Введение к работе
Актуальность работы. Хромовые бронзы используются в основном как деформируемый материал. Для получения электродов контактной сварки из этих бронз применяют прессование, прокатку, волочение. Для придания электроду требуемой конфигурации, как правило, требуется существенная механическая обработка деформированной заготовки. Некоторые виды электродов контактной сварки могут быть изготовлены методом литья, что позволило бы существенно снизить затраты на готовую продукцию.
Предприятия с небольшой производительностью используют электроды с широким сортаментом, но малой металлоемкостью, поэтому предприятия-изготовители проката из хромовых бронз в первую очередь ориентируются на крупные машиностроительные заводы. Организовать участок фасонного литья для изготовления электродов требуемой конфигурации небольшому предприятию существенно проще и дешевле, чем участок непрерывного или полунепрерывного литья заготовок в совокупности с участком последующей деформации заготовок. Предприятиям, использующим контактную сварку, часто приходится применять электроды из меди и медных сплавов, которые не предназначены для этих целей, что существенно снижает срок службы электрода и качество сварного соединения. Прежде всего это связано с определенными трудностями, возникающими при выплавке хромовых бронз. Имеющиеся в настоящее время технологии приготовления сплавов медь-хром требуют дорогих и сложных в обслуживании плавильных агрегатов: вакуумных печей, установок электрошлакового переплава. Применение открытой тигельной плавки для приготовления хромовых бронз позволило бы существенно упростить и удешевить процесс изготовления электродов. Однако существующие технологии открытой плавки хромовых бронз требуют использования тщательно отобранных и подготовленных дорогих высокочистых материалов, таких как катодная медь и лигатура медь-хром, приготовленная вакуумной плавкой.
Целью работы является разработка основ технологии приготовления хромовых бронз открытой плавкой для изготовления электродов контактной сварки способом литья. Эта технология должна быть максимально доступной, иметь минимальное количество стадий и операций, ориентироваться на дешевое и недефицитное сырье, обеспечивая при этом стабильно высокие механические и электрические свойства литых изделий.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи: Изучить особенности приготовления медного расплава из вторичных материалов.
Проанализировать и сравнить эффективность и время действия различных раскислителей для медных расплавов.
Проанализировать и сравнить различные способы ввода легирующих элементов в медный расплав.
Изучить механические и электрические свойства литых изделий, изготовленных из низколегированных медных сплавов с Cr, Fe и Zr.
Научная новизна.
Установлено, что «кипение» медных расплавов является результатом образования пузырей оксидов углерода вследствие взаимодействия кислорода, растворенного в расплаве, и графита, содержащегося в материале тигля. В связи с этим явление «кипения» связано с краевым углом смачивания расплавом поверхности тигля.
На основании термодинамических расчетов теоретически обоснована возможность восстановления окиси хрома с помощью циркония, растворенного в медном расплаве. Данная восстановительная реакция может протекать в широком интервале температур (от 1100 до 1400 С) и концентраций циркония (от 0,01 до 0,3 % ).
Установлено, что добавка 0,1 - 0,2% циркония при выплавке хромовых бронз позволяет получать пересыщенный твердый раствор хрома в меди в процессе затвердевания отливки при скорости охлаждения более 0,14 К/с. Вследствие этого отпадает необходимость в проведении закалки при термообработке литого изделия.
Практическая значимость.
Установлено, что применение циркония в качестве раскислителя при приготовлении хромовых бронз предпочтительнее, чем применение алюминия и фосфора. После раскисления цирконием в количестве 0,2 % насыщение медного расплава атмосферным кислородом при 1150 С в 1,5 - 2 ниже, чем после использования алюминия и фосфора в количестве 0,3 и 0,1 % соответственно.
Предложен и опробован в лабораторных условиях способ изготовления лигатуры Си - 10 % Сг - 1 % Zr открытой плавкой. Способ приготовления данной лигатуры защищен НОУ - ХАУ (№ 17-004-2010 ОИС от «12» апреля 2010 г.).
В лабораторных условиях отработана технология получения открытой плавкой сплава медь - 1 % хрома - 0,1 % циркония, имеющего после литья и термообработки твердость не менее 120 НВ и электропроводность не менее 80 % IACS. При этом в качестве
1 Здесь и далее содержание компонентов в сплавах, смесях и т.п. приводится в массовых долях, %. Слова «массовая доля» опущены.
шихты используются медный лом типа А 1/1 и лигатуры медь-хром-цирконий и медь-цирконий, изготовленные открытой плавкой.
В лабораторных условиях отработано приготовление открытой плавкой сплава медь - 0,75 % хрома - 0,25 % железа - 0,1 % циркония с использованием в качестве шихты медного лома типа А 1/1, лигатуры медь-цирконий и феррохрома FeCr70C05. Полученный сплав по уровню свойств несколько уступает сплаву медь - 1 % хрома - 0,1 % циркония и имеет твердость 100 НВ и электропроводность до 70 % IACS.
Экономический эффект от внедрения указанной технологии связан с переходом от вакуумной плавки к открытой и с использованием метода литья при изготовлении изделий из хромоциркониевой бронзы. При существующих ценах на медный лом, хром и цирконий при производстве электродов размером 025x100 мм ожидаемый экономический эффект составит около 150 000 рублей на тонну изделий.
Апробация работы.
Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:
на IV международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, МИСиС, 2007 г.;
на VI ежегодной конференции «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии», НИТУ «МИСиС», 2008 г.;
на V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», Москва, НИТУ «МИСиС», 2009 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 109 страницах машинописного текста, содержит 3 5 рисунков, 8 таблиц, состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 74 наименований.
