автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование закономерностей и разработка технологии бесфлюсового плавления и литься крупногабаритных слитков из алюминиево-литиевых сплавов

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

свило

На правах рукописи

Для служебного пользования

' ■ *.1'' I П 8 Экз. № " и °

уда (621.745+621.74. ОН):669.715' 884

СЕМЕНЧЕЩОВ АВДРЕЙ АНДРЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БЕСФЛЮСОВОГО ПЛАВЛЕНИЯ И ЛИТЬЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛИТКОВ ИЗ АЛШИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04. "Литейное производство"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1991 год

Работа выполнена во Всесоюзном институте легких сплавов

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бондарев Б.И-

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Неуструев А.А. Костюков А.А.

Ведущее предприятие:

Каменск-Уральский металлургический завод

Защита состоится "_23_" октября___1991 г.

в 12 час, на заседании специализированного совета Д.048.01.01 при Всесоюзном ордена Октябрьской революции институте легких сплавов по адресу: 121596, Москва ВШЮ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 20 " сентября__1991 г.

Ученый секретарь специализированного

Т<*А Г>ЛТЛ^ЧП П П

совета, кандидат опал.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^!?2^§2ьность_п£облемы. Уникальный комплекс свойств алюмини-ево-литиевых сплавов делает их наиболее перспективными металлическими материалами для изделий авиакосмической техники. В последние годы в СССР и за рубежом появился целый ряд новых алюми-ниево-литиевых сплавов систем , Л^'Си-Ь« и

Развитие производства полуфабрикатов из этих сплавов сдерживается из-за их очень высокой химической активности в жидком состоянии, обусловленной наличием лития, и низкой технологичности, особенно при литье слитков, требующей оптимизации химического состава и разработки новых технологических процессов. Низкая технологичность также определяет низкие выходы годного и, следовательно высокие цены на данные полуфабрикаты, что в значительной мере сдерживает увеличение объемов потребления.

Способ защиты расплава от окисления покровными фшосами нашел большое применение в отечественной практике - на Каменск-Уральском металлургическом заводе в течение более 20 лет в серийном производстве слитков из алюминиево-литиевых сплавов 1230 и 1420 используется защита расплава флюсами на основе хлоридов

Однако, возрастающие требования по экологии в литейных цехах и к качеству слитка в части более жесткого ограничения

номенклатуры и количества вредных примесей, повышения однородности и стабильности литой структуры, а также задача по обеспечению крупногабаритной литой заготовкой производство полуфабрикатов из алюминиево-литиевых сплавов заставляют искать новые научные и тех нические решения для создания более высокого уровня технологии плавления и литья слитков.

Данная работа посвящена исследованию основных закономерностей приготовления расплава и литья слитков в защитной газовой среде, оптимизации химического состава новых алюминиево-литиевых сплавов с точки зрения литейных свойств и разработке на этой основе технологического процесса производства крупногабаритных слитков алюминиево-литиевых сплавов с ограниченным содержанием примесей и повышенной однородностью структуры.

Ц£ЗЬ_Р§боты. Исследование закономерностей и разработка техно логии бесфлюсового плавления и литья крупногабаритных слитков алюминиево-литиевых сплавов, обеспечивающей достаточную экологич-ность технологического процесса и получения литого материала повышенного качества.

Научная новизна. На основании исследования процессов физико-химического взаимодействия алюминиево-литиевых сплавов с газовыми средами (аргон; фреон-12; и их смеси) определен химический и фазовый состав образующейся оксидной плены, изучена кинетика его изменения. Предложено объяснение механизма защиты от окисления алюминиево-литиевых расплавов добавкой бериллия.

Установлено влияние основных легирующих элементов и примесей на линейную усадку и склонность к образованию трещин сплавов систем Определены

4

концентрационные области преимущественного образования горячих или холодных трещин. Предложено оптимальное содержание модификаторов и примесей в серийных алюминиево-литиевых сплавах.

На основе комплексного теплофизического исследования выполнено прогнозирование режимов литья крупногабаритных слитков алюминиево-литиевых сплавов. Определены особенности режимов охлаждения в различных зонах литейной машины и установлена их взаимосвязь с основными технологическими параметрами процесса литья. Детально проанализированы теплофизические аспекты различных способов снижения уровня напряжений в отливаемом слитке. Предложены оптимальные с точки зрения исключения трещин режимы литья слитков. Впервые показана возможность высокоэффективной дегазации в промышленных условиях алюминиево-литиевого расплава. Исследованы закономерности и разработаны оптимальные режимы рафинирования в печи диспергированной струей аргона высокой чистоты и вакуумирования с перемешиванием газодинамически»насосом сплавов 1450 и 1420, позволяющие получать расплав с газосодержанием после продувки аргоном ВЧ - 0,45...О,7 см^/ЮОг Ме, после

о

вакуумирования - 0,2...О,5 см /100 г Ме.

