Изучение закономерностей структурообразования при полунепрерывном литье, комплексном модифицировании, деформации и термообработке эвтектических силуминов с целью получения тонкостенных труб, проката и проволоки

Существенное снижение стоимости полуфабрикатов из алюминиевых сплавов может быть достигнуто за счет использования в качестве шихты богатой кремнием лигатуры алюминий-кремний, получаемой экологически чистым углетермическим методом [1], применением кремний-содержащего оксидного сырья при электролизном получении алюминия [2] или другими способами, малоиспользуемыми в настоящее время. Разбавляя эту лигатуру алюминием можно получать алюминиевые сплавы, которые существенно дешевле аналогичных материалов, полученных путем сплавления кремния с электролизным алюминием. Низкая цена получаемого сплава обусловлена малой энергоемкостью углетермического процесса, исключением импорта бокситов и использованием в качестве сырья дешевых руд — недефицитных нефелинов, каолинов или бедных забалансовых бокситов, запасы которых практически неограниченны в любом регионе России.

Кроме этого, Россия является одним из крупнейших производителей алюминия и кремния, обладает значительными сырьевыми запасами для производства алюминиево-кремниевых сплавов не только из природных, но и из техногенных алюмосиликатов.

Например, с использованием карботермического восстановления алюмосиликатов, открывается возможность масштабной утилизации горелых пород терриконов, хвостов обогатительных фабрик, золы бурых углей, содержащих 25 — 40% А1203, 0,8 — 3% Fe203, до 40 — 45% Si02, запасы которых исчисляются [3] сотнями млн. т. Применение этого сырья для производства алюминиево-кремниевых сплавов не только целесообразно экономически, но имеет принципиальное значение в аспекте улучшения экологической обстановки.

Алюминиево-кремниевые сплавы, обладающие структурной стабильностью в достаточно широком диапазоне температур эксплуатации, приемлемым уровнем физико-механических и коррозионных характеристик, а так же, что немало важно, хорошей износостойкостью, могут представлять интерес для самых различных отраслей промышленности не только в виде литых, но и деформированных полуфабрикатов.

Например, сплавы, содержащие несколько процентов кремния, могут быть применены для производства жесткой упаковки (банок для напитков и консервов, аэрозольных баллонов, туб, крышек и т. п.), на изготовление которой в настоящее время используется каждая десятая тонна выпускаемого алюминия [4].

Другим направлением использования деформируемых алюминиево-кремниевых сплавов может стать применение их в теплообменных аппаратах. В настоящее время в большинстве конструкций теплообменных аппаратов в теплоэнергетике и других отраслях преобладает использование сплавов на основе меди. Замена медных сплавов на алюминиевые в теплоэнергетике (ТЭЦ и др.) почти в три раза снижает затраты на основные материалы (трубы), необходимые для изготовления этих аппаратов при обеспечении близких теплофизических характеристик устройств [5]. С учетом того, что на каждый миллион киловатт производимой электроэнергии требуется 600−700 тонн конденсаторных труб из медных сплавов, масштаб проблемы очевиден [6].

Одновременно алюминиевые теплообменники находят все более широкое применение в автомобильной промышленности. Но для внедрения современных технологий их сборки и пайки необходима сварочная проволока и листовые припои из алюминиево-кремниевых сплавов с низкой температурой плавления, которые не выпускаются отечественной промышленностью.

Кроме этого, применение алюминиево-кремниевых сплавов возможно и для изготовления другой номенклатуры полуфабрикатов. Однако, состав известных алюминиево-кремниевых сплавов и промышленно приемлемых технологий производства из них горячеи особенно тонкостенных холоднодеформированных полуфабрикатов в настоящее время крайне ограничен и относится, как правило, к узко специализированным направлениям.

В связи с изложенным, целью данной работы является создание комплекса технологических и технических решений для модульной технологии производства холоднодеформированных полуфабрикатов из эвтектических силуминов, характеризующихся достаточным уровнем востребованных промышленностью специальных физико-механических свойств, на основе разработки способов повышения пластичности литых заготовок, исследования их реологических характеристик и оптимизации условий деформационной и термической обработки. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

— Проведено исследование закономерностей формирования структуры и механических свойств эвтектических силуминов систем Al-Si, Al-Si-Ni, Al-Si-Cu-Mg-(nM — переходные металлы) и доэвтектического сплава А1-Si-Mg при комплексном воздействии на расплав эффективных модификаторов и интенсивного охлаждения в условиях полунепрерывного литья цилиндрических заготовок;

— Изучено влияние режимов отжига заготовок и температурно-скоростных параметров их деформации на изменение реологических характеристик опытных сплавов и выбраны на этой основе промышленно приемлемые технологические параметры формоизменения литых заготовок;

— Выявлены закономерности формирования структуры и свойств силуминов при переработке литых заготовок в горячеи холоднодеформи-рованные полуфабрикаты и разработаны на этой основе технологические режимы их производства;

— Изучены структурные изменения при отжиге, закалке и старении холоднодеформированных полуфабрикатов из опытных алюминиево-кремниевых сплавов и разработаны режимы их термической обработки;

— Создано программное обеспечение для автоматизации процесса проектирования технологии горячей и холодной обработки опытных алюминиево-кремниевых сплавов.

