уравнение скорости растворения в случае взаимодей­ствия чистых металлов имеет вид [33]

где N— число атомов, остающихся в расплаве припоя в единице объема (т. е. не выделяющихся вновь на поверхность твердого металла);

W — вероятность перехода атомов основного метал­ла в расплав припоя;

р — поверхностная плотность основного металла или число атомов на единице площади поверх­ности;

5 — площадь растворяемого участка основного ме­талла;

со — скорость кристаллизации;

С — концентрация основного металла в расплаве припоя.

К моменту насыщения расплава припоя основным металлом между ними достигается динамическое равно­весие, т. е. Wр—0)^=0,

где Соо — концентрация насыщения расплава припоя основным металлом.

Подставив в уравнение (29) CVm—N и приняв во внимание предыдущее равенство, получим

где Уж — объем расплавленного припоя.

Проинтегрировав это выражение по времени и при­няв концентрацию основного металла в расплаве при­поя в начальный момент растворения равной нулю, по­лучим уравнение, описывающее кинетику растворения:

Если растворение основного металла лимитируется

диффузией в жидкой фазе, то уравнение скорости рас­творения можно записать:

где D — коэффициент диффузии атомов основного ме­талла в жидком припое;

б — толщина пограничного слоя жидкости, образу-
ющегося у поверхности основного металла.

Скорость изменения концентрации основного метал­ла в припое по аналогии с предыдущим:

dC __ £>Со° S Л С dt ~ 8 ‘ Уж с«

Интегрируя по времени с учетом равенства концен­траций основного металла в расплаве припоя в началь­ный момент растворения нулю, получаем кинетическое уравнение процесса растворения, лимитируемого диф­фузией в жидкой фазе:

В этом случае, когда скорость растворения зависит и от скорости перехода атомов основного металла в рас­плав припоя и от скорости диффузии в жидкой фазе, ки­нетическое уравнение имеет вид

сомножитель показателя экспо­ненты, называемый константой скорости растворения, для пер­вого случая равный Wp/Cи для второго DJб.

Константы скорости растворения меди в расплаве свинца, по данным А. Н. Парфенова, приведены в табл. 16.

Как видно из уравнений, во всех трех рассмотренных случаях [уравнения (31), (34), (35)] кинетика раство­рения характеризуется аналогичными зависимостями, 8G

Константы скорости растворения меди в расплаве свинца

Константа скорости растворения сс-104

Скорость растворе­ния, Х104 г/(см2-мин)

а расплав зоны сплавления насыщается по экспонен­циальному закону.

Из уравнения (35) следует, что кинетика растворе­ния основного металла в расплавленном припое опреде­ляется соотношением свойств взаимодействующих ме­таллов, площадью контакта между ними и количеством жидкой фазы.

Согласно экспериментальным данным, процесс рас­творения лимитируется в большинстве случаев диффу­зией в жидкой фазе. Это наблюдается, например, для систем медь—свинец, медь—висмут, никель—свинец, железо—ртуть и др. При растворении олова в оловянно­свинцовых сплавах лимитирующим фактором является переход через межфазную границу.

В работе [34] была исследована кинетика растворе­ния в олове и оловянносвинцовых припоях тонких ме­таллических покрытий с целью глубокого познания явлений, происходящих на межфазной границе. Прово­дилось принудительное разделение твердой и жидкой фаз при температуре исследования. Погружаемый в расплав припоя образец закрепляли в верхней его части зажимами из термостойкой кремнийорганической резины, расположенными на уровне зеркала расплава припоя. При извлечении образца из расплава жидкий металл удалялся, что позволяло получить поверхност­ные слои на образцах в том виде, в котором они сущест­вуют при температуре пайки. По данной методике была изучена кинетика растворения меди, никеля, серебра, золота, палладия и родия в олове и оловянносвинцовых припоях в интервале температур 200—330° С при вы­держке от 0,2 до 60 с. Покрытия на исследуемых образ­цах, нанесенные гальваническим способом на латунные

пластинки, имели толщину около 100 мкм. Перед погру­жением в расплав на оба конца образца на длине 2 мм наносили слой пасты, изолирующий пластину от взаи­модействия с расплавом. Эти участки служили эталоном исходной толщины слоя нанесенного металла. Осталь­ную поверхность покрывали флюсом ФКТС (15% кани­фоли, 3% салициловой кислоты, 1% триэтаноламина, 81% этилового спирта).

Кинетику растворения и диффузии изучали метода­ми металлографического, химического и рентгенострук­турного анализов.

Как показали исследования, кинетика роста интер — металлидных фаз в ходе растворения определяется весьма своеобразной зависимостью. На начальных ста­диях процесса резко увеличивается толщина слоя до максимума, после чего наблюдается или стабилизация фазы, например в случае меди (рис. 40), или ее раство­рение, иногда практически полностью, как в случае зо­лота.

