Модифицирование литейных алюминиевых сплавов
Модифицирование алюминиевых сплавов лигатурам А1 — Ti, А1 — В или А1 — Ti — В производят при температуре,720-750 °С из расчета содержания 0,05-0,15 % Ti и 0,01-0,02 В. . Доэвтектические и эвтектические А1 — Si сплавы модифицируют натрием, которого должно быть в количестве 0,05-0,1 %.
Модифицирование металлическим натрием производят в основном флюсами и редко из-за его большого угара. .
Модифицирование двойным флюсом: 67 % NaF; 33 NaCl, — ведут при температуре 780-800 °С. На поверхность расплава насыпают слой флюса в количестве 1-2 % от массы металла, выдерживают 12-15 мин, затем нарубают корочку флюса и замешивают в расплав на глубину 50—100 мм.
В результате реакции 6NaF + А1 —► Na3AlF4 + 3Na происходит восстановление Na из флюса и растворение его в расплаве. С поверхности расплава удаляют шлак и заливают клиновую пробу на качество модифицирования. Излом модифицированного сплава имеет светло-серый цвет без наличия блестящих включений.
Сплав должен быть разлит в течение 25-30 мин из-за явления потери модифицирующего эффекта.
Для снижения температуры модифицирования вместо двойного применяют тройные составы модификаторов, содержащие натрий.
При модифицировании стронцием эффект модифицирования сохраняется долго — более 2-3 ч. Модифицирование стронцием производят путем введения в расплав лигатуры А1 — Sr (5 % Sr) из расчета 0,05-0,07 Sr в сплаве.
Модификаторами длительного действия являются также иттрий и сурьма, которые вводят в расплав в количестве 0,15- %. Заэвтектические силумины (более 13 % Si) модифицируют Фосфором при температуре 790-825 °С из расчета 0,05-0,1 Р.
Вопрос №40.Плавка магниевых сплавов.Плавку литейных магниевых сплавов ведут следующими способами: в стационарных и выемных тигелях. Технологии приготовления сплавов этими способами одинаковы, различие состоит в технологии заливки и составах применяемых флюсов. Шихтовые материалы не должны содержать продуктов коррозии, масла, эмульсии и прочих загрязнений. Отходы (литники, прибыли, бракованные отливки) очищают на дробеструйной установке или переплавляют. При плавке магниевых сплавов соблюдают следующий порядок загрузки шихтовых материалов: магний (отходы и возврат), лигатуры, алюминий, цинк и кадмий. Добавки церия, кальция и бериллия вводят перед самой разливкой. При переплаве возврата кальций выгорает полностью, что следует учитывать при расчете шихты. После присадки легирующих элементов сплав перемешивают 5-7 мин и отбирают пробы для определения химического сплава. При плавке в стационарных стальных) тигелях их нагревают до 400-500 о с, после чего загружают флюс ВИ2 в количестве 10 % от массы шихты. В расплавленный флюс небольшими порциями загружают нагретые до 120-150 о С шихтовые материалы. Сплав нагревают до 700-720 о С, провод рафинирование и модифицирование. Сплав выстаивается 10-150 мин, из него отбирают пробы и ручными ковшами проводят разливку. При плавке необходимо защищать эти сплавы от окисления и насыщения водородом, так как это приводит к образованию микропористости в отливках.
Вопрос №41.Классификация способов заливки форм. Литниковые системы. Охлаждение отливки в литейной форме. Заливка форм – это процесс заполнения литейных форм расплавленным металлом.
Различают свободную и принудительную заливку форм под давлением.
Свободная заливка литейных форм производится с помощью заливочных ковшей. Применяют также свободную заливку форм непосредственно из плавильных печей путём их поворота. При литье в песчаные формы преобладает свободная заливка литейных форм из ковша.
По месту установки форм перед заливкой различают следующие способы: на плацу (полу литейного цеха); стопочную заливку форм, когда они устанавливаются одна на другую и имеют общую литниковую чашу и стояк; заливку форм на конвейерах.
