автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Повышение эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов функционального и конструкционного назначений на основе управления структурой и свойствами шихтовых металлов

На правах рукописи

НИКИТИН Константин Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО И КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ШИХТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

12 ДЕК 2013

005543195

Красноярск - 2013

005543195

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (г. Самара)

Официальные оппоненты:

Бабкин Владимир Григорьевич, доктор технических наук, профессор; ФГАОУ ВП( «Сибирский федеральный университет», кафедра «Материаловедение и технология об работки материалов», профессор

Замятин Виктор Михайлович, доктор технических наук, профессор; ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», кафедра «Физика», профессор

Батышев Константин Александрович, доктор технических наук, доцент; ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», кафедра «Машины и технология литейного производства им. Аксенова», профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет техники и технологий)

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.10 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу 620025, г. Красноярск, пр. им. газеты «Красноярский рабочий», 95.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета

Гильманшина Татьяна Ренатовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изделия из алюминия и его сплавов находят широкое применение в транспортном машиностроении (до 40%), строительстве (до 20%), энергетике (до 10%), упаковке (до 18%). В связи с их высокой ценой актуальными становятся задачи по рациональному использованию рециклируемых металлов и сплавов на основе алюминия. При этом неизбежно возникают научно-технические проблемы по обеспечению современного уровня качества и надежности литых изделий, полученных из вторичных алюминиевых сплавов.

В связи с этим разработка научно-обоснованных технических и технологических решений для повышения эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов различного назначения является актуальным научно-техническим направлением. Существующие проблемы могут быть успешно решены только за счет комплексного управления структурой и свойствами сплавов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях. Реализация такого подхода на практике может быть успешно осуществлена при получении ряда шихтовых металлов специальными способами, обеспечивающими формирование микрокристаллических легирующих и модифицирующих лигатур, чушковых сплавов с дисперсной кристаллической структурой. Положительная структурная информация от шихтовых металлов при определенных условиях может устойчиво транслироваться в литые изделия, обеспечивая гарантированный запас технологических и механических свойств. Актуальность выбранного направления подтверждается и тем, что работа соответствует таким положениям Технологической платформы «Материалы и технологии металлургии», как «Проведение комплекса работ по разработке стратегии устойчивого и ресурсно-возобновляемого развития металлургической отрасли, включающего технологии повышения качества металлов и сплавов за счет легирования, модифицирования; создание новых экономичных и эффективных лигатур и способов их использования для повышения качества металлопродукции».

Работа выполнена в рамках реализации исследований по заданию Минобрнауки России (2003-2012 г.г.); контракта № П181 на 2010-2011 г.г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» («Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению - Металлургические технологии»); программы сотрудничества ОАО «АВТОВАЗ» с базовыми ВУЗами России «Разработка комплексной внепечной обработки расплавов и модернизация технологии получения автомобильных отливок из алюминиевых сплавов на 2012-2016 г.г.»; Межотраслевой программы по освоению новых видов и улучшению качества металлопродукции для автомобилестроения на период 2010-2015 г.г.; контракта № 14.513.11.0042 на 2013 г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 г.г.».

Целью работы является исследование и разработка научно-обоснованного комплекса технических и технологических решений и промышленное внедрение технологий, направленных на повышение эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов функционального и конструкционного назначений на основе управления структурой и свойствами шихтовых металлов.

К функциональным сплавам отнесены:

- легирующие и модифицирующие лигатуры систем Al-Si, Al-Cu, Al-Fe, Al-Ni, Al-Ti, Al-Sr;

- припои систем Al-Si, Al-Cu-Si;

К конструкционным сплавам отнесены литейные сплавы I и II групп (ГОСТ 158393):

- Al-Si-Mg (АК7ч, АК9ч);

- Al-Si-Cu (АК6М2, АК8МЗч, АК12М2).

- сплав системы Al-Si-Cu-Ni (АК10М2Н, ГОСТ 30620-98).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Усовершенствовать экспресс-методы для определения свойств сплавов на основе алюминия в твердом и жидком состояниях.

2. Усовершенствовать методику расчета для прогнозирования плотностей и пределов прочности алюминиевых сплавов в литом состоянии в зависимости от их химического состава.

3. Уточнить механизмы длительного сохранения унаследованной структурной информации в жидком состоянии в зависимости от структуры шихтовых металлов и сплавов.

4. Исследовать комплексное влияние физических способов воздействия на структуру и свойства сплавов функционального и конструкционного назначений.

5. Разработать ресурсосберегающие технологии получения микрокристаллических лигатур, модификаторов и сплавов с максимальным использованием рецик-лируемых металлических отходов.

6. Выполнить промышленную апробацию и внедрение разработанных технологий.

Научная новизна.

1. Определена устойчивая взаимосвязь структуры шихты с плотностью расплавов систем Al-Si, Al-Cu и Al-Si-Cu-Ti в широком диапазоне температур. Получены новые научные данные об особенностях строения расплавов указанных систем в зависимости от их предыстории.

2. Впервые доказано, что перегревы расплавов вплоть до 1350°С не устраняют их микрогетерогенность, унаследованную от структуры исходной шихты. На основании вискозиметрических исследований жидких заэвтектических сплавов системы Al-Si расширены представления о температурных границах сохранения унаследованной структурной микронеоднородности. Сделано обоснованное предположение о существовании в заэвтектических расплавах дисперсных частиц кремния с ковалентным типом связи (Si-Si)K, с металлическим типом связи (Si-Si)M и дисперсных фаз переменных составов AlxSiy.

3. Впервые получена количественная зависимость, характеризующая особенности структурного состояния заэвтектических расплавов системы Al-Si в зависимости от их предыстории с позиции модели микрогетерогенного строения.

4. Применительно к системе Al-Si впервые выполнены расчеты с использованием известных закономерностей теории упругости, показавшие возможность

твердофазного диспергирования шихтового кремния в расплаве алюминия при низких температурах (менее 750°С).

5. Впервые научно обоснована эффективность обработки расплавов физическими воздействиями, основанными на использовании импульсных электромагнитных полей. Предложена математическая зависимость, объясняющая данную целесообразность.

6. Теоретически обоснована целесообразность сокращения времени выдержки при термообработке отливок из силуминов в зависимости от степени измельчения структурных составляющих сплава после модифицирования микрокристаллическими модификаторами.

Практическая значимость.

1. Разработана методика расчета для прогнозирования плотности и предела прочности алюминиевых литейных сплавов по их химическим составам в литом состоянии при литье в кокиль. На основании данной методики предложены критериальные коэффициенты для плотности К3 и прочности К|, позволяющие оценивать эффективность оказываемых на сплавы воздействий.

2. Совместно с компанией «СИАМС» (г. Екатеринбург) разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс «Темплет 87. АЛС» для автоматизированного определения балла пористости в чушковых алюминиевых сплавах, состоящий из двух модулей: 1 - Определение балла пористости по ГОСТ1583-93; 2 — Расширенный анализ пористости по всей площади темплета.

3. Впервые выполнено исследование эффективности основных солевых препаратов ведущих производителей (Россия, Германия, Италия) для рафинирующей и модифицирующей обработки расплавов силуминов автомобильного назначения. Определены параметры, позволяющие выбирать вид солевого препарата с учетом структуры шихтовых металлов и природы силуминов.

4. Опробованы и реализованы новые специальные способы воздействия на лигатурные сплавы — жидкофазная обработка электромагнитными акустическими полями (ЭМАП), твердофазное воздействие концентрированными потоками энергии (плазменная обработка).

5. Разработанные научно-технические и технологические решения систематизированы и реализованы в комплексные технологии получения микрокристаллических лигатур и модификаторов специальными способами с использованием до 100% рециклируемых металлических отходов.

6. Разработан регламент технологического аудита в производстве алюминиевого литья. Выполнен анализ действующих технологий получения чушковых сплавов на предприятиях вторичной металлургии и кокильных отливок в литейных цехах предприятий машиностроительной и аэрокосмической отраслей.

7. Совместно с Самарским аэрокосмическим университетом (СГАУ) изготовлена действующая установка для обработки расплавов в тиглях раздаточных печей по осевой схеме воздействия импульсными магнитными полями (магнитно-импульсная обработка - МИО).

8. В промышленных условиях реализованы технические и технологические решения, способствующие повышению эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов на пяти предприятиях России.

9. Разработана технология и организовано малотоннажное производство микрокристаллического припоя А34 (Al-28%Cu-6%Si) в виде литых прутков. Реализация результатов работы в промышленности. На предприятиях ФГУП

«Вольский механический завод» (г. Вольск), ОАО ДО «МЗ-Ижмаш» (г. Ижевск), ОАО «Тула-Электропривод» (г. Тула), ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» (г. Воскресенск, Московская обл.), ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) выполнены технологические аудиты литейных производств, способствовавшие повышению эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов. Внедрены технологии подготовки расплавов к литью при получении корпусных кокильных отливок ответственного назначения из сплавов АК9ч (ОАО «Гидроавтоматика», г. Самара) и АК8МЗч (ФГУП «ВМЗ», г. Вольск). Внедрена технология получения чушкового сплава АК8МЗч улучшенного качества (ООО ПКФ «Вершина», г. Самара). Для производства алюминиевого литья ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) разработан и реализован комплекс мероприятий: разработка и выполнение программы по повышению качества автомобильных отливок на 2012-2016 г.г.; повышение качества вторичного чушкового сплава АК12М2; проведение опытно-промышленных испытаний по подготовке расплавов АК6М2 и АК10М2Н к литью с помощью роторных установок периодического действия, включающие подбор оптимальных параметров обработки и изменение порядка обработки (модифицирование прутковой лигатурой A1TÍ5B1 в раздаточной печи). Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое обоснование высокотемпературного сохранения структурной информации в жидких алюминиевых сплавах.

2. Уточненная модель микрогетерогенного строения заэвтектических расплавов системы Al-Si.

3. Низкотемпературная технология получения микрокристаллических лигатур AISi.

4. Комплексные технологии получения и применения микрокристаллических лигатур и модификаторов.

5. Результаты промышленной апробации разработанных технологий. Методы исследования. Работа выполнена с использованием современных методов исследования: оптическая и электронная микроскопия; локальный рентгеноспек-тральный анализ; определение структурно-чувствительных характеристик расплавов (плотности, вязкости, угла смачивания, дифференциально-термического анализа); определение газосодержания алюминиевых расплавов методом вакуум-экстракции; определение параметров микроструктуры и балла газовой пористости с применением программно-аппаратных комплексов SIAMS-700 и ТЕМПЛЕТ S7-AJ1C; испытания механических свойств; неразрушающие методы контроля (электропроводность) структуры сплавов; моделирование гидродинамических и кристаллизационных процессов с применением систем автоматического моделирования литейных процессов.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и разработанных технологий основана на использовании современных методов исследования

алюминиевых сплавов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях, применении статистических методов обработки результатов, воспроизводимостью установленных закономерностей на алюминиевых сплавах различных систем и назначений, результатами опытно-промышленных испытаний, внедрениями и патентами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических мероприятиях: VI Международной научной конференции «Эвтектика-VI» (2003 г., Украина, Днепропетровск); Всероссийских научно-практических конференциях «Литейное производство - сегодня и завтра» (2003, 2006 г.г., Санкт-Петербург); II Международной конференции «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (2005 г., Москва); Международной конференции «Автопром в России: стратегия развития сборочных заводов, конкурентоспособность российских компонентов» (2007 г., Тольятти); VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (2008 г., Самара); VI-X Съездах литейщиков России (2003...2011 г.г.); IV-VI Международных научно-практических конференциях «Прогрессивные литейные технологии» (2007...2011 г.г., Москва); Всероссийской конференции «Заготовительные производства предприятий Волго-Вятского региона» (2010 г., Нижний Новгород); III-V Всероссийских научно-технических совещаниях и конференциях «Взаимодействие науки и литейно-металлургического производства» (2010...2013 г.г., Самара).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 66 научных работ (в том числе 40 статей из перечня рецензируемых научных изданий ВАК, 3 статьи в зарубежных журналах), 1 монография, 1 учебное пособие, 3 патента, 1 свидетельство о государственной регистрации компьютерной программы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, заключения, списка литературы и приложений. Изложена на 377 страницах (включая приложения), содержит 68 таблиц, 113 рисунков. Список литературы составляет 273 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи работы, представлены научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава I Современные теоретические и практические подходы в управлении структурой и свойствами сплавов. Приведен обзор литературных данных по управлению природной способностью металлов и сплавов частично сохранять информацию о структуре исходных шихтовых металлов в многофакторной циклической системе «твердое-жидкое-твердое-жидкое...... Большой вклад в изучение наследственного влияния

структуры шихты и условий обработки расплавов на качество литых изделий из чугунов внесли работы Н.Г. Гиршовича, A.M. Самарина, А.А. Вертмана, В.А. Измайлова, В.А. Курганова, В.И. Крестьянова, С.А. Дубровского, C.B. Давыдова и др. Важное значение имеют работы по исследованию взаимосвязи структуры и свойств твердых и жидких сталей (Б.А. Баум, Г.В. Тягунов).

Практические и научные подходы, разработанные применительно к чугунам и сталям, оказали влияние на развитие данного направления в алюминиевых сплавах (ра-

боты под руководством А.Г. Спасского, В.Е. Неймарка, В.И. Данилова). Масштабные исследования по влиянию качества шихтовых металлов (первичные металлы, лигатуры, возвраты и т.д.) на структуру и свойства алюминиевых сплавов проводили в 1960-1970 г.г. на литейной кафедре Красноярского института цветных металлов под руководством Д.П. Ловцова и Г.Г. Крушенко. Существенный вклад в развитие явления структурной наследственности, как нового научного направления в цветных сплавах, вносят работы, выполняемые под руководством В.И. Никитина: обоснованы природа эффектов, признаков и носителей наследственности в алюминиевых сплавах, сформулированы основные закономерности данного явления и терминология, разрабатываются технологии целенаправленного управления структурой и свойствами литых изделий из алюминиевых сплавов.

Близость строения и свойств металлов в твердом и жидком состояниях (Я.И. Френкель, В.И. Данилов) обусловила рассмотрение двух агрегатных состояний в генетической взаимосвязи и необходимость разработки модельных теорий микрогетерогенных расплавов. За основу была принята «дырочная» (вакансионная) модель Я.И. Френкеля, которая по разному интерпретировалась в теоретических положениях квазиполикристаллической (И.А. Новохатский), квазихимической (Баум Б.А.), кластерно-вакансионной (И.В. Гаври-лин), коллоидной (П.С. Попель) теориях. Наследственное влияние литой структуры прослеживается и на последующих переделах литых изделий: тепловой и деформационной обработках (С.З. Бокштейн), механообработке (А.Г. Суслов, A.M. Дальский) и др.

