автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии плавки высокооловянных бронз на осове лома медных сплавов для производства фасонных отливок ответственного назначения

и ,

министерство науки, высшей школы и технической политики российской вдерации

комитет по высшей школе

московский ордена трудового красного знамени 'вечерний металлургический институт

На правах рукописи

Семенов Константин Геннадьевич ■

УДК 621.74:669.35'6

разработка технологии плавки высокооловянных бронз на основе лом мздных сплавов для производства фасонных отливок' ответственного назначения

Специальность 05.16.04. - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени вечернем металлургическом институте

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.М.Чурсин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.В.Курдюков кандидат технических наук Ы.К.ЛейОов

Ведущее предприятие - Щелковский насосный завод

Защита диссертации состоится "//" 02. 1993 года £ на заседании специализированного Совета К 063.07.01. при Московском ордена Трудового Красного Знакекк вечернем металлургическом институте по адресу: 111250, Москва, Лефортовский вал, 26

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке МШЙ Автореферат разослан

Ученый секретарь специолизировагшого Совета, кандидат технических наук, доцент

Васильева С.С.

огдал характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время з стране проводится экономическая реформа, направленная на развитие рыночных отношений и экономических факторов стимулирования промышленного производства. Одна из возникающих при этом задач заключается в рациональном использовании всех видов ресурсов и сырья, в том числе лома и отходов цветных металлов.

Постоянное воспроизводство и накопление вторичного металлического сырья, с одной стороны, и одновременное снижение объемов производства н повышение себестоимости первичных металлов- с другой, обуславливают решение промышленностью одной из важнейших задач - повышение эффективности использования вторичных ресурсов цветных металлов. Использование этих ресурсов, кроме того, позволяет потребителю снизить себестоимость продукции и капиталовложения в производство.

Анализ работы промышленных предприятий страны показывает, что в настоящее Еремя отмечается некоторое снижение доли производства меди и медных сплавов из лома и отходоэ. Этот показатель находится на уровнз около 39 з то время как в высокоразвитых странах характерна тенденция увеличения данного показателя, который составляет: США - 47,8 %, Германия - 54,7 %.

Особенно актуальна проблема применения вторичных ресурсов цветных металлов в литейном производстве, использующем в качестве исходной металлошихты в основном вторичные сплавы п чушках, производимые предприятиями Вторцвзтмета на основе лома и отходов. Так, доля металлошихты в виде чушковых оронз составляет 87 %, а оловянных бронз в чушках - 81,7 % от общего объема производства литейных сплавов.

Благодаря исключительно благоприятному сочетанию зкеплуатаци-

онных и теплофизических свойств (высокой коррозионной стойкости и антифрикционных свойств изделий, работающих в условиях истирания, повышенного давления и воздействия агрессивных сред, а также высокой тепло- и электропроводности и др.) оловянные бронзы широко используются в качестве конструкционных материалов в машино- и судостроении. При этом основная масса литейных оловянных бронз (ГОСТ 613-79) производится из чушек этих сплавов (ГОСТ 614-73). Вместе с тем, существует элитная группа оловянных бронз с высоким содержанием олова (БрОЮЦ2, Бр08Ц4, БрОЮСЮ и БрОЮФ1), которые традиционно выплавляют на предприятиях машиностроительных отраслей из чистых металлов и применяют в тех случаях, когда другие сплавы не обеспечивают небходимой коррозионной стойкости в соче?ании с повышенными антифрикционными характеристиками. Себестоимость этих сплавов очень высока. В этой связи представляется весьма актуальной и обоснованной разработка технологии производства чушек высокооловянных бронз на основе лома и отходов медных и .оловянных сплавов (ГОСТ 1639-78).

Диссертация выполнялась в соответствии с планом Общесоюзной научно-технической программы 0.09.06 "Разработать и освоить новые технологические процессы и оборудование для производства металлопродукции из цветных металлов и сплавов и эффективного использования ее в народном хозяйстве" и постановлением ГКНТ СССР от 30.11. 1995 г. № 555.

Целью работы является решение сложной научно-технической задачи, направленной на разработку эффективной и надежной технологии плавки высокословянных бронз на основе лома медных сплавов для выпуска фасонных отливок с высокими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, не уступающими по аналогичным показателям сплавам,выплавляемым на основе первичных металлов промышленной чистоты.

I т

- ь -

Научная но ви.чна.

Предложен новый концептуальный подход к разработке композиций металлошихти для получения чушковых высокооловянных бронз на основе лома медных сплавов. Разработаны металлургические и физико-химические основы плавки лома при производстве высокоолоаянньгх бронз и чушках. На основе проведенных исследований разработан научно-обоснованный порядок введения компонентов металлошихты яри плавке, что обеспечивает повышенный выход годного для бронз: БрО 10112 до 95,7 %, Бр08Ц4 до 93,1 /5, БрОЮСЮ до. 94,5 %, БрОЮМ до 9-1,в %.

Исследованы механические, технологические и эксплуатационные свойства опытных спланов бронз в чушках з зависимости от различных литейных технологических факторов: температуры заливки, толщины отливки, теплоаккомулирующеЯ способности формы. Подтверждена высокая изотропность высокооловяиных бронз. Впервые получены количественные характеристики изотропности бронз БрОЮСЮ и БрОЮИ. Исследованы критерии влияния технологических факторов на механические свойства литых зысохоолоэякных бронз.

