автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии производства слитков из сплавов системы алюминий-магний-кремний с регламентированными структурой и свойствами

1 ' ' "•■'> / На правах рукописи

, Л /7 'У ВОРОБЬЕВ Олег Ильич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ МАГНИЙ - КРЕМНИЙ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫМИ

СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.16.04- Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1997

Работа выполнена в акционерном обществе Каменск - Уральский металлургический завод

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Замятин В. М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Чуркин Б. С.; кандидат технических наук, доцент Шуликов Е. А. Акционерное общество Верхне-Салдинское металлургическое производственное объединение г. Верхняя Салда

Ведущее предприятие:

Защита состоится" 19 " мая 1997г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 063.14.01 при Уральском государственном техническом университете. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета. .

Ваш отзыв, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу : 620002 , г.Екатеринбург , К-2 , ул. Мира ,19, УГТУ, ученому секретарю университета.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д063.14.01, доктор

технических наук, профессор

Шумаков Н.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На экономике России сказывается существенное отставание от развитых стран мира в потреблении алюминиевых сплавов для общетехнических целей. Прежде всего чтп автомобильная, строительная, сельскохозяйственная промышленность. Например, доля алюминия в строительстве в Японии занимает около 30 %, США -20 %, России -7 %.

Значительный объем производства в развитых странах занимает прессованная продукция из алюминиевых сплавов. К ее качеству потребители предъявляют весьма строгие требования. В первую очередь это качество поверхности изделия, структура и строго определенные механические свойства. Эти характеристики полуфабрикатов зависят от состояния исходного слитка, которое определяется содержанием газов и неметаллических включений, характером распределения легирующих элементов по сечению, дисперсностью структуры и уровнем механических свойств.

Общие закономерности процессов рафинирования, модифицирования и литья слитков алюминиевых сплавов установлены в работах отечественных и зарубежных ученых. Однако их использование для разработки технологии производства слитков сплавов системы А1-]^-81 не обеспечивает получения слитков и полуфабрикатов с требуемой структурой и свойствами. Следовательно, необходимо дальнейшее изучение и уточнение закономерностей процессов рафинирования, модифицирования и литья слитков сплавов системы АМ^-Б! и использование выявленных закономерностей для разработки технологии производства слитков, полуфабрикатов и изделий из этих сплавов высокого качества. При этом выбор наиболее эффективного метода производства слитков должен осуществляться с учетом требований к изделию и экономической целесообразности.

Важную роль в качестве изделий играет поверхность слитка, определяемая способом литья и материалом кристаллизатора. За рубежом широко распространен способ литья слитков с горячим верхом. У нас он осваивается на одном - двух заводах.

Итак, проблема получения слитков сплавов системы А1-Мд-81 с высоким качеством поверхности и регламентированной структурой остается весьма актуальной.

Цель работы. Разработать и внедрить в производство технологию литья слитков диаметром 90-530 мм из алюминиевых сплавов системы А1-(по АБТМ серии 6000), обеспечивающую высокое качество поверх-

ности слитков, равномерную по их сечению мелкозернистую структуру, низкую газонасыщенность и высокую технологичность.

Научная новизна. В результате систематических промышленных исследований отдельных стадий технологии производства слитков из сплавов системы Al-Mg-Si удалось выявить закономерности влияния параметров процессов рафинирования, модифицирования и литья жидких алюминиевых сплавов.серии 6000 на структуру, механические свойства, качество поверхности слитков и изготовленных из них прессованных и штампованных полуфабрикатов. Анализ полученных данных позволил:

- разработать новый способ литья слитков из алюминиевых сплавов серии 6000 в многокристаллизаторные литейные системы с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами (A.c. № 831295);

- установить аналитическое соотношение между диаметром слитка, диаметром литникового отверстия в теплоизоляционной плите, скоростью литья и коэффициентом расхода металла, обеспечивающее устойчивый процесс литья слитков с качественной поверхностью (А.с.№ 933199);

- разработать новый способ рафинирования сплавов серии 6000, включающий обработку их флюсом (A.c. № 1181323) и продувку смесью активного и нейтрального газов (A.c. № 1420963) и обеспечивающий стабильное получение содержания водорода в расплавах в пределах 0.15-0.20 см3 /100 г металла;

- усовершенствовать способ модифицирования алюминиевых сплавов серии 6000 путем непрерывной подачи прутка (из лигатуры алюминий -5% титана -1% бора) в расплав на пути миксер кристаллизатор и стабильно получать мелкозернистую структуру (1500-2000 зерен в 1см2 ) слитков вне зависимости от времени разливки.