Большое количество исследований направлено на разработки технологий, основанных на физических способах воздействия. Влияние тепловых воздействий на алюминиевые расплавы (высокотемпературная, термовременная, термоскоростная обработки) исследовались в работах Г.Г. Крушенко, В.И. Ладьянова, В.З. Кисунько, П.С. Попеля, В.М. Замятина, Хосена Ри, В.Б. Деева. Однако, высокотемпературные перегревы промышленных масс расплавов являются чрезвычайно энергоемкими процессами, которым сопутствуют интенсивное окисление и газонасыщение расплавов, повышенный износ плавильно-литейного оборудования, не решены проблемы по регламентируемому охлаждению расплавов до температуры литья и т.д. Альтернативными процессами воздействия на жидкую фазу являются обработка наносекундными электромагнитными импульсами (Б.А. Кулаков, В.В. Крымский, Хосен Ри), ультразвуковая (Г.И. Эскин), электро-гидроимпульсная (В.М. Грабовый), плазмореагентная (В.Л. Найдек, A.B. Наривский), магнитная и электрическая (В.Б. Деев) обработки и др. Как правило, воздействиям подвергают рабочие расплавы, предназначенные непосредственно для получения отливок. Однако, менее затратными являются специальные способы обработки шихтовых металлов на стадии их подготовки к плавлению, а также в жидкой или кристаллизующейся фазе. Основная роль в данном направлении отводится легирующим и модифицирующим лигатурам, структура которых в большей степени определяет качество литых изделий (В.И. Напалков, В.И. Никитин).

Многообразие процессов, протекающих в металлических системах при их фазовых переходах в системе «твердое-жидкое-твердое», до сих пор не позволяет однозначно определить природу элементов структуры расплавов (ЭСР), их размерные уровни, степень ответственности за передачу структурной информации от шихты к литому изделию. Этим, вероятно, обусловлено большое количество модельных теорий строения микроге-

терогенных расплавов, основные положения которых заимствованы из физико-химии кластеров и коллоидных систем. Структурированность расплавов и зависимость их свойств от структуры шихты привело к пониманию того, что традиционные (упрощенные) технологические приемы не способствуют полному использованию возможностей, заложенных в химические составы существующих сплавов. В настоящее время интенсифицировались исследования по совершенствованию специальных способов обработки шихтовых металлов с целью повышения эффективности производства литых изделий из сплавов различных систем и назначений. В этой связи требуются углубленные исследования зависимостей структурно-чувствительных свойств алюминиевых расплавов от их предыстории. Открытыми остаются вопросы по склонности сплавов к модифицированию и рафинирующе-дегазирующей обработке, а также к совместному использованию металлических модификаторов с солевыми реагентами.

На основании анализа научной литературы сделаны выводы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Глава 2 Методика исследования. Для решения поставленных задач и достижения целей работы исследования проводили по схеме, обеспечивающей преемственность и развитие ранее выполненных исследований, позволяющую оценивать проявление структурной «наследственности» на всех этапах получения литого изделия, а также определять наиболее эффективные специальные способы обработки шихтовых металлов в системе «твердое-жидкое-твердое». Использовали чушковые марочные сплавы, разные виды литого ВСП, электротехнические отходы и лома. Бинарные сплавы готовили из первичных металлов технической чистоты. В лабораторных экспериментах использовали тигельные печи сопротивления «ОгайсагЬо» (Тмах=1120 °С, графитовые и окрашенные стальные тигли; 0,15-0,6 кг по А1), тигельные печи сопротивления типа СШОЛ (Тмах=900 °С, графито-шамотные тигли; 10-30 кг по А1) и индукционную тигельную печь УИП 1610-0,01 (Тмах=1400 °С, графитовый тигель; 10,0 кг по А1). Температуры расплавов контролировали с помощью ХА-термопар, потенциометра ПСР1-03 и многоканального цифрового видеорегистратора «Сенсорика Ш9329А». Для моделирования производственных условий использовали шихтовые материалы и соблюдали параметры приготовления, предусмотренные технологическими инструкциями конкретных предприятий. Заливку расплавов осуществляли в песчано-глинистые формы, кокили и специально разработанные водоохлаждаемые металлические устройства, моделируя при кристаллизации скорости охлаждения иохл -0,2^101 °С/с. Опытно-промышленные испытания разработанных технологий выполняли в литейных цехах машиностроительных предприятий. Химический состав сплавов определяли спектральным методом (спектроанализатор АИ.Ь 3460), газосодержание - методом вакуум-нагрева с масс-спектрометрическим анализатором в динамическом режиме (ГОСТ 211321.1-81). Механические испытания (<т„ и 8) выполняли на отдельно отлитых в кокиль и вырезанных образцах (ГОСТ 1497-84, тип 3 номер 8; тип 5 номер 5) в литом и термообработанном состояниях. Определяли плотность (метод гидростатического взвешивания) и электропроводность (вихретоковый структуроскоп ВС-ЗОН, точность определения у + 0,1 МСм/м) твердых сплавов. Изображения для металлографического анализа получали с помощью оптических микроскопов ММР-2Р, ЫЕОРОТ-32 и растрового электронного микроскопа «ШОЬ ^М-6390А». Исследование микроструктуры производили с применением программно-аппаратного комплекса (ПАК)

SIAMS-700. Анализ микроструктуры выполняли на 10 полях с последующим усреднением результатов. Локальный микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) отдельных фазовых составляющих в сплавах выполняли с помощью РЭМ «JEOL JSM-6390A». Балл газовой пористости определяли на поперечных темплетах, подготовленных согласно ГОСТ1583-93, с использованием разработанной программы «Темплет-87.АЛС» (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2012661037). Дифференциально-термический анализ выполняли на установке ВДТА-8МЗ (ДТА), вязкость - методом затухающих крутильных колебаний в варианте Швидковского на установках, обеспечивающих погрешность измерений не более 3% (ФГАОУ ВПО УрФУ, кафедра физики). Термический анализ и косвенную оценку плотности расплавов производили на установке «Параболоид-4» (кафедра «Литейное производство и технология металлов» ТОГУ, г. Хабаровск). Для обеспечения объективности результатов опыты повторяли 3-5 раз, а измерения свойств осуществляли на 5-10 образцах, полученных в идентичных условиях.

Для определения плотности алюминиевых расплавов усовершенствовали экспресс-метод Ловцова-Абрамова. Суть метода заключается в следующем: в стальной кокиль (пробоотборник) специальной конструкции, нагретый до температуры расплава, заливается определенная масса расплава; избыток расплава удаляется крышкой-отсекателем; после затвердевания производится точное взвешивание полученной пробы при комнатной температуре. Плотность расплава определяется по формуле:

(1)

VL

где Мот1 - масса пробы при комнатной температуре, г; VL - объем расплава, залитого в полость формы при температуре испытания, см3. Разработан и изготовлен пробоотборник специальной конструкции (патент на пол. модель № 131379). Определяли плотность жидкого А1 в интервале температур 700^1000°С. С увеличением перегрева плотность А1 монотонно снижается с 2,362 до 2,334 г/см3 (700-800°С); при 850°С зафиксировано аномальное увеличение значений до 2,339 г/см3; далее (1000°С) - монотонное снижение до 2,283 г/см3. Полученные результаты согласуются с известными данными, полученными для жидкого А1 методом большой капли. Аномальное увеличение плотности жидкого алюминия в интервале 800-900°С совпадает с результатами других исследователей (В.З. Кисунько, В.И. Ладьянов, В.М. Замятин) и интерпретируется, как размывание ГЦК-подобного строения кластеров с уменьшением координационного числа до 9 и переходом в ОЦК-подобное строение. Усовершенствованная экспресс-методика позволяет достаточно объективно оценивать плотность расплавов на основе алюминия, как в интервале температур, так и при изоперегревах в зависимости от концентрации легирующего компонента. Данный экспресс-метод может успешно применяться для оценки состояния расплава перед литьем.

Теоретические и практические основы расчетного метода для прогнозирования предела прочности и пластичности сплавов в зависимости от их химических составов были предложены в работах В.Г. Волкова. Анализ данного метода показал, что расчетные значения предела прочности получаются сильно завышенные по отношению к реальным. Статистическая обработка большого количества экспериментальных данных по силуминам позволила определить поправочные коэффициенты, с учетом которых была получена конечная формула для вычисления предела прочности алюминиевых сплавов: С?""' = 0,474(ЛЕЭ„ X IV,) - 2, (2)

где ДЕЭ с - мольная энергия связи между элементами сплава; Ум — объем моля сплава; 0,474 - поправочный коэффициент, учитывающий литое состояние вырезанного образца; 2 - поправочный коэффициент, учитывающий средние скорости охлаждения при кокильном литье. Формула для прогнозирования плотности, без учета влияния макро- и микродефектов кристаллического строения, сплавов имеет вид:

Р%огя. = 91 X Кр (3)

где р\ - аддитивная плотность сплава; Ку - коэффициент уплотнения кристаллической решетки сплава, учитывающий различия в атомных радиусах элементов сплава. Сопоставление теоретических и фактических значений свойств в зависимости от реальных химических составов и составов шихты представлено в табл. 1. Видно, что прогнозируемые значения плотностей, хотя и имеют повышенные значения, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Это объясняется тем, что в расчете нельзя учесть структурные особенности реальных сплавов (размеры фазовых оставляющих, макро- и микропористость газового и усадочного происхождения). Полученные прогнозируемые значения плотности Рщагя. хорошо совпадают с литературными данными: например, плотность сплава АК6М2 составляет 2,75 г/см3, АК12М2 - 2,72 г/см3 (Н.М. Галдин, Д.Ф. Чернега). Видно, что использование мелкокристаллической шихты или обработка расплава (рафинирование, дегазация, модифицирование) приближают экспериментальные показатели к расчетным. Следовательно, оценку эффективности технологий обработки расплавов можно выполнять по следующему показателю:

К, = 1/ЛА (4)

где Кэ - коэффициент эффективности обработки; ЛА = А!7Аэ х 10°; Ап, Аэ - прогнозируемое и экспериментальное значение свойства в твердом состоянии (плотность, предел прочности). Чем выше Кэ, тем эффективнее воздействие, оказанное на расплав. Автоматизированный расчет и р%агн. реализован в среде М1сгояоЛ®Ехсе12007.

Таблица 1 - Экспериментальные и прогнозируемые свойства силуминов

Марка сплава Особенности приготовления Плотность, г/см3 (7В, МПа

Эксп. Прогн. Эксп. Прогн.

АК6М2 100% переплав литников 2,702 2,738 224,0 277,3

100% переплав прибылей 2,635 2,735 203,0 279,3

АК9Т 100% переплав ЧС* 2,631 2,686 183,3 263,0

100% переплав ЧС+ рафинирование и дегазация 2,673 2,687 202,0 263,1

АК12ММгН 100% переплав ЧС 2,692 2,727 163,7 247,4

100% переплав ЧС+ модифицирование лигатурой АШ5 2,711 2,731 208,7 250,7

*ЧС - чушковый сплав

Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием методов статистического анализа и программы Microsoft® Ехсе12007: определяли выборочную дисперсию и стандартное отклонение Sx.

Глава 3 Исследование взаимосвязи структуры и свойств в модельных сплавах на основе алюминия в системе «твердое-жидкое-твердое». Исследованы особенности проявления структурной «наследственности» в бинарных сплавах Al-Si, Al-Cu, Al-Ti, а также в модельной многокомпонентной системе Al-Si-Cu-Ti.

Характер изменения плотности расплавов системы Al-Si в интервале температур 700-1050 С зависит от степени дисперсности исходного шихтового Si и структуры шихтовых сплавов. При перегреве расплавов до TL+100 °С политермы плотностей расплавов с содержанием кремния в диапазоне OS Si < 12 (%), полученных из мелкокристаллических шихтовых сплавов располагаются ниже политерм расплавов, полученных из крупнокристаллических сплавов (р"-рй< 0; с увеличением концентрации кремния Si>12% происходит смена знака в соотношениях плотностей (р" — р'[') > О. На политермах плотности «первородного» (не прошедшего кристаллизацию) расплава Al-13%Si, полученного с использованием шихтового кремния размером 5-7 мм, фиксируются два максимума при 850 и 1000°С; при использовании шихтового кремния размером 1-2 мм — максимумы при 800 и 900°С. Аномальные увеличения плотности, вероятно, связаны с изменением типа связи в частицах кремния с ковалентной на металлическую. Использование дисперсного (порошкового) шихтового кремния способствует изменению типа связи при температурах на 50-100°С ниже по сравнению с кристаллическим кремнием. Политермы плотности расплавов заэвтектических силуминов с содержанием кремния 13%, полученных из мелкокристаллических шихтовых сплавов, в диапазоне температур 700-850°С располагаются выше политерм расплавов, полученных из крупнокристаллических шихтовых сплавов (pi — p'i) > 0; перегрев выше 850°С вызывает изменение знака в соотношениях плотностей (р" - pf) < о. Инверсия значений плотности в жидком состоянии под влиянием перегрева для заэвтектических бинарных силуминов установлена впервые.

С повышением 1)ОХл при кристаллизации шихтового сплава Al-20%Si увеличивается взаимная растворимость алюминия и кремния. Так, в К-шихте (иохл~5 °С/с) концентрация Si в a-твердом растворе Al составляла 4,3% (масс.), а Al в кристаллах первичного кремния Sin - 2,5% (масс.). В М-шихте (иохл~103 °С/с): 17,7 и 4,7 %, соответственно. Методом локального МРСА установлено, что в эвтектике М-шихты имеются фазы с содержанием Si 25-53% (масс.), остальное - Al, которые могут соответствовать силицидам алюминия AlxSiy разного стехиометрического состава (предположительно - AISi, AI3SÍ2, по данным В.И. Мазура и В.З. Кисунько). В шихтовых заготовках обоих видов обнаружены сложные интерметаллиды AlxSiyFez, содержащие 46-53 % (масс.) Al, 26-47% (масс.) Si и 1,7-28% (масс.) Fe. Получали шихтовые сплавы Al-20%Si с иохл от 0,2-0,5 до 103 °С/с. Далее в одинаковых условиях переплавляли, кристаллизовали с постоянной г)охл~20°С/с и определяли размер D (мкм) и количество N (шт/см2) кристаллов Sin. С повышением скоростей охлаждения происходит измельчение Sin с 525 мкм (иохл ~ 0,2-0,5 °С/с) до 58 мкм (и0хл ~ Ю3 °С/с), сопровождающееся резким увеличением их количества с 70 до 4025 шт/см2, соответственно. Полученные шихтовые сплавы переплавляли в одинаковых условиях и при 730°С заливали в кокиль, кристаллизуя с постоянной г)охл~20°С/с. Влияние структуры шихты сохранилось и после их переплавов: сплавы, полученные из М-шихт, по-прежнему имели в своей структуре большее количество дисперсных кристаллов Sin (рис. 1).

