УДК 621.74
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
© Деев Владислав Борисович1, д-р техн. наук, e-mail: deev.vb@mail.ru; Селянин Иван Филиппович2, д-р техн. наук, проф.; Куценко Андрей Иванович2, канд. техн. наук; Белов Николай Александрович1, д-р техн. наук, проф., e-mail: nikolay-belov@yandex.ru; Пономарева Кира Валерьевна2
1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва
2 Сибирский государственный индустриальный университет. Россия, г. Новокузнецк. E-mail: kafedra_lp@mail.ru Статья поступила 16.06.2014 г.
Проведен анализ перспективных ресурсосберегающих технологий обработки расплавов литейных алюминиевых сплавов. Показано, что реализация технологий физических воздействий на расплавы (термовременная обработка при выплавке, магнитное поле при заливке, электрический ток при кристаллизации) при получении литейных алюминиевых сплавов марок АК7ч, АК5М2, АМ5 с использованием в шихте повышенного количества вторичных материалов способствует увеличению механических свойств металла в литом состоянии. Рассмотрено влияние физических воздействий на процесс кристаллизации алюминиевых сплавов с позиции положений квантовой теории.
Ключевые слова: расплав; физические воздействия; плавка; литейные алюминиевые сплавы; механические свойства; вторичные материалы; кристаллизация; ресурсосберегающие технологии; магнитное поле; термовременная обработка; энергетический спектр электронов; квантовая теория.
Известно, что применение повышенного количества лома и отходов при производстве отливок из алюминиевых сплавов способствует насыщению расплавов неметаллическими включениями, газами и микронеоднородностями различных размеров и составов, приводит к увеличению содержания в сплавах нежелательных примесей, грубокристаллической структуре, пористости и другим негативным явлениям. Все это значительно снижает качество литых изделий.
Исследование влияния шихты различного качества на свойства сплава марки АК7ч: показало (см. таблицу), что при повышении содержания в шихте лома и отходов снижается уровень механических свойств в литом состоянии и повышается содержание неметаллических включений (типа у-Л12Оэ). При этом химический состав полученных сплавов соответствовал составу АК7ч, т.е. попадание в регламентируемые ГОСТ 1583-93 интервалы содержания основных и примесных компонентов еще не гарантирует получения мел-2 козернистой структуры и качественного литья. ™ Рафинирование сплава (см. таблицу) не позволи-2 ло получить достаточного эффекта при содержа-а нии в шихте вторичных материалов более 30%.
1 Состав сплава (ГОСТ 1583-93), мас. %: 6,0-8,0 Si; 0,2-0,4 Mg; до 0,5
Следует заметить, что отдельные неудачи в работе с вторичными материалами создали о них мнение как о нежелательных составляющих шихты. Однако цена вторичных материалов в среднем в 2-2,5 раза ниже цены чушкового сплава. И если бы удалось увеличить содержание вторичного сырья в шихте до 80-100% при гарантированном достижении необходимого уровня механических свойств (не ниже требований ГОСТ 1583-93), то это позволило бы получить существенную экономию при производстве отливок.
Представляется, что для получения качественных отливок с использованием повышенного количества лома и отходов помимо оптимальной организации сбора, сортировки и подготовки шихтовых материалов и с учетом качества шихты необходимо создание эффективных технологий рафинирующей и модифицирующей обработки расплавов в процессе выплавки, заливки в литейные формы и кристаллизации. Из всех существующих способов обработки металлических расплавов перспективны физические воздействия, которые эффективны в технологиях получения качественных отливок [1-5]. Однако в процессах получения алюминиевых сплавов эти технологии применяются еще недостаточно.
Мп; до 0,2 Си; до 0,3 2п; до 1,2 Бе; остальное Л1.
лаждением рассчитанным количеством твердой шихты до температуры рафинирования и разливки) на расплавы в комплексе с электромагнитными воздействиями - магнитным полем при заливке с градиентом индукции АБ/Ах = 0,192-0,886 Тл/м и постоянным электрическим током при кристаллизации с плотностью / = (0,30-1,20)-105 А/м2 (для этого были сконструированы специальные устройства). При этом было выявлено, что обработка расплава электрическим током при кристаллизации должна учитывать конфигурацию и массу обрабатываемой отливки с целью рационального подвода токопроводящих элементов и равномерной обработки расплава током определенной плотности в полости формы. Как правило, оптимальные режимы обработки определяются дополнительными экспериментами в каждом конкретном случае.
Следует обратить внимание на возможность изготовления шихтовых заготовок из лома и отходов с применением тепловых воздействий, что составляет один из общих принципов разработки перспективных ресурсосберегающих технологий получения отливок.
