автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Влияние церия и феррофосфора на структуру и свойства заэвтектических силуминов и разработка технологии комплексной обработки поршневых сплавов

На правах рукописи

2 2 ДПР

КУЛИКОВА Татьяна Вадимовна

ВЛИЯНИЕ ЦЕРИЯ И ФЕРРОФОСФОРА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАЭВТЕКТИЧЕСКИХ СИЛУМИНОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ ПОРШНЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1996

Диссертационная работа выполнена на кафедре Технологии литейных процессов Московского Государственного института стали и сплавов (технический университет).

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Белов В.Д.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Чурсин В.М. кандидат технических наук, доцент Фомин Б.А.

Ведущее предприятие АО "Гидроагрегат"(г. Павлово)

Защита состоится " № " _1996 года на заседании

Специализированного Совета К.053.08.01 по присуждению ученых степеней при Московском Государственном институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4, ауд. Б-436. в

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Справки по телефону: 237-84-45.

Автореферат разослан " " апреля 1996 г.

Ученый секретарь Совета, профессор

И. Ф. Курунов

ощля ХАРАктетагпЕ« РЛШШ

Лятуадавость. Сегодня перед машиностроителями стоит вадача выпуска конкурентноспособной продукции с минимальными материальными и энергетическими затратами. Это затрагивает н такую область машиностроения, как производство порхней для двигателей внутреннего сгорания.

Для улучшения механических свойств и повышения эксплуатационных характеристик поршневых сплавов, значительную часть которых составляют заэвтектические силумины, их подвергают модифицирования и микролегировани».

Традиционным модификатором для ваэвтектических силуминов является фосфор, который вводится в расплавы в виде лигатуры медь-фосфор Си-Р или технического фосфида меди СиэР. Однако овводы- производители этих материалов в настоящее время находятся ' на территории зарубежных государств, и их поставка затруднена. Легкодоступным и относительно недорогим источником фосфора мелет стать производимый в России феррофосфор Ге-Р, однако сведения о его применении в качестве модификатора ваэвтектических силуминов практически отсутствуют.

Известно, что на эксплуатационные свойства поряней поладите ль кое влияние оказывают малые добавки редкоземельных металлов, в частности, иттрия и церия. Однако иттрий, применяемый на ряде заводов, дорогой и дефицитный металл, а иыеиаиеся сведения о воздействии церия на микроструктуру и свойства заэвтектических силуминов разноречивы.

Поэтому особый интерес представляет изучение влияния церия на

эксплуатационные характеристики поршневых ваэвтектических силуминов, определение вовысашости ислольвования феррофосфора как модификатора для этих сплавов, определение оптимальных составов модифицирующей и микролегирующей добавок и разработка на этой основе технологии плавки поршневых силуминов.

ГуЗж> работе.

Разработка технологии совмещенного модифицировалия и микролегирования поршневых ваэвтектических силуминов с применением легкодоступных и относительно недорогих модификатора и микролегирующей добавки при сохранении высокого уровня механических и эксплуатационных свойств сплавов.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Исследовать влияние церия и феррофосфора на структуру и свойства ваэвтектических силуминов.

2. Определить оптимальные параметры модифицирования ваэвтектических силуминов феррофосфором.

3. Предложить технологи» совместного модифицирования феррофосфором и микролегирования церием поршневых ваэвтектических- силуминов.

Ваучиая иоашиа.

Установлено влияние церия и иттрия на твердость поршневого ваэвтектического силуминоа в области температур 20-350 °С.

Выявлена закономерность воздействия феррофосфора различных составов на микроструктуру ваэвтектических силуминов и предложен механизм, объясняющий это воздействие.

- б -

Предложен оптимальный состав препаратов на основе феррофосфо-ра и церия, применяемых для комплексной обработки расплавов ваэв-тектических силуминов (рафинирования, ыодкфицирования и ыикролеги-рования).

Практачзсяая ава"зв«1сть.

Разработана технология совмещенного рафинирования, модифицирования и микролегирования порпгневых зазвтектических силушнов. предусматривающая замену дорогостоящего и дефицитного иттрия на более дешевый церий и позволяювдя получать стабильно высокие свойства этих сплавов. Новая технология принята к внедрению на ва-воде "Поршень" (г.Алма-Ата). Ожидаемый экономический эффект от ва-мены иттрия на церий - 18240000 руб/год в ценах февраля 1993 г.