В режимах нагрева и последующего охлаждения в диапазоне температур 7001350°С исследовали влияние структуры исходных шихтовых сплавов на кинематическую вязкость расплавов А1-20%51. Расплавы, полученные из К-шихты, имели повышенные на 5-10% значения кинематической вязкости по сравнению с расплавами, полученными из М-шихты. Температура гистерезиса расплава, полученного из М-шихты, составляет 1000°С; из К-шихты - 1100°С.

до переплава (> 10') пгг'гм:

Z =

0 +=-1-1-1-Г- V, I» -

100 200 300 400 Dgl до переплава, мкм

а - количество кристаллов Sin; б - средний размер кристаллов Sin Рисунок 1. Влияние структуры шихты на структуру сплавов Al-20%Si после однократного переплава и кристаллизации с ti0XJ1 ~20°С/с

По известным из коллоидной химии уравнениям для систем типа суспензий (5) и эмульсий (6) выполнили расчет долей дисперсных фаз на основе кремния различной природы при температуре 750°С в режиме нагрева и последующего охлаждения:

V = %(1 + 2,5*0 (5)

df-d0 = il(d;r,-d0), (6) где r¡, t¡g — динамические вязкости суспензии (расплава) и дисперсионной среды (жидкого алюминия), соответственно; ц> - доля дисперсных частиц кремния с ковалент-ным типом связи (Sí-Sí)k в коллоидной системе «жидкое-твердое»; d, da4 и d0- плотности дисперсионной системы (расплава), дисперсной частицы (коллоидной частицы кремния) и дисперсионной среды (жидкого алюминия), соответственно; ц - доля дисперсных частиц кремния с металлическим типом связи (Sí-Sí)m в коллоидной системе «жикость-жидкость». Учитывая, что i] = vp, были рассчитаны доли ¡р и //. Расчеты, выполненные с позиции коллоидной модели строения микрогетерогенных расплавов, показали, что в заэвтектических расплавах одновременно могут присутствовать унаследованные от исходной шихты дисперсные частицы кремния с ковалентным типом связи (Si-Si)K, металлическим типом связи (Sí-Sí)m, а также дисперсные фазы переменных составов AlxSiy, AlxSiyFez. Перегревы расплавов выше температур гистерезиса (вплоть до 1350°С) не устраняют их микрогетерогенности, унаследованной от структуры исходной шихты, а способствуют перераспределению долей дисперсных фаз и приближению системы к монодисперсному состоянию. На основании выполненных расчетов предложена зависимость для описания структурного состояния заэвтектических расплавов Al-Si:

5 = + + (7)

где 51'(<р +1* + гр) = 1; <р, Ц, Ц> — дисперсные частицы кремния с ковалентным типом связи (Б^БОк, металлическим типом связи (Б^Ом и дисперсные фазы переменных составов типа А1Х81У, А1х51уРе2 и др. Применительно к выполненным экспериментам строение расплавов А1-20%Б1 описывается следующими количественными выражениями:

ГБЦ * А1, + 5[(0,064р + 0Д6„ + 0,776*), (8)

* лг£ + 51(0,0096^ + 0,188^ + 0,802.,,); Г5° « А^ + 51(0,166,, + 0,436^ + 0,398Д (9)

[_5° « Л!, + 51(0,093,, + 0,464,, + 0,443^); где (8) — в режиме нагрева; (9) — в режиме охлаждения; 8К и 8М — формулы строения расплавов из К- и М-шихт, соответственно; (р, ц, \|/ — символы, обозначающие природу дисперсных фаз типа (Б^Ок, (БьвОм и переменных составов типа А]ХЭ1У, А1х51уРеи соответственно; цифры у символов — соответствующие объемные доли фаз (весь объем кремния в расплаве принят равным 1).

На основании исследования плотности расплавов А1-5%Си в диапазоне температур 760-1060°С, установлено, что политермы расплавов, полученных из К-шихты, располагаются выше политерм плотностей расплавов из М-шихты: (р" - р£к) < о. Аналогичная зависимость установлена и при изотермической выдержке расплавов в течение 35 мин при температуре 710°С. На политермах плотностей расплавов из К-шихты установлен перелом в монотонном уменьшении плотности при 960°С; у расплавов из М-шихты - при 810°С. Вовлечение в состав шихты 5% деформированных отходов меди или использование 100% деформированных отходов алюминия и меди способствует смене знака в соотношениях плотностей (рхм - Рь) > 0 по сравнению с расплавами, приготовленными из первичных металлов.

Установлено влияние дисперсности губчатого титана на размеры интерметаллидов А1з"П в лигатурных сплавах Л1-3%Тг. при кристаллизации расплавов в поле центробежных сил: меньший размер интерметаллидов имели сплавы, полученные с использованием титановой губки фракцией 1,5-2,5 мм по сравнению со сплавами, полученными на титановой губке размером 5,0-10,0 мм. Структура кольцевых заготовок (внешний диаметр 300 мм, толщина стенки 5 мм) в поперечном сечении характеризовалась наличием трех структурных зон: 1 - зона толщиной 1,0-1,5 мм, обогащенная игольчатыми А13Т1 (свободная поверхность кольцевой заготовки); 2 — центральная зона толщиной до 0,5 мм с А13Т1 компактной морфологии; 3 - зона, прилегающая к внутренней поверхности изложницы, толщиной 2,0-2,5 мм с многочисленными равноосными АЬТЧ. В лигатурном сплаве, полученном с применением крупной титановой губки, содержание титана в зоне 1 составило 2,1(масс.)%, а размеры А13Т1 - 60-68 мкм; в зоне 3 - 3,6 (масс.%) и 20-25 мкм, соответственно. В сплаве, полученном с применением мелкой титановой губки, содержание титана в зоне 1 составило 2,7(масс.)%, а размеры А13Т1 — 30-35 мкм; в зоне 3 — 3,2 (масс.%) и 15-17 мкм, соответственно. Следовательно, размер шихтового Л оказывает наследственное влияние на параметры структуры и распределение "Л по сечению центробежной лигатурной заготовки.

Использовали формулу А. Эйнштейна для расчета размера дисперсной фазы при центрифугировании:

где ;/ - динамическая вязкость дисперсионной среды; ха их— расстояние от центра вращения для свободной и контактирующей поверхностей; р и ра - плотности частиц дисперсной фазы и среды, соответственно; со - угловая скорость вращения, определяемая ш=2тп>, где и - число оборотов в с; t - время центрифугирования, с. За динамическую вязкость дисперсионной среды принимали вязкость расплава Al-3%Ti при температуре заливки расплава (900°С), которую можно определить по уравнению 1] — vp. Из литературных источников известно, что добавка 1% титана увеличивает v на 70% по отношению к вязкости расплава чистого алюминия. Принимая при 900°С v жидкого алюминия равную 3,25x10 м2/с, а плотность расплава Al-3%Ti 2336 кг/м3 получаем >7=1,6* 10"3 кг/мс. За плотность дисперсной фазы приняли плотность интерметаллида Al3Ti==3300 кг/м3. Время центрифугирования при сохранении жидкой фазы из условий эксперимента - 3,5 с (скорость охлаждения - 100 С/с, температура расплава в момент заливки - 1300°С, температура ликвидуса - 950°С). Если известна концентрация дисперсной фазы на поверхностях, то в качестве параметров х0 и х в (10) допустимо использовать концентрационные данные по Ti, образующему дисперсную фазу (AI3TÍ). Расчет с использованием концентрационных данных показал, что в расплаве, полученном из дисперсной титановой губки, в седиментационном процессе участвуют частицы диаметром ~12 мкм; из крупной губки - до 23 мкм. Полученные результаты совпадают с данными металлографического анализа структуры литых заготовок. Расчет по длине пути показал, что усредненный диаметр частиц составляет -4-5 мкм. Таким образом, размер присутствующих в расплаве частиц наследственно влияет на размерные параметры литой структуры.

По принятой методике исследовали влияние структуры шихты на свойства модельного силумина Al-6%Si-(l,8-2,3)%Cu-0,ll%Ti. В качестве исходных шихтовых металлов использовали переплав электротехнических отходов алюминия марки А7, сечку медных проводов и чушковую лигатуру A1TÍ10 (производство фирмы LSM, Великобритания). Варьировали концентрацией меди (1,8; 2,0; 2,3%), моделируя изменение данного элемента внутри интервала по ГОСТ 1583-93 для сплава АК6М2. Расплавы после приготовления кристаллизовали с uOXJ1~20 (М-шихта) и 0,4 (К-шихта) °С/с. Химический состав сплавов по содержанию легирующих был практически одинаковым. Установлено, что плотности сплавов из М-шихты в твердом и жидком состояниях были выше во всем исследованном диапазоне концентраций меди по сравнению с крупнокристаллическим сплавом таких же составов.

В экспериментах на бинарных сплавах Al-Si и Al-Cu, полученных с использованием первичных металлов установлено соотношение р[' < которое можно объяснить тем, что структура М-шихты в твердом состоянии характеризуется близкими размерами вторичных фаз (Si, или CuAI2). В структуре К-шихты - данные фазы сильно неоднородны по размерам. При плавлении из М-шихты образуется расплав с частицами дисперсной фазы близкими по размеру, в расплаве из К-шихты сохраняется унаследованная микронеоднородность по размерам. С позиции коллоидной химии монодисперсные (частицы дисперсной фазы близких размеров) системы имеют пониженную плотность по сравне-

(Ю)

нию с полидисперсными (разноразмерные частицы дисперсной фазы). В случае использования деформированных отходов (Д-шихта) в двойных (А1-5%Си) и многокомпонентных (А1-6%8Н1,8-2,3)%Си-0,11%'П) сплавах установлено, что зависимость плотности в жидком состоянии меняет знак: р[4 > р[. Это, вероятно, обусловлено не только влиянием параметров микроструктуры, но и особенностями кристаллического строения Д-шихты, которая характеризуется повышенной плотностью (А1-5%Си). Кристаллизация многокомпонентного расплава (А1-6%8ь(1,8-2,3)%Си-0,11%'П) с повышенными скоростями охлаждения способствует увеличению растворимости меди и титана в алюминиевой матрице. Известно, что медь и титан уменьшают параметры кристаллической решетки алюминия, следовательно, она тоже будет иметь плотную субмикрокристаллическую структуру в твердом состоянии. Кроме того, титан частично связывает растворенный в сплаве водород в устойчивые гидридные соединения, что обусловливает снижение газовой и усадочной микропористости в структуре М-шихты. При расплавлении такого шихтового сплава данные особенности микро- и субмикрокристаллических структур наследуются расплавами, что и объясняет установленную закономерность: р" > р[\

Эксперименты показали, что при формировании расплавов одновременно протекает большое количество физико-механических и химических процессов. Однако, на первом этапе преобладают процессы, связанные с прогревом введенных в алюминиевый расплав материалов. Особенность этого этапа будет определяться природой вводимого компонента. Согласно известным положениям теории упругости (С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер) частицы металлов в сферическом приближении можно рассматривать, как упругие сферы с начальной температурой Т0, погруженные в жидкость (расплав) с температурой Ть При этом внешняя часть сферической частицы будет расширяться, вызывая всесторонние равномерные растяжения с, в центральной части (рис. 2). Величины максимальных растягивающих напряжений и необходимое время для их возникновения вычисляются по формулам:

а. = 0,0771^(7,-10),

(П) (12)

2(1-1)) I = 0,0574^у^,

где а - коэффициент теплового линейного расширения; Е - модуль Юнга; и — коэффициент Пуассона; в расчетах Т0 принимали равной 150°С; г - радиус частицы; С — удельная теплоемкость, р — плотность, X — коэффициент теплопроводности. Известно, что любой реальной кристаллический материал пронизан множеством микротрещин, располагающихся по границам зерен или поликристаллов. Длина этих трещин также зависит от природы материала и может быть вычислена по формуле Гриффитса:

; _ 4Еа/

1 ~ /7Г<7.2'

Рисунок 2. Схема возникновения всесторонних растягивающих напряжений в сферической частице с начальной температурой Т0, погруженной в жидкость с температурой Т[

где а и ав — поверхностное натяжение и предел прочности, соответственно.

Очевидно, что твердофазное дробление частиц, окруженных расплавом алюминия, под действием всесторонних растягивающих напряжений будет происходить при условии:

от > о,- О4)

Размер новых частиц, образовавшихся в результате дробления, будет определяться размером исходной частицы и средней длиной микротрещин в ней. Используя необходимые справочные данные, выполнили расчеты по вышеуказанным формулам для различных размеров частиц (5-И00 мм) 81, Си, "П и температур жидкого алюминия (750-И050 °С). Результаты расчетов показали, что условию (14) удовлетворяет только кремний, у которого величина ст=19.6 МПа уже при 750°С превышает значения предела прочности при комнатной температуре (о„=16,7 МПа). При этом, кремний может формировать в расплаве наиболее крупные дисперсные частицы размерами порядка 640 мкм, которые будут образовываться при разрушении кристаллического кремния по микротрещинам в результате растягивающих напряжений при нагревании до температуры расплава. Наиболее трудно будет происходить твердофазное диспергирование меди и титана в расплаве алюминия. Это обусловлено минимальной протяженностью микротрещин (в частицах Си~4,2 мкм, в частицах И~2,0 мкм), невысокими значениями аг по сравнению с пределами прочности данных металлов и большим временем (для частицы титана), которое требуется для их возникновения. Очевидно, что для твердофазного диспергирования частиц Си и Т1 и обеспечения условия (14) требуется дополнительная сила Р, выражение для которой можно записать в следующем виде:

= (/тг02)/4, (15)

где/- силовой фактор, Э - диаметр частицы. В случае высокотемпературной обработки расплавов в роли силового фактора на первом этапе будут выступать всесторонние растягивающие напряжения и расклинивающее давление, возникающее в микротрещинах при условии их смачивания расплавом (9<90°). Однако, перегревы расплавов выше температур гистерезисов структурно-чувствительных свойств (плотности, вязкости и др.) требуют значительных затрат энергии и для промышленных условий в настоящее время являются нецелесообразными. В связи с этим более обоснованным представляется применение физических способов воздействия, основанных на использовании, например, электромагнитных сил или полей. Очевидно, что роль основного силового фактора в данном случае будет выполнять энергия, подаваемая на расплав. Расчеты выполняли исходя из того, что силовое воздействие на расплав осуществляется посредством разряда конденсатора через витки индуктора, находящегося в непосредственной близости от расплава. С учетом того, что сила, которая будет воздействовать на расплав при разряде конденсатора, пропорциональна силе тока и напряжению электромагнитного поля, получили выражение, связывающее силовой фактор с энергией, накопленной на конденсаторе:

/ = (16)

где и0тлС- напряжение на конденсаторе и его емкость, соответственно. Таким образом, чем больше заряд конденсатора и начальное напряжение, тем большая сила будет действовать на расплав и частицы, находящиеся в нем. Соответственно, данное силовое воздействие будет способствовать дополнительному диспергированию частиц по границам дефектов. Для обеспечения силы (или энергии) необходимой для диспергирования

частиц требуется или увеличение емкости конденсатора, или напряжения на нем. Такой подход будет требовать лишних затрат электроэнергии. Следовательно, логичнее для увеличения количества энергии работать в импульсном режиме, т.е. увеличивать количество импульсов при оправданных расходах электроэнергии. На основании вышеприведенных рассуждений суммарным силовым фактором при воздействии на расплавы электромагнитными полями является совокупность энергии разряда конденсатора W и число импульсов с данной энергией, подаваемых на расплав. Тогда выражение (16) принимает вид:

F = (nxf[^])/4, (17)

где п - количество импульсов с энергией W. С учетом всесторонних растягивающих напряжений, которые возникают в частицах, окруженных расплавом выражение (17) принимает вид:

F = ([nX^ + <7r]x[7TD2])/4, (18)

Таким образом, теоретически обоснована целесообразность применения физических воздействий на расплавы, основанных на использовании импульсных электромагнитных полях. Варьируемыми факторами для управления строением расплавов в зависимости от их природы и предыстории могут являться мощность заряда на конденсаторе и количество импульсов, подаваемых на расплав через индуктор при разряде конденсатора.

