автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка технологии производства литых заготовок из свинцовых латуней с регламентированными структурами и свойствами

гч

^r £ О ^

^ На правах рукспис гч ----------------------------------------------------------

^[IpfUJС ' В-.ЙС Ирина -.ндрсевна

/iLiUJ!JljilCDrtn/iC< VI rrtOr^ADuifcA iCjAnwJiuiyiii lirufiOXjG-uuTctn jiiiibiA

ЗАГОТОВОК ИЗ СВИНЦОВЫХ ЛАТУНЕЙ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫМИ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Спещ1альность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург

- 1937

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство" Уральского государственного технического университета - УПИ.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Поручиков Ю.П.

доктор технических наук, профессор Мысик Р. К. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор йткис З.Я.;

кандидат технических наук, доцент Поль В.Б.

Ведущее предприятие

Уральский институт металлов.

Защита состоится 20 октября 1997 года на заседании диссертационного совета Д 063.14. 01 Уральского государственного технического университета - УПИ по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул.Мира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул.Мира, 19, Уральский государственный технический университет - УПИ на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан ^^^^/4997 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.14.01 профессор, доктор технических наук

Шумаков Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО ТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование и широкое использование -технологий,-позволяющих целенаправленно- управлять структурообразова-нием литых заготовок для пластической обработки, является одним из важнейших резервов повышения качества и конкурентоспособности продукции отечественной промышленности, в т.ч. машиностроения. Необходимость развития данного направления продиктована существенным увеличением затрат на производство в связи с ухудшением качества шихто-

Среди широкого класса медно-цинковых сплавов особое место по распространенности занимает группа свинцовых латуней, которые используются как для получения фасонных отливок, так и слитков, которые подвергаются пластической обработке. И в том и другом случае эксплуатационные свойства зависят от структуры сплава.

Одним из методов управления структурообразованием литых изделий является теплофизическое воздействие на кристаллизующийся расплав, которое может быть реализовано различными приемами, в частности, электромагнитным перемешиванием, вибрацией, введением в расплав холодильников. Однако применение этих мероприятий не всегда оказывается эффективным из-за структурной неоднородности расплава, которая усугубляется случайными примесями, попадающими из низкосортных шихтовых материалов, и может быть устранена путем теплового воздействия на расплав. Поэтому перспективным является проведение высокотемпературной обработки расплава как подготовительного этапа перед воздействием на кристаллизующийся расплаз.

Выполненная диссертационная ■ работа посвящена исследованию и разработке технологии производства непрерывнолитых заготовок из свинцовых латуней с регламентированными структурой и свойствами,

- 3 -

позволяющими после пластической обработки получать изделия с высокими служебными характеристиками.

Цель работы. Комплексное исследование особенностей формирования структуры и свойств слитков свинцовой латуни (на примере латуни ЛС 59-1) в условиях полунепрерывного литья и использование полученных данных для совершенствования существующих технологических процессов.

Основное внимание было уделено решению следующих задач:

- изучению теплового состояния слитка при непрерывном литье для выявления возможности управления процессом формирования структуры и свойств сплава в условиях серийной и опытной технологии;

- исследованию температурной зависимости кинематической вязкости, являющейся структурно-чувствительной характеристикой расплава, и назначению режима температурной обработки расплава;

- установлению влияния условий кристаллизации на фазовый состав, структуру, ликвацию цинка и свинца в слитках, а также на механические свойства свинцовых латуней;

- изучению влияния состава металлошихты на структуру и свойства литых заготовок, сглаживанию эффекта структурной наследственности путем подготовки расплава перед разливкой и создания условий интенсивного внутреннего теплоотвода при кристаллизации слитка.

Научная новизна. Научно обоснован режим выплавки и разливки свинцовой латуни с использованием низкосортных шихтовых материалов для получения литых заготовок с регламентированными структурой и' свойствами для последующей пластической обработки. Установлены особенности кристаллизации трехфазных латуней в зависимости от степени подготовленности расплава и условий теплоотвода при затвердевании слитка. Изучены свойства основных фазовых составляющих (а- и (Ьфазы) и влияние соотношения фаз на свойства латуни в целом.

- 4 -

Практическая новизна. Разработана и предложена к внедрению технология производства качественных литых заготовок с использованием

низкосортных шихтовых материалов для выплавки свинцовых латуней, в частности;- марки-Л С -59-1-,--в-индукционных- печах и-введением_холодиль-ников в кристаллизующийся расплав при полунепрерывном литье слитков.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: "Проблемы разливки и кристаллизации стали и сплавов" (Киев, 1594 г.), "Новые технологии и маркетинг в литейном производстве" (Киев, 1995г.). "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" (Магнитогорск, 1996 г.), "Эвтектика - IV" (Днепропетровск, 1997 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях: "Кристаллизация и компьютерные модели" (Ижевск, 1994 г.), "Управление процессами формирования структуры и свойств литейных сплавов в отливках" (С-Петербург, 1996 г.); III Съезде литейщиков (Владимир, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глаз, общих выводов и заключения, 2 приложений. Ока изложена на НО страницах, включает 28 рисунков, 13 таблиц и список использованных источников из 8ь наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе обсуждаются научные и практические данные о латунях, представленные в технической литературе.

Свинцовые латуни довольно хорошо изучены, однако и ранее существовала проблема проявления нестабильности свойств в процессе обработки и эксплуатации. Отсутствие точных данных о причинах возник- 5 -

новения аномалий свойств медно-цинковых сплавов и способах стабилизации свойств приводит к необходимости дополнительного тщательного изучения этих вопросов на современном уровне.

