Содержание к диссертации
Введение. 5
Состояние вопроса. Обоснование цели и задач исследований. 10
Влияние неметаллических включений и водорода на физико- 11
механические свойства алюминиевых сплавов.
Методы рафинирования и дегазации алюминиевых сплавов. 13
-
Очистка алюминиевых сплавов продувкой газами. 16
-
Очистка расплава при фильтровании. 21
-
Флюсовое рафинирование. 23
-
Рафинирование в разряженном газе. 27 Модифицирование алюминиевых сплавов. 29 Особенности изготовления отливок из алюминиевых сплавов на 33 Каширском «Центролите».
-
Технология получения алюминиевых сплавов. 33
-
Флюсовая обработка жидкого металла. 36
-
Оценка качества отливок, получаемых в металлических формах. 39
-
Качество отливок, получаемых в разовые песчаные формы. 41 Цель и задачи работы. 44 Объекты и методы исследований 46 Объекты исследования 46 Методика продувки расплава инертным газом 47 Методика определения газонасыщенности сплавов и содержания в них 51 водорода.
Методика металлографического анализа структуры алюминиевых сплавов 52
Методика определения физико-механических и литейных свойств 52
алюминиевых сплавов.
2.6 Методика исследования закономерностей разрушения алюминиевых 53
сплавов.
2.6.1 Выбор температуры исследования. 58
2.7 Проведение испытаний на циклическую прочность. 59
3 Обоснование возможности газовой струйной обработки алюминиевых 60
сплавов.
-
Обоснование выбора режима рафинирования газом. 60
-
Сущность математической модели газоструйной обработки расплава в 66 ковше.
-
Исходные данные для расчета перемещения в ковше алюминиевого 70 сплава с дисперсной газовой фазой.
-
Перемещение алюминиевого сплава при продувке его в ковше инертным 71 газом через погруженную трубку.
-
Изменение содержания газовой фазы в сплаве при продувке 76 высокоскоростной струёй газа.
-
Усреднение химического состава сплава 81
-
Выводы. 88
4 Влияние комплексной обработки на содержание водорода, структуру и 89
свойства алюминиевых сплавов.
-
Выбор флюсов для обработки алюминиевых сплавов. 90
-
Влияние способов обработки расплава на его газонасыщенность. 91
-
Влияние способов внепечной обработки на структуру алюминиевых 105 сплавов.
-
Влияние продувки расплава инертным газом на усреднение химического 120 состава.
-
Влияние способов обработки на механические и литейные свойства 122 алюминиевых сплавов.
4.5.1 Изменение физико-механических свойств сплава АК9ч (АЛ4). 123
4.5.2 Изменение литейных свойств сплава АК9ч (АЛ4) 130
4.6 Выводы. 135
5 Механизм рафинирования алюминиевых сплавов при использовании 137
флюсов и продувки расплавов инертным газом
-
Механизм флюсового рафинирования. 137
-
Механизм газового рафинирования. 141
-
Обсуждение результатов экспериментов. 143
-
Выводы. 145
6 Влияние способов внепечной обработки сплава АК9ч (АЛ4) на его 146
эксплуатационную надежность
-
Пористость сплавов. 146
-
Особенности деформации и разрушения сплава АК9ч (АЛ4) при 149 растяжении.
-
Влияние дефектов структуры на характер разрушения. 165
-
Особенности деформации и разрушения сплавов при циклическом 172 нагружении.
-
Выводы. 180
7 Практические рекомендации по технологии обработки алюминиевых 182
расплавов газо-флюсовой смесью.
Общие выводы 186
Список литературы 189
Приложение 1.
Введение к работе
Потребительский спрос на литые заготовки из алюминиевых сплавов постоянно растет как в нашей стране, так и за рубежом. Вместе с тем растут требования по целому комплексу свойств и, прежде всего, связанным с обеспечением эксплуатационной надежности изделий. Учитывая то, что большое внимание во всем мире уделяется снижению массы литых деталей, а следовательно, возникает необходимость получения тонкостенных заготовок, будет обоснованным, по нашему мнению, прогнозировать рост интенсивности разработок в области технологий, обеспечивающих получение качественных изделий с однородной структурой и повышенными механическими свойствами.
В последнее время в литейном производстве особое внимание стали уделять внепечным методам обработки расплавов как наиболее приемлемым и эффективным в условиях промышленного производства. Особое значение внепечная обработка имеет для алюминиевых сплавов, так как благодаря проведению операций рафинирования, дегазации и модифицирования можно достигнуть необходимого уровня показателей качества и гарантировать эксплуатационную надежность изделий. Следует отметить, что в настоящее время нет такого универсального способа обработки расплава, который бы позволял одновременно осуществить дегазацию расплава, очистку его от крупных и дисперсных включений, равномерно распределить модификатор по объему. Как правило, в литейных цехах внепечную обработку ведут последовательно в несколько этапов. Разобщение операций внепечной обработки по времени и месту проведения снижает эффективность рафинирования, дегазации и модифицирования алюминиевых сплавов.
В последние годы для обработки расплавов на основе железа (стали и чугуны) начали широко использовать продувку инертным газом (азотом, аргоном) с параллельным введением порошкообразных добавок для обеспечения очистки металла от примесей (в основном серы и фосфора) и модифицирования. Характерной чертой данного метода является введение в расплав больших объемов газа за короткое время. Это достигается за счет увеличения скорости газа, поэтому продувка может считаться высокоскоростной. При такой обработке обеспечивается высокое насыщение расплава газовой фазой и его интенсивное перемешивание. Представляется перспективным использовать этот новый эффективный метод обработки жидких металлов для рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов и создания комплексного универсального способа внепечной обработки. К моменту начала работы по данной теме сообщений в литературе об обработке алюминиевых сплавов высокоскоростное струёй инертного газа не было.
