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

Исследованиями установлено, что основной причиной брака тонкостенного кокильного литья являются включения, которые попадают в отливку с металлом при недостаточной степени рафинирования, а также образующиеся при контакте металла с атмосферой во время заливки «вторичные» окислы. Для исключения образования и попадания в отливку «вторичных» окислов создается защитная атмосфера из инертного газа вокруг струи заливаемого металла. Этот принцип был использован в данной разработке при проектировании устройства защиты струи алюминиевого сплава, заливаемого в кокиль, инертным газом. Для оценки эффективности заливки в инертной среде, с точки зрения образования «вторичных» окислов, заливку осуществляли в кокиль, в литниковой системе которого смонтирована фильтрующая сетка марки ССФ-4 для улавливания неметаллических включений в виде окислов. При заливке в инертной среде образование окислов происходит в значительно меньшей степени. Так при диаметре фильтрующей вставки с сеткой 50 мм, площадь сечения окисных включений в литниковой системе вокруг фильтрующей сетки составила более 750 мм² при заливке без защитной атмосферы. При заливке кокиля сплавом в струе защитного газа площадь сечения включений в литниковой системе вокруг фильтрующей сетки составила 150 мм². В процессе заливки кокилей создавали рабочее давление аргона в пределах 0,02…0,03 МПа, расход аргона 0,3 л/мин, что обеспечивает создание инертной среды вокруг струи расплава и сокращения брака кокильного литья на 10 %.

Одно из важных условий получения качественных отливок без рыхлот, включений и химической неоднородности - выбор кокиля для отливки эталонов для спектрального анализа сплавов и при соблюдении ряда необходимых условий: соответствия по форме и размерам как стандартным эталонам, так и размерам и формам рабочих образцов, отливаемых в двухрожковый кокиль. В производственных условиях для достоверности и точности определения химического состава сплава по ходу плавки спектральным анализом используются государственные стандартные образцы (ГСО) и «рабочие» эталоны - стандартные образцы предприятия (СОП). Однако ГСО и контрольные СОП имеют ряд существенных недостатков. Количество и номенклатура выпускаемых ГСО недостаточны. Изготовление СОП по ГОСТ 7727-81 и ГОСТ 7728-79 не обеспечивает производство стандартными образцами в достаточном количестве. В связи с этим необходимо обоснование выбора оптимальной формы для изготовления СОП и использования их в комплексе с ГСО для оперативного и качественного определения химического состава плавок алюминиевых сплавов. Первоначально исследования проводили на отливках «рабочих» эталонов в кокиля следующих форм: кокиль двухрожковый; кокиль «солнышко», предложенный инж Н.К. Тихомировой; кокиль, имеющий гравюру рабочей полости «гребешковой» формы.

Исследование рентгенограмм образцов из сплава АК8л (АЛ34) - самого многокомпонентного из алюминиево-кремнистых сплавов, отлитых в кокиля этих типов, показали большую структурную неоднородность эталонов. Спектральные исследования химического состава этих образцов также выявили большую химическую неоднородность, особенно в местах расположения рыхлот. Вследствие проведенной работы было выявлено, что для отливки «рабочих» эталонов из сплава АК8л эти кокиля использовать нельзя. Поэтому был разработан новый тип кокиля с восемью образцами эталонов и с дополнительным питателем у образцов для изучения структурной и химической однородности отливок образцов из сплава АК8л. Все образцы подвергались рентгеновскому просвечиванию на выявление структурных неоднородностей. Все образцы без исключения имели однородную структуру без каких - либо признаков рыхлот. Следовательно, они полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к «рабочим» эталонам. Анализ кривых распределения всех элементов приводит к выводу, что все элементы распределяются по высоте эталона достаточно равномерно, о чем говорит средняя арифметическая ошибка однородности, просчитанная на этом образце: кремний - 2,75 %; железо - 4,42 %; бериллий - 4,43 %; титан - 4,99 %; магний - 7,49 %; марганец - 6,69 %. Внедрение СОП, отлитых в кокиль «гребешковой» формы, позволило уменьшить трудоемкость, повысить качество анализов и ускорить выдачу плавок.

В настоящее время представляется возможным управление процессом формирования отливок с определенным комплексом свойств воздействием на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). В связи с этим представляет большой теоретический и практический интерес проведение целенаправленного исследования влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ (ПОН) на кристаллизационные параметры, физико-механические (теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационных (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства промышленных алюминиевых сплавов (АК7ч и АК7). Методика исследований заключалась в следующем.

Нагрев производили до температуры 900°С, после 5-ти минутной выдержки при этой температуре обрабатывали расплав НЭМИ путем погружения излучателя печь, изолировав его от контакта с жидким металлом с помощью алундового наконечника, прозрачного для наносекундных электромагнитных волн. Плавку проводили в алундовом тигле ( 300 мм и высота 50 мм) на установке «ПАРОЛОИД-4» конструкции «ЦНИИТМАШа». В качестве излучателя использовался стальной стержень (сталь 3) диаметром 6 мм. Продолжительность обработки расплава НЭМИ соответствовала 5, 1,. 15, 20 и 25 минут. Затем после отключения генератора НЭМИ (ГНИ-01-1-6), определялась интенсивность (обратная величина плотности) гамма-проникающих излучений в процессе охлаждения со скорость 20 °С/мин до температуры 300 °С. Параллельно строилась термограмма кристаллизации.

