Плавление меди и медных сплавов

 

Общие сведения

Медь и медные сплавы в зависимости от их состава, обладают склонностью при перегреве адсорбировать  и поглощать газы, которые во время плавки могут растворяться в меди  или вступать  в химическое взаимодействие с ней.  Закись меди растворяется  в металле и образует вместе с другими примесями растворы;  кроме того, закись меди может вступать в  химическое взаимодействие с различными компонентами сплава.

Наиболее энергично с закисью меди реагируют те компоненты, которые имеют  более низкую  упругость диссоциации  окислов,  чем закись меди.  Такие компоненты, как алюминий,  кремний, марганец, железо, титан, углерод и др.  будут  окисляться и удаляться из сплава  в первую очередь.

Более низкой упругостью паров  окислов  по сравнению  с окислами  меди обладают такие элементы,  как алюминий, цинк, фосфор, олово, железо,  никель, свинец, сурьма, мышьяк, висмут и др.  Чем больше разность в упругости диссоциации окислов, тем  энергичнее  идет реакция  образования этих окислов.

Окислы Al2O3 .SiO2. MnO. ZnO образуются в твердом виде  и не растворяются в металле; окислы олова SnO2  могут образовываться в металле; окислы олова SnO2 могут образовываться  в металле в твердом или расплавленном виде; окислы фосфора P2O2 образуются в металле  в парообразном состоянии и в металле не растворяются.

Некоторые примеси могут давать  газообразные продуты окисления, которые частично растворяются в металле,  как например SO2.  Некоторые окислы могут растворяться в металле, например NiO.

Различные физико-механические свойства образующихся продуктов окисления затрудняют последующее рафинирование меди и медных сплавов.

Зная, из каких компонентов состоит  данный сплав, можно будет правильно применить тот или иной способ рафинирования.

Компоненты, входящие в состав медных сплавов (алюминий, цинк, магний, кремний, беррилий, и др.), при нагревании могут окисляться в печной атмосфере кислородом, водяным паром и углекислотой. Особенно значительное развитие эти реакции получают  при плавке медных сплавов в пламенных печах.  В жидком металле между закисью меди и другими  компонентами будут  идти  вторичные  реакции восстановления меди, например:

Cu2O +Zn        ZnO+2Cu;

2Cu2O+Si        SiO2+4Cu.

Поэтому при плавлении медных сплавов необходимо  применять защитные средства и процесс расплавления вести по возможности  быстрее.

Потеря металла в процессе плавления происходит не только за счет  окисления, но и за счет испарения, которому  в сильной степени  подвержены некоторые металлы, входящие в состав  медных сплавов. Содержание компонентов  в сплаве, обладающих  малой упругостью пара, в процессе  плавления будут возрастать и, наоборот,  содержание компонентов, обладающих большой  упругостью пара, будет уменьшаться.

Испарение различных компонентов сплава сильно возрастает  при кипении. Поэтому при плавлении медных сплавов большое  значение придается защите их от испарения и окисления, тем более,  что приготовление медных сплавов проводится при сравнительно высоких температурах (1100-1250ᴼ).

Шихтовые материалы для приготовления медных сплавов

При приготовлении медных сплавов в состав шихты могут  входить свежие металлы, лигатуры (табл.1),  отходы литейного производства, машинный лом и вторичные металлы и сплавы.

состав шихты для медных сплавов

    Количественное соотношение  исходных материалов в шихте при плавлении медных сплавов  зависит от вида литья. В табл. 2 дано примерное количественное соотношение материалов в шихте.

состав шихты медных сплавов в зависимости от вида литья

   Шихтовые материалы, идущие в расплавление, должны быть  свободными от посторонних примесей и окислов и их взвешивание должно производиться с большой тщательностью.

Раскисление меди и медных сплавов

Раскисление сплава- это восстановление окислов, находящихся в расплавленных металлах, осуществляемое путем  вытеснения из  них кислорода  и их направление зависит от упругости диссоциации. Окислы с большей упругостью диссоциации восстанавливаются веществом, окисел  которого обладает более низкой упругостью  диссоциации.

Активность раскислителя определяется его свойствами.  Чем дальше состоят окислы по теплоте  образования или по упругости  диссоциации, тем они энергичнее взаимодействуют.

В табл.3 даны  значения теплоты образования и физические свойства окислов элементов, входящих в медные сплавы.

