Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов в авиастроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Якимов Виктор Иванович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ В АВИАСТРОЕНИИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Комсомольск-на-Амуре - 2010

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина» (ОАО «КнААПО») и ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» ТОГУ (г. Хабаровск).

Научный консультант:

заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор Ри Хосен

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Мысик Раиса Константиновна (г. Екатеринбург)

д.т.н., профессор Бабкин Владимир Григорьевич (г. Красноярск)

д.т.н., профессор Черномас Вадим Владимирович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация:

Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «27» февраля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (ГОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «КнАГТУ»Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.Автореферат разослан «__»__________2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.,

доцент Э.А. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ресурсосберегающий алюминиевый магниевый сплав

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 (АК7_ч) и АЛ34 (АК8_л) по сравнению с другими методами рафинирования и дано научное обоснование установленным зависимостям;

- доказано и научно обосновано, что рафинирование магниевых сплавов (МЛ5, МЛ5_пч) флюсами и электрическим током позволяет улучшать механические свойства (у_в с 240 до 255 МПа; д 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 (у_в с 255 до 300 МПа; д 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; у_в = 260…300 МПа; д = 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 (АК7_ч, 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 (АК7_ч).

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи исследований и методы ее достижения, показаны научная новизна и практическая значимость, результаты апробации работы и публикации.

В первой главе, на основе отечественной и зарубежной литературы, рассмотрено современное научное представление о методах рафинирования алюминиевых сплавов, природе нахождения и взаимодействия газов в алюминии. Показано, что основным неметаллическим включением является Al₂О₃, а источником газовой пористости в отливках является водород. Обосновано, что увеличенному содержанию окиси алюминия в расплаве сопутствует повышенная газонасыщенность. Рассмотрены виды нахождения водорода в сплаве и показано, что водород в расплавах может находиться в молекулярном, атомарном, ионизированном состояниях. Причем в ионизированном состоянии водород способен образовывать с окислами сложные комплексы, природа которых объясняется по-разному. Наибольшего признания получила теория электростатического взаимодействия. Исходя из этого представления исследователями были предприняты попытки рафинировать алюминиевые сплавы постоянным электрическим током. Наилучшие результаты по очистке сплавов от неметаллических включений достигнуты при обработке расплава в совокупности с другими методами рафинирования.

В то же время, полученные данные не всегда подтверждают эффективность действия постоянного электрического тока на дегазацию алюминиевых расплавов. Вследствие этого данный метод рафинирования пока не нашел применения в промышленности и требует дальнейшего исследования для совершенствования и разработки оптимальных режимов проведения процесса.

Кроме обработки электрическим током рассмотрены другие перспективные методы рафинирования алюминиевых сплавов: вакуумирование, внутреннее вакуумирование, обработка металлом-геттером, газофлюсовая обработка.

Большой вклад в развитие рафинирования алюминиевых сплавов внесли Российские исследователи: Альтман М.Б., Бабкин В.Г., Белов В.Д.,., Добаткин В.И., Курдюмов А.В., Ловцов Д.П., Никитин В.И., Пикунов М.В., Постников Н.С., Селянин И.Ф., Спасский А.Г., Рыжиков А.А., Ри Хосен, Родин А.Я и др.

Улучшение эксплуатационных характеристик литой детали достигается, главным образом, в результате повышения физико-химической однородности металла, сокращения макро-, микро- и субмикроскопических дефектов. Один из путей повышения качества отливок - использование физико-механических методов воздействия на расплавы.

Штамповка литых заготовок - один из прогрессивных технологических процессов, позволяющий получать плотные заготовки с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Экспериментальным исследованиям и практическому использованию процессов литья-штамповки посвящены работы Езжева А.С., Кранкова Е.С., Курочкина М.А., Кузнецова Б.Л., Подольского М.С. и др. В этих работах для получения отливок использовались ограниченный круг сплавов, в том числе латуни марок ЛС 59-1, сплавы ЭИ 698 и ЭП 742, литейный алюминиевый сплав ВАЛ-10, титановые сплавы.