Литниковая питающая система — система каналов и полостей в форме, через которые жидкий расплавленный материал — расплав (металл или пластик) подается в полость литьевой формы или пресс-формы для литья под давлением. Элементы литниковой системы можно подразделить на подводящие и питающие. Литниковая система в литьевой форме состоит из воронки или литниковой чаши, стояка, коллектора или шлаковика, питателей и выпора.
Стадии охлаждения отливки. По технологическому циклу изготовления отливки продолжительность её охлаждения занимает значительное время от долей часа до сотен часов в зависимости от конфигурации, размеров и массы.
В литейных цехах крупного чугунного и стального литья 50 % производственных площадей занимают формы с охлаждающими отливками.
Процесс охлаждения металла отливки можно разделить на четыре стадии, отличающиеся интенсивностью и характером отвода тепла.
1 стадия. Охлаждение жидкого металла от температуры заливки до температуры кристаллизации или ликвидус сплава.
2 стадия. Затвердевание отливки. При затвердевании отливки выделяется теплота кристаллизации, величина которой будет зависеть от природы металла.
3 стадия. Охлаждение затвердевшей отливки до температуры выбивки её из формы.
4 стадия. Охлаждение отливки после выбивки из формы. Отливка отдаёт тепло в окружающую среду, в основном, излучением и небольшую долю конвекцией.
В первой, второй и третьей стадии основная доля тепла от отливки в форму передаётся теплопередачей (контактный теплообмен) и небольшая часть тепла передаётся излучением через открытые поверхности прибылей, выпоров и литниковой чаши.
От температуры заливки до температуры выбивки всё тепло, выделяемое отливкой, воспринимает песчаная форма.
Продолжительность каждой стадии охлаждения будет определяться теплофизическими свойствами металла и песчаной формы, а также конфигурацией отливки и её массой.
Интенсивность охлаждения тела пропорционально поверхности, приходящейся на единицу объёма.
Вопрос №42.Усадка отливок. Проектирование прибылей. Холодильники.
Усадка металла – изменение объёма металла при переходе его из жидкого состояния в твёрдое. Усадка – одно из основных свойств литейных сплавов, определяющих качество отливки.
Коэффициент усадки численно характеризует изменение объёмных или линейных размеров тела при охлаждении до комнатной температуры и выражается в долях единицы или в процентах.
Усадка металла или полная объёмная усадка складывается из усадки его в жидком состоянии, усадки в интервале затвердевания и усадки в твёрдом состоянии.
Усадка металла в жидком состоянии – это изменение объёма металла Vз до Vл при его охлаждении от температуры заливки – tз до температуры ликвидус tл.
Линейная усадка сплава – свободная усадка и фактическая усадка отливки отличаются из-за термического или механического торможения формы усадкe отливок. Такая усадка носит название затруднённой или литейной.
Проектирование питания отливки прибылями заключается в определении узлов питания, количестве прибылей с учетом радиуса их действия и радиуса действия торцевого эффекта и выборе рациональной конструкции прибыли
Места образования усадочных раковин определяют методом вписанных окружностей или методом проведения изотерм – изосолидов.
Выбор рациональной конструкции прибыли основан на том, что она должна быть резервуаром жидкого металла на весь период затвердевания отливки. Наивыгоднейшей конфигурацией прибыли является цилиндр.
На выбор оптимальной конструкции прибыли влияют следующие факторы: конфигурация отливки; способ формовки; характер производства; затраты на подготовку производства; затраты на отделения прибыли от отливки и т.д.
Методы расчета прибылей основаны на следующих положениях:
продолжительность затвердевания прибыли должна быть больше продолжительности затвердевания питаемого узла;
объём прибыли должен быть достаточным для компенсации усадки жидкого металла при затвердевания;
усадочная раковина не должна выходить за пределы прибыли и достигать её шейки.
Холодильники применяют, в основном, для устранения усадочных пустот в тепловых узлах отливок, когда нет возможности установить на него прибыль.