Уделяется особое внимание структурным особенностям латуней, фазовому составу и соотношению фазовых составляющих, т.к. эти параметры предопределяют свойства литой продукции: относительное удлинение достигает максимального значения при содержании 30...32% цинка, а затем резко уменьшается, особенно когда появляется (5-фаза. Поэтому латуни, содержащие до 32% цинка и имеющие структуру а-твердого раствора, пластичные. Они обладают высокой ковкостью при горячей и холодной обработке давлением. Предел прочности возрастает при содержании цинка до 45...47%, но как только (5-фаза полностью сменяет а-фа-зу, он резко снижается. Поэтому (3-латуни обладают высокой пластичностью только в горячем состоянии. Коррозионная стойкость латуней также зависит от количества и распределения в структуре р-фазы. Обесцинкование р-фазы происходит быстрее, чем а-фазы, что подтверждается результатами исследований коррозионной стойкости, проведенными американской фирмой "Маско": р-фаза образует строчечные включения на основном фоне а-фазы и обесцинкование р-фазы происходит на глубину 0,1-Ю"2 м. в то время как а-фазы - на глубину 0,5-Ю"4 м. Повышается склонность двухфазной латуни к коррозионному растрескиванию.

Пониженная коррозионная стойкость £-фазы возможно связана с ее более напряженным состоянием, которое проявляется через более высокую твердость этой фазовой составляющей. Установлено, что при быстром охлаждении образцов двухфазной латуни, содержащей {% масс.): 60,4 си; 38,8 2п: 0,7 Ре, с температуры 600. ..850 °С р-фаза обладает, пониженной пластичностью при комнатной температуре, что ср!ественно ухудшает деформируемость латуни из-за возникновения дефектов на гра-

- 6 -

нице пластичной а-фазы и псевдоупругой р-фазы. Отмечено, что при медленном охлаждении латунь обладает хорошей пластичностью/

Стоимость изделий из медных сплавов в немалой степени зависит от""стоимоспг операции-обработки резанием.- Улучшение .обрабатываемости, резанием может быть достигнуто введением серы, фосфора, теллура, но в большей степени - свинпа. В зависимости от назначения латуни свинец добавляют в количестве от 0,5 до 3,0%. что позволяет получить при резании мелкую сыпучую стружку. Кроме того, с введением свинца латунь приобретает хорошие антифрикционные свойства. Присутствие свинца в виде мвлкристаддитних прослоек нежелательно, т. к. при пластической обработке в зоне средних температур (400... 500 °С) эти легкоплавкие прослойки оплавляются и наблюдается явление хрупкости латуней. В сплаве, кристаллизовавшемся при реальных скоростях охлаждения, включения свинца наблюдаются в относительно мелкодисперсном виде.

Указанные особенности (а+Р)-латуней, легированных свинцом, позволяют предположить, что, изменяя условия кркстахлизаиии, мснкс управлять процессом формирования их структуры и получать заготовки и изделия со строго регламентированными свойствами. Известно, что свойства готовых изделий в значительной степени определяются свойствами в литом состоянии. Установлено, что пруток из латуни ЛС 59-1, полученный прессованием из литой заготовки диаметром 250 мм с регламентированным содержанием р-фазы 22 % (в литом состоянии; после протяжки на конечный диаметр 36 мм имеет повышенные механические свойства. а именно: бв = 450 МПа, 5 = 23 % при содержании р-фазы в структуре готового изделия 14 % в сравнении с установленными ГОСТ 2060-60 на тянутые прутки диаметром 13... 40 мм 6В = 400 МПа. 6 = 12% (при этом содержание р-фазы не контролируется).

Рассмотрены также вопросы влияния малых добавок на свойства ла-

- 7 -

туней и взаимосвязи жидкого и твердого состояний металлических сплавов.

Обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе представлены результаты исследования влияния температурной обработки расплава свинцовой латуни и условий охлаждения на ее структуру и свойства.

Вопросы технологии выплавки сплавов рассматриваются обычно лишь с точки зрения получения литых заготовок с заданным химическим составом, а также с минимальным содержанием газов и неметаллических включений. Однако большое количество дефектов литого и деформированного металла, возникающих в ходе кристаллизации и обусловленных неудачным выбором технологических параметров плавки и разливки, никакими последующими обработками полностью устранить не удается.

Для большинства сплавов оказывается справедливой закономерность: чем выше степень равновесия расплава перед кристаллизацией, тем лучшие показатели качества имеет твердый металл. Многочисленные экспериментальные исследования жидкого металлического состояния свидетельствуют о том, что сплавы, соответствующие твердым растворам, к которым относятся свинцовые латуни, вблизи температуры плавления об-' ладают сложной микронеоднородной структурой. В ней сохраняются микрообласти с координацией атомов, подобной исходной кристаллической упаковке, т.е. расплав находится в неоднородном, неравновесном состоянии.

Доступным и достаточно эффективным способом перевода расплава в равновесное состояние является тепловое воздействие на него. При достижении определенных температур, названных критическими (1;к), процессы разрушения неравновесных составляющих расплава или изменения их структуры протекают наиболее интенсивно. Физические свойства

- 8 -

(вязкость, электросопротивление и т.п.) зависят от расстояния между атомами или порядка в их расположении и значительно изменяются при

протекании фазовых или структурных превращений в расплаве. Определение^ критических- температур-для-свинцовой-латуни--осуществлялось- при-изучении температурной зависимости кинематической вязкости в процессе нагрева и охлаждения расплава. Установлено, что в расплаве латуни ЛС 5Э-1 при температурах 1030, 1000 к 1080°С происходят структурные превращения, отражающиеся на характере температурной зависимости кинематической вязкости. Причем при температуре 1080°С происходит необратимое разрушение группировок атомов :: формирование равновесного расплава.

