Разработка процесса непрерывного литья меднофосфорных припоев приведенным диаметром 3-6 мм с целью повышения качества и снижения трудоемкости их изготовления

Растущая потребность в производстве мерных прутков малого сечения диаметром до 6 мм из медно-фосфорных сплавов для высокотемпературной пайки меди и сплавов на ее основе определяет необходимость в поиске рентабельных высокопроизводительных способов изготовления такой продукции. В связи с тем что, в составе эвтектики сплавов системы медь-фосфор присутствует большое количество хрупкого фосфида меди (до 40% объемн.), данные сплавы являются труднодеформируемыми. К пруткам из медно-фосфорных сплавов, предназначенных для высокотемпературной пайки, предъявляется ряд требований. Кроме равномерности сечения и прямолинейной формы данные заготовки должны обладать чистой не окисленной поверхностью. Сечение заготовок необязательно должно быть круглой формы.

Существующие методы получения мелкосортовых заготовок диаметром 3−6 мм из труднодеформируемых сплавов методом обработки давлением, отличаются многостадийностью, низким выходом годного, который составляет для сплавов данной группы 40−50%, вследствие значительного возврата металла на стадии подготовки слитка к деформации и во время многостадийного процесса деформации. Кроме того, стоимость заготовок увеличивается с уменьшением сечения, а после деформирования добавляется поверхностная обработка заготовок, которая удаляет окислы, образовавшиеся во время горячей обработки давлением. Поэтому традиционные методы получения труднодеформируемых материалов в виде заготовок малого сечения проигрывают методам непрерывного литья по производительности и энергоемкости процесса. Кроме того бинарные припои системы медь-фосфор близкие к точке эвтектического превращения (ПМФ9) в России вообще не получают обработкой давлением, а льют в кокиль, получая заготовки диаметром от 10 мм.

Однако существующие методы непрерывного литья заготовок сечением до 30 мм² обладают низкой производительностью, составляющей не более 1−2 кг/час, что делает данные методы нерентабельными. Другие специальные и традиционные методы непрерывного литья позволяют изготавливать заготовки сечением от 200 мм², что определяет необходимость в дальнейшей обработке давлением для получения более мелкого сортамента.

Одним из путей перспективного решения этой проблемы является разливка в желоб подвижного кристаллизатора, где заготовка перемещается вместе с кристаллизатором, и производительность литья зависит только от интенсивности отвода тепла. Метод непрерывной разливки мелкосортовых заготовок в желоб непрерывно вращающегося кристаллизатора создает возможность получения прутков припоя малого сечения (приведенный диаметр 3−6 мм) трапециевидной формы непосредственно из жидкого расплава, с высоким выходом годного и производительностью до 250 кг/час.

Для применения данного метода в процессах получения мелкосортовой непрерывной заготовки требуется решить ряд теоретических и технологических задач, которые связаны со стабильностью процесса во времени, необходимостью управлением процессами точной дозировки и транспортировки расплава в зону разливки, управлением процессами формообразования и затвердевания продукции в условиях разливки сплавов с различными литейными свойствами, с целью получения прямолинейных заготовок равномерного сечения, без дефектов, с заданным уровнем механических свойств на выходе из кристаллизатора. В этом аспекте, вследствие малых сечений литых заготовок, большое значение имеет изучение и оценка процессов капиллярного движения струи расплава в канале разливочного узла, которая позволит управлять не только точностью дозирования, но и производительностью процесса.

Процесс формообразования продукции определяется не только составом сплава и его литейными и физическими свойствами, но также оптимальным расположением зоны разливки на криволинейной поверхности кристаллизатора. Для получения однородной продукции с заданной формой необходимо изучить закономерности формообразования кристаллизующейся заготовки вблизи зоны разливки, которые заключаются в исследовании непрерывных потоков жидкого металла на свободной поверхности затвердевающей заготовки в подвижном желобе кристаллизатора. Для обеспечения непрерывности схода заготовки с кристаллизатора и создания условий для управления механическими свойствами заготовки на выходе из кристаллизатора необходимо произвести расчет оптимальных температурных режимов кристаллизатора в зависимости от скорости литья, состава сплава и сечения заготовки.

Решение перечисленных задач позволит прогнозировать и управлять процессом непрерывного литья мелкосортовых заготовок с заданной формой и свойствами. За счет достижения высоких скоростей охлаждения это позволяет создать мелкокристаллическую микроструктуру сплава, обеспечивая тем самым высокие свойства получаемого материала.

