Плавка цинка и сплавов на его основе ввиду их низкой температуры плавления не представляет особых затруднений. Для плавки применяют различные по конструкции печи. В литейных цехах, производящих слитки, для плавки используют электрические индукционные и отражательные печи. В цехах литья иод давлением плавку ведут в тигельных печах в чугунных тиглях. Плавку чистого катодного цинка чаще всего ведут в индукционных печах с железным сердечником, футерованных шамотом. Для набивки подового камня используют массу, состоящую из 35 % синей гончарной глины; 35 % обожженной глины; 12 % каолина и 1. 2 % связующего (сульфитной барды); остальное – кварцевый песок. Для переплавки отходов, требующих рафинирования от металлических примесей, используют отражательные печи с шамотной футеровкой.
Цинк легко окисляется. Особенно интенсивно окисление идет в присутствии паров воды. Образующийся оксид ZnO нелетуч. Так же интенсивно окисляются сплавы ЦАМ4,5-1. Высокая химическая активность компонентов сплава обусловливает образование на поверхности расплава пленки шпинели ZnAl24. В процессе загрузки шихты и перемешивания оксидная пленка разрушается, обрывки ее замешиваются в расплав. Обогащению расплавов оксидными пленами в большей мере способствует использование некомпактных шихтовых материалов (литников, стружки, сплесов). Наряду со шпинелью в цинковых сплавах обнаруживают включения кремнезема (Si02), а иногда и глинозема (А122), источником которых являются загрязненные шихтовые материалы.
Общее содержание оксидных включений в сплавах ЦАМ4,5-1 может достигать 0,34 % объемн., а в отливках 0,6 % объемн. При этом на долю шпинели (ZnAl24) приходится около 90 % от общего содержания включений. Оксиды имеют меньшую плотность, чем расплав. Поэтому они сравнительно легко всплывают на поверхность расплава и попадают в тело отливки. Для снижения интенсивности окисления плавку цинка и его сплавов ведут под покровом древесного угля. Обогащение оксидными включениями происходит также в результате взаимодействия расплавов с футеровкой печи.
Для того чтобы исключить обогащение расплавов железом и повысить стойкость режущего инструмента, плавку цинковых сплавов необходимо вести в индукционных тигельных или канальных печах и использовать для разливки керамические тигли. В тех же случаях, когда применение металлических (чугунных или стальных) тиглей для плавки неизбежно, внутреннюю поверхность их покрывают слоем обмазки из смеси каолина с жидким стеклом.
Цинк и его сплавы весьма чувствительны к перегреву, что может привести к значительным потерям цинка на испарение и к обогащению расплавов оксидами и интермегаллидами. Кроме того, перегрев способствует образованию столбчатой структуры, которая повышает склонность сплавов к образованию трещин при затрудненной усадке и при обработке давлением. По этой причине цинк не перегревают выше 500 °С, а сплавы ЦАМ – выше 550 °С.
Для улучшения свойств отливок цинковые расплавы подвергают очистке от металлических и неметаллических примесей. Для этого используют отстаивание, обработку хлоридами, продувку инертными газами, фильтрование. Наиболее распространенным методом очистки цинковых расплавов является обработка хлоридами. Рафинирование осуществляют введением в расплав с помощью колокольчика при 450. 470 °С 0,1. 0,2 % хлористого аммония или 0,3. 0,4 % гек- сахлорэтана и перемешиванием расплава до прекращения выделения продуктов реакции. Такая обработка позволяет удалить из расплава ЦАМ4,5-1 до 80 % оксидов и 70 % ингерметаллидов. Более глубокая очистка может быть достигнута при фильтровании расплавов через мелкозернистые фильтры из магнезита, сплава фторидов магния и кальция, хлорида натрия и других веществ. Применение фильтров со средним диаметром зерна 2. 3 мм и толщиной фильтрующего слоя 100 мм позволяет удалять из расплавов ЦАМ4,5-1 до 90 % оксидных и 85 % интерметаллидных включений. Фильтрование ведут через нагретый фильтр (=500 °С), который помещают в специальные стаканы, установленные в раздаточных печах (рис. 13.5), или на участке перелива расплава из плавильной печи в ковш или изложницу.
Сопоставление эффективности различных методов очистки цинковых расплавов (рис. 13.6) показывает, что продувка азотом и обработка гексахлорэтаном мало отличаются уровнем очистки; однако они значительно эффективнее отстаивания. По сравнению с обработкой гексахлорэтаном фильтрование позволяет уменьшить содержание оксидных и интерметаллидных включений в два раза. Следует отметить, что независимо от способа очистки отделение оксидных включений идет полнее, чем интермегаллидных. Это объясняется, но-видимому, лучшим смачиванием интерметаллидов расплавом.
