Управление структурой и свойствами литых алюминиевых сплавов и разработка технологии их модифицирования мелкокристаллическими добавками

Среди задач, которые предстоит решать в области литейного производства, Б. Б. Гуляев [ 1 ] отмечает расширение возможностей управления структурой сплавов для достижения требуемых свойств. На III съезде литейщиков России (г.Владимир, 1997 г.) отмечалось, что важной задачей современного литейного производства остается получение отливок с оптимально высокими свойствами, минимальными затратами при соблюдении экологичности [ 2]. Алюминий и сплавы на его основе в настоящее время находят все более широкое применение в промышленности в результате наметившейся тенденции в автомобилестроении замены деталей из чугуна алюминиевыми вследствие их малого удельного веса и способности к рециклируемости.

Одним из резервов оптимизации структуры и улучшения литейных и физико-механических свойств литых алюминиевых сплавов является эффект металлургической наследственности. Решающий этап в его осуществлении заключается в передаче заложенной в шихте информации через жидкую фазу и ее реализации при затвердевании. Поэтому развитие концепции наследственности и ее подтверждение для литейных сплавов остается актуальной задачей. На параметры структуры жидкого и кристаллизующегося сплава оказывают влияние состояние исходной шихты и условия плавки: степень чистоты и измельченности структуры, добавки модификаторов, скорость плавки, величина перегрева, и другие факторы. Одновременное наложение нескольких факторов затрудняет установление наследственного эффекта.

На первом этапе в качестве объекта-были исследованы модельные бинарные сплавы нескольких систем на основе алюминия из первичных материалов, а затем готовили сплавы из металлов и отходов, прошедших специальную обработку. Степень эффективности применения мелкокристаллических отходов повышали за счет управления технологическими факторами, влияющими на наследственную передачу информации. Направленное изменение структур и свойств металлических расплавов с помощью внешних воздействий или заранее предусмотренных факторов и улучшение за счет этого физико-механических характеристик сплаваэто важное техническое решение, открывающее новые возможности в литейном производстве.

Для углубления исследований и реализации их результатов был выбран литейный сплав АК6М2, предназначенный для производства детали «Головка блока цилиндров» автомобиля «АвтоВАЗ». Такой выбор объекта практического использования результатов исследований соответствует современным ресурсосберегающим тенденциям, сложившимся в промышленности, а также отвечает требованиям реального производства АО «АвтоВАЗ» по снижению общего брака выпускаемой продукции.

Совершенствование технологии современного изготовления отливок требует развития теоретических направлений. Теория литейных сплавов непрерывно дополняетсялитейщикам приходится одновременно решать теплофизические, гидравлические, металловедческие, механические, химические и другие задачи.

В развитие указанных направлений внесли большой вклад отечественные ученые М. Б. Альтман, Н. Н. Белоусов, ААБочвар, А. Е. Вол, С. М. Воронов, Н. Г. Гиршович, Б. Б. Гуляев, В. И. Добаткин, М. Е. Дриц, В. С. Золоторевский, И. Ф. Колобнев, Г. А. Косников, О. Н. Магницкий, М. В. Мальцев, В. И. Никитин, И. И. Новиков, Н. С. Постников, И. Н. Фридляндер и ряд других ученых.

Усложнение технологических процессов, вызванное повышением требований к литым изделиям, обуславливает ужесточение контроля структуры сплавов и вызывает необходимость в углубленных исследованиях взаимосвязи их строения со свойствами. Структуры промышленных литейных сплавов достаточно изучены, однако многие вопросы продолжают оставаться открытыми или же, еще не поставлены. Проблема представления взаимосвязи структуры и свойств литых сплавов в единой форме является • также недостаточно исследованной. В литературе встречаются разрозненные сведения о взаимосвязи как структуры со свойствами, так и самих свойств, например, прочности с твердостью, электропроводностью для групп сплавовнекоторые группы сплавов остаются неизученными. К тому же интерпретация результатов наблюдения структуры разными исследователями не всегда однозначна и требует дополнительного рассмотрения.

Учитывая возрастающее применение алюминиевых сплавов, необходимы обобщение и систематизация имеющегося материала по свойствам и структуре сплавов в твердом и жидком состояниях, в выявлении их взаимосвязи и общих закономерностей. Средством систематизации может быть модель, включающая набор графиков. Существует вероятность выявления в результате экспериментальных исследований новых методов воздействия на свойства через конкретные элементы строения сплавов. Сведения о структуре указывают на существование ее взаимосвязи со свойствами, как функцией от нее.

