Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса по разработке технологии получения герметичных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов и деталей литьем штамповкой из алюминиевых сплавов с повышенными механическими свойствами 21
1.1. Физико-химические процессы при плавке алюминиевых сплавов 21
1.1.1. Влияние металлургических факторов на показатели прочности и герметичности отливок из алюминиевых сплавов 21
1.1.2. Взаимодействие алюминия и его сплавов с атмосферой в процессе их приготовления 26
1.1.3. О формах взаимодействия водорода с алюминиевыми сплавами 29
1.1.4. Источники насыщения алюминиевых сплавов водородом в процессе их приготовления и разливки 31
1.2. Плавка алюминиевых сплавов их модифицирование 35
1.3. Способы рафинирования алюминиевых расплавов 41
1.4. Герметичные алюминиевые сплавы и технология литья деталей 68
1.5. Перспективы применения деформируемого алюминиевого сплава марки АК4-1 для производства деталей литьем-штамповкой 70
1.6. Анализ состояния вопроса по разработке технологии получения отливок из магниевых сплавов с повышенными механическими свойствами и герметичностью 74
1.6.1. Физико-химические процессы, происходящие при плавке магниевых сплавов 74
1.6.2. Дегазация магниевых сплавов 82
1.6.3. Модифицирование структуры магниевых сплавов 84
1.6.4. Перспективные направления фасонного литья магниевых сплавов 90
1.6.5. Оборудование для плавки магниевых сплавов в защитных газовых средах 94
1.7. Выводы и постановка задачи исследований 96
Глава 2. Методики экспериментальных исследований 98
2.1. Объект и методы исследований 98
2.2. Оборудование для проведения исследований 105
2.3. Обоснование выбора температуры обработки расплавов цветных металлов наносекундными электромагнитными импульсами для повышения теплопроводности 114
Глава 3. Исследование влияния различных способов рафинирования на газосодержание и свойства алюминиевых сплавов 119
3.1. Исследование технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов металлом -геттером 119
3.2. Исследование технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов газофлюсовой смесью 122
3.3. Исследование технологических параметров процесса электровакуумного рафинирования алюминиевых расплавов 129
3.4. Исследование технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов методом внутреннего вакуумирования с одновременной обработкой электрическим током 135
3.5. Исследование влияния дегазирующей таблетки «ЭВТЕКТИКА» на качество очистки алюминиевых сплавов 139
3.6. Исследование влияния НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства промышленных силуминов 146
3.7. Исследование влияния амплитуды импульсов напряжения генератора наносекундных электромагнитных импульсов на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства силумина АК7ч (АЛ9) 167
3.7.1. Влияние амплитуды импульсов напряжения генератора на процесс кристаллизации модельного металла -электролитической меди 167
3.7.2. Влияние амплитуды импульсов напряжения генератора НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования силумина АК7ч (АЛ9) 169
3.8. Влияние вибрации на процессы кристаллизации и структурообразования силумина АК7ч (АЛ9) 174
3.8.1. О возможном влиянии НЭМИ на структурообразование и свойства металлических материалов 177
Дырочная концепция жидкого состояния Я.И. Френкеля при воздействии на него НЭМИ 179
Квазикристаллическая модель расплава при воздействии на него НЭМИ 180
- Механизмы влияния НЭМИ на растворимость легирующих элементов и вторичных фаз в металлических сплавах 183
- Механизм воздействия НЭМИ на жидкотекучесть металлических расплавов 184
- Изменение энергии связи на структуру сплавов под воздействием НЭМИ 185
- О механизме изменения электро- и теплопроводности металлов и сплавов под воздействием на жидкую фазу НЭМИ 187
3.9. Исследование технологии литья и термической обработки высокопрочных алюминиевых сплавов 188
3.10. Исследование влияния защитной среды струи расплава при заливке алюминиевых сплавов на качество отливок 200
3.11. Исследование структуры и химической однородности производственного спектрального эталона из алюминиевых сплавов 202
3.12. Разработка рекомендаций по внедрению электровакуумного рафинирования алюминиевых расплавов на предприятиях авиационной промышленности 214
3.12.1. Внедрение технологического процесса электровакуумного рафинирования на промышленной установке 214
3.12.2. Анализ оборудования для приготовления алюминиевых сплавов 217
3.12.3. Исследование влияния объема плавильных тиглей на режимы электрорафинирования 219
3.12.4. Разработка вакуумной плавильно-раздаточной установки 219
3.13. Выводы 221
Глава 4. Исследование и разработка технологии производства литых заготовок из отходов деформируемых алюминиевых сплавов для последующей штамповки 227
4.1. Оборудование оснастка для проведения работ 227
4.2. Разработка чертежей литой заготовки 228
4.3. Разработка технологических процессов плавки и рафинирования алюминиевого сплава марки АК4-1 из отходов кузнечно-штамповочного производства 229
4.4. Разработка технологического процесса штамповки и режимов термообработки изделий 232
4.5. Обоснование режимов термической обработки 235
4.6. Проведение повторно-статических испытаний 336
4.6.1. Испытания на усталостное разрушение 336
