Исследование тепловых условий сварки и наплавки алюминиевой шихты жидким присадочным материалом Ковтунов, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность темы.

В последнее десятилетие в промышленности всё шире используются фасонные отливки из алюминиевых сплавов, вследствие их хороших литейных свойств, невысокой плотности и высокой коррозионной стойкости. Механические свойства отливок в сильной степени зависят от размера структурных составляющих. Значительное измельчение зерен, ячеек и дендритов способствует повышению прочностных свойств отливок, а также их ударной вязкости, пластичности и снижению порога хладноломкости.

Одним из самых распространенных способов измельчения структуры отливок является модифицирование. Модифицирование самых распространенных литейных АІ-Si сплавов позволяет повысить предел прочности на растяжение на 20 - 30%, а пластичность на 200 - 300%. Для большинства алюминиевых сплавов в качестве модификаторов используют Al-Ti лигатуры или лигатуры алюминия с другими переходными металлами (Zr, V). Кроме того, неплохие результаты показывает модифицирование алюминиевых расплавов мелкокристаллическими шихтовыми металлами.

Качество модификаторов (лигатуры и мелкокристаллической шихты)' оценивается по количеству, форме и размерам дисперсных частиц, являющихся центрами кристаллизации. Чем мельче структура модифицирующих материалов, тем более мелкой будет структура обработанной этими материалами отливки, и выше её свойства. Получаемые в промышленности чушки модифицирующих лигатур и шихтовых металлов имеют достаточно крупнозернистое строение. Кроме того, в чушках наблюдается химическая, структурная и фазовая неоднородность. Всё это снижает их качество, как модифицирующих материалов.

Цель работы: Повышение качества алюминиевых модифицирующих материалов путём разработки технологии получения мелкокристаллической шихты.

Изучение ранее выполненных работ в области исследований процессов получения мелкокристаллических шихтовых металлов и лигатур позволили сформулировать гипотезу и конкретные задачи настоящей работы, решение которых позволит достигнуть поставленной цели.

Гипотеза: Для получения мелкокристаллических шихтовых металлов и лигатур необходимо обеспечить охлаждение их расплавов со скоростью более 10²⁰С/с. Такая интенсивность охлаждения достигается при получении шихты и лигатур в виде микрослитков (гранул, полос, чешуек). Применение микрослитков для модифицирования алюминиевых сплавов приводит к насыщению расплава газовыми и неметаллическими включениями. Поэтому изготавливать модифицирующие материалы необходимо в две стадии. Первая

стадия -получение микрослитков, в процессе которой изготавливают мелкокристаллические микрослитки. Вторая стадия — формирование компактной шихты. Возможными вариантами такой технологии являются получение и сварка алюминиевых гранул, послойная наплавка шихты и лигатур на быстроохлаждаемую твердую подложку.

Для подтверждения сформулированной гипотезы решались следующие задачи:

1. Исследование тепловых условий изготовления алюминиевых шихтовых металлов и лигатур послойной наплавкой в центробежных формах.

2. Исследование тепловых условий сварки алюминиевых гранул жидким присадочным металлом.

3. Разработка технологии послойной наплавки шихты в центробежную форму.

4. Разработка технологии сварки гранул жидким присадочным металлом.

Методы исследований.

В работе использованы как стандартные, так и оригинальные методики экспериментальных исследований процессов сварки и наплавки шихтовых материалов и лигатур, в том числе термографические исследования изменения величин контактного сопротивления между слитком и формой при применении теплопроводящего слоя свинца, и термографические исследования коэффициента теплоотдачи при охлаждении алюминиевых анодированных изложниц. Исследования тепловых условий охлаждения гранул наплавляемых слоев и присадочных материалов проводились с использованием аналитических и численных методов решения дифференциальных уравнений теплопроводности.

Скорость охлаждения шихтовых материалов оценивалась по размеру дендритного параметра в соответствии с зависимостью В.ИДобаткина и В.И.Елагина. Исследования микроструктуры проводили с использованием оптического микроскопа МИМ-8. Характеристики структуры получали стереологической реконструкцией статистическим способом. Измерения для стереологической реконструкции проводились точечным методом. Фракционный состав гранул при распылении определялся средним диаметром, рассчитанным по массовому показателю.

Все расчеты и обработка экспериментов выполнялись с использованием персональных компьютеров.

Основные положения, выносимые на защиту:

5. Тепловые условия формирования шихтовых материалов и пути повышения интенсивности охлаждения слитков в центробежных формах.

6. Численный метод расчета скорости охлаждения наплавляемых слоев шихты в центробежных формах.

3. Технология наплавки алюминиевой шихты в центробежную форму в активной защитной атмосфере, состоящей из смеси аргона и трёххлористого фосфора.

4. Технология получения мелкокристаллических шихтовых материалов и лигатур сваркой алюминиевых гранул жидким присадочным материалом в поле центробежных сил.

Научная новизна:

1. Определены тепловые условия получения мелкокристаллических
компактных шихтовых материалов и лигатур, показана
необходимость изготовления их в две стадии:

интенсивное охлаждение шихты в виде микрослитков;

формирование компактной шихты сваркой гранул и наплавкой.

2. Установлено, что наиболее высокие скорости внешнего теплоотвода от расплавов при формировании центробежных слитков послойной наплавкой достигаются применением алюминиевых анодированных изложниц с промежуточным теплопроводящим слоем свинца. Определено, что скорость охлаждения наплавляемых слоев в зависимости от их толщин при послойном формировании шихты составляет 8-Ю²-1,5-Ю⁴ С/с.

3. Впервые установлено, что скорость охлаждения свариваемой шихты в зависимости от температуры гранул и жидкого присадочного материала, диаметра гранул имеет значения 10³-10⁶⁰С/с.

4. Установлено, что послойной наплавкой целесообразно изготавливать модифицирующие лигатуры типа Al-Ti с повышенной растворимостью легирующих компонентов в алюминиевой фазе при скоростях охлаждения выше 10³ С/с. Сваркой гранул предпочтительно изготавливать мелкокристаллические шихтовые материалы с невысокой склонностью к пересыщению легирующих элементов в алюминиевой фазе при скоростях охлаждения 10³ — 10^б С/с типа Al-Si. Практическая ценность

Предложенная технология обеспечивает получение

мелкокристаллических шихтовых металлов и лигатур в центробежных формах со скоростями выше 10² С/с и толщиной получаемых слитков более 8 мм.

Создано промышленно - экспериментальное оборудование для получения мелкокристаллических лигатур и шихтовых металлов.

Предложенная технология прошла апробирование в металлургическом производстве ОАО «Волгоцеммаш».

Апробация работы

Основные положения работы доложены и обсуждены на следующих конференциях:

Межреспубликанском научно - техническом семинаре, г. Владимир, 1994г.

IX Всероссийской конференции «Теплофизика технологических процессов», г. Рыбинск, 1996г.

X Всероссийской конференции «Теплофизика технологических процессов», г. Рыбинск, 2000г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 патента и получено I положительное решение по заявке на выдачу патента РФ.

Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из аннотации, введения, 5 глав,
выводов по работе, списка использованной литературы и приложений.
Работа содержит страниц, в том числе f^_ рисунков, /If таблиц,

список литературы из 75 наименований. В приложении представлены акты внедрения и акты опытно-промышленного испытания предложенных технологий.