В качестве примера на рис. 8, а-ж приведены результаты влияния ПОН расплава на кристаллизационные параметры и свойства алюминиевого сплава АК7ч. Установлено, что:

- увеличение продолжительности облучения расплава ПОН наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) способствует повышению температур начала кристаллизации б-твердого раствора (t_л), начала (t^н_э) и конца (t^к_э) кристаллизации эвтектики; расширяется температурный интервал кристаллизации б-твердого раствора и время его кристаллизации возрастает; увеличивается также продолжительность кристаллизации эвтектики;

- степень уплотнения расплава (-?J_ж), гетерофазного (б + ж) - ?J_л и эвтектического - ?J_э постоянно возрастает по мере увеличения ПОН; коэффициенты термического сжатия расплава _ж и закристаллизовавшегося сплава _тв увеличиваются с повышением ПОН; _ж < _тв, т.е жидкий сплав подвергается усадке в меньшей степени, чем твердый силумин; таким образом, под воздействием НЭМИ происходит существенное изменение строения расплава, о чем свидетельствует изменение параметров жидкого состояния -?J_ж и _ж;

Рис. 8. Зависимость кристаллизационных параметров и физико-эксплуатационных свойств силумина АК7ч (АЛ9) от продолжительности обработки расплава НЭМИ

- теплопроводность и плотность силумина АК7_ч изменяются от ПОН расплава по экстремальной зависимости с максимумами их значений при ПОН, равной 15 мин; в сплаве АК7 плотность монотонно возрастает до 25 - минутного облучения расплава НЭМИ; теплопроводность силумина АК7_ч возрастает в 1,5 раза, а теплопроводность силумина АК7 - 2 раза;

- износостойкость и твердость силуминаАК7_ч также изменяется от ПОН по экстремальной зависимости с максимумом их значений при 15 - минутном облучении; в сплаве АК7 износостойкость монотонно возрастает до 25 - минутного облучения;

- обработка расплава НЭМИ отрицательно влияет на жаростойкость силуминов;

- увеличение ПОН расплава АК7ч и АК7 способствует измельчению структурных составляющих до 15 - минутного облучения с последующим их укрупнением при длительных облучениях расплава НЭМИ;

- увеличение и укрупнение количества кристаллов кремния приводит к снижению твердости силуминов.

Результаты микрорегеноспектрального анализа не - и облученных НЭМИ сплавов АК7ч показали, что:

- в необработанном НЭМИ сплаве в б-твердом растворе растворяются кремний (15,6 мас. %) и магний (0,49 мас. %). В кремнистой фазе содержание кремния колеблется от 82,36 до 92,34 мас. %, алюминия от 7,58 до 17,68 мас. % и магния от 0 до 0,08 мас %. Таким образом, в эвтектическом кремнии все-таки растворяются алюминий и магний;

- в светлом кристалле, кристаллизующемся в переплетенном виде с кремнистой эвтектикой, обнаружено повышенное содержание Fe (22,39 мас. %), Mn (7,38 мас. %), Cr (0,22 мас %), Si (9,15 мас. %) и Al (60,19 мас. %.). Следовательно, светлые кристаллы можно считать включениями железистой фазы Al_xSi_yFe_z с небольшими содержаниями Mg, Cr, Mn и др.;

- при облучении расплава НЭМИ в течение 5 - 10 минут кристаллы железистой фазы пластинчатой формы кристаллизуются в металлической основе в изолированном виде. При облучении расплава НЭМИ в течение 15 минут кристаллы железистой фазы пластинчатой формы в структуре исчезают и появляются включения этой фазы в виде компактной формы.

При дальнейшей обработке расплава НЭМИ вновь появляются кристаллы железистой фазы пластинчатой формы:

- увеличение продолжительности обработки до 10 мин способствует снижению растворимости кремния в б-твердом растворе. При этом содержание магния в нем доходит до уровня фона. При дальнейшем увеличении продолжительности облучения НЭМИ (ПОН) расплава растворимость магния и кремния в б-твердом растворе существенно возрастает. Растворимость Si и Mg изменяется по обратной зависимости от таковой алюминия при повышении ПОН расплава.

Таким образом, вследствие энергетического взаимодействия корпоткоимпульсных электромагнитных полей напряженностью 10⁵…10⁷ В/м с металлическим расплавом происходит локальное разрушение его кластерной структуры, приводящие к изменению физических характеристик расплава и кристаллизационных параметров, физико-механических и эксплуатационных свойств силуминов.

На следующем этапе исследовалось влияние мощности (амплитуды импульсов напряжения) генератора на кристаллизационные параметры и теплопроводность силумина АК7ч. Использовали генератор НЭМИ марки ГНИ-15-1 с регулируемой амплитудой импульсов напряжения до 15 кВ (5, 10 и 15 кВ). По заводской технологии силумин нагревали до температуры 740 °С, после 5-ти минутной выдержки облучали жидкую фазу в течение 15 минут, при котором была достигнута максимальная теплопроводность при использовании генератора НЭМИ ГНИ 01-1-16 с амплитудой импульсов напряжения 6 кВ.

Рис. 9. Влияние амплитуды импульсов напряжения генератора на кристаллизационные параметры и теплопроводность силумина АК7ч

Из рис. 9 следует, что увеличение амплитуды импульсов напряжения (АИН) способствует повышению температур начала кристаллизации б-твердого раствора t_л и эвтектики t_э. Время их кристаллизации уменьшается (рис. 9,а и б). В соответствии с сокращением температурного интервала кристаллизации степени уплотнения расплава при кристаллизации б-твердого раствора -Д J_л и эвтектики -Д J_э уменьшаются (рис. 9,в). Коэффициенты термического сжатия б_ж жидкого сплава от температуры 780 °С до температуры начала кристаллизации t_л и твердого силумина б_тв возрастают до 15 кВ (рис. 9,г). При этом максимальная теплопроводность была достигнута при амплитуде 5 - 6 кВ и возросла в 1,5 - 2 раза в сравнении с необлученным силумином (рис. 9,д) структурные составляющие изменяются по мере повышения амплитуды. Микротвердость б-твердого раствора и эвтектики возрастает по мере роста амплитуды до 15 кВ: в1,25 раза для б-твердого раствора и 1,33 раза для эвтектики.

Вибрационная обработка расплава также существенно оказывает влияние на процессы кристаллизации и структурообразования силумина. Воздействие вибрацией на жидкую фазу осуществляли погружением в расплав стального переходника диаметром 10 мм. Применяли генератор звуковой частоты (400 Гц) марки Г3-12. температура расплава соответствовала 750°С, а время обработки 2,5; 5,0; 7,5; и 10,0 минут.

