автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Структура и свойства листовой заготовки из алюминиевых сплавов системы Al-Fe-Si-Mn при совмещенном методе литья и прокатки

На правах рукописи

Бажин Владимир Юрьевич

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛИСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ А1-Ре-8ьМп ПРИ СОВМЕЩЕННОМ МЕТОДЕ ЛИТЬЯ И ПРОКАТКИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Мысик Раиса Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Кулаков Борис Алексеевич кандидат технических наук, Можаровский Сергей Михайлович Ведущая организация: ОАО «Фольгопрокатный завод» г. С-Петербург

Защита состоится 23 охтл¿>J¿J 2005 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 при ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» в зале Ученого Совета металлургического факультета 3 уч. корпус ауд. Мт - 324 по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральского государственного технического университета - УПИ».

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, ГОУ ВПО «Уральский государственной технический университет - УПИ», факс 374-38-84

Автореферат разослан« 26 » 2005 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, / '

профессор, доктор технических наук ¡¿^¡¿¡¿¡^о^^^ Карелов

/6*32-

итш

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В связи с расширением маркетинговых мероприятий по тонколистовым видам алюминиевого проката наблюдается тенденция увеличения общих объемов производства и потребления фольги.

Для достижения конкурентоспособности на рынке многие предприятия алюминиевой промышленности ориентируются на расширение сектора конечной продукции. Новые технологии предопределяют возможности выпуска тонколистового проката со свойствами, превосходящими лидеров мирового рынка, в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО.

Листы, ленты, фольга из алюминиевых сплавов могут быть изготовлены с использованием разных технологических схем. Экономическая эффективность производства и обработки алюминиевых сплавов зависит от многих факторов, таких как технико-экономические характеристики оборудования, объем производства, себестоимость сырья и материалов и т. д. Традиционные схемы производства фольги из слитковой заготовки существуют многие десятилетия и их улучшение идет, как правило, путем совершенствования машин и оборудования.

В настоящее время появились принципиально новые технологии получения фольговой заготовки из алюминиевых сплавов, которые успешно конкурируют с классическими схемами.

Учитывая повышение спроса на внутреннем и внешнем рынке на алюминиевую фольгу для производства пищевых контейнеров и техническую фольгу для теплообменников толщиной 50...120 мкм, необходимы организационные и научно - технические мероприятия для освоения этих новых видов продукции.

Производство рулонной заготовки совмещенным методом литья и деформации на установках бесслитковой прокатки (БП) исключает отливку и обработку слитков, нагрев и горячую прокатку. Использование агрегатов БП позволяет снизить энергоемкость, производственный цикл, трудозатраты и капитальные вложения по сравнению со схемами производства фольги из слитковой заготовки.

К основному преимуществу совмещенного процесса литья и прокатки алюминиевых полос относят возможность получения рулонной заготовки толщиной 6...8 мм для производства фольги необходимого диаметра. Высокая степень и скорость деформации во время литья приводят к повышению температуры обрабатываемого металла в зазоре валков-кристаллизаторов. В случае алюминиевых сплавов системы А1-Бе~81-Мп температура поднимается выше температуры рекристаллизации без предварительного подогрева заготовок, в результате которой достигается однородная микроструктура, подобная получаемой после горячей прокатки.

Управление процессом структурообразования на агрегатах БП за счет внешних воздействий на расплав, изменения температурных режимов,

скорости литья, величины обжатия создает возможность получения алюминиевой полосы с мелкодисперсным строением. Производство заготовки совмещенным методом литья и прокатки является одним из перспективных направлений для получения качественной и экономически выгодной продукции.

К недостаткам совмещенного способа литья и прокатки алюминиевых полос относят низкую производительность, ограниченный диапазон отливаемых сплавов, неудовлетворительное качество поверхности и неоднородность микроструктуры отливаемой полосы. Низкие механические характеристики заготовки являются основной причиной неудовлетворительного использования технологии бесслитковой прокатки на отечественных предприятиях алюминиевой промышленности.

В этой связи совершенствование технологического регламента производства фольговой заготовки БП из алюминиевых сплавов без газовой пористости, внутренних горячих трещин, с мелкозернистой равномерной микроструктурой обеспечивающее высокие механические свойства и минимальную анизотропию, является актуальным.

Цель и задачи работы. Целью работы являлось исследование и разработка основных технологических параметров производства заготовки, полученной на агрегатах бесслитковой прокатки (БП), для дальнейшего получения фольги толщиной 50... 120 мкм под глубокую вытяжку и штамповку. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Сформулировать требования к химическому составу алюминиевого сплава для получения заготовки с заданными механическими свойствами. На основе сравнительного исследования структуры заготовки при различном содержании легирующих компонентов в сплавах системы АЬРе-вьМп, отлитых по стандартной технологии и при совмещенном методе литья и прокатки, выбрать состав сплава, позволяющий получить необходимые механические свойства.

2. Исследовать особенности затвердевания алюминиевой заготовки, отлитой на агрегатах бесслитковой прокатки с использованием комплексной системы непрерывного рафинирования и модифицирования расплава.

3. Исследовать влияние технологических факторов на процесс формирования структуры и глубину лунки алюминиевой полосы при совмещенном способе литья и прокатки с целью повышения качества и получения требуемой структуры фольговой заготовки под глубокую вытяжку.

4. На основании выполненного исследования разработать технологический регламент плавки и литья алюминиевых сплавов системы А1 - Ие - - Мп для производства фольги под глубокую вытяжку из заготовки, полученной на агрегатах бесслитковой прокатки.

Научная новизна работы

1. Уточнены представления и сформулирован подход к выбору химического состава сплава для получения фольговой заготовки под глубокую вытяжку и штамповку.

2. Установлены закономерности формирования структуры и свойств алюминиевых заготовок с повышенным содержанием легирующих элементов.

3. Для устойчивости и стабильности процесса модифицирования технологический процесс необходимо проводить при исходном содержании титана - 0,01 %, бора - 0,025 % в температурном диапазоне 685.. .695 "С.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния основных легирующих компонентов на структуру и свойства литой полосы из сплавов системы А1-Ре-БьМп.

2. Результаты исследования комплексного воздействия при использовании различных способов рафинирования алюминиевых сплавов для обеспечения качественной фольговой заготовки.

3. Результаты исследования модифицирования сплавов системы А1-Ре-вьМп в условиях бесслитковой прокатки.

4. Результаты экспериментального исследования и теоретического анализа, на основании которых определены глубина лунки и величина активной зоны, а также их зависимость от технологических параметров процесса литья и прокатки.

5. Результаты промышленного опробования технологии производства фольговой заготовки из алюминиевых сплавов на примере сплава 8006.

Практическая ценность работы

1. Из выведенных зависимостей глубины лунки и активной зоны от скорости литья, толщины полосы и рабочего давления металла на валки назначены параметры, обеспечивающие высокую производительность и необходимое качество заготовки.

2. Внедрена система комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов в условиях бесслитковой прокатки.

3. Разработана технология производства фольговой заготовки из сплава 8006 под глубокую вытяжку и штамповку на агрегатах БП.

4. Разработана методика планирования эксперимента в условиях бесслитковой прокатки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса», г. Тамбов, апрель 2005 г.; на Всероссийской научно-практической конференции «Наука-производство-технологии-экология», г. Киров, апрель 2005 г.; на 7-ом съезде литейщиков России, г. Новосибирск, май 2005 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 статей и 3 тезиса докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 128 наименований, изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 35 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы ее основные цели и задачи, приведены научные положения, выносимые на защиту, а также показана практическая значимость исследования.

В первой главе на основании литературных источников рассмотрены современные научные представления о строении алюминиевых сплавов для производства фольги. Проведен патентный анализ алюминиевых сплавов для получения фольги под глубокую вытяжку. Приведены марки, химические составы и свойства сплавов системы Al-Fe-Si-Mn. Рассмотрены проблемы производства качественной фольговой заготовки, получаемой на агрегатах бесслитковой прокатки. Рассмотрен механизм образования газовой пористости, горячих и холодных трещин, ликвации во время совмещенного процесса литья и прокатки. Указаны возможные причины появления данных дефектов, а также способы их устранения за счет применения различных методов рафинирования Сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе изложена методика проведения работы, перечислены оборудование и материалы, использованные для проведения лабораторных и промышленных экспериментов Подробно описаны методики экспериментального, металлографического, электронноскопического исследования и способа определения глубины лунки и длины активной зоны. Приведены основные способы оценки качества фольговой заготовки и механических свойств.