Глава 4 Влияние металлургических факторов на качество промышленных силуминов. На основании углубленного анализа технологий производства чушковых сплавов (АК9ч, АК12М2) на различных предприятиях вторичной металлургии установлено, что вид и количество применяемых отходов оказывают существенное влияние на технологический выход годного (ТВГ) и физико-механические свойства вторичных сплавов. Увеличение доли низкосортных ломов 1 и 4 гр. снижает ТВГ с 95-97 до 85-87%. Увеличение в составе шихты доли низкосортных отходов с 25 до 35% приводило к снижению плотности чушковых сплавов (ЧС) АК12М2 с 2,72 до 2,68 г/см3. В то же время увеличение доли качественных моторных ломов (40-60%) способствовало повышению плотности данных ЧС с 2,69 до 2,72 г/см3. Сплавы, полученные с вовлечением в состав шихты низкосортных ломов, характеризуются нестабильным химическим составом, пониженной плотностью и повышенным балом газовой пористости в твердом состоянии. Нерегламентированные соотношения моторных ломов и отходов 1 и 4 групп и необоснованные расходы рафинирующе-дегазирующих препаратов для обработки расплавов оказывают отрицательное влияние на качество чушковых сплавов. На основании сравнительного исследования качества ЧС АК12М2 (масса чушек от 6-8 кг до 17-20 кг) разных российских производителей установлено, что применение только первичных шихтовых металлов не является гарантией получения качественного сплава. Первичный сплав АК12М2 характеризуется наличием грубых внутренних (газоусадочные раковины, пористость на уровне 3 балла) дефектов. Несмотря на пониженное содержание большинства примесных элементов (Mn, Zn) и повышенное содержание легирующих элементов (Si, Cu) структура сплава содержит наиболее крупные кристаллы Sin, Si3 и Fe-содержащей фазы. С особенностями структуры связаны заниженные плотность (2,672 г/см3) и твердость (663 МПа) по сравнению со вторичными сплавами других производителей.

Основными недостатками в производстве фасонных отливок в литейных цехах машиностроительной (сплавы АК6М2, АК10М2Н) и аэрокосмической отраслей (сплавы АК7ч и АК9ч) являются нестабильность составов шихт и химических составов рабочих сплавов, использование крупногабаритных чушковых сплавов (АК6М2), отсутствие привязки расходов рафинирующе-дегазирующих препаратов к составам шихт, необоснованные составы реагентов и порядок технологических операций для подготовки расплавов к литью, наличие переливов обработанных расплавов (АК6М2, АК10М2Н). Это обуславливает нестабильность механических свойств сплавов, повышенные уровни брака по металлургическим дефектам (раковины, пористость) и эксплуатационным свойствам (негерметичность) литых изделий. На примере промышленного сплава АК6М2 доказано длительное сохранение структурной информации в расплаве, унаследованной от исходной шихты. Расплав, полученный из крупнокристаллической К-шихты, характеризуется пониженной плотностью (2,347 г/см ) и повышенным содержанием водорода (0,35 см3/100 г Ме) по сравнению с расплавом, полученным из М-шихты (2,352 г/см3 и 0,26 см3/100 г Ме, соответственно). Рафинирующе-дегазирующая обработка данных расплавов одинаковым количеством реагентов не устраняет отрицательного влияния исходного крупнокристаллического шихтового сплава. Переливы обработанных расплавов способствуют повторному газонасыщению, что выражается в снижении их плотностей и повышении содержания водорода. Различия плотностей расплавов, полученных из шихтовых сплавов с крупной и мелкой структурой, подтвердились при исследованиях на установке «Параболоид-4» в режиме охлаждения с 750°С до температур Т<Т5: через расплав из М-шихты проходит меньшее количество импульсов во всем исследованном интервале температур, что подтверждает его повышенную плотность по сравнению с расплавом из К-шихты. Полученные результаты подтвердили объективность разработанного экспресс-метода для определения плотности алюминиевых расплавов.

Сплавы, полученные из М-шихты, затвердевают при пониженных температурах ликвидуса и солидуса (на 4-10°С) и на 23% быстрее по сравнению со сплавом, полученным из К-шихты. Следовательно, структура исходной шихты оказывает наследственное влияние на процессы затвердевания сплавов и качество отливок.

Впервые выполнено сравнительное исследование эффективности семи солевых рафинирующе-дегазирующих и модифицирующих препаратов ведущих производителей (Россия, Германия, Италия). Установлено, что склонность силуминов АК6М2 и АК10М2Н к флюсовой обработке определяется не только их химическим составом, но и структурой исходной шихты: для сплавов, получаемых из крупнокристаллической шихты, требуются повышенные расходы реагентов. Сплав АК10М2Н, характеризующийся высокой суммой легирующих элементов (Елег~13,1-14,3%), меньше склонен к измельчению фазовых составляющих микроструктуры при его обработке солевыми препаратами по сравнению со сплавом АК6М2 (Елег~7,8-9,5%). Таким образом, вид реагента необходимо выбирать с учетом природы силумина (степени его легированности и склонности к газонасыщению): при обработке жидких силуминов, не содержащих титан в легирующих элементах или при низком содержании его в химическом составе, целесообразно увеличивать расход рафинирующе-дегазирующих и модифицирующих препаратов.

Глава 5 Разработка комплексных технологий получения микрокристаллических лигатур и модификаторов для алюминиевых сплавов. Лигатурные сплавы являются важнейшими шихтовыми материалами, обеспечивающими качество не только сплавов при их приготовлении, но и качество литого изделия. Разрабатывали технологии получения легирующих AlSi(12-K30), AlCu(3(H50), AlFe5, A1NÍ30 и модифицирующих лигатур AlTi(5-H0), AlSrlO, а также модифицирующих переплавов, используя дисперсные шихтовые металлы, электротехнические отходы (Д-шихта) и литой возврат собственного производства силуминов.

Для приготовления лигатур AISÍ20 использовали Д-шихту (отходы электротехнического алюминия) и порошковый кремний фракций до 5 мм. Часть кремния (в зависимости от его дисперсности) вводили в расплав алюминия при T~Tl+1(H800C, создавая первоначально сплав с интервалом кристаллизации ~30+5°С. В охлажденный таким образом до твердо-жидкого состояния сплав при T~TS+(20^50)°C замешивали оставшийся дисперсный кремний. Полученную суспензию выдерживали в течение 25-30 мин при постоянной температуре T~Ts+(20-50)°C. После появления жидкой фазы, свидетельствующей о появления легкоплавкой составляющей (эвтектики), твердо-жидкий сплав перегревали до T~TL+50-í-100°C, перемешивали и заливали в водоохлаждаемые кристаллизаторы, обеспечивая скорость охлаждения 102^-103 °С/с. В другом случае после введения расчетного количества кремния дополнительное модифицирующее воздействие оказывали путем введения в базовый расплав микрокристаллического переплава такого же состава (5-7% по массе). После перемешивания осуществляли разливку расплава с обеспечением скорости охлаждения при кристаллизации 60^100°С/с. По данным технологиям получали легирующие лигатуры с размерами кристаллов Sin 10-15 и 15-25 мкм (патенты РФ №№ 2365651,2448180).

Лигатуры А1Си(30^50) и AlFe5 получали из 100% Д-шихты (алюминиевые шины, сечка алюминиевых, медных проводов и стальной проволоки). На первом этапе по специальной технологии получали прессованные псевдолигатуры с повышенным содержанием второго компонента (AlCu70; AlFelO). Далее их вводили в алюминиевые расплавы из расчета требуемой концентрации легирующего элемента в готовых лигатурах. Лучшим комплексом свойств характеризовались лигатуры А1СиЗЗ,2 эвтектического состава в виде тонких (10-15 мм) пластин, полученные заливкой в холодные чугунные изложницы (иОХл~10-20°С/с): излом - чистый хрупкий, мелкозернистый; ps~ 3,66 г/см3; у~19,9 МСм/м. Лигатурные расплавы AlFe5 кристаллизовали с иохл~10 и 103 °С/с, получая лигатуры в виде прутков диаметром 20 мм и ленты толщиной 1,5-2,0 мм. Наиболее измельченную структуру получали при использовании в составе псевдолигатуры AlFelO стальной сечки размером ~1 мм и иохл~103 °С/с: средний размер AI3Fe~9 мкм, количество ~104 шт/см2, преимущественная морфология - глобулярная.

Получали лигатуры AISH2, AlSi20, AlFe5, воздействуя на расплавы электромагнитными акустическими полями (ЭМАП). Для обработки расплавов ЭМАП использовали генератор «Сонар». Расплавы A1SÍ12, A1SÍ20 готовили по низкотемпературной технологии (патенты РФ №№ 2365651, 2448180), используя Д-отходы алюминия и отходы кремния фракцией 5 мм. Лигатурный расплав AlFe5 — по вышеописанной технологии. В процессе введения легирующих элементов в расплавы на 0,5-1,0 мин вводили замкнутый контур петли-антенны. Обработку проводили с частотами 500, 1000 и 2000 кГц. После

обработки расплавы перегревали до температуры литья, рафинировали, дегазировали и заливали в кокиль, получая прутковые лигатуры диаметром 20 мм, длиной 170 мм. Установлено, что обработка расплавов ЭМАП способствует снижению вязкости расплавов и сокращению времени растворения легирующих добавок. Общее время приготовления расплавов с использованием ЭМАП сокращалось в 1,2-1,5 раза. Данный способ жидко-фазной обработки приводит к измельчению дендритов алюминия в 1,36 (А18Л2), эвтектического кремния 81э - в 1,3 и 1,6 (А18П2 и А18120, соответственно), первичного кремния 81п - в 1,5 (А18120) и интерметаллидов РеА13 (А1Ре5) — в 3 раза по сравнению с необработанными расплавами.

Обработку лигатур А1Б130 и А1М30 концентрированными потоками энергии производили на модернизированной установке воздушно-плазменной резки УВПР-0401. Лигатурные пластины (толщина 5-10 мм) закрепляли в зажимном устройстве координатного стола и подвергали воздействию плазменной дуги (плазмообразующий газ — аргон) по следующим режимам: мощность \У=1,5 кВт, напряжение и=40 В, скорость перемещения дуги относительно образца г>0бр=3 мм/с, давление газа р=1,5 атм. Под действием высоких температур плазмы (1400-1500° С) происходило мгновенное расплавление лигатур, а под действием давления плазменной дуги образующийся расплав распылялся на гранулы, которые кристаллизовались в момент соударения со стенками медного цилиндра. Время с момента отрыва капли от поверхности обрабатываемой пластины до затвердевания составляло 0,3-0,5 с. С учетом того, что температура жидких капель равнялась в среднем 1450°С, скорость охлаждения в данном случае составляла 1,6-2,0><103 °С/с. В результате получали лигатуры в виде гранул размером от 0,5 до 3 мм. Структура лигатур — измельченная, равномерная (рис. 3). Плазменная обработка существенно повышала микротвердость гранульных лигатур: для А^ЗО - с 76 до 184, для А1№30 - с 88 до 104 кг/мм2, что свидетельствовало о повышенной растворимости тугоплавких компонентов в алюминиевой матрице. Учитывая, что формирование такой структуры происходит под влиянием трех факторов (высокие температуры перегревов + диспергирование + повышенные скорости охлаждения) данный вид воздействия можно отнести к комбинированным способам обработки шихтовых металлов. Кратковременное влияние высокого перегрева при

а, б - лигатура АІБіЗО; в, г - лигатура А1ІЧІ30; а, в - без обработки; б,г - после плазменной обработки Рисунок 3 - Микроструктура лигатур А18І30 и АШіЗО

плазменной обработке является разновидностью термоскоростной обработки (ТСО) расплавов.

Получали модифицирующие лигатуры АШ5 с использованием губчатого титана (ТГ90) фракций 1,5-2,5 мм, а также прессованной псевдолигатуры АГП78, полученной из порошков титана и алюминия. Средний размер частиц порошка титана в псевдолигатуре составлял 30-50 мкм. Расплавы готовили на основе Д-отходов электротехнического алюминия. После их расплавления и перегрева до 1200-1300°С вводили в алюминиевой фольге титан и перемешивали графитовой мешалкой до полного его растворения. После снятия шлака расплавы быстро заливали в водоохлаждаемый кристаллизатор (расход воды 15 л/мин) и кристаллизовали со скоростью охлаждения 102 °С/с, получая слитки 030 мм, длиной 170 мм. В структуре лигатур формировались дисперсные алюминиды титана преимущественно блочной морфологии, размер которых зависел от размера частиц шихтового титана. Так, интерметаллиды ЛА13 размерами ~65 мкм получили в лигатуре с использованием губчатого титана фракцией 1,5-2,5 мм. Минимальные размерь! алюмини-дов титана (37 мкм) установлены в лигатуре АШ5, полученной с применением прессованной псевдолигатуры.