Впервые изучены практические последствия влияния прогрессивно накапливающихся в последние годы з ломе медных сплавов примесей кальция и натрия на структуру и свойства чушковых оловянных бронз. Язучен механизм влияния примесей натрия и кальция в количестве от ),005 до 0,1 % на свойства ЙрОнз. Содержание кальция в оловянных бронзах до 0,1 % не оказызает отрицательного влияния на качество шлавов и литейные свойства бронз. Содержание натрия в бронзах свы-1е 0,05 % отрицательно влияет на механические свойства и жздкотеку-¡есть сплавов. Полученные граничные концентрационные содержания 'Тих примесей рекомендуются а 1\}СТ как максимально допустимые для ,анной группы литейных сплавоз.

Практическая ценность.

С целью повышения квалитета вторичных чушковых низкооловянных брснэ рекомендован переход на выпуск сплавов различной сортности в зависимости от содержания легирующих элементов (олова и цинка).

Результаты работы обосновывают номенклатуру чушковых оловянных бронз для обеспечения производства отливок ответственного назначения из высокооловянных бронз согласно ГОСТ 613-79 и позволяют значительно снизить затраты на исходные шихтовые материалы.

Решается проблема рационального использования ценного высокооловянного лома медных сплавов непосредственно для выпуска высокооловянных бронз.

В работе предложены технологические рекомендации изготовления фасонных отливок на основе сплавов литейных оловянных бронз; составлен паспорт чушковых сплавов высокооловянных бронз БрОЮЦ2, БрОДОСЮ и БрОЮЯ; установлены критерии оценки качества чушковых и литейных оловянных бронз в зависимости от содержания легирующих элементов и примесей.

Ожидаемый экономический эффект за счет снижения расходов на шихтовые материалы составит от 500 до 2000 руб. за тонну сплава (по ценам 1991 г.).

Апробация работы.

Результаты проведенной работы доложены на Всесоюзной научно-технической конференции (г. Артемовск, 1989 г.), на научно-технических конференциях МВМИ (г. Москва, 1938 г., 1989 г.).

Публикации.

По теме диссертации имеется 5 публикаций, в т.ч. одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 80 иллюстраций, 10 таблиц; работа состоит из введения, се-

ми глав, общих выводов, списка литературы из 91 наименования и пяти приложений. Общий объем работы 248 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I посвящена обзору литературных источников о состоянии производства литейных оловянных бронз в отечественной промышленности и за рубежоч.

Анализ литературных данных и результаты всесторонней оценки эксплуатационных характеристик сплавов оловянных бронз позволили сформулировать следующие задачи диссертации:

1. Практика последних лет показывает, что замена высокооловянных бронз на сплавы других (менее дефицитных)марок не обеспечивает в изделии гарантированный уровень технологических и эксплуатационных свойств. Поэтому одним из путей экономии дефицитных чистых металлов для производства бронз с высоким содержанием олова является широкое использование лома медных и оловянных сплавов.

2. Дня всесторонней оценки технологических принципов и металлургической практики составления шихты при производстве низкооловянных вторичных бронз и с целью отработки теоретических основ ■ подбора шихтовых материалов на основе лома для выпуска высокооловянных бронз в чушках целесообразно проведение статистического анализа химического состава чушковых оловянных бронз на заводах Втор-цветмета. Эти исследования представляют практическую ценность в связи с тем, что независимо от сочетания алдментов в химическо-ком составе (ГОСТ 614-73) сплавы чушковых бронз способны обеспечить в изделии регламентированный уровень механических и эксплуатационных свойств литейных оловянных бронз (ГОСТ 613-79), который значительно отличается (в сторону занижения) от аналогичных показателей в зарубежных стандартах и определяется содержанием в сплаве основных легирующих элементов и примесей, содержание которых на

-и -

современном этапе эксплуатации изделий имеет тенденцию к оптимизации для получения максимально возможных свойств.

3. Высокооловянные литейные бронзы в отечественной промышленности выплавляются из чистых металлов. Для производства чушковых оловянных бронз на заводах Вторцветмета характерно использование широкого спектра отходов низкосортной шихты (стружки) и высококачественной (лома), в т.ч. высоксоловяннцх бронз. В этой связи представляются технически целесообразным и обоснованным изыскание возможности использования широкого диапазоне лома медных сплавов и разработка металлургических основ эффективной к надежной технологии централизованного производства высокооловянных бронз.

4. Чушковыз ЕысокоолоЕлнные бронзы, изготовляемые на основе моталлоиихты иг лома, можно отнести к вторичным сплаЕам, соответствующим по химическому составу марки.: литейных оловянных бронз. Для заключения о.целесообразности использования в качестве полноценной шихты при производстве фасонных отливок необходимы аттестация и сравнительная оценка чушкового сплава по уровню механических, тохнологичсских I; эксплуатационных характеристик с аналогичными бронзами на основе шихты из металлов промышленной чистоты, уровень которых регламентирован ГОСТ 613-72 и известен с литейной практике. Паспортизация чушкового сплава позволит выработать методические рекомендации для производства отливок (на основе чушек бронз) с гарантированным уровнем механических к эксплуатационных свойств в песчаные и металлические формы.