На основании вышеизложенного определена цель настоящей работы, состоящая в разработке способа повышения уровня механических свойств литейных алюминиевых сплавов путем комплексной струйной внепечной обработки расплава, обеспечивающей эффективное рафинирование и модифицирование металла.
В соответствии с указанной целью были сформулированы следующие задачи:
1. Обосновать возможность проведения внепечной обработки алюминиевых расплавов с использованием продувки высокоскоростной струей инертного газа.
2. Разработать технические устройства для осуществления продувки алюминиевых расплавов высокоскоростной струей инертного газа и порошка флюса.
3. Экспериментально исследовать и оценить эффективность удаления водорода и неметаллических включений из расплава при проведении внепечной обработки высокоскоростной струей инертного газа и порошка флюса.
4. На примере сплава АК9ч (АЛ4) исследовать и оценить влияние высокоскоростной продувки расплава смесью инертного газа и порошка флюса на уровень механических свойств.
5. На примере сплава АК9ч (АЛ4) обосновать целесообразность применения комплексной обработки расплава высокоскоростной струей инертного газа и порошка флюса для повышения эффективности процессов рафинирования и модифицирования металла.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Теоретически и экспериментально подверждена возможность и целесообразность обработки алюминиевых расплавов продувкой высокоскоростной струей инертного газа с флюсом в промышленных условиях. На основе математического моделирования процесса продувки в ковшах путем введения в расплав через погруженную трубку высокоскоростной струи инертного газа, установлены закономерности перемешивания расплава, его дегазации, оценены рациональные параметры процесса.
2. Предложен механизм одновременной дегазации, рафинирования и модифицирования алюминиевых расплавов посредством высокоскоростной продувки расплава струей инертного газа с вдуванием в нее универсального рафинирующе- модифицирующего флюса. Высокая эффективность удаления водорода обусловлена: во- первых, удалением из расплава оксидных включений и связанного с ними водорода; во- вторых, взаимодействием фторидов, содержащихся во флюсе, с оксидной пленкой, расположенной на поверхности пузырька инертного газа, что облегчает переход водорода через границу раздела расплав — инертный газ; в-третьих, увеличением коэффициента массопереноса водорода за счет высокой скорости пузырька инертного газа. Эффективность модифицирования обусловлена увеличением поверхности контакта металл-флюс за счет введения в расплав порошка флюса и последующего интенсивного газового перемешивания, обеспечивающего равномерное распределение модификатора во всем объеме расплава.
3. Показано, что комплексная обработка расплава высокоскоростной струей инертного газа и универсального рафинирующе - модифицирующего флюса обеспечивает получение наибольшего эффекта рафинирования и модифицирования по отношению к таким способам внепечной обработки, как флюсовое рафинирование, обработка расплава препаратом «Дегазер» и последующая обработка флюсом, продувка аргоном после введения в расплав жидкого флюса, продувка аргоном металла, находящегося под слоем жидкого флюса. Введение в высокоскоростную струю инертного газа дисперсного порошка флюса позволяет повысить эффективность использования инертного газа, с ~10-30 % до 90 %. При этом эффективность приближается к значениям, достигаемым на установках газового рафинирования с вращающимся ротором.
4. Установлено, что применение предложенного способа рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов посредством высокоскоростной продувки смесью инертного газа и порошка рафинирующе-модифицирующего флюса позволяет существенно повысить прочностные и пластические характеристики изделий относительно свойств изделий, полученных после внепечной обработки расплава по другим вариантам.
Практическое значение диссертации заключается в следующем:
1. Разработаны технологические рекомендации и предложена схема технического устройства для проведения продувки алюминиевых расплавов высокоскоростной струей инертного газа и газо-флюсовой смесью.
Определены рациональные параметры рафинирования при комплексной обработке расплава методом высокоскоростной продувки газо-флюсовой смесью (расход аргона 0,0424 м /мин через канал сечением ~1,5 мм; расход флюса 1 кг/т; время продувки 5 мин). При поддержании рациональных параметров процесса достигается стабильное снижение газонасыщенности с -0,6 см7100г до -0,16 см7100г.
Установлено, что комплексная обработка расплава газо-флюсовой смесью, позволяет снизить дефектность отливок типа головки блока дизельного двигателя по газоусадочной пористости с 12,0 до 2,0% (по результатам гидроиспытаний). При этом, на корпусных отливках с массой до 130 кг, получаемых в разовых песчаных формах, применение комплексной обработки расплава позволяет существенно снизить балл пористости (второй балл пористости вместо пятого на 50% площади сечения отливки).
Обработка алюминиевых расплавов высокосткоростнойструей инертного газа с вдуванием в нее порошка флюса приводит к смнижению загрязненности металла оксидными пленами в 30-50 раз и поэтому может быть эффективным способом борьбы с расслоениями в деформируемых алюминиевых сплавах.
Установлено существенное повышение механических свойств изделий после проведения комплексной обработки расплава с применением высокоскоростной продувки газо-флюсовой смесью относительно изделий, изготовленных после обработки расплава по другим вариантам, таким как флюсовое рафинирование, обработка препаратом «Дегазер», продувка аргоном и т.д.
Практическое значение работы подтверждено актом Каширского завода «Центролит».
Апробация работы произведена на на Международной молодежной научной конференции XXVII Гагаринские чтения 2001 г, МАТИ-РГТУ, Россия и на X международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» IIAPS-10 2001г, Тула, Россия.