4.6.2. Испытания для определения усталостной прочности 242
4.6.3. Испытания для определения фактической прочности 243
4.7. Разработка и внедрение технологического процесса литье-штамповка деталей из алюминиевого сплава марки АК4-1 244
4.8. Выводы 247
Глава 5. Исследование влияния различных способов рафинирования на газосодержание и свойства магниевых сплавов 250
5.1. Исследование влияния постоянного электрического тока на технологические параметры магниевых сплавов, приготовленных под слоем флюса 251
5.1.1. Проведение опытных плавок в производственных условиях 254
5.2. Исследование технологических параметров процесса рафинирования и модифицирования магниевых сплавов при бесфлюсовом приготовлении 257
5.2.1. Исследование газовых защитных атмосфер для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 257
5.2.2. Отработка режимов бесфлюсовой плавки 262
5.2.3. Разработка типового технологического процесса бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 263
5.2.4. Установка для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 264
5.2.5. Исследование влияния постоянного электрического тока на качество получаемого магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении 265
5.3. Исследование технологических параметров процессов рафинирования магниевых расплавов методом внутреннего вакуумирования с одновременной обработкой электрическим током 275
5.4. Исследование технологических параметров процесса рафинирования и модифицирования расплава фильтрацией через фильтрирующую камеру при бесфлюсовом приготовлении 280
5.5. Исследование влияния обработки НЭМИ на свойства магния и его сплавов 293
5.5.1. Кристаллизация и структурообразование магниевого сплава МЛ 5 295
5.5.2. Физико-механические свойства магниевого сплава МЛ5 301
5.6. Исследование технологических параметров процесса заливки магниевых сплавов 302
5.7. Разработка технологических рекомендаций по внедрению электрорафинирования магниевых сплавов на предприятиях авиационной промышленности 309
5.7.1. Исследование влияния объема плавильных тиглей на режимы электрорафинирования 309
5.8. Внедрение плавильно-раздаточнои установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов 311
5.9. Выводы 318
6 Общие выводы 321
Библиографический список 330
Приложение 1 366
Приложение 2 387
Приложение 3 391
Приложение 4 405
- Влияние металлургических факторов на показатели прочности и герметичности отливок из алюминиевых сплавов
- Исследование технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов газофлюсовой смесью
- Разработка технологических процессов плавки и рафинирования алюминиевого сплава марки АК4-1 из отходов кузнечно-штамповочного производства
- Внедрение плавильно-раздаточнои установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов
Введение к работе
Актуальность темы. Неуклонный рост технических требований и стремление к максимальному насыщению авиационной техники различного рода навигационной и специальной аппаратурой приводят к необходимости жесточайшей экономии материала при проектировании и серийном производстве летательных аппаратов.
Из теории расчета летательных аппаратов на прочность известно, что при равной прочности наименьшим весом обладает монолитная конструкция, выполненная горячей штамповкой или литьем с последующей минимальной механической обработкой. В этих случаях получение деталей значительно облегчается применением различных методов литья. Объем отливок, входящих в конструкции современных изделий авиационной техники, из года в год неизменно растет. Соответственно, из года в год возрастает уровень требований, предъявляемых к качеству фасонного листья.
Разработка новых технологических процессов, гарантирующих высокую плотность и герметичность отливок в процессе их производства, должна базироваться на тщательном изучении существующих технологических процессов, анализе причин и факторов проявления различного рода внутренних и наружных дефектов с разработкой и осуществлением мероприятий, предотвращающих проявление негерметичности как в отливках, так и в окончательно обработанных деталях.
Несмотря на большое количество научно-исследовательских работ, направленных на улучшение герметичности корпусных деталей пневмо и гидросистем, отливаемых из алюминиевых сплавов, эта задача остается актуальной и еще до конца не решенной.
Важнейшей задачей, стоящей перед работниками различных отраслей народного хозяйства, также является всемерное сокращение норм расхода материалов при изготовлении изделий. Особенно большие резервы экономии металла могут быть реализованы при широком внедрении прогрессивной технологии производства изделий по схеме литье-штамповка. В первую очередь, при внедрении прогрессивной технологии обработки металлов давлением, необходимо решить задачу подготовки заготовок, которые должны иметь стабильную массу и геометрию, близкую к исходному профилю для штамповки. Применение литых заготовок, имеющих оптимальную форму, с точки зрения последующей деформации, обеспечивает существенную экономию металла в сравнении с общепринятой технологической схемой, предусматривающей выплавку слитков, получение деформированной заготовки и окончательную штамповку полуфабрикатов. При этом сокращаются транспортные операции, уменьшается количество нагревов и переходов при штамповке.