Практическая, значимость и реализация работы. На основе проведенных исследований и установленных закономерностей решена актуальная задача по разработке и внедрению на ЗЯС опытно-промышленной технологии плавления и литья крупногабаритных слитков алюминиево-литиевых сплавов 1450 и 1420 в инертной среде. Разработанная технология позволила значительно повысить качество и стабильность литого материала, обеспечив тем самым повышение механических свойств и чистоты по неметаллическим включениям деформированных полуфабрикатов ответственного назначения. Ежегодный экономический эффект от внедрения результатов работы

составляет с учетом долевого участия 235 тыс.руб.

Данная технология беефлюсового плавления и литья слитнов алюминиево-литиевых сплавов заложена в проект строительства цеха спецсплавов КУМЗ"а.

Апробация работы. Содержание и результаты работы доложены и сб-суждены на семинарах и конференциях молодых специалистов ВИЛС"а* (г. Москва, 1987, 1988 г.г.) и на научно-технических советах литейного НИО ШЛС'а (1988-1990 г.г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано б статей, 4 тезиса докладов на общесоюзной и международной конференциях, получено 6 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения,

5 глав и выводов. Содержит 156 страниц машинописного текста,

в том числе 15 таблиц и 48 рисунков. Список использованной литера ры включает 67 источников.

ИССЛЕДОВАНИИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АЛЮМИНИЕВО. ЛИТИЕВЫХ РАС1ШАВ0В С ЗАЩИТНОМ ГАЗОВОЙ АТМОСФЕРОЙ

В данном разделе изучалась эффективность защиты расплава при литье слитков (как наиболее сложной технологической операции) различными газами (сплав 1420) и комбинированным способом защиты - протекторной добавкой бериллия и газовой атмосферой (сплавы 1450 и типа 1440).

Выло проведено опробование различных газов и их смесей (аргон; аргон+фреон-12 в соотношении 2:1; аргон+5% ; фреон-12 для защиты расплава в кристаллизаторе при литье слитков алюминиев литиевых сплавов 1420 и 1450.

Химический анализ проб показал, что происходит селективное

взаимодействие компонентов расплава с газовыми средами - наиболее интенсивно окисляются:

- в сплаве 1450: бериллий, литий и алюминий,

- в сплаве 1420: литий и алюминий.

Следует обратить внимание на то, что при взаимодействии с расплавом разных сплавов (1420 и 1450) газовых сред с различным количеством активной составляющей (от 5% до 100%) в порошке со стороны атмосферы содержание лития остается неизменным (7,4 -7,8% мае.).

Предварительным термодинамическим анализом выявлена возможность образования при взаимодействии расплавов 1450 и 1420 с фреоном-12 хлоридов лития и магния, которые при определенном количестве и соотношении с фторидами могли бы образовать жидкую защитную прослойку на поверхности расплава. При фазовом анализе хлоридов лития и магния не обнаружено. Во всех исследованных образцах присутствуют продукты взаимодействия расплава с воздухом - алюминаты лития разных модификаций, карбонат лития, гидрооксиды, что объясняется попаданием некоторого количества воздуха в зону контакта с расплавом из-за недостаточной герметичности кристаллизатора. При наличии в защитной атмосфере активной фторсодержащей составляющей в пленке обязательно присутствует фторид лития

Обобщая результаты химического и фазового анализа, можно сказать, что в рамках поставленного эксперимента изученные газовые среды в равной степени защищают расплав от окисления. Это связано с определяющим влиянием примесей кислорода и влаги, присутствующих в некотором количестве во всех газовых средах. Поэтому основной задачей является их минимально возможное ограничение в защитной атмосфере.

Визуальными наблюдениями за процессом окисления поверхности

7

расшива в кристаллизаторе установлено, что при использовании фреона-12 (или его смеси с аргоном) пленка образуется более прочная. Она периодически ломается и в большей степени нарушает нормальное распределение расплава в лунке, чем рыхлая, менее прочная пленка , образующаяся при применении аргона. В результате при кристаллизации в периферийной зоне слитка образуются глубокие завороты окисной плены.

Исходя из вышеуказанных соображений, а также с точки зрения лучшей экологической обстановки на рабочих местах в качестве защитного газа был выбран аргон высокой чистоты (ВЧ). Применение специальных утепленных крышек для кристаллизаторов позволило свести к минимуму попадание воздуха в зону контакта с расплавом.

На втором этапе исследовали кинетику изменения химического V фазового состава продуктов взаимодействия расплава с примесями в процессе литья слитков сплавов 1450 и типа 1440 в среде аргона.