— Разработаны опытно-промышленные технологии производства тонкостенных полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов.

— Проведены натурные эксплуатационные и технологические испытания полуфабрикатов в промышленных условиях потенциальных потребителей.

Научная новизна работы.

1. Показано, что формирование наиболее тонкодифференцированной структуры достигается в результате комплексного модифицирования титаном, бором, стронцием, бериллием, марганцем, определены оптимальные качественные и количественные сочетания компонентов и модифицирующих добавок.

2. Доказана возможность получения из исследуемых сплавов крупногабаритных литых заготовок с уровнем пластичности, обеспечивающим их горячее формоизменение с высокими степенями деформации.

3. Впервые исследованы закономерности изменения реологических свойств заготовок комплексно модифицированных эвтектических силуминов с тонкодифференцированной структурой.

4. Установлены закономерности изменения структуры и механических свойств комплексно модифицированных силуминов при пластической деформации с нагревом и в холодном состоянии и на этой основе разработаны параметры их пластической и термической обработки, обеспечивающие формирование повышенных эксплуатационных и технологических характеристик.

5. Впервые получены зависимости, описывающие изменение сопротивления деформации комплексно модифицированных силуминов в широком диапазоне варьирования условий деформации.

Практическая значимость работы.

1. Предложен комплекс технологических решений, на базе которых разработаны технологии получения высокопластичных непрерывно литых заготовок из эвтектических силуминов и технологические схемы переработки их в тонкостенные полуфабрикаты с высокими эксплуатационными и технологическими характеристиками.

2. Разработаны технологические режимы производства тонкостенных холоднодеформированных полуфабрикатов из комплексно модифицированных алюминиево-кремниевых сплавов, обеспечивающие при заданных температурно-скоростных параметрах процессов регламентированную структуру и комплекс физико-механических характеристик, открывающий новые области их применения.

3. Созданы математические модели и алгоритмы проектирования на ЭВМ технологии производства прессованных полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов, внедренные в учебный процесс на кафедре «Обработка металлов давлением» ГОУ ВПО «ГУЦМиЗ».

Диссертация состоит из введения и пяти глав. В первой главе изложен обзор методов повышения пластичности алюминиево-кремниевых сплавов и схем производства из них деформированных полуфабрикатов. Проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований различных авторов, работы которых посвящены изучаемым вопросам. На основании проведенного литературного обзора сделаны выводы и сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Во второй главе описаны применяемые методики исследования и оборудование, задействованное при проведении экспериментов. Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям модифицирования и условий кристаллизации алюминиево-кремниевых сплавов. Приведены полученные экспериментальные зависимости изменения реологических характеристик заготовок из алюминиево-кремниевых сплавов в области параметров обработки давлением. В четвертой главе приведены данные по экспериментальным исследованиям.

4.4 Выводы и основные принципы проектирования технологических процессов производства холоднодеформированных полуфабрикатов из алюминиево — кремниевых сплавов.

На основании результатов исследований, изложенных в главах 3 и 4 сформулированы следующие выводы и основные принципы проектирования технологических процессов производства тонкостенных холоднодеформированных полуфабрикатов из доэвтектических и эвтектических алюминиево-кремниевых сплавов [95].

1. При приготовлении сплавов для получения слитков методами полунепрерывного литья целесообразно использование лигатур Al-Sr, Al-Ti-B и обеспечение концентрации титана и стронция в сплаве в пределах 0,02 — 0,03% для обоих элементов. Отливка слитков должна производиться не позднее 20 — 30 минут после введения лигатуры Al-Sr. Лигатура Al-Ti-B может вводиться чушкой и (или) в виде прутка в литейный желоб непосредственно в процессе литья. Решение по вводу бериллия в концентрациях до 0,3% может приниматься отдельно в конкретных случаях.

2. Скорости охлаждения применяемые при литье слитков должны находиться в интервале 10−50 °С/с.

3. Для сфероидизации эвтектических составляющих структуры и повышения технологичности сплавов при их обработке давлением целесообразно проведение высокотемпературных отжигов слитков при температурах, составляющих 0,85−0,95 Тпл самой легкоплавкой составляющей. Время выдержки слитков в указанном интервале температур назначается в соответствие с действующими директивными документами в зависимости от диаметра слитков и объема обрабатываемой садки.