Улучшение эксплуатационных характеристик литой детали достигается, главным образом, в результате повышения физико-механической однородности металла, сокращения макро-, микро- и субмикроскопических дефектов. Один из путей повышения качества отливок – использование физико-механических методов воздействия на расплав, позволяющих повысить механические и эксплуатационные свойства отливок.
Таким образом, разработка технологии приготовления литейных и деформируемых алюминиевых сплавов на основе отходов собственного производства является важной народнохозяйственной задачей, для решения которой необходимо совершенствование методов рафинирования расплавов для повышения плотности, герметичности отливок и коэффициента использования материала за счет применения литых заготовок под штамповку.
Среди большого числа различных материалов, применяемых в современной авиационной технике, видное место отводится производству и использованию в народном хозяйстве цветных сплавов, особенно легких, к числу которых относятся магниевые сплавы.
Магниевые сплавы – наиболее легкие из используемых в авиационной промышленности материалов находят разнообразное промышленное применение. Высокая удельная прочность обуславливает целесообразность их использования в первую очередь в тех случаях, когда имеет большое значение снижение веса конструкций в самолетостроении, ракетной и космической технике. Кроме того, магниевые сплавы нашли применение в качестве материалов с высокими физическими и химическими свойствами.
В условиях рыночной экономики, дефицита металла и энергоносителей производство качественного литья является первостепенной задачей литейного производства. Это в полной мере относится к производству магниевых отливок. Для производства конкурентоспособных отливок необходимо создание эффективных технологий повышения свойств сплава и качество отливки из него. К числу мер, позволяющих решить такую задачу, относится наиболее эффективное обеспечение надежной защиты расплава от возгорания, высокой чистоты материала отливок по флюсовым, газовым и неметаллическим включениям, ухудшающим практически все показатели качества литого металла. Это достигается в результате изыскания и совершенствования методов защиты расплава от возгорания, рафинирования и модифицирования расплавов для повышения механических свойств, плотности, герметичности отливок.
Настоящая работа состоит из пяти основных разделов:
разработка технологии получения литых заготовок из алюминиевых сплавов путем совершенствования процесса рафинирования расплава и создания соответствующего оборудования для его осуществления;
разработка технологии получения литых заготовок из сплава марки АК4-1 на основе отходов кузнечно-штамповочного производства для последующей штамповки (литье-штамповка);
разработка технологии получения герметичных отливок из магниевых сплавов путем совершенствования процесса рафинирования расплава при флюсовом приготовлении; разработка технологии получения коррозионностойких отливок из магниевых сплавов путем совершенствования и разработки новых процессов приготовления магниевых сплавов при бесфлюсовом приготовлении и создание соответствующего оборудования для его осуществления;
производственные испытания и внедрение разработанных технологических процессов в производство в литейном цехе ОАО «Комсомольского-на-Амуре авиационного объединения» (ОАО «КнААПО»);
исследования влияния облучения расплава наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) и вибраций на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства алюминиевых и магниевых сплавов.
Актуальность темы диссертации также подтверждена выполнением научно-исследовательских и внедренческих работ в рамках: приказа Министра авиационной промышленности, приказа по Институту (НИАТ), плана совместных работ и хоздоговоров с предприятием п.я. М-5873 (в настоящее время ОАО «КнААПО»).
Цель работы заключалась в разработке и внедрении ресурсосберегающих технологий плавки и разливки алюминиевых и магниевых сплавов для повышения качества и свойств отливок, получении заготовок методами литья-штамповки с высокими эксплуатационными свойствами из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование различных методов обработки алюминиевых расплавов и модернизация существующего оборудования для их осуществления;
исследование влияния различных способов приготовления магниевых сплавов под слоем флюса и в газовой защитной среде на газосодержание, герметичность и механические свойства;
исследование и разработка новых методов обработки алюминиевых и магниевых сплавов и создание специальных устройств и оборудования для их осуществления;
исследование зависимостей механических свойств изделий от способов их получения и режимов термообработки алюминиевых сплавов;
исследование и разработка новых технологических процессов разливки (в среде защитного газа) алюминиевых и магниевых сплавов;
исследование структуры и химической однородности производственного спектрального эталона из алюминиевых и магниевых сплавов;
исследование и разработка технологических процессов производства литых заготовок из отходов деформируемых алюминиевых сплавов для последующей штамповки (литье-штамповка);
разработка методов повторно-статических испытаний изделий (усталостное разрушение, усталостная прочность, фактическая прочность) и сравнительная оценка эксплуатационных свойств деталей, изготовленных методом штамповки из литых и прессованных заготовок;
исследование влияния параметров генератора наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) и вибрации на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства алюминиевых сплавов;
производственные испытания и внедрение разработанных технологических процессов.