Перечисленные технологии способствуют снижению пористости, формированию в сплаве мелкозернистой структуры и повышению его механических, технологических и эксплуатационных свойств. Количество вторичных материалов в шихте (особенно при использовании комплексной обработки с обязательной ТВО расплава) может быть повышено (в среднем) до 70-90%. При использовании физических воздействий (как отдельно, так и в комплексе - ТВО, магнитного поля при заливке, электрического тока при кристаллизации) для алюминиевых сплавов АК7ч, АК5М22, АМ52 выявлено снижение литейных дефектов, устойчивое повышение механических свойств в литом состоянии (в среднем): ав (на 17-35%); б (на 40-100%); повышение жидкотекучести (на 10-30%); снижение пористости (до балла 1-2). Эти технологии успешно реализованы в условиях нескольких промышленных предприятий при получении (в кокиль, по газифицируемым моделям, в песчано-глинистые формы) тонкостенных отливок различного назначения.
Рассмотренные эффекты можно связать с изменением характера процесса кристаллизации ^ расплавов, обработанных тепловыми и электро- ™ магнитными воздействиями, по сравнению с рас- ™ плавами без обработки. ^
2 Составы сплавов (ГОСТ 1583-93), мас. %: АК5М2 - 4,0-6,0 Si; 0,2-0,8 Mg; 0,2-0,8 Mn; 1,5-3,5 Cu; 0,05-0,2 Ti; до 1,3 Fe; до 0,5 Ni; остальное Al;
АМ5 - до 0,3 Si; до 0,05 Mg; 0,6-1,0 Mn; 4,5-5,3 Cu; 0,15-0,35 Ti; до 0,3 Fe; до 0,1 Ni; до 0,2 Zn; остальное Al.
Свойства сплава марки АК7ч при различном содержании лома и отходов в шихте
Состав шихты, % Св (без р c ра( ойства сплава >афинирования/ шнированием1)
Чушковые материалы Лом и отходы ст, МПа в 8, % содержание Y-AlA, %
100 - 202/210 4,3/5,0 0,032/0,028
70 302 186/197 3,6/4,2 0,044/0,034
50 50 178/190 3,2/3,5 0,052/0,043
30 70 166/174 2,3/2,7 0,061/0,054
- 100 159/165 1,5/1,8 0,068/0,063
1 Рафинирование осуществляли флюсом следующего состава: 50% NaCl, 35% KCl, 15% Na SiF. 2 6 2 Из них во всех вариантах: 50-55% - мелкий лом и отходы сплава АК7ч; 45-50% - брикетированная стружка состава АК7ч.
Физические воздействия на расплавы могут осуществляться во время выплавки, заливки в литейную форму, кристаллизации. Однако теоретическое описание влияния этих технологий на процессы структурообразования и получения мелкозернистой структуры сплавов весьма дискуссионно, и единого мнения у разных исследователей до сих пор нет. Между тем понимание сущности процессов обработки и создание единого подхода к их результатам позволят более глубоко подойти к созданию обобщенной теории модифицирования сплавов физическими воздействиями и разработке эффективных металлургических технологий.
Авторами статьи проведены исследования влияния различных способов обработки расплавов физическими воздействиями: при выплавке (термовременная обработка - ТВО, термоскоростная обработка - ТСО), заливке (магнитное поле), кристаллизации (вибрация, электрический ток), а также различные комплексные воздействия. Результаты показали, что тщательный анализ технологического процесса, включающий сортировку шихты, оптимизацию температурных режимов выплавки (проведение ТВО, ТСО), выбор рациональной технологии рафинирования (как обязательной операции), использование электромагнитных воздействий, позволит заложить требуемый «резерв» в качество получаемых сплавов.
Особую перспективу показало применение тепловых воздействий (ТВО и ТСО с перегревом расплава в зависимости от состава сплавов до T = 1000-1100 °С, выдержкой т = 8-12 мин и ох-
Влияние тепловых и электромагнитных воздействий на расплавы и дальнейшую их кристаллизацию авторы объясняют с позиции основ квантовой теории твердого тела и жидкого состояния. Так, в жидких металлических и полупроводниковых системах наблюдаются неравновесные состояния, которые обнаруживаются по гистерезису вязкости, электропроводности и других физических свойств в зависимости от температуры перегрева расплава и времени выдержки его при этих температурах. Одни авторы объясняют это явление присутствием в расплавах трудно растворимых включений [6, 7], другие - структурными перестройками [8, 9]. Но в настоящее время многие исследователи придерживаются следующей точки зрения: при высоких температурах и выдержках расплавы гомогенизируются, переохлаждаются и кристаллизуются с образованием мелкозернистой структуры [10, 11].
Авторы статьи считают, что если легирующий элемент при растворении в расплаве повышает уровень Ферми, приближает его к уровню Ферми твердого состояния, то при кристаллизации он способствует зародышеобразованию, так как межфазовая поверхностная энергия (а12) при этом понижается, размер критического зародыша уменьшается из-за уменьшения внутренней контактной разности потенциалов.
При ТВО расплава сегрегации примесей, тугоплавкие включения растворяются, расплав гомогенизируется, уровень Ферми системы изменяется. Если инородные элементы при ТВО повышают уровень Ферми (eF), то сплав затвердевает мелкозернистым. В системе Al-Si ТВО проявляет модифицирующий эффект в сплавах с высоким содержанием кремния. Атом Si имеет четыре валентных электрона (3s2p2), атом Al - три (3s2p1). При растворении сегрегаций кремния в расплаве, подвергну
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.