Литейный цех литья круглых полых и сплошных слитков из сплавов 7175, АД1, 6082

Для получения качественной продукции, с оптимальными свойствами, в металлургической промышленности важно правильное построение производственного цикла.

Современное литейное производство отличается большой номенклатурой изделий. Основным полуфабрикатом в металлургии является слиток. В цехах литья слитков из алюминиевых деформируемых сплавов получают:

· плоские слитки — для прокатного производства;

· круглые сплошные слитки — для прессования профилей и прутков, ковки и штамповки;

· круглые полые слитки — для производства труб;

Обеспечение необходимого качества слитков достигается правильным построением технологического процесса, грамотного применения современных методов обработки расплава (рафинирования, модифицирования), также применением современного оборудования и оснастки.

Учитывая вышесказанное, применение этого позволяет существенно улучшить структуру и свойства заготовок. Тем самым, при дальнейшей обработке давлением повышается стойкость инструмента, стабилизируются и несколько повышаются механические свойства полуфабрикатов, увеличивается скорость прессования металла, а также увеличивается степень его деформации.

Улучшение качества поверхности слитка позволяет уменьшить, а в некоторых случаях и исключить, механическую обработку. Это позволяет значительно увеличить выход годной продукции на 8 -10%.

1. Характеристика проектируемого цеха

Литейный цех обычно располагается в корпусе, состоящем из трёх пролетов: шихтового литейного и плавильного.

Для производства сплавов на основе алюминия используют следующие шихтовые материалы:

— первичный алюминий, лома и легирующие компоненты закупаются со стороны и поступают в цех со склада шихтовых материалов;

— внутризаводские отходы, переплав и т. д. поступают из цехов переплава и обрабатывающих цехов.

Шихтовые материалы в виде отходов собственного производства, лома алюминиевых сплавов, первичного алюминия и легирующих компонентов поступают железнодорожным и автомобильным транспортом на шихтовой участок, где проводится их складирование. Шихтовые материалы в виде отходов и ломов со стороны проходят входной контроль, стилоскопический анализ и взвешивание. Подобранная и рассчитанная на плавку шихта подается с помощью мостовых кранов шихтового пролета на эстакаду плавильного отдела или на участок высококачественного литья (ВКЛ) к печам, откуда производится загрузка шихтовых материалов с помощью мульдозавалочных кранов (МЗК) и электромостовых кранов (ЭМК). Плавление шихтовых материалов и приготовление плавок производится в газовых пламенных печах с автоматическим регулированием теплового режима.

Для доведения расплава до требуемого химического состава, в плавильных печах применяются мульдозавалочные краны (МЗК) и электромостовые краны, после чего производится рафинирование флюсами или смесью газов аргон + хлор, модифицирование лигатурой Al-Ti-B, съем шлака с помощью мульдозавалочных кранов или напольных завалочных машин.

Контроль температуры расплава в печи производится при помощи термопара по показаниям потенциометра. Максимальная температура расплава в печи 780⁰С. Перелив плавки из печи в миксер производится с помощью сифона или открытого лотка.

Литье слитков производится из газовых пламенно-отражательных или электрических миксеров. Плавильно-литейные агрегаты оснащены поворотными газовыми миксерами ёмкостью 40 тонн или электрическими миксерами ёмкостью 25 тонн.

В миксере расплав очищают от шлака, вакуумируют, рафинируют флюсами, аргоном или смесью газов аргон + хлор. Миксеры оборудованы установками автоматической подачи лигатурного прутка Al-Ti-B для модифицирования расплава во время литья слитков.

Отливка слитков производится в кристаллизаторы скольжения (круглые слитки) на литейных машинах с тросовым приводом и гидравлической литейной машине. Подача металла из миксера осуществляется через лёточное отверстие по разливочной оснастке к кристаллизаторам. Каждому размеру слитка соответствует определённая температура и скорость литья. Контроль температуры осуществляется по показаниям потенциометра. Скорость литья слитков измеряется по прибору измерения скорости, соединенному с вольтметром.

На участках агрегатов устанавливают процессоры, с помощью которых должны регулироваться и поддерживаться технологические параметры литья в автоматическом режиме (скорость и расход воды на охлаждение слитков в зависимости от длины слитка).

2. Сортамент отливаемых круглых слитков

Диаметры отливаемых круглых слитков определяются мощностью прессов, применяемых для их деформирования, и качеством самих слитков. В настоящее время для получения деформированных полуфабрикатов применяют слитки диаметром от 70 до 850 мм. Литьё слитков больших диаметров освоено не для всех сплавов и применяют только для небольшой номенклатуры полуфабрикатов.