Практическая значимость. Внедрение в производство высокопроизводительных многокристаллизаторных литейных систем с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами, прогрессивных способов рафинирования и модифицирования обеспечило стабильное получение слитков с высоким качеством поверхности и мелкозернистой однородной структурой. Это дало возможность акционерному обществу Каменск-Уральский металлургический завод выполнять зарубежные заказы на слитки, профили, прутки, штамповки и другую продукцию, удовлетворяющую требованиям стандартов ведущих стран мира.

По разработанной технологии за 1994-1995 годы отлито более 3000 тонн слитков из сплавов 6060, 6061, 6063, 6082, АД31. Выполнено большое количество зарубежных контрактов на поставки продукции из этих

сплавов. Доля автора в экономическом эффекте от использования результатов работы составила 139541 тыс.рублей в ценах 1994-1995 годов. По результатам работы выпущены новые или сделаны дополнения в существующие технологические инструкции по всему технологическому циклу.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Качественную поверхность, дисперсную однородную макро- и микроструктуру слитков из алюминиевых сплавов серии 6000 можно получить при полунепрерывном литье слитков в графитовые кристаллизаторы : с горячим верхом только при определенном соотношении параметров литья (скорость и температура литья, давление и расход охлаждающей воды) и применении ряда конструктивных особенностей литейной системы.

2. Зерноизмельчающая способность лигатуры А1 - Т1 - В при модифицировании ею сплавов системы А1 - Мд - зависит от состава лигатуры, размера интерметаллидных частиц ТгВг в ее структуре , промежутка времени от момента введения лигатуры в жидкий сплав до момента кристаллизации последнего. Только при определенном сочетании этих факторов возможно получение слитков из сплавов системы А1 -- Б! с мелкозернистой и однородной по объему структурой (до 2000 зерен на 1 см2 площади шлифа). Наиболее вероятными центрами кристаллизации этих сплавов являются кластеры СП , А1)хВу , формирующиеся при введении лигатуры А1 - 5 % Т1 - 1 % В в расплав.

3. Содержание водорода и неметаллических включений в слитках алюминиевых сплавов серии 6000 можно существенно уменьшить путем применения комплексного рафинирования жидкого расплава карналли-товым флюсом в печи и смесью аргона и хлора в миксере.

4. Зернистая структура слитков из сплавов серии 6000 оказывает существенное наследственное влияние на структуру и свойства изготовленных из них полуфабрикатов.

Апробация работы Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих научно-практических конференциях:

1. Шестой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 1975 г.

2. Восьмой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Верхняя Салда, 1979 г.

3. Девятой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Красноярск, 1981 г.

4. Десятой отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, г. Каменск - Уральский, 1984 г.

5. Отраслевой конференции по литейному производству, г. Каменск-Уральский, 1992 г.

6. Отраслевом семинаре по производству слитков в системы с горячим верхом, г. Каменск - Уральский, 1993 г.

7. Восьмой всероссийской конференции по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов, г. Екатеринбург, 1994 г.

Объем работы

Диссертация состоит из введения , пяти глав , общих выводов, списка литературы и трех приложений. Изложена на 236 страницах, включая 196 страниц машинописного текста , 49 рисунков и 30 таблиц. Список использованной литературы включает 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы , сформулированы ее цель, задачи, результаты и научные положения,

#

1. Сплавы на основе системы алюминий-магний-кремний

Сплавы на основе системы АЫ^^ (серии 6000) широко применяются в качестве конструкционных и декоративных материалов благодаря комплексу свойств: хорошей коррозионной стойкости, технологичности, высокой пластичности, способности подвергаться нанесению различных покрытий. Высокую пластичность эти сплавы имеют как в отожженном свежезакаленном, так и в естественно или в искусственно состаренном состояниях. Это позволяет применять значительные степени деформации. Эта сплавы также подвергаются разным видам сварки. Применяются они в различных отраслях промышленности, где требуется сочетание средней прочности, хорошей технологичности и декоративного вида.

