|
|
Для изготовления фасонных отливок
используют литейные сплавы, которые в зависимости от компонентов, добавляемых
к алюминию, подразделяют на пять групп ( 20). Основными компонентами (кроме
алюминия) в сплавах являются: I группы—кремний, II группы — кремний и медь,
III группы — медь, IV группы — магний. В V группу входят сложнолегировакные
сплавы.
Алюминиевые сплавы имеют высокую удельную прочность
при нормальной температуре, хорошие литейные свойства, высокую коррозионную
стойкость в атмосферных условиях. Наибольшее применение нашли сплавы I и II
групп.
Сплавы I группы (силумины) широко используют в
авиационной, автомобильной, приборостроительной, машиностроительной,
судостроительной и электротехнической промышленности. По содержанию кремния
все они, за исключением сплава АЛ2, являются доэвтектическими,
кристаллизуются в узком интервале, имеют небольшую линейную усадку, высокую
жидкотекучесть, малую склонность к образованию трещин при затрудненной усадке
и рассеянной усадочной пористости. Основными структурными составляющими
двойных сплавов алюминия с кремнием являются первичные кристаллы твердого
раствора кремния в алюминии (адО и двойная эвтектика ад) + Si.
Наиболее вредной примесью является железо, образующее с
компонентами сплава фазу р (AlxFeySi2), кристаллизующуюся в форме грубых
иглообразных кристаллов резко снижающих пластичность. Для нейтрализации
вредного влияния железа в сплавы вводят марганец, а для повышения прочности
легируют магнием.
При изготовлении толстостенных отливок сплавы первой
группы обязательно модифицируют, так как до модифицирования они имеют низкую
пластичность, обусловленную грубыми выделениями эвтектического кремния.
Заэвтектические сплавы (14—22 % кремния) отличаются
жаропрочностью и имеют небольшой коэффициент термического расширения.
Основными структурными составляющими этих сплавов являются кристаллы
первичного кремния и эвтектика ад1 + Si. Заэвтектические сплавы также
подвергают модифицирова- . нию.
Сплавы II группы широко используют для изготовления
отливок повышенной прочности и твердости, сохраняющих постоянство размеров в
процессе эксплуатации: корпусов приборов, автомобильных и тракторных поршней,
деталей двигателей воздушного охлаждения. Сплавы этой группы более
жаропрочны, чем силумины; "обладают хорошей жидкотекучестыо, малой
линейной усадкой» но более склонны к образованию усадочной пористости и
трещин при затрудненной усадке, чем сплавы первой группы. Основными
структурными составляющими сплавов являются первичные кристаллы твердого
раствора осд{, двойная эвтектика ад1 + Si и тройная эвтектика ад[ + Si +
CuA12. Кроме того, в зависимости от содержания примеси железа, в структуре
могут присутствовать компактные (AlMnFeSip) или игольчатые (ALcFeSiz)
кристаллы железистой составляющей.
Сплавы III группы отличаются высокими механическими
свойствами, но более низкой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются
резанием. Обладая широким интервалом кристаллизации, сплавы системы алюминий—
медь склонны к образованию усадочных трещин и рассеянной усадочной пористости;
они менее жидкотекучи, чем сплавы первой и второй групп. Основными
структурными составляющими этих сплавов являются твердый раствор меди в
алюминии (адО, эвтектика ад! + CuA12, а также железистая составляющая
(AlxMnFezSip). Для измельчения зерна и повышения механических свойств сплавы'
легируют марганцем, титаном или цирконием. Сплавы III группы упрочняют
термической обработкой.
Сплавы IV группы отличаются низкой плотностью, высокими
прочностными свойствами и коррозионной стойкостью, их используют для изготовления
отливок, испытывающих вибрационные нагрузки. Эти сплавы имеют низкие литейные
свойства: повышенную склонность к окислению и образованию усадочных трещин и
рыхлот, низкую жидкотекучесть, а также взаимодействуют с влагой литейных
форм. Основными структурными составляющими являются твердый раствор магния в
алюминии (ад[) и двойная эвтектика ад! + А18М&. Для повышения
механических свойств и снижения газовыделения при кристаллизации эти сплавы
легируют цирконием, а для предохранения от загорания — бериллием.
Сплавы V группы применяют для изготовления отливок с
повышенной стабильностью размеров, работающих при повышенных температурах и
давлениях, а также для изготовления сварных конструкций. Они имеют сложную
многофазную структуру, определяющую их высокую склонность к горячим трещинам.
Основными структурными составляющими являются фазы S (Al2CuMg2), A!3(Ni, Cu)2
и Т (AleCu3Ni). Кроме того, всегда присутствуют кристаллы железистой
составляющей.