Общий анализ полученных данных показывает, что окисление сплава 1450 является сложным процессом с точки зрения кинетики выгорания отдельных элементов, который может протекать по-разному в зависимости от влияния ряда неконтролируемых факторов. В частности, идут конкурирующие процессы окисления бериллия и магния - в одних случаях окисляется только магний, в других -практически только бериллий и в третьих - оба эти элемента окисляются совместно (рис. I) со скоростью процесса на уровне сплава типа 1440, в котором содержание магния около 1,5% мае. Следует отметить, что при всех трех вариантах окисления магния и бериллия, характер и кинетика окисления лития остаются практически неизменными. Это еще раз подтвервдает, что протекторное легирование бериллием до 0,1% мае. незначительно влияет на окисление алюминиево-литиевого расплава.

Фазовый анализ полученных данных показывает,

а

§

ж

яЗ ф

к

х ^

сц <0

о о

§

Е-< К Ч

0) к а

о,

ш «

о о

5.0

ко

10

{

/

; '-х-,:—'с 5 АО Ра 30

к к «ч ч к о, 0)

V®

к X

о. 0) СГ

о о

22 я №

время, мин.

90

1 - 1

.— Г

—

'тХЛ —; <

й 40 20 30

время, мин.

90

10

В 6 и 2.

¿Г

—X

2 ¿0 ВО 50

90

время, мин.

Рис.1 Изменение химического состава окисных плен, образующихся при литье слитков сплава 1450 в среде аргона. Плавка 1-17.

Í- металлическая пленка - порошок Ш - содержание элемента в слитке

что с увеличением времени выдержки наблюдается следующее. Первоначально на поверхности расплава образуются Ы^СО^ (в результате вторичной реакции оксида лития с углекислым газом) и м8о . К этим соединениям постепенно добавляются сложные окислы типа ВвА12Од и Ма£12Од , сменяемые на последующих этапах выдержки (10-20 мин) соединением Наличие этих окислов на поверхности расплава практически не препятствует образованию на ней сложного окисла - алюмината лития - К* - МА102 , который появляется на самых ранних стадиях окисления и является основной составляющей в исследованной плене. На поздних этапах образуются и другие модификации алюмината лития - 8 - ЫА102 , ЫА.Ю2 . С увеличением толщины пленки количество алюминия в ней уменьшается, в то же время практически не меняется содержание окисла ^ - ЫАЮ2 , поверхностный слой при этом обогащается карбонатом лития (Ы2соз Это дает возможность утверждать, что образовавшаяся плена из окислов ВеА1204 , МвА.1204 , ВеМеА1408 и £- иаю2 в определенной мере защищает расплав, препятствуя диффузии алюминия в зону контакта с атмосферой, но мало влияет на проникновение сквозь нее лития. Последний, взаимодействуя с СО2, образует белую поверхностную плену из Ы2СО^ .

Обобщая полученные результаты, можно сделать заключение, что несмотря на легирование алюминиево-литиевых сплавов протекторной добавкой бериллия в количестве до 0,1% мае., происходит достаточно активное взаимодействие расплава с защитной атмосферой в случае попадания в нее кислорода и паров воды. Можно предположить, что механизм защиты от окисления расплавов А1-Си-Ы и Al.-Cu-I.i-Mgдобавкой бериллия состоит не столько в образовании более плотной пленки ( ВеАЗ^О^ , ВеМ£А14°8 ), сколько в аддитивном "понижении" поверхностной активности лития за счет высокой 10

поверхностной активности самого бериллия. Это несколько уменьшает термодинамический стимул и замедляет кинетику процесса окисления лития. В качестве защитной атмосферы при приготовлении расплава и литье алюминиево-литиевых сплавов необходимо использовать аргон высокой чистоты с минимально возможным количеством кислорода и влаги.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ И ПРИМЕСЕЙ НА ЛИТЕЙНЫЕ

СВОЙСТВА АЛШИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

При изучении линейной усадки установлено, что сплавы системы алюминий-магний-литий имеют более низкую величину линейной усадки, чем сплавы системы алюминий-медь-литий. Это связано в первую очередь с тем, что сплавы первой системы склонны к объемной кристаллизации, в результате чего температура начала линейной усадки близка к неравновесному солидусу, более того температура неравновесного солидуса у них значительно ниже, чем у сплавов системы алюминий-медь-литий.

Легирование сплавов этих систем соответственно магнием и медью приводит к снижению величины линейной усадки. Аналогичным образом влияет литий в системе алюминий-магний-литий. В системе алюминий-медь-литий (рис.2 )введение лития до 2-3% приводит к снижению величины линейной усадки, дальнейшее увеличение его содержания приводит к заметному росту изучаемого показателя. Таким образом, несмотря на заметное снижение температуры начала линейной усадки при добавлении более Ъ% лития в сплав с медью уменьшения величины линейной усадки не наблюдается, вероятно, из-за увеличения коэффициента термического сжатия с ростом легирования сплава литием.