Из рис. 10, а - б следует, что с увеличением продолжительности обработки расплава вибрацией (ПОВ) намечается тенденция снижения кристаллизационных параметров (ф_л, ф_э). Степень уплотнения расплава при кристаллизации б-твердого расплава -Д J_л незначительно уменьшается, а степень уплотнения расплава при эвтектическом превращении -Д J_э существенно снижается до 5-ти минутной продолжительности обработки расплава вибрацией с последующим ростом значения -Д J_э до 10 минут.

Средний размер кристаллов б-твердого раствора уменьшается по мере повышения ПОВ до 10 мин от 80 до 50мкм, а ширина эвтектического зерна, наоборот, увеличивается от 100 до 330 мкм при 10-ти минутной обработке расплава вибрацией. Следовательно, при вибрационной обработке происходит одновременное уменьшение размера б-твердого расплава и увеличение размера эвтектических зерен. Микротвердость б-твердого раствора и эвтектики приведены на рис. 10 г, д.

Рис. 10. Влияние продолжительности вибрации на кристаллизационные параметры и микротвердость структурных составляющих:

г - микротвердость б-твердого раствора;

д - микротвердость эвтектики

Рис. 11. Зависимость газосодержания в расплаве от времени вакуумирования (кривая 1) и электровакуумирования (кривая 2)

Теплопроводность силумина незначительно (до 163 - 171 Вт/(мК)) повышается при вибрационной обработке вследствие частичного удаления из расплава неметаллических включений и структурных изменений.

В работе подробно рассмотрены возможные механизмы влияния НЭМИ на вышеуказанные параметры с позиции современных представлений о жидкостном металле и его взаимодействия с электромагнитным полем высокой напряженности.

На основании проведенных исследований были разработаны рекомендации по внедрению электровакуумного рафинирования в литейных цехах предприятий отрасли, для чего было проанализировано используемое оборудование для приготовления алюминиевых сплавов и типы плавильных тиглей.

Для базового предприятия были разработаны чертежи и изготовлены установки модели ВЭР-200, которые были использованы при внедрении технологического процесса электровакуумного рафинирования.

Четвертая глава посвящена исследованиям возможности получения заготовок из отходов деформируемого алюминиевого сплава методом литья в кокиль и их последующей штамповкой. Были исследованы и экспериментально отработаны режимы приготовления деформируемого сплава АК4-1 из

отходов кузнечно-штамповочного производства. Качество сплава оценивали по газосодержанию, механическим испытаниям образцов, вакуумным пробам, микро-, макро- и химическому анализам образцов (рис. 11). Размеры и форму литой заготовки, имеющей форму близкую к форме штамповки с размерами, обеспечивающими требуемую степень деформации, определяли следующим образом. Высоту заготовки находили, исходя из величины деформации _z в направлении оси Z деформирования:

, (1)

где h_ш - высота штамповки; h_з - высота литой заготовки.

Состояние литой заготовки принималось плоско-деформированным, т.е. _х = - _z .

Широтные размеры заготовки определялись из величины _х .

, (2)

где b_ш - ширина штамповки; b_з - ширина литой заготовки.

Каждому сечению b_ш с координатой Z соответствует b_з с координатой . Соединение концов отрезков b_з с соответствующими координатами даст профиль поперечного сечения заготовки. Аналогично строится форма заготовки для штамповки с круглым поперечным сечением. Размеры отливок и допуски на них должны соответствовать требованиям ОСТ 1 41154 - 72. В результате анализа конструкции штамповки «качалка» определена форма и размеры литой заготовки, штампуемой со средней степенью деформации 20%. Средняя степень деформации по всем сечениям примерно одинакова и определяется по формуле:

, (3)

где h_л - высота литой заготовки; h_ш - высота штамповки.

Штамповали заготовки на паровоздушном штамповочном молоте. Нагрев заготовок под штамповку производили со скоростью 1,5 °С мм/мин до 430°С. Допустимая температура нагрева заготовок под штамповку 500 °С. Полученные штампованные заготовки подвергали термической обработке (закалка и искусственное старение).

Качество заготовок, изготовленных комбинированным методом литье-штамповка, оценивали по результатам химического анализа, макро- и микроанализов шлифов и испытаний на механические свойства образцов, вырезанных из штамповки. Химический состав литых штампованных заготовок соответствовал марке алюминиевого сплава АК4-1. Контроль структуры макрошлифов показал отсутствие расслоений, трещин, пористости и неметаллических включений.

Деформация литых заготовок способствует измельчению дендритов, более равномерному распределению структурных составляющих по объему металла и ликвидации пористости.

Штамповка литой заготовки значительно повышает ее механические свойства. Временное сопротивление разрыву _в увеличивается в среднем с 205 до 400 МПа. Относительное удлинение - с 4,0 до 7,5%. Средние значения _в у штамповок, полученных из прессованных и литых заготовок, примерно одинаковы и составляют 400 МПа. Относительное удлинение (=7,5%) для литейно-штампованной заготовки оказалось несколько выше, чем у штамповки из прессованной заготовки ( = 6,0%).

Для выявления возможности широкого применения в производстве деталей, полученных методом литье-штамповка, проведены повторностатические испытания образцов, деталей и прочностные испытания деталей на статические нагрузки до разрушения. Цель испытаний на повторно-статические нагрузки - сравнительное определение усталостного разрушения образцов, изготовленных штамповкой из литых и прессованных заготовок.

Исследования на малоцикловую усталость проводились на гладких образцах круглого сечения 12 мм, длиной рабочей части 60 мм до полного разрушения на испытательной машине «LOSENCHAUSEN» с частотою 520 циклов в минуту. Нагружение осуществлялось по асимметричному знакопостоянному циклу. Для построения кривых усталости по результатам испытаний образцы были разбиты на три серии, с разным для каждой серии среднем напряжением _m. В каждой серии три уровня. Количество образцов на одном уровне не менее трех.