В нашей стране из сплавов этой системы используются марки АД31, АДЗЗ, АД35, АВ. При среднем содержании магния и кремния сплавы АД31, АД35 и АВ имеют фазовый состав + 81, сплав АДЗЗ -состав +Мй81. Кроме основных упрочняющих фаз Мц^ и сплавы в зависимости от состава содержат хром, марганец, железо, медь, титан с образованием интерметаллических соединений А18^е, А1СгРе81, АШеМ^й и Других.

В диссертации подробно описано влияние каждого элемента и их сочетаний на механические характеристики, даны примеры использования сплавов в разных отраслях промышленности. Отмечено, что использование четырех марок отечественных сплавов явно недостаточно для получения всей гаммы свойств, которые можно получить, варьируя содержание магния и кремния.

За рубежом в системе А1-М§-51 разработано и применяется более 30 сплавов. Их развитие идет в следующих направлениях :

1. При соотношетш М^чм-!.?, отвечающем содержанию этих элементов в квазибинарном разрезе /\l-Mg2Si, упрочнение этих сплавов создается фазой МдгБь

2. При соотношении 81/Мд>1 упрочнение этих сплавов создается фазой

и избыточным 81.

В последние годы усилия металлургов во всех странах направлены на выделение из системы сплавов с очень ограниченным про-

центным содержанием Мд и для получения различных уровней предела прочности и максимальной прессуемости. Свойства сплавов определяются суммарным процентным содержанием Мд и и их фракционным избытком относительно содержания в упрочняющей фазе М&Б!. Новые сплавы отличаются малым содержанием магния (примерно 0.5%), повышенным содержанием избыточного кремния (+0.3 - 0.5%) относительно фазы М;^ и наличием переходных элементов Мп, Сг, 7л, добавляемых в определенных количествах и сочетаниях.

Итак, во всех странах идет бурное развитие сплавов системы А1-М§-8]. Это доказывают многочисленные запросы иностранных фирм на слитки и полуфабрикаты из этих сплавов. В связи с этим была поставлена задача разработать промышленную технологию производства слитков этой серии, отвечающей иностранным стандартам.

Исследование процессов и разработка способов рафинирования

и модифицирования сплавов системы А1-М{;-8!

До постановки данной работы рафинирование алюминиевых сплавов осуществлялось газообразным хлором, вводимым в расплав с помощью трубки диаметром 18 мм. Такой способ рафинирования расплавов оказался недостаточно эффективным применительно к сплавам системы А1-М§-81, так как не удавалось снизить содержание водорода в них менее 0.20 см 3/100г металла. Причина этого заключается в малом времени пребывания газовых пузырьков в расплаве, незначительной поверхности контакта продуваемого газа с жидким металлом и ограниченности зоны воздействия газа на расплав.

В целях повышения эффективности процесса рафинирования расплавов газами в данной работе разработан новый способ введения газа в расплав, обеспечивающий интенсивное движение расплава за счет увеличения скорости истечения из керамической трубки газовода и образование пузырьков газа диаметром 1-2 мм. В промышленных условиях изучено влияние концентрации хлора в газовой смеси аргон-хлор на процесс рафинирования сплавов системы (сплавы 6060,6061, 6063, 6082) от водорода, оксида алюминия и натрия. Установлено, что по мере увеличения содержания хлора в смеси до 10 объемн.% наблюдается интенсивное удаление из расплава водорода, оксида алюминия и натрия (рис.1).

И, сн'/Шг 0.6 ом 0.2

[А1А1 чо*>% к

3

2 <

[л/о

гг 8

4

¿0

.60

80

се

2 >

(00 ссъепп.

Рис. 1. Зависимость содержания водорода, оксидов АЬО з и натрия в сплавах системы А1 - - Б! от процентного содержания хлора в рафинирующей смеси аргон- хлор:

- сплав 6061

- сплав 6082

- сплав 6060

Дальнейшее увеличение содержания хлора в смеси оказывается малоэффективным с точки зрения удаления водорода и оксида алюминия из изученных расплавов. Процесс удаления водорода из жидких сплавов системы AI-Mg-Si при содержании в смеси хлора менее 10 % лимитируется кинетикой перехода атомов водорода с поверхности в объем газовых пузырьков, а при содержании более 10 % хлора - диффузией атомов водорода из расплава к поверхности раздела расплав - газовый пузырек.

