автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование процесса рафинирования расплавов и разработка на этой основе технологий получения заготовок из отходов алюминиевых сплавов методами литья и литья-штамповки

На правах рукописи,

¡Ум 01 4

^ 'I аП

ЯКИМОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАФИНИРОВАНИЯ РАСПЛАВОВ И РАЗРАБОТКА НА ЭТОЙ ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДАМИ ЛИТЬЯ И ЛИТЬЯ-ШТАМПОВКИ

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск - на - Амуре 2000 г.

Работа выполнена на Комсомольском - на - Амуре авиационно производственном объединении (КнААПО), Комсомольском - на - Амур

государственном техническом университете (КнАГТУ) и Хабаровске Государственном техническом университете (ХГТУ)

Научные руководители: кандидат технических наук Войтов В.Н.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ, почетный работник ВПО РФ Ри Хосен

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Стулов В.В., кандидат технических наук Васин В:В.

Ведущая организация: институт машиноведения и металлургии ДВО РАН (г. Комсомольск - на - Амуре)

Защита диссертации состоится « 2 » ноября 2000 года в« 10 » часов на заседани диссертационного Совета Д 064.70.02 в Комсомольском - на - Аму[ государственном техническом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск на - Амуре, пр. Ленина 27, КнАГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организаци просим высылать по указанному адресу на имя ученого секрета; диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ

Автореферат разослан « 2 » октября 2000 г.

JQ- <f л

Ученый секретарь диссертз Совета Д 064.70.02, технических наук, профессо

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

[стуальность работы. В условиях рыночной экономики, дефицита металла и ергоносителей производство качественного литья является первостепенной дачей литейного производства. Это в полной мере относится к производству гоминиевых отливок, которые все чаще заменяют заготовки из чугуна и стали.

Рост потребления алюминиевых изделий неизбежно приводит к коплению отходов в производстве/ которые используют для получения оричных сплавов. Удовлетворение постоянно растущей потребности в юминиевых сплавах невозможно без устранения существующего различия в честве первичных и вторичных сплавов. Особенно остро эта проблема стоит я регионов страны, которые не имеют собственной алюминиевой юмышленности, но располагают значительными мощностями по производству юминиевого литья.

Для производства конкурентоспособных отливок из ' низкосортных яхтовых материалов необходимо создание эффективных технологий вышения свойств сплава и качества отливок из него. К числу мер, зволяющих решить такую задачу, наиболее эффективно, следует отнести еспечеиие высокой чистоты материала отливок по газовым и твердым металлическим включениям, ухудшающими практически все показатели чества литого'металла.

Тщательная организация сбора, сортировки и переработки алюминиевого ма совместно с эффективными технологиями плавки и рафинирования зволяет обеспечить высокое качество получаемых отливок без полнительного дорогостоящего модифицирования, обеспечивающего лаемые изменения морфологических особенностей структурных ставляющих (первичных фаз и эвтектики).

В настоящее время брак по герметичности литых деталей отдельных именований достигает 60...70%. Важнейшим резервом улучшения качества тья является повышение чистоты сплавов по газовым и твердым металлическим включениям, достигаемое в результате изыскания и вершенствования методов рафинирования расплава, получаемого из отходов тейного и кузнечно-штамповочного производств.

Важнейшей задачей, стоящей перед работниками различных отраслей родного хозяйства, также является всемерное сокращение норм расхода териалов при изготовлении изделий. Особенно большие резервы экономии талла могут быть реализованы при широком внедрении прогрессивной миологии производства изделий по схеме литьё-штамповка. В первую очередь, и внедрении прогрессивной технологии обработки металлов давлением эбходимо решить задачу подготовки заготовок, которые должны иметь Сильную массу и геометрию, близкую к исходному профилю для штамповки, вменение литых заготовок, имеющих оптимальную форму, с точки зрения следующей деформации, обеспечивает существенную экономию металла в изнении с общепринятой технологической схемой, предусматривающей

выплавку слитков, получение деформированной заготовки и окончательну штамповку полуфабрикатов. При этом сокращаются транспортные операци уменьшается количество нагревов и переходов при штамповке.

Улучшение эксплуатационных характеристик литой детали достигаете главным образом, в результате повышения физической однородности металл сокращения макро-, микро- и субмикроскопических дефектов. Один из путе повышения качества отливок - использование физико-механических методе воздействия на расплав, позволяющих повысить механические эксплуатационные свойства отливок.