Длину отливаемых слитков стремятся довести до максимума, так как это повышает выход годного. С другой стороны, увеличение длины слитка усложняет конструкцию и удорожает изготовление литейной машины. Поэтому длина отливаемых слитков колеблется в интервале 4−6 м.

По диаметрам сортамент отливаемых сплошных и полых слитков можно разделить на 4 группы: до 200 мм; от 200 до 400 мм; от 400 до 850 мм; более 850 мм. Отливка слитков первых двух групп не вызывает каких-либо затруднений. Отливка слитков третьей группы для ряда сплавов требует особых мер по регулированию состава сплава, режимов литья и конструкции кристаллизаторов, но может считаться освоенной так же для всех сплавов. Отливка слитков четвёртой группы освоена только для сплавов, обладающих достаточно хорошими литейными свойствами.

Круглые сплошные слитки используют для получения профилей, прутков, поковок и штамповок. А основную массу бесшовных труб из алюминиевых деформируемых сплавов изготавливают из полых слитков. Из полых слитков методом прессования получают трубную заготовку под волочение и прокатку, толстостенные трубы, а так же трубы для изготовления панелей. В серийном производстве отливают слитки с наружным диаметром от 150 до 850 мм и с внутренним диаметром от 50 до 600 мм.

Основные размеры слитков и заготовок приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 — Основные размеры сплошных слитков и заготовок (длина слитка 4−6 м).

Таблица 2 — Основные размеры полых слитков и заготовок (длина слитка 4- 6 м).

3. Структура, технологические и конструкционные свойства обрабатываемых материалов

3.1 Литейные свойства алюминиевых сплавов

На рисунке 1 показаны схемы зависимости литейных свойств от состава сплава в двойных системах эвтектического типа.

Рисунок 1. Типовые схемы зависимости литейных свойств алюминиевых сплавов от их химического состава в системе эвтектического типа: ab — равновесный солидус; ac — неравновесный солидус; 1 — жидкотекучесть при постоянном перегреве над ликвидусом; 2- жидкотекучесть при постоянной температуре заливки в металлическую форму.

Поведение металлов и сплавов в литейных процессах определяется разнообразными физико-химическими свойствами (температурой ликвидуса, солидуса, теплоемкостью, теплопроводностью, растворимостью газов) и специфическими литейными свойствами (жидкотекучестью, усадкой, склонностью к образованию литейных трещин, склонностью к зональной ликвации и т. д.).

3.1.1 Жидкотекучесть

Жидкотекучесть — это способность металлов и сплавов заполнять литейную форму. Обычно у алюминиевых сплавов ее оценивают по длине прямого или спирального прутков, отлитых в строго определенных условиях в земляную или металлическую форму.

Жидкотекучесть зависит, главным образом, от характера кристаллизации. Минимальной жидкотекучестью обладают сплавы, которые имеют широкий интервал кристаллизации. Алюминий затвердевает в виде дендритов, сравнительно быстро перекрывающих канал. У сплава, затвердевающего в широком интервале температур, сильно разветвленные первичные дендриты еще быстрее перекрывают все сечение канала и, несмотря на относительно большое количество жидкой фазы, поток останавливается на ранней стадии кристаллизации.

3.1.2 Герметичность

Герметичность — это способность отливки выдерживать давление жидкости или газа без течи. Герметичность — литейное свойство сплава, зависящее от характера кристаллизации. Она тесно связана с развитием усадочной и газовой пористости. Герметичность определяется не только суммарным объёмом пор и их распределением по сечению отливки, но и тем, изолированы ли поры или образуют систему связанных междендритных каналов. У алюминия и сплавов эвтектического состава герметичность максимальная, а у сплавов с большим интервалом кристаллизации — минимальная.

3.1.3 Линейная усадка

Линейная усадка — это сокращение линейных размеров отливки, происходящее в период затвердевания и последующего охлаждения. Механическое торможение усадки создают форма, металлостатическое давление и трение отливки о форму.

Газовыделение сильно сказывается на той части линейной усадки алюминиевых сплавов, которая развивается в интервале кристаллизации. Влияние газосодержания на линейную усадку проявляется только в том случае, когда в отливке имеется широкая переходная область из жидкости и кристаллов, из которой выделение газов затруднено.

3.1.4 Склонность к образованию усадочных пустот

В период охлаждения металла или сплава от температуры заливки до начала кристаллизации, во время кристаллизации и при последующем охлаждении происходит уменьшение объема, называемое объемной усадкой. На образование усадочных пустот решающее влияние оказывает объемная усадка металла при кристаллизации. Ее величину выражают в процентах отношением разности удельного объема жидкого расплава при температуре ликвидуса и твердого сплава при температуре солидуса к удельному объему при температуре ликвидуса.