5. Механические свойства как литейных, так и чушковых бронз ■во многом определяются содержанием примесей в сплавах, ассортимент которых расширяется е связи с использованием широкой номенклатуры лома и отходое для производства чушковых сплавов. Б этой связи представляется необходимым провести ранжирование количества примесей как регламентированных в ГОСГ, так и не оговоренных в ГиСХе, уровень соде^кшшя которых можно считать значимым.

- у -

Глава 2. 3 главе описана мзтодика проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных.

Для проведения статистических исследований распределения легирующих элементов в чековых оловянных бронзах были собраны и обработаны данные химических составив сплавов на заводах Вторцветме-та по результатам работы d мае-авгусге 1983 г., при этом обеспечивалась случайность отбора значений в выборочную совокупность данных. Объем выборки химического состава легирующих элементов составлял от 70 до 200 значений признака. Наглядность распределения частотного признака и порядке вэзростания (частота значения химического состава элемента) обеспечивали путем построения гистограмм частот и частотных кривых распределения. Построение гистограмм частот и частотных кривых распределения легирующих элементов в бронзах Бр05Ц6С5, Бр03Ц13С4 и БрОЗЦ8С4Н1 с расчетом среднего значения признака (Xs> и дисперсии .осуществляли с помощью ЭВМ Hewlett PootQttJ HP 9826.

Подбор металлошихты для плавки высокооловянных бронз БрОЮЦ2, Бр08Ц4, БрОЮСЮ и БрОЮМ на основе лома медных сплавов I, И, О, 1У, У, IX и ХЛ групп (ГОСТ 1639-78) проводили с учетом практики составления шихты при плавке низкооловянных бронз с использованием лома различных марок сплавов.

Задачу оптимизации состава шихты решали методами симплексного программирования с помощью ЭВМ ДВК-3 с использованием до 12-ти возможных видов металлошихты.

Выбор и оптимизация технологических режимов плавки высокооловянных бронз на основе лома осуществлены путем проведения балансовых плавок в индукционной печи ИСТ-0,06 с учетом значений безвозвратных потерь металла, а также возвратов в ввде корольков и спле-сов. Сплавы опытных бронз разливали в чушки.

Исследование технологических и механических свойств сплавов

проводили при четырех-пяти температурах заливки через 40 - Ь0°С з интервале 1050.. Л250°С: Бр0ЮЦ2 - 1090.. Л250°С, БрОЮСЮ - 1050... 1210°С, БрОЮМ - 1050.. .1200°С. Чушки опытных бронз переплавляли в индукционной печи ИСТ-0,06 под покровом графитовой крошки. После раскисления расплава фосфористой медью (остаточное количество фосфора 0,03 %) сплавы заливали в формы. Для изучения механических свойств бронз заливали ступенчатые формы (песчаные и металлические). Толщина поперечного сечения ступенек составляла 10, 15, 20 и 30 км. Одновременно проводили заливку сплавов для изучения литейных свойств: объемной усадки и хидкотекучести.

При температуре, наиболее распространенной в литейной практике, заливали цельнолитые образцы в металлические формы: Бр010Ц2 -1170°С, БрОЮСЮ - И30°С, БрОЮМ - П50°С. Замер температуры осуществляли при помощи вольфрам-рениевой термопары ВР 5/20 с кварцевым колпачком.

Механические свойства бронз определяли стандартным методом испытаний на цельнолитых и вырезанных из ступенчатых фор!.! образцах (по трем образцам) по ГОСТ 1497-84.

Обработку полученных результатов и построение графических зависимостей проводили по методу наименьших квадратов с помощью ЭШ ДВД-3 с построением линейной и квадратичной корреляционных зависимостей. Вид регрессионной функции принимался по наибольшему значению величины коэффициента корреляции Г и критерия Стьодента , при этом величина доверительной вероятности превышала значение 0,9.

Содержание газов в опытных сплавах определяли на приборе модели ЕА-1 фирмы Бальцерс. Содержание водорода в расплавах оценивали после отбора металла из тигля печи и заливки толстостенной изложницы, обеспечивающей фиксирование содержания газов.

Коррозионную стойкость сплавов оценивали после полугодового

испытания в <¡5 %-нон растворе серной кислоты.

Металлографические исследования опытных бронз проводили на микроскопе Иео{о'Ь-21. Качественные микрорентгеноспектральные исследования образцов оловянной бронзы БрОЮЦ2 с примесями кальция, натрия и изучение фрактографии изломов проводили на сканирующем электронном микроскопе Стереоскан С4-10.

Глава 3 посвящена статистическому анализу состояния производства чушковых оловянных бронз на предприятиях Вторцветмета, имеющему цель осветить теоретический подход к выбору состава металло-шихты на основе лома, на примере накопленного опыта заводами ВЦМ для производства высокооловянных бронз в чушках . Другой задачей статистических исследований являлась оценка фактического состава чушковых низкооловянных бронз, служащих металлошихтой для предприятий машиностроительных отраслей, в свете оптимизации химического состава бронз и получения в изделии максимальных эксплуатационных свойств.

Статистический анализ химических составов проведен по трем заводам ЬЦМ (Донецк, Харьков, .Сухой Лог) для бронз Бр05Ц6С5 и Бр03Ц13С4 (как сплавов с наибольшими объемами производства), а для БрОЗЦ8С4Н1-по Донецкому заводу.