Свинцовая латунь является гетерофазным сплавом. Степень завершенности структурных превращений в сплаве, в немалой степени зависящая от условий его кристаллизации, проявляется на соотношении фазовых составляющих в объеме сплава. Экспериментально установлено, что

объемная доля р-фазы в латуни ЛС 59-1, охлаждение которой происходило на воздухе, составляет 28%, а в сплаве, охлажденном с печью -23%. Это, вероятно, связано о тем, что з интервале температур 903...750°С происходит растворение кристаллов р-фазк в матричной а-фазе б результате повышения растворимости цинка з меди. Отмечено, что величина микротвердости р-фазы во всех случаях существенно выше, чем а-фазк, что обусловлено более высоким содержанием цинка (в ($-фазе предельная растворимость цинка 45,7%, в а-фазе - 37,8л). Увеличение объемной доли р-фазы в сплаве приводит к снижению микротвердости а-фазы (рис. 1), что, очевидно, можно объяснить перераспределением цинка между фазовыми составляющими.

Наряду с изучением кинематической вязкости исследовалось влияние фазового состава свинцовой латуни на величину электросопротивления как одну из структурно-чувствительных характеристик сплава.

- 9 -

20 2\ гг 23 Объемная доля р-сраъы

Рис.1. Влияние количества р-фазы на микротвердость а-фазы (а) и

удельное электросопротивление латуни ЛС 59-1 (б) Известно, что величина электросопротивления двухфазных латуней в большей степени обусловлена влиянием сил взаимодействия, характерных для электронного соединения Сигп, являющегося основой (З-фазы. В то же время однофазные р-латуни имеют наибольшее из всех латуней электросопротивление. Поэтому увеличение объемной доли £-фазы в структуре свинцовой латуни приводит к повышению ее электросопротивления, что и подтверждено экспериментальными данными (рис. 1). Таким образом, электросопротивление может быть использовано для оценки качества готовой продукции.

Актуальной становится проблема нестабильности свойств свинцовой латуни уже в литом состоянии, т.к. в качестве шихтовых материалов для выплавки сплавов все в большей степени используются разносортные

- 10 -

лома. При выплавке латуни в индукционной печи по действующей технологии объемная доля (3-фазы -в литом состоянии колеблется от 13 до

70%. Б этом случае проявляется эффект наследственности в процессе фазозегсг перехода- жидкое — твердое-.-С целью-изучениязлияния предыстории исходных шихтовых материалов на качество конечной продукции исследовался сплаз ЛС 59-1, выплавленный в промышленных условиях из характерных шихтовых материалов (на 85. ..98% состоящих из разносортных, е т.ч. и низкосортных ломсв) при различных температурах нагрева расплава в .интервале 1000...1080°С, Установлено, что при нагреве расплава до 1030"С. при которой расплав переходит в равновесное состояние, количество |3-фазы в литом образце на 50% ниже, чем в образце сплава, нагретого до 1000°С, и достигает минимального значения -23%. При этом сплав обладает высокими и стабильными механическими свойствами: б8ср = 420 МПа, 6 = 19 %, 140 НУ.

В третьей главе рассмотрено влияние холодильников, . вводимых в расплав, на теплофизические условия формирования слитков сзинцсзой латуни.

Проведенные ранее расчеты и эксперименты свидетельствуют с том, что при непрерывном способе литья возможности кристаллизатора, с точки зрения увеличения отвода теплоты от слитка, весьма ограничены из-за образующегося газового зазора между слитком к кристаллизатором, который является дополнительным термическим сопротивлением, и установления в связи с этим минимальной скорости продвижения Фронта кристаллизации. Повышение же скорости разливки приводит к тому, что лунка жидкого металла выходит за пределы кристаллизатора, в результате чего увеличивается вероятность образования горячих трещин,сор-мируется грубая столбчатая структура слитка и в значительной степени развиваются ликзаиионные процессы.

Известно, что температура сплава во время выплавки должна быть

- И -

достаточно высокой, в частности, для свинцовой латуни ЛС 59-1 степень перегрева расплава выше температуры ликвидус должна составлять, по нашим данным, 180 °С, чтобы расплав за непродолжительное время плавки перешел в более равновесное, гомогенное состояние. В то же время кристаллизация сплава начинается при температуре' несколько ниже равновесной температуры кристаллизации 1;Е. Для обеспечения условий формирования однородной мелкозернистой кристаллической структуры необходимо достаточно быстро отвести большую часть теплоты перегрева расплава и приблизить его температуру к ^. Осуществить это можно путем введения холодильников в кристаллизующийся сплав при непрерывном литье слитков.

Изучение влияния холодильников, вводимых в расплав латуни ЛС 59-1, на теплофизические условия формирования кристаллической структуры проводилось экспериментально-расчетным методом. В качестве холодильников использовались трубки из латуни ЛС 59-1 и меди М1. Следует отметить, что при введении холодильников в количестве 4...6 % (масс.) происходит снижение температуры расплава в среднем на 46...74 0С. Использование медных холодильников менее эффективно, т.к. снятие теплоты перегрева расплава происходит менее интенсивно:• за больший промежуток времени т = 50...160 с, в то время как при использовании латунных холодильников х = 7...12 с (рис.2). Это можно объяснить теплофизическими особенностями материала холодильников. В частности, удельная теплоемкость меди (сСц = 0,46 кДж/(кг -град) при Т = 600°С) значительно ниже, чем ее сплава с содержанием цинка около 40 % (сСи_2п = 3,84 кДж/(кг -град) при Т = 600°С) при более высокой теплопроводности меди (ХСи = 345,1 Вт/(м -град), ХСи.2п = 183,1 Вт/(м -град) при Т = 600°С).