Научная новизна
1. Установлена и научно обоснована закономерность изменения структуры, плотности, пористости, газосодержания, герметичности и физико-механических свойств авиационных алюминиевых и магниевых сплавов, а также уровень технологических потерь от способов рафинирования:
получены новые результаты по влиянию различных способов рафинирования (металлом-геттером, газофлюсовой смесью, вакуумированием, внутренним вакуумированием, фильтрацией, наносекундными электромагнитными импульсами) на газосодержание и механические свойства алюминиевых сплавов;
установлено, что вакуумирование расплава с одновременной его обработкой постоянным электрическим током (электровакуумная обработка) значительно снижает газосодержание в расплавах (до 0,05 см3/100г) и повышает механические свойства алюминиевых сплавов АЛ9 (АК7ч) и АЛ34 (АК8л) по сравнению с другими методами рафинирования и дано научное обоснование установленным зависимостям;
доказано и научно обосновано, что рафинирование магниевых сплавов (МЛ5, МЛ5пч) флюсами и электрическим током позволяет улучшать механические свойства (в с 240 до 255 МПа; с 8,0 до 9,7 %) и снизить газосодержание и пористость;
установлено, что обработка магниевых сплавов постоянным электрическим током при бесфлюсовом приготовлении способствует понижению газосодержания в расплаве с 8…14 см3/100г до 4…5 см3/100г, повышению механических свойств сплава МЛ5 (в с 255 до 300 МПа; с 5,5 до 12 %), снижению брака отливок, особенно по герметичности с 50…60% до 5,0%;
применение газовой смеси (1…2% SF6 и СО2 остальное) при электрорафинировании сокращает цикл плавки, повышает производительность печей на 20%, уменьшает расход электроэнергии на 20 %, исключает брак по флюсовым включениям и уменьшает безвозвратные потери на 5 %.
2. Выявлена зависимость массы приготовляемого расплава от плотности тока и количества электричества, позволяющая аналитическим путем выбрать оптимальные параметры электрорафинирования алюминиевых и магниевых сплавов.
3. Установлено, что при приготовлении магниевых сплавов с использованием фильтрации газосодержание соответствует 7,0…8,0 см3/100г; размер зерна – 0,1…0,15 мм; в = 260…300 МПа; = 7..12 %.
4. Экспериментально доказана и научно обоснована необходимость защиты струи алюминиевых и магниевых сплавов инертными газами при их разливке по формам и установлены оптимальные режимы подачи газа.
5. Установлена и обоснована технологическая возможность и перспективность использования совмещенного процесса получения заготовок из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства литьем в кокиль и их последующей штамповкой (литье-штамповка).
6. Получены закономерности изменения строения расплавов, кристаллизационных параметров, физико-механических и эксплуатационных свойств алюминиевых (АК7ч, АК7) и магниевых (МЛ5) сплавов от продолжительности облучения расплавов электромагнитными наносекундными импульсами и влияния амплитуды напряжения генератора НЭМИ на вышеперечисленные параметры.
7. Выявлено положительное влияние вибрации расплава на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства сплава АЛ9 (АК7ч).
Личный вклад автора
Автору принадлежит постановка задач данных исследований, обоснование и разработка основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований, изложенные в диссертации, получены лично автором или при его участии под руководством научного консультанта.
Практическая значимость и реализация результатов работы
На основе экспериментальных исследований разработаны:
-технологические процессы газофлюсового рафинирования, рафинирования с применением дегазирующей таблетки «Эвтектика», электровакуумного рафинирования алюминиевых сплавов;
-технологический процесс литья и термической обработки высокопрочных алюминиевых сплавов;
-технологический процесс литья-штамповки деталей из отходов кузнечно-штамповочного деформируемого алюминиевого сплава марки АК4-1, обеспечивающий повышение коэффициента использования материала.
-технологический процесс заливки алюминиевых сплавов в инертной среде.
-технологический процесс электрорафинирования магниевых сплавов при приготовлении под слоем флюса;
-технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов;
-технологический процесс разливки магниевых сплавов по формам в струе защитного газа.
Все эти технологические процессы нашли практическое применение на ОАО «КнААПО» на участках алюминиевого и магниевого литья, оснащенных плавильно-раздаточными печами собственной конструкции.
