автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Развитие научных основ тепловых и электромагнитных воздействий на расплавы и разработка ресурсосберегающих технологий получения высококачественных отливок из алюминиевых сплавов

005047893

і

На правах рукописи

ДЕЕВ Владислав Борисович

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАСПЛАВЫ И РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

и ЯНВ Ш

Комсомольск-на-Амуре - 2012

005047893

Работа выполнена на кафедре «Литейное производство» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк) и кафедре «Литейное производство и технология металлов» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Научные консультанты: Селянин Иван Филиппович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «СибГИУ», профессор кафедры «Литейное производство» (г. Новокузнецк) Ри Хосен

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «ТОГУ», зав. кафедрой «Литейное производство и технология металлов» (г. Хабаровск)

Официальные оппоненты: Белов Владимир Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС», зав. кафедрой «Технология литейных процессов» (г. Москва)

Мысик Раиса Константиновна

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор кафедры «Литейное производство и упрочняющие технологии» (г. Екатеринбург)

Якимов Виктор Иванович

доктор технических наук, ОАО «КнААПО» им. Ю.А. Гагарина, главный научный сотрудник (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный

университет» (г. Красноярск)

Защита состоится 8 февраля 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ФГБОУ ВПО «КнАГТУ». Факс: (4217) 53-61-50. E-mail: dis@knastu.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КнАГТУ».

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан 14 декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

_Р

д.ф.-м.н., доцент г.С. Лейзерович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время проблема получения алюминиевых сплавов (и отливок из них) с мелкозернистой структурой, заданными механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами продолжает оставаться актуальной. Накопление отходов производства заставляет искать пути экономии и более рационального использования чушковых материалов. Поэтому совершенствуются существующие способы обработки расплавов - рафинирование, модифицирование различными добавками, применение физических воздействий и др.

Определенную перспективу представляют физические (или внешние) модифицирующие воздействия на расплавы при плавке, заливке, кристаллизации (наиболее эффективные из них: тепловые - ТВО, ТСО и др.; электромагнитные - электрические и магнитные поля; несинусоидальные электромагнитные импульсы и др.; механические - ультразвук, вибрация, перемешивание и др.). Их оптимальная реализация позволяет использовать повышенное количество лома и отходов при плавке, нивелировать действие нежелательных примесей и получать алюминиевые сплавы с мелкозернистой структурой, заданным химическим составом, минимальным содержанием газовых и неметаллических включений, требуемым уровнем свойств. Физические воздействия имеют ряд преимуществ по сравнению с другими способами обработки расплавов — более благоприятная экологическая обстановка; не используются дорогостоящие модификаторы; не изменяется химический состав расплава во время плавки, что, в отличие от технологий с использованием элементов-модификаторов, не приводит к накоплению в сплавах при дальнейших переплавах излишнего количества примесей.

Однако практическое применение таких ресурсосберегающих технологий для фасонного литья из алюминиевых сплавов сдерживается из-за недостаточной изученности процессов и технологических сложностей. Кроме того, способы физических воздействий не могут быть реализованы произвольно и требуют обоснования их применения и оптимизации параметров обработки в каждой конкретной технологии получения алюминиевых сплавов и отливок.

Работа выполнена в рамках Гранта Губернатора Кемеровской области «Разработка комплексных технологий получения литейных алюминиевых сплавов из вторичного сырья для металлургических и машиностроительных предприятий Кузбасса» (2007 г.); реализации Минобрнаукой России проекта развития кооперации российских вузов и производственных предприятий по созданию высокотехнологичного производства (договор № 13. G25.31.0082, 2010...2012 гг.); проекта № 14. В37.21.0437 (2009...2013 гг.) Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Мероприятие 1.1- Высокотехнологичный сектор экономики) по теме: «Разработка эффективных технологических процессов изготовления отливок из авиационных алюминиевых сплавов путем внешних воздействий на их расплавы».

Цель и задачи работы. Целью работы являлось создание, научное обоснование и реализация эффективных ресурсосберегающих технологий получения отливок из алюминиевых сплавов с использованием физических модифицирующих воздействий на расплавы - термовременной и термоскоростной обработок, магнитного поля при заливке, электрического поля при кристаллизации, их комплексного влияния для повышения качества, механических и технологических свойств сплавов следующих систем:

- Al - Si - Mg (сплавы АК7ч, АК9ч, АК12);

- AI - Si - Си (сплавы AK5M2, AK6M2, AK5M7);

- Al - Си (сплав АМ5);

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Уточнить механизм влияния физических модифицирующих воздействий - тепловых и электромагнитных - на кристаллизацию алюминиевых расплавов и разработать математическую модель для расчета параметров кристаллизации.

2. Установить закономерности влияния режимов термовременной обработки (ТВО) и состава шихты на свойства литейных алюминиевых сплавов. Разработать математическую модель, позволяющую рассчитать время распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при ТВО.

3. Исследовать влияние шихтовых заготовок (из лома и отходов), полученных с применением ТВО, на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов.

4. Исследовать механические и технологические свойства алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, после комплексной обработки физическими воздействиями - ТВО и рафинирования; ТВО и электромагнитных воздействий. Изучить влияние комплексной обработки расплава ТВО и электрическим током на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа.

5. Разработать ресурсосберегающие технологические способы получения литейных алюминиевых сплавов с применением физических воздействий -термовременной и термоскоростной обработки (ТСО), магнитного поля, электрического тока.

6. Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок заданного качества из алюминиевых сплавов с использованием повышенного количества лома и отходов в шихте.

Научная новизна.

1. Уточнен механизм влияния физических воздействий при плавке и литье на кристаллизацию алюминиевых сплавов, позволяющий объяснить увеличение энтропии и устойчивость жидкого состояния системы, молекулярный характер разделительной диффузии и изменение характера кристаллизации.

2. Разработана теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.

3. Разработана математическая и компьютерная модели для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов, обработанных тепловыми и электромагнитными воздействиями, позволяющая прогнозировать критический размер зародышей кристаллизации, их количество и оценить эффективность модифицирующей обработки расплава.

4. Разработана математическая и компьютерная модели для расчета времени распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при термовременной обработке.

5. Установлен эффект сохранения влияния термовременной обработки на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов после переплавов.

6. Установлены аналитические зависимости, рассчитаны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры термоскоростной обработки -температура перегрева, время выдержки, количество и температура ввода добавок кокильного возврата в расплав.

7. Установлена взаимосвязь между способами физических воздействий на расплав, временем и величиной температурного интервала его кристаллизации, обеспечивающая повышение уровня механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов при использовании шихты, содержащей до 80... 100 % лома и отходов.

Новизна технологических, конструкторских и программных решений защищена патентами и свидетельствами РФ.

Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации эффективных технологий получения литейных алюминиевых сплавов с возможностью использования лома и отходов в шихте до 80... 100 % и применением физических воздействий (тепловых и электромагнитных) на расплавы для повышения механических и технологических свойств до уровня свойств сплавов, полученных с использованием шихты из чушковых материалов.

Основные результаты представляют следующее:

1. Показано, что ТВО расплава является перспективной ресурсосберегающей технологией, позволяющей широко использовать вторичные материалы - лом, отходы, возврат разной природы. При этом не требуется использование модифицирующих добавок. Применяя данную технологию в комплексе с другими способами обработки расплава (рафинированием хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; электромагнитными воздействиями), возможно нейтрализовать или уменьшить влияние низкосортной шихты и получить из алюминиевых сплавов отливки с мелкозернистой структурой и требуемыми свойствами. Целесообразно применение ТВО в переплавных процессах при изготовлении шихтовых заготовок заданного химического состава.

2. Разработано устройство (патент РФ № 69073) и способ подготовки шихты (изготовления шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов, включающий ТВО и кристаллизацию расплава в специальной металлической форме (патент РФ № 2345155). Использование шихтовой заготовки при получении алюминиевых сплавов способствует повышению уровня их механических и технологических свойств.

3. Разработан способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием низкосортной шихты, включающий ТСО (патент РФ № 2322522). Данная технология может быть применена при производстве отливок в литейных цехах, имеющих кокильное литье.

4. Создано устройство для обработки расплавов магнитным полем при запивке в литейную форму (патенты РФ №№ 69072, 104104), при этом не ограничивается материал формы и конфигурация отливок. Использование устройства в комплексе с предварительной ТВО расплава позволяет повысить уровень механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, за счет рафинирующего и модифицирующего эффектов.

5. Создано устройство для обработки расплавов электрическим током в процессе кристаллизации (патент РФ № 69074). Использование устройства позволяет уменьшить негативное влияние железа и получить структуру алюминиевых сплавов (на основе низкосортной шихты) с компактными включениями железосодержащих фаз. Предварительная ТВО расплава усиливает модифицирующее действие электрического тока и повышает механические свойства литейных алюминиевых сплавов.

Реализация результатов работы. С целью достижения требуемого уровня механических и технологических свойств при минимальном использовании чушковых материалов в шихте разработаны и в промышленных условиях

реализованы ресурсосберегающие технологии получения алюминиевых сплавов и отливок: комплексная обработка расплавов - ТВО и рафинирование хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; ТВО и магнитное поле при заливке; ТВО и электрический ток при кристаллизации; использование шихтовой заготовки с эффектом ТВО; применение ТСО.

Перспективность технологических разработок подтверждается результатами их промышленной апробации и внедрения на предприятиях: ОАО «КМЗ», ООО «Технокомплекс-НК», ООО «Сталь КМЗ» (г. Новокузнецк), ООО «Сталь», ООО «Прокопьевский завод Электроаппарат» (г. Прокопьевск), ЗАО «РОУ», ОАО «Алтайский моторный завод» (г. Барнаул), ФГУП «ОМО им. П.И. Баранова» (г. Омск). За период 2002-2011 гг. суммарный годовой экономический эффект от внедрения составил более 12,4 млн. руб.

Предмет защиты. На защиту выносятся:

1. Механизм влияния физических модифицирующих воздействий на кристаллизацию алюминиевых расплавов.

2. Результаты математического моделирования параметров кристаллизации (критический радиус зародыша, количество зародышей в единице объема расплава) алюминиевых сплавов после обработки физическими воздействиями - ТВО, электрическим током, магнитным полем.

3. Результаты математического моделирования времени распада микро-неоднородностей при ТВО расплавов Al - Si.

4. Результаты исследования влияния режимов ТВО и состава шихты, использования шихтовых заготовок из лома и отходов, полученных с применением ТВО, на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов.

5. Способ подготовки шихты (изготовление шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов, включающий ТВО и кристаллизацию расплава в металлической форме.

6. Способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием лома и отходов, включающий ТСО.

7. Результаты влияния технологии комплексной обработки расплавов физическими воздействиями - ТВО и рафинирования, ТВО и магнитным полем, ТВО и электрическим током - на особенности процесса кристаллизации, механические и технологические свойств алюминиевых сплавов, приготовленных из шихты с повышенным количеством лома и отходов.

8. Теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.

9. Результаты реализации разработанных ресурсосберегающих технологий в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов с применением тепловых и электромагнитных воздействий.

Методы исследований. Работа выполнена с применением современных методов исследования: микроструктуры, механических, технологических свойств сплавов; численных методов решения и компьютерного моделирования поставленных задач; основ теории кристаллизации.

Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций основывается на широком использовании современных методов и методик исследования металлических сплавов, применении аппарата математической статистики для обработки полученных результатов, сопоставимости теоретических и экспериментальных исследований, высокой эффектив-

ности предложенных технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и их внедрением в производство.

Личный вклад автора. В диссертационной работе представлены результаты, полученные автором как самостоятельно, так и совместно с научными консультантами, проф. И.Ф. Селяниным и проф. Ри Хосеном, а также совместно с аспирантами (А.П. Войтковым, С.А. Цецориной) в качестве научного руководителя. Автору принадлежит научная постановка задач исследования, разработка теоретических и технологических основ рассматриваемых в работе положений, организация и проведение опытных плавок и испытаний по изучению комплекса технологических и механических свойств алюминиевых сплавов, математическое моделирование поставленных задач, обработка, анализ, обобщение, научное обоснование полученных результатов; формулирование выводов и рекомендаций; написание статей, материалов докладов, патентов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и симпозиумах: на Всероссийской научно-практической конференции «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии» (г. Новокузнецк, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы: получение и технология обработки» (г. Красноярск, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении» (г. Томск, 2003 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, реинжиниринг, управление, автоматизация» (г. Новокузнецк, 2003, 2004 г.); II и IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2002, 2007 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Жлобин, Республика Беларусь, 2007 г.); IX Российско-Китайском Симпозиуме «Новые материалы и технологии» (г. Астрахань, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина» (г. Новокузнецк, 2008 г.); VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (г. Самара, 2008 г.); Международной конференции «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии» (г. Москва, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2002...2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (г. Новокузнецк, 2005...2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (г. Новокузнецк, 2012 г.); 9-й Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); IX Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» (г. Варна, Болгария, 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 научных работ (в том числе 37 статей из перечня рецензируемых научных изданий ВАК), 2 монографии, 1 учебное пособие, 8 патентов, 3 свидетельства о государственной регистрации компьютерных программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, заключения, списка литературы и 2 приложений. Изложена на 325 страницах (включая приложения), содержит 30 таблиц, 72 рисунка. Список литературы составляет 333 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, представлены научная новизна и практическая значимость исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 Анализ современного уровня развития способов обработки расплавов в промышленных технологиях литья алюминиевых сплавов

В главе приведен обзор литературных данных современной практики использования различных технологий обработки металлических расплавов, приводящих к получению мелкозернистой структуры и требуемым механическим и технологическим свойствам литейных алюминиевых сплавов, в том числе при использовании низкосортной шихты.