При использовании медных холодильников формируется макронеодно-родная структура слитка с характерными структурными зонами.

- 12 -

а

Со

«5

1,5

ч АЗ

з: <и та

* 4 1

«а V

В 0,9 о

3

6,69% \ 4,1(6 /

¿2

А ч

20 40 60 АО

Время г,с

&

ЬГ «1

аЧо

си тэ Э( а

0

1

1.2,0 о

со

;

]

1

4,50% |

VI. ¿5 1

10

20 30 Время Г,с

Рис.?.. Скорость охлаждения расплава при введении различного количества (масс.%) холодильников ич меди М1 (а) и латуни ЛС59-1 (б). Т = \i\9TC

Проведен промышленный эксперимент, при котором в условиях полунепрерывного литья в кристаллизатор непрерывно вводились трубчатые латунные холодильники. Одновременно с помощью блока термоэлектрических хромель-алюмелевых преобразователей замерялась температура по сечению слитка. По результатам эксперимента построены температурные поля слитка, анализ которых показал, что скорость теплоотвода в поверхностной зоне (прилегающей к стенке кристаллизатора) по сечению' контрольного слитка (без введения холодильников) составляет 0,96 °С/с, опытного (с введением 2% холодильников) - 1,78 °С/с, в центральной зоне 0,98 и 2,07 °С/с соответственно. Установлено, что происходит выравнивание температуры по поперечному сечению опытного слитка, уменьшается глубина лунки до 196 мм при глубине лунки в контрольном слитке 308 мм (высота кристаллизатора 400 мм). Анализ состояния литого сплава показал, что структурная однородность по сечению слитка приводит к выравниванию твердости сплава (148 НУ); тонкие, равномерно распределенные выделения р-фазы вокруг преобладающей а-фазы составляют порядка 15...20% от объема.

На основании выполненных экспериментов построены номограммы, ■ связывающие скорость литья слитка (Ул.м/ч). скорость ввода холодильника (Ухол,м/с). количество вводимых холодильников (к,масс.%), диаметр (Вхол, мм) и толщину стенки (5,мм) трубчатого холодильника, позволяющие оперативно назначать технологический регламент литья.

Опыт показал, что наиболее часто в качестве холодильников используются трубы диаметром 5 мм с толщиной стенки 1 мм. Чтобы обеспечить введение 2 % холодильников при литье слитков ЛС 59-1 диаметром 200 мм со скоростью 10 м/с, необходимо подавать трубу со скоростью 0,2 м/с.

Четвертая глава посвящена совершенствованию технологии плавки и полунепрерывного литья свинцовой латуни.

- 14 -

На основе экспериментально-промышленных исследований, представленных в предыдущих главах, разработан технологический регламент плавки и литья свинцовых латукей на примере латуни марки Л С 59-1. В -основе-технологии-плавки- свинцовых_латуней_з_.индукционных канальных печах с использованием разносортной металлошихты лежит принцип температуркой обработки расплава в плавильней печи перед разливкой с целью гомогенизации расплава, устранения влияния эффекта структурной наследственности на конечный продукт. При этом сужен и смещен з сторону высоких температур интервал нагрева расплава - 1080... 1100° С, назначена временная выдержка расплава в течение 3. ..5 минут пр" достижении заданной температуры.

Совершенствование технологии полунепрерывного литья слитков свинцовой латуни заключается в использовании холодильников для интенсификации внутреннего теплоотвода. Во время литья в установившемся тепловом режиме (давление воды в системе охлаждения кристаллизатора для слитков диаметром 175 км составляло 60 Kiia. а диаметром 245 ми - 1б0кЛа) в кристаллизатор непрерывно вводились холодильники в виде латунных ЛС 59-1 и келнах УЛ трубок. Диаметр и толщина стенок используемых трубок были различными (диаметр 4... 15 мк, толщина стенки 0, 4...1,2 мм). Соответственно скорость подачи их в кристаллизатор задавалась согласно разработанным в гл. 3 номограммам для обеспечения ввода 2 % холодильников.

Холодильники позволили снять значительную часть перегрева расплава за счет их собственного нагрева и плавления. Вместе с тем холодильники воздействовали на кристаллизующийся сплав как инокулято-ры. При этом изменились условия затвердевания слитков, скорость нарастания твердой корочки увеличилась. Выравнивание температуры по сечению слитка способствовало уменьшению глубины лунки жидкого металла с 306 до 185 мм. Это позволило вести процесс литья слитков на

- 15 -

верхнем пределе допустимой скорости: для опытных слитков диаметром 175 мм скорость литья составила 12 м/ч против 9 м/ч для контрольных-слитков.

Исследования сплава опытных слитков свидетельствуют о том, что металл плотный, внутренние и поверхностные трещины отсутствуют. Улучшились механические свойства латуни (см. таблицу).