Анализ известных работ, посвященный литью-штамповке, позволил сделать вывод о необходимости дальнейших исследований, направленных на возможность использования метода литья-штамповки для получения заготовок из отходов деформируемых алюминиевых сплавов.

Таким образом, для улучшения качества заготовок необходимо создать единый метод рафинирования алюминиевых сплавов применительно к соответствующему оборудованию, составу сплава и требованиям полуфабрикатов; для сокращения норм расхода материалов и использования отходов собственного производства необходимо исследовать и разработать совмещенный процесс получения заготовок методом литья в кокиль и их последующей штамповки из отходов деформируемого алюминиевого сплава АК4-1.

В данной главе также рассмотрено на основе обзора отечественной и зарубежной литературы современное научное представление о методах приготовления и модифицировании магниевых сплавов; природе взаимодействия магния с газами, покрывными и рафинирующими флюсами, легирующими компонентами, печной атмосферой, а также приведен перечень оборудования для их осуществления. Основным источником неметаллических включений является MgО, а источником газовой пористости в отливках является водород. Установлено, что увеличенному содержанию окиси магния в расплаве соответствует повышенная газонасыщенность. В литературе отсутствуют сведения о влиянии постоянного электрического тока на газосодержание и свойства магниевых сплавов. Вследствие этого данный метод обработки магниевых сплавов требует всесторонних исследований для выявления влияния постоянного электрического тока на дегазацию, структуру отливок, механические свойства и разработки оптимальных режимов проведения этого процесса.

Также рассмотрены другие методы рафинирования магниевых сплавов: продувка инертными и активными газами, выстаиванием, обработка расплава наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ).

Большой вклад в развитие теории приготовления магниевых сплавов внесли Российские исследователи: Альтман М.Б., Гуреев И.И., Чухров М.В., Лебедев А.А., Шаров М.В., Гудченко А.П. и др.

Магний, обладая высокой химической активностью, легко окисляется. Поэтому плавка магниевых сплавов проводится под защитой покрывных флюсов, состоящих из сплава хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных металлов (ВИ2, ФЛ5-3, №2 и др.). Флюсы надежно защищают металлы от загорания, но вследствие протекающих реакций выделяются в атмосферу цеха хлор, фтор, хлористый и фтористый водород. Кроме того, флюс способствует образованию флюсовых и оксидных включений в отливках.

В настоящее время у нас в стране и за рубежом обращают внимание на вопрос бесфлюсовой плавки. В качестве газовых сред используют как активные, так и инертные газы. Причем, оптимальный состав защитной газовой среды для различных марок магниевых сплавов различный.

Экспериментальным исследованиям и практическому использованию процесса бесфлюсового приготовления магниевых сплавов посвящены работы Лебедева А.А., Мухиной И.Ю., Сарычихина Н.А., Дружинина Б.Н., Шарова М.В., Бобрышева Б.Л., Александрова Ю.П., Пономаренко А.М., Бондарева Б.И. и др.

Таким образом, для улучшения качества литых заготовок необходимо разработать и внедрить в производство ресурсосберегающие технологии плавки, приготовления и разливки магниевых сплавов.

Исходя из этого, для решения данной проблемы, сформулирована цель и определены задачи исследований.

Во второй главе изложена методика исследований.