Разработаны, изготовлены и внедрены в производство установки для осушки аргона, для осушки и очистки от примесей хлора, для смешения аргона и хлора. Предложена и реализована новая конструкция газовода для ввода газовой смеси в расплавы, обеспечивающая существенное диспергирование рафинирующего газа.

Разработанный способ рафинирования сплавов серии 6000 смесью аргон -10 % хлора обеспечил получение содержания водорода в сплавах в пределах 0,15-0,20 см 3\100г металла, что удовлетворяет требованиям иностранных стандартов.

Исследовано влияние различного количества слоев и размера ячеек стеклосетки на устойчивость процесса литья и чистоту металла по оксидным включениям (метод пробы В.И.Добаткина). Установлено, что многостадийная фильтрация металла, в том числе через несколько слоев в восходящем потоке, с постепенным уменьшением размера ячейки стеклосетки, позволяет получать слитки со степенью загрязнения по неметаллическим включениям менее 0,001 мм 2/ см 2, что удовлетворяет требованиям стандартов по чистоте металла.

Одна из задач данной работы заключалась в уточнении действия таких известных модификаторов, как титан и бор, на структуру сплавов системы алюминий - магний - кремний и установлении влияния некоторых технологических факторов на процесс модифицирования этих сплавов. Исследование влияния тройной лигатуры Al-Ti-B с различным соотношением титана и бора на процесс измельчения зерна в слитках сплавов системы Al-Mg-Si показало, что, при прочих равных условиях, наиболее сильный модифицирующий эффект достигается в случае использования лигатуры состава Al-5%Ti-l%B ( рис. 2). В результате исследования различных способов введения лигатуры Al-Ti-B в жидкие сплавы системы Al-Mg-Si (печь, миксер, прилеточная коробка миксера) установлено, что непрерывное введение лигатуры Al-5%Ti-l%B в виде прутка диаметром 8 мм со скоростью 140-150 ""/юш в прилеточную коробку с расплавом в процессе литья слитков обеспечивает стабильное и наиболее существенное измельчение зерна слитков ( до 2000 зерен в 1 см 2 площади шлифа).

Разработана технология производства прутка из лигатуры Al-5%Ti-1%В, позволяющая получать в структуре прутка частицы интерметаллидов

ТШ2 с максимальным размером 60 мкм и наиболее вероятным размером 79 мкм. Разработана установка непрерывной подачи лигатурного прутка в расплав, поступающий в установленную на пути миксер-кристаллизатор прилеточную коробку в процессе полунепрерывного литья слитков.

Наиболее вероятными центрами кристаллизации сплавов системы А1-Г%-51, модифицированных лигатурой А1-5%Ть1%В, являются кластеры (ЦА1)хВу, формирующиеся в жвдком сплаве вследствие растворения ин-терметаллидных частиц ТШ2.

Рис. 2. Сравнительные данные об измельчении зерна в слитках сплава АДЗ1 в зависимости от состава лигатуры А1 - Т} - В:

1 - А1 - 5%Л - 1%В

2 - А1 - 2%Т1 - 1%В

3 - А1 - 5%Т1 - 0,25%В

4 - А1 - 6%Тт

Разработка конструктивных особенностей многокристаллиза-торных систем с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами для литья слитков из сплавов системы АМ^-Б»

Материал и конструкция кристаллизатора, а также технология литья слитков влияют на механизм образования твердой корочки, на ее состояние и величину трения между корочкой и кристаллизатором. В случае, если нет каких-либо помех, затвердевающая корочка без повреждений скользит по кристаллизатору и получается очень гладкая поверхность. К сожалению, такой идеальный случай встречается очень редко. Причина