Устранение грубокристаллической структуры чушковых модифицирующих лигатур А15г10 и АГП10 (производитель — ЬБМ, Великобритания) осуществляли разработанными способами: ТВО расплавов (Тпер 1050+50°С, изотермическая выдержка - 15 мин) и повышенные скорости охлаждения (1)0хл~Ю3 °С/с). Получали ленты толщиной 1,5 мм. Чушковую лигатуру АГП10 водили в расплав алюминия, приготовленный из Д-отходов, из расчета получения в готовой лигатуре 5%П. После такой обработки размеры интерме-таллидов 5гАЦ (А18г10) и Т1А13 (АШ5) измельчались в сотни раз, а их количество увеличивалось на три-четыре порядка.

Изготовлена установка для получения микрокристаллических модификаторов диспергированием из жидкой фазы на вращающемся массивном медном диске с последующим затвердеванием капель при ударе о стальную массивную пластину: скорость вращения диска от 200 до 2000 об/мин. На разработанной установке получали лигатуры Л/715, А18г10 в виде дискретных лент толщиной 0,5-0,8 мм и чешуек диаметром до 2 мм. Во всех случаях отмечали уменьшение размеров фазовых составляющих в 50-100 раз по сравнению с традиционными чушковыми лигатурами. Лигатуры АШ5 и А18г10 легко компактировались в брикеты диаметром до 50 мм. Высота брикета варьировалась в зависимости от требуемого количества модификатора и объема плавильной печи, в которой готовили расплавы марочных силуминов для испытаний модифицирующей способности лигатур.

Все вышеперечисленные способы были успешно реализованы при получении модифицирующих переплавов. Основное преимущество таких модификаторов заключается в том, что для их изготовления можно использовать, например, любые литые отходы марочных сплавов. С практической точки зрения наиболее целесообразно изготавливать такие модификаторы кристаллизацией в водоохлаждаемом валковом кристаллизаторе (ВВК), который обеспечивает скорость охлаждения 1)ОХл~103 °С/с и позволяет получать переплавы в виде лент толщиной 1,5-2,0 мм, длиной от 1000 до 4000 мм. Кристаллизацией в ВВК получали модифицирующие переплавы из сплавов АК9ч, АК6М2, АК10М2Н, АК12М2 и др.

Разработана конструкция и изготовлен кокиль для получения прутковых переплавов диаметром 3,5 мм, длиной до 400 мм. Разработана технология получения комплексных модифицирующих переплавов, сочетающих в себе дополнительно признаки модифицирующих лигатур. Такие модификаторы получали введением в базовый расплав повышенного количества титана (0,2-И ,0%). Так, в микроструктуре комплексного модифицирующего переплава на основе сплава АК9ч с 0,04%Ti, полученного литьем в прутковый кокиль, размер дендритов а-А1 составил 10-15 мкм (без добавки Ti - 24-27 мкм).

Разработанные комбинированные способы обработки являются основой комплексных технологий, которые обеспечивают получение в микроструктуре лигатур и модификаторов размеры контролируемых фаз в диапазоне от 1,0 мкм до 50 мкм, что позволило их классифицировать как микрокристаллические лигатуры и модификаторы (рис. 4). Дана систематизация специальных способов обработки, позволяющих максимально использовать рециклируемые металлоотходы в производстве качественных лигатур и модификаторов для алюминиевых сплавов (рис. 5).

Рисунок 4. Классификация разработанных лигатур и модификаторов

Комплексные технологии получения лигатур и модификаторов

Группы комбинированных способов

1

Ш

1.1 .Твердофазное диспергирование+ кристаллизация с иохл~102-104 "С/с;

1.2. Д-шихта+кристаллизация с иохл~102-104 °С/с;

1.3. Твердофазное диспергирование+ контактное (эвтектическое) плавление+ кристаллизация с «Охл~Ю2-104 °С/с.

т

2.1.Плазменная обработка;

2.2. Д-шихта+ЭМАП+кристаллизация с г>„„~102-104 °С/с;

2.3. ТВО+кристаллизация с иохл~102-104 °С/с.

2.4. Жидкофазное диспергирование+ кристаллизация с иохл~102-104 °С/с.

Области применения комбинированных способов

1.1. ЛМкЛ: А181( 12-^20), А1Си(30н-35), А1Ре5; 1.2. ЛМкЛ, ММкЛ, ММкП, КММкП; 1.3. ЛМкЛ А181(12-20). 2.1. ЛМкЛ: АШЗО, А1№30; ММкЛ ЛШ(5^10); 2.2. ЛМкЛ, ММкЛ, ММкП, КММкП; 2.3. ЛМкЛ, ММкЛ; 2.4. ММкП, КММкП.

1_ Шихтовые металлы _1

Пылевидные отходы кремния; рециклируемые электротехнические отходы; литые отходы (возврат собственного производства литейных цехов); крупнокристаллические чушковые лигатуры

Рисунок 5. Систематизация комбинированных способов обработки шихтовых металлов для комплексных технологий: ЭМАП - электромагнитные акустические поля;

ТВО - температурно-временная обработка; ЛМкЛ, ММкЛ — легирующие и модифицирующие микрокристаллические лигатуры;

ММкП, КММкП - модифицирующие микрокристаллические и комплексные микрокристаллические переплавы

Определена эффективность опытных лигатур и модификаторов в технологиях приготовления и подготовки расплавов к литью. Использование ЛМкЛ А15!20 и А1Ре5 для приготовления сплава АК12М2 способствовало обеспечению в литом состоянии предела прочности до 220 МПа, относительного удлинения до 3,5% (по традиционной технологии - до 187 МПа и 1,5%, соответственно). Использование ЛМкЛ А15130 и А1№30 для приготовления сплава АК10М2Н обеспечило существенное измельчение структурных составляющих сплава и снижение КТЛР на 20% в диапазоне температур 100+250 °С. Модифицирование сплавов АК7ч, АК9ч, АК8МЗч, АК6М2 и АК10М2Н добавками ММкЛ, ММкП и КМкП способствовало измельчению структурных составляющих сплавов в 1,3-2,0 раза, повышению преде-

ла прочности на 15-20%, относительного удлинения в 1,5-3,0 раза. Данные эффекты сопоставимы или превышают показатели, установленные при использовании прутковой лигатуры АШ5В1 импортного производства (КВМ, Нидерланды). Эффективность опытных модификаторов подтверждают значения Кэ (4), которые для модифицированных сплавов имеют повышенные значения. Установлена зависимость расхода модификатора от суммы легирующих компонентов в сплаве: с увеличением £лег от АК7ч (7,35%) до АК10М2Н (14,3%) оптимальный расход, например, ММкП снижается с 0,6 до 0,3% по массе; MMkJI AlTi5 с 0,05 до 0,01% по титану. Таким образом, определение расхода модификатора необходимо производить с учетом его модифицирующей способности, состава шихты и степени легированности модифицируемого сплава.

Структурная информация, унаследованная от исходных шихтовых металлов или внесенная в процессе приготовления расплава, транслируется в литые изделия и определяет комплекс их структурных и физико-механических свойств. Известно, что параметры литой структуры сплавов на основе алюминия оказывают наследственное влияние на структуру сплавов в процессе термообработки (С.3. Бокштейн). Следовательно, обеспечивая в литом изделии мелкодисперсную равномерную структуру, можно прогнозировать сокращение температурных и временных режимов термообработки. Обоснована возможность сокращения времени выдержки при термообработке силуминов в зависимости от их литой структуры.

Известно, что скорость растворения фазы в процессе выдержки при повышенной температуре может быть записана в виде (Я.С. Уманский):

(19)

где п - число атомов фазы; Q - энергия, пропорциональная энергии активации диффузии; zirp - число атомов на границе фазы; к - постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура.

С учетом (19) была выведена следующая зависимость:

(20)

где Rur- размеры фазы до и после модифицирования. Согласно (20), измельчение частиц фазы в литом состоянии, вызванное модифицированием, будет способствовать увеличению скорости их растворения при термообработке в ~(R/r) раз по сравнению с немодифицированным состоянием при одинаковых температурных режимах. Выполнили следующий эксперимент. Чушковый сплав АК6М2 расплавляли в печи сопротивления, рафинировали флюсом ФНК-А, дегазировали препаратом «Дегазер» и модифицировали добавками MMkJI AlTi5 в количестве 0,02% по титану. Заливку расплава осуществляли в кокиль. В результате модифицирования размеры дендритов а-AI уменьшились с 42 до 21 мкм, кристаллов эвтектического кремния - с 24 до 18 мкм по сравнению с немодифицированным сплавом. Таким образом, отношение (R/r) из формулы (20) составило, в среднем, 1,33-2,0. Нагрев под закалку образцов из немодифицированного и модифицированного сплавов производили в течение 2 и 4 ч. Закалку производили в воде с температурой 20°С. При tBbU в

течение 2 ч твердость ^модифицированного сплава составила -800 МПа. Максимальную твердость (920 МПа) немодифицированный сплав приобрел при 1ВВД под закалку в течение 4 ч. При выдержке в течение 2 ч твердость модифицированного сплава достигла ~900 МПа и далее (выдержка 4 ч) практически не изменилась. Анализ микроструктуры сплавов после закалки показал, что при 1выд в течение 2 ч у не-модифицированного сплава размер эвтектического кремния практически не изменился. Сфероидизация частиц эвтектического кремния произошла только при 1выд в течение 4 ч. Средний размер при этом уменьшился на -25% и составил -18 мкм. При термообработке модифицированного сплава сфероидизация и измельчение эвтектического кремния произошла уже при 1ВЬ[Д в течение 2 ч. Средний размер частиц в 1,2 раза меньше, чем в немодифицированном сплаве после 1ЕЫЛ в течение 4 ч.

Таким образом, приведенные теоретические рассуждения подтвердились экспериментальными результатами и обосновывают возможность сокращения времени выдержки для некоторых видов термической обработки отливок из силуминов без ухудшения их механических свойств.

Глава 6 Разработка комплекса технико-технологических решений, промышленная апробация и внедрение результатов исследований. Основными трудностями при апробации и внедрении научных разработок являются специфика конкретного производства и многофакторность процессов, протекающих в системе «шихта-расплав-литое изделие». Для выявления причин возникновения металлургических и литейных дефектов в отливках, нестабильности и невысокого уровня контролируемых свойств, а также для определения рациональных способов их устранения целесообразно на начальном этапе проводить аудит литейной технологии конкретного предприятия. С этой целью был разработан регламент технологического аудита (ТА), позволяющий оценивать эффективность производства литых изделий из алюминиевых сплавов. ТА включает в себя четыре основных этапа: 1 -оценка технического уровня испытательных и/или исследовательских лабораторий;

2 - оценка квалификации сотрудников, задействованных в производственном цикле;

3 - анализ технологии производства алюминиевого литья в системе «шихта-расплав-литое изделие»; 4 - обобщение, анализ полученной информации и разработка технологических рекомендаций. В зависимости от глубины ТА и с учетом результатов, полученных при выполнении этапов 1-4, все рекомендуемые мероприятия по совершенствованию и модернизации производства алюминиевого литья группируются по трем направлениям: I - мероприятия быстрого действия, не требующие существенных временных затрат и инвестиций; II - мероприятия среднесрочного действия, связанные с проведением дополнительных исследований и среднего объема инвестиций; III - мероприятия модернизационного действия, требующие существенных временных затрат и инвестиций. Мероприятия первой группы предполагают повышение квалификации ИТР, занятых в проблемном технологическом звене; взаимодействие с поставщиками чушковых сплавов в плане повышения их качества; корректировку технологий плавки и подготовки расплавов к литью. Мероприятия второй группы включают модернизацию лабораторий входного и текущего контроля; модернизацию и автоматизацию процессов подготовки расплавов к литью; модернизацию конструкций литниково-питающих систем и литейных форм. Мероприятия

третьей группы заключаются в модернизации плавильного оборудования и автоматизации контроля за процессами приготовления сплавов; замене действующего способа литья (при возможности) на более современный и технологичный; модернизации литейного оборудования и контроля за процессами литья и т.д. Разработанный технологический регламент был апробирован и послужил основой для повышения эффективности производства алюминиевого литья на пяти предприятиях России.

На предприятии ОАО «Гидроавтоматика» (г. Самара) внедрено внепечное модифицирование расплава добавками пруткового КМкП АК9-Т1 и выполнена корректировка конструкции литниково-питающей системы для кокильной отливки «Корпус 7511.1013622» из сплава АК9ч с применением САМ ЛП ЬУМР1о\у. Внедренные мероприятия сократили брак отливок по негерметичности в 1,5 раза по сравнению с действующей технологией, что позволило снизить себестоимость литья.

На предприятии ООО ПКФ «Вершина» (г. Самара) внедрена технология получения чушкового сплава АК8МЗч улучшенного качества, включающая использование до 30% деформированных отходов алюминия и меди, ЛМкМ А15П2, модифицирование ММкМ АГП5В1, продувку аргоном. Технология обеспечила полчение чушкового сплава с пористостью на уровне 1-2 балла и равномерной измельченой структурой.

На ФГУП «ВМЗ» (г. Вольск) внедрена технология подготовки расплава АК8МЗч к литью, включающая использование до 20% специально подготовленного возврата собственного производства в виде мелкокристаллического переплава, под-шихтовку магния в виде Д-отходов из сплава АМгб, рафинирование и дегазацию, дополнительное модифицирование добавками мелкокристаллической шихты. С применением САМ ЛП ПОЛИГОН выполнили корректировку конструкций литниково-питающей системы и кокильной отливки «Корпус». Технология обеспечила повышение предела прочности отливок в литом и термообработанном состоянии на 35 и 23%, соответственно, снижение брака отливок по раковинам на 20-25%. Разработана номограмма для экспрессного контроля готовности расплава к литью по значениям предела прочности в литом состоянии.

На основании результатов ТА в производстве алюминиевого литья ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) выполнен комплекс мероприятий, направленных на повышение эффективности производства отливок автомобильного назначения из сплавов АК6М2, АК10М2Н, АК12М2:

- реализация программы «Разработка комплексной внепечной обработки расплавов и модернизация технологии получения автомобильных отливок из алюминиевых сплавов на 2012-2016 г.г.»;

- повышение качества вторичного чушкового сплава АК12М2;

- внедрение в производство алюминиевого литья роторных установок периодического действия для автоматизированного процесса дегазации, рафинирования и модифицирования расплавов; проведение опытно-промышленных испытаний, включающих подбор оптимальных параметров обработки и изменение порядка обработки (модифицирование прутковой лигатурой АГП5В1 в раздаточной печи для сплава АК6М2) расплавов; результаты испытаний на сплавах АК6М2 (отливка

«ГБЦ») и АК10М2Н (отливка «Поршень») показали снижение газосодержания в 2 раза, повышение плотности на 2,0-2,5%, измельчение структурных составляющих в 1,5-2,0 раза, снижение брака отливок по раковинам и усадочной пористости в 6 раз.