Холодильниками называют металлические вставки, устанавливаемые в форму или стержень с целью обеспечения направленного затвердевания или ускоренного охлаждения теплового узла отливки. Холодильники бывают внешние и внутренние (расплавляемые) (рис. 13.21.).
Рис. 13.21. Внутренние (а) и внешние (б) холодильники:
1 – тепловой узел; 2 – холодильник; 3 – форма
Внутренние холодильники изготавливают из того же сплава, из которого изготавливают отливку. Внешние изготавливают из чугуна, стали или медных сплавов. Для того, чтобы внешний холодильник не расплавился, на него наносят слой огнеупорного покрытия. Толщина внешнего холодильника равна 0,4 – 1,0 толщины питаемого узла.
Вопрос №43.Образование пригара и трещин.
Пригар — образование на поверхностях отливки трудно отделяемого слоя формовочной смеси. Пригар вызывается перегревом расплава при заливке формы, недостаточной огнеупорностью формовочной смеси, некачественным покрытием формы или стержней огнеупорной краской, слабой набивкой формы или применением крупнозернистого песка.
Трещины классифицируют на горячие и холодные.
Холодные трещины — это разрывы небольшой ширины, возникающие в отдельных частях отливки . Отливки в местах трещин имеют светлую (не окисленную) поверхность сплава. Причинами образования холодных трещин являются внутренние напряжения в отливках, возникающих после затвердевания, различные механические повреждения в процессе выбивки и очистки отливок и плохое качество приготовленного сплава.
Горячие трещины, разрывы тела отливки характеризуются наличием на них окисленных поверхностей вследствие высокой температуры отливки в момент образования трещин. Причинами образования горячих трещин являются: плохая податливость стержней и отдельных частей формы, слишком ранняя выбивка отливки из формы, неравномерность остывания отливки и др.
Вопрос №44.Выбивка отливок. Устройство выбивных решеток. Обрубка отливок. Очистка отливок.
Выбивка– это процесс удаления затвердевших и охлаждённых до определённой температуры отливок из литейных форм.
Объём и последовательность операций технологического процесса выбивки отливок из литейных форм зависит от её массы и конфигурации, типа сплава и способа формовки.
Целью процесса выбивки является удаление формовочной и стержневой смеси.
При ручной выбивке используются грузоподъёмные механизмы и ручной (кувалды, молотки, зубила, стропы) и механизированный инструмент (пневматические молотки, зубила, навесные вибраторы и коромысла, а также вибрационные устройства с отбойными молотками).
К механизированным способам выбивки относятся: вибрационный, галтовка, гидравлический (водопескоструйный); водоструйный (струя сверхвысокого давления); гидроабразивный; электрогидравлический.
При механизированной выбивке отливок из опок применяют вибрационные выбивные решетки, схемы устройства которых показаны на рис. 14.1
Рис. 14.1. Схемы типовых выбивных решеток:
а –эксцентриковая; б – инерционная; в – ударная инерционная;
1 – решетка; 2 – опорные пружины; 3 – механический привод;
4 – литейная форма; 5 – опорная рама
Для крупногабаритных опок применяются ударные инерционные выбивные решетки.
После выбивки верхней опоки с отливкой (или без неё) приступают к выбивке нижней опоки без отливки (или с отливкой).
Под действием вибрации формовочная смесь разрушается и удаляется из опоки. Вместе с формовочной смесью удаляются также знаки стержней.
Обрубка отливок – это процесс отделения от отливок литниковой системы, заливов по разъёму формы и других неровностей поверхности.
Очистка отливок – это процесс окончательной обработки поверхности отливок перед последующей механической обработкой.
Вопрос №45. Дефекты отливок. Методы исправления. Контроль качества отливок.
Дефект отливки следует рассматривать как отступление от заданных требований, а контроль качества – это выявление различного вида дефектов. Дефекты подразделяют на наружные и внутренние.
Дефекты отливок по видам классифицируют на пять групп: несоответствие по геометрии; дефекты поверхности; несплошности в теле отливки, включения; несоответствие по структуре.
Дефекты отливок подразделяются на допустимые или недопустимые.