этого - прорыв металла через затвердевшую корочку и зависание ее на стенке кристаллизатора вследствие действия силы трения. В результате нарушения целостности корочки на поверхности слитка образуются такие дефекты, как ликвационные нанлывы, надрывы, обрыв слитка. Металлические кристаллизаторы, широко применяющиеся при вертикальном литье, в данном случае будут иметь существенный недостаток. Для их успешной работы необходима организация непрерывной подачи смазки в кристаллизатор. Причем смазка должна подаваться в строго дозированном количестве и равномерно по всему периметру кристаллизатора. Создание узла непрерывной смазки приведет к усложнению конструкции установки и скажется на устойчивости ее работы. Перечисленные зыше недостатки устраняются при литье в кристаллизаторы, изготовленные из графитового материала. В данной работе с целью повышения качества поверхности отливаемых слитков и обеспечения стабильности процесса литья в качестве материала кристаллизатора опробовано 9 марок отечественного графита различной пористости при непрерывном литье слитков алюминиевых сплавов. Установлено, что пористый графит марок ЭГО, Б7, АРВ-2, МГ-1 непригоден для изготовления кристаллизаторов. Применение различных способов защиты наружной стенки графитового кристаллизатора от проникновения через нее воды (омеднение, пропитка химически стойкими веществами) оказалось недостаточно эффективным. Установлено, что в качестве материала для изготовления кристаллизатора следует использовать графит марок МПГ7 и МПГ8.

Разработана оригинальная конструкция многокрнсталлизаторной системы (8-12 кристаллизаторов) с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами ( A.c. № 831295 ) для литья слитков диаметром 50-200мм

Рис. 3. Схема литейной системы с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами

Экспериментально определены оптимальные параметры литья (диаметр литникового отверстия - диафрагмы - в теплоизоляционном перекрытии, скорость и температура литья, расход и давление охлаждающей воды) слитков заданного диаметра в графитовые кристаллизаторы.

Рис. 4. Изотермы затвердевания по сечению слитков при литье в графитовый кристаллизатор (б) и металлический кристаллизатор (а): - результаты замера глубины лунки методом ощупывания фронта кристаллизации Исследование профиля лунки и переходной зоны слитка методом вмораживания термопар показало, что при замене металлического кристаллизатора графитовым (литье слитков диаметром 190 мм из сплава АД31 ) наблюдается существенное увеличение скорости охлаждения слитка в эффективном интервале кристаллизации, уменьшение глубины жидкой лунки и сужение переходной области по сечению слитка (рис. 4).

Наблюдаемое увеличение скорости охлаждения слитка в эффективном интервале кристаллизации, уменьшение глубины лунки, сужение переходной области обусловлены усилением теплоотвода при литье слитков в графитовые кристаллизаторы вследствие сравнительно небольшой их высоты и более близким расположением зоны вторичного охлаждения по отношению к уровню расплава в лунке, а также теплопроводностью графита.

Всестороннее исследование структуры и свойств слитков из сплавов системы Al-Mg-Si

В процессе отработки конструкции многокристаллизаторных систем с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами, с учетом изучения закономерностей рафинирования и модифицирования сплавов, был выбран оптимальный технологический процесс производства слитков с мелкозернистой, равномерной по сечению структурой и высоким качеством поверхности. Для подтверждения правильности выбранных технологических параметров были проведены исследования разных диаметров из сплавов АД31, 6060, 6061, 6063, 6082. Результаты сравнительных исследований структуры и механических свойств слитков из сплавов серии 6000, отливаемых в металлические и графитовые кристаллизаторы, показали, что:

1. Макроструктура слитков, отливаемых в графитовые кристаллизаторы, мелкозернистая, равномерная по сечению. Макроструктура слитков того же диаметра, отлитых в металлические кристаллизаторы, разнозернистая с укрупнением зерна в направлении к периферии слитка.

2. Размер дендритных ячеек у слитков, отлитых в графитовые кристаллизаторы, меньше в 1,5-2 раза, чем размер дендритных ячеек у слитков, отлитых в металлические кристаллизаторы. Прослойки легкоплавких составляющих по границам дендритных ячеек у слитков, отлитых в графитовые кристаллизаторы значительно тоньше, чем у слитков, отлитых в металлические кристаллизаторы.