Ресурсосберегающими технологиями получения отливок из алюминиевых сплавов занимались А.Г. Спасский, М.Б. Альтман, Д.П. Ловцов, Г.Г. Кру-шенко, Д.Ф. Чернега, Г.С. Ершов, Ри Хосен, В.Д. Белов, В.И. Никитин, И.Ф. Селянин, Б.М. Немененок и многие другие.

Подробно рассмотрено влияние различных технологий модифицирования на качество литейных алюминиевых сплавов. Показано, что применение модифицирующих добавок наряду с повышением уровня свойств сплавов при дальнейших переплавах может привести к изменению химического состава и снижению качества отливок. Приведен анализ практического использования явлений наследственности в производстве алюминиевых сплавов. Рассмотрены способы обработки расплавов на основе низкосортной шихты, приводящие к повышению качества литейных сплавов и отливок из них. Отмечена положительная роль мелкозернистых возвратов (в частности, кокильных шихтовых переплавов) заданного химического состава при плавке. Также рассмотрено влияние железа на структуру и свойства алюминиевых сплавов и указаны способы нейтрализации его негативного влияния. Проанализированы экспериментальные и теоретические исследования по влиянию различных физических воздействий (температурная обработка, электромагнитные воздействия, вибрация, ультразвук и т.д.) на алюминиевые расплавы в процессе плавки, заливки в литейную форму, кристаллизации. Такие воздействия позволяют измельчить структурные составляющие сплавов и повысить технологические, механические и эксплуатационные свойства, при этом не меняется их химический состав.

Особое внимание уделено температурной обработке расплавов на основе алюминия, вопросами которой в СССР и Российской Федерации занимались А.Г. Спасский, Д.П. Ловцов, Г.Г. Крушенко, В.З. Кисунько, И.А. Новохатский, П.С. Попель, O.A. Чикова, Ри Хосен, Г.С. Ершов, И.В. Гаврилин, В.И. Никитин, Н.М. Кочегура, И.Г. Бродова, А.Г. Пригунова, И.Ф. Селянин, Ф.М. Котлярский и др. Ими проведены масштабные исследования по влиянию тепловых воздействий (ВТВО, ТВО, ТСО и их разновидностей) на свойства сплавов и отливок в твердом и жидком состояниях. Показано, что использование тепловых воздействий при повышенном содержании лома и отходов в шихте позволяет уменьшить микронеоднородное состояние расплава и оказывает модифицирующее влияние на структуру получаемых сплавов и, соответственно, повышает служебные и механические свойства литых изделий. Рассмотрены примеры применения температурной обработки, способствующие повышению свойств ли-

тейных алюминиевых сплавов. Существует и ряд недостаточно затронутых вопросов. Так, отрывочный характер носят результаты исследования влияния качества шихты как дополнительного фактора, усиливающего или снижающего действие температурной обработки на характеристики алюминиевых сплавов. Практически не изучено влияние эффекта высокотемпературного перегрева на качество сплавов после переплавов.

Указывается, что перспективными способами физического воздействия на расплавы являются электромагнитные воздействия - обработка электрическим током, магнитными полями и импульсами, теоретические и технологические основы которых развиваются в работах В.А. Ефимова, В.И. Добаткина, JI.A. Верте, И.Л. Повха, В.И. Дубоделова, Ри Хосена, Г.П. Борисова, В.В. Крымского, Л.Г. Знаменского, Б.А. Кулакова, Р.К. Мысик, В.И. Якимова, И.Ф. Селянина, Г.Н. Миненко и др. Однако эти технологии почти не применяются для изготовления фасонного литья. Отмечено, что механизм воздействия электрического тока на процесс кристаллизации исследован недостаточно как в экспериментальном, так и теоретическом плане. Нет данных о влиянии электрического тока на морфологию железосодержащих фаз, образующихся при кристаллизации алюминиевых сплавов. Показано, что обработка расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму практически не исследована, имеющиеся результаты носят отрывочный характер.

Выявлено, что недостаточное внимание в промышленных технологиях литья уделяется комплексной технологии обработки расплавов, включающей рафинирование, обработку физическими воздействиями (электрическим током, магнитным полем), высокотемпературные перегревы, с целью получения литейных алюминиевых сплавов и отливок заданного качества, особенно при повышенном количестве лома и отходов в шихте. Следует обратить внимание на возможность изготовления с применением ТВО шихтовых заготовок из лома и отходов, что позволяет создать основу общих принципов разработки ресурсосберегающих технологий получения отливок.

Теоретическое описание модифицирующего влияния физических воздействий на процессы кристаллизации и структурообразования и получение мелкозернистой структуры в сплавах является весьма дискуссионным и единого мнения по этому вопросу до сих пор нет. Ряд исследователей считает, что после некоторых физических воздействий (например, ТВО, ТСО и т.д.) мелкозернистая структура формируется за счет изменения степени переохлаждения более гомогенного расплава, которое, в свою очередь, определяет характер кристаллизации. Другие полагают, что модифицирующий эффект после обработки физическими воздействиями (электромагнитные поля, вибрация, ультразвук и др.) проявляется в результате ускорения процесса кристаллизации за счет обламывания образующихся дендритов и замешивания их мелких обломков в расплав, что способствует интенсификации зародышеобразования. Существует также мнение, что электромагнитные воздействия уменьшают межфазовую поверхностную энергию на границе «зародыш - расплав», что способствует формированию дополнительных центров кристаллизации, блокируя при этом рост дендритных ветвей за счет уменьшения интенсивности массопереноса.

На основании анализа литературных данных сделаны выводы и поставлены цель и задачи исследования.

Глава 2 Методика проведения исследований

Объектами исследований были промышленные алюминиевые сплавы трех основных систем (ГОСТ 1583-93): Al-Si-Mg (сплавы АК7ч, АК9ч, АК12), А1 - Si - Си (сплавы АК5М2, АК6М2, АК5М7), А1 - Си (сплав АМ5), а также двойные силумины с содержанием кремния от 6 до 13 % (по массе). Для их приготовления использовали чушковые алюминиевые сплавы, вторичные материалы этих же сплавов (разделенные по маркам) - лом деталей, отходы литейного (литники, прибыли, стояки, обрезь и т.д.) и механического (стружка в брикетах) цехов. Все отходы были предварительно очищены и обработаны в соответствии с существующими требованиями.

Плавки проводили в лабораторных и производственных условиях в печах CUIOJI, ИСТ-0,06, ИСТ-0,16. Заливку проб и образцов осуществляли при температуре 720...740 °С в зависимости от марки сплава. Контроль температуры осуществляли хромель-алюмелевыми термопарами. Кинематическую вязкость расплавов исследовали методом крутильных колебаний.

При проведении ТВО охлаждение расплавов от температуры перегрева до температуры рафинирования или заливки осуществляли твердой шихтой. Рафинирование расплавов флюсом «МХЗ» (50 % NaCl, 35 % КС1, 15 % Na2SiF6), препаратом «Дегазер» (90 % С2С16, 10 % NaCl), хлористыми марганцем и цинком проводили при температуре 740.. .750 °С.

Обработку расплавов постоянным магнитным полем в процессе заливки осуществляли с помощью устройства (патенты РФ №№ 69072, 104104), подсоединенного к трансформатору и представляющего из себя конусную индуктивную катушку на стойках, в которой установлен керамический желоб с воронкой, подведенный к литейной форме. В процессе обработки расплава градиент магнитного поля может составлять АВ/Ах = 0,192... 0,886 Тл/м.

Обработку расплавов постоянным электрическим током в процессе кристаллизации осуществляли с помощью устройства (патент РФ № 69074), содержащего последовательно соединенные трансформатор, регулятор напряжения, выпрямитель, переключатель (на переменный и постоянный ток), к выходу которого подключены токопроводящие элементы, подведенные к графитовым пробкам, закрывающим с торцов цилиндрическую полость песчано-глинистой формы. Электрический ток пропускали вдоль оси отливки в процессе ее формирования, начиная от жидкого состояния металла, вплоть до его полного затвердевания. Сила тока при обработке может составлять / = 10...40 А. Плотность тока, соответственно, меняется в интервале j = (0,30 н-1,20) • 105 А/м2.

Для исследования кристаллизационно-усадочного процесса литейных алюминиевых сплавов использовали устройство (патенты РФ №№ 64216, 69071), в работу которого заложены методы термического анализа, дифференциального термического анализа. В состав устройства входит измерительный комплекс, состоящий из первичных датчиков (термопар), аналого-цифрового преобразователя IPC CON 7018 и персонального компьютера. Образцы длиной 300 мм и диам. 26 мм для исследования процессов кристаллизации и усадки заливались в цилиндрическую полость песчано-глинистой формы, с обеих сторон закрытую графитовыми пробками, по оси образца устанавливали хромель-алюмелевые термопары. С помощью измерительного комплекса фиксировали изменение температуры кристаллизующегося сплава с интервалом 1 с при точ-

ности измерения 0,5 °С. Для измерения усадки с противоположного от воронки конца формы через пробку в полости формы размещалась тяга, жестко скрепленная с пластиной, через которую перемещение образца передавалось на шток индукционного датчика малых перемещений, соединенного с измерительным комплексом.

Механические свойства и пористость определяли согласно ГОСТ 158393. Контроль химического состава сплавов осуществляли на квантометре ARL-4460. Исследование микроструктуры проводили на микроскопе AXIOVERT 200М «Carl Zeiss», при увеличениях хЮО, х150, х200, х500. Жидкотекучесть сплавов определяли по спиральной и прутковой пробам, горячеломкость - по кольцевой пробе. Герметичность исследовали по критерию гидропрочности на специальной гидроустановке на пробах-стаканчиках с толщиной стенки 4 и 8 мм, залитых в кокили.

Расчет доли том твердой фазы у обработанного (модифицированного) физическими воздействиями сплава, выпадающей вблизи температуры солидус, определяли по методике проф. И.Ф. Селянина, реализованной в виде компьютерной программы (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ№ 2009613766):

где Лм.Ло - жидкотекучесть обработанного и исходного сплава соответственно; ДГпер - интервал перегрева над температурой ликвидус исходного сплава; т0 - доля твердой фазы у исходного сплава; АТ^ - интервал кристаллизации исходного сплава; Luc- удельные теплота кристаллизации и теплоемкость расплава.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Excel, а также при помощи пакета программ Statistika 6.0.

Глава 3 Разработка теоретических основ влияния физических модифицирующих воздействий на кристаллизацию расплавов литейных алюминиевых сплавов

Известно, что отдельные неудачи при работе с вторичными материалами при получении литейных алюминиевых сплавов создали о них мнение как о нежелательных составляющих шихты. Между тем, разница в цене между чушковыми и вторичными материалами составляет, в среднем, в 2...2,5 раза. И если бы удалось увеличить их содержание в шихте до 80... 100 % при гарантированном получении необходимого уровня механических свойств (не ниже требований ГОСТ 1583-93), то это позволило бы получить существенную экономию при производстве отливок.

Представляется, что для получении качественных отливок с использованием повышенного количества вторичных материалов помимо тщательной организации сбора, сортировки и подготовки шихтовых материалов и учетом наследственности используемой шихты необходимо создание эффективных технологий обработки расплавов в процессе плавки, заливки в литейные формы, кристаллизации. Тщательный анализ всего технологического процесса, включающий оптимизацию температурных режимов плавки (проведение ТВО),

(1)

выбор рациональной технологии рафинирования, использование физических воздействий при заливке и литье (магнитного поля, электрического тока) позволят заложить требуемый «резерв» в качество получаемого литья.

Вышеперечисленные технологии будут способствовать снижению пористости, формированию в сплаве мелкозернистой структуры и повышению механических, технологических и эксплуатационных свойств. Данные эффекты связаны с изменением характера кристаллизации сплавов, обработанных физическими воздействиями, по сравнению со сплавами без обработки. Понимание сущности процессов обработки и создание единого подхода к получаемым в дальнейшем явлениям позволит более глубоко подойти к созданию обобщенной теории модифицирования сплавов физическими воздействиями.

Проведенные в главе комплексные исследования позволили установить следующий механизм влияния физических модифицирующих воздействий на кристаллизацию алюминиевых расплавов.

Известно, что кристаллизация расплавов (состава типа А - В) идет за счет разности свободных энергий, задающих кинетику процесса. Разность свободных энергий приводит к возникновению в расплаве градиентов концентраций, что способствует образованию новых фаз и уменьшению энтропии системы. Соответственно, при разделительной диффузии компонентов А и В, происходящей под воздействием разности свободных энергий, вначале возникают градиенты концентраций компонентов А и В. Дендритная кристаллизация всегда начинается как фронтальная с поверхности формы в виде дендритов. При большом температурном градиенте <1Т1(1х возникают мощные конвективные потоки, подающие «строительный» материал к фронту кристаллизации; при этом скорость разделительной диффузии максимальна.