В третьей главе выполнен анализ процесса структурообразования в заготовке БП при различном содержании легирующих компонентов в сплавах 8011, 8079, 8006 системы Al-Fe-Si-Mn и их влиянии на механические свойства. В алюминиевой заготовке полученной из сплава 8006 с содержанием железа 1,25... 1,75 % и кремния 0,25.. 0,40 %, установлено наличие избыточных фаз, различающихся по размеру и морфологии. Эти фазы выделяются при кристаллизации полосы в зазоре валков-кристаллизаторов в зависимости от параметров технологического процесса на агрегатах бесслитковой прокатки табл. 1.

Таблица 1

Интерметаллидные фазы в сплавах системы АЬРе-вьМп

Скорость охлаждения Уохлад., °С /сек Фаза Форма частиц Кристаллическая решетка Параметр решетки

0,5-1 А13Ре Иглы или стержни 2 мм Орторомбичекая (моноклинная) о = 47,7 в=15,2 с = 8,11

9,5-15,0 АУ^! «Китайский шрифт» Гексагональная о= 12,3 8 = 26,2

90,0-105,5 АЬРев! Иглы Моноклинная о = 6,12-6,18 8 = 6,12-6,18 с = 41,5

Свыше 100 АЫ^! «Китайский шрифт» ОЦК а= 12,5-12,7

Свыше 100 АУег Эвтектика Моноклинная о = 8,69 в -6,35 с = 6,32

Изменение температуры литья, скорости литья может вызвать появление интерметаллидных фаз А15Ре8!, А13Ре в виде игл, которые ухудшают механические свойства заготовки. Введение определенного количества марганца существенно снижает появления этих фаз и в условиях повышенных скоростей охлаждения приводит к образованию устойчивых фаз А1 (Ре,81,Мп). При различных температурах отжига холоднокатанной фольги изменяется размер и морфология частиц избыточных фаз. При низкотемпературном отжиге 380 °С более крупные частицы неравномерно распределены по объему и эти фазы индентифицированы как соединения А18ре281 и АЬоР^в!. При высоко температурном отжиге 520 "С частицы приобретают прямоугольную огранку и соответствуют соединению АЬоРвзЗГ Согласно экспериментальным данным в сплаве появляется фаза АЦРегв! с более низкой симметрией. Высокотемпературный отжиг приводит к более равномерному распределению частиц по объему.

Электронномикроскопическое исследование с использованием микроанализатора «СатеЬах» выявило, что средний размер частиц для сплава 8006 составляет 0,5 мкм. С увеличением содержания железа в сплаве морфология избыточных фаз не меняется, однако изменяется их средний размер. Неравномерность в распределении частиц по объему максимальна при значениях содержания железа >1.65 %, а более равномерный характер и распределение достигается в сплаве, содержащем 1,25... 1,45 % железа (рис.1). По всей вероятности, в данном случае железо оказывает модифицирующий эффект для сплава 8006.

{

а

б

в

Рис. 1. Характер распределения частиц интерметаллидов в алюминиевой матрице (XIООО): a-Fe = 0,52%; б-Fe= 1,38 %; e-Fe = 1,65 %.

Механические испытания образцов показали, что с увеличением содержания железа в сплавах системы Al-Fe-Si-Mn возрастает уровень прочностных характеристик. Для заготовки из сплава 8006 предел прочности при содержании Fe = 1,45 % составляет - 125 МП а, предел текучести - 70 МПа. Зависимость относительного удлинения от содержания железа в сплавах 8011, 8079, 8006 имеет параболический характер, и максимальные значения этого параметра достигаются при значениях содержания железа в сплаве 8006 1,25... 1,45 %. Снижение этих показателей, при малых концентрациях для сплава 8011 может быть обусловлено увеличением среднего размера зерна и разнозернистостью, а при больших значениях общим упрочнением металла. С увеличением содержания железа в сплаве 8006 уменьшается размер зерна от 30 до 5 мкм, что, по-видимому обусловлено возрастанием объемной доли избыточных фаз, изменением размера частиц и характера их распределения по объему. Наличие в сплаве 8006 зон со скоплением частиц избыточных фаз ультрамелким зерном 0,5... 1,5 мкм приводит к резкому повышению предела текучести и предела прочности рис. 2. Следует отметить, что диаграммы растяжения в этом случае имеют явно выраженную площадку текучести, что является не вполне характерным для алюминия и его низколегированных сплавов. Высокотемпературный промежуточный отжиг при 520 °С приводит к отсутствию таких зон, следствием чего является более однородная структура.

е. МПа

123 13 173

0 035 0 5 0 75 1 125 М 173 2

Рис. 2. Механические свойства фольговой заготовки толщиной 0,5 мм из сплава 8006.

Снижение общего уровня механических свойств заготовок из сплавов 8011, 8079 связано с некоторым укрупнением среднего размера зерна и, главным образом, с существенной разнозернистостью. Увеличение содержания железа выше 1,45 % приводит к значительной его ликвации и, как следствие, к неравномерности механических характеристик и повышению анизотропии свойств.

Исследование макроструктуры полос показало некоторую ее неоднородность, проявляющуюся в наличии зоны столбчатых кристаллов в периферийной части и относительно равноосных и более мелких в центральной части полосы. Такой характер макроструктуры наблюдался для всех исследуемых сплавов при различных соотношениях железа и кремния. Анализ микроструктуры заготовки показал, что для всех исследуемых сплавов она имеет ячеистый тип с выделением избыточных фаз эвтектического характера кристаллизационного происхождения преимущественно по границам дендритных ячеек. В зависимости от изменения соотношения Fe/Si изменялась объемная доля избыточных фаз, которая возрастает с увеличением общего содержания железа и кремния.

Имеют место некоторые отличия в морфологии и характере распределения этих фаз, что позволяет предположить возможность изменений в их фазовом составе в зависимости от содержания в сплаве железа и кремния. При определенных условиях возможно частичное выделение свободного кремния при максимальном его содержании в сплаве выше 0,40 % и минимальном содержании железа - 1.25 %, т.е. при соотношении Fe/Si < 3,0. Кристаллизация заготовки в условиях совмещенного литья и прокатки, в общем случае не равновесна, что может оказать определенное влияние на формирование фазового состава исследуемых сплавов. Поэтому необходимо создать условия и проводить процесс формирования кристаллического строения полосы в зазоре валков-кристаллизаторов в ограниченных диапазонах химического состава сплава при соответствующих технологических параметрах и условиях. На рис. 3 микроструктуры эвтектики в литом состоянии для сплава 8006 при различном отношении железа и кремния.

а б в

Рис. 3. Структура заготовки из алюминиевого сплава 8006 с различным отношением Fe/Si (х500): а - 1,5; б - 2,5; в - 3,5.

При соотношении Fe/Si =3,5 размер дендритной ячейки для сплава 8006 составляет ~ 6 мкм, а при Fe/Si = 1,5 для сплава 8011 размер дендритной ячейки укрупняется в 1,5...2,5 раза. При уменьшении соотношения железа и кремния одновременно повышается неоднородность структуры и изменяется характер распределения избыточных фаз кристаллизационного происхождения. При совмещенном процессе в активной зоне (в зазоре валков-кристаллизаторов) происходит процесс горячей прокатки, который сопровождается в определенной мере дроблением эвтектических колоний избыточных фаз и равномерным распределением структурных составляющих. В тоже время сохраняется некоторая наследственность в части уровня дисперсности и однородности структуры заготовки в зависимости от химического состава сплава. С увеличением содержания железа и кремния при соотношении 3,5 наблюдается более мелкое зерно и в отоженной заготовке толщиной 0,5 мм, за счет образования устойчивых по химическому составу интерметаллидных соединений и образования эвтектик Al-Si в условиях интенсивного охлаждения полосы в зазоре валков-кристаллизаторов.

Марганец увеличивает прочностные характеристики и улучшает коррозионные свойства фольгового материала, но при увеличении его содержания более 0,5 % резко снижется пластичность. Для повышения эксплуатационных свойств фольги в алюминиевых сплавах используют добавки марганца в ограниченном диапазоне, которые выполняют функции регуляторов, выделяющихся при кристаллизации расплава интерметаллидов. Наибольшее воздействие марганец оказывает на фазы Ale(Fe,Mn), а -Ali2(Fe,Mn)3Si, Al3Fe и р - Al5FeSi. Кроме того, марганец положительно влияет на формирование мелкодисперсных частиц сферической формы, уменьшая 1рубые игольчатые фазы. Поэтому в сплаве для производства фольги дня глубокой вытяжки содержание марганца принято 0,15...0,25 %. Для сплава 8006 при содержании марганца в этом диапазоне уменьшается величина нерастворимых интерметаллидных фаз, и она снижается до 0,5 мкм, что придает сплаву высокие механические свойства и высокую деформируемость при вытяжке и штамповке без фестонообразований.