3. У слитков, отлитых в графитовые кристаллизаторы, практически отсутствует ликвация кремния и магния и ликвационный ободок. Механические свойства этих слитков также выше, чем у слитков, отлитых в металлические кристаллизаторы.

4. Важную роль в повышении дисперсности выделений Mg2Si играет скорость охлаждения слитка после его гомогенизации. Установлено, что скорость охлаждения слитков 180°С/ч и более обеспечивает высокую дисперсность частиц Mg2Si, находящихся внутри зерен твердого раствора.

5. Построены диаграммы пластичности слитков сплавов 6060, 6061, 6063 в отожженном и гомогенизированном состояниях. Согласно этим диаграммам оптимальная температура деформации слитков заключена в пределах 350-450°С.

6. На основании анализа микрофрактограмм излома установлен характер разрушения образцов сплава 6061 в зависимости от температуры (t) ис-

пытания: при ti<200°C - разрушение вязкое внутризеренное с элементами вязкого зернограничного разрушения, при 350>t2>250°C - разрушение вязкое зернограничное, при t3 >350°С - микровязкое разрушение.

При переходе от металлического кристаллизатора к графитовому при литье слитков из сплавов системы Al-Mg-Si уменьшение размера ячеек дендритной сетки и выделений вторичных фаз слитка обусловлено более высокими значениями скорости охлаждения сплава в эффективном интервале кристаллизации при литье в графитовый кристаллизатор. Практически полное устранение ликвации кремния и магния по сечению слитка, уменьшение ширины ликвационного ободка, улучшение поверхности слитка связано с выравниванием скоростей охлаждения сплава в эффективном интервале кристаллизации по сечению слитка и уменьшением глубины лунки жидкого металла. Как следствие этого, происходит уменьшение угла между нормалью к фронту кристаллизации и осью слитка, а также существенно (в 2 раза) повышается скорость охлаждения поверхностного слоя слитка, отливаемого в графитовый кристаллизатор. В результате у слитка формируется более толстая поверхностная корочка, которая не деформируется между первичной и вторичной зонами охлаждения слитка. Наряду с этим на порядок уменьшается сила трения между слитком и кристаллизатором за счет самосмазывающей способности графита, что также улучшает качество поверхности слитка. При литье в предложенные литейные системы с горячим верхом обеспечивается равномерная подача расплава по всей поверхности фронта кристаллизации, что вызывает формирование однородной по объему и мелкозернистой макроструктуры слитка. Также повышаются стандартные механические свойства за счет улучшения макро- и микроструктуры слитка.

Промышленное внедрение технологии литья слитков из сплавов системы Al-Mg-Si

Проанализированы требования к качеству слитков из сплавов системы Ai-Mg-Si, предъявляемые стандартами Германии, Англии, США. Выявлено, что по ряду показателей качества слитки, отливаемые на КУМЗе, до решения задач в настоящей работе, не соответствовали техническим условиям указанных стран. Разработана и внедрена в производство технология литья слитков диаметров 100-200 мм из сплавов серии 6000 в блочные системы с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами. Отлитые слитки имеют поверхность, не требующую последующей механической обработки перед прессованием. Разработана и внедрена в производство технология литья слитков диаметром более 200 мм (до 850 мм) из сплавов

серии 6000 в металлические кристаллизаторы. Классифицированы поверхностные дефекты слитков при литье в системы с горячим верхом и условия их возникновения и предотвращения. Разработана пятибалльная шкала оценки качества поверхности слитков из сплавов серии 6000. Разработана и внедрена в производство технология изготовления штамповок автомобильных колес из сплава 6061.

Заключение

В данной работе изложены научно обоснованные технические и технологические решения, позволившие разработать и внедрить технологию выплавки алюминиевых деформируемых сплавов системы Al-Mg-Si (серия 6000) и литья из них в графитовые кристаллизаторы качественных слитков для прессования полуфабрикатов, отвечающих уровню требований мировых стандартов.

Основные выводы работы состоят в следующем:

1. Разработана, изготовлена и внедрена в производство конструкция литейной блочной системы (8-12 кристаллизаторов) с горячим верхом, объединяющая металлоприемник и кристаллизаторы в единое целое с помощью литниковых отверстий в теплоизоляционной плите, примыкающей одной стороной к металлоприемнику, а другой - к кристаллизаторам диаметром 40-200мм (A.c. № 831295).