Суммарный экономический эффект от внедрения на ОАО «КнААПО» составил 21786 тыс. рублей.
Результаты работы внедрены в учебный процесс при чтении лекций и выполнении лабораторных работ по дисциплинам «Технологические основы производства отливок» и «Плавка литейных сплавов» кафедры «Машины и технология литейного производства» в ГОУ ВПО КнАГТУ и «Литейное производство и технология металлов» в ТОГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции «Повышения эффективности производства литых заготовок» (Комсомольск-на-Амуре, 1981 г.); XXX11 Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков «Повышение технического уровня литейного производства предприятия Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 1982 г.); научно-технической конференции «Вопросы теории и технологии литейных процессов» (Комсомольск-на-Амуре, 1985 г.); Всесоюзном семинаре «Ускорение научно-технического прогресса в литейном производстве Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 1986 г.); XVII отраслевой научно-технической конференции «Пути технического перевооружения производства в современных экономических условиях» (Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 200 г.); межрегиональной научно-технической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.), международном симпозиуме «! Russian Technical News Letter». (Tokio. Rotobo. 2001); Первой научно-технической конференции «Генезис, теория и технология литых материалов». (20-24 мая 2002 г.). Владимир-Суздаль, Россия.2002; международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика». (Комсомольск-на-Амуре, 23-27 сентября 2002 г.); Восьмом международном симпозиуме «Авиационные технологии XXI века: достижения науки и новые идеи» (ЦАГИ. Жуковский, 2003), Дальневосточном инновационном форуме с международным участием (23-26 сентября 2003 г.); второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности». (Москва. МАИ. 2004); V Международном форуме «Высокие технологии XXI века». (Москва. 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и информационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры». (Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.); XX научно-технической конференции ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина «Созданию самолетов – высокие технологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.); седьмом съезде литейщиков России (Новосибирск. 2005); третьей конференции Владивосток-Комсомольск-на-Амуре, сентябрь 2004. «Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения»; на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и информационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры» (Комсомольск-на-Амуре 2005 г.); на седьмом съезде литейщиков России. (Новосибирск 2005 г.); на международной научно-практической конференции . (Посвящается 50-летию КнАГТУ. Комсомольск-наАмуре. 3 – 5 октября 2005 г.); на 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2005». (М. МАИ. 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в дальневосточном регионе и странах АТР». (Комсомольск-на-Амуре, 3 – 5 октября 2005 г.); на восьмом съезде литейщиков России. (Ростов-на-Дону, 23-27 апреля 2007г.);: oп international VIII Russia-China Symposium: two volumes. «Modern materials and technologies 2007» (Khabarovsk, 17-18 October, 2007 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока». (г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 октября 2007 г.); (2009).
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 100 работах, в том числе, в 4 монографиях, в 56 статьях в сборниках научно-технических конференций и семинарах, в 26 статьях в центральных технических журналах и 14 изобретениях.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, библиографического списка и приложений. Материалы работы изложены на 458 страницах, содержит 41 таблицу, иллюстрированы 86 рисунками. Список литературы содержит 367 наименований.
Влияние металлургических факторов на показатели прочности и герметичности отливок из алюминиевых сплавов
Прочностные свойства металлических сплавов зависят от химического состава, скорости охлаждения отливок в форме, а также от термовременной и термоскоростной обработки расплава и т.д.
Герметичность отливок по отношению к газам и жидкостям всецело является функцией характера кристаллизации, т.е. от температурного интервала кристаллизации. Сплавы, имеющие небольшой температурный интервал кристаллизации, обычно образуют концентрированную усадочную раковину и показывают плотную структуру. В то же время сплавы с широким интервалом температур кристаллизации склонны к образованию рассеянной усадочной рыхлости. Следовательно, герметичность отливки тем выше, чем меньше температурный интервал кристаллизации сплава, из которого она изготовлена. С этой точки зрения, наилучшими по герметичности следует считать сплавы, имеющие в своем составе максимальное количество эвтектики [6].
Среди промышленных алюминиевых сплавов по их поведению при испытаниях на герметичность различают три группы:
- сплавы, дающие течь без разрушения образца;
- сплавы, одновременно дающие течь и разрушающиеся при близких величинах давлений;
- сплавы, разрушающиеся без образования течи.
Все сплавы типа силуминов относятся к последней группе. Однако эти данные справедливы только для хорошо дегазированных сплавов. При наличии более или менее сильного газонасыщения сплава; прочностные характеристики и герметичность отливок снижаются за счет возникновения газовой пористости.