Таким образом, разработка технологии приготовления литейных деформируемых алюминиевых сплавов на основе отходов собственно] производства является важной народнохозяйственной задачей, для решет которой необходимо совершенствование методов рафинирования расплав« расплава для повышения плотности, герметичности отливок и коэффициен' использования материала за счет применения литых заготовок под штамповку. Настоящая работа состоит из трех основных разделов: -разработка технологии получения герметичных отливок из отход« собственного производства путем совершенствования процесса рафинирован! расплава и создания соответствующего оборудования для его осуществления; -разработка технологии получения литых заготовок из сплава марки АК4-на основе отходов кузнечно-штамповочного производства д] последующей штамповки (литье-штамповка);

-производственные испытания и внедрение разработаннь технологических процессов в производство в цехах Комсомольского - на Амуре авиационного производственного объединения (КнААПО). Цель работы заключается в разработке и внедрении ресурсосберегаюц» технологий плавки и рафинирования алюминиевых сплавов из отходе собственного производства для получения заготовок методоми литья и лить штамповки с высокими эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи -исследование влияния различных способов рафинирования (металло? геттером, газофлюсовой смесью, методами внутреннего вакуумирования электровакуумной обработки) расплавов на газосодержание, герметичност физико-механические свойства литейных алюминиевых сплавов;

-исследование, разработка новых методов рафинирования и создан] специальных устройств и оборудования для их осуществления;

-исследование и разработка технологических процессов произведет отливок из отходов собственного производства;

-исследование и разработка технологических процессов произволст; литых заготовок из отходов деформируемых алюминиевых сплавов д. последующей штамповки (литье-штамповка):

-установление зависимостей механических свойств изделий от способов 1 получения и режимов термообработки;

-разработка методов повторно-сгатнческих испытаний издел! (усталостное разрушение, усталостная прочность, фактическая прочность)

авнительная оценка эксплуатационных свойств деталей, .изготовленных :тодом штамповки из литых и прессованных заготовок;

-производственные испытания и внедрение разработанных хнологических процессов.

Научная новизна

1 .Установлена и научно обоснована закономерность изменений зосодержания, герметичности и физико-механических свойств литейных юминиевых сплавов от способов рафинирования расплавов:

-для получения наилучшего комплекса механических свойств , = 365 МПа; 5 = 6%) и минимального газосодержания в сплаве AJT34 = 0,08...0,10 см3/100г) необходимо проводить рафинирующую обработку сплава металлом-геттером (фторцирконатом калия и титановой стружкой 1рки ВТ-16 в количестве 0,2 мае. %) в течение 6...7 мин при 740°С; 1кроструктура вакуумных проб соответствовала первому баллу пористости;

-при обработке расплавов (АЛ9 и АЛ34) газофлюсовой смесью ас. %: NaCl - 33; КС1 - 47; NajAlF6 - 20) достигается наиболее эффективное финирование расплавов при расходе флюса 50 г/мин и газа - аргона до 5 л/мин в течение 2,0...3,0 мин (ов = 205 МПа; 5 = 5% для АЛ9 и g, = 360 МПа; = 7% для АЛ34 при G = 0,08...0,12 см3/100г); макроструктура вакуумных проб -рвый балл пористости;

-зависимость газосодержания от плотности постоянного тока ,015...0,075 А/см2) и продолжительности его воздействия на расплав ...18 мин) имеет экстремальный характер изменения: минимальное юсодержание наблюдалось при 0,04 А/см2 и времени воздействия тока 15 мин;

-вакуумное рафинирование позволяет снизить газосодержание в расплаве 19 до 0,143...0,165 см3/100г при а, = 185 МПа; 5 = 4,5%; вакуумирование сплава с одновременной обработкой постоянным током (плотность тока на оде 0,04 А/см2; анод - чугунный тигель печи, катод - погруженный в расплав гановый электрод) в течение 15 мин значительно снижает газосодержание = 0,05 см /1 ООг) и повышает механические свойства сплава АЛ9 , = 205 МПа; 5 = 6,5%);

-по мере увеличения продолжительности внутреннего вакуумирования ..21 мин) снижается газосодержание до 0,15 см /ЮОг при 15...21 мин; финирование расплава внутренним вакуумированием с одновременной работкой постоянным электрическим током (15 мин, 0,04 А/см2) значительно ижает газосодержание до 0,075 см'/ЮОг, данный метод уступает :ктровакуумиому рафинированию.

2. Выявлена и обоснована технологическая возможность и перспективность пользования совмещенного процесса получения заготовок из алюминиевых кодов кузнечно-штамповочного производства литьем в кокиль и их следующей штамповки:

-для обеспечения заданных параметров механических свойств штамповок :таточная оптимальная деформация составляет 20%, что позволяет изготовить амповки без надрывов и трещин;

-среднее значение временного сопротивления разрыву у штампово полученных из прессованных и литых заготовок одинаково и составля' 400 МПа, а относительное удлинение у литейно-штампованной заготовки(7,5°, выше, по сравнению со штамповкой из прессованной заготовки (6,0%);

-разработан следующий режим термообработки, заключающийся гомогенизационном отжиге литой заготовки (470...490°С) для устранеш V дендритной ликвации и растворения интерметаллидных фаз (} и Б с последующ« закалкой (530°С) и искусственным старением (185...195°С); при этс достигаются максимальные значения а, (430 МПа) и пластичность 5 (9%);

-сравнение геометрических параметров облоя, полученного I прессованной серийной и литой заготовок, показало, что ширина обл< штамповки, полученного из литой заготовки, уменьшается в 8...10 раз, атолши] - в 4...6 раз; при этом коэффициент использования материала возрастает с 0,3 ; 0,7%;

-при проведении повторно-статических испытаний детри выдержи базовое число (1000) циклов нагружения (± 630кг) без разрушения; зап прочности деталей, изготовленных методом литье-штамповка, при проведен) испытаний на статические нагрузки до разрушения составил 302.. .321%.