Предложен и опробован в производственных условиях новый эффективный модификатор для заэвтектическнх силуминов, содердапий легкодоступный и прсивводимый в России феррофосфор; определены оптимальные технологические параметры модифицирования с применением этого материала. Разработана технология комплексной обработки расплавов, включающая рафинирование, модифицирование феррофосфороы и микролегирование церием. Технология принята к внедрен!® на ТОО "Прома" (г.Москва).

Алробажта работы.

Основные положения работы докладывались:

- на VII научно-технической конференции "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" (г.Запорожье, 1S94 г.);

- на II Всероссийском съезде литейщиков (г.Ульяновск,1SS5 г.);

- на научных семинарах кафедры Технологии литейных процессов Московского института стали и сплавов (апрель 1994 г. и март 1995 г).

Ву&кшацки.

По результатам выполненных исследований опубликовано б статей.

Структура и объел ^accepratga».

Диссертационная работа состоит ив введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на У&3 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 58 рисунков . Библиографический список включает 16Э наименований.

доодакл пгоадаш аюншш

Объектами исследований были бинарные сплавы AI-18 uacc.X S1 и поршневые ааэвтектические силумины КС 740 (ТУ 48-26-35-76: 16,0-20,0 X S1. 1,6-2,5 X Си, 0,6-1.3 X Иг, 0,9-2,0 X N1, 0.61.0 X Ml) и АК21М2.5Н2.5 (ГОСТ 1583-89).

Для приготовления бинарных силуминов в лабораторных условиях вспольвовали алюминий марки А999, кремний монокрметаллический полупроводниковой чистоты марки КПС-3 и кремний технической чистоты марки Кр.О с соотношением 50:50.

Сплавы КС 740 и АК21М2,5И2,б выплавляли из вихтовых материалов технической чистоты.

Расплавы готовили в печи сопротивления типа СШОЛ на воздухе в графитошаютных тиглях.

Церий вводили лигатурой Si-Ce (40 ыасс.Х Се) при температуре 840-850 °С в количестве 0,03-0.2 X Се от массы металла. Пориневые силумины модифицировали при температуре 840 °С смесью, состоящей из технического фосфида меди СизР (в количестве 0,5-0,7 X от массы расплава), фтсрбората и хлорида калия, с соотношением компонентов 60:8:32, соответственно. Феррофосфор вводили лигатурой Fe-P марки СФ25 (25 масс.X Р) и ФФ16 (16,8 насс.Х Р) в количестве 0,05; 0,07; 0,09 и 0,11 X Рот массы металла при температурах 890 , 840 , 820 и 790 °С. Технология рафинирования включала в себя фяосовую обработку смесью KCI-KBF4 и высокоскоростную продувку аргоном или азотом.

Для исследования процесса кристаллизации сплавов использовали термоанапиз. Для регистрации показаний термопары использовали прибор КСП-4. Кривые охлаждения записывали в процессе кристаллизации проб массой 63+5 г в алундовых тигельках. Скорость охлаждения проб поддерживали в пределах 10-12 °С/мин.

Ми1фоструктуру сплавов.исследовали на образцах, полученных после термоанализа, а также валитых в вемлю и в кокиль. Размер кристаллов первичного кремния определяли методом случайных секупнх на микроскопе МИМ-7. Железосодержащие фазы исследовали на шлифах, травленых водным раствором плавиковой (1 I) и серкой (5 X) кислот. Распределение церия в микроструктуре сплавов исследовали с помощью электронных микроскопов "CanScan" и "JE0L"..

Микротвердость фазовых составляющих определяли на микротвердомере ПМТ-3 по стандартной методике.

Механические свойства сплавов определяли по стандартным мето-

дикам на образцах, виреванных из отлитых в кокиль заготовок. Твердость сплавов определяли при температурах 20, 150, 250 и 350 °С.

Залолняемость сплавом формы определяли по клиновой пробе.

Коэффициент линейного расширения сплавов в интервале температур 20-350 °С определяли на образцах, отлитых в кокиль, с помощью дилатометра по стандартной методике.

