Современное представление о технологии изготовлении изделии из медных сплавов

Оглавление
Введение
1.Современное представление о технологии изготовлении изделии из медных сплавов
1.1 Состав, свойства и области применения медных сплавов
1.2 Классификация способов изготовления отливок в разовых формах
1.3.Классификация плавильных печей для приготовления сплавов на основе меди
1.4 Патентные исследования в области рафинирования медных сплавов
1.5 Постановка цели и задач
2.Выбор материала и способа изготовления изделия
2.1. Требования к детали-представителю.
2.2. Выбор основы сплава и группы легирующих элементов.
2.3 Выбор марки сплава и его характеристики
2.4. Влияние легирующих элементов на свойства и характеристику сплава БрАЖ9-4
2.5. Влияние примесных элементов на свойства сплава БрАЖ9-4.
2.6. Способы изготовления изделия
2.7. Выбор способа изготовления изделий методами литья
3.Разработка технологии изготовления изделия в условиях мелкосерийного производства
3.1.Характеристика детали-представителя
3.2 Выбор плосткости разъема модели и формы, положения отливки в форме при заливке
3.3 Припуски на механическую обработку и усадку
3.4 Стержни, знаковые части стержней
3.5 Выбор опок, определение их размеров и количесво изделий в форме
3.6 Выбор и расчет литниково-питающей систем
3.7 Характеристика модельного комплекта
3.8 Формовочные и стержневые смеси
3.9 Описание технологии изготовления изделий
3.9.1 Технология приготовления сплава
3.9.2 Технология изготовления литой заготовки
3.10 Технико-экономические показатели
Заключение
Список литературы





















1.1.Современное представление о технологии изготовлении отливок из медных сплавов
Научные разработки и производственные процессы в области литейного производства цветных металлов в нашей стране соответствуют передовым достижениям научно-технического прогресса. Основная задача, стоящая перед литейным производством в нашей стране, заключается в существенном общем повышении качества отливок, которое должно найти выражение в уменьшении толщины стенок, снижении припусков на механическую обработку и на литниково-питающие системы при сохранении должных эксплуатационных свойств изделий. 
Проблема повышения качества отливок тесно связана с проблемой экономного расходования металла. Применительно к цветным металлам обе эти проблемы приобретают особую остроту. В связи с истощением богатых месторождений цветных металлов стоимость их производства непрерывно и существенно возрастает. Сейчас цветные металлы в пять—десять и более раз дороже чугуна и углеродистой стали. Поэтому экономное расходование цветных металлов, сокращение потерь, разумное использование отходов является непременным условием развития литейного производства.
В промышленности постоянно увеличивается доля сплавов цветных металлов, получаемых путем переработки отходов — обрези, стружки, различного лома и шлаков. Эти сплавы содержат повышенное количество разнообразных примесей, способных снизить их технологические свойства и эксплуатационные характеристики изделий. Поэтому в настоящее время ведутся широких исследования для выработки способов рафинирования подобных расплавов и отработки технологии получения качественных литых заготовок.







 Состав, свойства и области применения медных сплавов.
  В отраслях промышленности широко используются различные сплавы на основе меди, подразделяющиеся на бронзы и латуни. Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими компонентами являются: олово, алюминий, марганец, кремний, бериллий, железо и другие элементы. Изготавливают бронзы оловянные, в которых легирующим компонентом является олово, и безоловянные – сплав меди с алюминием, железом, марганцем, никелем и др. Химический состав оловянных литейных бронз должен соответствовать ГОСТ 613-79, безоловянных – ГОСТ 493-79. Латуни представляют собой сплав меди с цинком, в котором могут содержаться также и другие элементы (кремний, алюминий, железо, марганец, свинец). Ниже в табл. 1 представлен химический состав медных сплавов.
   Таблица 1. Химический состав медных сплавов
Марка сплава
Химический состав легирующих элементов, %