Влияние газов на качество сплава в значительной степени определяется характером их взаимодействия со сплавом. Абсорбированные газы резко понижают механические свойства отливок. Химически связанные газы, образуя различные неметаллические включения, ухудшают пластические характеристики. Газы, содержащиеся в твердом растворе, мало влияют на свойства металла в холодном состоянии, однако, в процессе термической обработки, при наличии усадочной пористости, они могут, выделяясь из твердого раствора, вызывать образование трещин и других дефектов.
Из данных табл. 1.1 видно, что допустимым пределом развития пористости является третий балл, который соответствует падению прочностных показателей (пределов прочности, текучести, упругости) на 4...6 % от исходных значений и снижению относительного удлинения до 40 %. Довольно значительно происходит падение предела выносливости, доходя до 20 %. Повышенная степень пористости, оцениваемая четвертым баллом, уже приводит к снижению прочностных характеристик на 20...25 % и особенно резкому снижению относительного удлинения, достигающему 60 %. Таким образом, из приведенных данных можно сделать следующие выводы:
1. Насыщение алюминиевых сплавов водородом приводит к снижению как прочностных, так и пластических характеристик отливок. Особенно резко это сказывается на относительном удлинении сплава.
2. Насыщение алюминиевых сплавов водородом ведет к прогрессирующему повышению объема пор в отливке и, как следствие, к снижению герметичности. Очевидно, что наиболее интенсивно это будет сказываться на отливках, стенки которых подвергаются механической обработке с одной или с двух сторон.
3. Для обеспечения максимальных значений прочностных характеристик и герметичности необходимо стремиться к всемерному снижению содержания водорода в сплаве, не допуская образования газовой пористости.
4. Накопленные материалы ряда работ определяют предельные нормы содержания водорода в жидких алюминиевых сплавах, предназначенных для фасонных отливок. Установлено, что в фасонном литье практически отсутствует пористость при содержании водорода менее 0,12 см3/100 г сплава. Эти требования, с большей или меньшей степенью приближения, будут справедливы для подавляющего большинства алюминиевых сплавов.
Исследование технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов газофлюсовой смесью
Влияние расхода и давления продуваемого газа на характер и скорость подъема пузырьков из расплава исследовали моделированием алюминиевого сплава водой [264]. Моделирование алюминиевого расплава обеспечивали нагревом воды до температуры 70...80 С. На рис. 3.3. показана схема установки для моделирования процесса продувки расплава сжатым воздухом. От сети сжатого воздуха заданное давление создавали с помощью редуктора 7 модели РП-63. Кран управления 6 обеспечивал необходимый расход газа, который контролировался ротаметром 5. Высота столба жидкости составляла 500 мм, что способствует глубине погружения трубки в тигель. Формирование и всплывание пузырьков наблюдали визуально через прозрачную стенку моделирующей ванны. Изучали процесс продувки при внутренних диаметрах трубок 5, 10, 15 мм.
При очень интенсивной продувке расплав может загрязняться окислами и водородом из - за возникающих при выходе пузырей выплесков, тогда частицы шлака и окислы вновь увлекаются в расплав. Определяли давление и расход продуваемого газа, при котором создаются наилучшие условия рафинирования со спокойным без выплесков течением потоков. Установлено, что при внутреннем диаметре трубки 10 мм, давлении 0,01 -0,02 МПа и расходе газа до 1,5 л/мин обеспечивается сравнительно невысокая скорость подъема пузырьков и создаются оптимальные условия рафинирования. Результаты исследований подтверждены опытными плавками алюминиевых сплавов марок АК7ч (АЛ9), АК8л (АЛ34) с продувкой их флюсами в струе аргона.
Для рафинирования алюминиевых сплавов, согласно проведенным патентным исследованиям, разработано более ста различных компонентов флюсов. Наиболее распространение для сплавов с малым содержанием магния получили флюсы на основе хлоридов натрия и калия с добавками криолита. При выборе количественного соотношения компонентов флюса учитывали физико-химические свойства компонентов (температуру плавления, гигроскопичность, взаимодействие с окислами, плотность и т.д.).
В табл. 3.1 приведены состав и некоторые физико-химические свойства известных флюсов.
При анализе вышеперечисленных свойств был выбран следующий состав, мае. % : NaCl - 33; КС1 - 47; Na3AlF6 - 20.
Для проведения процесса рафинирования использовалось специальное устройство [265] (рис. 3.4).
Качество сплава, рафинированного газофлюсовой смесью, оценивали по результатам испытаний на газосодержание, которое определялось по методу Дарделла-Гудченко. Для качественной оценки сплава брали вакуумные пробы, которые разрезались по вертикальной оси и изготовлялись макрошлифы.
Исследовали зависимость газосодержания в расплаве от времени продувки газофлюсовой смесью при расходе флюса 50 г/мин (рис. 3.5).