Распределение легирующих элементов в бронзе Бр05Ц6С5 отличается значительным занижением среднестатистического количества олова в сплаве (на уровне 4,4-4,5 %) от средних значений ГОСТ. Фактически выпуск состава бронзы, соответствующей индексу марки сплава, не производится: всего чушек с содержанием вп5 % выпускается около Ь 7Ь годового ооъеиа производства. При этом значения среднеквад-ратического отклонения (6) составляют 0,21-0,3, что указывает на стабильный характер подготовки шихты по олову. Для цинка характерен значительный разброс среднестатистического содержания (5,44 -5,94 %) по трем заводам, а показатели 6 составляют 0,39-0,48, что

подтверждает высокий разброс данных от среднего уровня. Среднестатистическое количество свинца в сплаве в большей степени соответствует индексации бронзы (5,01-5,1 %), а значения 6 практически соответствуют (0,37-0,5) показателям по цинку. Фактически всеми заводами выпускается бронза, ближе соответствующая индексации Бр04Ц5,5С5.

Распределение легирующих элементов в бронзе Бр03Ц13С4 также отличается занижением среднестатистического количества олова d сплаве (2,6-2,8 %) от марочного состава бронзы (для сплава не предусмотрена подшихтовка чистым,вторичным оловом). Значения Б составляют 0,23-0,33, что указывает ка стабильный характер подготовки шихты ко олову. Для сплава характерны невысокие значения среднего содержания цинка (10,8-11,9 %), что не соответствует издексу марки ни чушкового (Zn-I3 %), ни литейного сплава (Zn-I2 %), а подготовка металлошихты по цинку носит нестабильный характер (Б= 0,81-1,85). Среднестатистическое количество свинца в сплаве составляет 4,73 -5,25 % (Б » 0,4-0,74) и в большей степени соответствует индексу литейного сплава (PI- 5 %). фактически производители бронзы Бр03Ц13С4 выпускают бронзу, близкую по химическому составу литейной бронзе БрОЗЦ12С5.

Для бронзы БрОЗЦ8С4Н1 характерно практически полное соответствие значений среднестатистического содервания легирующих следом-тов в сплаве индексации марки бронзы.

Необходимо обратить внимание на стабильное заншение среднестатистического содержания олова во вторичных чушковых бронзах, что делает менее престижными эти сплавы для потребителей бронз, т.к. занижение содержания олова сказывается на снижении прочност- . них и эксплуатационных свойств ('антифрикционных, коррозионной стойкости) отливок. Можно рекомендовать увеличение количества олова для подшихтовки сплава: в бронзе Бр05Ц6С5 до 0,5-0,6 %, а для брон-

зы-Бр03Ц13С4 шихтовать сплав чистым (вторичным)оловом на 0,2-0,4 %.

Нецелесообразно занижение содержания цинка в бронзе Бр03Ц13С4, т.к. это влияет на снижение прочностных свойств и герметичности сплавов, а также невыгодно с экономической точки зрения. В этой связи может быть рекомендовано увеличение в металлошихтэ доли латуни с 78 до 82 %.

Учитывая специфику и особенности производства низкооловлнных бронз,, можно предположить принципиальную возможность выпуска высокооловянных бронз на основе лома, которая заключается в использовании в качестве основы металлошихты оловосодержащего сырья с подших-товкой расплата чистым (вторичным) оловом. При этом цинк шихтуется совместно с латунью, а свинец, как правило, вводится в чистом ввде.

Расширенный химический анализ состава бронзы Ер05Ц6С5 по трем легиругяцим элементам и 28 примесям (семь из которых регламентированы ГОСТ 614-73) позволил установить, что сумма всех примесей монет превышать регламент ГОСТ (1,37 %), что связано с использованием широкой номенклатуры лома и отходов различных сплавов, в том числе смешанного сырья, и может сказаться на эксплуатационных свойствах изделий из бронз.

В Главе 4 рассматриваются вопросы составления металлошихты для производства высокооловянных бронз на основе лома и отработки ме-тачлургнчсских и технологических режимов плавки.

При проведении работы по подбору шихтовых материалов для плавки высокоолоеяшшх бронз исходили из традиционно сложившейся номенклатуры лома и отходов медных и оловянных сплавов (ГОСТ 1639-78) на базах Вторцветмета и перерабатывающих их заводов БЦМ. Для производства бронз БрОЮЦ2, Ер08Ц4, ЕрОГОСЮ и БрОЮ51 могут быть использованы различные марки медных сплавов I, П, 1Я, 1У, У, IX и ХП групп. Расчеты металлошихты проведены таким образом, чтобы количество при-, месей свинца (в БрОЮЦ2 и Бр08Ц4) или цинка (в БрОЮСЮ), либо цин-

ка и сиинца(в БрОЮИ) не превышало предельно допустимые содержания этих элементов по ГОСТ 613-79.

Задачу оптимизации состава шихты с использованием различных марок сплавов в рамках групп решали с помощью ЭВМ ДВК-3. При расчетах в качестве металлошихты выбирали различные марки сплавов из составов групп (известной стоимости) с использованием чистых олова, свинца и фосфористой меди, причем оптимизацию состава шихты проводили из 10-12-ти различных компонентов (сплавов). Для каждого из сплавов предложены три-четыре состава металлошихты, которые условно можно разделить на две группы: 1-я на основе меди (1,11 групп), чистого олова, латуни (свинца или фосфористой меди), которая воспроизводит исходные условия подготовки расплава на основе чистых шихтовых материалов; 2-я на основе оловосодержащего сырья (IX группа), чистого олова,-латуни (свинца или фосфористой меди), которая воспроизводит условия для производства высокооловянных бронз на основе лома и отходов; возможны промежуточные варианты составов шихты.