Sn
Pb
Al
Mn
Zn
Cu
Другие
Оловянные бронзы (ГОСТ 613-79)
БрО10Ф1
9-11
-
-
-
-
Остальное
04-1,1Р
БрО10Ц2
9-11
-
-
-
1-3
То же
-
БрО5Ц5С5
4-6
4-6
-
-
4-6
??
-
БрО3Ц12С5
2-3,5
3-6
-
-
8-15
??
-
Безоловянные бронзы (ГОСТ 493-79)
БрА9Мц2Л
-
-
8-9,5
1,5-2,5
-
??
-
БрА9Ж3Л
-
-
8-10,5
-
-
??
2-4Fe
БрА10Ж3Мц2
-
-
9-11
1-3
-
??
2-4Fe
БрС30
-
27-31
-
-
-
??
-
Латуни (ГОСТ 17711-93)
ЛЦ40С
-
0,8-2
-
-
Остальное
57-61
-
ЛЦ40Мц1,5
-
-
-
-
То же
57-60
-
ЛЦ30А3
-
-
2-3
1-2
??
66-68
-
ЛЦ16К4
-
-
-
-
??
78-81
3-4,5Si

Основное преимущество медных сплавов состоит в том, что они обладают высокой коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью, хорошим сопротивлением износу, низким коэффициентом трения, хорошей притираемостью в паре с другими более твердыми материалами, хорошо работают при отрицательных температурах до -250С.
Из литейных оловянных бронз получают главным образом литые детали, работающие под давлением или в условиях трения.
Литейные безоловянные бронзы отличаются высокой прочностью и хорошими антифрикционными и коррозионными свойствами, а так же обладают рядом специальных свойств – высокими электропроводностью, теплопроводностью и паростойкостью. Применяются при изготовлении деталей, работающих в особо тяжелых условиях (зубчатые колеса, втулки, клапаны, шестерни для сверхмощных кранов и мощных турбин, червяки, работающие в паре с азотированными или цементированными сталями, подшипники, работающие при высоких удельных давлениях и ударных нагрузках). Благодаря особым свойствам (большая объемная усадка, повышенная окисляемость при плавлении и заливке) эти бронзы применяются главным образом для литья деталей простых форм.
Наибольшее распространение из безоловянных бронз получили алюминиевые бронзы. Они имеют хорошую коррозионную стойкость в пресной и соленой воде, хорошо противостоят разрушению в условиях кавитации, обладают меньшим, чем оловянные бронзы, антифрикционным износом.  Ниже в табл.2 представлены свойства и области применения безоловянных бронз.
Таблица 2. Свойства и области применения безоловянных бронз.
Марка бронзы
Способ литья
?В, МПа
?5,%
НВ, МПа (кгс/мм2)
Области применения


Не менее

БрА9Мц2Л
БрА10Мц2Л
К; П
То же
392
490
20
12
784(80)
1078(110)
Антифрикционные детали; детали арматуры; работающие в пресной воде; топливе и при              t ? 250?С
БрА9Ж3Л
К
П
490
392
12
10
1176(120)
980(100)

Арматура, антифрикционные детали
БрА10Ж3Мц2
К
П
587
То же
12
10
1176(120)
980(100)

БрА10Ж4Н4Л
К
П
587
То же
6
5
1666(170)
1568(160)
Детали химической и пищевой промышленности, детали, работающих при повышенных температурах
БрА11Ж6Н6
БрА9Ж4Н4Мц1
К; П
То же
587
То же
2
12
2450(250)
1568(160)
Арматура, антифрикционные детали Арматура для морской воды
БрС30
БрСу3Н3Ц3С20Ф
БрА7Мц15Ж3Н2Ц2
К
К
П
58,7
157
607
4
2
18
245(25)
637(65)
-

Антифрикционные детали
Примечание. Условные обозначения способа литья: К- литьё в кокиль; П- литьё в песчаную формы, ?В-предел прочность, ?5- относительное удлинение, НВ- твердость
Латуням присущи все положительные свойства– высокая электропроводность и теплопроводность при более высокой прочности. Механические свойства отливок из латуней в значительной степени зависят от способа литья. Лучшими механическими свойствами обладают отливки, полученные литьем в кокиль.