Сопоставление зависимостей, приведенных на рис. 40 и 41, показывает, что чем больше скорость растворения, тем выше максимум ширины слоя промежуточной фазы и тем раньше Он достигается.

Микрорентгеноспектральный анализ промежуточных фаз показал, что при взаимодействии золота, палладия и родия с оловянносвинцовыми припоями возникают химические соединения, не соответствующие условиям равновесия в этих системах при исследуемых темпера­турах. Фактически образующиеся фазы СибБпз, Ni3Sn5, AuSn, Pd3Sn2, Rh3Sn2, за исключением AgsSn, имеют структуру никельарсенида, т. е. структурно однотипны. Это обстоятельство позволяет предположить, ЧТО во всех случаях имеет место однотипная низкотемператур­ная химическая реакция на поверхности твердого ме­талла.

При исследовании взаимодействия никеля с оловян­носвинцовыми припоями было обнаружено, что проме­жуточная фаза возникала только в чистом олове и при­пое ПОС80. В припоях ПОС61 и ПОС40 эта фаза не образуется, и растворения никеля практически не про­исходит. Этот факт можно объяснить тем, что скорость химической реакции зависит от концентрации веществ в поверхностном слое. В связи с этим после образова-

Рис 40. Толщина прослойки ннтерметаллида в за­висимости от состава припоя, температуры пайки и времени выдержки при взаимодействии с мед­ным покрытием:

а — чистое олово; 6 — ПОС 80; в ПОС 61, г — ПОС 40
24

1 81015 25 40 ВО 1 61015 25 40 ВО

Время быЗгржкч, с

а — чистое олово: б — ПОС 80; в ПОС 61;

г — ПОС 40 (пунктирные кривые соответствуют объе­му припоя 0,5 см3)

ния мономолекулярного слоя промежуточной фазы дальнейший ее рост связан с подводом реагирующего вещества (олова) через слой к поверхности раздела. В случае, если скорость подвода реагирующего веще­ства в зону реакции меньше той, которая необходима для образования промежуточной фазы, рост последней или вообще не происходит, или резко замедляется. Та­ким образом, протекание химической реакции в стацио­нарных условиях зависит от концентрации реагирующе­го вещества в поверхностном слое жидкой фазы.

Концентрация олова в фазе Ni3Sn4 составляет 55— 57% (по массе). В этих же пределах находится и кон­центрация олова в припое ПОС61. Поверхностно актив­ным компонентом в системе Sn—Pb является свинец, поэтому при данной концентрации олова в припое могут не создаваться условия для стационарного протекания реакции.

Анализ результатов экспериментов показал, что рас­творение твердого металла в жидком протекает как последовательная реакция, определяющаяся соотноше­нием констант скоростей образования и растворения не­которой промежуточной фазы (в данном случае хими­ческого соединения). При этом количество прореаги­ровавшего вещества соответствует уравнению

Q = Coo (1 — е~м), (36)

где Q — количество прореагировавшего вещества;

Соо — концентрация насыщения; k—константа скорости образования промежу­точной фазы.

Только при условии, что скорость растворения про­межуточной фазы много больше скорости ее образова­ния, уравнение (36) определяет количество перешедше­го в раствор твердого металла, что и было показано в работах [35—37].

Для расчета константы k по уравнению (36) мето­дом химического анализа были определены концентра­ции насыщения исследуемых металлов в оловянцосвин — цовых припоях.

Изучение характера растворения твердых металлов показало, что продвижение межфазной границы сопро­вождается равномерно чередующимися пиками и впади­
нами, например при растворении серебра в ПОС40 по­добные пики и впадины наблюдаются через 350— 400 мкм, или на 1 см2 поверхности их находится 700—900.

При хемосорбции вокруг активного центра происхо­дит спад хемосорбционного потенциала по закону ФЛ = ФоП — f(r)], (37)

где фг— потенциал хемосорбции на расстоянии г от занятого центра;

Фо—потенциал хемосорбции на бесконечном уда­лении;

Следствием этого является уменьшение скорости химиче­ской реакции на поверхности по мере удаления от активно­го центра и волнообразный фронт растворения.

С целью предупреждения образования интерметаллид — ных фаз при пайке, а также интенсивного растворения ос­новного металла в расплаве припоя наносят технологиче­ские и барьерные покрытия.

На рис. 42 приведена зависи­мость толщины никелевого по­крытия от количества жидкой фазы в шве. Полное растворение покрытия соответству­ет значениям, лежащим в заштрихованной области. На­рушение сплошности покрытия в отдельных случаях вы­зывает интенсивное растворение основного металла. На рис. 43 приведена микроструктура соединения стали Х18Н9Т с бронзой Бр. Х08 припоем ПСр 37,5. В резуль­тате растворения никелевого покрытия в припое произо­шло интенсивное избирательное растворение бронзы.