- разработана и изготовлена действующая установка для обработки расплавов в тиглях раздаточных печей по осевой схеме воздействия импульсными магнитными полями (магнитно-импульсная обработка, МИО). Эксперименты, выполненные в ЦЛТ по МИО расплавов АК6М2 и АК10М2Н, показали, что данный вид физического воздействия оказывает устойчивое модифицирующее влияние на структуру сплавов в твердом состоянии: измельчаются размеры дендритов а-А1 и кристаллов Si3, предел прочности и пластичности увеличиваются на 26 и 38%, соответственно.

Разработанные технические и технологические решения использовали для получения алюминиевых припоев, которые можно считать шихтовой заготовкой или предварительным сплавом, передающими свою структурную информацию паяному шву в системе «твердое-жидкое-твердое». Разработана технология ТИ-ЛВТ-01 «Получение микрокристаллического пруткового припоя марки А34», включающая использование деформированных отходов алюминия, ЛМкЛ A1SÍ12, А1СиЗЗ,2, модифицирование добавками ММкП и заливку расплава в кокили специальной конструкции с получением прутков диаметром 3,5-4,0 мм и длиной до 400 мм. На базе Центра литейных технологий СамГТУ организовано малотоннажное производство данного вида продукции. Общий объем поставляемой продукции для ЗАО ПФ «Плавка и пайка» (г. Москва) за период 2009-2013 г.г. составил 1500 кг.

Таким образом, природная особенность металлов и сплавов частично сохранять информацию о структуре исходных шихтовых металлов в многофакторной циклической системе «твердое-жидкое-твердое-жидкое....» является существенным резервом повышения качества литых изделий из алюминиевых сплавов. На основании расширенного изучения данного явления получены новые научные знания о строении алюминиевых расплавов в широком диапазоне температур, разработан комплекс технических и технологических решений, практическое использование которых обусловило повышение эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов функционального и конструкционного назначений.

Общие выводы по работе.

1. Усовершенствована экспресс-методика для определения плотности расплавов на основе алюминия (патент на пол. модель № 131379). С применением данной методики получены новые научные данные об особенностях изменения плотности расплавов систем Al-Si, Al-Cu и Al-Si-Cu-Ti в зависимости от структуры исходных шихтовых сплавов. Зафиксированы максимумы плотностей жидких силуминов, температуры появления которых зависят от структуры исходных шихтовых сплавов. Для политерм плотностей расплавов А1-5%Си в диапазоне температур 760-1060°С и при изотермических выдержках при 710°С сохраняется зависимость (р™ - p¿) < о,- на политермах плотностей расплавов, полученных из К-шихты, установлен перелом в монотонном уменьшении плотности при 960°С; у расплавов, полученных из М-шихты — при 810°С; вовлечение в состав шихты деформированных мелкокристаллических отходов способствует смене знака в соот-

ношениях плотностей (р" - p¿) > о по сравнению с расплавами, приготовленными из первичных металлов. Установленные эффекты связывали с наследственным влиянием структуры исходных шихтовых металлов и изменением строения расплавов под влиянием перегревов или изотермических выдержек. Доказано устойчивое сохранение влияния структуры исходных шихтовых сплавов систем Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu-Ti на их свойства в твердом и жидком состояниях, а также на процессы затвердевания.

2. На основании вискозиметрических исследований жидких сплавов Al-20%Si расширены представления о температурных границах сохранения структурной микронеоднородности: различия в значениях кинематической вязкости расплавов, полученных из К- и М-шихт, сохраняются после их перегрева до 1350°С и последующего охлаждения; изменения в строении расплавов характеризует гистерезис политерм вязкости в режиме нагрева и охлаждения, а влияние структуры исходной шихты - температуры гистерезиса: у расплавов из К-шихты - при 1100°С, из М-шихты - при 1000 С. Обоснована возможность одновременного существования в заэвтектиче-ских расплавах частиц кремния различной природы: с ковалентным типом связи (Si-Si)K, с металлическим типом связи (Si-Si)M и дисперсных фаз переменных составов AlxSiy, AlxSiyFez; перегревы расплавов выше 1350 С не устраняют их микрогетерогенности, унаследованной от структуры исходной шихты; на основании выполненных расчетов предложена зависмость для описания структурного состояния заэвтектических расплавов Al-Si с позиции коллоидной модели строения микрогетерогенных расплавов.

3. Расчеты, выполненные с использованием известных закономерностей теории упругости, подтвердили возможность твердофазного диспергирования шихтового кремния в расплаве алюминия при температурах менее 750°С. Научно обоснована целесообразность применения физических воздействий на расплавы, основанных на использовании импульсных электромагнитных полей. Предложена математическая зависимость, объясняющая целесообразность обработки расплавов импульсными электромагнитными полями.

4. Разработана расчетная методика для прогнозирования плотности и предела прочности алюминиевых литейных сплавов по их химическим составам в литом состоянии при литье в кокиль. На основе расчетов предложены критериальные коэффициенты Kj и Kj, позволяющие оценивать эффективность оказываемых на сплавы воздействий.

5. Создана компьютерная программа для определения балла газовой пористости в алюминиевых сплавах, позволяющая быстро и объективно оценивать данный показатель качества (свидетельство о гос. per. № №2012661037).

6. Выполнен анализ действующих технологий получения чушковых сплавов на предприятиях вторичной металлургии и отливок в литейных цехах предприятий машиностроительной и аэрокосмической отраслей. Выявлены основные негативные факторы, обуславливающие нестабильность качества литых изделий из алюминиевых сплавов конструкционного назначения АК7ч, АК9ч, АК6М2, АК10М2Н, АК12М2.

7. Выполнено сравнительное исследование эффективности семи солевых препаратов ведущих производителей (Россия, Германия, Италия) для рафинирующей и модифицирующей обработки расплавов силуминов. Установлено, что склонность силуминов к флюсовой обработке определяется не только их химическим составом, но и структурой исходной шихты; вид солевого препарата необходимо выбирать с учетом природы силумина (степени его легированности и склонности к газонасыщению); при обработке жидких силуминов, не содержащих титан в качестве легирующих элементов или при низком содержании его в химическом составе, целесообразно увеличивать расход рафинирующе-дегазирующих и модифицирующих препаратов.

8. Разработаны технологии получения легирующих и модифицирующих микрокристаллических лигатур (ЛМкЛ и ММкЛ): AlSi(12-K30), AlCu(30-K35), AlFe5, A1TÍ5, AlSrlO, а также модифицирующих микрокристаллических и комплексных переплавов (ММкП и КМкП) систем Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Ti, Al-Si-Cu-Ti с максимальным вовлечением рециклируемых металлических отходов. Разработаны конструкции и изготовлены установки для производства лигатур и переплавов, обеспечивающие получение в литой структуре контролируемых фаз с размерами от 1 до 50-60 мкм. Для лигатур A1SÍ20 разработана номограмма неразрушающего контроля размеров и морфологии кристаллов первичного кремния по значениям электропроводности.

9. Опробованы и реализованы новые специальные способы воздействия на лигатурные сплавы — жидкофазная обработка электромагнитными акустическими полями (ЭМАП), твердофазное воздействие концентрированными потоками энергии (плазменная обработка). Обработка расплавов Al-Si и Al-Fe воздействием ЭМАП обеспечивает сокращение времени приготовления лигатурных расплавов в 1,2-1,5 раза и измельчение фазовых составляющих лигатур. Плазменная обработка позволяет получать лигатуры в виде гранул с дисперсным микрокристаллическим строением.

10. Разработанные научно-технические и технологические решения систематизированы и реализованы в комплексные технологии получения микрокристаллических лигатур и модификаторов с использованием до 100% рециклируемых металлических отходов: ТИ-ЛВТ-02 «Получение мелко- и микрокристаллической лигатуры AIS120 по низкотемпературной технологии» (патенты РФ №№ 2365651, 2448180); ТИ-ЛВТ-04 «Получение мелко-и микрокристаллических лигатур AlCuu AlFe из рециклируемых отходов».

11. Испытана эффективность разработанных лигатур и модификаторов на сплавах аэрокосмического (АК7ч, АК9ч, АК8МЗч) и автомобильного (АК6М2, АК10М2Н, АК12М2) назначений, которая заключается: в повышении предела прочности на 15-20%, относительного удлинения - в 1,5-3,0 раза, плотности - на 2-5%, снижении КТЛР на 10-20%, уменьшении размеров дендритов а-Al и кристаллов Si3 в 1,3-2,0 раза.

12. Установлена зависимость расхода модификатора от суммы легирующих компонентов в сплаве: с увеличением Елег от АК7ч (7,35%) до АК10М2Н

(14,3%) оптимальный расход снижается с 0,6 до 0,3% по массе (для ММкП) и с 0,05 до 0,01% по титану (для ММкЛ А1Т15). Определение оптимального количества модификаторов необходимо производить с учетом их модифицирующей способности, состава шихты и степени легированности модифицируемого сплава.

13. Теоретически обоснована целесообразность сокращения времени выдержки при термообработке в зависимости от литой структуры силуминов. Теоретическое обоснование подтвердилось результатами экспериментальных исследований.

14. Разработаны и в промышленных условиях реализованы технические и технологические решения, способствующие повышению эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов:

- разработан регламент и выполнены технологические аудиты на пяти предприятиях России;

- внедрены технологии подготовки расплавов к литью при получении корпусных кокильных отливок ответственного назначения из сплава АК9ч (ОАО «Гидроавтоматика», г. Самара) и АК8МЗч (ФГУП «ВМЗ», г. Вольск); выполнены корректировки конструкций литниково-питающих систем отливок с применением САМ ЛП ЬУМР1о\у и ПОЛИГОН;

- внедрена технология получения чушкового сплава АК8МЗч улучшенного качества (ООО ПКФ «Вершина», г. Самара);

- для производства алюминиевого литья ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) разработан и реализован комплекс мероприятий, включающий: повышение качества вторичного чушкового сплава АК12М2; изготовление и опытную апробацию действующей установки для обработки расплавов в тиглях раздаточных печей импульсными магнитными полями; проведение опытно-промышленных испытаний по подготовке расплавов АК6М2 и АК10М2Н к литью с применением роторных установок периодического действия, что обеспечило снижение газосодержания в 2 раза, измельчение структурных составляющих в 1,5-2,0 раза, снижение брака отливок (отливка «ГВЦ» -сплав АК6М2 и отливка «Поршень» - сплав АК10М2Н) по газоусадочным дефектам в 6 раз.

15. Разработана технология ТИ-ЛВТ-01 «Получение микрокристаллического пруткового припоя марки А34». На базе Центра литейных технологий Сам-ГТУ организовано малотоннажное производство данного вида продукции. Общий объем поставляемой продукции для ЗАО ПФ «Плавка и пайка» (г. Москва) за период 2009-2013 г.г. составил 1500 кг.

16. Результаты исследований используются в учебном процессе кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» ФБГОУ ВПО СамГТУ в курсе учебных дисциплин «Наследственность в литых сплавах», «Производство отливок из сплавов цветных металлов», «Цветные сплавы», «Специальные способы литья», «Строение и свойства металлических расплавов».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных изданиях:

Отдельные издания

1. Никитин, В.И. Наследственность в литых сплавах [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин. - Изд. 2-е, перераб. и доп. M.: Машиностроение-1, 2005. - 476 с.

2. Никитин, К.В. Модифицирование и комплексная обработка силуминов [Текст] / К.В. Никитин. - учебное пособие. Самара: СамГТУ, 2008. - 78 с.

Статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

3. Nikitin, К. V. Hereditary effect of fme-crystalline inoculants on aluminum alloy properties [Текст] / K.V. Nikitin // Литейное производство. - 2002. - № 10. - С. 16-18.

4. Nikitin, V.l. Improving the quality of AK9T automobile alloy [Текст] / V.l. Nikitin, D.V. Bragin, K.V. Nikitin и др. // Литейное производство. - 2002. -№ 10.-С. 11-12.

5. Nikitin, K.V. Application of genetic engineering technology in making AK12M2 pig alloy [Текст] / K.V. Nikitin, V.A. Kechin, S.E. Salabuto и др. // Литейное производство. - 2002. - № 10. - С. 19-20.

6. Никитин. В.И. Проблемы и пути обеспечения качества и надежности литых изделий из алюминиевых сплавов [Текст] / В.И. Никитин. К.В. Никитин II Литейщик России. - 2004. - №6. - С. 5-8.

7. Никитин, К.В. Влияние структуры шихты и вида модификатора на кинетику кристаллизации промышленных силуминов [Текст] / К.В. Никитин, Б.В. Вя-лов, A.B. Ротачков // Литейщик России. - 2004. - № 6. - С. 24.

8. Никитин, В.И. Анализ возможности автоматизации методики оценки балла газовой пористости по ГОСТ 1583-93 [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, Яковлев Ю.Р. и др. // Литейщик России. 2007. № 2. С. 9-12.

9. Никитин, В.И. Программно-аппаратный комплекс для определения балла газовой пористости в чушковых алюминиевых сплавах на базе анализатора SIAMS700. Методика измерения [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, Ю.Р. Яковлев и др. // Литейщик России. - 2007. - № 2. - С. 13-16.

Ю.Никитин, К.В. Моделирование литейных процессов в САМ ЛП «ПОЛИГОН» и LVMFlow для кокильной отливки из сплава АК9ч [Текст] / К.В. Никитин, Б.В. Вялов // Литейщик России. - 2007. - № 2. - С. 22-24.

11 .Никитин, К.В. Управление качеством отливок из силуминов на основе комплексного подхода с позиции технологий генной инженерии [Текст] / К.В. Никитин, В.И. Никитин и др. // Литейщик России. - 2007. - № 1. - С. 1013.

12. Никитин, К.В. Влияние параметров обработки расплава на структуру и свойства литого алюминиевого припоя системы Al-Cu-Si [Текст] // К.В. Никитин, И.Ю.Тимошкин // Литейщик России. - 2009. - № 6. - С. 19.

13.Никитин, В.И. Исследование наследственного влияния структуры лигатур А1-20%Б1 на свойства бинарных силуминов [Текст] // В.И., Никитин, К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин // Литейщик России. - 2009. - №12. - С. 23-27.