1.1.2. Классификация способов изготовления отливок в разовых формах
Литейное производство является одной из отраслей машиностроения. Задача литейного производства — изготовление изделий любой массы, разнообразных по форме и размерам (в том числе с внутренними полостями) из металлов и сплавов, обладающих жидкотекучестью. Доля литых деталей в большинстве изготовляемых машин составляет в среднем 40-50%, а по стоимости изготовления их— 10-15 %.
Современное литейное производство располагает следующими способами изготовления отливок:  в песчано-глинистых формах с ручной и машинной формовкой ; в металлических формах;  под давлением;  в оболочковых формах ; по выплавляемым моделям;  центробежным литьем;  электрошлаковым литьем;  под низким давлением;  вакуумным всасыванием ; выжиманием;  жидкой штамповкой.
Область применения этих способов определяется многими факторами: типом производства; массой отливок; точностью и чистотой поверхности отливок; литейными свойствами сплавов; экономической целесообразностью использования того или иного способа.
Из перечисленных выше способов литья в разовые формы наиболее широкое применение при изготовлении отливок получило литье в сырые песчаные формы. 
Литье в оболочковые формы целесообразно применять при серийном и крупносерийном производстве отливок ограниченных размеров с повышенной чистотой поверхности, большей размерной точностью и меньшим объемом механической обработки, чем при литье в песчаные формы.
Малая скорость кристаллизации металла в оболочковых формах и меньшие возможности для создания направленной кристаллизации обусловливают получение отливок с более низкими свойствами, чем при литье в сырые песчаные формы.
Литье по выплавляемым моделям (точное литье) используется для получения сложных по конфигурации отливок из трудных для механической обработки металлов. Установлено, что при литье по выплавляемым моделям по сравнению с получаемыми обработкой давлением поковками снижается расход металла, трудоемкость механической обработки и себестоимость деталей на 22…80 %. По отливкам часто назначается механическая обработка лишь для сопрягаемых поверхностей.
Для получения отливок используют различные литейные формы, отличающиеся: сроком службы (разовые, многократные); состоянием перед заливкой (сухие, подсушенные, сырые, химически твердеющие, самотвердеющие) и технологией изготовления (вручную, на машинах, по выплавляемым моделям и др.).
Разовые формы изготавливают из песчано-глинистых, песчано-смоляных формовочных смесей, и служат они для получения только одной отливки. Разовую форму изготавливают разъемной, состоящей из нижней и верхней полуформ. К разовым формам относят также неразъемные формы, изготовленные по выплавляемым моделям. После заливки разовую форму разрушают для освобождения затвердевшей отливки.






1.3. Классификация плавильных печей для приготовления сплавов на основе меди
Плавкой называют комплекс физико-химических процессов, протекающих в плавильных печах при переработке заранее подготовленных материалов. Целью плавки является получение при определённой температуре сплава в жидком состоянии заданного химического состава, обладающего необходимыми литейными свойствами.
Технология плавки содержит различные операции, проводимые в течение времени, регламентируемого типом плавильной печи, ее вместимостью и составом сплава.
Вход состоит из обрабатываемого материала и оборудования, на котором обработка осуществляется. И то и другое вместе составляют процесс. Для осуществления плавки необходимо два основных элемента, образующих процессор: рабочее пространство плавильной печи и источник генерации тепловой энергии. Выход - результат процесса. Процесс (операции) превращает вход в выход.
Все процессы плавки цветных сплавов можно подразделить на монопроцессы и полипроцессы.
Характерной особенностью монопроцесса, наиболее распространенного при литье цветных сплавов, является осуществление всех операций плавки в одной плавильной печи. Полипроцессная плавка или доводка металла осуществляется постадийно в двух или нескольких плавильных печах или установках. Полипроцессы применяют в крупносерийном и массовом производстве отливок и особенно при очень высоких требованиях к сплавам по наличию в них вредных примесей.
Параметрами процесса плавки является температура и давление, которые зависят от типа плавильного агрегата и назначения (химического состава) сплава. Температурные интервалы плавки цветных сплавов на основе меди - 1000 – 1250 0С.
По виду используемой для плавки сплавов энергии плавильные печи подразделяют на пламенные и электрические. Пламенные печи подразделяют на тигельные, отражательные.
В электрических печах электроэнергия преобразуется в тепловую энергию, которая передаётся в рабочую камеру с помещёнными в ней нагреваемыми материалами. Электрические печи классифицируют по способу преобразования электрической энергии в тепловую и передачи ее к нагреваемым материалам. Различают печи: сопротивления, индукционные, электродуговые, плазменные, электрошлаковые, электронно-лучевые.
В основу электронно - лучевого переплава (ЭЛП) металлов положен принцип преобразования электрической энергии в тепловую вследствие бомбардировки поверхности металла потоком свободных электронов. Для осуществления ЭЛП необходимо иметь герметичную камеру, в котором создается вакуум , поток свободных электронов и ускоряющее электрическое поле. 
Печи сопротивления применяются для плавки свинцовых, оловянных, цинковых, магниевых и алюминиевых сплавов.
В индукционных плавильных печах нагревают электропроводящие материалы, помещая их в переменное электромагнитное поле. По конструктивному исполнению индукционные печи подразделяют на тигельные и канальные.
Электродуговые печи по принципу передачи тепла подразделяют на печи косвенного и непосредственного нагрева. В печах косвенного нагрева теплота передается излучением непосредственно от дуг футеровки . В печах непосредственного нагрева - от дуги.
Медные сплавы плавят в пламенных, дуговых и индукционных печах. Плавка большинства медных сплавов на воздухе сопровождается окислением элементов шихты и растворением водорода. Окислением сплавов, содержащих алюминий, кремний, бериллий, происходит с образованием плотной оксидной пленки на поверхности расплава, которая оказывает влияние на механические свойства отливок. Медные сплавы при затвердевании склонны к образованию газовой пористости (за исключением латуни), особенно характерной для сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации, в частности для оловянных бронз.
Для защиты от окисления плавку медных сплавов ведут под слоем древесного угля или флюса.
Шихту следует загружать в печь, нагретую до 600 - 7000С. Сначала загружают медь по частям или полностью. Если в состав шихты входит никель, его загружают вместе с медью. Расплав перегревают до 12000С и раскисляют фосфористой медью (0,3 - 1 % массы меди). После перемешивания сплава счищают шлаки, в несколько приемов загружают отходы и чушки переплава из стружки, подогретые до 100 - 1500С.
При температуре расплава 1160 - 12000С вводят цинк, олово и свинец.
В нагретую до7000С печь загружают медь и железо. Поверхность расплава должна быть покрыта древесным углем или флюсом, содержащим, % (масс. доля): битого стекла 90; полевого шпата 10.
После расплавления шихты при температуре 12000С расплав раскисляют фосфористой медью (0,1 - 0,2%). Затем вводят лигатуры: медь - марганец и т.д. Последней добавляют медно - алюминиевую лигатуру.
Если в состав шихты входят чистый никель, марганец и железо, то сначала вводят железо и марганец, а затем никель.
При плавке латуней в качестве шихтового материала применяют чушки, возврат, переплав стружки и лигатуры.
После подогрева печи в неё загружают чушки и расплавляют их. Сгущают шлак и загружают возврат и переплав; по необходимости подшихтовывают лигатурами.

