Металлургические особенности подготовки расплава оловянных бронз предполагают значительные и принципиальные различия в зависимости от веда используемой шихты. Порядок введения шихтовых материалов в тигель индукционной печи влияет на количество безвозвратных потерь металла (угар и со шлаком), а также4съемов и сплесов. Поэтому при'подготовке расплавов высокооловянных бронз было опрооовано несколько технологических режимов плавки бронз.

Технология плавки бронз, воспроизводящая условия подготовки расплава из чистых металлов, предусматривала первоначальное расплавление основы сплава - меди, а после раскисления расплава лигатурой Си-Р (количество фосфора 0,05 %) в расплаве растворяли цинк с латунью (для БрОГОЦ2 и Бр08Ц4) или свинец (для БрОЮСЮ), либо фосфористую медь (для БрОНОД), а в конце плавки растворяли олово.

Подготовка расплава высокооловянных бронз н» основе лома име-

ет.принципиальные различия с плавкой низкооловянных бронз на заводах, где вся шихта загружается в печь практически совместно, независимо от марки сплавов. Практика плавки бронз в индукционных печах не рекомендует совместное расплавление меди и оловосодержащего сырья, приводящее к бесконтрольному процессу плавления и раскисления компонентов шихты. Поэтому бьсги опробованы две методики подготовки расплава: с традиционным начальным расплавлением меди и с первоначальным расплавлением оловосодержащего сырья.'

При начальном расплавлении меди металл раскисляли лигатурой Си-Р (Р=0,05 %), затем в расплав вводили цинк(с латунью) для бронз Бр010Ц2 и Бр08Ц4 или свинец (для БрОГОСЮ), либо фосфористую медь (для БрОКШ), а в конце плавки в расплаве растворяли оловосодержащие отходы и олово.

При начальном расплавлении оловосодержащего сырья, в состав которого входили отходы оловяннофосфористой бронзы, не требовалось дополнительного раскисления расплава, поэтому в тигле печи последовательно растворяли медь, цинк (с латунью) для бронз БрОЮЦ2 и Бр06Ц4 или свинец (для БрОЮСЮ), либо фосфористую ыедь (для БрОЮЕЦ в конце плавки растворяли олово, а расплав раскисляли лигатурой Си-Р (Р=0,02 %).

В результате балансовых плавок металла установлено, что при начальном расплавлении оловосодержащего сырья, по сравнению с традиционным начальным расллаатением меди, технико-экономические показатели выражаются е увеличении выхода Годного, а также в снижении возвратов металла в веде йородысов, сокращении безвозвратных

потерь и составляют соответственно: для БрОЮЦ2 2,7 % (увеличение выхода годного), 1,1 % (снижение возвратов), 0,45 % (снижение потерь со шлаком) и 1,05 % (с угаром); для бронзы БрСЩ4 соответственно: 2,4 %, 1,2 %, 0,б£ и 0,5 %; для БрОЮСЮ: 1,5 %, 1,1 %, 0,6 % и 0,7?, для БрОКШ: 1,8 %, 1,1 %, 0,55 % и 0,6 % соответственно.

Чушки опытных бронз не имели ввдимых дефектов литья и соответствовали предписаниям ГОСТ 613-79 по химическому составу: легирующим элементам и примесям, в том числе по 21 элементу, не регламентированному ГОСТ.

В Главе 5 рассматривается комплекс исследований по определению механических, технологических и эксплуатационных свойств чушковых высокооловянных бронз в зависимости от различных технологических параметров: температур заливки, толщины отливок, скорости затвердевания, а также плотности (пористости) литого металла.

Исследование основных механических свойств бронз: БрОЮЦ2(брон-за Бр08Ц4 близка по технологичности этому сплаву) ,БрОЮСЮ, ЕрОЮ'И проводили с помощью заливки ступенчатых проб (толщина стенок 10, 15, 20 и 30 мм) в песчаные и металлические формы при четырех-пяти температурах заливки, а также цельнолитых образцов. Такой подход позволяет оценить изотропность литого металла и дополняет данные по ме--ханическим свойствам, которые приводятся в существующем ГОСТ 613-79.

Механические свойства высокооловянных бронз, как сплавов с широким интервалом кристаллизации, заметно снижаются с увеличением толщины отливок при заливке в песчаные формы и менее выражены при золмзке в металлические формы. При заливке в песчаные формы более изотропное свойство сплавов - показатель относительного удлинения и менее- изотропные значения прочности и твердости сплавов. Значения 6|1! Ь в образцах, вырезанных из отливок толщиной 30 мм и более, значительно ниже, чем в отливках толщиной 10 - 30 мм. Наиболее высокая прочность и пластичность наблвдается в образцах, вырезанных , из отливок толщиной 10 - 30 мм. Получение механических свойств (§в» Ь ) в отливках при заливке в песчаные формы практически затруднительно и требует ислольэованио местных холодильников или форм с повышенной теплоаккомулирующей способностью.