\4.Никитин, К.В. Наследственное влияние модифицирования на затвердевание силуминов, определенное методом вакуумного всасывания [Текст] // К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин и др. // Литейщик России. - 2009. - №7. — С. 29-32.

15.Никитин, К.В. Влияние параметров плавки на процессы затвердевания, структуру и свойства заэвтектического силумина [Текст] // К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин, П.И. Панышев // Литейщик России. - 2009. - №12. — С. 20-23.

16. Никитин, К.В. Исследование рециклинга отходов стальной проволоки в приготовлении алюминиевых сплавов [Текст] // К.В. Никитин, В.И. Никитин, П.И. Понаморенко // Литейщик России. - 2009. - № 12. - С. 16.

П.Воронцов, В.Б. Определение класса пористости литья методом акусто-эмиссии [Текст] / В.Б. Воронцов, К.В.Никитин // Литье и металлургия. - 2009. -№3.-С. 104-108.

18. Никитин, К.В. Применение электротехнических отходов в производстве алюминиевых и медных сплавов [Текст] // К.В. Никитин, В.И. Никитин, К.А. Гольцов и др. // Литейщик России. - 2010. - № 7. - С. 40-43.

19. Глущенков, В.А. Влияние импульсного магнитного поля высокой напряженности на свойства жидких алюминиевых сплавов [Текст] / В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, В.И. Никитин, Д.Г. Черников, АЛО. Игол-кин, К.В. Никитин и др. // Литейщик России. - 2010. - № 7. - С. 34-39.

20. Тимошкин, И.Ю. Основные проблемы и направления в производстве качественных алюминиевых сплавов из рециклируемых металлических отходов [Текст] // И.Ю. Тимошкин, К.В. Никитин, В.И. Никитин // Литейщик России. -2010.-№ 8.-С. 24-26.

21. Никитин, К.В. Научные разработки кафедры «литейные и высокоэффективные технологии» СамГТУ [Текст] / Никитин К.В. // Литейщик России. - 2010. -№ 7. - С. 19-22.

22. Никитин, К.В. Об использовании железосодержащих отходов для получения алюминиевых лигатур и сплавов [Текст] / К.В. Никитин, В.И. Никитин, И.Ю. Тимошкин и др. // Металлургия машиностроения. - 2010. - № 2. - С. 16-20.

23. Никитин, К.В. О влиянии специальных способов обработки на свойства расплава и структуру припоя А34 [Текст] / К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин, В.И. Никитин и др. // Металлургия машиностроения. - 2011. - № 4. - С. 17-21.

24. Черников, Д.Г. О магнитно-импульсной обработке расплава силумина АК9Т [Текст] / Д.Г. Черников, В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, А.Ю. Иголкин, В.И. Никитин, К.В. Никитин // Литейное производство. - 2011. - № 9. - С. 9-12.

25. Никитин, К.В. Наследственное влияние чушковых сплавов на свойства отливок из силуминов [Текст] / К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин // Литейное производство. - 2011.-№ 7. - С. 19-22.

26. Никитин, В.И. Наследственное влияние структуры лигатур на эффективность модифицирования сплава АК9ч [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, Д.С. Кривопалов // Литейщик России. - 2012. - № 8. - С. 31-33.

27. Никитин, К.В. О повышении квалификации инженерно-технических работников металлургического производства ОАО «АВТОВАЗ» [Текст] / К.В. Никитин, В.И. Никитин, С.А. Рязанов и др. // Литейщик России. - 2012. -№ 9. - С. 22-24.

28. Никитин, В.И. О сотрудничестве кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» с предприятиями и ВУЗами России [Текст] /В.И. Никитин, К.В. Никитин // Литейщик России. - 2012. - № 8. - С. 14-17.

29. Никитин, К.В. Влияние структуры лигатур AlSi30 и AlNi30, полученных с применением комбинированной обработки, на свойства сплава АК10М2Н [Текст] / К.В. Никитин, A.A. Паркин, С.С. Жаткин и др. // Литейщик России. -2012. -№ 9. -С. 14-16.

30. Глущенков, В.А. О воздействии импульсных магнитных полей на расплавы [Текст] / В.А. Глущенков, Д.Г. Черников, В.И. Никитин, К.В. Никитин // Металлургия машиностроения. - 2012. - № 4. - С. 47а-50.

31. Никитин, К.В. Мелкокристаллическая лигатура AlSi20 для сплавов [Текст] / К.В. Никитин. И.Ю. Тимошкин, A.B. Гусев // Металлургия машиностроения. -2012.-№ 4.-С. 38-39.

32. Панышев, П.И. Моделирование литниковой системы кокильных корпусных отливок из сплава АК9ч [Текст] / П.И. Панышев, A.C. Леднев, К.В. Никитин и др. // Литейное производство. - 2012. - № 7. - С. 38-40.

33. Гарин, А.Д. Аргоно-плазменная обработка AI-расплава при литье корпусных отливок [Текст] / А.Д. Гарин, Г.С. Лукьянов, К.В. Никитин // Литейное производство. - 2012. - № 7. - С. 30-31.

34. Никитин, В.И. О концепции развития производства автомобильных отливок из AI-сплавов [Текст] / В.И. Никитин, А.К. Тихонов, К.В. Никитин // Литейное производство. - 2012. - № 8. - С. 2-8.

35. Никитин, В.И. О влиянии Sr, Ti и В на модифицируемость доэвтектических силуминов [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Акишин и др. // Литейное производство. - 2012. - № 1. - С. 26-30.

36. Амосов, Е.А. Влияние литой структуры на свойства и термообрабатываемость силуминов [Текст] / Е.А. Амосов, К.В. Никитин, Д.С. Кривопалов и др. // Литейное производство. - 2012. - № 9. - С. 12-14.

37. Чикова, O.A. Оптимизация технологии изготовления припоя А34 на основе изучения связи структуры и свойств жидкого и литого металла [Текст] / O.A. Чикова, К.В. Никитин, Г.В. Овчинников и др. // Расплавы. - 2013. - № 1. - С. 68-78.

38. Никитин, К.В. Влияние структуры лигатуры AlSi20 на микроструктуру и вязкость модельного силумина Al-6%Si в твердом и жидком состояниях [Текст] // К.В. Никитин, А.Б. Финкельштейн, O.A. Чикова и др. // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. - 2013. - № 3. - С. 51-57.

39. Константинов, А.Н. Способ получения слитков припоя А34 на основе изучения связи строения и свойств жидкого и твердого металла [Текст] / А.Н. Константинов, O.A. Чикова, К.В. Никитин П Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. - 2013. - № 2. - С. 28-33.

40. Никитин, К.В. Влияние температуры нагрева и модифицирования расплава Al-27%Cu-6%Si на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов [Текст] / К.В. Никитин, О.А. Чикова, И.Ю. Тимошкин и др. // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2013. - №4. - С. 30-36.

Статьи в зарубежных научных изданиях

41. Li, P.-J. Hereditary effect of al-based modifiers and grain refiners on structure and properties of A356.2 alloys [Текст] / P.-J. Li, Y.-F. Zhang, V.I. Nikitin, E.G. Kan-dalova, K.V. Nikitin II Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - 2002. -T. 12.-№2. p.p. 233-237.

42. Li, P. Effect of melt overheating, cooling and solidification rates on Al-16wt.%Si alloy structure [Текст] // P. Li, V.I. Nikitin, E.G. Kandalova, K.V. Nikitin II Materials Science and Engineering: A. - 2002. - T. 332. - № 1-2. p.p. 371-374.

43. Li, P. Structures and properties of DIN661 alloy with fine-crystalline additives [Текст] / P. Li, E.G. Kandalova, V.I. Nikitin, K.V. Nikitin II Materials Letters. -2005. - T. 59. - № 14-15. - C. 1910-1913.

Патенты, свидетельства на официальную регистрацию программ для ЭВМ

44. Пат. № 2365651 Российская Федерация, МПК С22С 1/00, 21/02, 35/00. Способ низкотемпературного получения мелкокристаллической высококремнистой алюминиево-кремниевой лигатуры [Текст] / Белов В.Ю., Качалин Н.И., Мали-нов В.И., Тихий Г.А., Никитин КВ.; заявитель и патентообладатель ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». - №2007127379/02; заявл. 17.07.07; опубл. 27.08.09, Бюл. №24.

45. Пат. №2448180 Российская Федерация, МПК С22С 21/02, 1/01. Способ приготовления мелкокристаллической алюминиево-кремниевой лигатуры [Текст] / Никитин КВ., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю.; заявитель и патентообладатель Самарск. гос.-техн. ун-т. - 2010124723/02; заявл. 16.06.10; опубл. 20.04.12, Бюл. №11.

46.Свид. Российской Федерации о гос. per. программ для ЭВМ №2012661037. Темплет S7.AJIC [Текст] / Кадушников P.M., Яковлев Ю.Р., Петров М.С., Алиевский В.М., Плещев В.М., Никитин В.И., Никитин К.В.; заявитель и патентообладатель ООО «СИАМС». - 2012618579; заявл. 11.10.12; опубл. 5.12.12.

47. Пат. на полезную модель №131379 Российской Федерации, МПК С22С 21/00, G01N 1/10. Устройство для отбора алюминиевого расплава [Текст] / Никитин К.В., Тимошкин И.Ю., Никитин В.И. и др.; завитель и патентообладатель Самарск. гос.-техн. ун-т. -2013103655/02; заявл.28.01.13; опубл. 20.08.13.

Статьи в других изданиях:

48. Никитин, К.В. Исследование технологии переплава стружки и металлошла-ков на основе алюминиевых сплавов [Текст] / К.В. Никитин, Е.А. Лохмачев, Г.М. Шишков // Прогрессивные литейные технологии: Тез. докл. 2 междун. науч.-практ. конф,- М.: ИД МЕДПРАКТИКА-М, 2002. -С. 85-86.

49.Никитин, К.В. Особенности приготовления промышленных силуминов с позиции генной инженерии [Текст] / К.В. Никитин // Прогрессивные литейные технологии: Тез. докл. 2 междун. науч.-практ. конф,- М.: ИД МЕДПРАКТИКА-М, 2002.-С. 12-13.

50. Никитин, В.И. Современные достижения в металлургической наследственности и модифицировании силуминов [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин // Эвтектика-VI: Труды шестой междунар. конф.- Запорожье. -2003. -С. 199-205.

51. Никитин, К.В. Особенности плавления и кристаллизации сплава АК6М2 [Текст] / К.В. Никитин, А.Л. Бельтюков // VI съезд литейщиков России: Тез. докл. Екатеринбург. — 2003. — С. 31-33.

52. Никитин, В.И. Научные принципы создания нового класса мелкокристаллических модификаторов для металлических расплавов [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин // Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов: Материалы IV международной конференции - М.: Знание, 2005.-С.297-307.

53. Никитин, К.В. Применение САМ ЛП «ПОЛИГОН» для оптимизации конструкции кокиля отливки «корпус» из сплава АК8МЗч [Текст] / К.В. Никитин, Б.В. Вялов // Литейное производство сегодня и завтра: Тез. докл. шестой Все-росс. науч.-практ. конф.- СПб.- 2006. -С. 266-270.

54. Никитин, К.В. Влияние вида шихтового кремния на структуру и свойства за-эвтектических силуминов [Текст] / К.В. Никитин, И.Ю. Тимошкин // Прогрессивные литейные технологии: Труды 4 междунар. науч.-практ. конф. М.: ИД МЕДПРАКТИКА-М -2007. -С. 252-255.

55. Никитин, К.В. Разработка технологии генной инженерии для получения за-эвтектических силуминов с мелкокристаллической структурой [Текст] / К.В. Никитин // Труды восьмого съезда литейщиков России. Ростов-на-Дону. -2007. -С. 253-257.

56. Никитин, В.И. Программно-аппаратный комплекс для определения балла пористости в алюминиевых литейных сплавах [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, Ю.Р. Яковлев, В.М. Алиевский // Труды восьмого съезда литейщиков России. Ростов-на-Дону. -2007. -С. 257-261.

57. Никитин, К.В. Разработка эффективных технологий приготовления алюминиевых сплавов с целью повышения ресурсных характеристик литых поршней [Текст] / К.В. Никитин // Автопром в России: стратегия развития сборочных заводов, конкурентоспособность российских компонентов. Матер, конф. Тольятти. -2007. -С. 178-181.

58. Никитин, К.В. Инновационные компьютерные технологии для исследования и оперативного контроля структуры и газовой пористости алюминиевых сплавов с целью повышения эксплуатационной надежности литых деталей авто-

мобильного назначения [Текст] / К.В. Никитин, Ю.Р. Яковлев // Автопром в России: стратегия развития сборочных заводов, конкурентоспособность российских компонентов. Матер, конф. Тольятти. -2007. -С. 182-185.

59. Никитин, КВ. Теоретические и практические предпосылки развития технологий наномодифицирования сплавов на основе алюминия [Текст] / К.В. Никитин // Наследственность в литейных процессах: Труды VII междунар. науч.-техн. симпозиума. Самара: СамГТУ, 2008 - С. 286-290.

60. Никитин, В.И. Наследственное влияние структуры лигатуры Al-10%Sr на модифицируемость бинарного доэвтектического силумина [Текст] / В.И. Никитин, Д.А. Курилкин, К.В. Никитин II Прогрессивные литейные технологии: Труды 5 междунар. науч.-практ. конф. М.: Лаборатория рекламы й печати. -2009. - С. 88-92.

61. Никитин, В.И. Создание инновационных технологий на основе явления структурной наследственности в цветных сплавах [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин II Цветные металлы Сибири: материалы I междунар. конгресса. Красноярск: СФУ. - 2009. - С.193-198.

62. Никитин, В.И. Наследственное влияние структуры лигатуры AlSr на модифицируемость силуминов [Текст] / В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Акишин и др. // Труды 10-го съезда литейщиков России. Казань. -2011. — С. 181-186.

63. Никитин, В.И. Проблемы в производстве алюминиевых отливок автомобильного назначения и пути их решения [Текст] / В.И. Никитин, А.К. Тихонов, КВ. Никитин // Труды 10-го съезда литейщиков России. Казань. -2011. - С. 175-180.

64. Никитин, КВ. Рециклинг деформированных отходов сплава АМц в производстве алюминиевых литейных сплавов [Текст] / К.В. Никитин, В.И. Никитин и др. // Прогрессивные литейные технологии: Труды 6-й международной научно-технической конференции. М.: Лаборатория рекламы и печати, 2011. - С. 70-74.