Исправление дефектов отливок заваркой
Перед заваркой отливку очищают от всех видов загрязнений и разделывают дефектные места до здорового металла
Заварку начинают с оплавления дефектного места сварочной горелкой без присадочного материала. После того, как по всей поверхности разделанного места дефекта образуется чистая и гладкая ванна расплавленного металла, заварку продолжают с присадочным материалом.
Высокотемпературная газоизостатическая обработка (ВГО) — новый способ исправления дефектов отливок.
Сущность ВГО состоит из всестороннего сжатия отливок газовым давлением при определённой температуре и продолжительности выдержки.
В результате ВГО залечиваются дефекты: газоусадочная пористость, зональные рыхлоты, микротрещины.
Пропитку отливок применяют для устранения негерметичности отливок из различных сплавов, работающих под давлением газа или жидкости, а также в вакууме.
Заделку дефектов эпоксидными замазками применяют для отливок из всех сплавов для придания им товарного вида.
Источник
Способ модифицирования алюминиевых сплавов
Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству, может быть использовано для получения отливок из алюминиевых сплавов общемашиностроительного назначения. Цель: путем введения новых компонентов и изменения соотношения компонентов модифицирующей смеси для обработки расплава получить отливки повышенной герметичности при высокой прочности и пластичности. Сущность изобретения: после расплавления шихты в расплав вводится модифицирующая смесь, содержащая карбидо-, нитридообразующие элементы и сумму окислов алюминия и меди в соотношении 30 — 70 : 0,1 — 0,5 и щелочные и/или щелочно-земельные металлы и их соединения. Модифицирующая смесь вводится в количестве 0,02 — 0,20 мас.% шихты. Соотношение окислов алюминия и меди составляет 100 : 0,01 — 0,98. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к металлургии, более точно к литейному производству, и может быть использовано для получения отливок из сплавов на основе алюминия повышенного качества, особенно высокой герметичности.
Для получения отливок из сплавов на основе алюминия повышенного качества применяют рафинирование и модифицирование с использованием различных газов и сложных по своему составу модификаторов. Это усложняет и удорожает технологию, не позволяет оптимизировать весь комплекс физико-механических характеристик и ухудшает технологичность.
Известны следующие способы модифицирования алюминиевых сплавов. Способ получения сплавов системы алюминий-титан-бор предусматривает модифицирование фторидами щелочных металлов титана и бора, к которым добавлено 2-10% от массы фторидов порошкового окисла алюминия (Заявка Япония N 55-51499, кл. C 22C 1/02).
Данное изобретение обеспечивает повышение прочностных характеристик отливок, однако герметичность отливок недостаточна, способ не экономичен.
Известен способ модифицирования сплава алюминий-титан, который включает введение в расплав бора в виде ультрадисперсного порошка гексаборида лантана (авт. св. N 1168622, кл. C 22 C 1/06, 1983).
Способ обеспечивает улучшение модифицирующего эффекта при снижении стоимости, но герметичность отливок неудовлетворительна.
Известен способ обработки заэвтектических силуминов, заключающийся в модифицировании смесью, которая включает, мас.%: фосфор 7-13, медь 45-70, сумма железа и хлора 2,5-8, остальное отходы производства фосфора, содержащие натрий, калий, кальций, кремний, кислород (авт. св. N 687853, кл. C 22 C 1/06, 1977).
Недостатком данного способа является низкая пластичность и герметичность отливок в связи с повышенным содержанием меди и фосфора.
Известен способ получения отливок из алюминиевых сплавов, включающий использование для модифицирования расплава ультрадисперсных порошков сфен-циркона (смесь оксидов циркония, ниобия и титана) (см. ж-л «Литейное производство», N 4, 1991 г., стр. 17).
Данный способ обеспечивает повышение прочности и пластичности отливок, однако герметичность их остается на неудовлетворительном уровне, так как использованные в этом техническом решении оксиды и продукты их взаимодействия практически полностью локализуются внутри зерен (субзерен) и не оказывают благоприятного влияния на состояние границ зерен.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является способ рафинирования и модифицирования алюминиевых сплавов, включающий обработку расплава смесью солей фтористого калия и хлористого калия совместно с фтористым натрием и/или натриевым криолитом в количестве 2-3% от веса расплава (авт. св. N 899698, кл. C 22 C 1/06, 1982.