Для приготовления сплавов использовалась лабораторная печь сопротивления собственного изготовления. Для вакуумирования расплава спроектированы и изготовлены специальный чугунный тигель с водоохлаждаемым буртиком и водоохлаждаемая крышка. Для приготовления магниевых сплавов использовался стальной тигель. Приведены технические характеристики печи. Создание вакуума над расплавом осуществлялось одноступенчатым форвакуумным насосом типа РВН-200. Контроль температуры расплав осуществлялся потенциометром типа КСП, гр. Х.А. Для преобразования переменного тока в постоянный применялся выпрямитель на диодах В-200 с тиристорной цепью управления, позволяющей осуществлять плавную регулировку тока в пределах 10…100 А. Для качественной оценки качества алюминиевого сплава по ходу плавки брали вакуумные пробы, которые разрезались по вертикальной оси и изготавливались макрошлифы. Для получения вакуумных проб использовалась установка собственного изготовления. Для гидростатического взвешивания образцов применялись весы ВК-500, точность измерения 0,001 г. Газосодержания в алюминиевых и магниевых расплавах определяли на установке Гудченко. Для сравнительного газосодержания алюминиевого сплава определялась плотность проб гидростатическим методом. Наряду с анализом на газосодержание приготовляемые алюминиевые сплавы проверялись на наличие твердых неметаллических включений по технологическим пробам Добаткина.

Для дегазации расплава металлом-геттером изготовлено устройство для введения рафинирующих средств в расплав. Для проведения процесса дегазации расплава внутренним вакуумированием использовался фильтр, состоящий из титанового корпуса и пористой графитовой вставки толщиной 10 мм. Посадку фильтра осуществляли на огнеупорный цемент.

Для рафинирования алюминиевых сплавов газофлюсовой смесью спроектировано и изготовлено специальное устройство.

Для обработки расплава постоянным током спроектирован и изготовлен электрод, состоящий из титанового стержня и герметично электроизолированного от него фланца.

Электрорафинирование магниевого расплава, приготовленного под слоем флюса, проводилось посредством двух электродов, изготовленных из титанового сплава марки ОТ4. При бесфлюсовом приготовлении для процесса рафинирования и модифицирования использовалось газораспределительное устройство для подачи газов в расплав.

Для проведения процесса рафинирования и модифицирования с одновременной обработкой расплава током при бесфлюсовом приготовлении было спроектировано и изготовлено устройство, состоящее из двух электродов - газораспределительного и титанового стержня с электроизолированным фланцем.

Для проверки отливок на герметичность пузырьковым методом был спроектирован и изготовлен пневмостенд модели К1876-0000.

Структурный анализ проводился на микроскопе «Neofot - 22».

Для определения механических свойств сплава использовалась разрывная машина модели Р-10.

Для обработки расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) использовали генераторы НЭМИ модели ГНИ-01-1-6 и ГНИ-15-1 с регулируемой амплитудой импульсов напряжения.

Для измерения теплопроводности применялся метод сравнения прохождения теплового потока через эталонный (12Х18Н10Т) и исследуемый образцы. Ддля уменьшения погрешности определения размера образцов применялся измерительный инструмент с ценой деления 0,01 мм и проводились многократные измерения линейных размеров, д₁ ? ±0,2 %. Для снижения погрешности определения перепада температур применялись градуированные термопары, д ?Т ? 1,5 %.

Исследования коррозионостойкости проводили «объемным» методом. Методика заключается в том, что в случае протекания процесса коррозии с водородной деполяризацией количество растворенного металла пропорционально количеству выделившегося водорода, что позволяет определить скорость коррозии по количеству выделившегося водорода. Параллельно определялась потеря массы образца по стандартной методике.

Кинетические исследования выполнены на дериватографе Q-1000 фирмы МОП при атмосферном давлении в среде воздуха при скорости нагрева 10 град/мин до температуры ~1000 ^оС. Ошибка измерения температуры не превышала ± 1 ^оС. Эталоном сравнения служил порошок аллунда Al₂O₃. Величина навесок составляла 0,2 г. Образец для испытания имел цилиндрическую форму диаметром 0,005 м и высотой 0,01 м.