65. Никитин, КВ. Экспресс-метод для определения плотности расплавов на основе алюминия [Текст] / К.В. Никитин, П.И. Панышев, И.Ю. Тимошкин и др. // Прогрессивные литейные технологии: Труды 6-й международной научно-технической конференции. М.: Лаборатория рекламы и печати, 2011. - С. 7476.

66. Никитин, КВ. Наследственное влияние литой структуры на плотность силуминов в системе «твердое-жидкое-твердое» [Электронный ресурс] / К.В. Никитин, П.И. Панышев, Д.Ф. Салахутдинов и др. // Взаимодействие науки и литей-но-металлургического производства: Материалы всеросс. научн.-техн. конф. с междунар. участ. Самара: СамГТУ, 2012. электрон, опт. диск. (CD-ROM).

Подписано в печать 20.11.2013 г. Объем 2,5 усл.п.л. Бумага офсетная. Заказ: №684, Тираж: 100 экз. Отпечатано в типографии ИП Котельников В.А. 443074, г. Самара, ул. Мориса Тореза, 71

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО И КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

ШИХТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

На правах рукописи

НИКИТИН Константин Владимирович

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара - 2013

Содержание

Введение.....................................................................................5

1. Современные теоретические и практические подходы в управлении структурой и свойствами сплавов.................................................13

1.1. Экспериментальные и теоретические основы управления структурой и свойствами сплавов..............................................................13

1.2. Роль расплавов в передаче структурной информации в системе «твердое-жидкое-твердое»......................................................24

1.3. О видах передачи структурной информации в металлических системах.............................................................................37

1.4. Управление структурой и свойствами металлов и сплавов на практике............................................................................47

2. Методика исследования...................................................................62

2.1. Общая схема исследования. Основное оборудование и шихтовые металлы.............................................................................62

2.2. Методы исследования структуры и физико-механических свойств сплавов..............................................................................65

2.3. Разработка экспресс-метода для определения плотности алюминиевых расплавов...........................................................................67

2.4. Расчетный метод прогнозирования плотности и предела прочности сплавов в твердом состоянии..................................................74

3. Исследование взаимосвязи структуры и свойств в модельных сплавах на основе алюминия в системе «твердое-жидкое-твердое»...................................................................................82

3.1. Взаимосвязь структуры и свойств в двойных сплавах эвтектической системы Al-Si.....................................................................84

3.2. Взаимосвязь структуры и свойств в системах с соединениями (Al-Cu, Al-Ti, Al-Si-Cu-Ti)...............................................................107

3.3. Теоретическое обоснование применения физических способов

воздействия на расплавы......................................................126

Выводы по главе 3...............................................................134

4. Влияние металлургических факторов на качество промышленных силуминов.............................................................................139

4.1. Формирование структурной наследственности при получении чушковых силуминов............................................................140

4.2. Проявление структурной наследственности в производстве фасонного алюминиевого литья............................................................154

4.3. Влияние структуры шихтовых металлов на свойства сплавов в системе «твердое-жидкое-твердое»....................................................169

4.4. Влияние природы сплавов и структуры шихты на склонность сплавов

к флюсовой обработке.........................................................176

Выводы по главе 4...............................................................187

5. Разработка комплексных технологий получения микрокристаллических лигатур и модификаторов для обработки алюминиевых сплавов.................................................................................191

5.1. Технологии получения легирующих лигатур......................................192

5.2. Технологии получения модификаторов.........................................209

5.3. Исследование эффективности опытных лигатур и модификаторов..220

Выводы по главе 5.......................................................................243

6. Разработка комплекса технико-технологических решений, промышленная апробация и внедрение результатов исследований...........................248

6.1. Разработка регламента технологического аудита в производствах алюминиевого литья............................................................248

6.2. Совершенствование технологий получения кокильных корпусных отливок из высокопрочных сплавов АК9ч и АК8МЗч.......................253

6.3. Повышение эффективности производства алюминиевого литья автомобильного назначения...................................................274

\

6.3.1. Разработка технологии магнитно-импульсной обработки алюминиевых расплавов......................................................278

6.3.2. Комплексная подготовка расплавов к литью в условиях ОАО «АВТОВАЗ»......................................................................291

6.4. Разработка технологии и организация малотоннажного производства

литого припоя....................................................................299

Выводы по главе 6...............................................................306

Общие выводы по работе.......................................................310

Список литературы..............................................................318

Приложение А....................................................................351

Приложение Б.....................................................................354

Приложение В....................................................................357

Приложение Г....................................................................359

Приложение Д.....................................................................360

Приложение Е....................................................................361

Приложение Ж.....................................................................362

Приложение 3.....................................................................363

Приложение И....................................................................366

Приложение К....................................................................367

Приложение Л....................................................................375

Введение

Актуальность проблемы. Изделия из алюминия и его сплавов находят широкое применение в транспортном машиностроении (до 40%), строительстве (до 20%), энергетике (до 10%), упаковке (до 18%). В связи с их высокой ценой актуальными становятся задачи по рациональному использованию вторичных (рециклируемых) металлов и сплавов. При этом неизбежно возникают проблемы по обеспечению современного уровня надежности и качества изделий из вторичных алюминиевых сплавов.

В связи с этим разработка научно-обоснованных технических и технологических решений для повышения эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов различного назначения является актуальной научно-техническим направлением. Существующие проблемы могут быть успешно решены за счет управления структурой и свойствами сплавов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях. Реализация такого подхода на практике может быть осуществлена при получении основных видов шихтовых металлов: микрокристаллических лигатур, модификаторов с металлической матрицей, чушковых сплавов с дисперсной и однородной кристаллической структурой и т.д. Положительная структурная информация от шихтовых металлов при определенных условиях может устойчиво транслироваться в конечные литые изделия, обеспечивая гарантированный запас технологических и механических свойств. Актуальность выбранного направления подтверждается тем, что настоящая работа соответствует таким положениям Технологической платформы «Материалы и технологии металлургии», как «Проведение комплекса работ по разработке стратегии устойчивого и ресурсно-возобновляемого развития металлургической отрасли, включающего технологии повышения качества металлов и сплавов за счет легирования, модифицирования; создание новых экономичных и эффективных

лигатур и способов их использования для повышения качества металлопродукции».

Работа выполнена в рамках реализации исследований по заданию Минобрнауки России (2003-2012 г.г.); контракта № П181 на 2010-2011 г.г. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 г.г.» («Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению - Металлургические технологии»); программы сотрудничества ОАО «АВТОВАЗ» с базовыми ВУЗами России «Разработка комплексной внепечной обработки расплавов и модернизация технологии получения автомобильных отливок из алюминиевых сплавов на 2012-2016 г.г.»; Межотраслевой программы по освоению новых видов и улучшению качества металлопродукции для автомобилестроения на период 2010-2015 г.г.; контракта № 14.513.11.0042 на 2013 г. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 г.г.» (лот 2013-1.3-14-513-0070 - Разработка научно-технических основ технологии создания сплавов на основе алюминия с улучшенными свойствами с использованием нанодисперсных неметаллических модификаторов).

Целью работы является исследование и разработка научно-обоснованного комплекса технических и технологических решений и промышленное внедрение комплексных технологий, направленных на повышение эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов функционального и конструкционного назначений на основе управления структурой и свойствами шихтовых металлов.

К функциональным сплавам отнесены:

- легирующие и модифицирующие лигатуры систем Al-Si, Al-Cu, Al-Fe, Al-Ni, Al-Ti, Al-Sr;

- припои систем Al-Si, Al-Cu-Si;

К конструкционным сплавам отнесены литейные сплавы I и II групп (ГОСТ 1583-93):

- Al-Si-Mg (АК7ч, АК9ч);

- Al-Si-Cu (АК6М2, АК8МЗч, АК12М2).

- сплав системы Al-Si-Cu-Ni (АК10М2Н, ГОСТ 30620-98).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Усовершенствовать экспресс-методы для определения свойств сплавов на основе алюминия в твердом (балл пористости) и жидком (плотность) состояниях.

2. Усовершенствовать методику расчета для прогнозирования плотностей и пределов прочности алюминиевых сплавов в литом состоянии в зависимости от их химического состава.

3. Уточнить механизмы длительного сохранения унаследованной структурной информации в жидком состоянии в зависимости от структуры шихтовых металлов и сплавов.

4. Исследовать комплексное влияние физических способов воздействия на сплавы в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях на структуру и свойства сплавов функционального и конструкционного назначений.

5. Разработать ресурсосберегающие технологии получения микрокристаллических легирующих лигатур и модификаторов с максимальным использованием рециклируемых металлических отходов.

6. Выполнить промышленную апробацию и внедрение разработанных технологий.

Научная новизна.

1. Определена устойчивая взаимосвязь структуры шихты с плотностью расплавов систем Al-Si, Al-Cu и Al-Si-Cu-Ti в широком диапазоне температур. Получены новые научные данные об особенностях строения расплавов указанных систем в зависимости от их предыстории.

2. Впервые доказано, что перегревы расплавов вплоть до 1350°С не устраняют их микрогетерогенность, унаследованную от структуры исходной шихты. На основании вискозиметрических исследований жидких заэвтектических сплавов системы Al-Si расширены представления о температурных границах сохранения унаследованной структурной микронеоднородности. Сделано обоснованное предположение о существовании в заэвтектических расплавах дисперсных частиц кремния с ковалентным типом связи (Si-Si)K, с металлическим типом связи (Sí-Sí)m и дисперсных фаз переменных составов AlxSiy.

3. Впервые получена количественная зависимость, характеризующая особенности структурного состояния заэвтектических расплавов системы Al-Si в зависимости от их предыстории с позиции модели микрогетерогенного строения.

4. Применительно к системе Al-Si впервые выполнены расчеты с использованием известных закономерностей теории упругости, показавшие возможность твердофазного диспергирования шихтового кремния в расплаве алюминия при низких температурах (менее 750°С).

5. Впервые научно обоснована эффективность обработки расплавов физическими воздействиями, основанными на использовании импульсных электромагнитных полей. Предложена математическая зависимость, объясняющая данную целесообразность.

6. Теоретически обоснована целесообразность сокращения времени выдержки при термообработке отливок из силуминов в зависимости от степени измельчения структурных составляющих сплава после модифицирования микрокристаллическими модификаторами.

Практическая значимость.

1. Разработана методика расчета для прогнозирования плотности и предела прочности алюминиевых литейных сплавов по их химическим составам в литом состоянии при литье в кокиль. На основании данной методики предложены критериальные коэффициенты для плотности Кд и прочности К|, позволяющие оценивать эффективность оказываемых на сплавы воздействий.

2. Совместно с компанией «СИАМС» (г. Екатеринбург) разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс «Темплет 87. АЛС» для автоматизированного определения балла пористости в чушковых алюминиевых сплавах, состоящий из двух модулей: 1 -Определение балла пористости по ГОСТ1583-93; 2 - Расширенный анализ пористости по всей площади темплета.

3. Впервые выполнено исследование эффективности основных солевых препаратов ведущих производителей (Россия, Германия, Италия) для рафинирующей и модифицирующей обработки расплавов силуминов автомобильного назначения. Определены параметры, позволяющие выбирать вид солевого препарата с учетом структуры шихтовых металлов и природы силуминов.

4. Опробованы и реализованы новые специальные способы воздействия на лигатурные сплавы - жидкофазная обработка электромагнитными акустическими полями (ЭМАП), твердофазное воздействие концентрированными потоками энергии (плазменная обработка).

5. Разработанные научно-технические и технологические решения систематизированы и реализованы в комплексные технологии получения микрокристаллических лигатур и модификаторов специальными способами с использованием до 100% рециклируемых металлических отходов.

6. Разработан регламент технологического аудита в производстве алюминиевого литья. Выполнен анализ действующих технологий получения чушковых сплавов на предприятиях вторичной металлургии и кокильных отливок в литейных цехах предприятий машиностроительной и аэрокосмической отраслей.

7. Совместно с Самарским аэрокосмическим университетом (СГАУ) изготовлена действующая установка для обработки расплавов в тиглях раздаточных печей по осевой схеме воздействия импульсными магнитными полями (магнитно-импульсная обработка - МИО).

8. В промышленных условиях реализованы технические и технологические решения, способствующие повышению эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов на пяти предприятиях России.

9. Разработана технология и организовано малотоннажное производство микрокристаллического припоя А34 (А1-28%Си-6%81) в виде литых прутков.

Методы исследования. Работа выполнена с использованием современных методов исследования: оптическая и электронная микроскопия; локальный рентгеноспектральный анализ; определение структурно-чувствительных характеристик расплавов (плотности, вязкости, угла смачивания, дифференциально-термического анализа); определение газосодержания алюминиевых расплавов методом вакуум-экстракции; определение параметров микроструктуры и балла газовой пористости с применением программно-аппаратных комплексов 81АМ8-700 и ТЕМПЛЕТ 87-АЛС; испытания механических свойств; неразрушающие методы контроля (электропроводность) структуры сплавов; моделирование гидродинамических и кристаллизационных процессов с применением систем автоматического моделирования литейных процессов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое обоснование высокотемпературного сохранения структурной информации в жидких алюминиевых сплавах.

2. Уточненная модель микрогетерогенного строения заэвтектических расплавов системы Al-Si.

3. Низкотемпературная технология получения микрокристаллических лигатур AISi.

4. Комплексные технологии получения и применения микрокристаллических лигатур и модификаторов.

5. Результаты промышленной апробации разработанных технологий.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и разработанных технологий основана на использовании современных методов исследования алюминиевых сплавов в твердом, жидком и кристаллизующемся состояниях, применении статистических методов обработки результатов, воспроизводимостью установленных закономерностей на алюминиевых сплавах различных систем и назначений, результатами опытно-промышленных испытаний, внедрениями и патентами.

Реализация результатов работы в промышленности. На предприятиях ФГУП «Вольский механический завод» (г. Вольск), ОАО ДО «МЗ-Ижмаш» (г. Ижевск), ОАО «Тула-Электропривод» (г. Тула), ОАО «МОСОБЛПРОММОНТАЖ» (г. Воскресенск, Московская обл.), ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти) выполнены технологические аудиты литейных производств, способствовавшие повышению эффективности производства литых изделий из алюминиевых сплавов. Внедрены технологии подготовки расплавов к литью при получении корпусных кокильных отливок ответственного назначения из сплавов АК9ч (ОАО «Гидроавтоматика», г. Самара) и АК8МЗч (ФГУП «ВМЗ», г. Вольск). Внедрена технология получения чушкового сплава АК8МЗч улучшенного качества (ООО ПКФ «Вершина», г. Самара). Для производства алюминиевого литья ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти)

разработан и реализован комплекс мероприятий: разработка и выполнение программы по повыш