Научная новизна работы подтверждена двумя патентами на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту:

-результаты исследований влияния различных способов рафинирован! металлом-геттером, газофлюсовой смесью, вакуумирование электровакуумированием на структуру и качество получаемых отливок ] алюминиевых отходов собственного производства;

-результаты экспериментальных исследований совмещенного процес получения заготовок, полученных из алюминиевых отходов кузнечн штамповочного производства; особенности процесса формирования качества свойств деталей из заготовок.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

На основе теоретических и экспериментальных исследован! разработаны:

-технологический процесс газофлюсового рафинирования алюминиевь сплавов;

-технологический процесс электровакуумного рафинирован] алюминиевых сплавов;

-технологический процесс получения алюминиевых отливок использованием отходов собственного производства;

-технологический процесс литья-штамповки деталей из отходов кузнечн штамповочного деформируемого алюминиевого сплава марки АК4-обеспечивающего повышение коэффициента использования материала.

Технологии приготовления алюминиевых сплавов и метод получен: заготовок совмещенным процессом литья-штамповки и руководят технические материалы (РТМ) нашли практическое применение на предприяти авиационной промышленности. На КнААПО создан плавильный участс

пашенный плавильными печами собственного изготовления для проведения ектровакуумного рафинирования алюминиевых сплавов.

Внедрен процесс литья-штамповки заготовок из алюминиевых отходов знечно-штамповочного производства для наземного оборудования.

Суммарный экономический эффект от внедрения на КнААПО составил 00 тыс. руб. (в ценах 1998г.).

Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедрах Лашины и технология литейного производства» в КнАГТУ и «Литейное юизводство и технология металлов» в ХГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и ¡суждены на: научно-технической конференции «Повышения эффективности юизводства литых заготовок» (Комсомольск - на - Амуре, 1981г.); XXX11 :есоюзной научно-технической конференции литейщиков «Повышение :хнического уровня литейного производства предприятий Сибири и Дальнего остока» (Улан-Удэ, 1982г.); научно-технической конференции «Вопросы теории технологии литейных процессов» (Комсомольск - на - Амуре, 1985г.); сесоюзном семинаре «Ускорение научно-технического прогресса в литейном зоизводстве Дальнего Востока» (Комсомольск - на - Амуре, 1986г.); XVII граслевой научно-технической конференции «Пути технического гревооружения и развития производства в современных экономических :ловиях» (Комсомольск - на - Амуре, 1998г.); III Всероссийской научно-зактической конференции «Современные технологии в машиностроении» !енза, 2000г.).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 19 1ботах, в том числе в тезисах докладов на научно-технических конференциях и гминарах, статьях в центральной печати и 2 изобретениях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка

итературы и приложений. Материалы работы изложены на 154 страницах, эдержит 13 таблиц, иллюстрированы 42 рисунками. Список литературы эдержит 104 наименования.

ООНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, формулированы цель и методы ее достижения; показаны научная новизна и рактическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, пробация работы и публикации.

В первой главе, на основе обзора отечественной и зарубежной литературы, ассмотрены современное научное представление о методах рафинирования люминпевых сплавов, природе нахождения и взаимодействия газов в алюминии. 1оказано, что основным неметаллическим включением является АЬО?, а сточником газовой пористости в отливках является водород. Обосновано, что

увеличенному содержанию окиси алюминия в расплаве сопутствует повышенна газонасыщенность. Рассмотрены виды нахождения водорода в сплаве и показано что водород в расплавах может находиться в молекулярном, атомарном ионизированном состояниях. Причем в ионизированном состоянии водоро, способен образовывать с окислами сложные комплексы, природа которы: объясняется по-разному. Наибольшего признания получила теори: электростатического взаимодействия. Исходя из этого представления, многим! исследователями были предприняты попытки рафинировать алюминиевы сплавы постоянным электрическим током. Наилучшие результаты по очистк сплавов от неметаллических включений достигнуты при обработке расплава i совокупности с другими методами рафинирования.

В то же время, полученные данные не всегда подтверждают эффективност! действия постоянного электрического тока на дегазацию алюминиевы; расплавов. Вследствие этого данный метод рафинирования пока не наше] применения в промышленности и требует дальнейшего исследования дл; совершенствования и разработки оптимальных режимов проведения процесса.

Кроме обработки электрическим током рассмотрены другие перспективны! методы рафинирования алюминиевых сплавов: вакуумирование, внутренне« вакуумирование, обработка металлом-геттером, газофлюсовая обработка.