Механические свойства латуни ЛС 59-1 в литом состоянии

Временное сопротивление Относительное Ударная Плотность разрушению при удлинение вязкость р, кг/м3

растяжении бв, МПа 5, % ак, Дж/мг

Контрольный, слиток

345 28,8 1,92 8364,9

Опытный слиток

353+5 29,9±0,.3 2,03+0,03 8397,1+17,1

Повышение скорости затвердевания слитка, обусловленное введением холодильников, способствовало получению слитков с минимальной ликвацией легирующих компонентов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа посвящена изучению влияния температурной обработки расплава и воздействия холодильников на процесс формирования цилиндрических слитков из медных сплавов (свинцовых латуней) и их качество. Выполненная работа показала, что предварительная подготовка расплава в плавильной печи и применение трубчатых холодильников в

- 16 -

процессе непрерывного или полунепрерывного литья позволяют увеличить скорость вытягивания слитков, повысить их химическую и структурную

однородность, улучшить их свойства даже при использовании в качестве шихтовых материалов разносортных, ломов. В работе. проведены исследования. свойств свинцовой латуни з жидком и твердом состоянии. Изучено влияние материала и количества холодильников на процесс структурооб-разования и формирование свойств слитка. В лабораторных и промышленных условиях проведено большое количество тепловых замеров в кристаллизующемся слитке. Разработана ресурсосберегающая технология производства слитков пои использовании низкосортных шихтовых материалов (на примере латуни ЛС 59-1).

На основании результатов проведенных исследований сделаны следующие основные выводы и практические рекомендации:

1. Из анализа данных технической литературы установлено, что структура, а в частности фазовый состав, в немалой степени влияет на технологические и служебные свойства свинцовых латуней. Существует немало способов управления процессом структурсобразо»5Кия металлов. Перспективным является подготовка расплава перед разливкой в форму с введением плавящихся холодильников.

2. Установлена температурная зависимость кинематической вязкости свинцовой латуни о высоким содержанием цинка (около 40л) и выявлено, что кинематическая вязкость и электросопротивление являются структурно-чувствительными характеристиками в жидком и твердом состоянии соответственно. Определено, что критической температурой перехода расплава промышленной латуни марки ЛС 59-1 в более однородное, равновесное состояние является температура, равная 1030°с.

3. Установлено, что свинцовая латунь обладает повышенными механическими свойствами при содержании 21...23% (об.) (5-фазы и равномерном распределении фазовых составляющих ((3-фазы и свинца) в объеме

- 17 -

а-фазы. При этом относительное удлинение составляет 22%, временное сопротивление разрушению при растяжении - 440 МПа, твердость -129 НУ.

4. Определено, что в области теплового влияния холодильников происходит значительное снижение температуры на 46...76°С. обеспечивающее благоприятные условия для образования большого количества центров кристаллизации и формирования однородной мелкозернистой структуры слитка.

5. При исследовании процессов непрерывной разливки сплавов одной из главных задач является соотношение глубины лунки и скорости литья при заданных условиях теплообмена. Установлено, что при введении 2% холодильников при полунепрерывном литье слитков глубина лунки сокращается с 306 до 185 мм, что позволяет увеличить скорость вытягивания слитка на 30%.

6. В результате проведенных экспериментов установлена взаимосвязь между геометрическими параметрами холодильников и слитков и технологическими параметрами литья. Построены номограммы, рекомендуемые к практическому использованию.

7. Предложенные способы улучшения качества слитков опробованы в производственных условиях. Подтверждено, что нагрев сплава до температуры 1080...1100°С позволяет получить качественную литую заготовку даже при использовании низкосортных ломов в составе шихты. Использование холодильников в количестве 2% способствует формированию слитков с благоприятной для пластической обработки структурой, высокими механическими свойствами и минимальной ликвацией легирующих компонентов.

Основое содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Вайс И.А., Мысик Р.К., Брусницын C.B. Особенности формирования -структуры слиткоВ- свинцовых латуней при различных условиях охлаждения// Кристаллизация и компьютерные модели. Ижевск. 1994. С. 27.

2. Влияние резимоз непрерывного литья и последующей обработки на формирование свойств сеинповой латуни/ Р.К.Мысик, С. В. Брусницык, И.А.Вайс и др.// Литейное производство. 1994. NÎ. С. 32,33.

3. Мысик Р.К., Вайс И.А., Брусницык C.B. Структура литых заготовок из свинцовых латуней и мехакйче&ске свойства прутков ::з зтлх сплавов// Известия вузов. Цветная металлургия. 1995. N2. С. 35-38.

4. Влияние температурной обработки расплава на фазовый состав свинцовых латуней/ Р.К.Мысик, И.А.Вайс, С.В.Брусницын и др.// Новые технологии и маркетинг в литейном производстве. Киев, 1995. С. 46,47.

5. Совершенствование технологии производства проволоки из свинцовых латуней/ В. И. С вини:-:, И.А.Вайс, С. 3. Брусницын и др.// Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века. Магнитогорск, 1996. С.144.

6. Изучение взаимосвязи жидкого и твердого состояний свинцовых латуней/ И.А.Зайс, С.С.Кузьмин, Р.К.Мысик и др.// Повышение качества отливок. Екатеринбург, 1Э96. С. 34,35.

7. Влияние температурной обработки расплава на структуру и фазовый состав свинцовой латуни/ Р.К.Мысик, В.И.Свинин, И.А.Вайс и др.// Литейное производстве. 1936. с. С. 23.

8. Влияние фазового состава свинцовой латуни на ее свойства/ И.А.Вайс, 'Р.К.Мысик, С.В.Брусницын и др.// Эвтектические сплавы.

Днепропетровск, 1997. С. 14!.

9. Экологически чистые и ресурсосберегающие технологии цветнолитей-ного производства/ ?. К.Мысик, С.В.Брусницын, И.А.Вайс и др.// Литейное ПРОИЗВОДСТВО. 1997. N7. С. 27-29.