физичекисе свойства окислов элементов

   Раскислители, применяемые для медных сплавов, по характеру их действия можно разделить на две группы:

  • Раскислители, которые производят раскисление, соприкасаясь с поверхностью жидкого металла.
  • Раскислители, которые растворяются в жидком металле и действую внутри жидкого металла.

В качестве поверхностных раскислителей в твердом виде  используются карбид кальция (СaC2).  Борид магния  (Mg3B2), углерод и борный шлак в жидком виде. Борный шлак приготовляется сплавлением обезвоженной буры, борной кислоты и магниевого порошка при температуре 1000-1100ᴼС. При взаимодействии этого шлака СaC2 и Mg3B2 с расплавленной медью происходит реакция раскисления:

5Cu2O+CaC2=CaO+2CO2+10Cu;

6Cu2O+Mg3B2=3MgO+B2O3+12Cu;

2CuO2+C=CO2+4Cu;

Сu2O+Na2B4O6 · MgO= Na2B4O7 · MgO+2Cu.

При применении твердых раскислителей, действующих на поверхности, их необходимо измельчать в порошок.  Раскисление жидким шлаком идет более эффективно, чем твердыми раскислителями.

Преимущество  поверхностного раскисления  состоит в том, что раскислители и продукты раскисления почти не растворяются в  металле. Способ этот  применяется при получении чистых сплавов  и металлов, в которых не допускаются  посторонние примеси. Недостаток поверхностных раскислителей  состоит в том, что они  медленно раскисляют металл. Поэтому в литейном производстве для  раскисления медных сплавов в большинстве случаев пользуются растворяющимися в металле раскислителями. Растворяющиеся раскислители можно разделить на три группы:

А) раскислители, дающие газообразные продукты  раскисления: водород, окись углерода и углеводороды:

Cu20 + H2=H2O+2Cu;

Cu20 + СЩ=СО2+2Сu;

4Cu2O+CH4=CO2+2H2O+8Cu.

Продукты раскисления практически не растворимы в меди и не портят медь, но сами раскислители, растворяясь в меди, ухудшают ее свойства.

Б) растворители, образующие парообразные и жидкие  продукты раскисления: фосфор, литий, свинец.

Фосфор при реакции с окисленной медью образует  парообразные продукты:

5Cu2O+2P=P2O5+10Cu.

Температура возгонки  P2O5 равна 347ᴼ, поэтому в расплавленной меди и медных сплавах он находится в парообразном состоянии.

Фосфор при раскислении меди вводится в сплав в виде фосфористой меди.

Свинец при реакции с окислами  меди образует жидкие продукты

Cu2O+Pb=PbO-2Cu/

 

Температура плавления PbO  равна 587ᴼ, и поэтому окись свинца будет находиться в медном  сплаве в расплавленном виде.  Активность свинца как  раскислителя закиси меди невелика, так как по теплообразованию свинец близок к меди. Свинец дает тяжелые продукты раскисления, которые трудно удаляются из сплава.  Кроме того, свинец не всегда является полезной примесью в медных  сплавах.

Литий как раскислитель может применяться в чистом виде и в виде сплавов. Литий – щелочной металл; удельный все которого составляет 0,59, температура плавления 186ᴼ, температура кипения 1400ᴼ. На воздухе литий сильно окисляется,  хранится  в керосине или бензине, при этом должен быть прижат ко дну, так как всплывает и окисляется на поверхности. При введении в медь литий  вступает в реакцию с кислородом и водородом:

Cu2O+2Li=Li2O+2Cu;

2Cu2O+H2 +2Li=2LiOH+4Cu.

Окислы лития Li2O плавятся при 1700ᴼ и не растворяются в меди.

Гидрат окиси лития имеет температуру плавления 445ᴼ и удаляется из меди в виде шарообразных включений. Металл после раскисления литием выдерживается для удаления продуктов раскисления.

Литий применяется для раскисления при отливке деталей из чистой меди для электротехнической промышленности.

Раскислители, дающие твердые продукты раскисления, — кальций, магний, алюминий, кремний, цинк, марганец, титан, бериллий, хром, олово и др.

Эти элементы могут растворяться в меди в значительных количествах.  Продукты раскисления получаются в виде мелкораздробленных  твердых частичек.  Расплавленный металл при наличии в нем большого количества твердых окислов имеет  большую  вязкость, вследствие чего резко ухудшаются его литейные свойства и понижаются механические свойства сплава. Поэтому, несмотря на то, что многие из этих раскислителей являются  очень активными, как, например, кальций, алюминий, магний, на практике они не применяются, так как дают  тугоплавкие окислы, понижающие  качество металла.