Для проведения повторно-статических и прочностных испытаний деталей на статические нагрузки до разрушения была изготовлена партия «качалок». Цель испытаний на повторно-статические нагрузки - определение усталостной прочности деталей до базового числа циклов. Нагружали «качалку» по циклограмме. Расчетная нагрузка 6300 МПа (630кг). Детали, прошедшие испытания, выдерживали без разрушения 10000 циклов нагружения.

Испытания деталей на повторно-статические нагрузки показали, что детали, изготовленные методом литье-штамповка, удовлетворяют эксплуатационным требованиям.

Цель испытаний на статистические нагрузки до разрушения - определение фактической прочности экспериментальных «качалок».

Результаты испытаний считаются положительными если «качалка» выдержавшая испытания в полном объеме и последовательности, указанной в программе, и разрушалась при воздействии нагрузок выше 125% от расчетной. Расчетная нагрузка Р^Р = 10600 МПа (1060 кг).

Запас прочности деталей, изготовленных по серийной технологии, составлял 262…294 %, а запас прочности деталей, изготовленных по предлагаемой технологии - 302…311 %.

На основании проведенных исследований была проанализирована номенклатура деталей, перевод которых на процесс литье-штамповка из прессованной заготовки наиболее эффективен. Номенклатуру подобранных заготовок составляют в основном качалки, кронштейны, вилки, фланцы массой до 5 килограмм из алюминиевого сплава марки АК4-1 для деталей «наземного» оборудования.

Пятая глава посвящена исследованиям, разработке и внедрению технологических процессов рафинирования магниевых сплавов как при приготовлении расплава под слоем флюса, так и при бесфлюсовом приготовлении. Это - электрорафинирование при приготовлении под слоем флюса, продувка газами при бесфлюсовом приготовлении, совместная обработка электрическим током и продувка газами, электрорафинирование с внутренним вакуумированием, фильтрация через фильтрирующую камеру. Все исследования проводились на сплавах Мл5 и Мл5пч.

Влияние постоянного тока на газосодержание и свойства сплава, приготовляемого под слоем флюса. На первом этапе, при приготовлении сплава Мл5 под слоем флюса, установили вид применяемых электродов, схемы их расположения и направление электрического поля - совпадающее с направлением силы тяжести расплава. Электрообработке подвергалась постоянная масса металла - 12 кг. На втором этапе исследовано влияние постоянного тока на газосодержание расплава. Установлено, что наименьшее газосодержание в расплаве наблюдается после обработки его током 50… 65 А в течение 5…7 мин (рис. 12): катод, выполненный из пластины в форме круга, был расположен в нижнем слое расплава ( в «техническом остатке»), а анод в в виде стержня - в верхнем слое жидкой ванны. Водород, в жидких магниевых расплавах, как и в алюминиевых, находится и в ионизированном состоянии. В результате электрорафинирования, ионизированный водород собирается у катода, в «техническом остатке», который не выбирается во время разливки готового сплава. При таком расположении электродов направление электрического поля совпадает с направлением силы тяжести расплава. Дальнейшее увеличение тока способствует ассоциации водорода в молекулы и возвращению их в расплав.

Наименьшее содержание газа в расплаве было получено после электрорафинирования в течении 5…7 минут независимо от величины тока, причем чем больше величина тока, тем интенсивнее удаляется газ из расплава (рис. 12, Б). В опытных плавках (рис. 12, В) в условиях производства (масса обрабатываемого расплава 180 кг) наименьшее газосодержание было достигнуто после обработки расплава током 600…750 А (время обработки током - 5 минут). Сравнительный анализ механических свойств 10 плавок показал, что _в образцов, полученных из металла, обработанного током, увеличилось на 15 МПа, а - на 1,7 % по сравнению со сплавом, необработанным током. При этом содержание газа снизилось в 1,5 раза.

Рис. 12. Кривая зависимости газосодержания в расплаве МЛ5 от:

А - силы тока (масса сплава - 12 кг);

Б - времени обработки электрическим током (от 10 А до 75 А);

В - силы тока (масса сплава - 180 кг).

Влияние постоянного тока на газосодержание и свойства сплава при бесфлюсовом приготовлении. При исследовании и отработке технологических параметров рафинирования и модифицирования при бесфлюсовом приготовлении магниевых сплавов на первом этапе выбиралась оптимальная защитная атмосфера из различных газовых сред, содержащих активные и инертные газы и их смеси (СО₂, SF₆, Ar, N₂). На основании проведенных исследований была выбрана защитная атмосфера из смеси SF₆ и СО₂. Из рис. 13 следует, что относительное изменение массы расплава от концентрации элегаза - SF₆ носит экстремальный характер: с повышением его концентрации в смесях увеличивается герметичность пленки, состоящей из химических соединений MgO, MgF₂, MgS, Mg₃N₂.

Рис. 13 Зависимость относительного изменения массы расплава от времени выдержки в защитной среде

Оптимальная защитная атмосфера создается при концентрации ~ 0,5 % SF₆, при которой практически отсутствует изменение приростной массы расплава.

На следующем этапе исследовано влияние тока на качество получаемого магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении. Сплав Мл5 приготавливался следующим образом. В тигель загружалась шихта, при достижении температуры 400 °С тигель накрывали крышкой и через отверстие в крышке подавали защитный газ. При достижении расплавом температуры 720…740 °С через специальное окно в центре крышки колокольчиком проводилось модифицирование гексохлорэтаном. После чего в отверстие крышки вставлялся электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Положительный полюс подключался к корпусу печи и, соответственно, к тиглю. В качестве защитного газа использовался аргон, углекислый газ и азот. Наиболее удовлетворительно зарекомендовала защитная среда из смеси углекислого газа (50 %) и азота (50 %). В остальных случаях наблюдалось значительное испарение магния, достигающее 3 %. Расход газа на плавку 20 кг сплава составлял 5…6 литров. Установлено, что обработка расплава постоянным током в процессе бесфлюсового приготовления позволяет снизить газосодержание на 4…5 см³/100 г, что весьма существенно при литье деталей, работающих в условиях герметичности.