цзучвш£ ъшат цшн на структуру ы свойства

поренееш адэвтасгичЕсашх СИЛУШЕШ В РАЗРАБОТКА тваюхапа их ихтиЕгнрозмт церием

На основании анализа литературных источников в качестве мик-ролегирукдей добавки выбран церий. Исследования показали, что введение до 0,1 масс.Х церия способствует некоторому уменьшению размеров кристаллов первичного кремния (в 1,5-2 раза) в немодифициро-ванных фосфором ваэвтектических силуминах КС 740 и АК21М2,5112,5. По-видимому, это связано с облегчением вародышеобравования при кристаллизации первичного кремния, что подтверждается повышением температуры начала первичной кристаллизации сплавов на 5-6 °С. Это можно объяснить следующим. Во-первых, церий образует интерметал-лидные соединения с легирующими элементами поршневых ваэвтектических силуминов, что подтверждается данными микрорентгеноспектраль-аого анализа. Параметры кристаллических решеток некоторых из них (например, CeHl5, CeCue. CeCu4, CeSi) близки к решетке кремния. Во-вторых, при кристаллизации возможно образование гидридов церия (СеНя, СеНэ), которые по параметрам кристаллических решеток также

отвечают принципу размерного соответствия. Поэтому при введении в сплавы церия в них появляются дополнительные центры кристаллизации первичного кремния.

Износостойкость поршней и стойкость режущего инструмента при их механической обработке связаны с микротвердостью фаз поршневых сплавов. При обработке поршневых эаэвтектических силуминов церием отмечено повышение микротвердости основных фазовых■ составляющих этих сплавов. Так, при введении 0,08-0,1 иасс.Х церия микротвердость кристаллов первичного кремния и «-твердого раствора по сравнению с исходным сплавом увеличивается на 2000-2500 МПа и 100150 МПа, соответственно. Это связано с микродегированием кристаллов кремния и «-твердого раствора церием, что подтверждается результатами мнкрорентгеноспектрального анализа и литературными данными.

Установлено, что введение церия способствует росту твердости поршневых эаэвтектических силуминов при комнатной температуре. Наибольшее увеличение твердости наблюдалось в сплавах с 0,08-0,1 X церия. Это связано с повышением никротвердости кристаллов первичного кремния и «-твердого раствора. Церий способствовал росту твердости сплавов и при повышенных температурах. Это объясняется, по-видимому, тем, что церий влияет на силы медатсмных связей в решетках кремния и алюминиевого «-твердого раствора и тем самым препятствует перемещению дислокаций и уменьшает вероятность вязкого течения зерен в процессе ползучести при высокотемпературных нагрузках. Кроме того, церий образует многокомпонентные интерметалли-ды разветвленной формы, которые обеспечивают надежное блокирование зерен твердого раствора. Проведенные сравнительные исследования покапали, что действие церия на твердость эаэвтектических силуым-

нов при повышенных температурах аналогично действию иттрия.

Микролегирование церием позволяет снизить коэффициент линейного расширения (КЛР) заэвтектических силуминов. Так, после введения 0,1 X церия КЛР поршневого силумина КС 740 в интервале температур 20-350 °С уменьшается с 19,0х10~б 1/К до 17.0х10"6 1/К. Это можно объяснить следующим. Во-первых, при введении в ваэвтектичес-кие силумины церия несколько уменьшается размер кристаллов первичного кремния. Во-вторых, КЛР сплава аддитивно зависит от концентрации входящих в него элементов. При введении элементов с более низким, чем у алюминия, коэффициентом линейного расширения (ад1-28,1хЮ"6 1/К, «св"6,2х10_б 1/К), КЛР сплава снижается. Кроме того, появление в структуре разветвленных интерметаллидов также способствует уменьшению КЛР сплава.

Поскольку в производстве поршневые заэвтектические силумины используются в модифицированном состоянии, исследовалось действие церия совместно с фосфором. В качестве модификатора использовалась смесь, состоящая из технического фосфида меди, фторбората и хлорида калия. Установлено, что введение 0,08-0,10 масс.2 церия приводит к дополнительному измельчению кристаллов первичного кремния в модифицированных ваэвтектических силуминах. Обработка поршневых аиавов модифицирующей смесью и церием позволяет увеличить микротвердость кристаллов первичного кремния более значительно (на 4000-4500 МПа), чем обработка одним церием или одной фосфорсодержащей смесью (микротвердость кристаллов первичного кремния после комплексной обработки составляет 14500-15000 МПа по сравнению с 10200-10700 МПа в исходных сплавах).

Исследования показали, что обработка сплавов фосфорсодержащей

смесью с добавкой церия способствует улучшению механических свойств поршневых заэвтектических силуминов. Так, предел прочности при растяжении (бв) сплава КС 740 после обработки модифицирующей смесью без церия - 180 МПа, с церием - 190 МПа. Для сплава АК21М2.5Н2.5 бв, соответственно, - 165 и 179 1дПа. Введение церия в модифицированные заэвтектические силумины позволяет получать стабильный уровень твердости поршневых сплавов при комнатной температуре: 107 НВ для КС 740. 101 НВ для АК21М2.5Н2.6.

