Исследование и разработка составов сплавов системы медь-никель-цинк для получения художественных отливок по выплавляемым моделям

Получение качественных художественных отливок без дефектов определяется правильным представлением о процессах, происходящих с расплавом во время плавки и разливки, а также о влиянии состава сплава на его кристаллизацию и затвердевание отливок.

Сплавы системы медь-никель-цинк или, иначе, «нейзильберы» нашли широкое применение в художественном литье как материал по цвету и блеску похожий на серебро. Эти сплавы применяют для всевозможных мелких и средних художественных отливок. По литературным данным эти сплавы наряду с хорошими механическими свойствами имеют высокую коррозионную стойкость и удовлетворительную жидкотекучесть. Особенности технологии плавки и литья, а также характерные литейные дефекты этих сплавов изучены недостаточно подробно. Предварительные эксперименты показали, что нейзильберы склонны к образованию горячих трещин при кристаллизации, что было обнаружено при изготовлении художественных архитектурных отливок типа «перила лестниц» способом литья по выплавляемым моделям. На кристаллизационное происхождение трещин указывала их зернистая и окисленная поверхность в изломе отливок.

Механизм образования горячих трещин при литье цветных сплавов исследован достаточно глубоко. Для сплавов многих систем известны количественные зависимости показателя горячел о мкости от состава, однако каких-либо данных по горячеломкости для сплавов типа «нейзильбер» в литературе не найдено. До сих пор остаётся открытым вопрос об универсальной методике исследования сплавов на склонность к образованию трещин.

Цель работы заключалась в усовершенствовании технологии плавки и литья сплавов системы Cu-Ni-Zn для повышения качества отливок и снижения брака по горячим трещинам и разработке составов сплавов системы медьникель-цинк, пригодных по литейным свойствам и цвету для изготовления художественных отливок по выплавляемым моделям.

Задачи работы заключались в: изучении технологических особенностей плавки и литья сплавов типа «нейзильбер» в условиях литья по выплавляемым моделям (JIBM) и исследовании их влияния на макроструктуру этих сплавовразработке пробы на горячеломкость для получения стабильных данных по влиянию толщины сечения, температуры заливки, температуры подогрева формы перед заливкой, времени выдержки расплава в печи, а также содержания легкоплавких примесей горячеломкость этих сплавовопределении составов сплавов, наиболее подходящих для художественного литья по цвету и литейным свойствамустановлении режимов литья, при которых горячеломкость сплавов будет минимальной.

Методы исследования.

При помощи графических построений по тройной диаграмме состояния рассматривались процессы кристаллизации сплавов системы Cu-Ni-Zn, при этом определялись температуры ликвидуса и солидуса, интервал кристаллизации сплавов медного угла, а также зависимость темпа кристаллизации сплавов от температуры. По полученным результатам делался вывод о склонности сплава к горячим трещинам, который затем проверялся экспериментальным путем. По разработанной пробе исследовалось влияние состава и различных технологических факторов (температуры заливки, температуры формы, толщины сечения, времени выдержки) на горячеломкость сплава типа «нейзильбер» — изучалось влияние температуры заливки и температуры формы на заполняемость форм, полученных способом J1BM. Проводились металлографические исследования макрои микроструктурыпроводился спектральный анализиспытания механических свойстванализ цветовых характеристик сплавов.

Научная новизна.

Предложена новая проба для оценки горячеломкости сплавов и сконструирована форма для ее получения. Испытания сплавов системы медь-никель-цинк показали высокую чувствительность предложенной пробы к изменению технологических факторов и стабильность получаемых результатов.

Впервые на основании графических построений на диаграмме состояния системы медь-никель-цинк определены зоны составов сплавов, имеющих одинаковый показатель горячеломкости, что подтверждено экспериментальными результатами с помощью разработанной пробы.

Установлена и обоснована связь между горячеломкостью сплавов системы Cu-Ni-Zn и их темпом кристаллизации. Обнаружено, что температурная зависимость темпа кристаллизации оказывает более значимое влияние на горяче-ломкость сплава, чем его интервал кристаллизации.

Установлено, что макроструктура сплавов системы Cu-Ni-Zn необратимо огрубляется при большом перегреве и выдержке расплава. Данное явление обу-I словлено процессом «цинкового» кипения, при котором интенсифицируется удаление всевозможных примесей — подложек кристаллизации сплава.

Обнаружено, что использование окисленной шихты при плавке нейзильбера в графитовом тигле приводит к образованию в расплаве окиси углерода, которая становится причиной появления в отливках газовой пористости.

Практическая значимость.

Результаты работы позволяют как по диаграмме состояния, так и по разработанной пробе определять горячеломкость сплавов типа «нейзильбер» с содержанием никеля от 5 до 40% по массе и цинка от 5 до 35% по массе.

Даны практические рекомендации по ведению плавки (порядок введения шихтовых компонентов, температура заливки, температура подогрева формы) сплавов, которые позволяют улучшить качество выплавленного металла и снизить брак по горячим трещинам.

При приготовлении сплавов типа «нейзильбер» для раскисления меди и никеля возможно эффективное использование фосфора, так как установлено, > что при плавке нейзильбера МНЦ-15−20 остаточное содержание фосфора до.

0,015% по массе не повышает показатель горячелом кости.