При исследовании в производственных условиях влияния постоянного тока на качество магниевого сплава при бесфлюсовом приготовлении была использована установка собственного изготовления РПБМ-0,3, созданная на базе РПБМ-0,25. За основу взят технологический процесс приготовления магниевых сплавов, включающий плавление шихты в инертной среде, рафинирование и модифицирование сплава продувкой гелием и углекислым газом и выстаивание. Для обработки электрическим током создавалось электрическое поле между двумя электродами, один из которых располагался в верхнем слое расплава, второй - газораспределительное устройство для подачи рафинирующих и модифицирующих газов, располагался у дна тигля.

Исследования проводились на сплаве Мл5, расплавленном в среде инертного газа. Процесс рафинирования и модифицирования проводился с различным соотношением рафинирующего ( гелия - Н₂) и модифицирующего (углекислого газа - СО₂) газов в смеси с различным количеством электричества (1,0 - 3,0 Кулона), пропускаемого через расплав.

На основании проведенных исследований был разработан технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов. Сплав Мл5 расплавлялся в среде защитного газа, состоящей из смеси газов - элегаза и углекислого газа. После достижения температуры 750 - 760 °С расплав рафинировался в течение 5 минут газовой смесью, состоящей из гелия и углекислого газа в соотношении (1,0 - 2,0) : (0,1 - 0,2) с расходом гелия 24 литра, углекислого газа 2,5 литра и постоянным электрическим током с направлением электрического тока, совпадающим с гидростатическими силами пузырьков газовой смеси. При этом количество электричества, пропускаемое через 1 см³ расплава, составляло 1,70 - 1,75 Кулона. По окончании рафинирования при этой же температуре проводили модифицирование в течение 5 минут газовой смесью, состоящей из гелия и углекислого газов в соотношении (0,01 - 0,02) : (1,0 -2,0) с расходом гелия 0,4 литра, углекислого газа - 33,0 литра и постоянным электрическим током с направлением электрического поля противоположного направления чем при рафинировании. При этом, количество электричества, пропускаемого через 1 см³ расплава, оставалось прежним 1,70 - 1,75 Кулона. По окончании процессов рафинирования и модифицирования с поверхности расплава снимали шлак, после чего расплав выстаивался в течение 15 минут. Затем брались образцы для определения газосодержания, испытания на механические свойства, пробы на излом и заливались опытные партии деталей. Получены следующие механические свойства: у_в = 300 МПа; д = 12 %. Газосодержание - 4,0…5,0 см³/100 г. Брак отливок - 5,0…7,0 %.

Излом нерафинированного сплава Мл5 имеет мелкозернистую структуру с волокнистым строением. Поверхность излома - светлая. В изломе наблюдаются крупные интерметаллические включения серого цвета и мелкие черные. В изломе образца из сплава, рафинированного флюсом, также имеются крупные и мелкие включения интерметалида, но в меньшей степени.

Излом образца из сплава, полученного при бесфлюсовом приготовлении и обработанного продувкой газами, имеет мелкозернистую, однородную, светлую структуру, мелкие интерметаллические включения черного цвета, расположенные ближе к поверхности образца.

Поверхность излома образца, полученного из сплава бесфлюсового приготовления и обработанного продувкой газами совместно с постоянным током, имеет мелкозернистую, однородную, светлую структуру. В изломе нет инородных включений и дефектов по макроструктуре. Микроструктура состоит из д - твердого раствора алюминия и цинка в магнии с мелкозернистыми включениями Mg₁₇Al₁₂ (Mg₄Al₃).

Таким образом, обработка магниевых сплавов постоянным электрическим током при бесфлюсовом приготовлении способствует:

- понижению газосодержания в расплаве с 8 - 14 см³/100 г до 4 - 5 см³/100г;

- повышению механических свойств (временное сопротивление на разрыв с 255 до 300 МПа; относительное удлинение с 5,5 до 12 %);

- снижение брака отливок, особенно по герметичности с 50 - 60 % до 5 %.

Рис. 14. Зависимость газосодержания в расплаве от: А - времени обработки электрическим током; Б - плотности тока на аноде

Для оценки эффективности процесса дегазации внутренним вакуумированием, на первом этапе исследований была выявлена зависимость газосодержания в расплаве от времени обработки электрическим током и плотности тока на аноде.

Как видно из рис. 14 оптимальное время обработки соответствует 5 минутам, а плотность тока - 0,04…0,09 А/см². При этом имеет место ионизация свободных атомов водорода и разрушение ионных связей водорода с окисью магния и гидридами, которые перемещаются к катоду и по мере накопления, образуют пузырьки, а затем всплывают на поверхность расплава. При плотности тока более 0,1 А/см² происходит резкое увеличение газосодержания, т.е. происходит ассоциация водорода в молекулы, которые распространялись по всему объему расплава.

Совместное влияние внутреннего вакуумирования и электрического тока.

Исследовалось влияние только внутреннего вакуумирования и совместно с электрическим током на газосодержание в расплаве. Установлено, что обработка внутренним вакуумированием незначительно снижает газосодержание в расплаве (рис. 15, А). К резкому снижению газосодержания приводила совместная обработка расплава током с плотностью на аноде более 0,1 А/см² и внутренним вакуумированием в течение 15 мин. (рис. 15, Б).

Фильтрация расплава. При исследовании эффективности обработки магниевых сплавов фильтрацией, была установлена зависимость влияния толщины и состава фильтрирующего слоя на эффект модифицирования и рафинирования. В качестве материалов фильтрирующего слоя использовали магнезит, электродный бой и магнезит + электродный бой. При фильтрации через один слой наблюдалось снижение включений до 0,2…0,3 мм²/см² и газосодержания - до 10…11 см³/100 г, а через двухслойный фильтр - 0,05…0,10 мм²/см² и 7…8 см³/100 г. При этом механические свойства соответствовали: у_в = 280…300 МПа; д = 7…12 % при значительном снижении защитного газа (с 800 до 500 л/плавку).