Данный способ упрощает технологию и снижает затраты на рафинирование и модифицирование, однако герметичность отливок остается низкой, так как не происходит интенсивного измельчения зерна, поскольку реализуется механизм модифицирования II рода, т.е. за счет торможения роста зерен, а не увеличения количества центров кристаллизации.
В основу изобретения положена задача : путем использования для модифицирования сплавов на основе алюминия нового набора компонентов по составу и концентрации, получить отливки, обладающие высокой герметичностью при сохранении повышенной прочности и пластичности.
Задача решена таким образом, что в предлагаемом способе модифицирования алюминиевых сплавов, включающем расплавление шихты и введение модифицирующей смеси, в качестве модифицирующей используют смесь карбидо- и нитридообразующих элементов, суммы оксидов алюминия и меди в соотношении элементов и оксидов 30-70:0,1-0,5 и щелочных и/или щелочно-земельных металлов и их соединений в количестве 0,02-0,20% от массы шихты. В качестве карбидо- и нитридообразующих элементов используют оксиды циркония, титана, ниобия, гафния, тантала. В качестве щелочных и/или щелочноземельных металлов и их соединений используют криолит. Соотношение оксидов алюминия и меди составляет 100:0,01-0,98.
Сопоставительный анализ с известными техническими решениями (аналоги и прототип) позволяет сделать вывод о том, что заявленный способ модифицирования алюминиевых сплавов отличается тем, что: в качестве модифицирующей смеси используют карбидо-и нитридообразующие элементы, оксиды алюминия и меди, щелочные и/или щелочно-земельные металлы и их соединения; компоненты: карбидо-и нитридообразующие элементы и сумму оксидов алюминия и меди берут в соотношении 30-70:0,1-0,5, щелочные и/или щелочно-земельные металлы и их соединения — остальное; модифицирующую смесь вводят в количестве 0,02-0,20% от массы шихты; оксиды алюминия и оксиды меди берут в соотношении 100:0,01-0,98.
Некоторые компоненты — карбидо-и нитридообразующие элементы, оксиды алюминия, щелочные и щелочно-земельные металлы и их соединения — известны из существующего уровня техники (аналоги и прототип), однако в предлагаемом техническом решении они вводятся в составе других компонентов (новый качественный состав) и в других соотношениях (новое количественное соотношение).
Высокий эффект модифицирования смесью карбидо-и нитридообразующих элементов, суммы оксидов алюминия и меди, щелочных и/или щелочно-земельных металлов и их соединений объясняется тем, что в расплаве на основе карбидо-и нитридообразующих элементов после диссоциации оксидов образуются интерметаллиды коллоидальной дисперсности типа AlxMey, которые в процессе кристаллизации обеспечивают измельчение структуры металла, аналогично действует часть окислов алюминия, близких по составу к стехиометрическому.
Большую роль в формировании структуры, субмикроструктуры и, как следствие, комплекса физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств отливок и сплавов на основе алюминия играют соединения меди: во-первых, оксиды силициды и, частично, сульфиды меди, которые образуются в расплаве, ответственны за существенное измельчение структуры, при этом ликвидус смещается в сторону более высоких температур, возрастает динамика кристаллизации — многие нежелательные включения в весьма дисперсном виде локализуются внутри измельченных зерен, Во-вторых, соединения меди типа CuAl2 и более сложные по составу, выделяются из твердого раствора по границам зерен. В связи со значительным увеличением площади межзеренной поверхности из-за измельчения зерен и равномерной локализацией этих дисперсных выделений обеспечивается снижение концентрации напряжений с одновременным ростом плотности, герметичности отливки в целом.
Введение модифицирующей смеси менее 0,02 мас.%. шихты не дает должного эффекта по уровню герметичности и другим характеристикам, а выход за верхний предел 0,20 мас.% шихты приводит к снижению пластичности отливок.