Рис. 13.5. Установка фильтра в тигле раздаточной печи: 1 – тигель; 2 – стакан; 3 – фильтр
Рис. 13.6. Эффективность очистки расплава ЦАМ4,5-1 (относительное изменение концентрации включений С/Со ? 100 %):
- 1 – отстаивание; 2 – продувка азотом; 3 – обработка гексахлорэтаном;
- 4 – фильтрование через зерна хлористого натрия
Как уже отмечалось, для изготовления типографских клише используют сплав цинка со свинцом (0,67. 1,25 %). Для приготовления сплава можно использовать первичный цинк марки Ц2. Пластины типографского цинка подвергают полировке. На полированной поверхности не допускаются местные скопления свинца, интерметал- лидов, оксидных плен, шлаковых включений и усадочных дефектов. Для получения клише необходима хорошая травимость сплава, что обеспечивается равномерным распределением свинца. Однако получить такой сплав при использовании чистых металлов трудно из-за сильной гравитационной ликвации свинца. Поэтому иногда свинец вводят в виде хлористого свинца. В результате обменной реакции свинец выделяется в виде тонкодисперсных капель, что обеспечивает устойчивость эмульсии.
Несмотря на тщательное соблюдение серийной технологии плавки и литья полиграфического цинка (рафинирование хлористым аммонием, отстаивание, фильтрование через стальную сетку), брак пластин только по литейным дефектам может составлять 8. К) %. Трехкратное снижение брака может быть достигнуто, если перед заливкой в изложницы расплав профильтровать через нагретый до 400 °С слой магнезитовой крошки толщиной 50. 70 мм с диаметром зерна 4. 6 мм. Такой фильтр устанавливают в распределительной воронке, через которую заполняют изложницу металлом.
Технология плавки сплавов системы Zn-Al-Cu сравнительно проста. Шихтовыми материалами для приготовления сплавов служат первичный цинк, чистый алюминий, электролитическая медь и отходы собственного производства. Для ускорения плавки и предупреждения перегрева расплава медь вводят в сплав в виде лигатуры А 1-Си (50:50). Первоначально в печь загружают лигатуру, отходы и половину всего количества цинка. Поверхность шихты засыпают древесным углем. Завалку расплавляют и перегревают до 530. 550 °С. Затем загружают алюминий, а после его растворения – цинк. Сплав перемешивают, снимают уголь и шлак и вводят магний. После тщательного перемешивания и удаления остатков шлака при 420. 450 °С проводят рафинирование хлористым аммонием или гексахлорэтаном и переливают расплав в раздаточные печи, миксеры машин непрерывного литья слитков или разливают в изложницы. Во время перелива, если это необходимо, расплавы фильтруют через зернистые фильтры.
В цехах фасонного литья, как правило, при выплавке рабочего сплава используют чушки готового сплава ЦАМ. Расплавление их чаще всего осуществляют в чугунных тиглях раздаточных печей в процессе литья. При нарушении технологии (загрузке литников и пресс-остатков) расплав существенно обогащается оксидами. Дли
тельный контакт расплава с чугунным тиглем и периодическое захо- лаживание его при загрузке свежих порций сплава, способствуют образованию включений интермегаллида FeAb и попаданию их в тело отливок. Механическая обработка таких отливок на автоматических линиях характеризуется быстрым затуплением режущего инструмента, частыми его поломками и существенным снижением производительности линий из-за простоев, обусловленных необходимостью замены инструмента. Значительного улучшения показателей обрабатываемости отливок достигают введением операции фильтрования расплава через многослойный магнезитовый фильтр толщиной 100 мм с диаметром зерна 3. 5 мм (табл. 13.5), который устанавливают в раздаточную печь (см. рис. 13.5)
Эффективность использования зернистых фильтров при изготовлении фасонных отливок из сплава ЦАМ 4,5-1
Цинк является тяжелым легкоплавким металлом; Тпл = 420 °С, р = 7,13 кг/дм3. Низкая температура кипения цинка (*кип = 907 °С) ограничивает допустимую температуру металла при плавке всех сплавов, в которые он входит. Энтальпия цинка при 500 °С (около 300 кДж/кг) в три раза ниже, чем энтальпия расплавленного алюминия. Удельное электрическое сопротивление расплава цинка 0,35-10
При низких температурах на воздухе цинк окисляется, образуя плотную защитную пленку из Zn03* 3Zn(OH)2. Однако в плавильных печах цинк окисляется по реакциям:
2Zn + 02 = 2ZnO, Zn + H20 = ZnO + H2, Zn + C02 = ZnO + CO.
Для защиты от окисления можно вести плавку в защитной или нейтральной атмосфере, например в среде азота. Однако на практике в большинстве случаев оказывается достаточным не допускать перегрева металла выше температуры 480 °С, при которой начинается интенсивное окисление и насыщение газами цинка. При данной температуре цинк и его сплавы не оказывают заметного влияния на огнеупорную футеровку печи и чугунный или стальной тигель. Повышение температуры приводит к растворению железа тигля в расплаве цинка.