1.1.4.Постановка цели и задач 
Цель работы: выбрать материал и разработать технологию изготовления изделия «Клипса» в условиях мелкосерийного производства.
Задачи:
-Выполнить литературный обзор в области материалов и технологии;
- Выполнить патентные исследования в области рафинирования медных сплавов;
- Выбрать марку сплава, исходя из требований к изделию «Клипса»;
-Обосновать способ изготовления изделия «Клипса»;
- Разработать технологию изготовления изделия «Клипса».














1.4.Патентные исследования в области рафинирования медных сплавов

Анализ представленных материалов в таблице патентного обзора позволил выбрать для своей работы следующий патент.
Способ рафинирования меди и медных сплавов (варианты)
Номер научной публикации  RU 308874 C2
Авторы: Задиранов Александр Никитович, Ткалич Александр Михайлович 
Патентообладатели: Открытое акционерное общество Гайский завод по обработке цветных металлов "СПЛАВ" 
Формула изобретения
    1. Способ рафинирования меди и медных сплавов, включающий расплавление шихты в печи с крышкой, подачу к поверхности расплава через фурмы газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, отличающийся тем, что на поверхности расплава между, по крайней мере, двумя фурмами устанавливают раму с площадью внутренней поверхности, составляющей 0,3-0,5 площади поверхности всего расплава, в которую помещают рафинирующий флюс, причем при достижении концентрации кислорода в металле не менее 0,8 мас.% подачу газообразного окислителя прекращают, фурмы поднимают и обеспечивают свободное перемещение рамы с флюсом по поверхности расплава.
    Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к металлургическому способу выплавки меди и медных сплавов.
    Постоянный рост цен на тяжелые цветные металлы (катодные медь, никель, цинк и т.д.) привели к тому, что в настоящее время их выплавку проводят с вовлечением в состав шихты ломов низкого качества. Это обеспечивает снижение себестоимости продукции, а также способствует утилизации металлургического лома. Однако при этом возникает необходимость снижения концентрации содержащихся в шихте примесей, прежде всего таких, как олово, свинец, железо, никель, цинк и т.п.
    В известном способе рафинирование загрязненной расплавленной меди проводят в несколько последовательных стадий. Сначала производят расплавление исходного сырья; затем проводят подачу воздуха на поверхность расплава, увеличивая концентрацию кислорода в расплаве до 500 ppm (0,05 мас.%). За счет этого происходит окисление, по крайней мере, таких примесей как Sn, Fe, Zn и переход их в шлак. На следующем этапе в расплав вводятся Fe, Mn или их окислы в количестве 10-50000 ppm (0,0001-5 мас.%) к весу расплава для окисления Pb, Ni, Sb, S, Bi и As с образованием шлака. В процессе окисления примесей расплав перемешивают. Шлак, который находится в твердой или полужидкой фазе, удаляют из расплава. Перед удалением шлака его подвергают нагреву до температуры выше точки плавления Cu2O для восстановления меди и возврата ее в расплав. Для облегчения удаления шлака добавляют SiO2 и Al2О 3, которые притягивают к себе шлак. Затем расплав подвергают восстановлению за счет добавления на поверхность древесного угля и подачи в расплав инертного газа (патент США №5364449, С 22 В 15/14, опубл. 15.11.1994).
    Способ позволяет получить медный сплав с содержанием каждой примеси (из указанных выше) на уровне 20 ppm (0,002 мас.%). Процесс также проходит с образованием шлака, в связи с чем вводятся дополнительные операции по восстановлению из него меди и удалению шлака с поверхности расплава.
    Данный способ позволяют существенно снизить содержание в меди примесей Sn, Pb, Fe, Ni, Zn и т.п., однако процессы требуют больших временных затрат на их осуществление. Недостаток способа является его многостадийными и сложность в осуществлении.
    Наиболее близким к заявляемому является способ рафинирования меди и медных сплавов, которые могут содержать в качестве примесей такие элементы как Pb, Ni, Sn, Fe, Zn (патент РФ №2227169, С22В 15/14, опубл. 20.04.2004). Способ предусматривает расплавление шихты в печи с крышкой, подачу на поверхность постоянно перешиваемого расплава газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, причем в качестве газообразного окислителя используют водяной пар, подаваемый через форму со скоростью 1-2 м3/ч, обеспечивая расход водяного пара 4-6 м3 на тонну расплава. При этом фурма расположена на расстоянии не более 30-50 мм от поверхности расплава. Поверхность крышки печи экранируют графитом, асбестом или угольным порошком. Данный способ позволяет получить содержание металлических примесей Ni, Zn, Fe, Pb на уровне не более 0,0008 мас.% каждой; Sn - на уровне 0,0015 мас.%.