Рафинирование расплава эффективно проводить в течение 2,5...3,0 минут. Среднее значение газосодержания в сплаве составляет 0,08 - 0,12 см3/100г.
Опробование в производственных условиях показало, что отливки, полученные с применением газофлюсовой смеси при рафинировании, соответствуют требованиям производства [266].
Разработка технологических процессов плавки и рафинирования алюминиевого сплава марки АК4-1 из отходов кузнечно-штамповочного производства
Для получения качественной заготовки под штамповку необходимо при изготовлении отливки соблюдать ряд требований, обусловленных приготовлением алюминиевых деформируемых сплавов, в частности марки АК4-1. Многочисленными исследованиями доказано, что заражение металла неметаллическими включениями приводит к возникновению сложных дефектов, выявленных, либо сразу в литом металле, либо появляющихся в определенных условиях при деформации. В деформированном материале дефекты, обусловленные взаимодействием металла с газами, проявляются в 230 виде различного рода несплошностей. Наибольшую опасность при деформации металла представляют макронесплошности. Принимая во внимание, что одной из главных причин их возникновения является повышенное содержание водорода и окислов в металле, особое внимание должно быть уделено рафинированию металла.
Исследовали эффективность рафинирования алюминиевого сплава АК4-1 различными способами. Приготовление сплава осуществляли в электрической печи сопротивления с вместимостью тигля 20 кг. В качестве шихты использовали отходы кузнечно-штамповочного производства.
Для контроля качества сплава по ходу плавки брали пробы для определения газосодержания, образцы на химический анализ и механические испытания.
Рафинирование сплава проводили при температуре 7Ю...720С. Результаты рафинирования сплава марки АК4-1 различными методами показаны в табл. 4.1.
Наиболее эффективным способом является электровакуумное рафинирование. Проведены исследования зависимости газосодержания в расплаве от времени электровакуумного рафинирования (рис. 4.2). Как видно, рафинирование расплава более 15 минут к существенному снижению газосодержанию не приводит.
Для определения механических свойств сплава использовали стандартные образцы диаметром 12 мм, полученные литьем в кокиль. Содержание химических элементов в сплаве определяли спектральным анализом. Данные спектрального анализа показывают, что по химическому составу полученный сплав соответствует марки АК4-1.
Заливку кокиля осуществляли мерным ковшом при температуре 720С.
На рис. 4.2 показана литая заготовка под штамповку из алюминиевого сплава АК4-1.
Внедрение плавильно-раздаточнои установки и технологического процесса для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов
В процессе выполнения экспериментальных работ были усовершенствованы газораспределительный блок и станция газовых баллонов на установке для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов модели РПБМ-0,3. Доработка позволила упростить работу обслуживающего персонала.
Техническое описание установки РПБМ-0,3
Назначение
Печь раздаточная для магниевых сплавов РПБМ-0,3 предназначена для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов в среде защитного газа, который способствует образованию на поверхности расплава устойчивой защитной пленки, предохраняющей расплав от взаимодействия с кислородом воздуха.
Защитный газ: 1 - 2 % элегаза (шестифтористой серы) ТУ6-02-1249-83 в смеси с осушенным углекислым газом ГОСТ 8050-85
Состав печи
Печь раздаточная для магниевых сплавов РПБМ-0,3 состоит из следующих основных частей (рис. 5.11, Приложение 3):
Корпуса;
Крышки;
Тигля;
Блока распределительного газового;
Шкафа с электроаппаратурой;
Станции газовых баллонов для защитного газа;
Станции газовых баллонов для модифицирования и рафинирования расплава.
Устройство и работа составных частей.
Корпус 1 - состоит из футерованной сварной обечайки с нагревателями электросопротивления, выполненными в виде ленточных спиралей.
Крышка 2 - сварная конструкция из листового материала с набивкой из теплоизолирующего материала, предназначена для уменьшения теплопотерь с поверхности расплава, а также уменьшения утечек защитного газа из тигля.
Тигель 3 - сварная конструкция из листового материала. Для установки в печь тигель имеет опорный фланец.
Блок распределительный газовый 4 выполнен в виде шкафа, в котором расположена аппаратура, контролирующая расход, давление и распределение смеси.
Шкаф с электроаппаратурой 5
Станция газовых баллонов 6 состоит из сварной стойки и баллонов со сжатым воздухом и элегазом (шестифтористой серы) для приготовления защитного газа.
Станция газовых баллонов 7 предназначена для проведения технологических операций рафинирования расплава гелием и модифицирования фреоном.
Устройство и работа газовой системы.
Газовая система предназначена для защиты магниевого сплава от взаимодействия с кислородом воздуха. Согласно структурной схеме (рис. 5.12, Приложение 3) система обеспечивает дозирование двухкомпонентной газовой смеси.