Введение церия в модифицированные заэвтектические силумины позволяет получать более низкий коэффициент линейного расширения сплавов, чем в случае обработки одной фосфорсодержащей смесью.

Обработка поршневых силуминов КС 740 и АК21М2.5Н2.5 фосфорсодержащей смесью и церием практически не влияет на заполняемость сплавами Форш.

Сравнение результатов проведенных исследований с литературными данными по микродегированию поршневых заэвтектических силуминов иттрием показало, что уровни механических и эксплуатационных свойств сплавов, обработанных как церием, так и иттрием, близки.

На основании полученных результатов и анализа литературных источников предложено проводить мтосролегированиэ заэвтектических силуминов церием одновременно с модифицированием расплавов при их переливе из плавильной печи в разливочный ковш, а затем рафинировать расплавы. В качестве способа рафинирования от растворенного водорода была выбрана продувка расплава высокоскоростной струей инертного газа, разработанная на кафедре технологии литейных процессов МИСиС.

Проверка предлагаемой технологии в лабораторных условиях по-

казала, что совмещение операций рафинирования, модифицирования и микролегирования церием сплавов КС 740 и АК21М2,5Н2,5 позволяет получать при литье в землю размер кристаллов первичного кремния не более 40-45 мкм и способствует повышению микротвердости этих кристаллов. При плавке с использованием в шихте 30% возврата сплавы довольно сильно насыщались водородом, однако после проведения комплексной обработки следы газовыделения на технологических пробах "лепеанса" отсутствовали. Комплексная обработка способствовала повышению на 132 предела прочности при растяжении и-на 152 твердости сплавов и снижению их коэффициента линейного расширь ;шя на 102. Отмечено, что при комплексной обработке расплавов образуется сухой сыпучий шлак с содержанием свободного металла в съемах не Солее 102.

Тагаш образом, в результате проведенных лабораторных исследований установлено, что продувка жидкого металла инертным газом с высокой скоростью истечения иэ сопла оказывает эффективное рафинирующее воздействие на. расплавы ваэвтектических поршневых силуминов; совмещенная обработка (рафинирование, модифицирование и мик-ролегнрование церием) позволяет получать сплавы хорошего качества и с высоким уровнем механических и эксплуатационных свойств.

шхиедовлыиЕ ВЛИЯНИЯ «ЕРРОЮЯОРА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЭАЭВТЕКТИЧЕСКНХ СНЛУИШЮВ

В качестве возможной замены традиционных медь-фосфористых модификаторов был выбран феррофосфор. Испольаовался феррофосфор двух

марок - ФФ25 и ФФ16.

Исследования, проведенные на бинарном заэвтектическом силумине, содержащем 18 масс.% кремния, показали, что феррофосфор обеих марок способствует измельчению первичного кремния. Однако установлено, что при одинаковых условиях обработки расплава (вводимое количество фосфора 0,07 X от массы расплава, температура ввода 890 °С) более эффективное модифицирующее воздействие оказывает феррофосфор ФК5. При введении его в расплав достигается уменьшение размеров кристаллов первичного кремния, в среднем в 4 раза большее, чем в случае обработки феррофосфором £Ф16. Анализ диаграммы состояния системы Ге-Р и рентгеноструктурные исследования показали, что феррофосфор ФФ25 состоит в основном из соединения РегР. параметры кристаллической решетки которого (а-0,5864 нм) близки к параметрам решетки кремния (аО,542 нм). При введении этого ферро-фосфора в расплав в нем появляются дополнительные центры кристаллизации первичного кремния в виде готовых частиц ГегР. Феррофосфор <ХФ16 состоит в основном из соединения ГезР (с»0,4455 нм), частицы ГегР практически отсутствуют, чем и можно объяснить менее интенсивное иамельчение первичного кремния.

Исследования показали, что мелкая равномерная структура бинарного силумина достигается при введении феррофосфора из расчета 0,07-0,09 масс.7. фосфора. Температура начала первичной кристаллизации сплава при этом повышается на 35 °С (с 615 до 650 °С).

Выбор оптимальной температуры модифицирования феррофосфором проводился на основании анализа литературных источников и требований производственных условий. Результаты исследования показали, что значительная степень измельчения кристаллов первичного кремния

достигается при температуре обработки расплава как 890 °С, так и 840 °С. Однако дальнейшее понижение температуры ввода феррофосфора несколько огрубляет первичный кремний. Поэтому наиболее целесообразно вводить феррофосфор в расплав ваавтектического силумина при температуре 840-850 °С. Необходимо отметить, что модифицирование силуминов традиционной лигатурой Си-Р требует перегрева расплава до 890-900 °С. Это объясняется тем, что медь-фосфористая лигатура имеет плохую растворимость в жидком алюминии, несмотря на относительно низкую температуру плавления. Растворимость же феррофосфора сравнима с растворимостью других тугоплавких легирующих компонентов силуминов.