    Техническим результатом предлагаемого способа является повышение степени очистки от таких примесей, как Ni, Zn, Fe, Pb, Sn. Другим техническим результатом является обеспечение высокой производительности процесса рафинирования меди и медных сплавов. Процесс является экономически эффективным.
    Технический результат достигается тем, что в известном способе рафинирования меди и медных сплавов, включающем расплавление шихты в печи с крышкой, подачу к поверхности расплава через фурмы газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, согласно первому варианту изобретения, на поверхности расплава между, по крайней мере, двумя фурмами, устанавливают раму с площадью внутренней поверхности, составляющей 0,3-0,5 площади поверхности всего расплава, в которую помещают рафинирующий флюс, причем при достижении концентрации кислорода в металле не менее 0,8 мас.% подачу газообразного окислителя прекращают, фурмы поднимают, обеспечивая свободное перемещение рамы с флюсом по поверхности расплава.
    Технический результат достигается тем, что в известном способе рафинирования меди и медных сплавов, включающем расплавление шихты в печи с крышкой, подачу к поверхности расплава, по крайней мере, через одну фурму газообразного окислителя и последующее восстановление расплава, согласно второму варианту изобретения, на поверхности расплава устанавливают раму с площадью внутренней поверхности, составляющей 0,5-0,7 площади поверхности всего расплава, подачу газообразного окислителя осуществляют к поверхности расплава, расположенного внутри рамы, а рафинирующий флюс размещают на остальной поверхности расплава; причем при достижении концентрации кислорода в металле не менее 0,8 мас.% подачу газообразного окислителя прекращают, фурму и раму поднимают, обеспечивая распределение флюса по всей поверхности расплава.
    В качестве материала рамы могут использоваться хромпериклазовый кирпич, хромомагнезитовый кирпич, графит, силицированный графит, шамот.
    В качестве рафинирующего флюса можно использовать смесь солей щелочных и щелочно-земельных металлов и кремнезема.
    Сущность изобретения заключается в том, что контакт рафинирующего флюса с расплавом и всплывающими к его поверхности оксидами тяжелых примесей приводит к ошлаковыванию последних. Использование флюса в условиях обдува расплава газообразным окислителем приводит к улучшению рафинирования расплава за счет одновременного окисления и перевода примесей Zn, частично примесей Sn и Pb в газовую фазу, а примесей Ni, Fe и оставшихся в расплаве примесей Sn и Pb - в шлак. При этом на поверхности расплава создают зону, свободную от флюса, куда через фурмы (фурму) подают газообразный окислитель. В этом случае через указанную зону происходит эффективное удаление летучих примесей с поверхности расплава. После достижения концентрации кислорода в металле не менее 0,8 мас.%, обеспечивающее практически полное окисление примесей, содержащихся в расплаве, обдув расплава прекращают, фурмы (фурму) поднимают и обеспечивают контакт флюса со всей поверхностью расплава. Это позволяет провести доочистку расплава от окислов Ni, Fe и оставшейся части окислов Sn и Pb. По мере выработки флюса его обновляют.
    Уменьшение площади поверхности расплава, покрытой флюсом, менее 0,3 поверхности всего расплава делает процесс рафинирования менее эффективным. Если флюс занимает более 0,5 площади поверхности всего расплава, он не позволяет провести эффективное удаление летучих окислов примесей, которое происходит на свободной от флюса поверхности.
    Если подачу газообразного окислителя прекращают при концентрации кислорода в расплаве менее 0,8 мас.%, не удается достичь наиболее полного окисления примесей, содержащихся в расплаве, что отрицательно сказывается на результатах процесса рафинирования.
    Подача газообразного окислителя после того, как концентрации кислорода в расплаве превысит 0,8 мас.%, нецелесообразна из экономических соображений.
    Заявленный способ обеспечивает наиболее эффективное окисление примесей при одновременно низкой степени окисления основного металла. При этом достигается наиболее полное извлечение примесей. Рафинирование меди и медных сплавов от примесей Fe, Ni, Zn, Sn, Pb улучшается не менее чем на 14-15% по сравнению с прототипом. По сравнению с многостадийными способами производительность процесса увеличивается, поскольку очистка от летучих и нелетучих окислов примесей осуществляется одновременно.
    Изобретение может быть реализовано с помощью устройства, схематично представленного на рис.1, где 1 - рама, 2 - рафинирующий флюс, 3 - расплав, 4 - фурмы для подачи газообразного окислителя, 5 - крышка печи, 6 - плавильная печь, 7 - смотровое окно, 8 - манометр.
    