Основной газовой защитой смеси является углекислый газ или осушенный воздух, к которому добавляется до 20 % по объему элегаз (SF6 -шестифтористая сера).
Блок распределительный газовый может использоваться как в цехах с централизованной подачей готовой газовой смеси, так и с раздельной подачей компонентов от станции газовых баллонов под давлением 0,2...0,3 МПа (2...3 кГс/см") в блок. Дальнейшее понижение давления обеспечивается после влагоотделителей ВД1, ВД2 сетевыми редукторами РД1, РД2 до 0,02...0,03 МПа (0,2...0,3 кГс/см2), что обеспечивает нормальную и безопасную работу печи.
Расход газов определяется настройкой регулирующим краном КН8 и вентилем ротаметра РМ1. В случае необходимости повышенный расход газа обеспечивается включением кранов КН5, КН6.
Расход газовой смеси или отдельных компонентов контролируется ротаметрами РМ1, РМ2, РМЗ.
Распределение газовой смеси может производиться по четырем каналам. Подачу необходимого количества газа в каждый канал производят соответствующей настройкой регулирующих дросселей ДР1...ДР4, включенных в каждую отводную от коллектора линию. Для последовательной настройки дросселей, каждая отводная линия снабжена кранами КН1...КН4, которые позволяют перекрыть все линии, кроме одной.
Контроль величины расхода при настройке отдельного дросселя производится по ротаметрам.
После настройки всех дросселей на необходимые расходы определяется суммарный расход газов через ротаметры.
Контроль давления в системе осуществляется с помощью манометров МН1 и МН2.
Устройство и работа электрооборудования.
К электрооборудованию раздаточной печи РПБМ-0,3 относится (рис. 5.13, Приложение 3):
- пусковая и защитная аппаратура в электрошкафу (QF, FA1.. .FA3, FA4);
- контролирующая (РА1...РАЗ), регистрирующая (PS) аппаратура на лицевой панели электрошкафа;
- органы управления (SA, КН, КМ) на лицевой панели и задней стенке электрошкафа;
- сигнальная аппаратура на лицевой панели электрошкафа (HL1, HL2);
- переносная термопара (ВК) для замера температуры расплава в тигле;
- нихромовые нагреватели (ЕК1.. .ЕК9) в корпусе печи.
Для работы электросхемы применены следующие величины напряжений переменного тока:
- силовая цепь трехфазная 380 В, 50 Гц;
- цепь управления и сигнализации 220 В, 50 Гц.
При включении вводного автоматического выключателя QF подается напряжение на силовые цепи и через универсальный переключатель SA на цепи управления.
Первоначальный пуск.
Проверить при первоначальном пуске печи надежность заземления и качество монтажа электрооборудования внешним осмотром.
Проверить с помощью универсального переключателя SA четкость срабатывания контактов КМ, КН. После проверки вернуть его в нейтральное положение.
Работа электросхемы
Электросхема обеспечивает как автоматический режим работы, так и ручкой. Основным является автоматический режим, при котором с помощью термопары ВК и электронного потенциометра PS обеспечивается поддержание заданной температуры расплава за счет включения и отключения источника питания.
Выбор режима работы и включение нагревателей ЕК1...ЕК9 осуществляется универсальным переключателем SA: положение I - ручной режим (контакты 1-7 замкнуты), положение II - автоматический режим (контакты 1-5 замкнуты), нулевое положение - отключение источника питания.
В любом режиме контакты 1-3 универсального переключателя SA замкнуты и схема управления получает питание.
Для включения нихромовых нагревателей ЕК1...ЕК9 необходимо поставить автоматический выключатель QF в положение ВКЛ и установить универсальны переключатель SA в положение II. При этом, если температура расплава не выше заданной, контакты (А) и (0) электронного потенциометра SP замкнуты и запитываетя контактор КН, который своим контактом замыкает цепь контактора КМ. Контактор КМ срабатывает и через свои силовые контакты КМ запитывает нагреватели ЕК1...ЕК9. Через блок-контакты пускателя КМ включаются сигнальные лампы HL1 и HL2, сигнализирующие о включении и отключении нагревателей (HL1 - нагрев — нагреватели включены, HL2 — расплав готов - нагреватели отключены).
Контроль работы нагревателей ЕК1.. .ЕК9 осуществляется по амперметрам РАЇ, РА2, РАЗ. Защита от коротких замыканий в силовой цепи осуществляется автоматическим выключателем QF и предохранителями FA1, FA2, FA3, а цепи управления - предохранителем FA4.
Конструкция установки обеспечивает безопасную работу обслуживающего персонала.