Следует отметить, что, не смотря на изменения уровня механических свойств при различном содержании кремния и марганца в сплавах системы Al-Fe-Si-Mn, влияние содержания железа наиболее существенно.

В сплавах с содержанием железа 1,25... 1,45 % и кремния 0,28...0,38% при соотношении Fe/Si ~ 3,5 обеспечивается получение полосы и фольги с наиболее равномерной структурой и механическими свойствами, требуемых в случае их использования для глубокой вытяжки и штамповки. При получении фольги в мягком состоянии 50... 120 мкм структура и средние значения механических характеристик следующие: однородная структура со средним размером зерна 6... 8 мкм, предел текучести ст0,2 ~ 90 МП а, предел прочности (т„ ~ 150 МПа, относительное удлинение S - 15 %. В этом смысле указанный состав можно принять в качестве основного для его

использования при глубокой вытяжке и штамповке. Следует отметить относительную стабильность структуры и свойств данного состава сплава 8006 даже при наличии некоторых возможных колебаний в режимах его обработки в промышленных условиях. По результатам проведенного исследования получения фольги с высоким уровнем механических свойств для глубокой вытяжки наиболее приемлемым является сплав с химическим составом представленным в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав сплава 8006 для фольги под глубокую вытяжку, мае. %

Бе Мл ТС А1

1,25-1,45 0,28-0,38 0,15-0,25 0,045 Остальное

В четвертой главе рассмотрены способы подготовки расплава к литью во время технологического цикла. Для получения качественной заготовки под глубокую вытяжку с высокими механическими свойствами и минимальной анизотропией, необходимо создать условия обеспечивающие получение фольги с равномерной мелкозернистой структурой с однородным химическим составом по всей площади заготовки. Предлагаемая комплексная система обработки алюминиевого расплава включает в себя операции комбинированной дегазации аргоном и гексахлорэтаном под слоем рафинирующего флюса в отражательной печи, многоступенчатой фильтрации, вибрации и дополнена на заключительном этапе модифицированием прутковой лигатурой в специальной емкости проточного типа. На рис. 4 изображена схема комплексной обработки алюминиевых сплавов при совмещенном способе литья и прокатки.

Рис. 4. Схема обработки расплава

Во время технологического процесса бесслитковой прокатки создается возможность управления структурообразованием отливаемой полосы. Снизить скопления интерметаллидных фаз, газовых и неметаллических включений можно только при поэтапной комплексной обработке алюминиевого расплава. Качественная подготовка расплава к литью улучшает его структурные характеристики, в результате этого

происходит сфероидизация зерен, уменьшение размеров дендритов, равномерное распределение эвтектик и избыточных фаз в микрообъемах. При комплексном рафинировании, фильтрации и вибрации алюминиевого сплава создаются условия для подготовки расплава к модифицированию. Проведенное исследование использования различного воздействия на расплав в плавильных агрегатах и другом технологическом оборудовании бесслитковой прокатки по сравнению с традиционной технологией получения фольговой заготовки из слитка позволило:

- снизить размер зерна с 4,5 мм2 до 0,8 мм2;

- снизить содержание водорода в полосе с 0,18 см3/100г до 0,08 см3/100г;

снизить количество оксидных включений с 0,003 % А120з до 0,0012 % А1203 при их размере 6 мкм;

улучшить химическую однородность и снизить размер интерметаллидных включений до 0,5 мкм;

- получить фольговую заготовку опытно-промышленных партий с более качественной поверхностью.

В табл. 3 представлены результаты рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов в условиях совмещенного способа литья и прокатки.

Таблица 3

Результаты комплексного рафинирования алюминиевых сплавов

Место и операции обработки Содержание и размер неметаллических включений

Содержание Н2,см3/100г Размер Н2, мкм Содержание А120З, % АЬСЬ, мкм Содержание примеси, % Внешние примеси, мкм

Печь 0,28 20 0,010 40 0,017 35

Ковш 0,24 13 0,007 25 0,005 20

Миксер 0,20 10 0,005 16 0,005 15

Фильтры 1,2 0,18 8 0,003 12 0,003 10

Дегазация в емкости 0,12 4 0,0025 12 0,001 10

Фильтры 3,4 в емкости 0,10 4 0,0015 6 0,001 6

Модифиц ирование 0,08 4 0,0015 б - 6

Анализ полученных результатов эффективного использования лигатуры А1-Тл5-В1 показал, что пруток необходимо вводить только в ^модифицированный расплав или расплав с минимальным содержанием титана и бора, поскольку при повторных переплавах размер частиц не меняется и происходит образование осадков на подине ванны миксера или емкости для рафинирования. При изучении влияния количества вводимого модификатора на величину зерна было отмечено, что за счет изменения содержания титана и бора в расплаве можно управлять структурой, снижая размер зерна до 4...6 мкм. Так модифицирование в специальной емкости проточного типа создает возможность для получения гарантированного равноосного зерна. На основании проведенных экспериментов можно утверждать, что при определенном размере изоморфных частиц наступает момент, когда дальнейшее измельчение больше не зависит от количества вводимых или образующихся в расплаве частиц и наступает «предел» модифицирования для каждого алюминиевого сплава.

В экспериментах наблюдалось образование мелкозернистой структуры для полос из сплавов с повышенным содержанием железа. Предположительно, что интерметаллидные частицы А1 (Те, Мп) во время обработки расплава воздействуют на форму и размер зерна, и введение модификатора непосредственно перед отливкой полосы положительно влияет на её структуру.

Наряду с измельчением зерна твердого раствора, в алюминиевых сплавах системы А1-Ре-8ьМп отмечается измельчение выделений вторых фаз и их равномерное распределение по объему отливаемой полосы. Измельчение структуры приводит к уменьшению дендритной ликвации и способствует равномерному распределению примесей железа, кремния и марганца. При повышении содержания титана и бора более Т1 - 0,045 % и В -0,008 % уменьшение зерна прекращается, и значительная часть интерметаллидов А1зТ> и других частиц переходит в осадок.

Проведенное исследование показало, что модифицирование на агрегатах БП необходимо проводить в зависимости от содержания легирующих компонентов в сплаве, учитывая, что эффект измельчения зерна в наибольшей степени зависит от качества лигатуры, её количества, способа и места ввода в расплав, температуры и времени выдержки. Также необходимо учитывать то, что при фильтрации алюминиевого расплава происходит некоторое огрубление зерна. В связи с этим модифицирование расплава при предлагаемой схеме рафинирования проводят на заключительном этапе после операций вибрации, дегазации и фильтрации в специальной ванне для модифицирования (рис. 5).

Ar

1-й« ПКФ 2-обПКФ

Двигатель

Редукта

ж=ж

Рис. 5. Схема рафинирования и модифицирования расплава в проточной емкости

На процесс модифицирования существенное влияние оказывает температура расплава в ходе обработки и в момент введения модификатора. Слишком низкая температура < 680 °С, когда конвекция внутри расплава ограничена, затрудняет распределение твердых активных частиц и требует дополнительного перемешивания расплава, а слишком высокие температуры литья >730 °С приводят к дезактивации частиц, особенно при введении •плана в виде двойной лигатуры.

По предлагаемой схеме модифицирования во время совмещенного процесса литья и прокатки пруток диаметром 8...10 мм непосредственно вводится в специальную емкость в струю движущегося расплава перед валками-кристаллизаторами. Количество и скорость подачи модификатора Al-Ti5-Bl «LSM» зависит от марки сплава, температуры литья полосы, и может выбрана по наиболее положительным опытным результатам. Для устойчивости и стабильности модифицирования технологический процесс необходимо проводить при минимальном исходном содержании в расплаве титана 0,01 % ,бора 0,0025 % и при температурном диапазоне 685...695 °С. Подача лигатурного прутка под углом 45° в направлении противоположном движению расплава обеспечивает оптимальные условия для перемешивания. Ввод лигатурного прутка по предлагаемой схеме по сравнению с ранее используемой чушковой лигатурой при стандартной технологии обеспечивает: более высокую эффективность, снижение расхода лигатуры, »

более точный контроль процесса, измельчение зерна, устранение образования осадков TiB2, AI3T1. На рис. 6 представлена графическая зависимость среднего размера зерна от содержания модификатора, .