Зависимость толщины молибденового барьерного покрытия от длительности выдержки1 при пайке титана припоем ПСр МО-68 приведена на рис. 44.

При пайке разнородных металлов, образующих меж­ду собой твердые растворы или интерметаллические соединения, при растворении основного металла в рас­плаве припоя происходит перенос массы твердых ме­таллов через жидкую прослойку. В результате диффу­зионного перемещения атомов более растворимого из паяемых металлов к менее растворимому на последнем

Рис. 43. Микроструктура соедине­ния стали Х18Н9Т с бронзой Бр. Х08 припоем ПСр37,5 в среде аргона с BF3. Температура пайкн 930° С, ХІО0

образуется слой твердого раствора или интерметалли­ческого соединения. Например, при взаимодействии же­леза с алюминием и ниобия с кобальтом через прослой­ку расплава висмута на поверхности железа и ниобия образуются интерметаллиды. В случае взаимодействия железа с кобальтом и никелем в той же среде на по­верхности железа отлагается слой твердого раствора. Возможен также перенос неметаллических элементов, в частности углерода, который перемещается от менее сильных к более сильным карбидообразователям.

Если при пайке разнородных металлов один из них нерастворим в расплаве припоя, а при взаимодействии они образуют между собой интерметаллическое соеди­нение, отлагающееся на поверхности нерастворимого металла, то скорость образования интерметаллида ли­
митируется диффузией в твердой фазе, поскольку диф­фузия в жидкой фазе выше:

где dm— количество диффундирующего вещества;

D — коэффициент диффузии более растворимого металла в интерметаллиде; х — толщина слоя интерметаллида;

С—концентрация диффундирующего элемента в слое интерметаллида;

S — площадь контакта нерастворимого металла с зоной сплавления.

Если принять, что концентрация растворенного ме­талла за пределами слоя интерметаллида равна нулю, то в контакте с зоной сплавления концентрация в нем определится соотношением С=цп (где ц — коэффи­циент пропорциональности; п — концентрация раство­ренного металла в зоне сплавления).

а так как dm=aSdx, где а — коэффициент пропорцио­нальности, то предыдущее выражение можно записать в виде

После решения дифференциального уравнения по* лучим

При (=0 х=0 и, следовательно, Л = 0. Тогда урав­нение, выражающее зависимость толщины слоя интер­металлида от времени выдержки при температуре пай­ки, примет вид

Таким образом, скорость роста интерметаллида при переносе массы с одного металла на другой через слой расплава зависит от коэффициента диффузии раство­ренного металла через слой интерметаллида и его кон­центрации в зоне сплавления.

При неизменной температуре пайки коэффициент диффузии и концентрация растворенного металла в зоне

сплавления постоянны, тогда, обозначив Dti’^-=p, по-

т. е. закономерность роста толщины слоя интерметалли­да на поверхности основного металла при пайке одно­родных металлов в результате взаимодействия с при­поем и разнородных металлов при взаимодействии меж­ду собой одинакова.

Растворимость металлов в их расплавленных солях

ностей технических аппаратов, так и от физико-химических условий процесса.

Рассматривая механизм потерь металла при электролизе расплавленных сред,

Р.Лоренц установил, что основной причиной является растворимость метал-

лов в расплавах. Растворенный металл диффундирует частично к аноду, где

взаимодействует с продуктами анодного разряда, а частично всплывает на по-

верхность электролита, где окисляется и испаряется. Устанавливается динами-

ческое равновесие, когда вместо исчезнувшего из расплава растворенного ме-

талла растворяется новое его количество. При небольших по абсолютному

значению количествах растворяющегося в соли металла потери его могут

быть чрезвычайно велики. Поэтому данные по растворимости металлов в рас-

плавленных солях и зависимости ее от физических и химических факторов

приобретают большое практическое значение.

В настоящее время считают, что растворение металла в расплавленной

соли происходит без образования коллоидов, растворяющийся металл, реаги-

руя с солью, образует химические соединения с пониженной валентностью

иона металла, например CaCl, PbCL A1F и т.п. Последние устойчивы в опре-

деленном интервале температур и разлагаются на нормальную соль и металл с

изменением температуры. При понижении температуры металл в расплаве мо-

жет собираться в агрегаты коллоидных размеров.

Установлено, что с повышением температуры процесс растворения уско-

ряется, и количество растворенного металла в расплаве также растет до неко-

Растворимость металлов в чистых солях обычно выше, чем в смесях со-

лей, в особенности с резко различной природой катионов. Например, раство-

римость Рb в РbС12 при 6100С равна 3,74·10-4 вес %, а в эквимолекулярной

смеси РbСl2—КСl только 0,06·10-4 вес %.