Механические свойстьа бронз при заливка в металлические формы

мгло изменяются с увеличением толщины отливок и удовлетворяют требованиям ГОСТ для литейных сплавов.

Расчеты коэффициентов ксазиизотропности по показателям прочности и пластичности дали следующие результаты: для Бр010Ц2 0,2£3 -0,46 и 0,28-0,06 соответственно, для БоОЮСЮ 0,17-0,37 и 0,46-0,77, для БрОЮХТ 0,22-0,30 и 0,31-0,69, где большие показатели соответствуют сплавам, залитым в песчаные формы.

Для всесторонней оценки механических свойств чушковых высоко-олоьянных бронз изучали влияние основного технологического параметра - температуры заливки, которую изменяли в традиционных интервалах значений, применяемых в условиях реального производства (1050-1250°С).С увеличением температуры заливки уровень механических свойств бронз определяется двумя факторами: изменениями, в характере микроструктуры и увеличением пористости сплавов,снижающей прочностные свойства. Характер микроструктуры сплавов сыражается в увеличении (снижении) количества и размеров овтектики, определяющей прочностные свойства бронз. При заливке в песчанки формы пористость сплэеов Еозростает в 2-2,5 раза (до 5-6 %), что приводит к снижении прочностных (С)в, НВ) в 1,3-1,7 раза и пластических (§ ) в 2-2,2 раса сесйств бронз. 1|ри заливке сплавов в металлические формы показатели пористости не превышают значения 2-2,5 % (для БрОЮ31 3,5$), что находит отражение в снижении твердости, при этом конструкционная прочность возростает в 1,1-1,2 раза, а показатели удлинения остаются на прежнем уровне (для БрОЮЗ! возростают в 1,5 раза), что связано с увеличением количества дисперсной эвтектоидной составляющей в структуре сплава.

Исследование основных литейных технологических свойств: жвд-котекучести ( ?. ) и объемной усадки проводили с увеличенном температуры перегреза расплава над линией ликнидус от 100 до 2г>0°С. Жидко-текучесть бронз ПрОЮЦ2 и ЕоОЮЛ уьеличпп.члась в 2,5-3 ра.ча, а у '

бронзы БрОЮСЮ в 4,5 раза, т.к. при небольших перегревах А бронзы БрОЮСЮ весьма незначительна. Величина объемной усадки бронз возрастает в 1,3-1,5 раза и связана с увеличением количества усадочных пустот в объеме металла.

Анализ результатов трещиноустойчивости сплавов по кольцевым пробам установил относительно высокую устойчивость отливок бронз при затрудненней усадке. Дня бронзы БрЮЦ2 характерно образование трещин в отливках толщиной 3,5 мм, а показатель горячеломкости (ПГ) составляет 72 %. Для бронзы Бри1021 характерно наличие трещин в отливках толщиной 6; 4,Ь и 3,5 мм, а ПГ сотавили 52, 82 и 89 %.

Содержание водорода в опытных сплавах при плавке в индукционных печах близко к равновесной растворимости и сотавляет: БрОЮСЮ 0,22-0,62 см3/Ю0 г, БрОЮИ 0,1-0,5см3/100 г. Содержание кислорода соответствует окисленности, сравнимой с оескислородной медью (0,0001-0,0009 %).

Коррозионная стойкость бронз в 25 %-ном растворе серной кислоты отвечает требованиям к сплавам на основе чистых металлов. Скорость коррозии БрОЮЦ2 - 4,27 г/м2-ч, БрОЮСЮ - 1,59 г/м2-ч, БрОЮИ - 1,14 г/м2-ч.

Глава Ь. Анализ содержания примесей в опытных бронзах позволил установит^,что из всего ассортимента примесей (28 элементов^ значимый уровень содержания (свыше 0,01 %) наряду с такими элементами,как Ав, AE.SC ,N131 отмечается по Св и Ый , влияние которых на механические и технологические свойства оловянных бронз практически неизвестно. В последнее время отмечается увеличение количества Со и N0 в чушковых оловянных бронзах. Поэтому изучение механизма воздействия Сч и К|с| на свойства оловянных бронз решает практическую задачу' как для литейных, так и чушковых сплавов.

Для соблюдения чистоты экспериментов исследование влияния Св и№ нп свойства бронз проводили с применением сплава,выплавляемого

из.чистых металлов. Введение микродобавок кальция и натрия (до 0,1%) осуществляли следующим образом. Кальций вводился в расплав, завернутый в медную фольгу, под зеркало металла непосредственно перед разливкой. Натрий,в .виде лигатуры Zn-5 %Nu> совместно с цинком. Лигатуру Zn-Nd готовили по технологии: в расплав цинка под зеркало металла вводился завернутый в цинковую фольгу натрий. Исследование механических свойств бронзы БрОЮЦ2 проводили на образцах, вырезанных из тонкостенной отливки толщиной 10 мч.

С увеличением содержания кальция в сплаве до 0,1 % наблюдается возрастание прочностных характеристик бронзы:бвна 10 %, НВ на 5 % при незначительном снижении показателя удлинения (0,5 %). Одновременно увеличивается жидкотекучесть сплава (на 150 мм). С увеличением содержания натрия свыше 0,02 % отмечается некоторое .снижение 6"&(на 10 %) и показателя удлинения (на 1,5 %), а также наблюдается снижение жидкотекучести (на 150 мм) расплава.