Физические модифицирующие воздействия (тепловые и электромагнитные) на расплавы при плавке, заливке, кристаллизации способствуют их перемешиванию, увеличению турбулизации и гомогенизации. В результате в процессе кристаллизации расплава уменьшаются продольные и поперечные температурные и концентрационные градиенты (замедляется скорость разделительной диффузии компонентов), увеличивается энтропия системы, то есть - время существования жидкой фазы. При минимальном температурном градиенте (ГГ/сЬс конвективные потоки практически отсутствуют; разделительная диффузия в ламинарной пленке на фронте кристаллизации замедляется и принимает молекулярный характер.

Таким образом, согласно предлагаемому механизму, физические воздействия гомогенизируют расплавы по концентрации и температуре, увеличивают энтропию системы и устойчивость жидкого состояния. Уменьшение температурных (<1Т1<1х) и концентрационных ((1С1<1х) градиентов приводит к уменьшению конвективных и концентрационных потоков в расплавах в период кристаллизации от жидкой фазы к фронту кристаллизации или к отдельному зародышу («строительный» материал поступает неориентированно за счет концентрационных и тепловых флуктуаций). Вследствие уменьшения градиентов с1Т/с1х, <1С1с1х кристаллизация переходит от стадии фронтально-дендритной к стадии объемной с образованием мелкозернистой неориентированно-дендритной структуры.

В соответствии с кластерной моделью жидких расплавов основными структурными составляющими жидкости считаются отдельные разобщенные кластеры, окруженные трехмерной сеткой разупорядоченной зоны, обладающей хаотической атомной структурой. При этом кластеры в микрообъемах могут быть разного размера, состава и плотности. Внутренняя атомная структура кластеров близка к структуре исходного твердого тела. Характерный размер кластера имеет нанопорядок, который не превышает размеры критического зародыша (гк).

Путем математических преобразований для зародышей сферической формы были получены следующие выражения:

3J—T0f&T\ 1

"о (3)

где J - импульс тока, возникающий за счет перехода электронов с уровня ионизации свободного атома разупорядоченной зоны на уровень Ферми зародыша (кластера); — — скачок потенциала на границе кластера с разупорядоченной

зоной; AW = (J 1 - ЖВых) _ работа, затраченная валентным электроном при переходе на уровень Ферми кластера при образовании зародыша критических размеров; J1 - первый потенциал ионизации; \УВЬ1Х - работа выхода электрона; ~ Д Т

1 о - равновесная температура кристаллизации; — - скорость охлаждения рас-

ÛT

плава в период зарождения кристаллов; По - количество зародышей в единице объема расплава; р - плотность; Luc- удельные теплота кристаллизации и теплоемкость расплава; АТП - переохлаждение расплава.

Оценочные расчеты Гк (2) и щ (3) проводились (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2009613765) для литых цилиндрических заготовок длиной 300 мм и диам. 26 мм из сплавов АК7ч, АМ5, АК5М2, залитых в песчано-глинистую форму с 7ф = 20 °С (таблица 1). Из таблицы 1 следует, что обработка расплавов ТВО (как отдельно, так и в комплексе с другим физическими воздействиями) приводит к уменьшению Гк И повышению По-

В результате из-за объемного характера кристаллизации в сплавах формируется мелкозернистая структура, что было доказано металлографическими исследованиями (подтверждающими, таким образом, адекватность модели расчета гк и По). Следует отметить, что физические воздействия оказали больший эффект на сплавы из шихты с повышенным количеством лома и отходов.

Представленная математическая модель позволяет прогнозировать параметры кристаллизации (гк, щ) после применения различных физических воздействий и оценить эффективность технологии конкретной модифицирующей обработки расплава при производстве тонкостенных отливок различного назна-

чения. Для расчета требуются справочные данные и экспериментально определенные кристаллизационные характеристики расплавов.

Таблица 1 - Параметры кристаллизации сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5, обработанных физическими воздействиями •

Технология обработки расплава ГН,°С Гк,°С А7іпс,°С тп, с Увеличение хп,раз /к-107, м по-Ю-14, м3

Сплав АК7ч (100 % чушковых материалов)

Исходный (без обработки) 625 580 45 57 - 0,9253 0,1083

ТВО 619 580 39 63 1,11 0,3322 0,3071

Электрический ток 618 579 39 62 1,09 0,4815 0,2173

Магнитное поле 618 578 40 65 1,14 0,4056 0,2453

ТВО + электрический ток 617 579 38 68 1,19 0,3071 0,3291

ТВО + магнитное поле 616 579 37 70 1,22 0,2098 0,4669

Сплав АК7ч (50 % чушковых + 50 % вторичных материалов')

Исходный (без обработки) 626 580 46 55 - 0,9706 0,1029

ТВО 618 578 40 64 1,16 0,3689 0,2688

Электрический ток 617 579 38 64 1,16 0,5058 0,2011

Магнитное поле 618 579 39 62 1,13 0,4588 0,2114

ТВО + электрический ток 614 578 36 69 1,25 0,3100 0,3196

ТВО + магнитное поле 614 579 35 68 1,24 0,2271 0,4043

Сплав АК7ч (100 % вторичных материалов)

Исходный (без обработки) 628 579 49 54 - 0,9997 0,1005

ТВО 615 577 38 62 1Д4 0,4234 0,2095

Электрический ток 613 577 36 60 1,11 0,5431 0,1842

Магнитное поле 615 578 37 61 1,12 0,4979 0,2096

ТВО + электрический ток 612 577 35 68 1,26 0,3239 0,3087

ТВО + магнитное поле 612 578 34 69 1,28 0,2658 0,3854

Сплав АК5М2 (15...20 Чо чушковых + 80...85 % вторичных материалов)

Исходный (без обработки) 627 583 44 59 - 1,1932 0,0415

ТВО 618 581 37 68 1,15 0,5982 0,0811

Магнитное поле 620 581 39 70 1,17 0,6591 0,0754

ТВО + магнитное поле 616 581 35 74 1,25 0,4071 0,1124

Сплав АМ5 (15...20 % чушковых + 80...85 % вторичных материалов)

Исходный (без обработки) 656 549 107 63 - 0,9567 0,1015

ТВО 648 547 101 71 1,12 0,4827 0,2121

Магнитное поле 649 548 101 69 1,10 0,5326 0,1796

ТВО + магнитное поле 646 547 99 75 1,19 0,3305 0,2874

1 Режимы ТВО составляли: для сплава АК7ч - Т = 970...980 °С, т = 7...10 мин (при 100 % чушковых материалов в шихте); Т = 1000... 1020 °С, т = 10...12 мин (при 50...100 % вторичных материалов в шихте); для сплава АК5М2 - Т = 970...990 С, т = 8... 10 мин; для сплава АМ5 - Т = 950.. .970 °С, т = 7... 10 мин. 2 Электрическим током (/ = 0,92 ■ 105 А/м2) сплавы обрабатывались при кристаллизации; магнитным полем с градиентом АВ/Ах = 0,886 Тл/м - при заливке в литейную форму. 3 Вторичные материалы во всех вариантах содержали по объему: 50...55 % -мелкого лома и отходов сплавов, 45...50 % - брикетированной стружки соответствующих сплавов.

Экспериментальные результаты по исследованию процесса кристаллизации (таблица 1) показывают, что применение ТВО расплавов состава АК7ч, АК5М2, АМ5 уменьшает температурный интервал кристаллизации Д7нк (ЛТнк

= Тп - Тк; где Ти - температура начала кристаллизации; Тк - температура конца кристаллизации) на 6... 11 С, а комплексная технология обработки расплавов ТВО, магнитным полем или электрическим током - на 8... 15 °С. Было выявлено увеличение полного времени затвердевания сплавов Тп после обработки расплавов ТВО в сравнении с исходным в 1,11...1,16 раз, после комплексной обработки ТВО, магнитным полем или электрическим током - в 1,19. ..1,28 раз. Увеличению Тп способствует рост времени кристаллизации, которое увеличивается за счет уменьшения конвективной теплопроводности.

Таким образом, наблюдается хорошая сопоставимость теоретических и экспериментальных результатов исследования процесса кристаллизации алюминиевых сплавов после обработки физическими воздействиями.

Глава 4 Исследование влияния температурных режимов плавки и состава шихты на свойства литейных алюминиевых сплавов

В главе представлены результаты исследования влияния параметров термовременной обработки и используемой шихты на свойства алюминиевых сплавов.

Проведенные эксперименты над двойными и промышленными литейными алюминиевыми сплавами при изучении кинематической вязкости расплавов показали хорошее соответствие с известными литературными данными о структурных превращениях при оптимальных температурах, рекомендуемых при перегреве. Так, значения температур, соответствующих точкам начала ветвления политерм вязкости, составили: 920...960 °С - для доэвтектических (6...10 % 81) силуминов; 1000...1050 °С - для эвтектических (11...13 % БО силуминов; 950...970 °С - для сплава АК5М2; 930...950 °С - для сплава АМ5. При этом оптимальное время выдержки при температуре перегрева, обеспечивающее максимальные жидкотекучесть, герметичность, механические свойства, составило: 10... 15 мин - для сплавов АК7ч, АК12; 8... 10 мин - для сплава АК5М2; 7... 10 мин - для сплава АМ5.

С помощью математического моделирования было определено время распада микронеоднородностей при ТВО расплавов силуминов, которое показало хорошую сопоставимость с результатами экспериментов по определению оптимальных температурно-временных режимов плавки. При прочих равных технологических факторах время распада будет зависеть от размеров кластеров и частиц А1„81т, а также от концентрации кремния в расплаве силуминов. Начальные условия задачи: частица А1„Я1т находится в расплаве при критической температуре (оптимальной температуре ТВО). Необходимо найти время распада частицы при этой температуре. Представим частицу в виде сферы радиусом К в начальный момент (рисунок 1), тогда решение задачи в первом приближении упростится до расчета изменения концентрации кремния в радиусе сферы. В сферической системе координат уравнение диффузии кремния в расплаве алюминия при ТВО имеет вид:

Эт

Э2С 2 дСЛ

--1----

кдг2 г дг у

(4)

здесь С - концентрация кремния в частице А1„81га, % (по массе); Т - время; О -коэффициент диффузии кремния; г - текущее значение радиуса частицы.

Краевые условия задачи:

' С - С„ при г — И, т - 0; - = 0 при г = 0, 0 < т < СО;

Э

дс I

- -р(СПк - Сг);

дг 1Г=?1

где С - концентрация кремния на поверхности частицы в момент времени

1 = %,; индексы «г» и «к» - номера узлов по координатам г и X; СГ - концентрация кремния в расплаве (при достижении этой концентрации можно считать, что частица полностью «распалась» при ТВО); - коэффициент массоотдачи,

0,25

~ П 1 С

ки-

который определяли по выражению

р - 0,54

§(сп- сг)

. О 0,75.

ср

нематическая вязкость расплава; § - гравитационное ускорение.

Рисунок 1 - Схема распада частицы А1„81„, в расплаве при проведении ТВО

За основу численного расчета был взят метод контрольного объема по неявной схеме. Чтобы получить дискретный анализ уравнения диффузии, преобразуем и проинтегрируем уравнение (4) по контрольному объему и времени:

ъ уу I VI

Нт?**- //

О

дг

дгд т;

т-Лт е т-Дт е

здесь е и уи - границы контрольного объема.

После математических преобразований получим дискретный аналог

уравнения диффузии в следующем виде

+а1^М,/с +0С2 О-Цс)

а, =■

ПА т

где

Дг

С;,к ~ '

А г г+Аг/2

(а, +а2 +1)

а,

ДАт Дг

Дг

■ Дг/2

коэффициенты, причем Г = /Дг и X = кАт.

Предлагаемый алгоритм был реализован с помощью программного приложения Delphi (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2010611992). Учитывая, что масштабы микронеоднородностей, согласно литературным данным, в расплавах силуминов могут достигать 500 нм, при расчете по модели варьировали значения радиуса частицы Al„Sim от 50 до 250 нм. Результаты расчета времени распада частицы в зависимости от ее радиуса R и концентрации кремния в расплавах силуминов представлены на рисунке 2.

-7% Si -8% Si -9% Si -ll%Si -12% Si -13% Si

Рисунок 2 - Результаты расчета времени распада частицы А1„81ш в зависимости от ее радиуса

Было проведено исследование влияния различных шихтовых материалов (чушковые материалы, лом и отходы песчано-глинистого литья, кокильного литья) на химический состав и механические свойства алюминиевых сплавов АК7ч, АМ5, АК5М2, АК12, подвергнутых ТВО в жидком состоянии. Плавки проводили в печи ИСТ-0,06. Перед заливкой расплавы рафинировали флюсом «МХЗ». Результаты показали, что не всегда рационально применять температурную обработку при использовании шихты, состоящей на 100 % из чушковых сплавов и повышенного количества мелкозернистых лома и отходов, так как прирост механических свойств по сравнению с необработанными ТВО сплавами из чушковых материалов не так значителен, а затраты на электроэнергию весьма существенные. Применение ТВО при плавке на шихте, содержащей повышенный процент лома и отходов, наиболее целесообразно.

Однако при этом возникает опасность внесения газовых и неметаллических включений в расплав, поэтому последний необходимо обязательно рафинировать в промышленных технологиях плавки и литья. Было исследовано содержание неметаллических включений (7-А12Оз) в сплаве АК7ч, полученном на основе вторичных материалов (80...85 % лома и отходов состава АК7ч + 15...20 % чушковых материалов), после различных способов обработки расплава с обязательной предварительной ТВО. Анализ приведенных результатов (рисунок 3) показал, что применение ТВО (Т = 1000... 1020 °С, т = 8...10 мин) позволило получить больший рафинирующий эффект, чем аналогичный способ обработки без использования ТВО. Соответственно, наблюдалось снижение брака по пористости, повышение уровня жидкотекучести (на 15...35 %) и механических свойств (ств - на 22.. .33 %; 8 - на 60... 140 %) в обработанных сплавах.