Большой вклад в развитие теории рафинирования алюминиевых сплаво] внесли Российские исследователи: Альтман М.Б., Родин А.Я., Добаткин В.И. Ловцов Д.П., Постников Н.С., Спасский А.Г., Рыжиков A.A., Курдюмов A.B. Пикунов М.В. и др.

Улучшение эксплуатационных характеристик литой детали достигается главным образом, в результате повышения физической однородности металла сокращения макро-, микро- и субмикроскопических дефектов. Один из nyrei повышения качества отливок - использование физико-механических методо! воздействия. Штамповка литых заготовок - один из прогрессивны) технологических процессов, позволяющим получать плотные заготовки с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Экспериментальным исследованиям и практическому использованик процессов литья-штамповки посвящены работы Езжева A.C., Кранкова Е.С. Курочкина М.А., Кузнецова Б.Л., Подольского М.С. и др. В этих работах дл* получения отливок использовались ограниченный круг сплавов, в том числе латуни марок ЛС 59-1, сплавы ЭИ698 и ЭП742, литейный алюминиевый спла£ В АЛ-10, титановые сплавы.

Анализ известных работ, посвященный литью-штамповке, позволил сделать вывод о необходимости дальнейших исследований, направленных нг 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

овмещенный процесс получения заготовок методом литья в кокиль и их юследующей штамповки из деформируемого алюминиевого сплава АК4— 1.

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

Во второй главе изложена методика исследований.

Для приготовления сплавов использовалась лабораторная печь опротивления собственного изготовления. Для вакуумирования расплава проектированы и изготовлены специальный тигель с водоохлаждаемым уртиком и водоохлаждаемая крышка. Приведены технические характеристики ечи. Создание вакуума над расплавом осуществлялось одноступенчатым юрвакуумным насосом типа РВН-200. Контроль температуры расплава существлялся потенциометром типа КСП, гр. Х.А. Для преобразования еременного тока в постоянный применялся выпрямитель на диодах В-200 с иристорной цепью управления, позволяющей осуществлять плавную егулировку тока в пределах 10...100 А. Для получения вакуумных проб спользовалась установка собственного изготовления. Для гидростатического звешивания образцов применялись весы ВК-500, точность измерения 0,001 г. азосодержания в расплавах определяли на установке Гудченко. Для дегазации асплава металлом-геттером изготовлено устройство для введения афинирующих средств в расплав. Для проведения процесса дегазации расплава нутренним вакуумированием использовался фильтр, состоящий из титанового орпуса и пористой графитовой вставки толщиной 10 мм. Посадку фильтра существляли на огнеупорный цемент.

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

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

В третьей главе для создания единого метода рафинирования рименительно к соответствующему оборудованию, составу сплава и ребованиям полуфабрикатов исследовали влияние способов рафинирования на войства литейных алюминиевых сплавов.

С этой целью исследовали и отрабатывали технологические параметры роцесса рафинирования алюминиевых сплавов следующими методами:

- металлом-геттером;

- газофлюсовой смесью;

- электровакуумом;

- внутренним вакуумом с одновременной обработкой электрическим током.

Эффективность дегазации металлом-геттером исследовали на сплаве АК8 \Л34).

Качество сплава оценивали по вакуумным пробам, микро-, макроанализ шлифов, химического анализа, по результатам испытаний образцов газосодержание и механические свойства.

Исследовали зависимость газосодержания в сплаве и механических свойс от времени обработки металлом-геттером, при расходе последнего 0,2% от мае расплава. По средним значениям газосодержания и механических свойс построены кривые зависимости от времени обработки (рис. 1). Как вид) обработку расплава металлом-геттером эффективно проводить в течег 6...7 мин. Металл плавился в печи сопротивления мод. САТ-0,15 вместимост тигля 150 кг. После расплавления металла и достижения 740°С вводи фторцирконат калия (0,2 мае. %) с помощью колокольчика, изготовленного титанового прутка в виде спирали (шаг витков 4...5 мм) с коническ хвостовиком, переходящим в ручку. При погружении колокольчика в расги контакт фторцирконата калия с жидким металлом осуществлялся по всей вью колокольчика и по его периметру, что обеспечивало более полное рафинирова! расплава в отличие от обычного колокольчика. Титановую стружку марки ВТ толщиной 0,10...0,15 мм и шириной 3...6 мм (0,2 мае. %) помещали специальный контейнер, сваренный из титановых прутков, и подогревали 200...250°С. Контейнер предварительно очищали и окрашивали кокилы краской, после чего погружали в расплав при 740°С. Как видно из рис. 1 и 2, мере роста времени обработки металлом-геттером газосодержание расплава ре снижается и повышается относительное удлинение, в то же время, значения изменяются по экстремальной зависимости. Максимум о„ наблюдается ] продолжительности обработки, соответствующей 6...7 мин.

G v?/

/100

Время, t, мин

На s: 150- 7-, 140 -130 -120 -110100 90 80

, МПа

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

Время, мин

Рис. 2. Зависимость временного сопротиеле разрыву (кривая 1,4). относительного удлин€ (кривая 2, 5) и твердости (кривая 3.6) от брел обработки металлом-геттером и фторцирконатом калия

Отливки, полученные из сплава, рафинированного с применением мета геттера, соответствовали требованиям производства.