Печи для плавки цинковых сплавов
Учитывая низкую температуру плавления и кипения цинка, плавку цинковых сплавов ведут обычно в тигельных печах, нагреваемых путем сжигания топлива или использования электрического сопротивления и индукции. В дуговых печах плавить цинковые сплавы не следует, так как неизбежный локальный перегрев металла вблизи горения дуги приводит к интенсивному испарению и окислению цинка. Индукционные канальные печи используются для плавки цинковых сплавов. На КамАЗе сплав ЦАМ10-5 для литья под давлением выплавляли в трех индукционных канальных печах емкостью по 2 т с нейтральной футеровкой. Однако перегрев металла в канале приводит к неустойчивости электрического режима плавки (так называемой цинковой пульсации) и принуждает ограничивать мощность, передаваемую в печь.
Технология плавки
Основную часть шихты обычно составляют сплавы цинковые литейные в чушках, свой возврат и лом цинковых сплавов. В качестве покровных флюсов используют смесь хлоридов кальция, калия и натрия, хлористый аммоний или криолит. Для подшихтовки используют первичный алюминий в чушках, катодную медь и магний металлический. Все компоненты шихты должны быть очищены от масел, влаги и других включений. Плавку ведут, не допуская перегрева ванны выше 480 °С. По результатам экспресс-анализа проводят корректировку химического состава.
Для ввода магния используют стальной колокольчик. При получении заданного химического состава металл перегревают до 440…450°С и переливают в ковш, нагретый до той же температуры. В ковше под вытяжным зонтом производят рафинирование расплава таблетками комплексного дегазатора «Дегазер», в составе которых 87% гексахлорэтана, 12,7% NaCl, 0,3% ультрамарина. Рафинирование можно проводить также отстаиванием, продувкой инертными газами и фильтрацией.
Теория процесса.
Гальваническое цинкование (оцинковывание) представляет собой процесс осаждения катионов металла на аноде. Реакция проходит в электролитической ванне под воздействием электрического тока.
Электролит.
Электролитом может служить любой раствор соли цинка. Самый распространенный в быту является раствор ZnCl (хлорид цинка) и HCl (соляная кислота), который называется паяльной кислотой. Так же можно получить раствор ZnSO4 при помощи травления цинка в растворе H2SO4 (серная кислота — аккумуляторный электролит). При травлении цинка стоит быть предельно осторожным, поскольку реакция проходит с выделением теплоты и взрывоопасного водорода H2.
Цинк.
Где взять цинк? Вариантов есть несколько:
— солевые батарейки (это самые дешевые. индекс L);
— плавкие предохранители из СССР;
— детали с цинковым покрытием;
— покупка чистого цинка в магазинах хим. реактивов и на радио базарах.
Подготовка к цинкованию (оцинковыванию).
- Прежде всего нужно подготовить саму гальваническую ванну. В качестве ванны можно использовать стеклянную либо пластиковую тару. Необходимо установить штативы для катода и анода.
- Электролит не должен содержать нерастворенных кристаллов соли. Для уменьшения концентрации соли можно добавлять в раствор дистиллированную воду, до полного исчезновения отдельных кристаллов на дне ванны.
- Анод. Анодом служит цинковая пластина на которую присоединяется «плюс» от источника питания. Чем больше площадь цинкового анода, тем более равномерное покрытие будет у вас на катоде. Использование нескольких цинковых анодов позволяет получать покрытие сразу на всей поверхности катода.
- Катод (присоединяем «минус») — деталь на которой будет осаждаться цинк. Поверхность катода должна быть качественно очищена от окислов (ржавчины), обезжирена и «активирована». Для активации поверхности катода, вам нужно окунуть его в раствор кислоты. В ванной катод должен размещаться на одинаковом расстоянии от любого анода для получения однородного слоя цинка со всех сторон.
- Источником питания может служить любой блок питания с постоянным напряжение на выходе либо аккумулятор. Чем сильнее сила тока и вольтаж — тем быстрее будет проходить процесс и тем более рыхлая поверхность получится у Вас в результате. Для бытовых условий можно использовать автомобильный аккумулятор, НО в схему нужно будет включить лампочку накаливания (от 10 до 20 Ватт) для снижения силы тока.
Цинкование.
После всех предварительных процедур Вам остается только включить блок питания в розетку (или закрепить клеммы на аккумуляторе) и окунуть катод в гальваническую ванну.
Процесс должен протекать без бурного кипения, если таковое наблюдается — это значит у Вас сильно большая сила тока и ее следует уменьшить путем добавления потребителей в электрическую цепь.
На поверхности катода появляется цинковое покрытие, чем дольше катод будет находится в ванне, тем толще слой вы получите в итоге.
ВНИМАНИЕ. Процесс гальванического цинкования (оцинковывания) проходит при использовании растворов кислот и источников электрического тока. Во избежание травм рекомендуем соблюдать правила техники безопасности при работе с кислотами и правила электробезопасности при работе с бытовыми электроприборами.