    Рис. 1 Устройство для реализации изобретения
    Пример 
    Расплав меди готовят в индукционной канальной печи типа ИЛК-1,6, в крышку которой вмонтированы две фурмы для подачи паро-воздушной смеси. В качестве основной шихты используют медь марки М3 массой 5 тонн с содержанием примесей, мас.%:. Pb - 0,2512; Sn - 0,1542; Fe - 0,0532; Zn - 0,2335; Ni - 0,0612. После расплавления шихты на ее поверхность помещают раму из хромпериклазового кирпича в форме полого цилиндра высотой 0,3 м. Площадь внутренней поверхности рамы составляет 0,3 площади поверхности всего расплава. В раму загружают плавильный флюс состава Na2 О - 30-40%, NaF - 5-10%, SiO2 - 50-60% в количестве 0,02% от массы расплава. Затем устанавливают крышку печи и начинают подачу через фурмы паро-воздушной смеси в соотношении пар-воздух 3:1 со скоростью 2,2 м3/час и расходом 8 м3 на тонну расплава. Фурмы расположены на расстоянии 30 мм над расплавом и ограничивают перемещение рамы, что обеспечивает подачу паро-воздушной смеси только за пределами ее внешних границ. Контроль температуры расплава в течение всего процесса осуществляют при помощи Pt/Pt-Rh термопары. Для определения химического состава исходного и полученного металла использовались методы атомно-эмиссионной спектрометрии, рентгеноспектрального, атомно-адсорбционного и химического анализов.
    После достижения концентрации кислорода в металле 0,8 мас.%, подачу паро-воздушной смеси прекращают, крышку печи с фурмами поднимают. Фурмы больше не препятствуют перемещению рамы. Рама свободно движется по поверхности расплава в любом направлении, обеспечивая достаточный поверхностный контакт и взаимодействие флюса с окислами металлов, образовавшимися в результате окисления расплава паро-воздушной смесью. По достижении минимальной остаточной концентрации металлов в меди, определяемой по химическому составу пробы, находящийся в раме флюс обдувают холодным воздухом, обеспечивая его быструю кристаллизацию и легкий съем с поверхности металла.
    Результаты рафинирования отходов меди по первому варианту заявляемого способа представлены в табл. 1
                         Таблица 1 Результаты рафинирования меди и медных сплавов
Шихта (окислитель)
Концентрация кислорода в металле (в момент прекращения подачи окислителя), мас.%
Размеры рамы (флюс внутри рамы): Sвн/Sраспл
Содержание элементов в меди до и после рафинирования, мас.%