При исследовании технологических параметров процесса рафинировс алюминиевых расплавов газофлюсовой смесью для выяснения влияния расхо

давления продуваемого газа на характер и скорость подъема пузырьков из расплава исследовали моделированием алюминиевого сплава водой, нагретой до 70...80°С. Установили, 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 алюминиевого сплавов АК7Ч, АК8 с продувкой их флюсом (мае. %: ЫаС1 - 33; КС1 - 47; №зА1Р6 - 20) в струе аргона.

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.

Рис. 3. Зависимость'газосодержания в расплаве от времени продувки гаэофпюсовой смесью при расходе флюса 50 г/мин.

Макроструктура вакуумных проб соответствует первому баллу пористости по шкале ВИАМ. Получены следующие значения механических свойств: для АК7Ч (АЛ9) - ст„=205 МПа; 5=5%; для АК8 (АЛ34) - <т,=360 МПа; 5=7%. Отливки соответствовали требованиям производства.

При исследовании и отработке параметров технологического процесса электровакуумного рафинирования расплава АЛ9 (АК7Ч) на первом этапе установлено содержание газов в расплаве после вакуумирования при остаточном давлении 1,33x 103 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 до 20 мин) электровакуумного рафинирования при постоянной плотности тока (0.04 А/см"). Как видно из рис. 5 - оптимальное время электровакуумирования 15 мин.

0,26ч

§ 0,24-

"г 0,22

е- 0,20

1 0,18 К

& 0,16 8 0,14-

Я 0,120,10-

■ Т ■ ; ! 1 :

!

!

;' | Ч '! "' '

■ I \ ;

: ! ! I !

! ' 1 \

0 0.5 1,0 1,5 2.0 2,5 Э.О 3,5 4,0 4,5 5.0 Время продувки, мин

0,16; > о

; 0,14 -

0,12--»

\ 0,10

| 0,08------

| 0,06;---г

! 0,04;—

В 0,02:

I

0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0.07 0,08 Плотность тока, р, А/см1

Рис. 4. Зависимость газосодержания в расплаве от плотности тока

0,16 ■•

(4

§ 0.14-■ 0,12 •

0,10 .....

1 0.С8 --------

1 0,0бг-~;-т-------

й 0,02£

0-

8 10 12 14 Время, и мин

16 18

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

Эффективность процесса дегазации методом внутреннего вакуумировани с одновременной обработкой током исследовали на сплаве марки АК8 (АЛ34).

На первом этапе исследований была выявлена зависимость газосодержани в расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием (рис. 6). Пр продолжительности обработки внутренним вакуумированием более 12 мш газосодержание в расплаве соответствовало 0,15 см3/100г. При выборе пористог материала для дегазирующего устройства учитывали, что поверхность фильтр не должна смачиваться жидким металлом. Поэтому выбрали пористое тело, н смачивающееся алюминиевым сплавом при 750°С - графит с проницаемость! 0,24 л/мин см2.

„ 0,30-°-

?,

0.25Н-гМ-

5 ! , о : и

I I; Г* 1!

X 0,20 . ' К-

В I ! ; : К'

§ I ! ; ! ;

§ 0,15; —-

М ! ' !

■ 0,10-

5 Ю 15

Время, (, мин

20

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

0,30-

2

в" 0,20—

* 0,15-

О.

Ф

8 о.ю

О •' ! : ! ' Ч ! ' ; , :

: ' . ! И ! ! ' ' 1 1 ! Ч ! | 1 ! \ | | ! |

; ! ^ : о 1 ч \ ! ! | 1 1 1 ■!!

: : ЧЧ Ч ' Ч • ! ! ! ■

0,05-

1 -О-О-О О—О—<1 О-О

5 10 15 2<

Время, (, мин

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

На втором этапе исследований установлена зависимость газосодержания расплаве от времени обработки внутренним вакуумированием с одновременно! обработкой постоянным током (рис. 7). При обработке расплава внутреннш вакуумированием и постоянным током газосодержание в расплаве достипи 0,06...0,07 см3/]ООг при длительности обработки 12...21 мин.

Таким образом, наиболее эффективным методом рафинирования является лектровакуумное рафинирование, позволяющее снизить газосодержание до ,05 см'/ЮОг и повысить механические свойства алюминиевых сплавов.

Четвертая глава посвящена исследованиям возможности получения готовок из отходов деформируемого алюминиевого сплава методом литья в экиль и их последующей штамповкой.

Были исследованы и экспериментально отработаны режимы приготовления гформируемого сплава АК4-1 из отходов кузнечно-штамповочного роизводства. Качество сплава оценивали по газосодержанию, механическим :пытаниям образцов, вакуумным пробам, микро-, макро- и химическому 1ализам образцов (рис. 8).