При приготовлении медных сплавов, в состав которых  входят  компоненты, дающие твердые окислы,  металл раскисляют предварительно другими раскислителями, и только после этого в него  вводят эти компоненты.

Рафинирование медных сплавов

Наиболее простой способ рафинирования – выстаивание. Этот способ основан на том, что при выдержке и снижении температуры сплава растворимость газов в металле уменьшается.

При выстаивании сплава из него  удаляется часть окислов,  удельный вес которых отличается от  удельного веса сплава. Однако скорость всплывания газовых пузырьков и неметаллических включений зависит от  их удельного веса, размеров и формы. Более крупные частички шаровидной формы легче всплывают. Для удаления  газов и окислов путем выстаивания требуется значительное время, поэтому в практике литейного производства пользуются более эффективным методом рафинирования.

Удаление твердых окислов методом флотации основано на том, что взвешенные частички окислов и неметаллических включений прилипают к пузырькам газообразного или парообразного вещества,  получающегося в результате раскисления сплава, и всплывают на поверхность (рис 1).

схема флотационного удаления окислов

Когда пузырек лопает, частички окислов, сохраняя несмачиваемость металлом, останутся на поверхности, откуда они удаляются вместе со шлаком. При плавлении  медноалюминиевых  бронз  в качестве рафинирующего материала применяют  обезвоженный хлористый цинк или другие  хлористые соли, которые  при реакции с алюминием образуют хлористый алюминий:

Al+3ZnCl        AlCl3+3Zn.

Хлористый алюминий в расплавленной алюминиевой бронзе находится в парообразном состоянии и выделяется  из нее в  виде  пузырьков.  Окислы алюминия и другие  неметаллические  включения прилипают к пузырькам и всплывают  на поверхность.

Флотационный способ рафинирования сплавов  освобождает сплав не только от  посторонних включений и окислов, но и от  газов.

Если парциональное давление растворенных в сплаве газов  больше, чем парциональное давление пузырьков  газообразных  продуктов,  то газы из сплава будут диффундировать в движущиеся  пузырьки  газообразного вещества и вместе с ними удаляться  в атмосферу.

Способ удаления окислов  флюсованием  применяется при  плавлении медных сплавов реже, чем при плавлении алюминиевых и магниевых сплавов. Этот способ состоит в том, что окислы, взвешенные в расплавленном металле, постепенно растворяются флюсом,  находящимся на поверхности металла.

В практике приготовления литейных сплавов рафинирование  флюсами может быть  трех видов: верхнее флюсование, когда флюс  плавает над металлом, нижнее, когда флюс тяжелее металла и  находится внизу, и флюсование по всему объему сплава путем  замешивания тяжелого флюса в жидкий металл.

При плавлении медных сплавов применяют главным образом  верхнее флюсование.

Верхнее флюсование медного сплава основано на том, что чистый  металл имеет  большой удельный вес, чем металл,  в котором  находятся взвешенные окислы и неметаллические включения. Процесс рафинирования происходит по схеме, показанной на рис. 2.

схема удаления неметаллических включений при помощи верхнего флюсования

   На поверхности металла создают  слой флюса (рис. 2 а),  в котором растворяются окислы. При этом образуется слой флюсов  и растворенных в нем окислов и слой чистого металла (рис 2 Б).

Так как чистый металл тяжелее  загрязненного, он опустится вниз, а кверху поднимутся слои загрязненного металла (схема в). Окислы загрязненного металла снова будут растворяться во флюсе, а чистый металл будет опускаться вниз. Процесс этот будет продолжаться до тех пор, пока весь металл не будет очищен от окислов (схема г).

При подборе состав флюсов для рафинирования медных сплавов руководствуется тем, что вещества, близкие по своему составу, свойствам и строению, хорошо растворяются друг в друге.

При плавке алюминиевой бронзы используют флюс, состоящий из 62% плавикового шпата и 38% поваренной соли. Для  рафинирования алюминиевой бронзы и латуней можно применять флюсы, которые используются при плавке алюминиевых сплавов. Флюсами  для рафинирования также широко используются при плавке  медноникелевых сплавов, бурой, содой, кварцевым песком, плавиковым шпатом, морской солью и др.

Рафинирование медных сплавов может осуществляться методом  вибрации жидкого металла. В процессе  вибрации происходит  укрупнение газовых пузырьков, что облегчает выход газов из металла. Взвешенные неметаллические частички также  укрупняются и легче всплывают на поверхность.

 

Источник: Литейные сплавы  П.П. Жевтунов.