Ni
Zn
Fe
Sn
Pb
М3 (пар-воздух 3:1)
0,8
0,3





М2 (кислород)
0,8
0,4





М2 (метан-воздух 2,5:1)
0,9
0,5





М2 (кислород)
1,0
0,6





М3 (пар-воздух 3:1)
1,0
0,8





М2 (кислород)
0,3
0,4





М3 (пар-воздух 3:1)
0,8
0,2





Примечание: содержание элементов (мас.%): в числителе - исходное, в знаменателе - после рафинирования.
    Таким образом, предложенный способ рафинирование меди, позволяет получить содержание металлических примесей Ni, Zn, Fe, Pb на уровне не более 0,00068 мас.%, а Sn - не более - 0,0013 мас.%. При этом возрастает производительность по сравнению с многостадийными процессами за счет совмещения стадий очистки от летучих и нелетучих примесей металлов.


2. Выбор материала и способа изготовления изделия
2.1. Характеристка детали-представитель.
     Название детали-представитель «Клипса»(Рис.1). Масса отливки 2,1 кг. Отливка с толщиной стенки  7 мм, максимальным размерам 180 мм, высотой 65 мм. Деталь применяется для крепления датчиков в автомобиле. Деталь должна обладать высокой коррозионной стойскостью, высокой прочностью материала ( не менее 490 МПа) и относительным удлинением не менее 10 %.


Рис.1 Чертеж детали «Клипса»




 Выбор основы сплава и группы легирующих элементов.
     При выборе материалов для деталей следует учитывать характер нагружения детали (статическая, динамическая или знакопеременная нагрузка), влияние размеров сечения детали (масштабный фактор), конструктивную форму (фактор формы) и, наконец, характер технологической обработки.
     Выбор сплава при конструировании деталей, предназначенных для работы в заданных условиях, определяется служебными (механическими, физическими, химическими и т. д.) и технологическими (литейными, обрабатываемостью) свойствами, а также стоимостью.
     Для изготовления  деталей применяют чугун (серый, модифицированный, высокопрочный, ковкий, легированный), сталь (углеродистую, легированную), медные, алюминиевые, магниевые, цинковые, свинцовые. оловянные и никелевые сплавы. 
     Из исследуемых ранее свойств цветных металлов, данную деталь следует изготавливать из сплава на основе меди, так как эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводностью, хорошим сопротивлением износу, низким коэффициентом трения, высокой прочностью. 
     Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8940 кг/м3, температура плавления 1083oС.
     Механические свойства меди относительно невысокие: предел прочности составляет 150-200 МПа, относительное удлинение – 15-25 %. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.
     Легирующий компонент практически во всех ныне используемых в производстве сплавах меди составляет менее 10%, исключением из этого правила является латунь. В качестве легирующего компонента могут использоваться такие элементы, как золото, фосфор, марганец, цинк.
     Все зависит от того, какие свойства сплава необходимы. Среди интересующих характеристик особенно выделяют прочность, износоустойчивость и термостойкость. Олово, алюминий и кремний улучшают пластичность, большое количество легирующего компонента, напротив, увеличивает хрупкость. 
   Медные сплавы наряду с достаточной прочностью имеют высокие антифрикционные свойства, хорошо противостоят коррозии в морской воде, паре и других средах, сохраняют высокую пластичность при низких температурах. Они немагнитны, легко полируются и обрабатываются резанием. 
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
 Выбор марки сплава и его характеристики
     Оптимальными свойствами для детали-представителя «Клипса» обладают бронзы, содержащие алюминий. Алюминиевые бронзы по сравнению с оловянными имеют ряд положительных особенностей:
 Меньшая склонность к внутрикристаллической ликвации;
 Большая плотность отливок;
 Более высокая прочность и жаропрочность;
 Меньшая склонность к хладоломкости.
   Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, корпуса для датчиков, фланцев литьем и обработкой давлением. 
     Для детали-представителя  «Клипса»  выбираем марку алюминиевой бронзы БрАЖ9-4. Ниже представлен химический состав, механические и физические свойства материала. 
Химический состав в % материала   БрАЖ9-4 по ГОСТ 18175 - 78
Fe
Si
Mn
P
Al
Cu
Pb
Zn
Sn
Примесей не более
2-4
До 0,1
До 0,5
До 0,01
8-10
84,3-90
До 0,01
До 1
До 0,1
Всего 1,7
 