0.35 т-

0,25 т

! V : ; 1 ! '

! \ 1 .' 1 '

1... - —.. 1

2 >— ......—

10 12 14 Время, Г, мин

16 18 20

Рис. 8. Зависимость гаэосодержамия а расплаве от времени аакуумирования (кривая 1) и элеетровакуумирования (кривая 2)

Размеры и форму литой заготовки, имеющей форму близкую к форме гамповки с размерами, обеспечивающими требуемую степень деформации, ределяли следующим образом. Высоту заготовки находили, исходя из тичины деформации & в направлении оси X деформирования.

Ь, Ь

иг , ' "з з '

К е 2

- высота штамповки; И, - высота литой заготовки.

Состояние литой заготовки принималось плоско-деформированным, т.е. = ~§2 •

фотные размеры заготовки определялись из величины д,.

ь>'\- (2)

е х

Ь„ - ширина штамповки; Ъ, - ширина литой заготовки. Каждому сечению Ьш с координатой 2 соответствует Ъ, с координатой

г

■—. Соединение концов отрезков Ь, с соответствующими координатами даст Л'

фнль 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 с по всем сечениям примерно одинакова и определяется по формуле:

£ = Ьл^Ь*.. )00%, (3)

К

где Ил - высота литой заготовки; - 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 к ликвидации пористости.

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

Для выявления возможности широкого применения в производств! деталей, полученных методом литье-штамповка, проведены повторностатичееки1 испытания образцов, деталей и прочностные испытания деталей на статически-нагрузки до разрушения. Цель испытаний на повторно-статические нагрузки • сравнительное определение усталостного разрушения образцов, изготовленны: штамповкой из литых и прессованных заготовок.

Исследования на малоцикловую усталость проводились на гладки образцах круглого сечения 12 мм, длиной рабочей части 60 мм до лолног разрушения на испытательной машнне «Ь08ЕЫСНАи5ЕЫ» с частота 520 циклов в минут)'. Нагружение осуществлялось по асимметричном знакопостоянному циклу. Для построения кривых усталости по результата: испытаний образцы были разбиты на три серии, с разным для каждой серн среднем напряжением от. В каждой серии три уровня. Количество образцов н одном уровне не менее трех.

Результаты повторно-статических испытаний образцов приведены в табл.

Табл. I.

к ^ ь Серия л V о с. >■ ст.. МП» I Ьиряжскис цикла. МПа Пройденное

я™. а, циклон.

1 г 3 5 6 7 8 9

ШТАМПОВКА - 1 472.3 О.85о,"-401 0.450/"= 213 0.65о/»- 06.9 0.2а/'= 100 25700 24800 28700

2 472.3 0,850.=^ 377.8 0.5а/р* 236 0.65о/р» 06.9 0,15а.ф=75 72800 79100 77900

3 472.3 0,75о.ч= 354 0.55с/"« 260 0.65с/"= 06.9 0.1с/'» 50 227500 238800 202900

- 1 472,3 0,80.^377,8 0,4о."= 188,9 0.6сг/р= 283,3 0.2о/р= 100 35100 26000 21000

2 472,3 0.75а,*'» 354 0.45ст,ср= 212,5 0.6а."' 283,3 0,15о/р»75 45100 48000 51000

3 472.3 0,7о/р= 330 0.5я.'р« 236 0.6с,"" 283,3 0,1с/р= 50 151800 248000 276100

1 472,3 0,8о/р= 377,8 0.3а."' 141,7 0.55о.'р-259,7 0,21а."' 100 11800 11000 106000

2 472,3' 0,7о/р= 330 0.4а.'г= 188,9 0,55о/р= 259,7 0,15а/"= 75 62600 67200 52000

3 472,3 0.65а/р= 283 0.453/*= 212.5 0.55с/р= 259,7 0,1о/»=50 318870 318850 344760

- 1 400 0.85о/р=340 0.4 эс/'" 180 0.650/*= 260 0.2а,^ 80 31800 37320 33500

2 400 О-ва.*« 320 0.5с.ср= 185 0,65а/р= 260 0.15с/р= 60 70500 32440 32200

3 400 0.75а/р= 300 0.55с/р= 220 0.65с/р= 260 0.1 а/р= 40 145600 150000 158300

< О 2 ь 1 - 1 400 0.8а/"= 320 0.4а/г- 160 О.бо.4'» 240 0.2а.'г~ 80 13700 11300 12500

2 400 0.75а/р= 300 0.45с/г= 180 0.60/*= 240 0.15а/р= 60 33900 43000 30400

3 400 0.7о,ср= 280 0.5а/р= 185 0.6а"- 240 0.1п/р= 40 148100 15Г700 155200

Е 1 400 0.8а/р= 320 0.3с/г= 120 0.55а/р» 220 0.2а/г= 80 8200 9000 9100

2 400 0.7ст/р- 280 0.1а/"= lf.it 0.550,"= 22(1 0-15а/р~ 60 43700 40400 45100

3 400 0.65а/1'- 260 0.4 5а/г» 180 О.55о/р= 220 0.1 а/'- 40 153600 15890(1 155100

Для проведения повторно-статических и прочностных испытаний детале! на статические нагрузки до разрушения была изготовлена партия «качалок». Цел; испытаний на повторно-статические нагрузки - определение усталостно] прочности деталей до базового числа циклов. Нагружали «качалку» п< циклограмме. Расчетная нагрузка ± 630кг. Детали, прошедшие испытания выдерживали без разрушения 10000 циклов нагружения.