Производство алюминия

2.2.1 Свойства алюминия и области его применения

Алюминий — химический элемент третьей группы периодической систе-

мы элементов Д. И. Менделеева. Его порядковый номер 13, атомная масса

26,98. Устойчивых изотопов алюминии не имеет.

Химические свойства

Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200°С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

При 500°С – с фосфором, образуя фосфид алюминия:

При 800°С реагирует с азотом, а при 2000°С – с углеродом, образуя нитрид и карбид:

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения – алюминиды, например, CuAl₂, CrAl₇, FeAl₃ и др.

Взаимодействие с водой

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

8Al + 30HNO₃ = 8Al(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O (в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

Взаимодействие со щелочами

Алюминий – амфотерный металл, он легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

при сплавлении с образованием алюминатов:

Восстановление металлов из оксидов и солей

Алюминий – активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:

Области применения

Алюминий обладает целым рядом свойств, которые выгодно отличают его от других металлов. Это − небольшая плотность алюминия, хорошая пластичность и достаточная механическая прочность, высокие тепло- и электропроводность. Алюминий нетоксичен, немагнитен и коррозионностоек к ряду химических веществ. Благодаря всем этим свойствам, а также относительно невысокой стоимости по сравнению с другими цветными металлами он нашел исключительно широкое применение в самых различных отраслях современной техники.

Значительная часть алюминия используется в виде сплавов с кремнием медью, магнием, цинком, марганцем и другими металлами. Промышленные алюминиевые сплавы обычно содержат не менее двух−трех легирующих элементов, которые вводятся в алюминий главным образом для повышения механической прочности.

Наиболее ценные свойства всех алюминиевых сплавов − малая плотность

(2,65÷2,8), высокая удельная прочность (отношение временного сопротивления к плотности) и удовлетворительная стойкость против атмосферной коррозии.

Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы подвергают горячей и холодной обработке давлением, поэтому они должны обладать высокой пластичностью. Из деформируемых сплавов широкое применение нашли дуралюмины − сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Имея небольшую плотность, дуралюмины по механическим свойствам близки к мягким сортам стали. Из деформируемых

алюминиевых сплавов, а также из чистого алюминия в результате обработки давлением (прокатка, штамповка) получают листы, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Расход алюминия на изготовление этих полуфабрикатов составляет около 70 % его мирового производства.

Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей, а также для других целей.

Из литейных сплавов получают фасонные отливки различной конфигурации. Широко известны литейные сплавы на основе алюминия − силумины, в которых основной легирующей добавкой служит кремний (до 13%).

В настоящее время алюминий и его сплавы используют практически во всех областях современной техники. Важнейшие потребители алюминия и его сплавов — авиационная и автомобильная отрасли промышленности, железнодорожный и водный транспорт, машиностроение, электротехническая промышленность и приборостроение, промышленное и гражданское строительство, химическая промышленность, производство предметов народного потребления.

Использование алюминия и его сплавов во всех видах транспорта и в первую очередь − воздушного позволило решить задачу уменьшения собственной (“мертвой”) массы транспортных средств и резко увеличить эффективность их

применения. Из алюминия и его сплавов изготавливают авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и другие детали.

Алюминием и его сплавами отделывают железнодорожные вагоны, изготавливают корпуса и дымовые трубы судов, спасательные лодки, радарные мачты, трапы.

Широко применяют алюминий и его сплавы в электротехнической промышленности для изготовления кабелей, шинопроводов, конденсаторов, выпрямителей переменного тока. В приборостроении алюминий и его сплавы используют в производстве кино- и фотоаппаратуры, радиотелефонной аппаратуры, различных контрольно-измерительных приборов.

Благодаря высокой коррозионной стойкости и нетоксичности алюминий широко применяют при изготовлении аппаратуры для производства и хранения крепкой азотной кислоты, пероксида водорода, органических веществ и пищевых продуктов. Алюминиевая фольга, будучи прочнее и дешевле оловянной, полностью вытеснила ее как упаковочный материал для пищевых продуктов. Все более широко используется алюминий при изготовлении тары для консервирования и хранения продуктов сельского хозяйства, для строительства зернохранилищ и других быстровозводимых сооружений. Являясь одним из важнейших стратегических металлов, алюминий, как и его сплавы, широко используется в строительстве самолетов, танков, артиллерийских установок, ракет, зажигательных веществ, а также для других целей в военной технике.