В данной работе исследовался процесс литья мелкосортовых заготовок в подвижный желоб вращающегося диска кристаллизатора, применительно к медно-фосфорным труднодеформируемым сплавам, которые являются припоями для высокотемпературной пайки меди и сплавов на ее основе. Изучены особенности теплового режима работы кристаллизатора. Изучены процессы кристаллизации заготовки в условиях ограниченного объема и металлостатического давления. Исследованы процессы дозировки и транспортировки расплава в зону кристаллизации. Была предложена технологическая схема литья мелкосортовых заготовок, и определены оптимальные технологические режимы и параметры литья. Были описаны механизмы возникновения дефектов при литье и методы их устранения, а также сформулированы условия выбора оптимальной температуры заготовки для последующей ее обработки давлением и резкой. Исследования проводились на разработанной в рамках работы установке непрерывного литья «ЭМИР-2».

Работа выполнена в Московском Государственном Институте Стали и Сплавов (технологическом университете) на кафедре «Технологии литейных процессов».

1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЖОСОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

выводы.

1. Результаты проделанной работы позволили впервые получить прутки из медно-фосфорных сплавов приведенным диаметром 3, 4 и 6 мм методом непрерывного литья с производительностью 130 — 360 кг/час и точностью размеров, позволяющей использовать их в качестве припоев.

2. Разработана промышленная технология и оборудование для выпуска прутков припоя приведенным диаметром 3, 4 и 6 мм для автоматической и ручной пайки изделий из меди и сплавов на ее основе.

3. Получение заготовок приведенным диаметром 3,4 и 6 мм методом непрерывного литья стало возможным в результате организации точной дозировки расплава, основанной на капиллярном сопротивлении расплава в канале разливочного узла, а также за счет управления затвердеванием расплава на свободной поверхности кристаллизатора, в отличие от традиционного способа Проперци, где кристаллизация сплава происходит в замкнутом объеме подвижного кристаллизатора.

4. Установлено, что характер движения расплава в канале разливочного узла является турбулентным (Re = 4500 — 13 000). Определены основные закономерности управления напором жидкого металла, зависящего от вязкости расплава, и геометрических размеров канала разливочного узла. Определена закономерность роста пограничного слоя в канале разливочного узла, приводящего к уменьшению объемного расхода металла и повышающего точность дозирования расплава. Величина пограничного слоя, зависит от вязкости расплава в степени 3/5, и от длины канала в степени 2/5.

5. В работе выявлены факторы, позволяющие организовывать свободное обратное стекание расплава для создания условий равномерного затвердевания мелкосортовых заготовок из медно-фосфорных сплавов.

В условиях разливки широкоинтервальных сплавов, формирование обратного стока расплава в желобе кристаллизатора перед зоной разливки приводит к снятию температуры перегрева расплава и способствует объемному затвердеванию заготовки на наклонной поверхности в результате резкого роста вязкости металла, позволяющему получать заготовки с равномерным сечением.

В условиях разливки узкоинтервальных сплавов для получения заготовок постоянного сечения зону разливки необходимо сдвинуть в сторону обратную вращению кристаллизатора от его верхней точки на расстояние 80 — 150 мм, в зависимости от сечения заготовки. В таком случае, за зоной разливки организуется непрерывное обратное стекание, способствующее подпитке кристаллизующейся заготовки, приводящее к ее равномерному затвердеванию.

6. Изучение вязкости исследуемых медно-фосфорных расплавов методом падающего шара стало возможным за счет использования шара с плотностью отличающейся от плотности расплавов не более чем на 5%, и фиксирования времени его всплытия, а не погружения.

7. Изучение макроструктуры поперечного сечения заготовок дает основание предположить, что при их затвердевании преобладает трехсторонний отвод тепла, приводящий к анизотропии свойств отливаемых прутков. При движении основного фронта затвердевания от нижней части заготовки, контактирующей с кристаллизатором к ее центральной части средний размер дендритной ячейки для сплава П14 возрастает в 3 раза.

8. Установлено, что на формирование облоя с острой кромкой на поверхности заготовок оказывает влияние величина зазора между донной частью литника и поверхностью кристаллизатора, а также поверхностное натяжение расплава и величина гидростатического напора в разливочном узле.