Феррофосфор вносит в расплав силумина дополнительное количество железа, являющегося вредной примесью для алюминиевых сплавов. Микроструктурный анализ образцов, кристаллизовавшихся со скоростью 10-12 °С/мин, показал, что после обработки бинарного силумина феррофосфиром образуются интерметаллиды железа с алюминием и кремнием как в виде иголок (О-фаза А15Ре51), так и в форме "скелетов" и "иероглифов" (а-фаза АНгРезБ!). С точки зрения влияния на механические свойства наиболее неблагоприятной является О-фаза. Однако следует отметить, что размеры иголок этой фазы в структуре образца соизмеримы с размером иголок эвтектического кремния и даже короче их, а доля включений железистой фавы по;отношению к площади шлифа незначительна.

Исследования, проведенные на образцах из бинарного силумина, кристаллизовавшихся со скоростью 40-50 °С/ыин (литье в кокиль), показали, что в данном случае игольчатые включения отсутствуют, в структуре наблюдаются лишь мелкие включения а-фазы, а доля этих

В1слючений по отношению к площади шлифа незначительна. Кроме того, в промышленных условиях используются сложнолегированные эаэвтекти-ческие силумины, в состав которых входят марганец, никель, хром, которые изменяют морфологию железистых фаз и тем самым снижают их негативное влияние на свойства сплавов.

Установлено, что при введении в бинарный силумин феррофосфора микротвердость кристаллов первичного кремния возрастает на 1500-2000 МПа по сравнению с необработанным сплавом. Это связано, по-видимому, с некоторым растворением фосфора в кремнии, что подтверждается литературными данными.

На основании анализа литературных источников было установлено, что повысить эффективность модифицирования можно за счет введения фосфорсодержащих веществ совместно с флюсовой композицией, содержащей KBF4 и KCl. Исследования показали, что введение феррофосфора в составе указанной смеси (соотношение Fe-P:KBF4:KC1-»60:8:32) способствует лучшему усвоению модификатора и значительному измельчению кристаллов первичного кремния в бинарном силумине. Микротвердость первичного кремния в этом сплаве повышается при этом более заметно, чем в случае использования одного феррофосфора - на 3000-3200 МПа. Дополнительное микролегирование церием увеличивает эту характеристику еще на 700-1000 МПа.

Исследования, проведенные на поршневом заэвтектическом силумине КС 740, показали, чтЬ и в этом случае феррофосфор, вводимый в составе флюсовой композиции, является эффективным модификатором. Максимальное измельчение кристаллов первичного кремния отмечено при введении феррофосфора из расчета 0,07 масс.7. фосфора, температура начала первичной кристаллизации сплава при этом повышается на

30 °С.' Добавка 0,10 масо.Х церия в модифицированный сплав КС 740 способствует еще большему измельчению кристаллов первичного кремния, размер их при литье в кокиль не превышает 20-30 мкм. Модифицирующий эффект после обработки сплава КС 740 смесью, содержащей феррофосфор, сохраняется в течение 2-2,5 часов выдержки расплава при температуре литья (760 °С) и при кратковременных перегревах до 880 °С.

Отмечено повышение микротвердости кристаллов первичного кремния и «-твердого раствора после обработки поршневого заэвтектичес-ícoro силумина КС 740 флюсовой смесью, содержащей феррофосфор. Микротвердость кремния по сравнению с исходным сплавом увеличивается на 3500 МПА и достигает 15000 МПА, что связано с микролегированием кристгллов кремния фосфором и бором. После дополнительного введения в расплав церия микротвердость кремния составляет 16000 МПа. Микротвердость «-твердого раствора возрастает на 200 МПа.