Алюминий высокой чистоты находит широкое применение в новых областях техники − ядерной энергетике, полупроводниковой электронике, радиолокации, а также для защиты металлических поверхностей от действия раз личных химических веществ и атмосферной коррозии. Высокая отражающая способность такого алюминия используется для изготовления из него отражающих поверхностей нагревательных и осветительных рефлекторов и зеркал.

В металлургической промышленности алюминий используют в качестве восстановителя при получении ряда металлов (например, хрома, кальция, марганца) алюмотермическими способами, для раскисления стали, сварки стальных деталей.

Широко применяют алюминий и его сплавы в промышленном и гражданском строительстве для изготовления каркасов зданий, ферм, оконных рам, лестниц и др. По масштабам производства и значению в народном хозяйстве алюминий прочно занял первое место среди других цветных металлов.

Особенности плавки цветных металлов и сплавов

В большинстве случаев плавку цветных металлов ведут на воздухе. Металлические расплавы взаимодействуют с атмосферой и огнеупорными материалами, они по ходу плавки могут загрязняться различного рода примесями.

Газовой средой, с которой при плавке и разливке соприкасается металлический расплав, является не только обыкновенный воздух, но и продукты сгорания органического топлива, различные специально используемые газы (аргон, азот, гелий), т.е. в газовой среде над расплавом могут содержаться кислород, азот, пары воды, оксиды углерода (СО и СО₂), сернистый газ SO ₂ , метан СН₄.

- первый тип - расплав не вступает во взаимодействие с газами и не растворяет в себе газ (полная инертность); так ведут себя все жидкие металлы в атмосфере инертных газов (аргон, гелий и др.). Практически полная инертность наблюдается между многими элементами и азотом (медь - азот, цинк - азот и др.), а также водородом (олово - водород, свинец - водород) и кислородом (золото -кислород);

- второй тип - образуется устойчивое соединение металл - газ; это происходит между кислородом и жидким алюминием, магнием, цинком, оловом. Расплав загрязняется частицами этих соединений;

- третий тип - в расплаве образуются растворы газа; подобный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл - водород (М§, Al , Cu , Ni , Fe ), металл - кислород ( Cu , Ni , Fe ).

Водород обычно составляет основную долю газов, обнаруживаемых в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода - вода, которая реагирует с расплавом по реакции Ме + Н₂О — МеО + 2[Н]_Ме, т.е. металл восстанавливает водород, который в атомарном состоянии легко растворяется в расплаве (табл.1). Вода содержится в шихте, футеровке, шлаках.

Кислород активно взаимодействует с большинством металлов, образуя оксиды и растворы кислорода. Если кислород находится в растворенном виде, то необходимо раскисление, т.е. перевод кислорода в нерастворимую форму. Нерастворимые оксиды удаляются из расплава отстаиванием, фильтрованием и пр.

Легкоплавкие металлы , включая Mg и Al , не растворяют кислород (табл.1), их взаимодействие выражается только в образовании на поверхности расплавов пленки нерастворимых оксидов. Сплавы на основе легкоплавких металлов при любых легирующих элементах ведут себя с кислородом подобно чистым металлам.

Особенность поведения растворов кислорода в жидких металлах при плавке на воздухе состоит в том, что при охлаждении и кристаллизации расплава этот газ никогда не выделяется в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (система Ti - O ), либо в твердые соединения - оксиды (системы Cu - O , Fe - O ).

Азот в легкоплавких металлах не растворяется (табл.1). Более тугоплавкие металлы, начиная с марганца, растворяют азот, причем в Mn , Ni и Fe при понижении температуры, особенно при кристаллизации, растворимость азота в металлах снижается, и это может вызвать появление газовой пористости азотного происхождения. В расплавах Ti , V и Cr , насыщенных азотом, наоборот, при снижении температуры азот полностью переходит в твердый раствор ( Ti - N ) или образует нитриды ( Cr - Ni ).

Азот, оставшийся в твердом металле, является причиной резкого снижения пластичности металла, особенно если образует хрупкие нитридные фазы.

Пары воды взаимодействуют почти со всеми металлами при тех температурах, когда они находятся в жидком состоянии. Легкоплавкие металлы не растворяют в себе ни кислород, ни водород. Следовательно, в жидком состоянии эти металлы будут окисляться парами воды и покрываться пленкой нерастворимых оксидов. Жидкий Mg и Al будут растворять выделяющийся водород. Поэтому плавка этих металлов в атмосфере, содержащей вредные пары, будет вызывать не только загрязнение расплава неметаллическими включениями оксидного характера, но и насыщать его водородом. Все остальные металлы (табл.7) способны растворять и кислород и водород. Поэтому при плавке в атмосфере, содержащей водяные пары, они будут загрязняться и водородом и кислородом.