Дериватограф использовался в Q-режиме, что позволило получить кривые потери (привеса) массы в так называемом квази-изотермическом (квази-изобарном) режиме. Образцы помещались в тигли из керамики, в одном было инертное вещество Al₂O₃, а в другом - исследуемый образец. Пространство печи ограничивалось кварцевым стаканом, в котором свободно поступал воздух (окислительная среда) во время нагрева. Нагрев осуществлялся линейно в течение 120 мин с последующей 6-и часовой выдержкой. При этом автоматически проводилась запись дифференциальных кривых зависимостей температуры ?Т_обр = f(Т_этал) [ДТА], массы ?m = f(Т,ф) и скорости окисления ?m = f(Т,ф) [ДТГ и ТГ соответственно]. На основании этих зависимостей определяли прирост массы образца в процессе окисления, причем привес массы относился к единичной его площади поверхности S , г/м²·час.

Износостойкость определялась по ГОСТ 23.2079 «Метод испытания материалов на износостойкость о нежестко закрепленные абразивные частицы».

Элементно-фазовый анализ выполнялся на установке LXA 8600 SUPEROB (Япония), электронно-микроскопическое исследование проводили на сканирующем электронном микроскопе EVO-50XP (фирма «Карл Цейс»).

В третьей главе для создания единого метода рафинирования применительно к соответствующему оборудованию, составу сплава и требованиям к сплавам исследовали влияние способов рафинирования на свойства литейных алюминиевых сплавов.

С этой целью исследовали и отрабатывали технологические параметры процесса рафинирования алюминиевых сплавов следующими методами: металлом-геттером, газофлюсовой смесью, электровакуумом, внутренним вакуумом с одновременной обработкой электрическим током, дегазирующей таблеткой «Эвтектика».

В данной главе приведены также результаты исследования по влиянию НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства алюминиевых сплавов, технологии литья и термической обработки высокопрочных алюминиевых сплавов на качество отливок, структуры и химической однородности производственного спектрального эталона из алюминиевых сплавов.

А также разработаны рекомендации по внедрению электровакуумного рафинирования алюминиевых сплавов на предприятиях авиационной промышленности, в частности на «КнААПО».

Эффективность дегазации металлом-геттером исследовали на сплаве АК8л (АЛ34). Качество сплава оценивали по вакуумным пробам, микро- и макроанализам шлифов, химическому анализу, по результатам испытаний образцов на газосодержание и механические свойства.

Исследовали зависимость газосодержания в сплаве и механических свойств от времени обработки металлом - геттером при расходе последнего 0,2% от массы расплава. По средним значениям газосодержания и механических свойств построены кривые зависимости от времени обработки (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки металлом-геттером (кривая 1) и фторцирконатом калия (кривая 2)

Как видно, обработку расплава металлом-геттером эффективно проводить в течение 6…7 мин. Металл плавился в печи сопротивления мод. САТ-0,15 емкостью тигля 150 кг. После расплавления металла и достижения температуры 740 ⁰С вводили фторцирконат калия (0,2 мас.%) с помощью колокольчика, изготовленного из титанового прутка в виде спирали (шаг витков 4…5 мм) с коническим хвостовиком, переходящим в ручку. При погружении в расплав контакт фторцирконата калия с металлом осуществлялся по всей высоте колокольчика и по его периметру, что обеспечивало полную проработку расплава в отличие от обычного колокольчика. Титановую стружку марки ВТ-16 толщиной 0,10…0,15 мм и шириной 3…6 мм (0,2 % мас.%) помещали в специальный контейнер, сваренный из титановых прутков, и подогревали до температуры 200 … 250 ⁰С.

Рис. 2. Зависимость временного сопротивления разрыву (кривая 1, 4), относительного удлинения (кривая 2, 5) и твердости (кривая 3, 6) от времени обработки металлом-геттером и фторцирконатом калия

Контейнер предварительно очищали и окрашивали кокильной краской, поле чего погружали в расплав при температуре 740 ⁰С. Как видно из рис. 1 и 2, по мере роста времени обработки металлом-геттером газосодержание расплава резко снижается и повышается относительное удлинение, в то же время, значения у_в изменяются по экстремальной зависимости. Максимум у_в наблюдается при продолжительности обработки, соответствующей 6…7 мин.