2. С целью повышения качества поверхности отливаемых слитков обоснован выбор графита в качестве материала для кристаллизатора при непрерывном литье слитков алюминиевых сплавов. Опробовано 9 марок отечественного графита различной пористости в качестве материала для кристаллизаторов' с косвешшм и прямым охлаждением. Изучено влияние тонкого слоя меди, наносимого электролитическим способом на наружную поверхность графитового кристаллизатора, а также пропитки графитового кристаллизатора бакелитовым лаком, фенолоформальде-гидной смолой, ортофосфорной кислотой и коллоидно-графитовым препаратом марки MC на качество поверхности отливаемых слитков. Установлено, что высококачественную поверхность имеют слитки, отлитые в кристаллизаторы из графита марок МПГ7 и МПГ8 без нанесения защитных покрытий и применения пропитывающих растворов.

3. На основании результатов специально проведенных экспериментов установлен интервал изменения коэффициента расхода ( ц = 0,8-0,9) жидкого металла при литье слитков диаметром 45-200 мм при скоростях литья 50-300 мм/мин. Определена зависимость оптимального диаметра литникового отверстия в теплоизоляционной плите от диаметра кристаллиза-

тора , скорости литья, высоты металлостатического напора, коэффициента расхода р. и гидродинамического режима течения струи расплава в лунке слитка. Экспериментально изучена взаимосвязь между интервалами изменения площади сечения литникового отверстия и скорости литья слитков, с одной стороны, и устойчивость процесса литья, - с другой. Установлены интервалы значений площади сечения литникового отверстия и скорости литья, обеспечивающие устойчивый процесс литья слитков заданного диаметра с качественной поверхностью ( A.c. № 933199 ).

4. Изучено влияние скорости струи расплава, вытекающего из литникового отверстия в лунку слитка, на форму лунки отливаемого слитка. На сновании полученных данных уточнено соотношение между площадью сечения литникового отверстия и скоростью литья слитка. Предложена эмпирическая зависимость скорости литья от диаметра отливаемого слитка, которая позволяет определять значение скорости литья слитка заданного диаметра без образования трещин и поверхностных дефектов.

5. Установлены оптимальные конструктивные размеры кристаллизаторов из графита и систем с горячим верхом для литья слитков диаметром 45200 мм. Поверхность слитков, отлитых в графитовые кристаллизаторы, не требует механической обработки. Слитки имеют высокую пластичность при деформировании, обеспечивая получение полуфабрикатов

( штамповки, прессованные профили, прутки ) с однородной мелкозернистой структурой, с заданными механическими свойствами, с хорошей поверхностью.

6. Отливка слитков диаметром 125-203 мм из алюминиевого сплава марки АД31 ( система Al-Mg-Si) в блочную систему с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами позволяет получать мелкозернистую

( размер зерна 180-200 мкм ) однородную по объему структуру слитка с размером дендритных ячеек 20-25 мкм и тонкодисперсными равномерно распределенными между дендритными ветвями включениями тройной фазы Al-Fe-Si.

7. Разработаны, изготовлены и внедрены в производство установки для осушки аргона, очистки хлора, смешивания аргона и хлора. Разработана и изготовлена конструкция газовода и газораспылителя, разработана технология рафинирования смесью аргона и хлора алюминиевых сплавов 6060, 6061, 6063, 6082, что обеспечивает стабильное получение содержания водорода в слитках в пределах менее 0,15-0,20 см 3/100 г металла (A.c. №№ 1181323,1420963 ).

8. Для наиболее эффективного модифицирования алюминиевых сплавов лигатуру AI - 5%Ti - 1%В необходимо вводить в расплав на пути миксер - кристаллизатор в виде прутка диаметром 8 мм . Разработана техноло-

гия производства прутка из лигатуры А1-Т!-В, включающая выплавку этой лигатуры из чушек, отливку слитков диаметром 130 мм, последующее прессование из них прутка при температурах не выше 500°С и его термическую обработку. Данная технология обеспечивает получение в структуре прутка интермсталлпдпых частиц с размером 7-9 мкм. Разработана, создана и внедрена в производство установка для непрерывной подачи прутка в жидкие алюминиевые сплавы на пути миксер - кристаллизатор в процессе непрерывного литья слитков. Модифицирование сплавов 6060, 6061, 6063, 6082 лигатурным прутком обеспечивает стабильное получение мелкозернистой (средний размер зерна 200 мкм) и однородной структуры слитков диаметром 120-400 мм.