Пределы соотношения компонентов модифицирующей смеси определяются следующими соображениями: при соотношении карбидо- и нитридообразующих элементов и суммы оксидов алюминия и меди менее 30:0,5 — количество центров кристаллизации оказывается недостаточным, чтобы обеспечить должный уровень свойств отливок; при превышении соотношения более 70:0,1 — сплав охрупчивается из-за чрезмерного количества межзеренных включений. Наряду с потерей пластичности снижается и герметичность, так как возрастает несплошность в околограничных зонах.
При соотношении оксидов алюминия и оксидов меди больше, чем 100:0,01 влияние вторичных фаз резко уменьшается, так как оксиды и другие соединения меди целиком реализуются в виде включений, образующихся в расплаве, выше ликвидуса и не оказывают положительного воздействия на структуру и свойства отливок, а, если это соотношение меньше, чем 100:0,98 — количество вторичныф фаз, локализующихся по границам зерен, возрастает настолько, что появляются несплошности в местах выделений и герметичность таких отливок падает.
П р и м е р. В вигель 250- и килограммовой печи сопротивления ЭСТ-250 в соответствии с расчетом шихты загружали компоненты для получения алюминиевого сплава АК7ч (АЛ9). После расплавления шихты и доводки расплава по химсоставу, расплав при температуре 650-780 о С обрабатывают модифицирующей смесью, вводя ее под «колокольчиком» максимально близко к дну тигля.
Обработку проводят до окончания барботажа, после чего «колокольчик удаляют и снимают шлак с поверхности расплава.
Таким способом выплавлялась серия плавок, в которых варьировалось количество вводимой модифицирующей смеси и ее состав.
Для сравнения одну из плавок модифицировали флюсом в количестве 2,5 мас. % шихты, приготовленным из измельченной обезвоженной смеси фтористого калия с хлористым калием в соотношении 2:3 по массе, а также фтористого натрия и натриевого криолита в равных долях. Флюс наносился на поверхность расплава при температуре последнего 720-740 о С и перемешивался с металлом; после выдержки 10-15 мин шлак удаляли.
Полученный сплав имел химический состав, мас.%.: маpганец 0,46-0,52; медь 0,18-0,21; цинк 0,28-0,32; магний 0,2-0,4; железо 1,2-1,8, свинец 0,03-0,05; олово 0,008-0,012; кремний 6,2-7,6; алюминий остальное.
Испытания механических свойств проводились на образцах, изготовленных из слитков, полученных в металлической форме, по стандартным методикам. Гидроиспытания проводились при давлении 5 кГс/см 2 на деталях типа «колесо насосное», полученных методом литья под давлением.
Результаты испытаний образцов и отливок из сплава АК7ч (АЛ9) после различных вариантов модифицирования приведены в табл. 1 и 2.
Анализ полученных результатов показывает, что образцы и отливки деталей, модифицированные заявленным способом, при высокой прочности и пластичности обладают существенно более высокой плотностью, а в деталях — герметичностью.
Если по сравнению со способом-прототипом, заявленный способ повышает герметичность отливки более чем в два раза; по сравнению с серийной технологией — в четыре-шесть раз.
Предлагаемый способ может быть использован в литейных цехах машиностроительных заводов и специализированных производств отливок из алюминиевых сплавов с повышенными требованиями к герметичности.
1. СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий расплавление шихты и введение в расплав модификатора в присутствии криолита, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют смесь карбидо-, нитридообразующих элементов и оксиды алюминия и меди при соотношении элементов и оксидов 30 — 70 : 0,1 — 0,5 и щелочных и/или щелочноземельных металлов и их соединений в количестве 0,02 — 0,20% от массы сплава, причем соотношение оксидов алюминия и меди составляет 100 : 0,01 — 0,98.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбидо-, нитридообразующих элементов используют оксиды циркония, титана, ниобия, гафния, тантала по отдельности или в любом сочетании.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочных и/или щелочноземельных металлов и их соединений используют криолит.
Источник