0,06

0,05 -

^ 0,04 -О

0,03 -

<

0,02 -0,01 -

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Способ обработки расплава

Рисунок 3 - Содержание неметаллических включений (у-АЬОз) в сплаве АК7ч в зависимости от способа обработки расплава: 1 - исходный сплав на основе лома и отходов (80...85 %); 2 - аргон; 3 - ТВО и аргон; 4 - ТВО и «Дегазер» (0,5 %); 5 - ТВО и «Дегазер» (0,8 %); 6 - «Дегазер» (0,5 %); 7 - «Дегазер» (0,8 %); 8 - ТВО и МпС12 (0,2 %); 9 - магнитное поле при заливке с градиентом АВ/Ах = 0,886 Тл/м; 10 - МпС12 (0,2 %); 11 - ТВО и ХпС12 (0,2 %); 12 - ТВО и магнитное поле при заливке с градиентом АВ/Ах = 0,886 Тл/м; 13 - ХпС12 (0,2 %); 14 - ТВО и флюс «МХЗ» (0,8 %); 15 - флюс «МХЗ» (0,8 %);

16 - чушковые материалы (100 %)

Таким образом, ТВО расплава является перспективной ресурсосберегающей технологией, позволяющей в комплексе с эффективным рафинированием увеличить количество вторичных материалов в шихте и получать сплавы с минимальным содержанием газовых и неметаллических включений, требуемыми механическими свойствами. Реализация технологии использования ТВО в комплексе с разными вариантами рафинирования: ТВО и МпС12 в условиях ОАО «КМЗ», ООО «Технокомплекс-НК» (г. Новокузнецк), ТВО и флюс «МХЗ» в условиях ЗАО «РОУ» (г. Барнаул), ООО «Сталь КМЗ» (г. Новокузнецк), ТВО и «Дегазер» в условиях ООО «Сталь» (г. Прокопьевск) позволила при изготовлении литейного сплава АК7ч получить за счет экономии чушковых материалов (при использовании их в завалке - до 20 %) суммарный экономический эффект более 3,7 млн. руб. При этом в сплаве при всех вариантах рафинирования наблюдалось снижение брака по пористости и повышение прочности (в среднем - на 20 %) в литом состоянии.

Следует отметить, что параметры рафинирования и комплексной обработки расплавов при изменении технологии плавки нуждаются в уточнении, так как разные плавильные печи и различный состав шихтовых материалов в условиях того или иного производства могут оказывать определенное нивелирующее действие на способ обработки расплава и, соответственно, качество сплавов. Особенно эффективно проведение ТВО в печах индукционного нагрева. Это связано с интенсификацией движения расплава под действием переменных электромагнитных полей, что приводит к увеличению скоростей массопе-реноса и гомогенизации расплава при перегревах по сравнению с печами простого электронагрева.

Также было исследовано влияние эффекта ТВО после нескольких переплавов на механические свойства промышленных алюминиевых сплавов АК7ч,

0,0241 (0.024

АК12, АК5М2, АМ5. Содержание вторичных материалов (лома и отходов, брикетированной стружки) в шихте изменялось от 20 до 100 % (соотношение стружки к другим вторичным материалам составляло 50/50 %), которые добавляли к чушковым сплавам. Проанализировали механические свойства сплавов после четырех переплавов. Выявлена следующая закономерность: значения механических свойств сплавов, состоящих на 100 % из чушковых материалов, после двух и трех переплавов снижаются наиболее интенсивно (о0 - на 20...30 %; § - на 30.. .40 %). Эффект ТВО для всех сплавов, шихта для которых содержала 40...80 % низкосортных материалов, более устойчивый и снижение уровня свойств от переплава к переплаву менее выраженное.

Таким образом, воздействие ТВО по оптимальным режимам на низкосортные шихтовые материалы позволяет заложить технологические основы создания шихтовых заготовок с мелкозернистой структурой, что, в свою очередь, создает предпосылки разработки ресурсосберегающих технологий получения литейных сплавов с требуемыми свойствами.

Глава 5 Исследование влияния шихтовых заготовок с эффектом ТВО на свойства алюминиевых сплавов и разработка ресурсосберегающей технологии получения отливок с использованием ТСО

В главе представлены результаты исследования влияния шихтовых заготовок с эффектом ТВО на механические и технологические свойства сплавов АК7ч, АК12, АК9ч и рассмотрена разработанная ресурсосберегающая технология получения алюминиевых сплавов с использованием ТСО.

Исследование влияния шихтовых заготовок с эффектом ТВО на механические и технологические свойства сплавов АК7ч, АК12, АК9ч. В качестве исходных шихтовых материалов использовали различные отходы этих сплавов - стружку в брикетах (около 45...50 %), обрезь, мелкий лом (50...55 %) песча-но-глинистого литья. Шихту расплавляли в печи ИСТ-0,06. Режимы ТВО составляли: для сплава АК7ч - Т = 1010... 1030 °С, т = 12...14 мин; для сплава АК12 - Т = 1070...1090 °С, т = 10... 13 мин; для сплава АК9ч -Т = 1050... 1070 °С, т = 15...20 мин. Перед заливкой расплавы рафинировали хлористым марганцем (сплавы АЬС7ч, АК12), флюсом «МХЗ» (сплав АК9ч). Обработанные шихтовые расплавы заливали в специальную металлическую форму (патент РФ № 69073) и получали ТВО-шихту (шихтовую заготовку с «эффектом» ТВО). Был опробован вариант дополнительной обработки расплавов перед заливкой магнитным полем (патенты РФ №№ 69072, 104104); так получали (ТВО-М)-шихту (шихтовую заготовку с эффектом ТВО и магнитного поля). Структура ТВО-шихты и (ТВО-М)-шихты - мелкозернистая с упорядоченным а-твердым раствором и равномерно распределенной эвтектикой. Слитки шихтовых переплавов затем добавляли к основной шихте (НШ), состоящей из лома и отходов, для получения сплавов АК7ч, АК12, АК9ч. В процессе плавки температуры перегрева были стандартные (ТВО не проводилась). Перед заливкой в форму расплавы обрабатывали флюсом «МХЗ».

Результаты показали, что использование шихтовых заготовок (в шихте) в количестве от 20 до 100 % позволило повысить уровень механических свойств сплавов АК7ч и АК12 (Ов - на 5...31 % и 5 - на 25... 100 %) при измельчении составляющих микроструктуры. При этом (рисунок 4) была снижена величина линейной усадки (ЛУ, %) и предусадочного расширения (ПР, %), что выразилось в уменьшении пористости исследуемых сплавов и повышении их герметичности (Г, МП а) на 5... 13 % (толщина стенки образца 8 мм).

Использование добавок ТВО-шихты (от 10 до 90 %) к основной шихте (НШ) при получении сплава АК9ч обеспечивало рост показателей механических свойств (Ов - на 7.. .35 % и 5 - на 50... 130 %), снижение пористости (до 2 балла).

На рисунке 5 приведены результаты испытаний жидкотекучести (Л) и герметичности (Г) сплавов АК7ч и АК12 в зависимости от добавок шихтовой заготовки к основной шихте (НШ) из лома и отходов. Характеры изменений жидкотекучести и герметичности (толщина стенки образца 4 мм) хорошо согласуются между собой - увеличение в завалке доли ТВО-шихты способствует их повышению.

ЛУ. к 1.20

1 10 1.05

1.00 ■

ПР. % С. 0в'

С. 07 -0.060.05 ■ С.01 •

Г МПа

105 1 00 0 95 0 90

от ПР. %

007006 ■ 005 ■ 0 04 •

Г. МПа

20

а б

Рисунок 4 - Влияние добавок шихтовой заготовки на свойства (ЛУ, ПР, Г) сплавов АК7ч (а) и АК12 (б) в зависимости от вариантов шихты:

1 - 100 % НШ; 2 - 50 % НШ + 50 % ТВО-шихты; 3-60% НШ + 40 % ТВО-шихты; 4- 80 % НШ + 20 % ТВО-шихты; 5 - 100 % ТВО-шихты; 6- 50 % НШ + 50 % (ТВО-М)-шихты; 7 - 60 % НШ + 40 % (ТВО-М)-шихты; 8- 80 % НШ + 20 % (ТВО-М)-шихты; 9 - 100 % (ТВО-М)-шихты

Л, мы

Г. МПа

Рисунок 5 — Влияние добавок шихтовой заготовки на жидкотекучесть (Л) и герметичность (Г) сплавов АК7ч и АК12

количество шихтовои заготовки.

Полностью вести плавки на 100 % специально обработанной шихты из экономических соображений нецелесообразно. Однако добавление к исходной низкосортной шихте определенного количества шихты с мелкозернистой структурой могут обеспечить ощутимое повышение технологических, механических и эксплуатационных свойств сплавов и отливок. Рекомендуемой добавкой следует считать 30...50 % шихтовой заготовки.

На основании проведенных исследований разработан способ подготовки шихты (изготовление шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов (патент РФ № 2345155). Внедрение данного способа в условиях ЗАО «РОУ» (г. Барнаул), ООО «Сталь» (г. Прокопьевск), ООО «Тех-нокомплекс-НК» (г. Новокузнецк) при использовании в технологическом процессе изготовления отливок «Корпус», «Втулка», «Крышка», «Колесо» из сплавов АК7ч и АК9ч позволило получить за счет экономии чушковых материалов суммарный экономический эффект более 4,5 млн. руб. При этом происходило максимальное вовлечение в производство вторичных материалов (до 90... 100 %) - различных отходов, стружки в брикетах, мелкой обрези, лома и т.д., а отливки удовлетворяли требуемому качеству.

Разработка ресурсосберегающей технологии получения алюминиевых сплавов и отливок с использованием ТСО. Проблему ускоренного охлаждения расплава после высокотемпературного перегрева (и выдержки) до температуры рафинирования или заливки в литейные формы (с целью фиксации эффекта перегрева) можно решать с помощью добавок мелкозернистого возврата, соответствующего составу получаемого сплава, то есть - реализовать термоскоростную обработку (ТСО). Увеличение скорости охлаждения расплава происходит за счет следующего: добавки мелкозернистых материалов выступают в качестве плавящихся микрохолодильников; а также создают модифицирующий эффект, внося большое количество потенциальных центров кристаллизации (мик-ронеоднородностей меньших масштабов и активированных нерастворимых примесей). В качестве мелкозернистого возврата целесообразно использовать как специально приготовленную шихтовую заготовку, так и отходы и возврат кокильного литья.

Была разработана и реализована при получении сплава АК7ч для отливки «Корпус» в условиях ЗАО «РОУ» технология ведения плавки с преобладанием лома и отходов в шихте. Технология включала следующие этапы: расплавление шихтовых материалов, включающих низкосортные (лом, мелкие отходы, обрезь, стружку в брикетах состава АК7ч; при этом количество стружки составляло около 40...45 % от общей массы вторичных материалов), проведение перегрева, охлаждение расплава первой порцией кокильного возврата (состав АК7ч) до температуры модифицирования, модифицирование второй порцией кокильного возврата, рафинирование и разливку. Схема технологии представлена на рисунке 6.

При оптимизации параметров перегрева варьировали температуру Т\ от 900 до 1150 °С с шагом 50 °С; время выдержки Т) от 5 до 25 мин с шагом 5 мин; состав шихты (изменяли в завалке: от 10 до 50 % - чушковый силумин (Mt), от 50 до 90 % - низкосортную шихту (М2), состоящую из лома и отходов песчано-глинистого литья состава АК7ч).

Оптимальные значения параметров определяли по критерию максимальной прочности (временного сопротивления разрыву ов), характерной для корпусного литья. Были построены номограммы, связывающие параметры перегрева (температуру, время выдержки) и прочность сплава, в зависимости от

состава шихты. Получено статистически значимое уравнение регрессии следующего вида (критерий Фишера ^ = 60,77; Д2 = 0,847):

АГ,

ав = 4,3029 1п(х,)+ 1,5921 Г, -0,00075 Тх - 0,2267("^~)-661,1. (6)

Оптимальные параметры перегрева составили: 7\ = 1030... 1050 °С (в зависимости от состава шихты), Ті = 10... 15 мин. Тк

Рисунок 6 - Схема технологии получения литейных алюминиевых сплавов (температурно-временные режимы и основные технологические операции): Tj - температура перегрева расплава и ввода первой порции ml кокильного возврата;

Г2 - температура ввода второй порции т2 кокильного возврата; Г3 - температура расплава после ввода m2; т2 _ время рафинирующей обработки и выдержки расплава

после рафинирования

В дальнейшем исследовались режимы плавки с целью определения оптимального количества добавки кокильного возврата в расплав (для реализация ТСО). В качестве шихты применялись чушковый силумин АК7ч, низкосортная шихта (различные отходы песчано-глинистого литья состава АК7ч: стружка в брикетах, обрезь, мелкий лом), возврат кокильного литья состава АК7ч. Расплавы перегревали до 1030... 1050 °С, варьировали содержание компонентов шихты - чушкового силумина М\, низкосортной шихты М2, мелкозернистой шихты М3 (кокильного возврата); соотношение масс вводимых порций мелкозернистой шихты (массы Wj и Ш2 составляли 70 и 30, 60 и 40, 80 и 20, 50 и 50 % соответственно), а также температуру 7j ввода второй порции (800, 835, 870 и 900 °С). Первую порцию т\ во всех вариантах вводили при температуре перегрева Т\ после изотермической выдержки Т]. Рафинирование перед разливкой осуществляли хлористым марганцем в количестве 0,2 % от массы расплава, который вводили с помощью «колокольчика». Температура разливки во всех вариантах составляла 730.. .740 °С.