Отливки, полученные из сплава, рафинированного металлом - геттером, соответствуют требованиям производства.

При исследовании технологических параметров процесса рафинирования алюминиевых расплавов газофлюсовой смесью для выявления влияния расхода и давления продуваемого газа на характер и скорость подъема пузырьков из расплава исследовали моделированием алюминиевого расплава водой, нагретой до температуры 70…80⁰С. Установлено, что при внутреннем диаметре трубки 10 мм, давлении 0,01…0,02 МПа и расходе газа 1,5 л/мин обеспечивается невысокая скорость подъема пузырьков и создаются оптимальные условия рафинирования. Результаты исследований подтверждены опытными плавками алюминиевых сплавов АК7_ч, АК8 с продувкой их флюсом (мас.%: NaCl - 33; KCl - 47; Na₃AlF₆ - 20) в струе аргона.

Рис. 3. Зависимость газосодержания расплава от времени продувки газофлюсовой смесью

Для рафинирования использовалось специальное устройство. Исследовали зависимость газосодержания расплава от времени продувки газофлюсовой смесью при расходе флюса 50 г/мин. Как видно из рис. 3, рафинирование расплава эффективно проводить в течение 2,5…3,0 мин.

Макроструктура вакуумных проб соответствует первому баллу пористости по шкале ВИАМ. Получены следующие средние значения механических свойств:

для АК7_ч (АЛ9) - у_в=205 МПа;

д=5%;

для АК8 (АЛ34) - у_в =360 МПа;

д=7%. Отливки соответствовали требованиям производства.

При исследовании и отработке параметров технологического процесса электровакуумного рафинирования расплава АЛ9 (АК7_ч) на первом этапе установлено содержание газов в расплаве после вакуумирования при остаточном давлении 1,33Ч10³ Па в течение 15 мин., которое составило 0,143…0,165 см³/100г.

На втором этапе исследований установлена зависимость газосодержания в расплаве от плотности пропускаемого через него постоянного тока (0,015…0,08 А/см²) при одновременном вакуумировании (рис. 4). Оптимальная плотность тока на аноде соответствует 0,04 А/см².

Третьим этапом исследований было выявление оптимального времени (от 3 до20 мин.) электровакуумного рафинирования при постоянной плотности тока (0,04 А/см²). Как видно из рис. 5, оптимальное время электровакуумирования - 15 мин.

Рис. 4. Зависимость газосодержания в расплаве от плотности тока

Рис. 5. Зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки электрическим током

Эффективность процесса дегазации методом внутреннего вакуумирования с одновременной обработкой током исследовали на сплаве марки АК8л (АЛ34). Была выявлена зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием

При продолжительности обработки внутренним вакуумированием более 12 мин. газосодержание в расплаве соответствовало 0,15 см³/100г. При выборе пористого материала для дегазирующего устройства учитывали, что поверхность фильтра не должна смачиваться жидким металлом. Поэтому выбрали пористое тело, не смачивающееся алюминиевым сплавом при 750 ⁰С - графит с проницаемостью 0,24 л/мин см².

Установлена зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием с одновременной обработкой постоянным током (рис. 7).

Рис. 7. Зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием и постоянным электрическим током

При обработке расплава внутренним вакуумированием до 12 мин газосодержание соответствовало 0,06…0,07 см³/100г. При длительности обработки 12…21 мин. газосодержание неизменялось.

Исследовали влияние дегазирующих таблеток (ТУ РБ 1474/229004-98) производства НПП «Эвтектика» (г. Минск) на эффективность очистки алюминиевых сплавов АК8л (АЛ34, АК7ч (АЛ9), АМ4,5Кд (ВАЛ10) от оксидов, шлаков и газовых включений.