Рис. 15. Зависимость газосодержания от:

А - времени обработки расплава внутренним вакуумированием;

Б - времени обработки расплава внутренним вакуумированием и постоянным током

При определении эффективности очистки расплава была выявлена зависимость относительного содержания включений от скорости фильтрации. При скорости фильтрации более 8 см/сек происходит значительное ухудшение очистки.

Оценка эффективности заливки форм в инертной среде, с точки зрения образования «вторичных» окислов, проводили путем изучения макрошлифов продольных разрезов участков литниковой системы с фильтрирующей сеткой. В качестве защитной среды использовалась смесь инертных газов тяжелее и легче воздуха. Причем перед разливкой в полость формы подавали один «тяжелый» газ, во время заливки - смесь «тяжелого» и «легкого» при соотношении 1:20 и после заливки тоже один «тяжелый». Давление газов поддерживали в пределах 0,02…0,03 МПа, расход 0,3 л/мин. При оценке макрошлифов было установлено, что при разливки форм без защитной среды площадь включений в литниковой системе составляла 750 мм², а при заливке в инертной среде - 150 мм². Испытания опытной партии деталей показали высокую герметичность отливок.

Влияние НЭМИ. При исследовании влияния ПОН расплава на процессы кристаллизации, структурообразования и некоторые свойства магниевого сплава МЛ5 плавку проводили двумя способами: в атмосфере чистого азота и под слоем флюса ВИ2. Перегрев расплава соответствовал 670 - 700 єС, время выдержки - 5 минут, после чего расплав облучали НЭМИ в течение 5, 10, 15, 20 и 25 минут.

Риc. 16. Влияние НЭМИ на кристаллизационные параметры магниевого сплава Мл5:

А - плавка в атмосфере аргона;

Б - плавка под слоем флюса ВИ 2

На рис. 16 А и Б приведены результаты исследования влияния ПОН расплава на кристаллизационные параметры сплавов, выплавленных в атмосфере чистого аргона и под флюсом ВИ2 в количестве 1,0 % от массы образца. Как видно, с увеличением ПОН расплава наблюдается тенденция снижения температуры начала кристаллизации б-твердого раствора. Процесс кристаллизации заканчивается в точке t_с (солидус). Температура солидуса изменяется существенно по экстремальной зависимости с минимумами значений ее при ПОН расплава, равной 15 мин, с последующим ее ростом при дальнейшем облучении. После окончания первичной кристаллизации б-твердый раствор обогащается алюминием до температуры начала эвтектического превращения. Дальнейшее охлаждение до температуры t₁ (предел растворимости алюминия в магнии) растворимость алюминия в б-твердом растворе снижается до комнатной температуры. При этом выделяется интерметаллидная фаза Mg₄Al₃ из твердого раствора. Минимальная температура t₁ также наблюдается при 15-минутном облучении.

Продолжительность кристаллизации б-твердого раствора ф_л изменяется от времени облучения расплава НЭМИ по экстремальной зависимости в соответствии с расшире- нием температурного ин-тервала кристаллизации б-твердого раствора ?t = t_л-t_с (рис. 16,А и Б, б). Продолжительность охлаждения сплава от t_с до t₁ (ф_с-1) имеет минимальное значение при 15-минутном облучении.

В соответствии с расширением температурного интервала кристаллизации б-твердого раствора увеличивается степень уплотнения расплава (-?J_л) при кристаллизации. Аналогично изменяется степень уплотнения закристаллизовавшегося сплава в интервале температур t_с-t₁:

минимальная степень уплотнения -?J_с-1 наблюдается при продолжительности облучения расплава НЭМИ, равной 15 минутам (рис. 16, А и Б, в). Таким образом, независимо от способа плавки наблюдается общая закономерность изменения кристаллизационных параметров от ПОН расплава. Плавка сплава МЛ5 под флюсом способствует меньшему изменению кристаллизационных параметров под воздействием облучения расплава НЭМИ.

С повышением ПОН расплава до 15-минутной обработки в атмосфере чистого аргона твердость сплава Мл5 возрастает почти на 10 НВ с последующим ее падением до 20-минутной обработки. В случае приготовления и кристаллизации магниевого сплава под слоем флюса твердость практически не изменяются. В обеих случаях наблюдается незначительное повышение плотности сплава Мл5.

Теплопроводность сплава МЛ5 также изменяется от ПОН по экстремальной зависимости с максимумом ее значения при 10-минтной обработке расплава НЭМИ независимо от способа приготовления сплава. Теплопроводность сплава МЛ5, закристаллизовавшегося в атмосфере чистого аргона по абсолютной величине (114 Вт/(м.к)) выше, чем у сплава закристаллизовавшегося под слоем флюса (97 Вт/(м.к)). В обеих случаях теплопроводность возрастала в 1,3…1,4 раза по сравнению с необлученным сплавом.

На основание проведенных исследований, были разработаны и внедрены технологические процессы и оборудование к его осуществлению, а именно для:

– электрорафинирования магниевых сплавов, приготовляемых под слоем флюса;

– бесфлюсового приготовления магниевых сплавов на установке РПБМ-0,3;

– электрорафинирования при бесфлюсовом приготовлении магниевых сплавов;

– РТМ (руководящий технический материал) для электрорафинирования магниевых сплавов.

Для приготовления магниевых сплавов с рафинированием постоянным током наиболее приемлемы тигельные печи сопротивления с тиглями различной вместимости и агрегаты выпрямительные типа ВАКГ.

Проведенные исследования показали, что геометрия и объем тигля не оказывают существенного влияния на режимы рафинирования постоянным током.

Для серийного внедрения была спроектирована и изготовлена печь раздаточная для магниевых сплавов РПБМ-0,3, предназначенная для бесфлюсового приготовления магниевых сплавов в среде защитного газа, который способствует образованию на поверхности расплава устойчивой газовой защитной пленки, предохраняющей расплав от воздействия с кислородом воздуха. В качестве защитной атмосферы использовался 1 - 2 % элегаз (ТУ6 - 02 - 1249 - 83) в смеси с осушенным углекислым газом (ГОСТ 8050 - 85).