- 19 -

10. Прогрессивные технологии разливки меди и медных сплавов/ Р. К.Мысик, C.B.Брусницын, И.А.Вайс и др.// Совершенствование литейных процессов. Екатеринбург, 1997. С. 31-41.

Подписано в печать 09.09.97 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать ризография Усл. п.л. 1,16 Уч.-изд.л. 0,91 Тиран 100 Заказ 184 Бесплатно

Издательство ЗАО УМЦ-УПИ 620002, Екатеринбург, Мира, 17

У* # /

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВАЙС ИРИНА АНДРЕЕВНА

УДК 621.746.5:669.35

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СВИНЦОВЫХ ЛАТУНЕЙ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЬМИ

СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор

Поручиков Ю.П.

доктор технических наук, профессор Мысик Р.К.

Екатеринбург - 1997

- 2. -

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ...............................................

1. Состояние вопроса ......................................

1.1. Структурные особенности двухфазных латуней ...........

1.2. Влияние содержания цинка и меди на структуру и механические и технологические свойства латуни .............

1.3. Влияние фазового состава, структуры на коррозионную стойкость и пластичность свинцовой латуни ............

1.4. Формирование специальных свойств латуни при легировании свинцом ..........................................

1.5. Влияние малых добавок на свойства латуней ............

1.6. Взаимосвязь жидкого и твердого состояния в металлических сплавах...........................................

1.7. Воздействие с помощью холодильников на кристаллизующийся металл..........................................

1.8. Влияние отдельных технологических параметров на процесс формирования и качество слитков при непрерывном литье ................................................

2. Влияние температурной обработки расплава на структуру и свойства латуни ........................................

2.1. Определение критических температур нагрева расплава свинцовой латуни .....................................

2.2. Влияние температуры нагрева расплава и условий охлаждения на количество фазовых составляющих и свойства свинцовой латуни.....................................

2. 3. Изучение влияния режима выплавки свинцовой латуни на

ее структуру и механические свойства.................

Выводы .................................................

3. Влияние холодильников на условия формирования слитков ..

3.1. Изучение скорости снятия теплоты перегрева расплава при введении холодильников ...........................

3.2. Тепловое взаимодействие трубчатого холодильника с расплавом при внепечной обработке латуни .............

Выводы ..................................................

4. Совершен0твование технологии плавки и полунепрерывного литья свинцовой латуни .................................

4.1. Совершенствование технологии плавки свинцовых латуней с использованием разносортной металлошихты...........

4.2. Совершенствование технологии полунепрерывного литья слитков свинцовой латуни с введением холодильников ...

Выводы ............................................: ....

Общие выводы и заключение ...............................

Список использованных источников .......................

Приложение 1. Акт промышленных испытаний технологии выплавки и разливки сплава ЛС 59-1 с различным составом

металлошихты ...........................................

Приложение 2. Технологическая инструкция. Производство слитков сплава ЛС 59-1 полунепрерывным методом .........

- А -

ВВЕДЕНИЕ

Латуни представляют собой давно известные и освоенные в промышленном производстве сплавы, применяемые во всевозможных отраслях техники.

Свинцовые латуни, благодаря своим особым свойствам и относительно низкой стоимости по сравнению с другими сплавами на основе меди, нашли свое применение во всех отраслях промышленности. Свинцовые латуни являются литейными и деформируемыми сплавами. Хорошая жидкотекучесть латуней позволяет получать элементы запорной арматуры, втулки способом литья под давлением. Особые свойства, приобретаемые латунью при легировании свинцом, позволяют обрабатывать заготовки на автоматических металлорежущих станках с высокими скоростями резания. До 80% выпускаемой свинцовой латуни используется как обрабатываемая резанием при изготовлении изделий машиностроения, а также приборостроения (счетные машины, средства автоматизации). Свинцовые латуни обладают хорошими антифрикционными и прочностными свойствами, поэтому используются в подшипниках и резьбовых соединениях.

Хорошие пластические свойства позволяют обрабатывать литые заготовки давлением в холодном и горячем состоянии и получать прутки различного сечения, проволоку широкой номенклатуры (0,63...0,90 мм), трубу, лист.

Свинцовая латунь обладает хорошей штампуемостью и используется' для изготовления корпусов приборов, манометров, часов и др..

Обладая высокой коррозионной стойкости в слабокоррозионных средах (например, скорость коррозии при 20 °С в морской воде составляет О, 0075...0,1 мм/год, в пресной воде 0,0025...О,25 мм/год) изделия из свинцовой латуни нашли свое применение в нефтехимической промышленности (вентили, переходники, маслянные системы) и в судостроении, где требуются повышенная надежность и долговечность.

Изготавливается и менее ответственная продукция из свинцовых латуней: пишущие узлы шариковых ручек и контактные элементы штеп--сельных соединений из ЛС 58-2, элементы часового механизма и ниппели колесных камер из ЛС 63-3. Хорошая полируемость свинцовых латуней под декоративные покрытия дала возможность использовать эти латуни в качестве фурнитуры (дверные и мебельные ручки, петли и т.д.).

Свинцовые латуни довольно хорошо изучены, однако, и ранее существовала проблема проявления нестабильности свойств в процессе обработки и эксплуатации. Хорошо известны [1] красноломкость латуней, "сезонная болезнь", твердение и изменение механических свойств после отжига и резкого охлаждения, изменение размеров деталей с течением времени, коррозионное растрескивание в результате обесцинкования. Все эти эффекты не могут быть объяснены с позиций представлений о. строении латуней и превращений в них, сложившихся в начале нашего века. Именно отсутствие точных данных о причинах возникновения аномалий свойств медно-цинковых сплавов и способах стабилизации свойств приводит к необходимости дополнительного тщательного изучения этих вопросов на современном уровне.