Оксид углерода СО с легкоплавкими металлами (до алюминия) взаимодействует по реакции Ме + СО = МеО + С. Более активные металлы из данной группы ( Mg , Al ) будут окисляться в атмосфере СО при обычных температурах плавления. Поэтому атмосфера этого газа для данного металла является окислительной, вызывающей загрязнение расплава неметаллическими включениями.

Жидкие медь и серебро способны растворять кислород, но в контакте с СО расплавы устойчивы. Это объясняется тем, что реакция между металлом и СО практически не идет. Оксид углерода является надежной защитной средой при плавке этих металлов.

Все остальные жидкие металлы, указанные в табл. 1, растворяют и кислород и углерод. Поэтому они насыщаются при плавке растворенными углеродом и кислородом, и при кристаллизации в металле возникает пористость, образованная ионооксидом углерода.

Диоксид углерода (СО₂) практически не взаимодействует с жидким металлом, обладающим малым сродством к кислороду ( Bi, Pb , Аg, С u ). Поэтому плавку этих элементов можно производить в среде СО₂. Для всех остальных металлов чистый СО₂ является окислительным газом.

Сернистый газ ( SO )₂ c металлами, которые не растворяют кислород, но растворяют серу ( Sn , Рв, Al ), взаимодействуют по реакции

Следовательно, расплавы этих металлов будут загрязняться включениями оксидов и растворенной серой. Для металлов, способных растворять кислород и серу ( Ag , Cu , Mn , Ni , Fe ), реакция с SO ₂ может быть записана в следующем образом:

При понижении температуры у всех металлов равновесие сдвигается вправо, в сторону разложения SO ₂ . Исключение составляют медь и серебро, у которых снижение температуры смещает равновесие влево, в сторону образования SO 2.

Метан (СН₄) может присутствовать в атмосфере газовых печей, работающих на мазуте и природном газе. Метан при температуре выше 1000 о С диссоциирует на элементы, что может вызвать насыщение расплава водородом и углеродом одновременно.

Жидкие металлы, находясь в плавильных печах и тиглях, соприкасаются с материалами, используемыми для футеровки ванн плавильных печей и разливочных ковшей, а также для изготовления плавильных тиглей. Эти материалы можно разделить на оксидные, оксидно-графитовые, чисто графитные, карборундовые, металлические.

Наиболее опасным является взаимодействие металлического расплава с оксидом футеровки по реакции Ме + RO ↔ Me + [ R ]. При таком взаимодействии не только разрушается футеровка, но и происходит загрязнение расплава восстановленным элементом R и оксидами Ме или растворенным кислородом.

Оксидно-графитовые материалы, представляющие собой смесь шамота с 30 - 40% графита, имеют огнеупорность 1300 - 1400 о С и используются для плавки металлов, не взаимодействующих с С и SiO ₂ . Шамотно-графитовые тигли и спользуют для плавки алюминия, меди и их сплавов, а также сплавов на основе золота и серебра.

Графит на воздухе очень быстро сгорает, начиная с 600 - 700 о С, хотя сам по себе способен работать до 2500 о С. Графитовые огнеупоры пригодны для плавки легкоплавких металлов. Наиболее часто графит применяют для плавки меди и ее сплавов, однако, начиная с 600 о С, необходима защита от их окисления.

Карборундовые материалы (~ 80% SiC , остальное - тугоплавкие оксиды) очень огнеупорны (~ 2000 о С) и химически стойки. Карборундовая футеровка применяется для плавки алюминиевых и медных сплавов, которые практически не реагируют с SiC .

Металлические материалы используются для изготовления плавильных емкостей, предназначенных для выплавки сравнительно легкоплавких материалов. Этими материалами в основном являются чугун и сталь. Основной вид взаимодействия расплавов с подобными материалами - простое растворение железа, причем загрязнение железом некоторых металлов может быть достаточно велико, например: при 700 о С в алюминии может раствориться 2,5% Fe . Чтобы предотвратить насыщение расплавов железом, внутреннюю поверхность тиглей окрашивают специальным составом.

Таким образом, получаемые при плавке расплавы могут содержать различные примеси, которые вносятся исходными материалами (шихтой), появляются в ходе плавки в результате взаимодействия с атмосферой и огнеупорными материалами.

Примеси в металлических расплавах могут присутствовать в растворенном виде и в виде нерастворимых взвешенных частиц. К растворимым примесям относятся:

- металлы (Р b , Sn , Al в сплавах на основе железа, никеля и меди; Fe в сплавах на основе алюминия и магния);

Если при взаимодействии с воздухом на поверхности расплава образуются нерастворимые соединения и возникающая пленка этих соединений замедляет дальнейшее взаимодействие, то в этом случае плавку ведут при прямом контакте с атмосферой (например, плавление большинства алюминиевых сплавов). Если же образующаяся пленка непрочна и неспособна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия, то принимают специальные меры, используя флюсы, шлаки или защитные атмосферы.

