При плавке и разливке на воздухе алюминиевые сплавы легко окисляются и насыщаются водородом, причем вредное влияние растворенных газов на качество отливок заметно уже при небольших количествах их в расплаве. Практикой установлено, что предельно допустимое количество водорода в алюминиевых сплавах, позволяющее получать качественное литье, оценивается 0,1—0,20 см3/100 г металла. Поэтому основное внимание при плавке уделяют предупреждению излишнего окисления и газонасыщения сплава. Учитывая вредное влияние примесей в алюминиевых сплавах, стремятся также получить сплав с минимальными количествами этих примесей, особенно железа.
Способы плавки алюминиевых сплавов зависят от применяемого типа печей и шихтовых материалов. Тип плавильных печей выбирают в зависимости от характера производства и назначения сплава.
Плавку алюминиевых сплавов производят в тигельных печах с нефтяным, газовым и электрическим обогревом, в пламенных отражательных печах, подовых электропечах сопротивления и индукционных печах. По назначению различают печи плавильные, раздаточные и плавильно-раздаточные.
Наиболее качественный металл получается при плавке в индукционных печах. В этих печах плавка идет быстро, металл получается хорошо перемешанным и менее газонасыщенным. Отражательные печи, отапливаемые газом, применяют для плавки алюминиевых сплавов в цехах заготовительного литья, а также для переплавки отходов и стружки. В фасоннолитейных цехах распространены отражательные электропечи сопротивления.
Тигельные печи с различными способами нагрева применяют для плавки сравнительно небольших количеств металла (особенно они удобны как раздаточные печи).
Для плавки алюминиевых сплавов применяют преимущественно металлические сварные, литые, реже кованые тигли.
При плавке в металлических тиглях имеется опасность взаимодействия сплава с тиглем и загрязнение его примесями железа. Наиболее агрессивны по отношению к чугунным тиглям алюминиевые сплавы с кремнием, затем с магнием и менее с медью и цинком. Поэтому стенки тиглей перед плавкой покрывают специальными защитными красками, кроме того, подбирают составы чугуна или стали, более стойкие по отношению к алюминию. Например, серые чугуны более стойки, если в них больше графита и он находится в сильно разветвленной форме. Кремний в чугуне (как и кремний в расплаве) способствует взаимодействию металла с материалом тигля поэтому стремятся снижать содержание его в чугуне до нижнего предела, а в качестве графитизирующего элемента при выплавке используют алюминий (1,2—3,0%). Алюминий, кроме того, снижает окисляемость тигля и с наружной стороны. Содержание марганца должно быть минимальным. Высокую стойкость имеют тигли из чугуна с содержанием алюминия до 8% и с присадками хрома (0,4—1,0%), а также никеля и молибдена.
Рекомендуются следующие общие правила приготовления алюминиевых сплавов:
- При плавке на свежих шихтовых материалах и лигатурах в первую очередь загружают (целиком или по частям) алюминий, а затем растворяют лигатуры.
- Если плавка ведется на предварительном чушковом сплаве или на чушковом силумине, в первую очередь загружают и расплавляют чушковые сплавы, а затем подшихтовывают сплав необходимым количеством алюминия и лигатур.
- Сильно склонные к угару металлы, например цинк, магний, вводят в сплав в последнюю очередь, желательно под слой флюса.
- Если шихта состоит из отходов и чушковых металлов, очередность загрузки определяется количеством составных частей шихты: в первую очередь загружают в печь и расплавляют наибольшую часть шихты. Если, однако, отходы сильно загрязнены, то лучше их вначале расплавить, дегазировать и затем загружать чушковый металл.
- Если емкость печи и габариты шихты позволяют загружать различные ее составляющие одновременно, то вместе загружают то, что имеет близкую температуру плавления, например силумин, отходы, чушковый алюминий. Шихту подбирают с наименьшим количеством примесей для данного сплава. Укладку шихты в печь надо производить компактно, расплавление вести быстро. При загрузке в жидкую ванну твердую шихту необходимо предварительно подогревать.
Шихтовые материалы и возвраты необходимо хранить в сухих и теплых помещениях. Хранение их в сырых помещениях или же на открытом воздухе приводит к адсорбции влаги и усиленному окислению.
Шихту обычно составляют из отходов и 20—60% свежих материалов, тщательно взвешивают в соответствии с расчетными данными. Расчет шихты литейных алюминиевых сплавов проводят по данным ГОСТа (по среднему или оптимальному составу). В зависимости от особенностей сплавов и требований к свойствам отливки состав одних компонентов рассчитывают по минимальному количеству, других — по максимальному, а третьи компоненты рассчитывают по среднему количеству.