9. При изучении взаимосвязи структуры и механических свойств

образцов, отобранных из слитков диаметром 320 мм сплава 6061, обнаружено, что разрушение образцов при температурах до 200°С происходит преимущественно по механизму вязкого внутризерен-ного разрушения, а при температурах выше 250°С - по механизму вязкого зерпограничного разрушения.

10. Предложена классификация и возможные механизмы образования

поверхностных дефектов, появляющихся при литье слитков алюминиевых сплавов в многокристаллизат'орные литейные системы с горячим верхом. Указаны пути предотвращения образования поверхностных дефектов при литье слитков.

11. Разработана и внедрена в производство па АО КУМЗ технология

полунепрерывного лпгья слитков:

- в литейные системы с горячим верхом и графитовыми кристаллизаторами диаметром 120 - 203 мм из алюминиевых сплавов 6060, 6061.6063;

- в литейные системы с металлическими кристаллизаторами диаметром 210 -850 мм.

Разработана и внедрена в производство технология изготовления штамповок дисков автомобильных колес из сплава 6061. Прессованные полуфабрикаты и штамповки, изготовляемые из слшков алюминиевых сплавов 6060, 6061, 6063, 6082, отлитых по разработанной технологии, соответствуют международным стандартам ЕМ, АЭТМ, ВБ.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воробьев О. И. Исследование возможности отливки полых слитков с применением графитовых стержней и насадок // Тезисы докладов XI науч. - техн. конф. Москва, 1975.

2. Воробьев О. И. Выбор марки графита для кристаллизаторов при непрерывном горизонтальном литье алюминиевых деформируемых сплавов // Технология легких сплавов. 1980. № 10. С.21.

3. Воробьев О. И. Особенности кристаллизации слитков при непрерывном горизонтальном литье // Тезисы докладов IX науч. - техн. конф. Москва, 1981.

4. Воробьев О. И. Расчет литникового отверстия в установке гори зонтального литья // Технология легких сплавов. 1982. № 5. С. 46-48.

5. Воробьев О. И., Романов М. К. Дефекты поверхности полых слитков , отливаемых в системы с графитовыми кристаллизаторами // Вопросы авиационной науки и техники. 1988. № 6. С. 32-33.

6. Воробьев О. И. Литье слитков в графитовые кристаллизаторы // Технология легких сплавов. 1993. № 1. С.19-21.

7. Воробьев О. И. Влияние технологических факторов модифицирования и литья на качество слитков сплавов системы Al-Mg-Si // Технология легких сплавов. 1994. № 1-2. С.21-23.

8. Воробьев О. И., Замятин В. М. Влияние добавок титана и бора на вязкость жидкого алюминиевого сплава типа АД31 и на структуру отливаемых слитков // Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. Екатеринбург, 1994. С.40-41.

9. Воробьев О. И. Разработка технологии литья круглых слитков сплавов системы Al-Mg-Si в графитовые кристаллизаторы // Технология легких сплавов. 1995. № 1. С.14-16.

Ю.Воробьев О. И., Замятин В. М. Модифицирование алюминиевых сплавов для строительных конструкций // Цветные металлы. 1995.№ 11. С.9-11.

11.А. с. 933199, МКИ В 22 Д 11/04. Установка непрерывного литья/ Воробьев О. И., Копытов Г.А. №2937157; Заявл. 06.06.80. Зс.

12.А. с. 1181323, МКИ В 22 Д 11/04. Флюс для обработки алюминиевых сплавов/ Воробьев О. И., Вольхин Г. Д. и др. № 3726561; Заявл. 11.04.84. 2с.

13.А. с. 1420963, МКИ В 22 Д 11/04. Способ обработки алюминиевых сплавов/ Воробьев О. И., Можаровский С. М. и др. №4052057; Заявл. 07.04.86. Зс.