Установлено, что обработка поршневого заэвтектического силумина КС 740 модифицирующей смесью, содержащей феррофосфор, и дополнительное микролегирование церием способствуют повышению механических свойств сплава. Так, бв исходного сплава КС 740 находится в пределах 170-175 МПа, 'после обработки феррофосфором увеличивается до 195 МПА, а после добавки церия - до 208 МПа. Твердость сплава при комнатной температуре, соответственно, 110, 114 и 121 НВ. Отмечено повышение твердости сплава при повышенных температурах после комплексной обработки феррофосфором и церием:

Температура испытания, °С 150 250 350

Твердость исходного сплава, HB 79 45 24

Твердость сплава после

комплексной обработки, HB 90 50 26

Как показали проведенные эксперименты, обработка сплава КС 740 как одной модифицирующей смесью, содержащей феррофосфор, так и совместно с церием, способствует снижению коэффициента линейного расширения сплава, причем во втором случае более значительному. Так, КЛР исходного сплава в интервале температур 20-350 °С - 19,9х10~б 1/К, после модифицирования феррофосфором -18,6х10~6 1/К, после дополнительного микролегирования церием -17,бх10~6 1/К.

Заполняемость поршневым заэвтектнческим силумином формы после обработки феррофосфором в составе флюсовой композиции практически не изменяется.

Таким образом, на основании полученных результатов можно заключить, что феррофосфор является эффективным модификатором заэв-тектических силуминов и может быть использован в качестве замены традиционных медь-фосфористых модификаторов. Наиболее целесообразно применение феррофосфора <ХФ25, вводимого в смеси (Fe-P)+KBF4+KCl при температуре расплава 840-850 °С (количество вводимого феррофосфора - из расчета 0,07-0,09 Z фосфора от массы расплава). Дополнительное введение 0,08-0,10 масс.2 церия способствует повышению механических и эксплуатационных свойств сплавов.

На основании полученных результатов разработана технология совмещенного рафинирования, модифицирования феррофосфором и микро-

легирования церием поршневых заэвтектических силуминов, которая состоит в следующем. Модифицирующую смесь Fe-P+NBF4+KCl (соотношение компонентов 60:8:32, соответственно) и микролегирующую добавку (лигатуру Si-Ce) вводят одновременно в струю металла при переливе его из плавильной печи в разливочный ковш (температура перегрева расплава на 30-40 °С выше температуры разливки). Количество вводимого фосфора составляет 0,07-0,09 7., церия - 0,08-0,10 7. от массы расплава. В ковше, не снимая шлака, производят продувку аргоном или осушенным азотом. Продувку осуществляют в течение 3-4 мин (в зависимости от массы расплава) при избыточном давлении 0,3 МПа на установке для продувки сплавов газами с высокой скоростью истечения "з сопла УД-01. После продувки выдерживают металл в ковше в течение 5-7 мин, снимают шлак и переливают расплав в раздаточные печи. Через 3-5 мин после перелива с поверхности металла снимают шлак и начинают заливку поршней.

Совмещение операций рафинирования, модифицирования и микролегирования позволяет уменьшить длительность проведения металлургической обработки расплавов в среднем на 20-30 мин, способствует эффективному рафинированию расплавов и лучшему усвоению добавок sa счет интенсивного перемешивания металла во время его перелива и продувки инертным газом и разрушения под действием флюса окисной плены на границах раздела лигатура-жидкий металл и инертный газ-жидкий металл. Применение в качестве модификатора феррофосфора не требует значительного перегрева расплава, в отличие от лигатуры медь-фосфор, что ведет к экономии электроэнергии. Предложенная технология является экологически чистой, поскольку ранее проведенными на кафедре технологии литейных процессов МИСиС исследованиями

било установлено, что количество вредных выделений при обработке силуминовых расплавов флюсами КВР4+КС1 и К2ггРб+КС1 (совместно с продувкой инертным газом) не превышает предельно допустимых концентраций.

ОПИЛЮ-ПРКЛПШШЕ 0ЯР0Б0ВА1ПЖ тепюлогкй СОКЖЦИЗЮП) РАгИВСРОВЛПШ, (ЖДЙКЩ.'Я'ОаАШЯ и Е1КР<иЕЕГКР0ВА1Е£Я СОРСЛЕШХ ЗАЭВТЕКШШЯШХ С!Ш1"2ЮЗ

Опытно-промышленное опробование технологии микролегирования церием сплава АК21М2,5Н2,5 проводилось в цехе цветного литья Алма-Атинского завода "Поршень", опытно-промышленное опробование технологии совмещенного рафинирования, модифицирования феррофосфо-ром и микролегирования церием сплава КС 740 - на ТОО "Прома" (г.Москва), которое выпускает поршни для картингов и спортивных мотоциклов.