необходимого для ввода в расплав из алюминиевых сплавов 8011, 8079, 8006.

Содержание модификатора, мае, %

Рис. 6. Зависимость среднего размера зерна от содержания модификатора: 1 -сплав 8011; 2 - сплав 8079; 3 - сплав 8006.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний. Разработана технологическая инструкция производства фольговой заготовки на агрегатах БП для получения фольги под глубокую вытяжку из сплава 8006. Произведен выпуск 243 т алюминиевой фольги толщиной 50-120 мкм. В ходе промышленного эксперимента изучалось влияние всех факторов воздействия на алюминиевые сплавы с целью получения качественной фольговой заготовки. Установлено, что структурой и свойствами сплавов можно управлять:

за счет выбора химического состава сплава, обеспечивающего равномерное распределение вторичных фаз в объеме с необходимой морфологией;

при помощи комплексной системы рафинирования и модифицирования расплава за счет внешних и внутренних воздействий, позволяющих получить равноосную мелкодисперсную структуру;

' - за счет изменения технологических параметров процесса (скорости литья, температуры расплава, величины активной зоны).

Проведено изучение образцов партий заготовки фольги, полученной в ходе опытно-промышленных испытаний при различных параметрах литейного процесса: глубины лунки; температуры литья; давления металла на валки. Оценивались анизотропия, механические свойства на всех стадиях технологического процесса. Изучено влияние скоростей охлаждения и температурных режимов для сплава 8006. В табл. 4 представлены параметры совмещенного процесса литья и прокатки для производства листовой заготовки из сплава 8006 на агрегате БП с подводом металла сбоку.

Таблица 4

Технические параметры для получения заготовки из сплава 8006

Длина активной зоны, мм Глубина лунки, мм Температура литья, "С Температура полосы на выходе, °С Угол захвата, Давление металла на валки, Мпа Толщина полосы, мм Скорость литья, м/мин

30 8 681 360 7 850 7.8 0,85

35 11 683 325 8 950 7,7 0,91

40 16 683 300 9 1000 7,3 1,05

45 19 686 290 И 1150 7,2 1,11

50 21 687 283 12 1250 7,0 1,15

55 22 692 278 12 1460 7,4 1,07

60 25 702 275 13 1690 7,8 1,01

65 27 705 272 13 1780 8.0 0,79

Анализ данных показал, что при последовательной обработке выбранного алюминиевого сплава 8006 на всех технологических этапах в сочетании с оптимальными параметрами литья можно получить фольговую заготовку с необходимыми заказчикам механическими свойствами с минимальной анизотропией, при этом должны соблюдаться следующие условия. Во-первых, для каждой марки сплава процесс должен производится без перегревов с минимальной температурой литья в максимально узком диапазоне. Для сплава 8006 эта величина составляет 685...695 °С. Далее, скорость литья должна обеспечивать равномерный выход алюминиевой полосы без поверхностных дефектов. При этом необходимо учитывать влияние условий теплообмена между поверхностью валков-кристаллизаторов и расплавом, чтобы исключить рост зоны столбчатых кристаллов при кристаллизации заготовки. Для сплава 8006 на агрегате БП с подводом металла сбоку скорость литья - 1,07 м/ мин. Кроме того, для получения мелкозернистой равномерной структуры для сплава 8006 существует оптимальная величина активной зоны и глубины лунки, при которых максимально снижено влияние транскристаллизации расплава. Форма и размер лунки влияют на характер турбулентных потоков, возникающих в зоне контакта «расплав-насадка-валок» за счет явления опережения прокатки. Для сплава 8006 величина активной зоны для получения высоких механических свойств и равноосной структуры составляет 55 мм при глубине лунки 22 мм.

На заключительной стадии проведенного исследования дана оценка влияния основных технологических параметров на качество получаемой заготовки и фольги при априорном моделировании изучаемой ситуации. Методом парных сравнений при помощи экспертов проведена ранжировка дефектов отливок в соответствии с вероятностями их появления при

имитации многофакторного активного эксперимента. На стадии априорного ранжирования выделились пять причинных факторов и девять результативных признаков табл. 5 и 6 (рис. 7 и 8).

Таблица 5

Предварительный список входных координат

№ п/п Обозн. Причинные факторы № п/п Обозн. Причинные факторы

1 X, Температура в ковше 8 X, Содержание Мп

2 х2 Температура в печи 9 X, Температура воды в системе охлаждения

3 . Хз Температура в миксере 10 Хю Содержание водорода

4 Х4 Температура литья И X» Содержание оксидов

5 х5 Скорость литья 12 Xl2 Влажность шихты

б Хб Соотношение содержания Fe/Si 13 Х,з Давление металла на валки

7 Х7 Содержание Ti

Таблица 6 Предварительный список выходных координат

№ п/п Обозн. Результативные признаки № п/п Обозн Результативные признаки

1 Vi Мелкие поперечные надрывы 8 У8 Относительное удлинение

2 Уз Горячие трещины 9 У» Поверхностные дефекты

3 Уз Предел прочности 10 Ую Пористость

4 У4 Ноздреватость ленты 11 Уп Холодные трещины

5 У5 Рваная кромка 12 У>2 Дыры

6 Уб Анизотропия свойств 13 Ун Вспучивание поверхности

7 Ъ Разнотолщинность

m г

oí -

Об -

04 -

о 2- '";:

° 10 6 4 5 3 1 2 1S 11 9 7 8 12 Порядковый номер фактора

Рис. 7. Мера существенности факторов

11111[ТТк

12 2 11 13 6 3 9 2 7 4 10 5 1 П»ря*к*мб номер рауятяютиг* ярюняка

Рис. 8. Мера существенности результативных признаков

На основе этого списка создана исходная база данных для последующей диагностики качества и причин дефектности литой полосы. Алгоритм предусматривает немедленную автоматическую обработку вводимых экспертом ответов по методу парных сравнений. В итоге выполняется перебор всех попарных сочетаний строк многофакторного эксперимента. По завершении этого диалога рассчитаны суммы предпочтений по каждому из откликов. В рассматриваемом случае предпочтение одной ситуации по отношении к другой соответствовало большему уровню отклика. На этой основе построена база данных как стартовый вариант обучающей выборки в диагностической системе-советчике для управления качеством отливок во время совмещенного процесса литья и прокатки. Полученные результаты дают возможность оценки влияния каждого технологического параметра на качество и свойства фольги, при этом учитывается их взаимодействие в ходе технологического процесса.

Выводы по работе

1. Обоснован выбор химического состава сплава для производства заготовки под глубокую вытяжку. Установлено, что наиболее приемлемым с точки зрения получения высоких механических свойств является алюминиевый сплав 8006 с содержанием железа 1,25-1.45 %, кремния 0,2838 %, марганца 0,15-25 %. При этом отношение железа и кремния равное 3,5 обеспечивает комплексное воздействие на расплав с целью измельчения зерна.

2. Исследована структура и механические свойства полос, отлитых по стандартной технологии и с применением комплексной системы непрерывного рафинирования и модифицирования расплава. Зафиксировано измельчение микро- и макроструктуры полосы БП при применении в качестве модификаторов лигатуры А]-ТЧ5-В1. В твердом состоянии для фольги из сплава 8006 предел прочности при растяжении возрос на 7 %, а относительное удлинение - на 5,5 %, а в мягком (отожженном) состоянии

0£ 04 0.4 02

для фольги из этого сплава предел прочности при растяжении возрос на 4,8%, а относительное удлинение - на 8,59 %.

3. Исследовано влияние использования комбинированных способов рафинирования расплава в печи, миксере и специальных емкостях на качество заготовки сплава 8006. Положительные результаты получены при использовании гексахлорэтана в струе аргона под слоем рафинирующего флюса. Использование предложенной схемы комплексного рафинирования и модифицирования в малых емкостях перед литьем дает снижение содержания водорода до 0,08 см3/100г (на 22 %) и оксидов до 28 % по сравнению с существующей технологией. Металлографический анализ показал, что полученные полосы БП имеют мелкозернистую равноосную dpyioypy с размером зерна 4...6 мкм, что позволило интенсифицировать процесс литья полосы без образования в ней внутренних горячих трещин.

4. Результаты исследования положены в основу совершенствования технологии совмещенного процесса литья и прокатки сплава 8006, разработана технологическая инструкция, внесены изменения в технологическую документацию по плавке и литью заготовки на агрегатах БП. Результаты работы опробованы в производственных условиях. Произведен выпуск опытно-промышленной партии 243 т фольги 8006 для различных потребителей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Производство упаковки для пищевой промышленности из алюминиевых сплавов / Прогрессивные технологии развития: Сборник научных статей по материалам НПК 17-18 декабря 2004 года. Тамбов: ПБОЮЛ Бирюкова М.А., 2004. С. 218.

2. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Литниковые системы для бесслитковой прокатки алюминиевых полос // Литейщик России. 2005. №1. С. 31-34.

3. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Технические и технологические разработки для литья алюминиевых полос, совмещенного с прокаткой // Литейщик России. 2005. №1 С. 37-39.

4. Бажин В.Ю., Баранов MB. Совершенствование агрегатов бесслитковой прокатки для получения фольговой заготовки / Составляющие научно-технического прогресса: Сборник материалов международной научно-практической конференции 22-23 апреля 2005 г. Тамбов: Першина, 2005. С. 133-137.

5. Бажин В.Ю., Баранов М.В., Волкова A.B. Управление качеством при совмещенном методе литья и прокатки алюминиевых полос / Составляющие научно-технического прогресса: Сборник материалов международной научно-практической конференции 22-23 апреля 2005 г. Тамбов: Першина, 2005. С. 139-141.

6. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Изучение влияния содержания водорода на свойства алюминиевых полос, отлитых совмещенным методом литья и прокатки // Процессы литья. 2005. №1. С. 35-38.

Комплексная обработка алюминиевого расплава для получения фольговой заготовки совмещенным методом литья и прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С. 283-289.

8. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Совершенствование технологии совмещенного метода литья и прокатки для получения фольговой заготовки под глубокую вытяжку / Всероссийская научно-техническая конференция «Наука - производство - технологии - экология»: Сб. материалов в 6 т. -Киров: изд-во Вят ГУ, 2005, том 4. С. 119-121.

9. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Оптимальный состав алюминиевых сплавов для производства фольги под глубокую вытяжку / Всероссийская научно-техническая конференция «Наука - производство - технологии -экология»: Сб. материалов в 6 т. - Киров: изд-во Вят ГУ, 2005, том 2 . С. 126-

10. Баранов М.В., Мысик Р.К., Бажин В.Ю. Модифицирование алюминиевых сплавов Al-Ti5-Bl для получения заготовки на агрегатах бесслитковой прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С. 248-251.

11. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Технология получения фольговой заготовки из алюминиевого сплава 8006 совмещенным способом литья и прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С. 311-315.

12. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Изучение влияние содержания железа в алюминиевых сплавах на структуру и механические свойства фольги при совмещенном методе литья и прокатки // Процессы литья. 2005. № 2. С. 45-48.

13. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Причины образования поверхностных дефектов фольговой заготовки из алюминиевых сплавов на агрегатах бесслитковой прокатки // Литейщик России. 2005. № 9. С. 43-46.

14. Бажин В.Ю., Хазан Г.Л., Бабенко А.Г., Волкова A.B. Использование экспертных оценок для диагностики дефектности бесслитковой фольговой заготовки // Литейщик России. 2005. № 9. С. 37-40.

15. Бажин В.Ю., Баранов М.В. Формирование алюминиевой полосы при бесслитковой прокатке // Расплавы. 2005. №4. С. 33-41.

16. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Алюминиевые сплавы для получения фольги / Сборник трудов НТК «Литейные процессы» №5. Магнитогорск. 2005. С. 33-35.

17. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Анизотропия алюминиевой бесслитковой заготовки при получении фольги под глубокую штамповку / Материалы 1-ой Российской конференции по кузнечно-штамповочному производству «Кузнецы Урала». Под научн. ред. А.А.Богатова. 2005. С. 704-

129.

706.

Екатеринбург Тираж 100 экз.

Ризография Заказ № 149

Подписано в печать 26.09.2005 г.

Ризография НИЧ ГОУ ВПО УГТУ - УПИ 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Введение.

1. Состояние вопроса.

1.1. Производство фольговой заготовки на агрегатах бесслитковой прокатки.

1.1.1. Агрегаты бесслитковой прокатки.

1.1.2. Сравнительная характеристика получения заготовки из слитка и совмещенным методом на агрегатах БП.

1.1.3. Технологические параметры совмещенного процесса литья и прокатки.

1.1.4. Формирование полосы в зазоре валков-кристаллизаторов.

1.2. Алюминиевые сплавы системы А1-Ре-8ьМп для получения фольговой заготовки.

1.2.1. Легирующие компоненты в алюминиевых сплавах.

1.3. Проблемы получения качественной фольговой заготовки.

1.3.1. Влияние газовых включений на качество заготовки.

1.3.2. Причины образования горячих трещин в отливаемой полосе.

1.3.3. Причины образования холодных трещин в фольговой заготовке

1.3.4. Способы подготовки расплава к литью для получения качественной заготовки.

Постановка задач исследования.

2. Методики исследования.

2.1. Оборудование и материалы, использованные в работе.

2.2. Методика обработки статистических данных.

2.3. Методы экспериментальных исследований качества и структуры фольговой заготовки.

2.3.1. Металлографическое исследование макро и микроструктуры отливаемых полос.

2.3.2. Электронномикроскопическое исследование.

2.3.3. Механические испытания заготовки и фольги.

2.3.4. Исследование качества отливаемой заготовки.

2.3.5. Методика изучение влияния температуры литья на структуру и свойства отливаемых алюминиевых полос.

3. Выбор химического состава алюминиевого сплава для получения фольговой заготовки под глубокую вытяжку.

3.1. Изучение влияния содержания железа на структуру и свойства заготовки.

3.2. Электронномикроскопическое исследование структуры сплавов и морфологии фаз.

3.3. Изучение влияния отношения железа и кремния в сплавах системы А1-Ре-8ьМп на структуру и механические свойства фольговой заготовки.

3.4. Изучение влияния легирующих компонентов на механические свойства алюминиевых полос. ф 3.5. Исследование химической неоднородности заготовки.

3.6. Выводы по третьей главе.

4. Комплексная технология рафинирования и модифицирования алюминиевого сплава

4.1. Особенности подготовки алюминиевого расплава при совмещенном способе литья и прокатки.

4.2. Рафинирование вторичных алюминиевых сплавов в плавильных агрегатах.

4.3. Комплексная обработка и модифицирование алюминиевого расплава в специальных ёмкостях.

4.3.1. Воздействие на алюминиевый расплав с применением вибрации.

4.3.2. Фильтрация алюминиевых сплавов на агрегатах БП.

4.4. Модифицирование алюминиевых сплавов в условиях бесслитковой прокатки.

4.4.1. Выбор модификатора для бесслитковой прокатки алюминиевых Ф полос.

4.4.2. Анализ оптимальных условий модифицирования алюминиевых* сплавов системы А1-Ре-81-Мп на агрегатах БП.

4.4.3. Влияние модифицирования на структуру изучаемых сплавов системы А1-Ре-81-Мп в условиях бесслитковой прокатки.

4.5. Выводы по четвертой главе.

5. Промышленное опробование технологии производства и определение параметров литья для алюминиевой заготовки.

5.1. Анализ анизотропии механических свойств алюминиевых полос.

5.2. Влияние технологических параметров на процесс формирования (♦ кристаллического строение полосы.

5.2.1. Определение глубины лунки.

5.2.2. Влияние температуры расплава на скорость литья.

5.2.3.Изменение температурных полей на агрегате бесслитковой прокатки.

5.2.4.Анализ результатов металлографического исследования при изменении температурных полей.

5.3. Анализ влияния технологических параметров на качество и свойства заготовки при помощи экспертных оценок.

5.3.1. Методика создания обучающей выборки для диагностики качества отливок.

5.3.2. Методика эксперимента. ц 5.4. Выводы по пятой главе.

В настоящее время возрастает доля потребления и использования алюминиевого проката и фольги в качестве материала для получения изделий штамповкой и глубокой вытяжкой. Потребителями таких фольговых материалов с высокими механическими свойствами и низкой анизотропией являются пищевая, медицинская и электротехническая отрасли промышленности. Тонколистовой прокат толщиной 50-120 мм используется для изготовления пищевых контейнеров, медицинских упаковок и теплообменников [35,111].

Алюминиевая фольга под глубокую вытяжку должна обеспечивать безобрывную штамповку изделий в автоматическом режиме, и в зависимости от назначения удовлетворять следующим основным требованиям по структуре и механическим свойствам: однородная равноосная структура со средним размером зерна 5-12 мкм, предел прочности ав > 140 МПа, относительное удлинение 8> 12 %. В качестве дополнительных технических требований предъявляются регламентированные требования по диаметру рулонов.