Принятый в данной работе подход позволяет объединить и выявить особенности рассмотренных типов литейных сплавов и связать воедино наиболее важные их параметры, а также производить сравнение свойств и структур литых сплавов по единой методике.

Целью предлагаемой работы являлось исследование возможностей управления структурой и свойствами литых сплавов систем Al-Cu, Al-Si и Al-Si-Cu за счет явления наследственности и разработки на этой основе технологии модифицирования первичного сплава АК6М2 добавками быстрозакристаллизованных мелкокристаллического переплава и титаносодержащих лигатур на алюминиевой основе для достижения повышенного уровня технологических и механических свойств, снижения брака отливок, улучшения морфологии их строения при сокращенном расходе модифицирующих добавок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена методика систематизации сведений о химических составах, структурах всех уровней и ряде свойств в виде методологической модели «литейного треугольника», осуществляющего новый подход к решению задачи выбора оптимального состава, получения качественной структуры и необходимых свойств.

2. Развита и дополнена идея представления структуры сплава в виде совокупности структурно-иерархических уровней с указанием содержащихся структурных элементов, их размеров и корреляции со свойствами.

3. Показано влияние скорости кристаллизации в диапазоне 10−103оС/с на изменение структурных параметров в бинарных модельных сплавах систем Al-Cu и Al-Si и влияние скорости плавки в сплавах системы Al-Cu.

4. Установлено повышение свойств сплавов системы Al-Cu при использовании в качестве шихты отходов с деформированной структурой.

5. Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности модифицирования медистого силумина АК6М2 несколькими типами мелкокристаллических модификаторов: переплавом сплава АК6М2, Ц-лигатурой состава Al-Ti, СВС-лигатурой состава AI-5%Ti-1%B.

6. Предложено объяснение механизма процесса модифицирования силумина АК6М2 добавками мелкокристаллического переплава (МКП).

Практическая ценность работы заключается в том, что из отходов металлургической и электротехнической промышленности, обладающих измельченной структурой, получали сплав, затем подвергали его кристаллизации в валках. В результате получен экономичный переплав с мелкокристаллической структурой, обладающий высоким модифицирующим действием. Установлено оптимальное количество МКП для достижения наибольшего модифицирующего эффекта, выразившегося в повышении литейных свойств и механических свойств конструкционного сплава АК6М2, предназначенного для производства отливок «Головка блока цилиндров». Разработан рациональный режим синтезирования экономичных высококачественных вторичных сплавов АК6М2, АК7МЗ из отходов, позволяющий сохранить положительное наследственное влияние шихты. На защиту выносятся:

1. Трехкомпонентная модель бинарных сплавов на основе алюминия и железа, базирующиеся на принципе существования прямой и обратной зависимости химического состава, структуры и свойств.

2. Классификация, описание структур литых сплавов с применением обобщенных визуализирующих и некоторых численных методов и корреляция между значениями свойств (концентрация и твердость, прочность и твердость сплавов системы Al-Cu).

3. Результаты экспериментов по применению методов наследственного управления структурой и свойствами сплавов системы Al-Cu путем изменения строения и состава шихты, скорости плавки и охлаждения.

4. Результаты исследований по модифицированию конструкционного сплава АК6М2 мелкокристаллическим переплавом, Ц-, СВС-титаносодержащими лигатурами на алюминиевой основе.

5. Результаты опытно-промышленных испытаний отливки «Головка блока цилиндров», полученных.