В ходе опробования отливались опытные партии поршней ив сплавов, обработанных по вышеуказанным режимам. Отлитые партии проходили термическую обработку в соответствии с действующими на заводах техпроцессами. Для исследования влияния предлагаемых технологий обработки расплавов на микроструктуру и свойства сплавов из партии отбирались поршни (ТОО "Прома") или производилась выревка образцов из поршней (з-д "Поршень"). На образцах и поршнях определялись твердость сплавов, газовая пористость (в баллах по шкале ВИАМ), размер и микротвердость кристаллов первичного кремния. Предел прочности сплавов при растяжении определялся на выреэанных из

поршней (а-д "Поршень") и из отлитых в кокиль заготовок (ТОО "Прока") образцах. После механической обработки опытных партий определялась шероховатость торцевых поверхностей канавок поршней (8-д "Поршень"), шероховатость поверхностей поршней (ТОО "Прома") и оценивалась стойкость режущего инструмента. При проведении опробования на ТОО "Прома" определялись также относительное удлинение и коэффициент линейного расширения сплава КС 740.

Полученные результаты представлены в табл. 1.

Сравнение результатов обработки расплава АК21М2,5Н2,5 по серийной и предлагаемой технологиям показало, что партия отливок поршней, изготовленная из сплава, микролегированного церием, по структуре, газовой пористости, механическим и эксплуатационным свойствам не уступает свойствам сплава, микролегированного иттрием (заводасая технология). Проведенный экономический расчет показал, что замена дорогостоящего и дефицитного иттрия на более дешевый церий дозволит снизить себестоимость продукции. Ожидаемый экономический эффект от внедрения в производство предлагаемой технологии составил 18214000 руб/год в ценах февраля 1993 г.

Результаты опытно-промышленного опробования на ТОО "Прома" показали, что свойства поршней, изготовленных из обработанного по предлагаемой технологии сплава КС 740, находятся на высоком уровне. Совмещенное рафинирование, модифицирование феррофосфором и микролегирование церием позволяет получать относительное удлинение заэвтектического силумина на уровне 2,5% без дополнительного модифицирования эвтектики и коэффициент линейного расширения сплава КС 740 в интервале температур 20-350 °С 16,8х10~6 1/К (содержание кремния в сплаве 17,9 X). Полученный высокий уровень механически •

Таблица 1

Результаты опытно-промышленного опробования

Показатели АК21М2,5Н2,5 (з-д "Поршень") КС 740 (ТОО "Прома")

серийная технология* разработанная технология** разработанная технология***

1. Количество поршней в партии 800 800 150

2. Размер кристаллов первичного 31, мкм 40-45 40-50 20-30

3. Микротвердость кристаллов

первичного кремния, МПа '15200 15000 16000

4. Механические свойства после ТО:

- предел прочности при растяжении,МПа 160-165 160-165 190-200

- твердость, НВ 98-101 98-101 114-117

5. Газовая пористость, балл 1 1 0

6. Шероховатость (На), мим""1*

- торцевых поверхностей канавок

поршней, 1-2-3 канавка 0,9-0,63-0,85 0.85-0,68-0,92 -

- поверхности поршней - - 0,63

. 7. Количество поршней, обработанных

однйк комплектом резцов, шт • 175 170 150

* Cu3P+K2ZrF6+KCl+Y; ** Cu3p+K2ZrF6+KCl+Ce; *** Fe-P+KBF4+KCl+Ce;

**** результаты обработки стотого поршня.

(бв, б и НВ) и эксплуатационных свойств сплава КС 740 дает возможность применять поршни из этого сплава в дорогостоящих двигателях для картингов и спортивных мотоциклов. В процессе проведения совмещенной обработки расплава было отмечено образование сухого сыпучего шлака, содержание металла в котором не превышало 102.

Таким образом, результаты опытно-промышленного опробования показали возможность использования церия вместо иттрия в качестве микролегирующей добавки в поршневых 8аэвтектических силуминах и экономичность предлагаемой технологии. Комплексная обработка расплавов с использованием относительно недорогих и доступных модификатора (феррофосфора) и микролегирующей добавки (церия) позволяет получать высокий уровень механических и эксплуатационных свойств поршневых заэвтектических силуминов.

Технология микролегирования церием поршневых заэвтектических силуминов принята к внедрению на Алма-Атинском заводе "Поршень"; технология совмещенного рафинирования, модифицирования феррофосфором и микролегирования церием рекомендована к внедрению на ТОО "Прома" (г.Москва).

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что церий при самостоятельном введении его в расплавы заэвтектических силуминов не оказывает существенного влияния на размер кристаллов первичного кремния в структуре этих сплавов, однако значительно повышает микротвердость основных фазовых составляющих - кристаллов первичного кремния (до 1300С

-13500 МПа) и «-твердого раствора (до 120 МПа).