В результате исследований установлено, что сопротивляемость

образованию горячих трещин сплавов систем

го

. 5,4%Со.

I 3

Содержание лития

1-0.05СЫ

2-1,7$Ьт

3-2,8%Ь!

4-415%Ь |_____

1,8 3,6 5,4

Содержание медиД

640

А! + 3%Сц + 0,15&Вв

Содержание литияД

Рио2 Линейная усадка сплавов системы алюминий-медь-литий

в целом, повышается с увеличением степени легирования, особенно у сплавов систем ЛИя-Си . Это связано с сужением эффективного интервала кристаллизации, уменьшением величины линейной усадки и, очевидно, с повышением деформационной способности сплавов в интервале хрупкости, оценка которой в данной работе не проводилась. Тем не менее, сплавы близкие по составу к промышленным сплавам (1450 , 1420 и др.) имеют достаточно высокую горячеломкость

Модифицирование сплавов системы алюминий-медь-литий и алюминий-магний-литий цирконием и цирконием совместно со скандием приводит к значительному снижению горячеломкости сплавов. Увеличение содержания лития, особенно в сплавах системы алюминий-медь-литий, заметно повышает эффект модифицирования цирконием и цирконием совместно со скандием. Модифицирование титаном сплавов системы алюминий-магний-литий не влияет на их склонность к образованию горячих трещин. В сплавах системы алюминий-медь-литий только при повышенном содержанием меди (до 3,6%) эффект модифицирования титаном проявляется в достаточной степени.

Введение в сплавы обеих систем модифицирующих добавок приводит к некоторому понижению величины линейной усадки. Примеси оказывают различное (по характеру и по силе воздействия) влияние на склонность сплавов к образованию горячих трещин.

Необходимо отметить, что если в системе АИ-М^-Ь! хорошо модифицированные цирконием и цирконием совместно со скандием сплавы практически не чувствительны к наличию примесей кремния, железа, кальция и др., то модифицированные сгшавы системы Ае-Слд-Ь; значительно снижают трещиноустойчивость при суммарном количестве примесей железа и кремния более 0,15% в соотношении менее 1,5 : I (рис. 3).

Необходимо отметить положительное влияние примеси кальция в исследованном диапазоне (0,05-0,2 %) на склонность сплавов к

13

образованию горячих трещин, при этом его эффективность возрастг ет с увеличением в сплаве количества циркония. Вероятно, в данной случав проявляется модифицирующая способность частиц типа

ЛцСа .

Магний в системе алюминий-медь-литий приводит к снижению сопротивляемости сплавов образованию трещин. В сплавах с высок! содержанием лития (более 2%) магний вызывает не только увеличение горячеломкости, но и повышает склонность сплавов к образовг нию холодных трещин. Вообще, сплавы системы (^.-Си-Ь-Мд, близки« по составу к промышленному сплаву 1440, обладают низкой трещи» устойчивостью по сравнению со сплавами типа 1420 и типа 1450 даже при значительном количестве модифицирующей добавки циркония (до 0,15%).

К1 -3,0%Сц -2,0%Ь'. -0,2$ 2 с

§12

£

к

ЕГ

8.

£-|

Св

Ж К

0,2 0,4 0,6 а)Содержание магния,%

2 °12

р.

а> о,

в*

ей ' ё 4

№ -З,б%0(-2,0%1.;

ОД 0,2 0,3 г)Содержание рё+Э?(1:1)

Рис. 3 Влияние примесей магния, железа и кремния на склон ность к образованию трещин сплавов системы алюыиний-медь-литий

ТШЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ОХЛАВДЕНШ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛИТКОВ АЛШИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

Наряду с оптимизацией химического состава сплава по основным компонентам и примесям, другим эффективным способом устранения брака слитка по трещинам является снижение уровня напряжений, возникающих в нем при кристаллизации и дальнейшем охлаждении. Теплофизическое исследование проводили на сплаве 1440 системы Al-Cu-Li-Mg , который, как показано выше, является наименее трещиноусгойчивым. На основании экспериментальных данных определили коэффициенты теплоотдачи вдоль охлаждаемой поверхности слитка - в кристаллизаторе и в зоне вторичного охлаждения. Полученные данные использовали для прогнозирования режимов литья слитков i 600 мм. Проанализировано влияние высоты кристаллизатора на глубину лунки и распределение локальной скорости кристаллизации по сечению слитка (при постоянной скорости литья 16 мм/мин варьировали высоту кристаллизатора от 50 до 500 мм). Глубина лунки линейно зависит от высоты кристаллизатора. При высоте кристаллизатора 500 мм процесс затвердевания полностью заканчивается в пределах кристаллизатора (рис. 4 ), при уменьшении высоты дно лунки, а затем и большая ее часть оказываются в зоне вторичного охлаждения. Это приводит к существенному изменению локальной скорости кристаллизации, которая определяет размер дендритной ячейки. Для дальнейшего анализа влияния параметров технологии ввели понятие о рациональном режиме литья с точки зрения исключения трещин. Режим, при котором скорости охлаждения поверхности и центральных слоев на уровне дна лунки равны, назвали рациональным. Результаты расчетов рациональной скорости литья для данной высоты кристаллизатора и получающаяся при этом

