Плавка шихты и литье сплавов выпускаемых для электродов контактных машин
Плавка цветных металлов сопровождается сложными металлургическими процессами. Ей сопутствуют окисление металлов, поглощение газов, взаимодействие расплава со шлаком и футеровкой печи, раскисление, дегазация и модифицирование сплавов.
Кислород с медью образует при низких температурах окись меди СuО, которая при повышенных температурах переходит в закись Сu2О, взаимодействующую, как и кислород, с более активными легирующими компонентами и образующую окислы различных металлов. Кислород выделяется в виде эвтектики медь—закись меди, которая располагается по границам кристаллитов, Он является вредной примесью, так как при повышенном содержании кислорода значительно понижаются механические и коррозионные свойства меди, затрудняются технологические процессы обработки ж, в частности, пайка.
При использовании, например, хромовых бронз, их качество во многом зависит от условий раскисления. Хром при высоких температурах очень быстро окисляется, а окисленный хром практически нерастворим даже в перегретой меди и в связи с этим сплав не удается упрочнить путем термической обработки, хотя по среднему химическому составу он и удовлетворяет требованиям технических условий.
Водород наиболее опасен для меди и ее сплавов. Он хорошо в них растворяется, причем его растворимость в меди сильно возрастает с повышением температуры. Особенно разрушительное действие водород оказывает на медь, содержащую кислород (вызывая так называемую водородную болезнь — хрупкость и растрескивание), углекислый газ, окись углерода; водяной пар и азот в меди практически не растворимы.
Одним из способов освобождения жидкого металла от растворимых и нерастворимых в нем включений кислорода является раскисление — восстановление окислов специальными раскислителями. При плавке цветных металлов и сплавов в качестве раскислителей чаще всего применяются элементы, входящие в состав сплава или допускаемые в виде примесей. Частично остающиеся в жидком металле раскислители не должны ухудшать свойства металла. Окислы раскислителей не должны растворяться в металле, они должны легко всплывать в шлак или испаряться. Высоким сродством к кислороду обладает литий. Он образует прочные химические соединения с кислородом, азотом, водородом и серой. Поэтому литий, добавляемый в расплавленную медь, является одновременно и раскислителем, и дегазатором. Хорошие результаты как раскислитель дает магний, однако небольшое количество оставшегося после плавки магния или лития приводит к повышению электросопротивления меди. Часто при раскислении меди и ее сплавов применяют фосфористую медь, содержащую 10…15% фосфора. Иногда в качестве раскислителей применяют кремнистую медь или чистый кремний и цинк.
Раскисление сплава можно проводить поверхностными раскислителями. При этом раскислители не вводятся в жидкий металл, а подаются на его поверхность и не оказывают вредного влияния на качество металла, так как их избыток не растворяется в металле. Для защиты металлического расплава от воздействий печной атмосферы, удаления из расплава окислов, сульфидов и других вредных примесей применяются флюсы, состоящие из фтористых натрия или кальция и стекла. Плавка обычно ведется под покровом сухого древесного угля, также предохраняющего медный сплав от окисления и охлаждения. В тех случаях, когда непосредственным сплавлением трудно получить сплав определенного химического состава, применяются промежуточные сплавы — лигатуры. Введение легирующих элементов через лигатуры может с достаточной точностью обеспечить требуемое содержание заданного компонента. При изготовлении электродных сплавов применяются лигатуры медь—хром, медь—цирконий, медь—магний и др.
Повышения прочности и пластичности медных сплавов можно достичь модифицированием путем измельчения зерна. С этой целью в сплав вводят малые добавки тугоплавких элементов титана, циркония, бора. Эти модификаторы искусственно создают в расплаве дополнительное количество центров кристаллизации.
Наибольший эффект модифицирования был получен от введения титана, циркония, бора. Так, уже добавки 0,1 Zr, 0,05% Ti вызывают измельчение зерна меди. Модифицирования (измельчения зерна) можно достичь и технологическими методами, например увеличением скорости охлаждения металла при его кристаллизации, повышением температуры литья и переплава. Однако с повышением температуры литья и переплава может увеличиваться газонасыщенность и пористость металла, а при увеличении скорости охлаждения возникают большие внутренние напряжения и, как следствие, трещины.
Цветные металлы и сплавы при изготовлении слитков можно плавить в печах различных конструкций: тигельных, отражательных, электрических печах сопротивления и в индукционных, в печах для вакуумной плавки и в электроннолучевых установках, а также путем электрошлакового переплава.
Для плавки ряда электродных сплавов, например с цирконием, необходимо применение вакуумных электропечей. При вакуумной плавке достигается удаление газов из металлов и восстановление металлов из окислов. Особенно высокое качество сплавов может быть получено при электрошлаковом методе переплава металлов и вакуумной дуговой плавке расходуемым электродом, но при электрошлаковом переплаве электрод плавится теплом, выделяющимся в расплавленном шлаке, через который проходит электрический ток. Электрошлаковый переплав расходуемых электродов обычно производится в открытых водоохлаждаемых кристаллизаторах, но в случае необходимости ванна расплавленного металла может быть защищена от действия воздуха нейтральным или активным газом.
Литье медных сплавов может быть осуществлено двумя основными способами:
1) литьем в стационарные горизонтальные или вертикальные изложницы;
2) полунепрерывным и непрерывным литьем.
В зависимости от сортамента готовых изделий из слитков изготовляются плиты или листы и круглые прутки.