2. Обнаружено, что РЗМ (церий и иттрий) способствуют повышению твердости сплавов в области температур 20-350 °С на 18-20 Z.

3. Установлено, что церий способствует снижению коэффициента линейного расширения поршневых заэвтектических силуминов на 10-151 (в интервале температур 20-350 °С).

4. Церий рекомендуется как материал-заменитель иттрия для микролегирования поршневых заэвтектических силуминов.

5. Предложена технология микролегировання поршневых заэвтектических силуминов церием. Технология прошла опытно-промышленное опробование и принята к внедрению на заводе "Поршень" (г.Ал-ма-Ата). Ожидаемый экономический эффект от внедрения в производство технологии микролегировання церием взамен иттрия - 18214000 руб/год в ценах февраля 1993 г. Технология отражена в заводской технологической документации ("Технологический процесс микролегирования сплава АК21М2,5Н2,5 церием").

6. Установлено, что феррофосфор оказывает модифицирующее воздействие на микроструктуру заэвтектических силуминов.

7. Исследовано влияние различных марок феррофосфора на микроструктуру заэвтектических силуминов. Обнаружено, что эффективность модифицирующего воздействия зависит от содержания фосфора в лигатуре. Рекомендовано использовать в качестве модификатора заэвтектических силуминов феррофосфор, содержащий 22-27 масс.! фосфора.

8. Предложен механизм модифицирующего воздействия феррофосфора различных составов на микроструктуру заэвтектических силуминов.

Более эффективное действие феррофосфора ФФ25 по сравнению с 4Ф16 связано с наличием в первом соединения РегР, которое имеет более близкий к кремнию период решетки, чем ИезР (у 4Ф16).

9. Исследовано влияние феррофосфора на образование железистых фаз в структуре вазвтектических силуминов, залитых с различными скоростями охлаждения. Показано, что при скорости охлаждения 4060 °С/мин (литье в кокиль) образования игольчатых включений 0-фазы (А15Ге51), ухудшающих механические свойства сплавов, практически не происходит.

10. Определены оптимальные технологические параметры модифицирования заэвтектических силуминов феррофосфором:

- температура расплава- 840+10 °С;

- расход модификатора по фосфору - 0,07-0,09 X от массы расплава;

- длительность сохранения модифицирующего эффекта -не менее двух часов.

11. Показано, что целесообразнее вводить феррофосфор в заэв-тектические силумины совместно с флюсовой композицией. Это позволяет стабильно получать размер кристаллов первичного кремния при литье в кокиль не более 20-30 мкм, повысить микротвердость основных фазовых составляющих сплавов, твердость сплавов при комнатной и повышенных температурах, предел прочности при растяжении. Дополнительное микролегирование сплавов церием способствует повышению их механических и эксплуатационных свойств.

12. Разработана технология совмещенного рафинирования, модифицирования феррофосфором и микролегирования церием поршневых заэвтектических силуминов. Технология прошла опытно-промышленное он

робование, рекомендована к внедрению на ТОО "Прома" и отражена в технологической документации (инструкция "Технологический процесс приготовления сплава КС 740 в электрической тигельной печи").

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Белов В.Д., Куликова Т.В., Гаврилов А.И.. Пашатский В.П. Влияние церия на структуру и свойства ваэвтектических силуминов. // Литейное производство, 1994,- N 4.- с. 1Н2.

2. Белов В.Д., Куликова Т.В., Гаврилов А.И. Влияние церия на структуру и свойства ваэвтектических поршневых силуминов. // Тез. докл. VII науч.-техн. конф. "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах". Запорожье, 1994 г.- с.92.

3. Белов В.Д., Куликова Т.В., Кирьянов C.B., Четина Л.И. Влияние феррофосфора на структуру зазвтектических силуминов. // Tes. докл. VII науч.-техн. конф. "Неметаллические включения и га8ы в литейных сплавах". Запорожье, 1994 г.- c.9i

4. Белов В.Д., Куликова Т.В., Кирьянов C.B. О модифицировании зазвтектических силуминов. // Литейное производство, 1994.- N 12.-C.12-B

5. Белов В.Д., Инкин C.B., Куликова Т.В. и др. Изготовление ответственных отливок ив алюминиевых сплавов.// Литейное производство, 1995.- N 4-5.- с.26. ■

Объем 1 пл Тираж 100 экз Заказ 8/ Типография МИСиС ул. Орждоникидзе, 8/9