Механические свойства при Т=20oС материала БрАЖ9-4 .
Сортамент
?в, МПа
?5,%
сплав мягкий
400-500
35-45
сплав твердый
500-700
10-15







Физические свойства материала БрАЖ9-4
Т, Град
Е*10- 5, МПа
?? Вт/(м·град)
???кг/м3
R*109, Ом·м
20
1.16
58
7500
120
Обозначения:
?в
- Предел кратковременной прочности , [МПа]


?5
- Относительное удлинение при разрыве , [ % ]

T
- Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E
- Модуль упругости первого рода , [МПа]


?
- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
?
- Плотность материала , [кг/м3]


R
- Удельное электросопротивление, [Ом·м]
















 Влияние легирующих элементов на свойства и характеристику БрАЖ9-4
           С увеличением содержания алюминия прочностные свойства бронз повышаются, достигая максимальных значений при 10-11% Аl. Диаграмма состояния медь - алюминий (рис.3) построена во всем интервале концентраций методами термического, металлографического, рентгеновского анализов и представляет собой сложную диаграмму с промежуточными фазами. Область твердых растворов на основе меди (?-фаза) простирается до 9% (по массе) Al. С понижением температуры растворимость алюминия в меди повышается и при температурах 1037; 900; 800; 700; 500 °С составляет 7,4; 7,8; 8,2; 8,8; 9,4% (по массе) Al соответственно. Фаза ? имеет ГЦК решетку, аналогичную решетке чистой меди, период которой увеличивается с повышением содержания алюминия и в сплаве с 10,5% (по массе) Al составляет 0,3657 нм.

Рис.3 Диаграмма состояния медь-алюминий.
  Фаза ? представляет собой твердый раствор на основе соединения Cu3Al [12,44% (по массе) Al]. В сплавах ?-области в зависимости от термообработки и условий охлаждения могут наблюдаться две метастабильные промежуточные фазы: ?' и ?.
  Фаза ?1-твердый раствор на основе соединения Cu3Al4 существует в интервале концентраций 16,0...18,8% (по массе) Al и имеет моноклинную решетку со 102 атомами в элементарной ячейке. Фаза ?2 имеет решетку, подобную решетке ?-фазы.
  В области до 20% (по массе) Al ликвидус сплавов состоит из четырех ветвей первичной кристаллизации фаз ?, ?, ? и ?1. При 1037 С кристаллизуется эвтектика ? + ? с эвтектической точкой при 8,5% (по массе) Al. При температурах 1036 и 1022 °С протекают перитектические реакции Ж + ? ?? и Ж + ???1. соответственно. Фаза ? существует в температурном интервале 1036...936 °С. Фаза ? кристаллизуется из расплава по кривой с максимумом при температуре 1048 °С и соответствует концентрации 12,4% (по массе) Al. В твердом состоянии в этой области имеется ряд эвтектоидных и перитектоидных превращений. При 963 °С фаза ? распадается на ?- и ?1-фазы. Эвтектоидная точка соответствует 15,4% (по массе) Al. При 780 °С ?1-фаза распадается по эвтектоидной реакции на ? и ?2-фазы. При 873 °С по перитектощцюй реакции образуется ?-фаза. Предполагается, что в ?2-фазе происходит фазовое превращение в интервале температур 400...700 °С при содержании алюминия в эвтектоидной точке 11,8...11,9% (по массе). В области концентрации 9...16% (по массе) Al предполагается существование еще одной стабильной фазы - ? или ?2, образующейся по эвтектоидной реакции при 363 °С и содержании алюминия в эвтектоидной точке ?11,2% (по массе). Концентрационные пределы области гомогенности этой фазы не установлены.
  Алюминий увеличивает жидкотекучесть, объемную и линейную усадку, уменьшает газонасыщаемость расплава. При содержании алюминия свыше 2% горячеломкость .......................