Изучение микроструктуры бронз не дало однозначной оценки влияния COhNq на характер эвтектоидной составляющей сплава. Поэтому для выяснения механизма воздействия Со и NQ на структуру бронзы проведены качественные рентгеноспектральные исследования на сканирующем электронном микроскопе Стереоскан C4-ID, которые показали, что при незначительных добавках кальция и натрия происходит дисперсное равномерное распределение обогащенной оловом 5 -фазы, которое приводит к увеличению прочностных свойств сплавов. Рентгеноспектраль-ный анализ в местах пор в поле шлифа (при содержании Сй илиМаО.ОЙ) отметил значительные концентрационные содержания этих элементов.

Для уточнения механизма влияния Сй и Nd на свойства оловянных бронз проведены исследования фрактографии изломов образцов. Характер дендритной структуры в сплаве с примесями Cd позволил установить, что наиболее плотно упакованная структура отмечается я бронзе с содержанием 0,1 %Z(X. Структура изломов с примесями натрия характер!!-' зуется тесным переплетением дендритов при содержаниях 0,05 %Nfl»4to

-досказывается на оптимальных свойствах бронзы (прочность и пластичность).

Глава 7 содержит результаты опытно-промышленных плавок на машиностроительных заводах высокооловянных бронз из лома и отходов. Для проведения испытаний были подготовлены партии чушек (масса чушки 15 кг) бронз БрОЮЦ2 ( 200 кг) и БрОЮСДО (150 кг), которые соответствовали химическому составу литайных оловянных бронз.

На Щелковском насосном заврде проведена плавка бронзы Бр06Ц4 на основе шихты из чуыек бронзы ВрО10Ц2 (50 %) и отходов литейного цеха завода (50 %) и отлиты детали ответственного назначения: корпуса и патрубки гидравлических насосов, прошедшие все стадии механической обработки и гидравлических испытаний и принятые ОТК завода как годные. Химический состав и механические свойства сплава удовлетворяли .требованиям ГОСТ 613-79 и заводским стандартам.

На ШЛО "Салют" проведена плавка бронзы БрОГОСЮ на основе ыоталлошихти из чушек соответствующего сплава, в результате которой отлиты цилиндрические заготовки для деталей производства подшипников авиационных двигателей. Химический состав сплава и механические свойства удовлетворяли предписаниям ГОСТ и НТД предприятия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведен комплекс исследований по разработке эффективной и надежной технологии выплавки чушковых высокооловянных бронз на основ о лома для производства фасонных отливок из оловянных бронз по ГОСТ 613-79 и опытнно-промышленная апробация сплавов в заводских условиях, которые позволяют сделать следующие основные выводы.

I. В результате статистического анализа состояния производства оловянных бронз на группе заводоа ВЦМ установлено, что при производстве чушковых низкооловянных бронз наиболее стабильный харак-тор распределения легирующих элементов отмечается по олову (значе-

нид среднейвэдратического отклонения {> =0,21-0,ЗУ минимальны), что указывает на высокий уровень подготовки металлошихты (по олову), связанный в том числе с использованием лома высокооловянннх бронз для производства низкооловянных сплавов. Значительно меньше внимания уделяется подготовке шихты по свинцу и особенно по цинку ({Г -0,39-1,85).

2. Установлено, что при производстве чушек нискооловянных бронз заводами БЦМ стаб льно выпускается продукция на минимальных содержаниях олова и цинка, что отражается на снижении уровня механических и эксплуатационных свойств литейных бронз, а также себестоимости. В этой связи представляется обоснованным переход на выпуск сплавов различной сортности в зависимости от содержания олова: I сорт - по максимальному содержанию олова, 2 сорт - по среднему,

3 сорт - по нижнему пределу; и цинка: I сорт - по среднему содержанию. цинка, 2 сорт - по нижнему, 3 сорт - по верхнему пределу.

3. Предложен новый концептуальный подход к разработке композиций металлошихты на основе лома медных сплавов (ГОСТ 1639-78) для производства чушковых высокооловянных бронз. С помощью ЭВМ расчита-ны оптимальные концентрации легирующих элементов в составе металлошихты для выпуска чушек высокооловянных бронз: БрОЮЦ2» Бр08Ц4, БрОЮСЮ и ЕрОЮМ.

4. Разработаны металлургические, физико-химические принципы и технология плавки лома при производстве высокооловянных бронз в чушках. Плавку металлошихты на основе лома необходимо начинать с расплавления оловосодержащего сырья, что по сравнению с традиционным начальным расплавлением меди обеспечивает повышение выхода годного: для БрОЮЦ2 с 93 до 95,7 %, для Бр08Ц4 с 90,7 до 93,1 %, для БрОЮСЮ с 93,1 до 94,5 %, для БрОПШ с У2,Ь до У4,8 %.

5. Механические свойства литого металла опытных бронз при использовании в качестве исходной шихты чушковых высокооловянных

сппавов соответствуют ГОСТ 613-79 на литейные оловянные бронзы по прочности, пластичности и твердости и равноценны свойствам бронз, выплавляемым из чистых металлов.