Ib

конфигурация лунки приведены на рис. 5

'-II

Как видно, рациона:

"071 0,2 0,3 Радиус слитка, м

0,1 0,2 0,3 Радиус слитка, м

Рис. 4 Изменение конфигурации лунки и скорости кристалли ции для различных высот кристаллизатора

ная скорость литья резко увеличивается в области низких крист лизаторов (приблизительно до Н^ = 0,2 м), а затем изменяется незначительно. Такой характер изменения скорости литья говорит

<в к о к X а> Д

Е* О

№ К X

к

о

О о об а*

ОД

0,2 0,3

0,4

0,5

Щ

А

0 Е-> а] со К

1

н о к

£

0

0,1 0,2 0,3

Рис. 5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 Высота кристаллизат

Зависимость изменения глубины лунки и рационально скорости литья от высоты кристаллизатора

о том, что при литье в низкие кристаллизаторы незначительные колебания уровня расплава могут привести к нарушению рациональности режима и образованию трещин; при литье в высокие кристаллизаторы эта опасность значительно уменьшается.

В работе моделировали как частичное, так и полное устранение охлаждающей воды со слигка.

Глубина лунки в случае вторичного охлаждения воздухом увеличивается по сравнению со струйным охлавдением в 2 раза. Скорость кристаллизации в этом режиме значительно уменьшается по всему сечению слитка. Таким образом, применение воздушного охлаждения нецелесообразно с точки зрения структуры слитка, носно позволяет уменьшить температурный градиент по сечению слитка и повысить среднемассовую температуру его на выходе из зоны вторичного охлаждения и тем самым провести частичный отжиг непосредственно в процессе литья.

Определили длину зоны вторичного охлавдения при которой глубина лунки оставалась такой же, как при обычном вторичном охлаждении, при максимальной среднемассовой температуре на выходе. Установлено, что зависимость глубины лунки от длины зоны вторичного охлаждения (ЗВО) носит нелинейный ха-

рактер. Начиная с Ь ЗВО ~ 0,2 м снятие воды со слитка практически не приводит к росту лунки, уменьшение же длины зоны вторичного охлаждения дает заметное увеличение среднемассвой температуры слитка (до 250 - 260°С).

Проанализирована ситуация при литье слитков в "сухой" приямок, при которой также несколько возрастает среднемассовая температура и уменьшается температурный градиент по сечению слитка.

Таким образом, предложено несколько способов снижения уровня термических напряжений, возникающих в слитке при полунепрерывном литье,один из которых внедрен при разработке технологии.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСПЛАВА И ЛИТЬЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛИШОВ. АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕШХ СПЛАВОВ 1420 И 1450 В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ

Разработку технологии осуществляли на промышленном шш но-литейном агрегате вместимостью б т ПЛАВ-6 в составе: инд; ционная тигельная печь - вакуумный миксер. Агрегат оборудов; системой газоочистки, позволяющей применять во всех техноло! ких точках аргон высокой чистоты (ВЧ), содержание влаги, ки< да и водорода в котором не более 10 ррт. каждого. С целью по] ния эффективности вакуумирования в миксере установлен газод] ческий насос (ГДН).

Все операции - плавление, подпшхтовка, рафинирование, J слитков - велись в среде аргона ВЧ. Были опробованы два вар! та приготовления расплава - с использованием лигатур алюмин] цирконий и алюминий-титан и с введением данных элементов в ' том виде. Второй способ позволил получать гомогенный распла] данного химического состава с высокой точностью, исключить I шихтовки и, следовательно, сократить продолжительность проц< приготовления и потери лития. Литий вводили в последнюю оче] после получения заданного химического состава по остальным 1 понентам. В случае сплава 1450, для наилучшего использование риллия в качестве протекторной добавки его вводили на "чист; поверхность расплава непосредственно перед присадкой лития 1 личестве 0,15% в 1,5 раза превышающем верхний предел марки < Для обеспечения требуемого газосодержания в сплавах ра: тывали режимы двухстадийной дегазации.

Рафинирование расплава в печи ИАТ-6 осуществляли диспе] рованной струей аргона ВЧ.

Во время обработки расплава не прекращалась подача арг<

в пространство печи, обеспечивая инертную атмосферу на границе: поверхность расплава - атмосфера печи.