Во введении раскрыта актуальность темы диссертационной работы, представлена научная новизна, практическая ценность работы и положения, выносимые на защиту. В первой главе на основании литературных источников рассмотрены современные научные представления о строении сплавов в твердом и жидком состоянии, о влиянии основных технологических факторов, состояния шихтовых материалов и их подготовки на структуру и свойства сплавов. Проанализированы структурные параметры, изучаемые при исследовании сплавов. Во второй главе изложена методика проведения работы. Третья глава посвящена дополнению концептуальной структурно-иерархической таблицы для сплавов, предложенной Б. Б. Гуляевым, параметрами структурных единиц и формулами, связывающими указанные структурные параметры со свойствами, присущими данному иерархическому уровню. Предложена трехкомпонентная модель, отражающая влияние химического состава на свойства и структуру литых сплавов и имеющая значение для решения задачи представления их взаимосвязи. В четвертой главе приведены результаты исследований влияния скорости кристаллизации, скорости плавки на структуру сплавов системы Al-Cu. Было выполнено исследование влияния различных видов деформированных отходов, использованных в качестве шихтовых материалов для получения сплавов системы Al-Cu с повышенными свойствами. В пятой главе отражены результаты исследований возможности синтезирования из отходов сплавов типа силумин с улучшенными свойствамиполучения быстрозакристаллизованного мелкокристаллического переплавамодифицирования сплава АК6М2 лигатурами AI-Ti и МКП. В шестой главе изложены рекомендации и опыт практического использования результатов работы. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследования структуры и свойств материалов и подтверждается опробованием результатов исследований в условиях реального производства АО «АвтоВАЗ» .

Результаты работы доложены и обсуждены на V научно-технической конференции «Наследственность в литых сплавах» (г. Куйбышев, 1993), научно-технической конференции «Управление процессами формирования структуры и свойств литых сплавов в отливках» (г. Санкт — Петербург, 1996), юбилейной научно-технической конференции «Совершенствование литейных процессов» (г. Екатеринбург, 1997), конференции «Актуальные проблемы переработки лома и отходов цветных сплавов» (г. Владимир, J 997), конференции «Генная инженерия в сплавах» (г. Самара, 1998), научных семинарах кафедр «Физико-химия литейных сплавов» СПбГТУ и «Технология литейных процессов» СамГТУ.

Внедрение результатов диссертационной работы, проводимое в условиях АО «АвтоВАЗ» и НПП «Интермет-Синтез», подтверждает их эффективность. Планируемый годовой экономический эффект от внедрения результатов работы по модифицированию сплава АК6М2 мелкокристаллическими добавками составит 721 тыс. руб. для 1 т переплава, 540 тыс. руб для 1 т лигатуры — по синтезированию из отходов ~ 4,3+5,1 тыс. руб. на 1 т в ценах на 1998 г. Работа выполнена на кафедрах «Физико-химия литейных сплавов и процессов» Санкт-Петербургского государственного технического университета и «Технология литейных процессов» Самарского государственного технического университета.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Методологически обосновано разбиение структуры отливки на взаимосвязанные иерархические уровни с целью последующего изучения свойств. Дполнена система иерархических уровней классификацией структурных параметров с поуровневым указанием процессов. Предложена методологическая трехкомпонентная модель, состоящая из диаграммы состояния, графиков физикомеханических и литейных свойств и структур. Модель базируется на концентрационной, температурной и технологической зависимости и предназначена для оценки влияния концентрации, технологических параметров на свойства структуры, сравнения данных с литературными с учетом технологических условий.

2. В работе адаптирован оригинальный программный метод количественной оценки структурных параметров микроуровня — объемной доли и удельной поверхности фазы. Установлено, что объемная доля фазы СиАЬ распределяется для литых бинарных сплавов Al-Cu доэвтектических концентраций по логарифмически нормальному законуудельная поверхность — по нормальному. Микроструктурные исследования подтверждают факт наследственности сильнодеформированной шихты в виде уменьшения объемной доли фазы в 2,3 раза, возрастания пластичности и электропроводности в сплаве А1−4,7% Си. Отмечено избирательное влияние деформированной шихты: алюминия — на повышение прочностных свойств исследуемых сплавовмеди — на повышение пластичности. Установлено влияние скорости плавки на увеличение пластических свойств и электропроводности, снижение прочностных свойств и плотности сплава А1−7% Си. 3. Установлено, что повышение скорости охлаждения 10 30 С/с) являются достаточными для образования сферолитных форм кристаллов в сплаве системы А1−33% Си, тогда как в эвтектическом сплаве системы Al-12,5% Si происходит только диспергирование структурных составляющих.

4. Получены линейные зависимости прочности ств с твердостью НВ и электропроводностью у для сплавов системы А1-(4,2ч-6,8) % Си из первичных материалов в виде следующих уравнений: ств = 0,37 НВ -19,71, ств = 503,25 — 11,84 удля сплавов из отходов — прочности от электропроводности: ств = 9,75 у — 86,67, где ств — предел прочности, МПаНВтвердость по Бринеллю, еду- удельная электропроводность, МСм/м.