Для обеспечения условий стабильной штамповки при производстве изделий различного назначения необходимо использование специальных алюминиевых сплавов системы А1-Ре-8ь-Мп, относящихся к маркам 8ххх. Применение сплавов этой системы является экономически целесообразным, так как основные составляющие элементы железо, кремний, марганец являются обычными примесями технического алюминия. Для производства сплава не требуется приготовление специальных лигатур и возможно использование низкосортных марок алюминия, вторичного сырья и отходов фольгового производства.

Большинство отечественных и зарубежных предприятий выпускают тонколистовой прокат из слитковой заготовки. Производство фольги традиционным способом предусматривает обработку слитков, их нагрев и последующую горячую и холодную прокатки. Удовлетворение потребностей в алюминиевых полуфабрикатах для глубокой вытяжки с использованием технологии их получения из слитков не может быть в полной мере реализовано на отечественных заводах ОЦМ ввиду недостаточных мощностей и технической отсталости имеющегося оборудования.

В качестве альтернативной технологии в существующих условиях для перспективного решения вопроса расширения и увеличения объемов производства фольги является способ ее получения методом совмещенного литья и деформации на агрегатах бесслитковой прокатки (БП). Использование совмещенного способа, как основного технологического процесса на стадии получения фольговой заготовки, позволяет значительно снизить энергоемкость, трудозатраты и капитальные вложения. Одним из основных преимуществ бесслиткового процесса является возможность получения рулонной заготовки от 6 до 8 мм для производства фольги необходимого диаметра в соответствии с техническими условиями.

К недостаткам совмещенного способа литья и прокатки алюминиевых полос относят низкую производительность, неустойчивость технологического процесса, ограниченный диапазон отливаемых сплавов, неравномерность механических свойств по сечению заготовки. Основной причиной неудовлетворительного распространения бесслитковой прокатки на отечественных предприятиях является качество поверхности и структуры, отливаемых на агрегатах БП заготовок, которые не обеспечивают необходимых требований заказчиков.

Целью работы являлось выбрать химический состав алюминиевых сплавов при совмещенном методе литья и прокатки, для получения фольговой заготовки с однородной мелкодисперсной структурой и высокими механическими свойствами. Данные по систематическому исследованию влияния содержания железа и соотношения других легирующих компонентов в сплавах системы АЬ-Ре-БЬМп на структуру и свойства фольги для глубокой вытяжки, получаемой совмещенным способом литья и прокатки, отсутствуют. Поэтому представляло определенный практический и теоретический интерес провести изучение влияния содержания железа в алюминиевом сплаве от 0,60 до 1,65 % при его различных соотношениях с кремнием, марганцем, титаном с целью уточнения состава сплава и понимания природы его упрочнения.

В настоящее время остро ощущается нехватка чистых шихтовых материалов и увеличивается доля использования вторичных материалов в составе шихты. В связи с этим появилась необходимость в усовершенствовании существующих технологических процессов для получения качественной продукции, удовлетворяющей техническим условиям потребителей. Получение алюминиевого сплава из металлических фольговых отходов производства и вторичного сырья с минимальным количеством неметаллических и газовых включений является одной из основных задач для производства фольги, соответствующей международным стандартам качества ИСО.

Высокая химическая активность алюминия и алюминиевых сплавов вызывает загрязнение металла неметаллическими включениями в процессе плавки, транспортировки расплава и литья, основную часть которых составляют водород и оксидные включения. Их отрицательное влияние на образование внешних и внутренних дефектов в фольговой заготовке подтверждается многочисленными исследованиями взаимосвязей качества литого и деформируемого металла. Существующие технологии производства тонколистового проката из слитковой заготовки и из заготовки, полученной на агрегатах бесслитковой прокатки (БП) совмещенным методом литья и прокатки, не обеспечивают стабильного получения качественной фольги. Слитки, как исходная заготовка для получения деформируемых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, имеют характерные для литого материала дефекты в виде ликвации, усадочной и водородной пористости, шлаковых включений и разнозернистости по сечению. При горячей пластической деформации сплава во время совмещенного процесса литья и прокатки заваривается большинство газовых пор, улучшаются прочностные характеристики. Несмотря на это значительная часть дефектов наследуется от шихтовых материалов и зависит от схемы рафинирования и обработки расплава, технологических параметров совмещенного процесса (температурный режим, величина деформации в активной зоне, скорость литья и т.д.).

Производство фольги характеризуется тем, что величина деформации и толщина фольги соотносятся с размером зерна (7-14 мкм). Поэтому, для получения качественной алюминиевой фольги в работе уделено особое внимание подготовке расплава к литью, т.к. значительное количество водорода и оксидных включений неизбежно приводит к появлению микро- и макродефектов. Для решения этих задач в работе предложена и изучена система комплексного непрерывного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов.

При этом особое внимание было уделено решению следующих задач:

- исследованию теплофизических условий формирования алюминиевой полосы в условиях бесслитковой прокатки для сплавов системы Al-Fe-Si-Mn при различных соотношениях легирующих компонентов;

- исследованию микро- и макроструктуры для сплавов 8011, 8079, 8006;

- изучению особенностей затвердевания алюминиевой заготовки, отлитой на агрегатах бесслитковой прокатки с использованием комплексной системы непрерывного рафинирования и модифицирования расплава;

- исследованию влияния технологических факторов на процесс формирования структуры и глубину лунки алюминиевой полосы при совмещенном способе литья и прокатки с целью повышения качества и получения требуемой структуры фольговой заготовки под глубокую вытяжку;

- усовершенствованию технологического процесса для получения качественной фольговой заготовки из алюминиевых сплавов 8011, 8079,8006;

- исследованию влияния модифицирования на структуру и механические свойства отливаемых полос из сплавов 8011, 8079, 8006

При решении этих задач в работе использованы следующие методы исследований:

- металлографический - для изучения микро- и макроструктуры; исследование механических свойств алюминиевых сплавов;

- химический и рентгеноспектральный - для определения химического состава сплава и распределения интерметаллидных частиц;

- нейросетевой анализ для выявления основных признаков образования дефектов фольговой заготовки БП;

- математический для выявления оптимальных технологических параметров на агрегатах бесслитковой прокатки.

Результаты лабораторных и промышленных экспериментов позволили усовершенствовать технологию совмещенного процесса литья и прокатки для алюминиевых сплавов с повышенным содержанием легирующих компонентов и получить фольговую заготовку с улучшенными эксплуатационными и механическими характеристиками.

Научная новизна работы

1. Уточнены представления и сформулирован подход к выбору химического состава сплава для получения фольговой заготовки под глубокую вытяжку и штамповку.

2. Установлены закономерности формирования структуры и свойств алюминиевых заготовок с повышенным содержанием легирующих элементов.

3. Для устойчивости и стабильности процесса модифицирования технологический процесс необходимо проводить при исходном содержании титана - 0,01 %, бора - 0,0025 % в температурном диапазоне 685.695 °С.

Практическая ценность работы

1. Из выведенных зависимостей глубины лунки и активной зоны от скорости литья, толщины полосы и рабочего давления металла на валки назначены параметры, обеспечивающие высокую производительность и необходимое качество заготовки.

2. Внедрена система комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов в условиях бесслитковой прокатки.

3. Разработана технология производства фольговой заготовки из сплава 8006 под глубокую вытяжку и штамповку на агрегатах БП.

4. Разработана методика планирования эксперимента в условиях бесслитковой прокатки.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

4. Результаты исследования положены в основу совершенствования технологии совмещенного процесса литья и прокатки сплавов 8079, 8006, разработана технологическая инструкция, внесены изменения в технологическую документацию по плавке и литью заготовки на агрегатах БП. Результаты работы опробованы в производственных условиях. Произведен выпуск опытно-промышленной партии 243 т фольги 8006 для различных потребителей.

1. Черняк С.Н., Коваленко П.А., Симонов В.Н. Бесслитковая прокатка алюминиевой ленты. М.: Металлургия, 1976.136 с.

2. Флеминге М. Процессы затвердевания / Пер. с англ.; Под ред. A.A. Жукова и Б.В. Рабиновича. М.: Мир, 1977. 424 с.

3. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливок. М.: Машиностроение, 1976 . 4.1. 338 с.

4. Чернов Д. К. Наука о металлах. В кн.: Труды Д. К. Чернова / Под редакцией Н. Г. Рубцова. M. JL: Металлургиздат, 1950. 564 с.