Защитные флюсы и шлаки - это сложные сплавы солей и оксидов, загружаемых на поверхность расплава. Флюсы вводят для образования жидких шлаков, очищающих металл от нежелательных примесей. В зависимости от назначения флюсы подразделяют на покровные (защитные), рафинирующие и универсальные. Флюсы и шлаки должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый металлический расплав, менее плотными, чем жидкий металл и быть непроницаемыми для газов воздуха. Например, защитный шлак для плавки медных сплавов состоит из 73% SiО₂ и 27% NaO и плавится при 795 о С (водный раствор этого соединения называют жидким стеклом). Недостаток - испарение.

В тех случаях, когда невозможно или нежелательно использовать шлак или флюс, например при приготовлении сложных сплавов с химически активными добавками, а также из-за опасности разъедания футеровки и загрязнения расплава используют защитные атмосферы, например аргон, или применяют плавку в вакууме (это наиболее надежный способ получения чистых металлов). Но, несмотря на защиту, металлические расплавы все же загрязняются различными примесями металлов и неметаллов, растворимыми и нерастворимыми в расплаве.

Растворимые примеси удаляют химическими способами, нерастворимые (неметаллические включения) примеси - механическими способами.

Рафинирование расплавов от растворенных примесей проводят во время приготовления сплава путем окисления, хлорирования, обработки флюсами или вакуумной дистилляцией.

Рафинирование окислением применяют в тех случаях, когда сплав способен растворять кислород. Этим методом можно очистить расплав от примесей, имеющих большее сродство к кислороду, чем основной компонент рафинируемого сплава.

Окислительное рафинирование проводят продувкой воздухом или введением в расплав окислителей. При контакте расплава с кислородом прежде всего происходит окисление основного металла, и расплав насыщается кислородом. После этого растворенные примеси, соединяясь с кислородом, образуют нерастворимые оксиды, которые переходят в шлак.

Хлорирование - это продувка расплавов газообразным хлором. Применяется для удаления примесей, обладающих большим сродством к хлору, чем основной металл и главные легирующие компоненты сплавов (например, удаление примесей Na и Mg из алюминиевых сплавов).

Рафинирование флюсованием применяют для удаления примесей, которые образуют летучие или легко шлакующиеся соединения с флюсом, не растворяющиеся в основном металле (например, очистка алюминиевых сплавов от магния криолитом).

Рафинирование вакуумной дистилляцией применяют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем основной металл (например, удаление цинка из алюминия).

Нерастворимые примеси могут иметь самые разнообразные размеры - от долей микрометра до миллиметров. В основном это оксидные соединения, хотя могут быть нитриды, карбиды, карбонитриды. Их называют неметаллическими включениями. Они резко снижают пластичность металлов, особенно при ударных нагрузках и низких температурах, а также существенно понижают коррозионную стойкость сплавов.

Источниками этих включений являются частицы футеровки, шлака, флюса, шихты, продукты физико-химических процессов, протекающих в расплаве.

Неметаллические включения можно удалить отстаиванием, продувкой газами, вакуумированием, обработкой флюсами и шлаками, фильтрованием.

Отстаивание, как правило, процесс длительный. Крупные частицы (более 100 мкм) отделяются за несколько минут, средние (10 - 100 мкм) - за десятки минут, а мелкие (менее 5 мкм) практически невозможно отделить отстаиванием. Этот прием неспособен дать глубокую очистку, но из-за своей доступности применяется часто.

Сущность рафинирования путем продувки газами или обработкой летучими веществами заключается в том, что газовые пузыри, проходя через расплав, захватывают встречающиеся на своем пути инородные включения и выносят их на поверхность расплава. Продувка газами позволяет удалить как крупные, так и мелкие (до 1 мкм) частицы. Для продувки обычно применяют аргон или азот. Иногда к аргону добавляют хлор (например, при продувке алюминиевых сплавов). Хлор разрушает оксидную пленку на внутренней поверхности газового пузырька, в результате чего улучшается прилипание пузырьков к частицам. Вместо газов для рафинирования алюминиевых сплавов используются также летучие твердые соединения - хлориды алюминия и марганца, хлористый цинк, гексахлорэтан и др. При обработке расплавов хлоритсый алюминий AlCl ₃ , хлористый аммоний NH ₄ Cl возгоняются, так как имеют низкую температуру возгонки: первый 180 о С, второй 338 о С. Хлориды марганца и цинка вступают во взаимодействие с расплавом:

При вакуумном рафинировании используется флотирующее действие пузырьков газа, выделяющихся из раствора. Остаточное давление при вакуумировании составляет 500 - 1000 Па.