В результате проведенной работы выявлено:

- на поверхности расплава образуется более «сухой» шлак и в гораздо большем количестве. Поверхность расплава после снятия шлака имеет зеркальный вид. Хорошая скатываемость образующего порошкообразного шлака с зеркала расплавленного сплава при рафинировании приводит к минимальным потерям металла, уносимого со шлаком;

- значительно увеличилась жидкотекучесть. Образцы для определения физико-механических свойств сплава методом акустической эмиссии, имеющие размеры в сечении 3Ч3 мм и длину 70 мм, заливались при температуре 700…710 °С (после рафинирования расплава К₂ZrF₆ при такой температуре образцы не заливались - брак - 100 %).

В промышленных условиях отливки из сплава АК8л (АЛ34), АК7ч (АЛ9) подбирались с гарантированным большим процентом брака по незаливам и газовой пористости. Так, например, отливка «Панель» (сплав АК7ч) с размерами 130Ч250Ч10 мм, имеющая гладкую наружную поверхность, а с внутренней стороны на расстоянии 5…15 мм от края по периметру буртик толщиной 10 мм и высотой 20 мм и отливка «Корпус» имели стабильный брак более 50 % по незаливам и газовой пористости при заполнении формы расплавом, приготовленным по заводской технологии. После заливки партии форм расплавом, приготовленным с применением дегазирующих таблеток «Эвтектика», были получены отливки со 100 % выходом годного, не имеющие ни газовой пористости (прошли рентгенконтроль), ни незаливов.

Заливались также отливки двух видов типа «корпус» (сплав АК8л), также имеющие стабильный высокий брак по газовым раковинам. После заливки форм расплавом, обработанным дегазирующей таблеткой «Эвтектика», отливки также имели 100 % выход годного. Но отливки «Катушка», «Пушка», полученные с использованием расплава АМ4,5Кд (ВАЛ10), имели подкорковую пористость и газовые раковины.

Таким образом, дегазирующая таблетка «Эвтектика» более предпочтительна для сплавов АК8л (АЛ34) и АК7ч (АЛ9), а для сплава АМ4,5Кд необходимо провести дополнительные исследования, в результате которых было установлено:

- при обработке расплава АМ4,5Кд хлористым марганцем (MnCl₂) и гексафторцирконатом калия (K₂ZrF₆) наблюдался брак по подкорковой пористости, газовым раковинам, по отдельным позициям до 90 %, и микротрещинам;

- при обработке расплава дегазирующей таблеткой «Эвтектика» и гексафторцирконатом калия наблюдалось снижение брака отливок по подкорковой пористости и газовым раковинам, а по микротрещинам брак находился на том же уровне. Это вызвано тем, что K₂ZrF₆ имеет большой удельный вес и мелкодисперсный. Вследствие чего он (K₂ZrF₆) не успевает прореагировать и раствориться в расплаве и выпадает в осадок (в донном осадке содержание циркония до 1,38 %). Из-за обедненности сплава цирконием уменьшается количество центров кристаллизации, увеличиваются межкристаллитные напряжения и склонность к трещинообразованию, что приводит к окончательному браку отливок после механической обработки по микротрещинам. Кроме того, после обработки расплава таблеткой «Эвтектика» присутствовал неприятный запах серы;

- при обработке расплава смесью рафинирующих (MnCl₂, таблетка «Эвтектика») и модифицирующих (K₂ZrF₆) солей, заложенных в колокольчик послойно, сначала MnCl₂ затем K₂ZrF₆ и таблетка «Эвтектика» в соотношении 1 : 1 - 2 : 0,5 - 0,75, брак отливок по подкорковой пористости и газовым раковинам снизился до 5 - 10 %, а брак по микротрещинам исключился. Кроме того, исчез запах серы. Использование комбинированной смеси рафинирующих солей в заданной последовательности обеспечивает оптимальное использование рафинирующих средств.