5. Милицын К.Н., Ловчиков B.C., Суворов A.M. Плавка и литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1956. 662 с.

6. Титов Н.Д., Степанов Ю.А. Технология литейного производства. М.: Машиностроение, 1985. 400 с.

7. Рыжиков A.A. Теоретические основы литейного производства. Изд.2-е. Москва-Свердловск, Машгиз, 1961. 447 с.

8. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ, изд./ Альтман М.Б., Андреев А.Д., Балахонцев Г.А. и др. 2-е издание, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

9. Алюминиевые сплавы: Плавка и литье алюминиевых сплавов/ Альтман М.Б., Андреев А.Д., Белоусов H.H. и др.: Отв.ред. Добаткин В.И. М.: Металлургия, 1970. 416 с.

10. Вейник А.И. Теория затвердевания отливки. М.: Машгиз. 1960. 433 с.

11. Добаткин В.И. Непрерывное литье и литейные свойства сплавов. Оборонгиз, 1948. Ч.З. 154 с.

12. Курдюмов. A.B., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. М: Металлургия, 1982. 352 с.

13. Курдюмов A.B., Пискунов М.В., Бахтерев P.A. Плавка и затвердевание сплавов цветных металлов. М: Металлургия. 1968. 228 с.

14. Курдюмов A.B., Инкин C.B., Чулков B.C., Шадрин Г.Г. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. М: Металлургия, 1988. 142 с.

15. Бочвар A.A. Свидерская З.А. / О разрушении отливок под действием усадочных напряжений в период кристаллизации в зависимости от состава / Изв. АН СССР, ОТН. 1947. №3. С. 349-354.

16. Рутес B.C., Аскольдов В.И., Евтеев Д.П. и др. Теория непрерывной разливки. М.: Металлургия, 1979. 335 с.

17. Гуляев Б.Б. Современное состояние изучения процессов затвердевания металлов / Сб. Труды второго совещания по теории литейных процессов. М.: Машгиз, 1958. С. 5-32.

18. Новиков A.B., Злотин Л.Б. Исследование процессов литья и обработки цветных металлов и сплавов. М: Металлургия, 1982. 88 с.

19. Ливанов В.А. Металлургические основы непрерывного литья. Сб. Труды технологической конференции. М.: Оборонгиз, 1945. С. 5-7.

20. Кац A.M., Шадек Е.Г. Теплофизические основы непрерывного литья слитков цветных металлов и сплавов. М: Металлургия, 1983. 207 с.

21. Воздвиженский В.М., Грачев В.А., Спаский В.В. Литейные сплавы и технология плавки в машиностроении. М. Машиностроение, 1984. 423 с.

22. Никитин В.И., Парамонов A.M., Попель П.С., Павлов В.А. Влияние получения лигатуры Al-Ti на дисперсность выделений TiAb / Сб. Физико-химические исследования металлургических процессов. Вып. 14. Свердловск. УПИ. 1986. С. 87-92.

23. Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. Свердловск: Металлургиздат, 1960. 175 с.

24. Фриндляндер И.Н. Исследование влияния скорости затвердевания на структуру и свойства алюминиевых сплавов / Сб. Затвердевание металлов. М.: Машгиз, 1958. С. 175-298.

25. Специальные способы литья. Справочник под. ред. В.А.Ефимова, М.: Машиностроение, 1991. 733 с.

26. Степанов А.Н., Зильберг Ю.В., Неуструев A.A. Производства листа из расплава. М.: Металлургия, 1978.-167 с.

27. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Пер. с англ. Под ред. Ф.И.Квасова, Т.В.Строгонова, И.Н.Фридляндера. М.: Металлургия. 1979. 639 с.

28. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. 3-е изд. М.: МИСИС, 2001. 416 с.

29. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и её влияние на вытяжку. Машиностроение. 1972.136 с.

30. Никитин К.В. Наследственное влияние мелкокристаллических модификаторов на свойства алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2002. № 10.С.16-18.

31. Напалков В.И., Махов C.B. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002. 376 с.

32. Напалков В.И., Бондарев Г.И., Тарарышкин В.И. и др. Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов. М.: Металлургия, 1983, 160 с.

33. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справ, изд. М., Металлургия, 1984,408 с.

34. Курдюмов A.B., Инкин C.B., Чулков В. С., Графас Н.И. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов. М., Металлургия, 1980,267 с.

35. Фридляндер.И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия. 1979. 208 с.

36. Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов: справочник под ред. И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1971. 352 с.

37. U.Houbner, E.Lossak, В. Princ. Aktuelle Problem des Sdranggiebens. Deitsche fur Metallkunde. 1981. №3. s. 149-160.

38. Light Metal Age. 1989. V.47. № 7/8. p. 6-10.

39. Light Metal Age. 1996. V54. № 11/12. p .8-19.

40. M.Yun. Slokyer, J.D Hunt. Twin roll casting of aluminium alloys// Materials Science and Engineering. A 280, 2000. p. 116-123.

41. T.Haga. Semi-Solid casting of aluminium alloy strip by melt drag twin roll caster // Materials Processing Technology. 111. 2001 p.64-68.

42. T.Haga, R Takahashi, M. Kawa, H.Watari. A vertical-type twin roll caster for aluminium alloy strips// Materials Processing Technology 140. 2003. p. 610615.

43. T.Haga, S.Suzuki. Study on high- speed twin roll caster for aluminium alloys // Materials Processing Technology. 143/144. 2003. p. 895-900.

44. Haga Т., Suzuki S. Melt ejection twin roll caster for the strip casting of aluminium alloy // Materials Processing Tecnology 137 (2003). -p.92-95.

45. Phillips H.W.L. Annotated Equilimbrium Piagrams of Some Aluminium Alloy Systems, 1959, № 125. p .565.

46. Phregmen G.S. Inst.Metals, 1950, v.77, p.489

47. Pratt J.N., Raynor G.V.J. Inst.Metals, 1951, v.79

48. Miki et. Al. Y.Yapan Inst. Light Metals., 1975, 25,№1, p.1-9.

49. Семецкий Я.П. ЖФХ. 1946, 20, c.5971

50. Armand M. Compt rend., 1952, v.235, p.l506.

51. ГОСТ 7727-81 «Сплавы алюминиевые. Методы спектрального анализа».

52. МК 64-31-75 «Выявление макроструктуры деформируемых алюминиевых сплавов»

53. ГОСТ 27637-88 «Контроль микроструктуры металлографическим методом».

54. ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия».

55. ГОСТ 21132.0-75 «Алюминий и сплавы алюминиевые. Метод определения содержания водорода в жидком металле».

56. ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытания на растяжение».

57. ASTM В557М-94 «Методы исследования на растяжение кованной и литейной продукции из алюминиевых и магниевых сплавов».

58. ГОСТ 17653.2-75 «Определение величины зерна методом подсчета зерен» / под ред. В.В. Чекменева. М.: Издательство стандартов, 1976.135 с.

59. Галацкая И.К. Металлография металлургических дефектов в прессовых полуфабрикатах из алюминиевых сплавов. Куйбышевское книжное издательство, 1973. 156 с.

60. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых из сплавов: Справ, изд. Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басов И.Г. и др. 2-е изд., перераб. и доп. М.Металлургия,1984. 408 с.

61. Мальцев М.В. Модифицирование структуры металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1964. 214 с

62. Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Владимир: Владимир, гос. ун-т., 2000. 260 с.

63. Гаврилин И.В. Что дают исследования строения жидких сплавов для практики литья // Литейное производство. 1988. №9. С. 3-4.

64. Ухов В.Ф., Ватолин H.A., Гальчинский Б.Р. Межчастичное взаимодействие в жидких металлах. М.: Наука, 1974. 192 с.

65. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 376 с.

66. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкости. JL: Наука, 1976. 592 с.

67. Вилсон Д.Р. Структура жидких металлов и сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. 247 с.

68. Архаров В.И. Исследование по диффузии и внутренней адсорбции в металлах и сплавах / Труды института физики металлов. У ФАН СССР. 1955. Вып. 16. С. 7.

69. Ермолаев К.Н., Вертман A.A., Самарин A.M. О механизме модифицирования металлов / Свойства расплавленных металлов. М.: Наука, 1974. С. 70-74.

70. Столофф Н.С. Влияние легирования на характеристики разрушения // Разрушение металлов. / Пер. с англ.; под ред. M.JI. Бернштейна. М.: Металлургия, 1976. Том 6. С. 11-85.

71. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. 248 с.

72. Баландин Г.Ф. Формирование кристаллического строения отливок. М.: Машиностроение, 1973. 297 с.