Испытания деталей на повторно-статические нагрузки показали, чт< детали, изготовленные методом литье-штамповка, удовлетворяю-эксплуатационным требованиям.

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

Результаты испытаний считаются положительными если «качалка» выдержавшая испытания в полном объеме и последовательности, указанной 1 программе, и разрушалась при воздействии нагрузок выше 125% от расчетной Расчетная нагрузка Рр = ± 1060 кг.

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

В пятой главе приведены результаты проведенных исследований, которые выразились в разработке и внедрении технологических процессов:

-газофлюсового рафинирования литейных алюминиевых сплавов при литы в кокиль;

-электровакуумного рафинирования литейных алюминиевых сплавов пр* литье в песчаные формы на установках для электровакуумного рафинированш ВЭР-200;

-литья-штамповки заготовок из отходов деформированного сплавг АК4—1 для деталей «наземного» оборудования;

-РТМ для электровакуумного рафинирования алюминиевых сплавов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В работе проведены исследования процессов рафинирования алюминиевых сплавов и возможности получения заготовок методом литья-штамповки для решения актуальной проблемы современного производства, связанного с дефицитом металла и энергоносителей, созданием новых технологических процессов приготовления сплавов и получения заготовок, обеспечивающих ресурсосбережение при изготовлении продукции.

2. Экспериментально установлено и обосновано, что вакуумирование расплава с одновременной его обработкой постоянным током (электровакуумная обработка) значительно снижает газосодержанне в расплавах (до 0,05 см3/100г) и повышает механические свойства алюминиевых сплавов АЛ9 (АК7,,), АЛ34 (АК8) по сравнению с другими методами рафинирования:

-при рафинировании расплава АЛ34 (АК8) металлом-геттером: i = 0,08...0,1 см3/100 г; а„= 365 МПа; 5 = 6%;

-при рафинировании расплава газофлюсовой смесью: ля АК7Ч.(АЛ9)- G = 0,08...0,12 см'ЛООг; о.= 205 МПа; 5= 5%; ля AK8(AJ134) - G = 0,08...0,12см3/100г; ае=360МПа; 5=7%.

-при внутреннем вакуумировании расплава АЛ34 (АК8): i = 0,15 см3/100 г; ств= 350 МПа; 5 = 5%.

-при обработке расплава внутренним вакуумированием и постоянным пектрическим током: G = 0,06...0,07 см3/100г; о,= 365 МПа; 6 = 7%;

-при вакуумной обработке: G = 0,145...0,165 см3/100г; о„ = 185 МПа; = 4,5%;

-при электровакуумном рафинировании: G = 0,06 см3/100г; ст» = 205МПа; = 6,5%.

3. Установлены оптимальные режимы процесса рафинирования расплава иектровакуумированием: время обработки расплава - 15 мин; плотность тока на иоде - 0,04 А/см2.

4. Разработаны и внедрены технологические процессы электровакуумного афинирования и сопутствующее оборудование-установка ВЭР-200 для его гализации в производство.

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

6. Разработан и внедрен технологический процесс получения заготовок из поминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства методом литья в экиль с их последующей штамповкой:

-разработана и изготовлена установка для плавки отходов собственного роизводства и рафинирования расплава;

-для обеспечения заданных параметров механических свойств штамповок эстаточная минимальная деформация составляет 20%, что позволяет }готавливать штамповки без надрывов и трещин; Средние значение временного шротивления разрыву у штамповок, примерно одинаково и составляет 30 МПа; относительное удлинение у литейно-штампованной заготовки (7,5%) лше по сравнению со штамповкой из прессованной заготовки (6,0%);

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

7. Внедрение разработанного технологического процесса получения :талей методом литье-штамповка из отходов деформируемого алюминиевого 1лава марки AK4-I на Комсомольском - на - Амуре авиационном эоизводственном объединении позволило использовать отходы кузнечно-тамповочного производства для получения деталей наземного оборудования зп увеличении коэффициента использования материала с 0.3 до 0,7.

8. Результаты работы по электровакуумному рафинированию внедрены н: ряде авиационных предприятий, в том числе на КнААПО, где создан участо1 приготовления алюминиевых сплавов, оснащенный разработанными печами Материалы РТМ использованы головным технологическим институтом АООТ НИАТ и рядом предприятий отрасли. Результаты работы используются также i учебном процессе на кафедрах «Машины и технология литейного производства) КнАГТУ и «Литейное производство и технология металлов» ХГТУ.