Исследовалось влияние температуры разливки металла, скорости охлаждения и влажности песчаных форм на отдельно отлитых образцах из сплава АМ4,5Кд. Часть образцов после отливки подвергалась обезводораживающему отжигу при температуре 280 °С в течение 8 часов. Все образцы термически обрабатывались по режиму Т5. Существенное влияние на механические свойства, макро- и микроструктуру сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) оказывают температура разливки металла и влажность песчаных форм. Высокая температура разливки металла приводит к росту зерна, газонасыщению и образованию микрорыхлоты, а это вызывает снижение прочности и пластичности. Анализ фрактограмм излома разрывных образцов показал хрупкое разрушение (камневидный излом) при температуре разливки 730°С и вязкое разрушение (чашечный излом) при температуре 690 °С. В табл. 1 приведены результаты исследований влияния температуры разливки сплава на механические свойства, балл зерна и максимальную величину очага газоусадочной рыхлоты.

Отжиг позволяет повысить пластичность в этом случае в 2…3 раза, прочность почти не изменяется. Изменение свойств сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) объясняется образованием в отливках большого количества газоусадочной рыхлоты. Причём после закалки в зоне газоусадочной рыхлоты в образцах без предварительного отжига появляются микротрещины, и даже вторичная пористость. Образование микротрещин вызывает резкое снижение пластических свойств.

Таблица 1

№ плавки	Заливка металла с 730 °С	Заливка металла с 690 °С
	Механ. св-ва.	Балл зерна	Максимальная величина очага рыхлоты	Механ. св-ва.	Балл зерна	Максимальная величина очага рыхлоты, мм
	ув, МПа	д, %			ув, МПа	д, %
201	340,0	4,0	3	1,62	400,0	8,0	9	0,23
202	330,0	3,3	3	1,44	425,0	12,0	11	0,00
203	310,0	4,0	4	1,08	450,0	8,0	12	0,00
204	330,0	4,5	3	1,36	415,0	7,0	7	0,63

Повышенная влажность песчаных форм оказывает влияние в основном на газонасыщение и образование газоусадочной микрорыхлоты.

Условия изготовления титановой лигатуры оказывают существенное влияние на прочность и пластичность сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10). Заниженная температура расплава алюминия при растворении титана приводит к образованию грубых включений TiAl₃, что подтверждается пластинчатой формой выделения включений и изменением светло-серой окраски в светло-коричневую при травлении в щелочном реактиве. Грубые включения TiAl₃ в отливках приводят к снижению пластичности и к хрупкому разрушению по границам этих включений.

Режим закалки. Сплав АМ4,5Кд (ВАЛ10) относится к термически упрочняемым алюминиевым сплавам. Для сплавов этой группы при нагреве под закалку необходимо получить твёрдый раствор с максимальной концентрацией упрочняющих элементов. Оптимальная температура 545 ± 3 °С для сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10). Нагрев свыше этой температуры будет вызывать пережёг металла, т.е. в этом случае образуется каркас непластичной эвтектики по границам зёрен. Это может привести не только к снижению пластичности, но и к снижению прочности (табл. 2).

Таблица 2

Условия закалки	№ плавки	Механические свойства	Балл зерна	Максимальная величина очага микрорыхлоты, мм
		ув, МПа	д, %
Недогрев	178 195 199 180 170 171 162	280,0 355,0 391,0 370,0 235,0 214,0 380,0	3,00 1,33 10,00 6,35 9,70 6,30 7,00	6 1 5 12 8 8 7	0,27 1,26 0,72 0,18 0,90 0,18 0,72
Перегрев Пережог	93 94 96	475,0 470,0 260,0	1,00 1,50 2,00	8 10 11	1,26 0,72 0,63
Удовлетворительный нагрев	200 183 169 20 29	460,0 455,0 445,0 448,0 417,0	11,50 12,00 9,20 8,10 10,10	12 12 12 12 8	0,36 - 0,36 - 0,54