6. Подтверждена высокая изотропность высокооловянных бронз, выплавляемых на основе лома, к толщине отливки. Впервые получены количественные данные, характеризующие изотропность бронз БрОТОСЮ

и BpOIOíI, дополняющие литературные сведения для данной группы сплавов. Обеспечить получение механических свойств (6*8, Ъ ) в отливках толщиной более 30 мм в песчаные формы практически затруднительно. Получить отливки толщиной более 30 мм с регламентированным уровнем свойств возможно при использовании методов литья с высокой степенью теплоотвода (кокиль, внешние холодильники).

7. Установлено, что наиболее изотропной к толщине отливки является бронзу БрОЮЦ2 (а=0,28-0,86), менее чувствительны бронза БрОЮСЮ (а=0,17-0,77) и Бр0ЮФ1 (а=0,22-0,68), то есть те бронзы, . абсолютные значения механических свойств (прочности и пластичности), которых меньше чем у БрОЮЦ2.

8. Установлено влияние температура заливки на механические свойства литых высокооловянных бронз, выплавляемых из лома. С увеличением температуры заливки показатели пористости сплавов возрос-тают, что определяет снижение уровня прочностных (бе, НВ) в 1,3-1,7 раза и пластических (5 )в 2-2,2 раза свойств бронз при заливке в песчаные формы. С увеличением показателя пористости свыше 2,5 % (для Бр010Ф1 свыше 4 трудно обеспечить регламентированный ГОСТ уровень прочности и пластичности. При залиЕке в металлические форма показатели пористости не превышают значения 2,5 %. Поэтому уро-вань механических свойств сплавов определяется характером микроструктурных изменений, обеспечивающих прирост конструкционной прочности (в 1,1-1,2 раза Упри неизменяющемся показателе пластичности

и... незначительном снижении твердости (в 1,1-1,2 раза).

9. Уровень литейных технологических свойств опытных бронз соответствует известным показателям для сплавов, выплавляемых на основе металлоз промышленной чистоты. Наибольшая жидкотекучесть отмечается у бронзы БрОКШ, наименьшая - у БрОЮСЮ. Опытные сплавы обладают относительно высокой стойкостью к образованию трещин в отливках при затрудненной усадке, сравнимой со сплавами, выплавляемыми кз чистых металлов.

10. Содержание водорода в Чуйковых высокооловянных бронзах при плавке в индукционных почах близко к равновесной растворимости и составляет: для БрОЮСЮ 0,22-0;62 см3/ЮО г и для EpOIOM 0,1-

о

0,5 см°/100 г. Содержание кислорода соответствует значениям окис-ленности, сравнимой с бескислородной медью (0,0001-0,0009 %), что указывает на стабильно низкий уровень содержания газов в опытных сплавах.

11. По результатам ранжирования содержания примесей (в том числе не регламентированных ГОСТ) в чупжах оловянных бронз отмечено накопление примесей кальция и натрия, содержание которых имеет значимый уровень (до 0,1 %). Изучен механизм влияния примесей кальция

к натрия в количестве от 0,005 до 0,1 % на свойства оловянных бронз. Содержание кальция до 0,1 % не оказывает отрицательного влияния на уровень свойств и качество расплава оловянных бронз. Содержание натрия свызе 0,05 % отрицательно влияет на механические свойства и явд-котскучесть бронз. Зтк концентрационные содержания могут быть рекомендованы е ГОСТ как максимально допустимые для данной группы сплавов.

12. По результатам опытно-промышленных плавок чупяовых высокооловянных бронз Бр010Ц2 к БрОЮСЮ установлено, что отливки пз бронз соответствуют технологическим и эксплуатационным свойства.'! литейных сплавов (ГОСТ 6.13-79), а чушкк бронз могут быть рекомондо-

ваны в качестве исходных шихтовых материалов для произсодстиа изде-

• * <

- 2.4 -

лкй ответственного назначения с высокими антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью.

Ожидаемый экономический эффект за счет снижения расходов на шихтовые метериалы составит (по расчетам, представленным в диссертации) от 500 до 2000 руб/т ьысокооловянной бронзы (по ценам 1991г).

Основное содержание диссетации опубликовано в следующих работах:

1. Городничий Н.И., Колосков В.Ф., Семенов К.Г. Статистический анализ составов вторичных медных сплавов // Прогрессивные процессы плавки и литья цветных металлов и сплавов: Тез. докл. Всесо-юзн. науч.-техн. конф. - Москва, 1989, - с. 49-50

2. Семенов К.Г., Колосков В.Ф., Гусев Д.Н. Особенности производства бронзы Вр010Ц2 из лома и отходов // Повышение качества и экономичности литейных процессов: Тез. докл. П респ. науч.-техн. конф. - Одесса, 1990, - с. 40.

3. Семенов К.Г., Чурсин B.U. Влияние примесей кальция и натрия на физико-механические и литейные свойства бронзы БрОЮЦ2 // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Тез докл. У1 респ. науч.-техн. конф. - Запорожье, 1991, - с. 160.

4. Семенов К.Г., Колосков В.Ф. Механические свойства бронзы БрОЮСЮ, выплавляемой из лома и отходов: Там же, - с. 161.

. 5. A.C. № 1354729 (СССР).(Семенов К.Г. и др.) - заявл. 19.II. 1985 г. » 3978295/22-02, не публ. М. кл. С 22 В 9/10. УДК 669.244 (088.8).

ГЬтмаой» ч печати

и« л is_ JCI2___1иА.

Тн.тиг^афия МНИ, Kpiutiova ирысииии. 13.