В процессе проведения экспериментов исследовали влияние следующих параметров:

- температура расплава во время обработки;

- продолжительность процесса;

- давление рафинирующего газа;

- содержание лития в сплаве (в интервале 1,8...2,8% (мае.)-превышающим марки сплавов);

- наличие (отсутствие) перемешивания расплава электромагнитным полем печи.

Оптимизацию процесса проводили по двум критериям:

- минимальное газосодержание;

- минимальные потери лития.

Было установлено, что температура расплава во время рафинирования в исследуемом интервале 735...840°С не оказывает заметного влияния ни на кинетику процесса, ни на уровень водорода в сплаве. Вероятно, увеличение растворимости водорода в расплаве с повышением температуры компенсируется смещением влево реакции образования гидрида. На рис. 6 представлена зависимость газосодержания сплавов 1420 и 1450 от продолжительности продувки диспергированной струей аргона ВЧ.

Введение лития в расплав приводит к резкому увеличению его

о

газосодержания до 2.2...3 см /100 г Ме, так как в металлическом

о

литии содержится от 700 до 1500 см /100 г Ме водорода.

Рафинирование расплава в индукционной печи аргоном ВЧ обеспечивает активное газоудаление, особенно в первые 20 мин. Увеличение продолжительности продувки до 30 мин приводит к снижению содержа-

о

ния водорода до 0,45...О,7 см /100 г Ме (без перемешивания расплава) и до 0,9...1,2 см^/ЮО г Ме (с перемешиванием на 8-ой ступени

19

мощности), что, соответственно, в 3,5...6,5 и в 2...3,5 раза ниже зафиксированного после введения лития. Менее эффективная дегазация при наличии перемешивания, вероятно, связана с заме ванием в объем жидкой ванны поверхностного слоя расплава, обе щенного водородом, а также неметаллических включений, образук комплексы с пузырьками водорода.

Необходимо отметить, что содержание лития в сплаве не с! зывается на результатах рафинирования и высокоэффективное уда ние водорода наблюдается и в сплаве с очень высоким содержат лития - 2,8$ мае. (рис.6 б).

Рафинированный расплав с низким газосодержанием обладав1] вишенной склонностью к повторному наводороживанию. Подшихтов! в 5-ти тонную плавку 8 кг (0,16$ масс) металлического лития г водит к увеличению газонасыщенности расплава более, чем в две

о

раза (с 0,6 до 1,4 см /100 г Ме), поэтому подшихтовка после { финирования любого количества лития требует повторной продув? расплава аргоном.

Для обеспечения дальнейшего газоудаления разрабатывали I жимы вакуумирования расплава.Основываясь на данных лабораторь опытов, вакуумирование осуществляли при остаточном давлении I мм рт.ст. с перемешиванием расплава ГДН. Анализ полученных да показал, что изменение частоты импульсов ГДН в интервале 5... мин"^ практически не оказывает влияние на процесс вакуумирова расплава. На рис. 7 представлено изменение газосодержания сг 1450 в процессе его вакуумирования и выстаивания в среде аргс Вакуумирование расплава в течение 30 мин приводит к снижению

о

насыщенности в 1,5...3 раза до уровня 0,3...0,5 см /100 г Ме.

о

Дальнейшее уменьшение газосодержания до 0,2...0,5 см /1С наблюдается при вакуумировании в течение 1,5 ч, более длител! выдержки (до 2,5 ч) не позволяют получить расплав с содержат 20

Содержание водорода, см /100 г Ме 5,0 .

Операция

до введения лития после продолжительность введения рафинирования, мин лития

Рис. 6 . Изменение газосодержания сплавов 1450 и 1420 при их приготовлении и рафинировании аргоном ВЧ:

а) с перемешиванием расплава включением индуктора печи

б) без перемешивания расплава

о

Содержание водорода, см /100 г Ме

1,0 -

0,5 -

! I

1 Операция

1

I 1 1. 1

после перели- 1,0 1,5 2,0 2,5 ва из печи в время вакуумир.ч миксер

2 14 22

время выстаивания в среде аргона ВЧ, ч

Рис. 7 • Изменение газосодержания сплавов 1420 и 1460 в процессе вакуумирования и дальнейшего выстаивания

о

водорода менее 0,2 см /100 г Ме, которое, вероятно, являете: равновесным для данных условий вакуумной обработки.

В ходе проведения экспериментов не обнаружено влияния ' ратуры расплава в изменяемом интервале 715...760°С на кинет! вакуумирования и конечное содержание водорода в сплаве. Нео! димо отметить, что дегазация в промышленных условиях распла! систем алюминий-магний-литий и алюминий-медь-литий протекав' практически идентично и с точки зрения кинетики процесса, и остаточному уровню газосодержания в сплавах. Можно предполо! что более высокая склонность к газонасыщению сплавов систем! алюминий-магний-литий "компенсируется" легче протекаемой де: зацией за счет образования более рыхлой окисной пленки на п< верхности расплава.