Получены авторские свидетельства и патенты на технологии и оборудование, которые использованы на ОАО «КнААПО» при разработке и внедрении технологий получения отливок из магниевых сплавов.

Внедрение на ОАО «КнААПО» технологических процессов приготовления магниевых сплавов и электрорафинирования позволило снизить газосодержание в 1,5…3 раза, сократить брак отливок по негерметичности на 30…40 %, исключить брак отливок по флюсовой коррозии, увеличить долговечность и надежность литых заготовок на 5…10 %, увеличить производительность печей на 20 %, трудоемкость расплавления шихты на 15 % и получить экономический эффект в сумме 6655 тыс. руб в ценах 2004 года.

Кроме того, технологический процесс обеспечил снижение вредных газовых выделений в 50 раз, аэрозолей флюса в 10 раз, шлаков в 3 раза, что улучшило санитарно-гигиенические условия труда на участке магниевого литья.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлена и научно обоснована закономерность изменения газосодержания в процессе рафинирования различными способами (металлом-геттером, газофлюсовой смесью, вакуумированием, постоянным электрическим током, электровакуумированием) в алюминиевых и магниевых сплавах, а также доказана возможность получения заготовок методом литья-штамповки с высокими эксплуатационными свойствами из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства.

2. Экспериментально установлено и научно обосновано, 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 АК7_ч (АЛ9), АК8л (АЛ34) по сравнению с другими методами рафинирования:

- при рафинировании расплава АК8л (АЛ34) металлом-геттером:

G = 0,08…0,1 см³/100 г; _в = 365 МПа; = 6%;

-при рафинировании расплава газофлюсовой смесью:

для АК7_ч (АЛ9) - G = 0,08…0,12 см³/100г; _в= 205 МПа; = 5%;

для АК8(АЛ34) - G = 0,08…0,12 см³/100г; _в = 360 МПа; = 7%;

-при внутреннем вакуумировании расплава АК8л (АЛ34):

G = 0,15 см³/100г; _в = 350 МПа; = 5%;

- при обработке расплава внутренним вакуумированием и постоянным электрическим током: G = 0,06…0,07 см³/100г; _в = 365 МПа; = 7%;

- при вакуумной обработке сплава АК7_ч (АЛ9): G = 0,145…0,165 см³/100г;

_в = 185 МПа; = 4,5%;

- при электровакуумном рафинировании сплава АК7_ч (АЛ9): G = 0,06 см³/100г;

_в = 205 МПа; = 6,5%.

Установлены оптимальные режимы процесса рафинирования расплава электровакуумированием: время обработки расплава - 15 минут; плотность электрического тока на аноде - 0,04 А/см². Разработаны и внедрены технологические процессы электровакуумного рафинирования и сопутствующее оборудование - установка ВЭР-200 для его реализации в производство.

3. Установлены параметры для проведения газофлюсового рафинирования: рабочее давление аргона - 0,01…0,02 МПа; расход аргона - 1,5 л/мин.; расход флюса к массе сплава - 0,1…0,2%; время рафинирования - 3 минуты. Разработаны и внедрены в производство технологический процесс и устройство газофлюсового рафинирования алюминиевых сплавов при литье в кокиль.

4. Результаты работы по электровакуумному рафинированию внедрены на ряде авиационных предприятий, в том числе на ОАО «КнААПО», где создан участок приготовления алюминиевых сплавов, оснащенный разработанными печами. Материалы РТМ использованы головным технологическим институтом НИАТ и рядом предприятий отрасли. Внедрение на Комсомольском - на - Амуре авиационном производственном объединении технологических процессов рафинирования алюминиевых сплавов (электровакуумирования, газофлюсовой смесью и комбинированной смесью) позволило снизить газосодержание в расплаве в 2 раза, сократить брак отливок по герметичности на 50%, улучшить надежность и долговечность литых заготовок. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработанных технологий составил 8300 тыс. руб. в ценах 1998 года. Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедрах «Машины и технология литейного производства» КнАГТУ и «Литейное производство и технология металлов» в ТОГУ.

5. Установлено эффективное влияние дегазирующих таблеток НПП «Эвтектика» (г. Минск) на степень очистки алюминиевых сплавов АК8л (АЛ34) и АК7ч (АЛ9) от окислов, шлаков и и газовых включений. Были получены отливки «Панель» из сплава АК7ч и «Корпус» из сплава АК8л со 100 % -ным выходом годного, не имеющие ни газовой пористости, незаливов из-за повышенной жидкотекучести. Для отливок «Катушка» и «Пушка» из сплава АМ4,5Кд (ВАЛ10) необходима обработка расплава смесью рафинирующих (МnСl₂, таблетка «Эвтектика») и модифицирующей (К₂ZrF₆) солей, заложенных в колокольчик последовательно, сначала МnСl₂, затем К₂ZrF₆ и таблетка «Эвтектика» в соотношении 1 : 1…2 : 0,5…0,75, исключающая полностью брак по микротрещинам, подкорковой пористости и уменьшающая брак отливок по газовым раковинам до 5…10 % (вместо более 50 %). Данная технология позволила получить годовой экономический эффект около 800 тыс. руб. в ценах 2002 года.

6. Экспериментально установлено и научно обосновано положительное влияние обработки расплавов наносекундными электромагнитными импульсами на процессы кристаллизации и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства сплавов АК7ч (АЛ9), АК7, например, теплопроводность, плотность, твердость и износостойкость силумина АК7ч (АЛ9) изменяются по экстремальной зависимости и от продолжительности обработки, причем максимумы их значений соответствуют продолжительности обработки расплава НЭМИ, равной 15 минутам; в сплаве АК7 при 15-минутной обработке наблюдаются максимумы теплопроводности и твердости, а значения плотности и износостойкость возрастают до 25-минутной обработки расплава НЭМИ; теплопроводность силумина АК7ч (АЛ9) возрастает в 1,5 раза и АК 7 - более 2,0 раза.