Были получены уравнения регрессии, характеризующие механические свойства сплава АК7ч в зависимости от соотношения компонентов шихты, температуры Т2 ввода второй (модифицирующей) порции кокильного возврата

и соотношения масс первой гп\ и второй /И2 порций кокильного возврата (обработка данных по результатам 52 плавок):

Ов

= 65,71( ' ) +8,4282Г2 -0,00495^2 + 0,3161(—) - 3392,94;(7)

7И 2 ' " 2

М + М 2 ,и1

5 = 5,797( ' 1 ) + 0,3518 Г2 _ 0,00021 Г2 + 0,033(—) - 147,209. (8)

М 2 "12

Полученные уравнения регрессии применимы для интервалов 185 < <7ц < 240 (МПа), 2,5 < 5 < 5,2 (%) при изменении входных параметров в следующих пределах: М, = 0,03. ..0,17; М2 = 0,71...0,85; Мъ = 0,07... 0,17; Г2 =800...

т1

900 °С; — = 1...4. т2

Для уравнения (7): F= 61,06; /?2 = 0,917; для уравнения (8): ^ = 24,6; /?2 = 0,721.

На основе оптимизации по моделям (7) и (8) было установлено, что механические свойства зависят как от соотношения компонентов шихты (чушкового силумина, низкосортных материалов и кокильного возврата), так и массы вводимых порций кокильного возврата и температур, при которых вводят эти порции. Максимальный эффект в плане повышения механических свойств во всех вариантах показало введение при оптимальной температуре перегрева (1030...1050 °С) первой порции /И]кокильного возврата в количестве 60...70 % от общей его массы, причем вторая порция тг в количестве 30...40 % вводилась при температурах 835...870 °С и обеспечивала достаточное для измельчения структуры количество потенциальных центров кристаллизации.

Было выявлено, что оптимальное соотношение масс компонентов шихты (чушкового силумина, низкосортных материалов и кокильного возврата), обеспечивающих максимальные механические свойства сплава, составляет (0,05-ь0,12):(0,71н-0,78):(0,12-Ю,17) соответственно. Повышение механических свойств достигается за счет улучшения структуры сплава путем использования шихты предлагаемого состава, при этом в плавке не применяются дорогостоящие модификаторы. Механические свойства (С7ц и 5) образцов, вырезанных из тела отливки «Корпус», изготовленной из сплава АК7ч по предлагаемой технологии, повысились в среднем на 13...25 % и на 73... 112 % соответственно. Жидкотекучесть, определенная по технологической пробе, увеличилась на 11...23 %.

Разработанная технология также была успешно опробована при получении сплавов АК5М2 и АК5М7.

Предложенный технологический процесс может успешно применяться при плавке алюминиевых сплавов в литейных цехах, использующих кокильное литье. При реализации предлагаемой технологии в шихте возможно использовать до 80...85 % низкосортных отходов производства.

Разработанная технология защищена патентом РФ (№ 2322522). Внедрение технологии в условиях ООО «Прокопьевский завод Электроаппарат», ЗАО «РОУ» (г. Барнаул) при выплавке сплава АК7ч и изготовлении из него отливок «Колесо насосное», «Корпус» позволило получить за счет снижения (до 15...20 % в завалке) расхода чушковых материалов экономический эффект более 2,7 млн. руб.

Глава 6 Исследование влияния комплексной обработки расплавов ТВО и электромагнитными воздействиями на свойства литейных алюминиевых сплавов

В главе представлены результаты исследований механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5 после обработки расплава ТВО и электромагнитными воздействиями. Шихта включала повышенное количество вторичных материалов (см. таблицу 2). Параметры ТВО расплавов составляли: для сплава АК7ч - Т= 1010. ..1030 °С, Т = 10...12 мин; для сплава АК5М2 - Т =970...990 °С, т = 8...10 мин; для сплава АМ5 — Т= 950...970 °С, т = 7...10 мин. Перед заливкой в литейные формы все сплавы рафинировали флюсом «МХЗ». Обработку расплавов магнитным полем при заливке (с градиентом АВ/Ах = 0,666...0,886 Тл/м) и электрическим током (плотность тока у = (0,92+ 1,2)- 105 А/м2 при/= 30...40 А) в процессе кристаллизации осуществляли с помощью специальных устройств (патенты РФ №№ 69072, 69074, 104104).

Таблица 2 - Механические и технологические свойства алюминиевых сплавов в зависимости от технологии обработки расплава

№ п/п Марка сплава, состав шихты («)' Технология обработки расплава Механические и технологические свойства (средние значения) Доля твердой фазы том. расчет по (о

МПа 5,% Пористость Жидкоте-кучесть, мм (прутковая проба)

1 Сплав АК7ч (100 вторичных материалов) Исходный (необр.) 172 2,8 4-5 96 0,32

ТВО 217 4,7 3 118 0,40

Электрический ток 212 4,9 2-3 не опр. -

ТВО + электрический ток 229 5,5 2-3 не опр.

Магнитное поле 215 4,5 3 122 0,41

ТВО + магнитное поле 227 5,1 2-3 131 0,44

2 Сплав АК5М2 (15...20 чушковых + 80...85 вторичных материалов) Исходный (необр.) 169 1,3 4-5 93 0,31

ТВО 215 3,1 3 115 0,38

Магнитное поле 211 2,1 2-3 113 0,38

ТВО + магнитное поле 221 3,4 2-3 124 0,41

3 Сплав АМ5 (20...25 чушковых + 75... 80 вторичных материалов) Исходный (необр.) 330 9,3 4-5 79 0,34

ТВО 377 14,6 3 89 0,39

Магнитное поле 382 14,2 2-3 92 0,38

ТВО + магнитное поле 398 13,7 2-3 97 0,42

'Вторичные материалы содержали (по массе): стружку в брикетах-45...50 %; мелкие отходы, лом, возврат - 50.. .55 %.

ТВО и магнитное поле. Результаты исследований показали (таблица 2), что обработанные магнитным полем и подвергнутые комплексной обработке (ТВО и магнитным полем) сплавы имеют более высокий уровень механических и технологических свойств. Качественный металлографический анализ образцов из обработанных сплавов показал измельчение составляющих микроструктуры, что связано с преобладанием объемного характера кристаллизации.

Из анализа полученных данных видно, что при обработке магнитным полем сплава АК7ч наблюдается увеличение значений СТВ в 1,25 раза и 8 в 1,6 раза; при обработке магнитным полем сплава АК5М2 параметр Ов повышается в 1,24 раза, 8 - в 2,33 раза; обработка магнитным полем сплава АМ5 увеличивает СТВ в 1,15 раза, 8 - в 1,47 раза. Комплексная обработка расплавов ТВО и магнитным полем способствует еще большему повышению механических свойств: для сплава АК7ч (7в и 8 увеличились соответственно в 1,31 и 1,82 раза; для сплава АК5М2 - в 1,32 и 2,83 раза; для сплава АМ5 - в 1,21 и 1,52 раза. У всех сплавов, обработанных физическими воздействиями как одним способом, так и в комплексе, наблюдалось повышение жидкотекучести и снижение балла пористости.

Было изучено влияние магнитного поля на горячеломкость сплава АМ5 (шихта состояла из 20...25 % чушковых материалов и 75...80 % лома и отходов). Результаты исследований показали, что после обработки расплава магнитным полем ширина кольца пробы составляет 15,0... 17,5 мм, тогда как у исходного сплава - 27,5...30,0 мм. При этом комплексная обработка расплава ТВО и магнитным полем способствует еще большему снижению ширины кольца пробы (до 10 мм). Данный эффект, очевидно, связан с уменьшением после воздействия магнитного поля опасного с точки зрения образования горячих трещин температурного интервала между температурой схватывания каркаса кристаллов и температурой солидуса.

В таблице 2 также приведены свойства сплавов, обработанных только ТВО. Несмотря на повышение уровня исследуемых свойств по сравнению с исходной технологией, применение комплексной обработки дает более значимые эффекты.

Предложен следующий механизм влияния магнитного поля на расплав. При обработке струи расплава магнитным полем конусной катушки возникает градиент магнитного поля. Влияние электромагнитных сил способствует уменьшению скорости движения газовых и неметаллических включений в потоке расплава, проходящего через устройство, они подвергаются «торможению» магнитным полем и после заливки в литейную форму накапливаются в

литниковой чаше. Расчет выталкивающей силы действующей в устройстве на неметаллические включения, показал, что для частиц у-А120з: = 510"7 Н (в расчете брали частицу массой 1-Ю'4 кг при длине конусной катушки 0,28 м и градиенте магнитного поля АВ/Ах = 0,886 Тл/м). В результате газосодержание в сплаве и его пористость уменьшаются, что обусловлено снижением содержания у-А12Оз в сплавах. Например, для сплава АК7ч (рисунок 3) обработка расплава магнитным полем привела к снижению у-А1203 в 1,7... 1,8 раз по сравнению с необработанным сплавом. Это вносит существенный вклад в повышение уровня механических свойств в литом состоянии. Следует заметить, что градиент магнитного поля (и его эффективность) зависит от диаметра трубчатого каркаса, на который намотана катушка, длины самой катушки, числа распределенных по конусу витков и силы подаваемого тока.

Комплексная обработка расплавов ТВО и магнитным полем открывает широкие возможности для разработки ресурсосберегающих технологий получения литейных алюминиевых сплавов. Количество лома и отходов в шихте при использовании предварительной ТВО может быть увеличено до 80...90 %, а в некоторых случаях до 100 %.

ТВО и электрический ток. Воздействие на расплавы ТВО и электрическим током в процессе кристаллизации способствовало повышению уровня ме-

ханических свойств сплава АК7ч (таблица 2). Наблюдалось снижение балла пористости образцов. Значения СТВ и 5 увеличились в среднем в 1,33 и 1,96 раза соответственно. Это объясняется измельчением а-твердого раствора, увеличением доли выделений эвтектики.

Было проведено исследование влияния электрического тока на микроструктуру и механические свойства сплава АК7ч с различным содержанием железа: 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 % Ре.

Традиционно для нейтрализации негативного влияния железа (обеспечение компактной формы фаз) используют лигатуры А1 - Мп, А1 - N1. Проведенные эксперименты показали, что обработка кристаллизующегося расплава электрическим током позволяет получить аналогичные эффекты, при этом не меняется его химический состав. Наблюдалось измельчение всех составляющих микроструктуры и повышение механических свойств.

Теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы, состоит в следующем. В связи с тем, что А1 и легче отдают электроны, чем железо, можно предположить существование в расплаве ионов А1+, БГ, а железо ионизируется с образованием отрицательного заряда в кристаллизующейся фазе интерметаллида Ре81А15. Поскольку на острых кромках включений интерметаллида наблюдается повышенная поверхностная энергия, то должно происходить растворение с образованием ионов А1+, ЯГ, Ре". По-видимому, основная масса ионов стремится к образованию интерметаллида за счет электростатического взаимодействия железа с алюминием и кремнием и формированию дополнительного слоя на поверхностях утолщенной части кристалла по принципу коалесценции.

Таким образом, показана возможность влияния электрического тока на формирование морфологии железосодержащих фаз в алюминиевых сплавах в процессе их кристаллизации. Это подтверждается металлографическими исследованиями сплава АК7ч, которые выявили, что микроструктура образцов измельчается, железосодержащие фазы из удлиненной пластинчатой формы кристаллизуются в более компактном виде.

Установлено, что предварительная ТВО расплава усиливает модифицирующее действие электрического тока на структуру и нейтрализацию негативного влияния железа (соответственно, повышается уровень механических свойств сплавов).

Необходимо отметить, что небольшие масса и размер отливок и наиболее простая их конфигурация способствуют большему модифицирующему эффекту от обработки электрическим током по сравнению с массивными и сложными отливками (по-видимому, это объясняется равномерностью распределения плотности тока).

Комплексная технология обработки расплавов состава АК7ч (ТВО и электрическим током) является ресурсосберегающей, так как позволяет использовать повышенное количество низкосортной шихты и получать требуемые механические свойства, при этом возможно увеличение (в 2...2,5 раза) содержания в сплаве железа по сравнению с максимально допустимым его содержанием по ГОСТ 1583-93.

Апробация и внедрение технологии комплексной обработки расплавов ТВО и электрическим током, ТВО и магнитным полем реализована в условиях ОАО «Алтайский моторный завод», ЗАО «РОУ», ООО «Технокомплекс-НК» при производстве тонкостенных отливок из сплавов АК7ч, АК12, АК5М2. Экономический эффект составил 1,58 млн. руб.

Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод, что комплексная технология обработки расплавов, включающая ТВО, магнитное поле или электрический ток, способствует получению более мелкозернистой структуры в сравнении с обработкой одним видом воздействия, а также увеличению показателей механических и технологических свойств сплавов. Это происходит вследствие того, что ТВО позволяет воздействовать на микронеоднородность расплава (устраняя или снижая ее уровень), что при кристаллизации способствует увеличению модифицирующего эффекта дополнительного физического воздействия (магнитного поля или электрического тока).