Рафинирование обработкой флюсами основано на переходе частиц нерастворенных примесей в шлак или флюса в результате растворения или смачивания. Флюсы содержат повышенное количество фтористых солей и оксида натрия в виде Na ₂ CO ₃ . При этом способе необходимо активное перемешивание расплава с флюсом или шлаком. После рафинирования проводят отстаивание для всплытия капель шлака или флюса.

Наиболее эффективным способом удаления из расплава частиц нерастворимых примесей является фильтрование.

Рафинирование расплавов от растворенных газов (дегазация) - это удаление из расплавов водорода, азота, оксида углерода. Удаление растворенного кислорода осуществляется раскислением. Дегазацию осуществляют вымораживанием, продувкой газами, вакуумированием, обработкой флюсами, различными физическими воздействиями на металл.

Дегазация вымораживанием основана на уменьшении растворимости газов с понижением температуры. В печи расплав медленно охлаждают (вплоть до частичной кристаллизации), при этом растворенные газы выделяются в атмосферу через открытую поверхность расплава. После этого металл снова нагревают с максимальной скоростью. Этот способ весьма длительный, но достаточно эффективный.

Дегазация расплавов продувкой нерастворимыми газами основана на том, что в пузырьке такого газа парциальное давление растворенного в расплаве газа равно нулю и растворенный газ переходит из расплава в пузырек. В этом случае необходима большая поверхность пузырьков, т.е. желателен наименьший их размер (не более 0,1 - 0,5 мм).

Для продувки используют аргон (все сплавы), азот (медные и алюминиевые сплавы), азот с хлором (алюминиевые сплавы). Иногда используют летучие соединения - хлористый марганец (для медных и алюминиевых сплавов), хлористый цинк и гексахлорэтан (для алюминиевых сплавов).

Наиболее надежно позволяет дегазировать металлические расплавы вакуумирование. Понижение давления над расплавом приводит к выделению газов не только через поверхность расплава, но и во всем объеме в виде пузырьков. Центрами выделения растворенного газа являются мельчайшие пары и трещины на поверхности частиц примесей, всегда присутствующих в расплавах. Поэтому вместе с газовыми пузырьками на поверхность расплава всплывают и частицы примесей.

При обработке расплавов шлаками и флюсами также происходит дегазация. Однако механизм такого воздействия до конца не изучен.

Установлено, что некоторые физические воздействия на расплав (например, ультразвуковые колебания или обработка постоянным током) приводит к дегазации. Точная природа этих процессов пока не выяснена.

Раскисление (удаление растворенного кислорода) производят лишь при плавке тех металлов и сплавов, которые способны, находясь в жидком состоянии растворять кислород. Из цветных металлов обязательному раскислению подвергают никель и сплавы никеля с медью, железом, хромом, марганцем при обычной плавке на воздухе. Чистую медь и сплавы меди с серебром и никелем также необходимо раскислять. Сплавы меди с такими активными по отношению к кислороду металлами, как Zn , Al , Cr , Zr , почти не способны растворять кислород и для них раскисление не имеет смысла.

Сплавы на основе алюминия, магния, цинка, олова, свинца никогда не раскисляют. Кислород присутствует в расплавах этих металлов и их сплавов в связанном состоянии в виде нерастворимых неметаллических включений.

Модифицирование - это изменение структуры твердого металла за счет введения специальных добавок или в результате определенных условий плавки и обработки расплава. При модифицировании, как правило, происходит измельчение структуры. Это приводит к улучшению технологической пластичности и повышению механических свойств.

Модифицировать можно путем перегрева расплава и быстрого его охлаждения. Такое модифицирование весьма эффективно для многих алюминиевых и медных сплавов. Наложение на кристаллизующийся расплав механических или ультразвуковых колебаний также приводит к измельчению структуры. Разработана так называемая суспензионная заливка - это вид модифицирования путем растворения в струе расплава твердого сплава того же состава.

Наиболее распространенный способ модифицирования - это введение добавок - модификаторов. Эти добавки или являются дополнительными центрами кристаллизации (например, AlP , Al ₃ Ti , AsSc и др.), или затрудняют рост кристаллов (например, Na в алюминиевых сплавах).

Модифицирование с помощью добавок выполняют в конце плавки, так как модифицирующее действие добавок ограничено во времени. Количество добавок не превышает 0,1% от массы расплава.

Источник:
Л.П. Кочеткова «Металлургические процессы в машиностроительном производстве» Киров 2004

Читайте также:

  
• Энергия электронов в металле энергия ферми работа выхода
  
• Печной лак по металлу что это
  
• Строение металлов и их сплавов
  
• Торговое оборудование из металла
  
• Металлические модули для дачи