Особенности плавки и литья. При плавке па воздухе
алюминиевые сплавы окисляются и насыщаются водородом. По мере окисления на их
поверхности образуется оксидная пленка. При достижении толщины пленки 0,2 мкм
скорость окисления резко снижается из-за малой скорости диффузии кислорода
через пленку. Щелочные и щелочно-земельные металлы (натрий, литий, барий,
кальций, стронций) и цинк увеличивают окисляемость сплавов в результате
образования рыхлых оксидных пленок. Бериллий (до 0,01 %) снижает скорость
окисления, большая же часть легирующих элементов (Мп, Си, Si и др.) не оказывает
существенного влияния. В процессе плавки оксидные пленки разрушаются, их
обрывки замешиваются в расплаве, а попадая в отливки, ослабляют их сечения,
снижают пластичность.
Алюминиевые сплавы растворяют до 3 см3 водорода на 100 г расплава. Большая относительная разность растворимости водорода в жидких и твердых алюминиевых
сплавах является их специфической особенностью, определяющей большую
склонность к образованию в отливках газовых раковин и пористости. Щелочные и
щелочно-земельные металлы увеличивают растворимость водорода в сплавах.
Проведение плавки под флюсами предохраняет алюминиевые
расплавы от окисления и насыщения водородом. Для сплавов, содержащих не более
1 % магния, в качестве покровного флюса применяют смесь хлоридов натрия и
калия (55 %) в количесгве 1—2 % от массы шихты. Для алюминиево-магниевых
сплавов, содержащих более 1 % магния, в качестве флюса используют карналлит
(MgCl2x ХКь1) и смесь карналлита с 10—15 % фторида кальция или магния. В тех
случаях, когда применение флюса невозможно, защиту этих сплавов от окисления
осуществляют введением 0,01—0,05 % бериллия. В последние годы для этой цели
успешно применяют газовые смеси, например воздух с 0,1 % шестифтори- стой
серы (SFe).
Из газов печной атмосферы для алюминиевых сплавов наиболее
опасны пары воды. Взаимодействие их с алюминием приводит к загрязнению
расплавов оксидными пленками и насыщению водородом: 2А1 + ЗН20 — А1203 + 6Н.
В целях предотвращения такого взаимодействия принимают ряд мер для удаления
влаги: сушат шихтовые материалы, прокаливают футеровку печей и разливочных
ковшей, окрашивают плавильный инструмент, сушат и переплавляют флюсы. Однако
полностью предотвратить окисление и взаимодействие с водяными парами не
удается, и расплавы в той или иной степени оказываются загрязненными
оксидными включениями и водородом, поэтому перед заливкой в формы требуют
очистки.
Рафинирование алюминиевых расплавов от взвешенных
неметаллических включений и водорода осуществляют продувкой инертными (аргон,
азот) и активными (хлор, смесь азота с 10 % хлора) газами, обработкой
хлоридами (МпС12, ZnCl2, TiCl4, С2С1б), флюсами, выдержкой в вакууме и
фильтрованием через зернистые или спеченные фильтры.
Технология продувки состоит в пропускании газов через
пористые вставки из спеченного глинозема для получения газовых пузырьков
диаметром 1,5—2 мм. Продувку азотом проводят при 720—730 °С в течение 5—20
мин (в зависимости от объема расплава) с расходом газа 0,5—1 м3 на тонну
расплава. Рафинирование смесью азота с хлором проводят при 710—720 °С в
течение 10—12 мин с расходом газа 0,5—0,8 м на тонну расплава.
При рафинировании хлоридами последние вводят в расплав в
количестве 0,1—0,3 % при температуре 720—750 °С. Взаимодействие хлоридов с
алюминием сопровождается образованием хлористого алюминия, пары которого
действуют так же, как азот или аргон. Для удаления мелких пузырьков
рафинирующих газов расплавы после рафинирования отстаивают в течение 10—15
мин.
Рафинирование флюсом осуществляют при 730—750 °С, расход
флюса 0,5— 1 % от массы расплава. Перед использованием флюс переплавляют для
удаления кристаллизационной влаги. Обезвоженный флюс насыпают на поверхность
расплава или вводят в расплав, который энергично перемешивают. В некоторых
случаях рафинирование проводят в ковшах. Для этого флюс заливают на дно ковша,
а затем ковш заполняют металлом. При этом происходит интенсивное замешивание
флюса в расплав и удаление неметаллических включений.
Вакуумирование алюминиевых расплавов ведут при остаточном
давлении 6,6—13,3 кПа в течение 15—20 мин.
Эффективным способом очистки от неметаллических включений
и плен является фильтрование расплавов через сетчатые, зернистые или пористые
керамические фильтры. Сетчатые фильтры, изготовленные из стеклоткани с
размером ячейки от 0,5x0,5 до 1,5х 1.5 мм или титана, установленные в литниковых чашах, под стояками или в шлакоуловителях, позволяют в 1,5—2 раза снизить
количество попавших в отливку включений и плен, размер которых больше размера
ячейки сетки.
Значительно больший эффект очистки дают зернистые фильтры,
представляющие собой слой (толщиной 100—150 мм) зерен фильтрующего материала
диаметром 5—10 мм. Такие фильтры изготовляют из магнезита, графита, сплавов
хлоридов и фторидов, алунда и других материалов. Очистка расплавов
фильтрованием через зернистые фильтры обусловлена механическим и адгезионным
процессами. Первому из них принадлежит решающая роль при отделении крупных
включений и плен, второму — при отделении тонкодисперсных включений.