Для объяснения полученных результатов комплексной обработки расплавов физическими воздействиями был проведен расчет (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2009613766) доли тш твердой фазы, выпадающей вблизи температуры солидус. Расчёт тш представлен в таблице 2. Результаты расчёта том по выражению (1) с использованием справочных данных, данных термического анализа, а также результатов определения жидкотекучести сплавов показали, что линия нулевой жидкотекучести при использовании предлагаемых технологий смещается ближе к линии солидус, интервал жидкоподвижного состояния обработанного сплава во всех вариантах шире, чем у исходного сплава. Очевидно, за счёт увеличения доли эвтектики, меньшей разветвлённости денд-ритов, объемного характера кристаллизации и компактной формы образующихся кристаллов, обработанный физическими воздействиями сплав перестаёт течь при большей доле том (в среднем, в 1,2... 1,3 раза) твёрдой фазы, чем исходный сплав (с долей ш0).

Глава 7 Промышленная апробация и внедрение разработанных ресурсосберегающих технологий получения алюминиевых сплавов и отливок

В главе представлены основные результаты реализации исследований в производственных условиях при получении литейных алюминиевых сплавов и отливок из них с использованием повышенного количества лома и отходов в шихте.

Промышленная апробация и внедрение разработанных ресурсосберегающих технологий были проведены в условиях ОАО «КМЗ», ООО «Сталь КМЗ», ООО «Технокомплекс-НК» (г. Новокузнецк), ООО «Сталь», ООО «Про-копьевский завод Электроаппарат» (г. Прокопьевск), ЗАО «РОУ» (г. Барнаул).

В условиях ОАО «КМЗ» и ООО «Технокомплекс-НК» внедрена технология получения сплава АК7ч с преобладанием лома и отходов в шихте, включающая ТВО расплава (Г= 1010... 1020 °С, Т = 10...12 мин) и рафинирование хлористым марганцем (0,2...0,3 %). Технология способствовала стабилизации и повышению механических свойств (ав- на 10...20 %; 5- на 85... 110 %) сплава АК7ч по сравнению с существующими на этих предприятиях технологиях его приготовления, включающей рафинирование тройным флюсом. Также уменьшился брак по пористости. При этом количество отходов в шихте было повышено с 20... 30 % до 75...90 %. Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии получения сплава АК7ч в технологический процесс изготовления отливок «Корпус» (ОАО «КМЗ») и «Вкладыш» (ООО «Технокомплекс-НК») составил 777 тыс. руб.

В условиях ЗАО «РОУ» и ООО «Сталь КМЗ» внедрена технология получения сплавов АК7ч и АК6М2, предназначенных для изготовления тонкостенных отливок. Технология включала комплексную обработку расплава ТВО

(Г= 990... 1000 °С, Т = 8... 10 мин) и флюсом «МХЗ» (0,7...0,8 %). Доля отходов в шихте составляла 80...85 % (ранее - не более 20...25 %). При этом механические свойства сплавов повысились (в среднем) - <7В на 11... 19 %; 5 - на 95... 115 %. Годовой экономический эффект составил 2,75 млн. руб.

Внедрение технологии получении сплава АК7ч в условиях ООО «Сталь», включающей комплексную обработку расплава ТВО (Т = 1000...1020 °С, X = 8...10 мин) и препаратом «Дегазер» (0,8 %), позволило получить повышенные механические свойства (ав - на 15...23 %; 8 - на 96... 122 %). Доля лома и отходов в шихте составляла 70...85 %. Годовой экономический эффект при производстве отливок «Кронштейн» составил 235 тыс. руб.

В условиях ООО «Прокопьевский завод Электроаппарат» внедрена технология (патент РФ № 2322522) получения сплава АК7ч с использованием термоскоростной обработки (включающей перегрев расплава до Т = 1010... 1020 °С, выдержку X = 10 мин и добавку кокильного возврата). Реализуемая технология позволила снизить расход чушковых материалов за счет увеличения до 80...85 % доли отходов в шихте, повысить механические свойства (СТВ - на 13...22 %; 5 - на 90... 119 %) сплава АК7ч по сравнению с таким же сплавом, но приготовленным по существующей технологии. Годовой экономический эффект при производстве отливок «Колесо насосное» составил 916 тыс. руб.

Внедрение этой же технологии (патент РФ № 2322522) в условиях ЗАО «РОУ» в технологический процесс изготовления отливок «Корпус» позволило получить суммарный годовой экономический эффект в размере 1,8 млн. руб.

В условиях ЗАО «РОУ» внедрена технология изготовления шихтовой заготовки с эффектом ТВО (патент РФ № 2345155) из лома и отходов. Применение шихтовой заготовки (в количестве 40...50 % от массы всей шихты) для получения сплавов АК7ч и АК9ч при производстве отливок «Корпус», «Крышка», «Втулка» обеспечивало стабильность механических свойств в литом состоянии. Расплав перед заливкой в литейные формы рафинировали по существующей на предприятии технологии - флюсом на основе КС1, NaCl и криолита. При этом не требовалась дополнительная обработка перегревом или модифицированием и достигалась экономия чушковых материалов путем максимального вовлечения в плавку вторичных материалов (до 90... 100 %) - лома деталей, стояков, литников, стружки в брикетах, обрези и т.д. Суммарный годовой экономический эффект при производстве отливок составил 3,47 млн. руб.

Технология изготовления из лома и отходов шихтовой заготовки с эффектом ТВО (патент РФ № 2345155) также была внедрена в условиях ООО «Сталь». Применение 45...50 % шихтовой заготовки при получении сплава АК7ч по существующей на предприятии технологии (рафинирование стандартными флюсами) способствовало повышению механических свойств (СТВ - на 14...20 %; 5 — на 87... 104 %). Годовой экономический эффект при производстве отливок «Корпус» и «Колесо» составил 421 тыс. руб. Внедрение в условиях ООО «Технокомплекс-НК» технологии получения сплава АК7ч с применением шихтовой заготовки с эффектом ТВО (патент РФ № 2345155) позволило получить суммарный годовой экономический эффект 658 тыс. руб.

Технологии комплексной обработки расплавов ТВО и электрическим током (Г= 1010...1020 °С, Т= 8...10 мин; 7 = 0,92- 105 А/м2 при/= 30 А), ТВО и магнитным полем при заливке (Т = 1000...1050 °С в зависимости от марки сплава, X = 10... 12 мин; градиент магнитного поля АВ/Ах = 0,886 Тл/м) внедре-

ны в условиях ЗАО «РОУ», ООО «Технокомплекс-НК» при производстве отливок различного назначения из сплавов АК7ч, АМ5, АК5М2. При увеличении доли лома и отходов в шихте (с 40...55 % в среднем до 80...90 %) были получены требуемые механические свойства сплавов. Суммарный годовой экономический эффект составил 1,58 млн. руб.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения предлагаемых технологий за период 2002-2011 гг. на всех предприятиях составил более 12,4 млн. руб, что подтверждается соответствующими актами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Уточнен механизм влияния физических модифицирующих воздействий при плавке и литье на кристаллизацию алюминиевых расплавов. Согласно механизму, тепловые и электромагнитные воздействия гомогенизируют расплавы по концентрации и температуре, увеличивают энтропию системы и устойчивость жидкого состояния, при этом вследствие уменьшения температурных и концентрационных градиентов разделительная диффузия при кристаллизации принимает молекулярный характер, способствует изменению времени и величины интервала кристаллизации, которая переходит от стадии фронтально-дендритной к стадии объемной с образованием мелкозернистой неориентированно-дендритной структуры.

2. Разработана математическая модель для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов (критического размера зародыша кристаллизации (гк) и количества зародышей кристаллизации («о) в единице объема расплава) после обработки тепловыми и электромагнитными воздействиями. Расчет гк и По позволяет оценить эффективность технологии конкретной модифицирующей обработки расплава при производстве тонкостенных отливок.

3. Определены режимы ТВО расплавов литейных алюминиевых сплавов, при этом качество шихтовых материалов и способ рафинирования расплава могут влиять на эффект данной обработки. Изучением механических свойств литейных алюминиевых сплавов выявлено, что применение ТВО при плавке, шихта для которой содержит повышенный процент лома и отходов, наиболее целесообразно. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать время распада микронеоднородностей в расплавах системы А1 - 81 при ТВО. Результаты расчета по модели показали хорошее соответствие с экспериментальными данными. Режимы ТВО, обеспечивающие максимальный уровень механических и технологических свойств, составили: для сплава АК7ч - Т = 1010...1030 °С, Х = 12...14 мин; сплава АК9ч - Т = 1050...1070 °С, X = 15...20 мин; сплава АК12 -Т= 1070...1090 °С, X = 10...13 мин; сплава АК5М2 - Т = 970...990 °С, Х= 8...10 мин; сплава АМ5 - Т= 950...970 "С, X = 7... 10 мин.

4. Экспериментально выявлен эффект сохранения влияния ТВО на качество литейных алюминиевых сплавов АК7ч, АК12, АК5М2, АМ5 после их переплавов. Значения механических свойств сплавов, состоящих на 100 % из чушковых материалов, после второго и третьего переплавов снижаются наиболее интенсивно (ав - на 20...30 %; 6 - на 30...40 %). Эффект ТВО для всех сплавов, шихта для которых содержала 40...80 % низкосортных материалов, более устойчивый и снижение уровня свойств от переплава к переплаву менее выраженное.

5. Показана эффективность применения ТВО в переплавных процессах при изготовлении из лома и отходов шихтовых заготовок заданного химического состава и их использование в производстве отливок из алюминиевых спла-

вов. Использование шихтовых заготовок позволяет повысить уровень свойств сплавов, полученных на основе вторичных материалов. Выявлено, что оптимальной добавкой к исходной низкосортной шихте следует считать 30...50 % шихтовой заготовки. Для сплавов АК7ч, АК12, АК9ч использование от 10 до 100 % шихтовой заготовки способствовало снижению величин преду садочного расширения и усадки, снижению балла пористости (до 2), повышению уровня герметичности на 5...13 %, жидкотекучести на 10...15 % и механических свойств сплавов: <ТВ - на 5...35 % и 8 - на 25... 130 %. Разработаны и защищены патентами РФ устройство и способ подготовки шихты для литейных алюминиевых сплавов.

6. Разработан способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием низкосортной шихты, включающий ТСО. Установлены аналитические зависимости и рассчитаны оптимальные параметры высокотемпературного перегрева и добавок кокильного возврата в расплав, а также определено оптимальное соотношение в шихте масс чушковых материалов, низкосортной шихты и кокильного возврата. Технология обеспечивает мелкозернистую структуру и повышение механических свойств сплавов. Данный способ защищен патентом РФ.

7. Создано устройство для модифицирующей обработки расплава магнитным полем (с градиентом АВ/Ах = 0,192...0,886 Тл/м) при заливке в литейные формы, которое может быть использовано как основа при создании промышленной установки для воздействия магнитными полями на струю расплава в производстве фасонных отливок. Предложен механизм влияния магнитного поля на расплав при заливке в литейную форму. При обработке струи расплава градиентным магнитным полем конусной катушки влияние электромагнитных сил способствует уменьшению скорости движения газовых и неметаллических включений в потоке расплава, проходящего через устройство, они подвергаются «торможению» магнитным полем и после заливки в литейную форму накапливаются в литниковой чаше. В результате газосодержание в сплаве и его пористость уменьшаются, что приводит к повышенному уровню механических свойств. Способ обработки расплава с помощью такого устройства не ограничивает материал литейной формы, конфигурацию и массу отливки. Устройство защищено 2 патентами РФ.

8. Создано устройство для модифицирующей обработки расплава электрическим током (у = (0,30 1,20) • 105 А/м2) в литейной форме в процессе кристаллизации. Устройство защищено патентом РФ.

9. Исследовано влияние технологий комплексной обработки расплавов ТВО и электрическим током, ТВО и магнитным полем на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов, полученных при использовании повышенного (до 80... 100 % в завалке) количества лома и отходов в шихте. Экспериментально доказано, что обработка ТВО расплавов состава АК7ч, АК5М2, АМ5 уменьшает (по сравнению с необработанными расплавами) температурный интервал кристаллизации (АТнк) на 6...И °С, а комплексная технология обработки расплавов ТВО и электромагнитными воздействиями - на 8...15°С. Комплексная обработка расплавов ТВО и электромагнитными воздействиями позволяет получить мелкозернистую структуру и требуемые механические и технологические свойства алюминиевых сплавов, и открывает широкие возможности для разработки ресурсосберегающих технологий литья. У сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5 выявлено повышение механических свойств: Ов - на 17...35 %; 8 - на 50...98 %, твердости - на 5...10 %, что является следствием измельчения составляющих микроструктуры. Жидкотекучесть сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5

повышается на 18...25 %. Горячеломкость сплава АМ5 после комплексной обработки ТВО и магнитным полем снижается в 2,5...3 раза.

10. Показано, что обработка электрическим током расплава при кристаллизации позволяет получить компактные включения железосодержащих фаз без изменения химического состава сплава АК7ч и применения дорогостоящих лигатур Al - Mn, Al - Ni. Предварительное проведение ТВО расплава усиливает модифицирующее действие электрического тока на структуру (микроструктура сплавов измельчается, железосодержащие фазы из удлиненной пластинчатой формы кристаллизуются в более компактном виде) и повышает уровень механических свойств по сравнению с необработанным сплавом: СТц -на 30...35 %; 5 - на 90...100 %. При этом возможно увеличение (в 2...2,5 раза) содержания в сплаве железа по сравнению с максимально допустимым его содержанием по ГОСТ 1583-93. Разработана теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.