9. Внедрение на КнААПО технологических процессов рафинировани: алюминиевых сплавов (электровакуумирования и газофлюсовой смесью позволило снизить газосодержание в расплаве в 2 раза, сократить брак отливок п< герметичности на 50%, улучшить надежность и долговечность литых заготовок.

10. Суммарный годовой экономический эффект от внедрени; разработанных технологий составил 8300 тыс. руб. в ценах 1998 г.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Харунжин A.A., Якимов В.И., Моисеев В.П. Электровакуумно! рафинирование алюминиевых сплавов //Литейное производство. 1977. №7. С. 36.

2. Харунжин A.A., Якимов В.И., Матысик В.А. Электровакуумно! рафинирование алюминиевых сплавов //Литейное производство. 1978. №11. С. 13

3. Матысик ' В.А, Якимов В.И., Харунжин A.A. Рафинировани! алюминиевых сплавов внутренним вакуумированием и постоянныл электрическим током //Литейное производство. 1979. №9. С. 33.

4. Харунжин A.A., Якимов В.И., Матысик В.А. Электровакуумно« рафинирование алюминиевых сплавов //Научно-техническая конференция Повышение эффективности производства литых заготовок. Комсомольск - на -Амуре. 1981. С.121-122.

5. Матысик В.А., Паниван В.П., Якимов В.И., Харунжин A.A. Литье штамповка деталей из алюминиевого сплава АК4-1 //Литейное производство 1982. №5. С. 33.

6. Якимов В.И., Шпорт В.И., Муравьев В.И., Калинин А.Т., Якимов А.В Повышение герметичности отливок из алюминиевых сплавов //Литейно! производство. 1999. №12. С.6-7.

7. Якимов В.И., Меркулов В.И., Муравьев В.И., Калинин А.Т., Якимов А.В Исследование совмещенных технологических процессов литье штамповка дл! изготовления деталей из отходов деформируемых алюминиевых сплавов //II Всероссийская научно-практическая конференция. Современные технологии i машиностроении. Пенза. 2000. С. 38-41.

8. Якимов В.И., Муравьев В.И., Калинин А.Т., Якимов A.B. Изготовление отливок из алюминиевых сплавов //XVII научно-техническа) конференция. Пути технического перевооружения и развития производства i современных экономических условий. Комсомольск - на - Амуре. 1998. С. 158 159.

9. Якимов В.И., Муравьев В.И., Якимов A.B., Лончаков С.З Совершенствование методов рафинирования расплава для повышени! герметичности корпусных отливок из алюминиевых сплавов //111 Всероссийски

1учно-практичесжая конференция. Современные технологии в машиностроении. ;нза. 2000. С. 56-57.

10. Харунжин A.A., Якимов В.И., Матысик В.А. Рафинирование юминиевых и магниевых сплавов с применением постоянного электрического >ка//РТМ 1.4.763-80. НИАТ. 1981,. 16с.

11. Матысик В.А., Паниван В.П., Якимов В.И. Литье-штамповка деталей из юминиевого сплава АК4-1 //XXXII Всесоюзная научно-техническая 1нференция литейщиков. Улан-Удэ. 1982. С. 55.

12. Матысик В.А., Якимов В.И. Литье-штамповка деталей из алюминиевого 1лаваАК4-1 //Авиационная промышленность. Приложение №5. 1983. С. 12.

13. Якимов В.И., Матысик В.А. Повышение герметичности кокильных ливок //Сборник научных трудов. Вопросы теории и технологии литейных гацессов. Хабаровский политехнический институт. Комсомольск - на - Амуре. 185. С.66.

14. Косицин В.М., Якимов В.И. Состояние и особенности производства зонных отливок на заводе им. Ю.А. Гагарина //Всесоюзный семинар. :корение научно-технического прогресса в литейном производстве Дальнего зстока. Комсомольск - на - Амуре. 1986 С. 48.

15. Якимов В.И., Муравьев В.И., Якимов A.B. Изготовление деталей из ходов деформируемых алюминиевых сплавов методом литье - штамповка Зестник КнАГТУ. Выпуск 2. Прогрессивные технологии в машиностроении, эорник 1. Часть 2. Комсомольск - на - Амуре. 2000, С.52-56.

16. Харунжин A.A., Якимов В.И., Матысик В.А. Электровакуумное финирование алюминиевых сплавов. ХАБЦНТИ. №118-78. 4с.

17. Матысик В.А., Якимов В.И. Рафинирование алюминиевых сплавов зофлюсовой смесью //Литейное производство. 1983. № 7. С. 35.

18. A.c. №1638192 СССР МКИ С22В 21/06. Способ получения отливок из юминиевых сплавов / Якимов В.И., Калинин А.Т. - №4604721/02. Заявл. [.10.88. Опубл. 30.03.91. Бюл. №12.

19. Патент №2151811 РФ МКИ С22 В 9/10. Устройство для введения зофлюсовой смеси в расплав / Якимов В.И., Калинин А.Т., Якимов A.B. -:98115788 . Заявл. 11.08.98. Опубл. 27.06.2000. Бюл. №18.