Выстаивание расплава после вакуумирования в среде арго] ВЧ не приводит к изменению его газосодержания.

Отливка слитков сплавов 1450 и 1420 из расплава с газо!

о

держанием 0,2...0,5 см /100 г Ме позволяет стабильно получа' литой материал с требуемым содержанием водорода - не более 0,4 см3/Ю0 г Ме.

Для снижения уровня термических напряжений литье слигю осуществляли в "сухой" приямок. Уровень расплава в кристалл! поддерживался автоматически с помощью регулятора поплавково: типа прямого действия.

Применение "теплого" поддона конструкции ВИЛС позволил! производить отливку слитков диаметром (312...720) мм без по, лива алюминия в донную часть. На основании расчетного анали; и экспериментальных данных были определены оптимальные пара! ры литья слитков сплавов 1450 и 1420. 22

Установлено, что зональная ликвация лития, циркония в сплаве 1450 отсутствует на слитках всех размеров, в некоторых случаях шеет место зональная ликвация по меди, железу и титану. В сплаве :420 имеются случаи незначительной зональной ликвации по магнию зложного характера. Содержание в сплавах 1420 и 1450 кальция и зария не превышает 0,005%, калия - 0,0005%, натрия находится в пределах 0,ОООЬ...0,0016%. Содержание примесей натрия и калия по техно-югическим переделам в сплавах 1450 и 1420 несколько уменьшается, з основном после вакуумирования.

В работе проведен для сплава 1420 сравнительный анализ меха-шческих свойств слитков и деформированных полуфабрикатов (прут-сов и штамповок), а также чистоты по неметаллическим включениям яеталла, изготовленного по двум технологиям - серийной флюсовой !КУМЗ) и разработанной в данной работе - бесфлюсовой.

Данный анализ показывает значительное превосходство по чисто-'е сплава 1420, получаемого по бесфлюсовой технологии, при шсколько более высоких значениях предела прочности и относитель-гого удлинения в высотном направлении на полуфабрикатах.

ВЫВОДЫ

I. На основании аналитических исследований влияния химичес-гого состава и процессов физико-химического взаимодействия жид-гих алюминиево-литиевых сплавов с газовыми средами определены 1акономерности окисления и защиты расплава. Установлено, что 1бразующаяся на поверхности расплава плена из окислов

препятствует диффузии 1ЛЮМИНИЯ в зону контакта с атмосферой, но мало влияет на проник-ювение сквозь нее лития.

Предложен механизм защиты от окисления жидких алюминиево-ли-■иевых сплавов протекторной добавкой бериллия, который заключа-

ется в аддитивном "понижении" поверхностной активности лития за счет высокой поверхностной активности бериллия и образовании более плотной пленки из сложных окислов

2. Установлены закономерности влияния легирования сплавов систем

на трещиноустойчивость. При повыш нии степени легирования проявляются две тенденции: понижается горячеломкость, но возрастает склонность к образованию холодных трещин, при этом определяющее значение принадлежит содержанию лития. Увеличение содержания легирующих в сплавах приводит к сн жению температуры начала и величины линейной усадки. Величина л нейной усадки сплава 1450 системы А1-Си-Ь-1 на 25% больше, чем у сплава 1420 системы

я-щ-ы .

3. Анализ эффективности модифицирования сплавов систем

и /)С-™У-Ь» показывает, что наилучший результат достигается при введении циркония и совместно циркония со скандием, при этом сильно измельчается зерно и повышается трещиноустойчивость, особенно, при увеличении содержания легирующих; одновременно, несколько понижается величина линейной усадки. Мо дифицирование титаном в количестве до 0,2% и титаном совместно цирконием не оказывает положительного влияния на горячеломкость несмотря на значительное измельчение зерна.

Примесь кальция в исследованном диапазоне концентраций (0,01...0,2$) положительно влияет на трещиноустойчивость сплаво В сплавах системы А[-Си-Ь) увеличение количества магния и суммарного содержания примесей железа и кремния в соотношении 1:1 в значительной мере понижает горячеломкость даже хорошо модифис рованных сплавов. При высоких содержаниях (более 2,0%) лития магний также повышает склонность сплавов к образованию холодных трещин. В ряду промышленных сплавов трех систем: 1450, 1420 и 1440, последний обладает наименьшей трещиноустойчивостью. 24

4. На основе комплексного аналитического исследования выпол-¡но прогнозирование режимов литья крупногабаритных слитков алю-шиево-литиевых сплавов. Определены особенности режимов охлажде-ш в различных зонах литейной машины и установлена их взаимосвязь основными технологическими параметрами процесса литья.