Охлаждение при закалке должно обеспечивать фиксацию твёрдого раствора, образованного при высокой температуре. Максимальные прочностные свойства достигаются после закалки с высокими скоростями охлаждения, но при этом возрастают как поводки, так и остаточные напряжения. Это особенно необходимо учитывать при изготовлении сложных по конфигурации и крупногабаритных деталей. С целью уменьшения закалочных напряжений исследовали влияние на прочностные свойства сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) закалочной среды (в горячей воде, в водной суспензии (20 %) окиси алюминия и в кипящем слое кварцевого песка). Величину остаточных напряжений оценивали по изменению размеров кольца «Френча». Результаты исследований приведены в табл. 3.

Таблица 3

Охлаждающая среда при закалке	Механические свойства	Балл зерна	? S, мкм
	ув, МПа	д, %
Вода 80 °С	400,0	6,0	12	-6
Вода 15 °С	460,0	10,0	12	-124
Кипящий слой кварцевого песка	430,0	7,5	12	-16
Водная суспензия	480,0	12,0	12	-26
Примечание - Образцы перед термообработкой подвергались отжигу при 280 °С в течении 8 часов.

Из данных табл. 3 видно, что скорость охлаждения оказывает существенное влияние на механические свойства и остаточные напряжения. Закалка на горячую воду вызывает минимальные напряжения, но при этом наблюдается и минимальные механические свойства. Наилучшие механические свойства и малые значения остаточных напряжений получаются при закалке в водную суспензию окиси алюминия.

Режим старения. Поскольку сплав АМ4,5Кд (ВАЛ10) относится к сплавам системы Al-Cu-Mn, то он подвержен старению. В процессе старения в сплавах происходят сложные структурные изменения: сначала образуются зоны Гинье-Престона, которые затем переходят в частицы метастабильных и стабильных фаз; параллельно изменяются внутренние напряжения и мозаичная структура, концентрация дислокаций и других дефектов решётки. Во время старения может изменяться плотность и расположение дефектов, а также их характер. Исследовали влияние на механические свойства сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) температуры и времени выдержки при искусственном старении. Результаты исследований сведены в табл.4.

Таблица 4

Режим старения	Механические свойства	Электропроводность, м/ОмЧмм2
Температура, °С	Выдержка, ч	ув, МПа	д, %
150	4 8	360,0 380,0	14,0 12,5	18,7 18,6
160	1 2 4 8 12	340,0 360,5 415,0 430,0 450,5	15,5 13,6 14,2 8,0 7,1	18,5 18,5 18,5 18,5 18,5
170	4 8	450,0 450,0	7,5 4,3	18,4 18,5
180	4 8	425,0 435,0	3,0 3,7	19,2 19,6

Как видно температура и время выдержки при искусственном старении оказывают существенное влияние на механические свойства сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10). Изменение температуры всего на 10 ⁰С приводит к изменению пластичности почти в два раза. Оптимальными температурами искусственного старения являются 160 ⁰С (время выдержки 12 ч) - 170 ⁰С (время выдержки 4ч) для достижения хорошего сочетания прочностных и пластических свойств (у_в = 450 МПа, д = 7,1…7,5 %).

Для выявления влияния легирующих компонентов на качество сплава и свойства были выполнены промышленные плавки в количестве 170 штук подвергались испытанию механических свойств на отдельно-отлитых образцах, химическому и спектральному анализу. Химический состав оказывает существенное влияние на механические свойства АМ4,5Кд:

- увеличение содержания железа свыше 0,1…0,11 % приводит к резкому снижению не только пластичности, но и прочности сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10). Для исключения попадания железа в сплав необходимо пользоваться инструментом только из титана, а также производить обновление возврата;

- медь, кадмий и титан при содержании свыше 4,6 %, 0,18 %, 0,21 % соответственно снижают пластичность сплава и увеличивают прочность.

...