Особенно остро стоит вопрос о качестве и экономичности сплавов в настоящее время в связи с изменением структуры шихтовых материалов. Металлошихта для выплавки свинцовых латуней марок ЛС 58-2, ЛС 59-1 состоит из ломов (96...98 % от общего веса), в том числе и низкосортных (стружка). При этом необходимо усовершенствовать существующие технологии выплавки и разливки сплавов путем дополнительных мероприятий по обработке расплава в плавильной печи и обеспечения необходимых условий разливки и кристаллизации.

- 6 -1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Получение качественных слитков из цветных металлов и сплавов требует дальнейшего совершенствования технологических процессов их' изготовления. В настоящее время требования к качеству металлопродукции, а, следовательно, к слиткам, как исходной заготовке для дальнейшей обработки, повысились. Так, например, при изготовлении слитков из свинцовых латуней уделяется особое внимание фазовому составу в особенности соотношению фазовых составляющих, т.к. эти параметры предопределяют свойства металлопродукции.

Технологические усовершенствования также должны быть направлены на повышение производительности оборудования. Однако повышение скорости вытягивания слитков в условиях полунепрерывного литья, значительный перегрев металла выше температуры ликвидус (100...200 °С) и интенсивный внешний теплоотвод приводят к образованию крупнозернистой столбчатой структуры, ликвации легирующих компонентов и снижению механических и служебных свойств.

Известно много способов воздействия на металл во время плавки и литья, позволяющих получить слитки с заданными структурой и свойствами. Некоторые из этих способов опробованы при разработке технологии получения слитков из свинцовых латуней с учетом их особенностей.

1.1. Структурные особенности двухфазных латуней

Из медных сплавов латуни получили наиболее широкое распространение благодаря сочетанию высоких механических и технологичесих. свойств, низкой стоимости по сравнению с другими медно-цинковыми сплавами.

Структура и свойства латуни определяются диаграммой состояния системы Си-гп, приведенной на рис. 1.1. Диаграмма состояния системы медь-цинк состоит в основном из пяти простых перитектических диаграмм. По отдельным ветвям ликвидуса из жидкости кристаллизуются шесть различных фаз: а, р, у, б, е, [2]. Богатая медью а-фаза имеет решетку . меди (гранецентрированный куб с периодом' а = 0, 3608...О,3693 нм) и является типичным твердым раствором замещения, где часть атомов меди замещается атомами цинка.

Предельная растворимость цинка в меди при комнатной температуре составляет 38-39% и практически не меняется до температуры 453 °С, а затем, с дальнейшим повышением температуры уменьшается и при температуре 903 °С составляет 32,5% цинка.

Долгое время считалось, что а-фаза не претерпевает никаких превращений в твердом состоянии, хотя неоднократно высказывалось мнение, что аномалии свойств у латуней связаны с превращениями в твердом состоянии. В последние годы достоверно установлено, что в ос-области существуют две концетрационные зоны вблизи составов СидИп-и Си3гп, в которых наблюдается упорядочение твердого раствора.

С увеличением содержания цинка сплавы от первичного твердого раствора переходят в двухфазную область. Начиная с 32,5% цинка в ла-тунях образуется новая структурная составляющая - (3-фаза. Эта фаза также является твердым раствором, но основой его служит химическое соединение Си2п с решеткой объемноцентрированного куба с периодом а = 0,294 нм. Фаза £ при высоких температурах имеет значительную область гомогенности (от 37 до 57% 7п), однако с понижением температуры эта область значительно сужается (45...49% 7х\) [1].

Выше 468 °С (в зависимости от состава) атомы меди и цинка в кристаллической решетке р-фазы неупорядочены. При более низких тем-, пературах образуется упорядоченный твердый раствор с расположением атомов меди в углах решетки, а цинка - в ее центре.

Диаграмма состояния медь-цинк [з]

1083 1000

900

800

^700

| 600

£ -

с:

| 400

си9гп ос .1

'600° /\ \

2Ш1-__

i

сО

г,850' " СиШ

А /07-,

-650° I

-7300

ЛА

/А^

-550°

"Г

100

Г \

о(? I

/Л\г

\

\

\

'а Чяр

Га

// ^__

| \___

Н

Г Л *

^¿пу * \ \ \ ^

—-- 275 д

■а

'А

10

20

30 АО 50. 60 Содержание 1п,%

70

Рис. \ . \

По данным работы [3] в ß-области обнаружено значительное количество превращений. При температуре 850 °С совершенно четко обнаруживается эффект сверхпластичности, связанный вероятно с окончательной диссоциацией соединения CuZn перед расплавлением. Очень хорошо выявляются по всплеску пластичности и другими методами превращения при 650 °С и при 550 0С. О природе этих превращений в настоящее время ничего не известно. Превращения при температурах около 450,400 и 310 0 С были обнаружены у ß-латуни по всплескам пластичности. Имеющиеся сведения о существовании на кривой пластичности этих эффектов и после длительного высокотемпературного отжига свидетельствуют о том, что это, по-видимому, истинные превращения ß-фазы [3]. Вполне возможно, что большое количество превращений, обнаруживаемых в ß-фазе, связано с наличием превращений в меди и цинке. Они, вероятно, появляются вследстие изменения электронной конфигурации атомов меди и цинка с температурой, иными словами, отражают дискретные изменения химических связей в соединениях с изменением температуры.