Установлено, что для получения значительного сходства по цвету и блеску с серебром сплавы, должны содержать в сумме не менее 30% по массе никеля и цинка, причем содержание цинка в сплаве должно превышать содержание никеля в 1,2−5-1,4 раза.

Состав диссертационной работы.

Работа состоит их введения и трех основных глав. Первая глава содержит аналитический обзор литературы по теме с заключением и постановкой конкретных задач исследования. Вторая глава описывает методики, используемые при проведении работы. В третьей главе описана сущность проведенных экспериментальных и теоретических исследований. Заключительная часть диссертации состоит из: обсуждения результатов исследования, в котором излагаются и 9 анализируются данные, полученные в ходе проведенных экспериментов, графических построений и теоретических рассуждений, и основных выводов. Использованная литература размещена в виде библиографического списка. Результаты исследования, не вошедшие в основную часть работы, представлены в виде приложений в конце диссертации. Работа оформлена в соответствии с рекомендациями [1] по написанию и оформлению кандидатских диссертаций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработана и реализована технология плавки при изготовлении художественных отливок способом литья по выплавляемым моделям из сплавов системы медь-никель-цинк (Cu-Ni-Zn). Показано, что заливка расплава в форму с перегревом свыше 100 °C над ликвидусом приводит к значительному укрупнению зерна в отливках. Такая крупнозернистая структура сохраняется и при дальнейшем снижении перегрева расплава под заливку, что повышает вероятность образования в отливках горячих трещин.

Установлено, что заполняем ость оболочковой формы при литье этих сплавов по выплавляемым моделям в большей степени зависит от температуры подогрева формы, чем от температуры заливки расплава.

На основании сказанного для получения мелкозернистой структуры отливки и высокой заполняемости литейной формы можно рекомендовать проводить заливку, не перегревая расплав более 80 °C над ликвидусом, в формы с максимально возможной температурой.

2. Разработана компактная технологическая проба на горячеломкость, сконструирована форма для её получения и предложена методика расчёта показателя горячеломкости (ПГ).

Испытания на сплавах системы Cu-Ni-Zn показали высокую чувствительность пробы и стабильность получаемых результатов. Конструкция формы позволяет менять толщину сечения каждого из трёх участков образца, на которых образуются трещины, и замедлять скорость охлаждения сплава на этих участках. Методика расчета ПГ позволяет усреднять величину трёх одновременно полученных результатов с погрешностью ±4%.

Проба даёт возможность определять горячеломкость сплава в зависимости от температуры заливки металла, температуры подогрева формы, толщины сечения образца, времени выдержки металла в печи перед заливкой, состава сплава, содержания легкоплавких примесей, размера зерна.

3. Методом построения, опираясь на равновесные диаграммы состояния соответствующих двойных систем, были определены температуры ликвидуса * (Тл) и солидуса (Тс) гаммы сплавов медного угла тройной системы Cu-Ni-Zn с содержанием никеля от 5 до 40% по массе и цинка — от 5 до 35% по массе. Рассчитаны их равновесные температурные интервалы кристаллизации (ДТкр) и оценены темпы кристаллизации при температуре Тер = (Тл-Тс)/2.

Анализом микроструктуры отливок из сплавов этой системы установлено, что их кристаллизация при литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) в горячие формы проходит в условиях, достаточно близких к равновесным, поэтому теоретические (полученные построением) и экспериментальные (полученные по разработанной пробе) результаты практически совпадают.

На тройной диаграмме состояния Cu-Ni-Zn определена область составов сплавов с высокой трещиноустойчивостью, что позволяет на практике выбирать состав сплава без риска появления горячих трещин в художественных отливках.

4. Экспериментально на ряде сплавов системы Cu-Ni-Zn установлено, что температурная зависимость темпа кристаллизации оказывает более сильное влияние на склонность сплава к горячим трещинам, чем температурный интервал кристаллизации.

5. Исследования показали, что в сплавах системы Cu-Ni-Zn увеличение содержания примесей висмута, сурьмы, свинца по сравнению с допуском по ГОСТ приводит к повышению показателя горячеломкости сплавов. Увеличение содержания примеси фосфора в 3 раза по сравнению допуском по ГОСТ не приводит к повышению показателя горячеломкости. Поэтому фосфор можно применять для раскисления меди и никеля, не опасаясь появления горячих трещин в отливках.

6. При плавке сплавов системы Cu-Ni-Zn установлено, что использование окисленной шихты в присутствии углерода приводит к образованию в отливках пористости газового характера.

Исследования показали, что пористость появляется, начиная с содержания никеля 10% по массе, так как в расплаве начинается растворение углерода, ко" торый, восстанавливая цинк из его окиси, образует оксид углерода, который при кристаллизации выделяется с образованием пористости.

Поэтому для плавки сплавов этой системы желательно применять графи-тошамотные тигли после длительного отжига (для удаления углерода с рабочей поверхности тигля), или использовать глазурованные тигли.

7. Разработанная технология литья по выплавляемым моделям художественных отливок из сплавов системы Cu-Ni-Zn прошла опробование в литейной лаборатории кафедры ТЛП МИСиС. Полученные данные подтверждают целесообразность её дальнейшего применения для повышения качества литья и снижения брака при получении сложных художественных отливок. к.