В соответствие с диаграммами пластичности горячую деформацию данных сплавов целесообразно проводить в следующем диапазоне температур: при прессовании сплошных заготовок из сплавов систем Al-Si, Тд=0,7 — 0,78 Тпл. при прессовании с иглой труб из сплава системы Al-Si, Al-Ni-Fe, Тд<0,7 Тпл, так как при превышении данной температуры не достигается удовлетворительного качества поверхности трубпри прессовании с иглой труб более легированных сплавов систем типа Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Ni, Al-Si-Ni-Mg температура горячего деформирования должна составлять 0,9−0,95Тплпри прессовании через рассекатель труб сплавов систем Al-Si и Al-Ni-Fe Тд<0,8 Тпл;

Для снятия внутренних напряжений в металле и повышения пластичности горячепрессованных заготовок при холодной деформации целесообразно проведение отжига по режимам: для сплавов системы Al-Si Тотж=0,65−0,75 Тпл, выдержка — 60 мин, охлаждение на воздухедля сплавов системы Al-Si-Ni, отжиг после горячей деформации можно не производитьдля более легированных сплавов систем Al-Si-Cu-Mg, Al-Si-Ni-Mg необходимо проведение ступенчатой термической обработки по режиму: Iя ступеньТ=500°С, т=1 часа;

2я ступень — Т=540°С, т=3 часа. Для сплавов системы Al-Si, Al-Si-Ni величина допустимой суммарной логарифмической деформации без проведения промежуточной термообработки составляет ln^i=l, 83.

7. Сплавы системы Al-Cu-Mg-Si, могут подвергаться деформированию со степенями суммарной логарифмической деформации.

8. Сплавы систем Al-Si-Ni могут деформироваться без разрушения со степенью суммарной логарифмической деформации равной 1,82.

Изложенные принципы проектирования технологических процессов производства деформированных полуфабрикатов могут быть использованы при получении холоднодеформированных полуфабрикатов из алюминиево-кремниевых сплавов с толщиной стенки до 1 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Впервые на эвтектических сплавах систем легирования Al-Si, Al-Si-Ni, Al-Si-Cu-Mg-Ni и Al-Si-Mg в опытно-промышленных условиях предложена и систематически исследована возможность повышения пластических характеристик литых заготовок, полученных методом полунепрерывного литья, за счет комбинированного воздействия на расплав современных эффективных модификаторов (Al-Ti-B, Al-Sr, Al-Be) и повышенных скоростей охлаждения, реализуемых в коротком кристаллизаторе с тепловой насадкой.

Доказана возможность получения из исследуемых сплавов крупногабаритных литых заготовок с уровнем пластичности, обеспечивающим их горячее формоизменение с высокими степенями деформации.

2. Исследованы закономерности изменения структуры и физико-механических свойств литых заготовок из сплавов систем Al-Si, Al-Si-Ni, Al-Si-Mg и Al-Si-Cu-Mg-ПМ при нагреве перед деформацией и показано, что для наиболее полной сфероидезации основных структурных составляющих, растворения неравновесных эвтектических составляющих и достижения максимального уровня пластических характеристик литых заготовок диаметром до 215 мм целесообразно проведение их отжига при следующих условиях:

— сплавы A112Si и Al-Si-Ni — нагрев в диапазоне температур 530−550('С с выдержкой не менее 6 часов;

— сплавы Al-Si-Mg — нагрев в диапазоне температур 510−530°С с выдержкой не менее 6 часов;

— сплавы систем Al-Si-Cu-MgПМ — ступенчатый отжиг 1ая ступень Т=510 — 515 °C, 2ая ступень Т=540°С, выдержка 3 и 1 час соответственно.

3. Установлены закономерности изменения пластичности литых и термически обработанных заготовок из сплавов исследуемых систем легирования в диапазоне параметров, характерных основным процессам обработки металлов давлением.

4. Экспериментально показано, что сопротивление пластической деформации литых и термически обработанных заготовок снижается в 22,5 раза при увеличении температуры деформации в диапазоне 350−500°С и практически мало зависит от величины пластической деформации у верхней границы исследованного температурного интервала. Разработан комплекс математических моделей, описывающих изменение сопротивления деформации исследуемых сплавов от температуры и величины деформации, позволивший получить расчетные зависимости для определения основных геометрических параметров очага деформации и энергосиловых затрат на формоизменение заготовок.

5. Показано, что применение комплексного легирования алюминиево-кремниевых сплавов в сочетании с повышенными скоростями охлаждения при литье заготовок, находящимися в пределах 10−15 °С/с, обеспечивает формоизменение литых заготовок в диапазоне температур 400 — 500 °C экструдированием с вытяжками до 625 единиц при сохранении высокого уровня пластических характеристик получаемых заготовок и способности их к формоизменению в холодном состоянии.

6. Определены оптимальные параметры холодной деформации, разупрочняющей и упрочняющей термических обработок сплавов исследуемых систем легирования. При этом установлено, что в результате измельчения структурных составляющих опытных сплавов на стадии литья заготовок и их интенсивной горячей деформации допустимые величины холодной деформации находятся в пределах до 1,83 а продолжительность нагрева при упрочняющей термической обработке в 5 — 7 раз меньше, чем при обработке фасонных отливок из сплавов аналогичных систем легирования, получаемых традиционными методами.

7. В результате комплекса проведенных исследований предложены основные принципы проектирования технологических процессов, разработана САПР ТП, разработаны и в опытно-промышленном варианте освоены на Красноярском металлургическом заводе производства тонкостенных полуфабрикатов из эвтектических алюминиево-кремниевых сплавов для космической, автомобильной и теплоэнергетической промышленности. Согласованы технические условия на поставку проволоки и тонкостенных труб из алюминиево-кремниевых сплавов, производимых в опытно-промышленных условиях.