73. Рыжиков A.A. Теоретические основы литейного производства. М.: Машгиз, 1971.322 с.

74. Воздвиженский В.М. Прогноз двойных диаграмм состояния. М.: Металлургия, 1975. 260 с.

75. Салтыков Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1976. 271 с.

76. Милн-Томсон JIM. Теоретическая гидродинамика. М.: Мир, 1964. 655 с.

77. Худокомов Д.М., Галушко А.Н., Леках С.Н. Влияние модифицирования на форму включений железесодержащей фазы в алюминиевых сплавов // Литейное производство №5, 1975. С. 18-20.

78. Шуранков С.Е., Трибушевский В.Л., Неменюк Б.М., Леках С.Н. Рафинирование вторичных алюминиевых сплавов // Литейное производство №5, 2001. С. 12-14.

79. Найдек В. Л., Наривский A.B., Ганжа Н.С. Новые технологии рафинирования алюминиевых расплавов // Литейное производство.№9, 2003. С.8-10.

80. Балахонцев Г.А., Бондарев Б.И., Макалов Г.С., Напалков В.И., Чулков B.C. Особенности рафинирования алюминиевых сплавов от водорода и неметаллических включений // Технология легких сплавов.№ 11, ВИАМ, 1981. С.19-21.

81. Шустеров C.B., Шеметев Г.Ф. Разработка методов комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов // Литейное производство №6, 2001. С.15-16.

82. Шаров М.В., Пименов Ю.П. /В кн : Свойства расплавленных металлов .М.: Наука, 1974. С.106-109.

83. Альтман М.Б., Глотов Е.Б., Засыпкин В.А. и др. Вакуумирование алюминиевых сплавов.М.: Металлургия. 1977. 240 с.

84. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.изд. 4-е, дополненное. Наука. Сибирск. Отд. Новосибирск. 1970. 658 с.

85. Шипилов B.C., Габидуллин P.M., Ливанов В.А. Легирование и обработка легких сплавов. М.; Наука, 1981. 129с.

86. Кручер Г.Н. Современные агрегаты для горячей и бесслитковой прокатки алюминия // Цветные металлы. №1. 1992. С. 53-55.

87. Кисунько В.З., Новохацкий И.А. Влияние структурных превращений в алюминиевых сплавах на их свойства // Литейное производство. 1986, №11.С.10-12.

88. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние навытяжку. М.: Машиностроение, 1975. 135 с.

89. Арышенский Ю. М., Гречников Ф.В. Теория и расчеты пластического формоизменения анизотропных материалов. М.: Металлургия, 1990. 304 с.

90. Баранов Е.М., Ри Хосен. Зависимость механических свойств алюминиевых сплавов от термоскоростной обработки жидкой фазы // Литейное производство. 1986. №11.С. 8-9.

91. Шустеров C.B., Шеметев Г.Ф. Разработка методов комплексного рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2001.№6. С. 15-17.

92. Шуранков С.Е., Трибушевский В.Л., Неменюк Б.Н., Леках С.Н. Рафинирование вторичных алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2001. №9.С. 12-13.

93. Чижиков В.В., Борисов В.Т., Иванов Р.А. Измерение температурных полей в отливках // Цветные металлы. 1976, №3, С.75-77.

94. Локшин М.З., Макаров Г.С. ЕТ-2000: Проблемы производства качественной заготовки из алюминиевых сплавов для прессования // Цветные металлы. 2001. №4. С.23-25.

95. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Производство упаковки для пищевой промышленности из алюминиевых сплавов / Прогрессивные технологии развития: Сборник научных статей по материалам НПК 17-18 декабря 2004 года. Тамбов: ПБОЮЛ Бирюкова М.А., 2004. С. 218.

96. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Литниковые системы для бесслитковой прокатки алюминиевых полос // Литейщик России. 2005. №1. С. 31-34.

97. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Технические и технологические разработки для литья алюминиевых полос, совмещенного с прокаткой. // Литейщик России. 2005. №1 С. 37-39.

98. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Изучение влияния содержания водорода на свойства алюминиевых полос, отлитых совмещенным методом литья и прокатки // Процессы литья. 2005. №1 . С. 35-38.

99. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К., Волкова A.B. Комплексная обработка алюминиевого расплава для получения фольговой заготовки совмещенным методом литья и прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С. 283-289.

100. Баранов М.В., Мысик Р.К., Бажин В.Ю. Модифицирование алюминиевых сплавов AI-Ti5-Bl для получения заготовки на агрегатах бесслитковой прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С. 248-251.

101. Баранов М.В., Бажин В.Ю. Технология получения фольговой заготовки из алюминиевого сплава 8006 совмещенным способом литья и прокатки / Труды 7-го съезда литейщиков России, г. Новосибирск 23-27 мая. 2005. С.311-315.

102. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Изучение влияние содержания железа в алюминиевых сплавах на структуру и механические свойства фольги при совмещенном методе литья и прокатки // Процессы литья. 2005. № 2. С. 45-48.

103. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Причины образования поверхностных дефектов фольговой заготовки из алюминиевых сплавов на агрегатах бесслитковой прокатки // Литейщик России. 2005. № 9. С. 43-46.

104. Бажин В.Ю., Хазан Г.Л., Бабенко А.Г., Волкова A.B. Использование экспертных оценок для диагностики дефектности бесслитковой фольговой заготовки // Литейщик России. 2005. № 9. С. 37-40.

105. Бажин В.Ю., Баранов М.В. Формирование алюминиевой полосы при бесслитковой прокатке // Расплавы. 2005. №4. С. 33-41.

106. Баранов М.В., Бажин В.Ю., Мысик Р.К. Алюминиевые сплавы для получения фольги /Сборник трудов НТК «Литейные процессы» №5. Магнитогорск. 2005. С. 33-35.

107. Злотин Л.Б., Лейбов Ю.М. Структурные свойства алюминиевой фольги из заготовки полученной бесслитковой прокаткой // Цветные металлы. 1982. №4. С.77-79 .

108. Сильникова Е.Ф. Зависимость механических свойств полос алюминия от режима бесслитковой прокатки // Цветные металлы. 1983. №8.С.79-81.

109. Волков О.А, О теплообмене полунепрерывного слитка с кристаллизатором // Цветные металлы. 1983. №3. с.63-67.

110. Кувалдина Р.И. Дефекты заготовки, приводящие к обрывам при прокатке алюминиевой фольги // Цветные металлы. 1989. №8. с.89-91.

111. Расчет параметров периодической прокатки с учетом реальной упругости рабочей клети // Цветные металлы. 1989. №2. С.87-90.

112. Кузнецов А.Н. Технология непрерывного литья слитков из алюминия в низкий кристаллизатор с тепловой насадкой // Цветные металлы. 1990. №11. с.85-88.

113. Емелкин Л.Б., Земцов А.И., Повышение эффективности переработки отходов алюминиевой фольги // Цветные металлы. 1991. №11. С.52-56.

114. Афонькин М.Г., Чижиков В.В. Особенности формирования макроструктуры заготовки при бесслитковой прокатке и механические свойства получаемой ленты // Цветные металлы. 1976. №4. с.61-64.

115. Борисов В.Г., Иванов P.A., Зонтов С.Г. Определение опережения при литье в валковый кристаллизатор // Цветные металлы. 1976. №11. С.53-56.

116. Агеева Г.Н., Золотаревский B.C. Исследование структуры алюминиевых полос бесслитковой прокатки и лент из них // Цветные металлы. 1977. №1. С.36-38.

117. Афонькин М.Г., Богоявленский К.Н. Влияние параметров бесслитковой прокатки на анизотропию свойств // Цветные металлы. 1977. №6. сС 62-64.

118. Бредихин В.Н., Изюмский Ф.П. Исследование влияния технологических параметров непрерывного литья на качество заготовок // Цветные металлы.1976. №12.с. 48-50.

119. Сметанин А.Н., Гергерт А.П., Саркисов С.С. Освоение и развитие производства упаковочных материалов // Цветные металлы. 1999. №1. С.56-58.

120. Шур И.А. Перспективы развития бесслитковой прокатки алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. №5-6. 2001.С.38-41.

121. Бутковский А.Т. Методы управления системами с распределенными параметрами. М., Наука 1975,. 586 с.

122. Налимов В.В. , Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965. 340 с.

123. Балансовые плавки на печах ОП-3,4

124. Измерения температур на агрегате БПЛ-33. Химический состав4. Скорость литья5. Давление металла на валки