Эффективность очистки зависит от природы материала, размера зерна, толщины
слоя фильтра и металлостатического напора, определяющего скорость фильтрации.
При оптимальных условиях фильтрования зернистые фильтры работают в 2—4 раза
более эффективно, чем сетчатые.
Керамические фильтры с диаметром пор 150—200 мкм
обеспечивают эффективное удаление неметаллических включений размером более 10
мкм.
Эффективность операций рафинирования перечисленными
способами контролируют с помощью технологических проб, химического и газового
анализа.
Алюминиевые сплавы модифицируют с целью измельчения
макрозерен, первично кристаллизующихся фаз и фаз, входящих в эвтектики, и
изменения формы выделения хрупких фаз. Для измельчения макрозерен в расплавы
вводят титан, цирконий, бор, ванадий, титан совместно с бором. Эти
модификаторы образуют с алюминием интерметаллиды, являющиеся центрами
кристаллизации твердых растворов на основе алюминия. Измельчение макрозерен
отливок повышает однородность их механических свойств в различных по толщине
сечениях и увеличивает относительное удлинение.
Силумины подвергают модифицированию с целью измельчения
кристаллов эвтектического кремния. Для этого в доэвтектические сплавы,
содержащие не менее 6% кремния, вводят 0,05—0,1 % натрия или стронция.
Введение натрия осуществляют смесью хлористого и фтористого натрия (33 %
NaCl, 67 % NaF) при температуре 800—820 °С или тройным модификатором (25 %
NaF, 62,5 % NaCl, 12,5% КС1) при температуре 720—740°С. В некоторых случаях
модифицирование совмещают с рафинированием, используя для этой цели
универсальный флюс (40 % NaF, 45 % NaCl, 15 % Na3AlF0). При модифицировании
сслями их навеску (1—2 %) засыпают на поверхность расплава и выдерживают в
течение 10—15 мин для того, чтобы с достаточной полнотой прошла реакция: 6NaF
-f- + А1 —> Na4AlFe + 3Na. После этого соли замешивают в расплав и через
3—5 мин удаляют вместе со шлаком. Эффект модифицирования натрием сохраняется
в течение 20—30 мин Модифицирующее действие стронция, который вводят в
расплав лигатурой алюминий—стронций (10 % Sr), при температуре 750—780 °С
сохраняется более 3 ч.
Заэвтектические силумины модифицируют с целью измельчения
первичных кристаллов кремния. В качестве модификатора используют фосфор,
который вводят в расплавы в количестве 0,05—0,1 % лигатурой медь—фосфор или
смесью красного фосфора (20 %) с фторцирконатом калия (K2ZrF6) (10 %) и хлористым
калием (70%) при 790—825 °С.
Для изменения формы выделения кристаллов железистой
составляющей (получение компактных, округлых кристаллов вместо иглообразных,
резко снижающих пластические свойства) в алюминиевые сплавы вводят 0,3—0,4 %
марганца или бериллия.
Тщательно очищенный расплав может быть вновь загрязнен в
процессе заливки форм. Падение струи металла с высоты более 300 мм вызывает вспенивание и образование оксидов, часть которых попадает в отливку. Для алюминиевых
сплавов недопустимо образование завихрений в местах удара струи о стенку
формы. Воздух, захваченный вихревыми потоками, окисляет расплав. В связи с
этим применяют расширяющиеся литниковые системы, обеспечивающие отделение
неметаллических включений и минимально допустимую линейную скорость движения
струи расплава на выходе из питателей. Очень часто в шлакоуловителях
устанавливают сетки (из стеклоткани, титана, стержневой смеси), усложняют
литниковые системы различными поворотами, используют зернистые фильтры.
Для предотвращения захвата воздуха при заполнении высоких
форм (>300 мм) применяют многоярусные и щелевые литниковые системы,
позволяющие к тому же получать наиболее благоприятное распределение
температуры по выс01е отливки.
Алюминиевые сплавы склонны к образованию усадочной
пористости, устранение которой в отливках достигают установкой массивных
прибылей, холодильников, а для ответственных отливок — кристаллизацией под
давлением сжатого воздуха в автоклавах.
Отливки из алюминиевых сплавов изготовляют всеми
известными способами литья. Около 80 % отливок получают литьем в
металлические формы (в кокиль, под давлением, под низким давлением),
остальные 20 % — литьем в формы однократного использования (песчаные,
оболочковые и др ). Для изготовления песчаных форм и стержней используют
мелкозернистые пески. В состав формовочных смесей вводят до 95 % возврата.
При изготовлении отливок из алюминиевомаг- ниевых сплавов в состав
формовочных смесей вводят присадку ВМ (на основе технической мочевины) или
борную кислоту, которые предохраняют расплавы от загорания в форме.
Очищают отливки на гидропескоструйных установках. В
зависимости от состава сплава отливки проходят термическую обработку по
определенным режимам.
|