Определена зависимость твердости НВ от концентрации меди (%, мае.) в доэвтектических сплавах из первичной шихты:

НВ= 384,15+27,65 С (4,15 — 6,84% Си);

НВ= 362,32+30,96 С (6,84 — 15,00% Си), где С — концентрация меди.

5. Определена возможность в производственных условиях НПП «Интермет-Синтез» синтезирования качественного сплава АК6М2 системы Al-Si-Cu с повышенной твердостью НВ 90−109 единиц, на основе промышленных отходов металлургической, машиностроительной и электротехнической отраслей, обладающих определенной структурно-наследственной информацией. Выявлена линейная зависимость между твердостью НВ и электропроводностью у для синтезированных доэвтектических медистых силуминов в виде следующего уравнения: НВ = 208,44 — 6,59 у. Определение твердости по удельной электропроводности является экспрессным методом, позволяющим с минимальными затратами оценить уровень свойств сплавов.

6. Получен мелкокристаллический переплав методом высокоскоростной кристаллизации в валках из синтезированного сплава АК6М2. Установлены оптимальные технологические параметры для достижения мелкодисперсной и равномерной структуры переплава в валковом кристаллизаторе: Ти:1 =700 +10 ° Сскорость оборота валков — 10 об/миндиаметр литникового отверстия — 3 ммдавление воды в валках -1 атм.

7. Установлено, что модифицирование сплава АК6М2 малыми добавками быстрозакристаллизованного мелкокристаллического переплава уменьшает величину максимального переохлаждения и способствует за счет снижения работы зародышеобразования и устойчивого увеличения числа унаследованных центров кристаллизации, вводимых в расплав быстрозакристаллизованной шихтой, формированию измельченной структуры и повышению уровня механических свойств отливок.

8. Методом количественного металлографического анализа микроструктуры сплава АК6М2 определено, что введение в расплав быстрозакристаллизованного переплава обеспечивает измельчение кристаллов а-твердого раствора и эвтектических составляющих. Это способствует повышению предела прочности, твердости, жидкотекучести и позволяет отнести такие добавки к зародышеобразующим модификаторам-инокуляторам. Показано, что модифицирование способствует измельчению зерен твердого раствора в 4−5 раз, увеличению количества междендритной фазы, состоящей из сложных эвтектик. Подобные результаты могут быть получены и для других сплавов системы Al-Si-Cu.

9. Впервые выполнен сравнительный анализ эффективности модифицирования сплава АК6М2 несколькими видами мелкокристаллических модификаторов. При проведении экспериментов в лабораторных условиях прочность сплава АК6М2 возросла за счет применения МКП на 22%, жидкотекучесть — на 10%, электропроводность — на 3,3%- за счет применения титаносодержащих лигатур прочность сплава АК6М2 возросла на 17,4%(Ц) и 19,4% (СВС) — жидкотекучесть понизилась на 6% (Ц) и 4,7% (СВС) — электропроводность понизилась на 3,3%. Выявлено, что оптимальным является содержание МКП 1,5 -2%, а содержание лигатур % от массы плавки.

10. Промышленное опробование показало возможность улучшения качества отливки «Головка блока цилиндров», требуемых механических и эксплуатационных свойств, сокращения брака сплава АК6М2 за счет применения специально подготовленной шихты, центробежных, лигатур Al-Ti и мелкокристаллического переплава. Результаты исследований данной работы использованы при составлении отчета по инновационному проекту № 4/ 96 «Синтезирование качественных алюминиевых сплавов из промышленных отходов различных производств». Экономический эффект по данному проекту достигает 2,5−3 т.р./1т в ценах 1998 года. Получено положительное заключение о результатах проведенных предварительных испытаний мелкокристаллических модификаторов для сплава АК6М2 при получении отливки «Головка блока цилиндров» в цехе алюминиевого литья металлургического производства АО «АвтоВАЗ». Предполагаемый экономический эффект от результатов внедрения на АО «АвтоВАЗ» модифицирования сплава АК6М2 мелкокристаллическим переплавом составит 540 т.р.- титаносодержащей лигатурой — 728 т.р. в ценах 1998 года.