Например, при расчете шихты для приготовления слитков из алюминиевых сплавов АК4, АК5, АК6 и Д16 содержание меди в сплавах берут по верхнему пределу, что способствует снижению склонности сплавов к трещинообразованию, а содержание железа, магния и кремния принимают, наоборот, по нижнему пределу, для уменьшения ликвации.
Сплав АЛ4 имеет следующие пределы химического состава по ГОСТу: 8—10,5% Si, 0,25—0,5% Mn, 0,17—0,3% Mg, остальное Al. Обычно расчет ведут на содержание кремния 8,25—9,25%. Пониженное по сравнению со средним (9,25%) содержание кремния берут потому, что это способствует повышению прочности, уменьшению концентрированной усадки и ликвации сплава. Но чрезмерное понижение кремния вызывает уменьшение жидкотекучести и механических свойств, что особенно важно при литье тонкостенных деталей. Поэтому в таких случаях расчет ведут на содержание кремния 9,25%. Марганец вводят в сплав АЛ4 главным образом для устранения вредного влияния железа, но повышенное содержание марганца может вызвать сильную ликвацию. Поэтому если шихта сравнительно чистая по железу, то расчет ведут на среднее содержание марганца (0,37%), а если шихта сильно загрязненная, то количество марганца доводят до 0,45%, т. е. ближе к верхнему пределу. Особенно важно при составлении шихты сплава АЛ4 учитывать влияние магния на механические свойства этого сплава. При содержании магния на нижнем пределе сплав будет иметь пониженную прочность и твердость, но высокую пластичность.
Часто при выборе оптимального состава сплава приходится учитывать одновременно влияние на свойства сплава нескольких компонентов и затем выбирать наиболее удобные их сочетания. Например, сплав Д19 (3,8—4,3% Cu; 1,8—2,3% Mg) высокие жаропрочные свойства имеет в том случае, если суммарное количество меди и магния в сплаве будет равным 6,1%, что необходимо учитывать при расчете шихты. При плавке сплава АЛ19 (4,5—5,3% Cu, 0,6—1,0% Mn, 0,25—0,35% Ti, <0,3% Fe, <0,3% Si, 0,05% Mg, остальное Al) высокие прочностные и пластические свойства получаются в том случае, когда содержание меди и марганца находятся на среднем уровне марочного состава сплава (5% Cu, 0,8% Mn,0 3% Ti, остальное Al). Любые отклонения от среднего содержания этих металлов неблагоприятно сказываются на механических свойствах.
Поэтому при плавке некоторых алюминиевых сплавов (особенно многокомпонентных) приходится иногда вначале готовить из чистых металлов подготовительный сплав определенного химического состава, разливать его в чушки, анализировать состав и потом уже при условии соответствия заданному составу использовать его в качестве исходной шихты для приготовления рабочего сплава, непосредственно идущего для заливки литейных форм.
Стандартные сплавы, технология плавки которых достаточно хорошо отработана, обычно готовят однократно из шихтовых материалов и сразу же заливают металл в формы.
Расплавление шихты ведут форсировано, но не рекомендуется чрезмерно перегревать расплав. Если шихта мелкогабаритная, та для предохранения от чрезмерного окисления плавку осуществляют с применением покровных флюсов из смеси хлористых солей, которые загружают вместе с металлической шихтой в количестве 2—3% от массы металла. По достижении необходимого перегрева металл контролируют по технологическим пробам на газонасыщенность и загрязненность окисными включениями и в случае необходимости приступают к рафинированию и дегазации сплава. На всем протяжении плавки, начиная с подготовки шихтовых материалов, необходимо не допускать излишнего окисления и газонасыщения расплава. Для этого надо тщательно готовить к плавке шихту и очищать ее от посторонних примесей, а также держать чистыми печь и весь инструмент. Чем больше внимания и времени уделяется подготовке шихты и печи, тем меньше окислов и газов окажется в расплаве и тем легче отрафинировать расплав перед разливкой. Небрежная плавка, в том случае, когда используют загрязненную, влажную шихту, не просушивают футеровку печи (в расчете на последующую очистку расплава в результате рафинирования и дегазации в конце плавки), не дает хороших результатов, так как зачастую легче предотвратить попадание в расплав окислов и газов, чем затем освободиться от них.
Практика плавки алюминиевых сплавов показывает, что существует прямая связь между количеством окисных пленок в расплаве и его газонасыщенностью. Чем больше в сплаве окисных пленок, тем выше газонасыщенность. Поэтому излишнего перемешивания расплава следует избегать, особенно если плавку ведут без покровных флюсов.