7. Разработан технологический процесс заливки кокилей в инертной среде: рабочее давление аргона в пределах 0,02…0,03 МПа (0,2…0,3 кг/см²), расход аргона 0,3 л/мин. Его внедрение позволит сократить брак кокильного литья на 10 %.

8. Исследование однородности химического состава и структуры производственного эталона, произведенного рентгеновским методом, металлографическим методом, спектральным фотографическим и фотоэлектрическим методом дало основание для внедрения в работу производственных спектральных эталонов, отлитых в кокиль «гребешковой» формы с дополнительным питателем. Проведенные исследования распределения элементов по длине образца для других алюминиевых сплавов показали, что СОП всех сплавов удовлетворяют требованиям производства и ГОСТ 7727-81. Внедрение СОП, отлитых в кокиль «гребешковой» формы, позволило уменьшить трудоемкость, повысить качество анализов и ускорить выдачу плавок. Разработано технологическое пособие «Эталоны макро-, и микроструктуры сплава АМ4,5Кд». Годовой экономический эффект от внедрения в производство пособия и техпроцесса составил 4716 тыс. рублей (в ценах 2000 г.).

9. Разработан и внедрен технологический процесс получения заготовок из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства методом литья в кокиль с их последующей штамповкой:

-для обеспечения заданных параметров механических свойств штамповок достаточная минимальная деформация составляет 20%, что позволяет изготавливать штамповки без надрывов и трещин; средние значение временного сопротивления разрыву у штамповок примерно одинаково и составляет 400 МПа; относительное удлинение у литейно-штампованной заготовки (7,5%) выше по сравнению со штамповкой из прессованной заготовки (6,0%);

-при проведении повторно-статических испытаний деталей «качалка» выдержали базовое число (10000) циклов нагружения ( 630кг) без разрушения; средний запас прочности деталей, изготовленных методом литье-штамповка при проведении испытаний на статические нагрузки до разрушения составил 306% по сравнению с серийными - 278%;

-внедрение разработанного технологического процесса получения деталей методом литье-штамповка из отходов деформируемого алюминиевого сплава марки АК4-1 на «Комсомольском - на - Амуре авиационном производственном объединении» позволило использовать отходы кузнечно-штамповочного производства для получения деталей наземного оборудования при увеличении коэффициента использования материала с 0,3 до 0,7.

10. На основании экспериментальных исследований и опытных плавок в производственных условиях разработан технологический процесс электрорафинирования магниевых сплавов со следующими оптимальными параметрами: сила тока - 600…650 А; напряжение - 20…40 В; время обработки 5 мин. Рафинирование сплавов флюсами и электрическим током позволяет незначительно улучшить механические свойства сплава (временное сопротивление на разрыв с 240 до 255 МПа; относительное удлинение с 8,0 до 9,7 %).

11. Разработаны и внедрены технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов, оборудование РПБМ-0,3 и оснастка для его реализации в производство:

- состав газовой смеси в значительной мере зависит от состава магниевого сплава, для защиты которого она предназначена; оптимальные результаты применительно к сплаву Мл5 были получены при использовании смеси, в которой входит гексафторид серы (элегаз) 1…2 % и углекислый газ (остальное); сокращен цикл плавки, повышена производительность печей на 20 %; уменьшен расход электроэнергии на 20 %; исключен брак по флюсовым включениям и уменьшены безвозвратные потери на 5 %.

- обработка магниевых сплавов постоянным электрическим током при бесфлюсовом приготовлении способствует понижению газосодержания в расплаве с 8 - 14 см³/100 г до 4 - 5 см³/100 г; повышает механические свойства (временное сопротивление на разрыв с 255 до 300 МПа; относительное удлинение с 5,5 до 12 %); снижение брака отливок, особенно по герметичности с 50 - 60 % до 5 %;

- при приготовлении магниевых сплавов с использованием фильтрации наилучшие результаты качества расплава получены при соблюдении следующих условий:

- фильтрация через двухслойный фильтр магнезита и электродного боя (причем в этой последовательности);

- степень заполняемости фильтрирующей камеры 0,9 - 1,0;

скорость фильтрации 1,0 - 7,0 см/сек (содержание включений - 0,05…0,10 мм³/см²;

- газосодержание - 7,0…8,0 см³/100 г; зерно сплава - 0,10…0,15 мм; временное сопротивление на разрыв 260…300 МПа;

- относительное удлинение - 7…12 %; снижен расход защитных газов с 800 л на плавку до 480…500 л);

- установлен оптимальный состав защитного газа при заливке форм (перед заливкой - газ тяжелее воздуха; во время заливки - газовая смесь из газа тяжелее воздуха и легче воздуха в соотношении 1:10 - 20; после заливки - газ тяжелее воздуха) и расход защитных газов - 0,30 л/ мин, рабочее давление - 0,02…0,03 МПа.

12. Внедрение на «Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении» технологических процессов приготовления магниевых сплавов и электрорафинирования позволило снизить газосодержание в 1,5 - 3 раза, сократить брак отливок по герметичности на 30 - 40 %, увеличить коррозионную стойкость, надежность и долговечность литых заготовок, улучшить санитарно-гигиенические условия труда на участке. Суммарный экономический эффект от внедрения разработанных технологий составил более 21 786 тыс. рублей в ценах 2004 года. Материалы РТМ использованы головным технологическим институтом НИАТ. Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре «Машины и технология литейного производства» КнАГТУ и «Литейное производство и технология металлов» в ТОГУ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Ри, Хосен. Свойства алюминиевых сплавов (силуминив) в жидком и твердом состоянии. / Хосен Ри, Е.М. Баранов, В.И. Шпорт, В.И. Якимов, А.И. Костин, Б.Н. Марьин, А.В. Щекин. // Владивосток. Дальнаука, 2002. - 144 с.

2. Муравьев, В.И. Изготовление литых заготовок в авиастроении / В.И. Муравьев, В.И. Якимов, Хосен Ри и др. // Владивосток.: Дальнаука, 2003.- 616 с..

...