11. Проведен расчет доли твердой фазы (/иом) при кристаллизации сплавов, выпадающей вблизи температуры солидус. Результаты расчёта том для сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5, обработанных физическими модифицирующими воздействиями, показали, что линия нулевой жидкотекучести смещается ближе к линии солидус, интервал жидкоподвижного состояния модифицированного сплава во всех вариантах больше, чем у исходного сплава. Сравнение значений долей твердой фазы обработанных (т0м) и исходных (тп) сплавов показало увеличение /Пом (то есть, доли эвтектики), в среднем, в 1,2... 1,3 раза.

12. Экспериментально подтверждено, что термовременная обработка расплава является перспективной ресурсосберегающей технологией, позволяющей широко использовать вторичные материалы - лом, отходы, возврат собственного производства (до 80... 100 % в шихте). Установлено, что применение этой технологии в комплексе с эффективным рафинированием, электромагнитными воздействиями позволяет нейтрализовать или уменьшить влияние низкосортной шихты и получить алюминиевые сплавы и отливки из них с мелкозернистой структурой, требуемыми механическими и технологическими свойствами - не ниже свойств сплавов, полученных из чушковых материалов.

13. Разработаны и в производственных условиях реализованы ресурсосберегающие технологии получения алюминиевых сплавов (АК7ч, АК12, АК9ч, АК5М2, АК6М2, АМ5) и отливок из них, с использованием физических воздействий: ТВО, ТСО, комплексной обработки расплавов - ТВО и рафинирование хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; ТВО и магнитное поле при заливке; ТВО и электрический ток при кристаллизации; использование шихтовой заготовки с эффектом ТВО. Внедрение данных ресурсосберегающих технологий за период 2002-2011 гг. в условиях промышленных предприятий позволило получить суммарный годовой экономический эффект - более 12,4 млн. руб (при долевой части автора 30 %).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных изданиях:

Отдельные издания

1. Деев В.Б. Получение герметичных алюминиевых сплавов из вторичных материалов / В.Б. Деев И Монография [Текст]. - М.: Флинта: Наука, 2006. -218 с.

2. Деев В.Б. Кристаллизация и литейные свойства цветных сплавов / В.Б. Деев, Г.Л. Маркс, О.Г. Приходько, A.B. Феоктистов // Учебное пособие с грифом СИБРУМЦ [Текст]. - Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - 182 с.

Ъ.Деев В.Б. Обработка металлических расплавов перегревом / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, О.Г. Приходько // Монография [Текст]. - Новокузнецк: СибГИУ, 2010.- 192 с.

Статьи в рецензируемых научных изданиях

4. Деев В.Б. Влияние структурной наследственности шихты на качество отливок из силуминов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, A.B. Феоктистов, Ю.Ф. Шульгин // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. № 2. С. 4-6.

5. Деев В.Б. Исследование жидкотекучести и герметичности алюминие-во-кремниевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, A.B. Феоктистов, Ю.Ф. Шульгин // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. № 3. С. 8-10.

6. Деев В.Б. Использование шихтовой заготовки для получения сплава АК9ч [Текст] / В.Б. Деев, A.B. Феоктистов, Н.И. Швидков // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. № 7. С. 13, 14.

7. Деев В.Б. Наследственность шихты и усадочные процессы сплавов [Текст] / В.Б. Деев // Заготовительные производства в машиностроении. 2003. № 10. С. 9, 10.

8. Деев В.Б. Влияние температурного режима плавки на гидропрочность силуминов [Текст] / В.Б. Деев, A.B. Феоктистов, И.Ф. Селянин // Известия вузов. Черная металлургия. 2003. № 8. С. 68.

9. Деев В.Б. Влияние режимов высокотемпературной обработки расплавов на формирование структуры и свойства силуминов [Текст] / В.Б. Деев, A.B. Феоктистов, И.Ф. Селянин [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. 2003. № 10. С. 55-58.

10 .Деев В.Б. Многовариантный расчет распада микронеоднородностей при высокотемпературном нагреве металлических расплавов [Текст] / В.Б. Деев, A.B. Феоктистов, И.Ф. Селянин [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. 2004. № 2. С. 55-57.

11. Селянин И.Ф. Влияние наследственности шихты на предусадочное расширение сплавов [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, А.П. Войтков, Н.В. Башмакова // Металлургия машиностроения. 2005. № 6. С. 15-17.

12. Селянин И.Ф. Комплексное влияние термовременной обработки и флюсования на свойства сплава АК7ч [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, А.П. Войтков, Н.В. Башмакова// Литейное производство. 2005. № 11. С. 6, 7.

13. Селянин И.Ф. Рафинирование расплавов при использовании низкосортной шихты [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, А.П. Войтков, Н.В. Башмакова //Литейщик России. 2006. № 2. С. 18-20.

14. Деев В.Б. Влияние наследственности шихты на кристаллизацию алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, А.П. Войтков // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. № 5. С. 7-9.

15. Деев В.Б. Обработка алюминиевых сплавов высокотемпературным перегревом и хлористыми добавками [Текст] / В.Б. Деев, А.П. Войтков, И.Ф. Селянин, О.Г. Приходько // Металлургия машиностроения. 2006. № 6. С. 27, 28.

16. Деев В.Б. Технологии обработки алюминиевых сплавов в процессе их приготовления [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, А.П. Войтков // Литейное производство. 2006. № 9. С. 13-15.

17. Деев В.Б. Анализ способов рафинирования алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев // Литейщик России. 2006. № 12. С. 25-27.

18. Деев В.Б. Влияние комплексной обработки расплава на коррозию сплава АК7ч [Текст] / В.Б. Деев // Литейщик России. 2007. № 1. С. 28, 29.

19.Деев В.Б. Плавка алюминиевых сплавов с регламентированными параметрами перегрева [Текст] / В.Б. Деев // Литейщик России. 2007. № 7. С. 37, 38.

20. Деев В.Б. Влияние электрического тока на кристаллизацию алюминиевых сплавов, содержащих железо [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, Н.В. Башмакова [и др.] //Литейщик России. 2007. № 8. С. 12-15.

21. Деев В.Б. Исследование технологических параметров и расчет количества твердой фазы при кристаллизации литейных алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, И.Ю. Кольчурина [и др.] // Литейщик России. 2007. № 8. С. 18-22.

22. Деев В.Б. Ресурсосберегающая технология получения литейных алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, В.А. Дегтярь, А.И. Куценко [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 12. С. 33-36.

23. Деев В.Б. Получение литейных алюминиевых сплавов в различных плавильных агрегатах [Текст] / В.Б. Деев // Литейщик России. 2008. № 1. С. 42, 43.

24. Деев В.Б. Влияние температурных условий плавки и наследственности шихты на свойства алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев // Литейщик России. 2008. № 2. С. 31-33.

25. Деев В.Б. Модифицирующая обработка сплавов магнитным полем [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, О.И. Нохрина [и др.] // Литейщик России. 2008. № 3. С. 23-25.

26. Деев В.Б. Оценка эффекта температурной обработки расплавов методом термоЭДС [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.Ф. Горюшкин [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 4. С. 41^-3.

27. Деев В.Б. Влияние температурной обработки и электрического тока на свойства алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, О.И. Нохрина, Н.В. Башмакова // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 4. С. 50-53.

28. Деев В.Б. Технологические приемы снижения горячеломкости литейных сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.Ф. Горюшкин, С.А. Цецо-рина // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. № 6. С. 10-12.

29. Деев В.Б. Об уточнении кластерной модели металлических расплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.А. Цецорина // Известия вузов. Черная металлургия. 2008. № 8. С. 66, 67.

30. Деев В.Б. Исследование кристаллизации литейных алюминиевых сплавов, обработанных внешними воздействиями [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.П. Мочалов [и др.] // Литейщик России. 2009. № 7. С. 32-34.

31 .Деев В.Б. Математическое моделирование процесса кристаллизации металлических расплавов после обработки внешними воздействиями [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.П. Мочалов [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. № 10. С. 3-5.

32. Селянин И.Ф. О механизме кристаллизации металлических расплавов [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, С.А. Цецорина, О.Г. Приходько // Известия вузов. Черная металлургия. 2009. № 11. С. 46-48.

33. Деев В.Б. Влияние термовременной обработки и магнитного поля на свойства сплава АК7ч [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.А. Цецорина [и др.] // Литейщик России. 2009. № 12. С. 28, 29.

34. Деев В.Б. Оценка эффективности физических модифицирующих воздействий на литейные сплавы с применением программного приложения «Расчет количества твердой фазы при кристаллизации металлических распла-

вов» [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.А. Цецорина [и др.] // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 2. С. 6-8.

35. Деев В.Б. Исследование процессов кристаллизации литейных сплавов, полученных с использованием вторичного сырья [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.А. Цецорина [и др.] // Литейщик России. 2011. № 4. С. 40—42.

36. Деев В.Б. Использование шихтовых заготовок при получении литейных сплавов АК7ч и АК12 [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, О.И. Нохрина [и др.] // Металлургия машиностроения. 2012. № 2. С. 3-5.

37. Селянин И.Ф. Физические модифицирующие воздействия и характер кристаллизации литейных сплавов [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, С.П. Мо-чалов [и др.] // Литейщик России. 2012. № 4. С. 31-33.

38. Деев В.Б. Об использовании физических модифицирующих воздействий при литье А1-сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, С.П. Мочапов [и др.] // Литейное производство. 2012. № 5. С. 16—18.

39. Деев В.Б. Эффективные технологии обработки расплавов при получении литейных алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, Ри Хосен [и др.] //Литейщик России. 2012. № 10. С. 14-17.

40. Селянин И.Ф. Влияние электромагнитных полей и термовременной обработки на процесс модифицирования металлических расплавов [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, Ри Хосен [и др.] // Литейщик России. 2012. № 10. С. 35-36.

Патенты, свидетельства на официальную регистрацию программ для ЭВМ в гос. реестре

41. Пат. на полезную модель № 64216 РФ, МПК С22С 1/02. Устройство контроля качества сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.А. Дегтярь [и др.] // Заявка № 2007106745. Приоритет 21.02.2007 г. Опубл. 27.06.2007 г.

42. Пат. на полезную модель № 69071 РФ, МПК С22С 1/02. Устройство контроля качества сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.А. Дегтярь [и др.] // Заявка № 2007126547. Приоритет 11.07.2007 г. Опубл. 10.12.2007 г.

43. Пат. на полезную модель № 69072 РФ, МПК С22С 1/02. Устройство для модифицирования сплавов [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.А. Дегтярь [и др.] // Заявка № 2007130320. Приоритет 07.08.2007 г. Опубл. 10.12.2007 г.

44. Пат. на полезную модель № 69073 РФ, МПК С22С 1/02. Устройство для подготовки шихты [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.А. Дегтярь [и др.] // Заявка № 2007130317. Приоритет 07.08.2007 г. Опубл. 10.12.2007 г.

45. Пат. на полезную модель № 69074 РФ, МПК С22С 1/02. Устройство для модифицирования сплавов в литейной форме [Текст] / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, В.А. Дегтярь [и др.] // Заявка № 2007130318. Приоритет 07.08.2007 г. Опубл. 10.12.2007 г.

46. Пат. № 2322522 РФ, МПК С22С 1/02, С22С 21/04. Способ получения литейных алюминиево-кремниевых сплавов [Текст] / В.А. Дегтярь, В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, А.П. Войтков // Заявка № 200613589/02. Приоритет 03.07.2006 г. Опубл. 20.04.2008 г. Бюл. №11.

47. Пат. № 2345155 РФ, МПК С22С 1/02. Способ подготовки шихты для получения алюминиевых сплавов [Текст] / В.Б. Деев, В.А. Дегтярь, И.Ф. Селянин // Заявка № 2007126436/02. Приоритет 11.07.2007 г. Опубл. 27.01.2009 г. Бюл. № 3.

48. Свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2009613765. Расчет параметров кристаллизации расплава после обработки внешними воздействиями [Текст] / В.Б. Деев, С. А. Цецорина, И.Ф. Селянин // Заявка № 2009612649. Приоритет 02.06.2009 г. Опубл. 14.07.2009 г.

49. Свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2009613766. Расчет количества твердой фазы при кристаллизации металлических расплавов [Текст] / С.А. Цецорина, В.Б. Деев, И.Ф. Селянин // Заявка № 2009612650. Приоритет 02.06.2009 г. Опубл. 14.07.2009 г.

50. Свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2010611992. PR_MN 1.0 [Текст] / В.Б. Деев, С.А. Цецорина, И.Ф. Селянин [и др.] // Заявка № 2010610170. Приоритет 18.01.2010 г. Опубл. 17.03.2010 г.

51. Пат. на полезную модель № 104104 РФ, МПК B22D 1/00. Устройство для модифицирования сплавов магнитным полем [Текст] / И.Ф. Селянин, В.Б. Деев, С.А. Цецорина [и др.] // Заявка № 2010134769. Приоритет 19.08.2010 г. Опубл. 10.05.2011 г.

Подписано в печать 06.11.2012 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,19. Уч.-изд. л. 2,32. Тираж 100 экз.

ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА РАСПЛАВЫ И РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05 Л 6.04 - Литейное

05201350469

На правах рукописи УДК 621.74

Деев Владислав Борисович

ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛ

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты: д.т.н., профессор И.Ф. Селянин д.т.н., профессор Ри Хосен

Новокузнецк-Хабаровск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................6

Глава 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО УРОВНЯ РАЗВИТИЯ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ЛИТЬЯ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ...................................15

1.1 Классификация способов обработки металлических

расплавов в промышленных технологиях литья..........................15

1.2 Модифицирование алюминиевых сплавов........................16

1.3 Применение явлений наследственности в алюминиевых сплавах

для их модифицирующей обработки...................................20

1.4 Влияние кокильных переплавов на свойства литых

алюминиевых сплавов..................................24

1.5 Физические воздействия на металлические расплавы с целью получения модифицирующего эффекта................................26

1.6 Железо в алюминиевых сплавах.................................55

1.7 Особенности использования вторичных материалов при плавке литейных алюминиевых сплавов.....................................60

1.8 Анализ ресурсосберегающих технологий получения алюминиевых сплавов с заданными свойствами.........................65

1.9 Выводы и задачи работы.....................................67

Глава 2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ......70

2.1 Исходные материалы и плавка...................69

2.2 Рафинирование расплавов......................70

2.3 Исследование вязкости и технологических свойств................71

2.4 Исследование кристаллизационно-усадочного

процесса.........................................................73

2.5 Исследование механических свойств, герметичности и коррозионной стойкости..............................................76

2.6 Устройство для обработки расплава электрическим током в процессе кристаллизации............................................77

2.7 Устройство для обработки расплава магнитным полем.............79

2.8 Металлографические исследования и определение химического состава............................................................81

2.9 Методика расчета параметров кристаллизации, времени распада микронеоднородностей, доли твердой фазы...........................82

2.10 Обработка экспериментальных данных.......................83

Глава 3 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ВЛИЯНИЯ

ФИЗИЧЕСКИХ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ РАСПЛАВОВ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ..............................83

3.1 Механизм влияния физических модифицирующих воздействий на кристаллизацию металлических расплавов.............................83

3.2 Численный расчет параметров кристаллизации литейных алюминиевых сплавов, обработанных физическими воздействиями.........88

3.3 Исследование кристаллизации литейных алюминиевых сплавов,

обработанных физическими воздействиями..........................99

3.4 Выводы...................................................134

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

РЕЖИМОВ ПЛАВКИ И СОСТАВА ШИХТЫ НА СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ .. .136

4.1 Исследование физических, технологических и механических

свойств силуминов в зависимости от температурно-временных параметров

плавки...........................................................136

4.2 Численный расчет времени распада микронеоднородностей в расплавах силуминов после температурно-временных воздействий.......147

4.3 Исследование влияния состава шихты и режимов ТВО на свойства промышленных литейных алюминиевых сплавов....................... 154

4.4 Исследование влияния комплексной обработки расплава - ТВО и рафинированием - на свойства промышленных литейных алюминиевых сплавов.......................................................... 160

4.5 Исследование влияния типа плавильного агрегата на эффект термовременной обработки..........................................164

4.6 Исследование склонности сплавов к эффекту ТВО...............167

4.7 Выводы...................................................173

Глава 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ШИХТОВЫХ ЗАГОТОВОК С

ЭФФЕКТОМ ТВО НА СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ TCO................................175

5.1 Исследование кристаллизационно-усадочного процесса алюминиевых сплавов, полученных с использованием ТВО-шихты........175

5.2 Исследование влияния шихтовых заготовок с эффектом ТВО на технологические (герметичность, жидкотекучесть) и механические

свойства алюминиевых сплавов АК7ч, АК12, АК9ч..................... 177

5.3 Разработка ресурсосберегающей технологии получения алюминиевых сплавов и отливок с использованием ТСО.............................197

5.4 Выводы....................................................217

Глава 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ

РАСПЛАВОВ ТВО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ НА СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ............................219

6.1 Исследование влияния различных физических воздействий на механические и технологические свойства литейных алюминиевых

сплавов...........................................................219

7.2 Теоретическое описание воздействия электрического тока на измельчение структурных составляющих алюминиевых сплавов, в том

числе и железосодержащих фаз.....................................228

7.3 Расчет доли твердой фазы, выпадающей вблизи температуры солидус...........................................................238

7.4 Выводы....................................................240

Глава 7 ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ОТЛИВОК..................................243

7.1 Анализ эффективности различных технологий получения литейных алюминиевых сплавов......................................243

7.2 Реализация ресурсосберегающих технологий получения алюминиевых сплавов и отливок в производственных условиях..........247

7.3 Выводы....................................................257

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................258

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................263

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................264

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................295

Приложение 1...............................296

Приложение 2................................................324

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время проблема получения алюминиевых сплавов (и отливок из них) с мелкозернистой структурой, заданными механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами продолжает оставаться актуальной. Накопление отходов производства заставляет искать пути экономии и более рационального использования чушковых материалов. Поэтому совершенствуются существующие способы обработки расплавов

- рафинирование, модифицирование различными добавками, применение физических воздействий и др.

Определенную перспективу представляют физические (или внешние) модифицирующие воздействия на расплавы при плавке, заливке, кристаллизации (наиболее эффективные из них: тепловые - ТВО, ТСО и др.; механические

- ультразвук; вибрация, перемешивание и др.; электромагнитные - электрические и магнитные поля; несинусоидальные электромагнитные импульсы и др.). Их оптимальная реализация позволяет использовать повышенное количество лома и отходов при плавке, нивелировать действие нежелательных примесей и получать алюминиевые сплавы с мелкозернистой структурой, заданным химическим составом, минимальным содержанием газовых и неметаллических включений, требуемым уровнем свойств. Физические воздействия имеют ряд преимуществ по сравнению с другими способами обработки расплавов - более благоприятная экологическая обстановка; не используются дорогостоящие модификаторы; не изменяется химический состав расплава во время плавки, что, в отличие от технологий с использованием элементов-модификаторов, не приводит к накоплению в сплавах при дальнейших переплавах излишнего количества примесей.

Однако практическое применение таких ресурсосберегающих технологий для фасонного литья из алюминиевых сплавов сдерживается из-за недостаточной изученности процессов и технологических сложностей. Кроме того, способы физических воздействий не могут быть реализованы произвольно и требуют обоснования их применения и оптимизации параметров обработки в каждой конкретной технологии получения алюминиевых сплавов и отливок.

Работа выполнена в рамках Гранта Губернатора Кемеровской области «Разработка комплексных технологий получения литейных алюминиевых сплавов из вторичного сырья для металлургических и машиностроительных предприятий Кузбасса» (2007 г.); реализации Минобриаукой России проекта развития кооперации российских вузов и производственных предприятий по созданию высокотехнологичного производства (договор № 13. 025.31.0082, 2010...2012 гг.); проекта № 14. В37.21.0437 (2009...2013 гг.) Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Мероприятие 1.1 - Высокотехнологичный сектор экономики) по теме: «Разработка эффективных технологических процессов изготовления отливок из авиационных алюминиевых сплавов путем внешних воздействий на их расплавы».

Цель и задачи работы. Целью работы являлось создание, научное обоснование и реализация эффективных ресурсосберегающих технологий получения отливок из алюминиевых сплавов с использованием физических модифицирующих воздействий на расплавы - термовременной и термоскоростпой обработок, магнитного поля при заливке, электрического поля при кристаллизации, их комплексного влияния для повышения качества, механических и технологических свойств сплавов следующих систем:

- А1 - & - (сплавы АК7ч, АК9ч, АК12);

- А1 - & - Си (сплавы АК5М2, АК6М2, АК5М7);

- А1 - Си (сплав АМ5);

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Уточнить механизм влияния физических модифицирующих воздействий - тепловых и электромагнитных - на кристаллизацию алюминиевых расплавов и разработать математическую модель для расчета параметров кристаллизации.

2. Установить закономерности влияния режимов термовременной обработки (ТВО) и состава шихты на свойства литейных алюминиевых сплавов.

Разработать математическую модель, позволяющую рассчитать время распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при ТВ О.

3. Исследовать влияние шихтовых заготовок (из лома и отходов), полученных с применением ТВО, на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов.

4. Исследовать механические и технологические свойства алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, после комплексной обработки физическими воздействиями - ТВО и рафинирования; ТВО и электромагнитных воздействий. Изучить влияние комплексной обработки расплава ТВО и электрическим током на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов с повышенным содержанием железа.

5. Разработать ресурсосберегающие технологические способы получения литейных алюминиевых сплавов с применением физических воздействий -термовременной и термоскоростной обработки (ТСО), магнитного поля, электрического тока.

6. Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок заданного качества из алюминиевых сплавов с использованием повышенного количества лома и отходов в шихте.

Научная новизна.

1. Уточнен механизм влияния физических воздействий при плавке и литье на кристаллизацию алюминиевых сплавов, позволяющий объяснить увеличение энтропии и устойчивость жидкого состояния системы, молекулярный характер разделительной диффузии и изменение характера кристаллизации.

2. Разработана теоретическая модель кристаллизации литейных алюминиевых сплавов при воздействии электрического тока, позволяющая объяснить получение железосодержащих фаз компактной формы.

3. Разработана математическая и компьютерная модели для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов, обработанных тепловыми и электромагнитными воздействиями, позволяющая прогнозировать критический

размер зародышей кристаллизации, их количество и оценить эффективность модифицирующей обработки расплава.

4. Разработана математическая и компьютерная модели для расчета времени распада микронеоднородностей в расплавах силуминов при термовременной обработке.

5. Установлен эффект сохранения влияния термовременной обработки на механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов после переплавов.

6. Установлены аналитические зависимости, рассчитаны и экспериментально подтверждены оптимальные параметры термоскоростной обработки -температура перегрева, время выдержки, количество и температура ввода добавок кокильного возврата в расплав.

7. Установлена взаимосвязь между способами физических воздействий на расплав, временем и величиной температурного интервала его кристаллизации, обеспечивающая повышение уровня механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов при использовании шихты, содержащей до 80... 100 % лома и отходов.

Новизна технологических, конструкторских и программных решений защищена патентами и свидетельствами РФ.

Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации эффективных технологий получения литейных алюминиевых сплавов с возможностью использования лома и отходов в шихте до 80... 100 % и применением физических воздействий (тепловых и электромагнитных) на расплавы для повышения механических и технологических свойств до уровня свойств сплавов, полученных с использованием шихты из чушковых материалов.

Основные результаты представляют следующее:

1. Показано, что ТВО расплава является перспективной ресурсосберегающей технологией, позволяющей широко использовать вторичные материалы - лом, отходы, возврат разной природы. При этом не требуется использование модифицирующих добавок. Применяя данную технологию в комплексе с

другими способами обработки расплава (рафинированием хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; электромагнитными воздействиями), возможно нейтрализовать или уменьшить влияние низкосортной шихты и получить из алюминиевых сплавов отливки с мелкозернистой структурой и требуемыми свойствами. Целесообразно применение ТВО в переплавных процессах при изготовлении шихтовых заготовок заданного химического состава.

2. Разработано устройство (патент РФ № 69073) и способ подготовки шихты (изготовления шихтовой заготовки из лома и отходов) для литейных алюминиевых сплавов, включающий ТВО и кристаллизацию расплава в специальной металлической форме (патент РФ № 2345155). Использование шихтовой заготовки при получении алюминиевых сплавов способствует повышению уровня их механических и технологических свойств.

3. Разработан способ получения литейных алюминиевых сплавов с использованием низкосортной шихты, включающий ТСО (патент РФ № 2322522). Данная технология может быть применена при производстве отливок в литейных цехах, имеющих кокильное литье.

4. Создано устройство для обработки расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму (патенты РФ №№ 69072, 104104), при этом не ограничивается материал формы и конфигурация отливок. Использование устройства в комплексе с предварительной ТВО расплава позволяет повысить уровень механических и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов, полученных из шихты с преобладанием лома и отходов, за счет рафинирующего и модифицирующего эффектов.

5. Создано устройство для обработки расплавов электрическим током в процессе кристаллизации (патент РФ № 69074). Использование устройства позволяет уменьшить негативное влияние железа и получить структуру алюминиевых сплавов (на основе низкосортной шихты) с компактными включениями железосодержащих фаз. Предварительная ТВО расплава усиливает модифицирующее действие электрического тока и повышает механические свойства литейных алюминиевых сплавов.

Реализация результатов работы. С целыо достижения требуемого уровня механических и технологических свойств при минимальном использовании чушковых материалов в шихте разработаны и в промышленных условиях реализованы ресурсосберегающие технологии получения алюминиевых сплавов и отливок: комплексная обработка расплавов - ТВО и рафинирование хлористым марганцем, флюсом «МХЗ», препаратом «Дегазер»; ТВО и магнитное поле при заливке; ТВО и электрический ток при кристаллизации; использование шихтовой заготовки с эффектом ТВО; применение ТСО.

Перспективность технологических разработок подтверждается результатами их промышленной апробации и внедрения на предприятиях: ОАО «КМЗ», ООО «Технокомплекс-НК», ООО «Сталь КМЗ» (г. Новокузнецк), ООО «Сталь», ООО «Прокопьевский завод Электроаппарат» (г. Прокопьевск), ЗАО «РОУ», ОАО «А