Установлена взаимосвязь изменения глубины лунки, рациональной :оросги литья и скорости кристаллизации по сечению слитка от .бочей высоты кристаллизатора.

5. Проанализировано влияние протяженности зоны вторичного во-ного охлаждения, воздушного и водовоздушного охлаждения на глу-ну лунки, локальную скорость кристаллизации и среднемассовую мпературу слитка. Полная замена струйного охлаждения воздушным дет к двухкратному увеличению глубины лунки. При струйном и водо-здушном охлаждении определены минимальные зоны, при которых не ©исходит увеличение глубины лунки, но возрастает среднемассовая мпература слитка (в случае струйного охлаждения до 250...260°С). оанализирована ситуация при литье слитков в "сухой" приямок, при торой также несколько возрастает среднемассовая температура и еньшается температурный градиент по сечению слитка. Последний особ снижения уровня термических напряжений в слитке внедрен

и разработке технологии.

6. Впервые показана возможность высокоэффективной дегазации промышленных условиях алюминиево-лигиевого расплава. Исследо-

ны закономерности и разработаны оптимальные режимы рафинирования печи диспергированной струей аргона ВЧ и вакуумирования с переливанием газодинамическим насосом сплавов 1420 и 1450, позволя-ие получить расплав с гаэосодержанием после продувки аргоном ВЧ -45...0,7 см^/ХОО г Ме, после вакуумирования - 0,2...0,5 см^/ЮО г Ме.

7. Разработана опытно-промышленная технология плавления и

литья слитков диаметром (312...720) мм из алюминиево-литиевых

сплавов 1420 и 1450 в инертной атмосфере.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Макаров Г.С., Елкин Ф.М., Захаревич Н.И., Семенченков A.A. Состояние и развитие производства алюминиево-литиевых спла! (Обзор зарубежной литературы за 1975-1985 г.г.)// Сб.Вопрос авиационной науки и техники, Сер.TJIU.-1986.-Вып.4.-с.76-89.

2. Семенченков A.A. Производство слитков из новых алюминиево-литиевых сплавов 01430,01440,01450,01451 и 01460// Техноло1 ческая рекомендация TP 453-1-88.-M.:0НТИ ВИПС.-1988.-12 с.

3. Инкин C.B., Панкратов Д.М., Напалков В.И., Семенченков A.A. Линейная усадка алюминиевых сплавов//Литейное производство. 1989.-№3.- с.7.

4. Семенченков A.A., Напалков В.И., Гимпельсон З.К., Ванькина Смирнов Л.В. Дегазация алюминиево-литиевых сплавов//0б.Воп] авиационной технологии, Сер.ТЛС.-1990.-Вып.3.- с.23.

5. Семенченков A.A., Коробов О.С., Банная H.A., Федосов A.C., Камянецкая Т.А., Солнцев А.Ю. Исследование взаимодействия ! миниево-литиевых расплавов с газовыми средами//Сб.Вопросы ! шюнной науки и техники. Сер.ГЛС.-1991.-Вып.I.-c.21-23.

6. Сальников В.И., Лебедев В.А., Леонов A.A., Семенченков А.А, Электродные процессы при низкотемпературном электролитичес! извлечении лития из алюминиевых сплавов//Сб.Вопросы авиада! ной науки и техники.Сер.ТЛС.-1991.-Вып.I.-с.24-26.

7. Вайнблат D.M., Капуткин Е.Я., Семенченков A.A., Климович Л Высокотемпературная гомогенизация алюминиево-литиевых спла: Всесоюз.конф.Металловедение слпавов алюминия с литием:Тез -I991.-с.5.

. Курдюмов A.B., Инкин C.B., Пивоваров А.H., Семенченков A.A. Флюсы для плавки алюминиево-литиевых сплавов//Всесоюзн.конф.: Металловедение сплавов алюминия с литием: Тез.докл.-M.:—1991.— С.79.

. Можаровский С.М., Комаров С.Б., Ковалев В.Г., Семенченков A.A., Рылов В.А. Образование структурных неоднородностей типа"ликват" и "треф" в сплаве 1420 и пути их устранения//Всесоюз.конф.: Металловедение сплавов алюминия с литиеы:Теа.докл.-М.:-1991-С.84-85.

. Семенченков A.A., Федосов A.C., Давыдов В.Г. Дегазация алюминиево литиевых сплавов// У1 Международная конференция по алюминиево-литиевым сплавам:Тез.докл.-Гармиш-Партенкирхен (ФРГ):-1991.-С. 58-61.

I—16. Авторские свидетельства СССР на изобретения: №№ I531509, 1545642, 1580826, 1586245, 1625026, I60I878.

.h«- Z9

27