Указанные особенности латунных сплавов со структурой а, а+ß и ß позволяют предположить, что изменяя условия кристаллизации можно управлять процессом формирования структуры и свойств этих сплавов.

1.2. Влияние содержания цинка и меди на структуру, механические и технологические свойства латуни

По свойствам а-латуни и ß-латуни существенно различаются. Влияние содержания цинка на механические свойства латуни трактуется неоднозначно [4]. С увеличением содержания цинка до некоторого предела прочность и пластичность латуни возрастают. Относительное удлинение достигает максимального значения при 30...32% Zn, а затем резко уменьшается, особенно когда появляется ß-фаза. Поэтому латуни, содержащие до 39% Zn и имеющие структуру a-твердого раствора, мягкие и'

пластичные. Они обладают высокой ковкостью при горячей и холодной обработке давлением. Предел прочности возрастает при содержании цинка до 45. ..47%, но как только р-фаза полностью сменяет а-фазу, он резко снижается. Поэтому ^-латуни обладают высокой пластичностью только в горячем состоянии. При содержании в латунях около 50% 2п пластичность их очень мала, в результате чего (Ьлатуни чаще всего используются как литейные сплавы.

Свинцовые латуни широко применяются в современной технике, благодаря их хорошим литейным свойствам [4]. Во-первых, они обладают, небольшой склонностью к газонасыщению благодаря самозащитному действию паров цинка с достаточно высокой упругостью. Это обеспечивает получение плотного слитка. Во-вторых, из-за малого интервала кристаллизации латуни обладают хорошей жидкотекучестью. По этой же причине усадочная рассеянная пористость в них мало развита.

Латуням присущи и некоторые недостатки. При плавке теряется большое количество цинка из-за его летучести при температуре плавления латуни. Так, при плавке в индукционных печах угар цинка составляет 3...4%. Для устранения этого недостатка применяются покровные флюсы.

Литейные латуни с большим количеством (3-фазы склонны к сезонному саморастрескиванию. Для снятия остаточных напряжений в отливках применяется низкотемпературный отжиг.

Содержание меди в сплавах, также как и цинка, существенно влияет на формирование структурных составляющих и механические свойства в литом состоянии.

Латуни с содержанием цинка порядка 40 % относятся к группе двойных (а+Р)-латуней. Содержание меди определяется ГОСТ 15527-70. Влияние изменения содержания меди в этих пределах 57, 0... 60,0 % на технологическую пластичность латуни ЛС 59-1 исследовалось Лавренть-

евым A.M. [5].Им установлено, что прочностные характеристики латуней с содержанием 57...58% Си и 59...60% Си близки по величине и монотонно снижаются с повышением температуры. Пластичность сплавов существенно различается как по величине, так и по характеру температурной зависимости. Так, если пластичность (относительное сужение i|i) сплава с высоким содержанием меди в исследованном диапазоне температур до 750 °С возрастает практически линейно с 55 до 100%, то пластичность сплава с низким содержанием меди возрастает более интенсивно - величина относительного сужения достигает 100% уже при температуре 650 °С, при этом содержание р-фазы составляет 75%. Однако, при дальнейшем повышении температуры испытаний средняя величина а|) пада-' ет, несмотря на переход сплава в однофазную р-область при температуре выше 700 0С. Отмечено повышение разброса результатов определения пластичности сплава с высоким содержанием меди, вероятно, связанное с особенностями температурных изменений структуры при температуре порядка 700 °С.

Подобные исследования проводились Шадриным И.Д. [6]. Отмечено, что с ростом содержания меди от 57,3 до 58,9% максимум пластичности смещается в сторону высоких температур от 500...900 °С на 75 °С и несколько сужается интервал высокой пластичности.

1.'3. Влияние фазового состава, структуры на коррозионную стойкость и пластичность свинцовой латуни

Двухфазные латуни склонны к особому.виду коррозии - обесцинко-ванию, которое зависит главным образом от количества и распределения в структуре р-фазы. С помощью дифференциально - термического анализа исследовали закономерности кристаллизации латуней с 30... 37% Zn, а также изучали их микроструктуру и производили ускоренные испытания

на коррозионную стойкость [73. Выявлено, что при содержании меди 61,5...62,5% кристаллизация начинается с выделения а-фазы, после чего по перитектической реакции, регистрируемой на кривых охлаждения, образуется ß-фаза, выделяющаяся в виде непрерывной сетки вокруг кристаллов а-фазы. Подобное распределение ß-фазы повышает склонность двухфазной латуни к коррозионному растрескиванию, т.к. при последующей прокатке формируется полосчатая структура листа. При помещении такого листа в агрессивную среду происходит обеднение его по цинку. Причем, обесцинкование ß-фазы происходит быстрее, чем а-фазы, что подтверждается результатами исследований коррозионной стойкости, проведенными американской фирмой "Маско": ß-фаза образует строчечные включения на основном фоне а-фазы и обесцинкование происходит на глубину 0,1-10"2 м, в то время как при наличии в структуре а-фазы -на глубину 0,5-Ю"4 м. Следует отметить, что интенсивность обесцин-кования ß-фазы зависит от ее ориентации в объеме листа латуни [8]. Образцы изготовлялись из холоднокатанного листа латуни, содержащей 64,8% Си И 35,2% Zn. Образцы погружались в раствор 12,7 г СиС12-2Н20 + 1000 г дистиллированной воды и выдерживались 24 часа при температуре 73 0С. В результате установлено, что при расположении полос ß-фазы параллельно поверхности листа толщина обедненного по Zn слоя составила 850 мкм, а при расположении полос ß-фазы перпендикулярно поверхности