Усадочные дефекты зависят не только от характера кристаллизации, но и от газовыделения при затвердевании слитка. Усадочные пустоты в промышленных отливках из алюминиевых сплавов всегда заполнены газом. Под давлением газа могут образовываться и самостоятельные раковины и поры.

3.1.5 Склонность к образованию литейных трещин

Первопричиной образования литейных трещин в слитках из алюминиевых сплавов в подавляющем большинстве случаев является затрудненная усадка, которая может вызвать пластическую деформацию и закончиться разрушением. Значительно реже литейные трещины возникают под действием внешних сил: силы трения при вытягивании слитка из кристаллизатора, силы тяжести при зависании слитка, силы вытягивания слитка из покоробленного кристаллизатора и др.

Литейные трещины обычно подразделяют на «горячие» и «холодные». В алюминиевых сплавах «горячие» трещины являются кристаллизационными. Они образуются в эффективном интервале кристаллизации, когда сплав обладает весьма малой прочностью и очень хрупок из-за наличия жидкой фазы по границам зерен. Кристаллизационные трещины располагаются в участках слитка, затвердевающих в последнюю очередь, или вблизи этих участков.

Так называемые «холодные» трещины в слитках из алюминиевых сплавов обычно образуются при температурах около 200єС и ниже. Холодные трещины, по сравнению с кристаллизационными менее извилисты и имеют меньше колебаний по ширине в разных участках. Часто кристаллизационные трещины переходят в «холодные» трещины.

Если в отливке имеется достаточно широкая переходная область, из которой затруднено удаление газа при затвердевании, то при увеличении газосодержания расплава линейная усадка в интервале кристаллизации снижается, и запас пластичности возрастает, т. е. горячеломкость уменьшается; при вакуумной дегазации расплава, наоборот, линейная усадка, а вместе с ней и горячеломкость возрастают. Модифицирование зерна алюминиевых сплавов титаном может значительно снизить горячеломкость

3.1.6 Ликвация

Ликвацией называют неоднородность химического состава сплава. Ее можно наблюдать при значительной разнице в плотности составляющих сплава. Ликвация усиливается при увеличении объема и размеров заготовки, а также при увеличении скорости и температуры заливки. Различают дендритную (микроликвация) и зональную (макроликвация) ликвацию.

Зональная ликвация проявляется в изменении состава по сечению слитка. Если легкоплавкими элементами обогащается центральная часть слитка, то зональную ликвацию называют прямой, если периферийные — то обратной, а если промежуточные слои — то внецентренной ликвацией.

Дендритная ликвация проявляется в виде внутрикристаллитной концентрационной неоднородности и в образовании неравновесных избыточных составляющих. Она характеризуется разностью концентраций центрального и периферийного слоев кристаллита.

3.1.7 Склонность к ликвационным наплывам

Ликвационными наплывами называют проявляющиеся изнутри слитка и затвердевающие на его поверхности участки расплава. Главная причина возникновения ликвационных наплывов — истечение жидкой фазы под действием металлостатического давления через каналы кристаллического каркаса в зазор между слитком и кристаллизатором. Чем больше относительное количество жидкой фазы в кристаллическом каркасе при температуре линейной усадки, тем ярче выражены ликвационные наплывы. Игольчатые и пластинчатые интерметаллиды, образующие кристаллический каркас при высоком содержании жидкой фазы, усиливают склонность сплава к ликвационным трещинам.

Жидкая фаза выдавливается не через все каналы в кристаллическом каркасе, а только в тех местах, где нарушена окисная пленка. В связи с этим большую роль играет состояние окисной пленки и качество внутренней поверхности кристаллизатора. При затвердевании металла без контакта с кристаллизатором ликвационные наплывы не образуются.

3.2 Сплав 7175

3.2.1 Общее описание сплава 7175

Сплав 7175 относится к высокопрочным деформируемым алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu. Они применяются в авиационном, общем и транспортном машиностроении. Сплав в основном используется для изготовления крупных поковок и штамповок и поставляется на экспорт. Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu характеризуются высокой

прочностью (до 750−800 МПа в долевом направлении для прессованных полуфабрикатов). Они имеют особенно высокий предел текучести, который на 40−50% выше, чем у сплавов типа Д16 в естественно состаренном состоянии Т. Сплав пластичный и обрабатывается в горячем и холодном состоянии. Подвергается упрочняющей термообработке. Сплав отличается высокой прочностью после термической обработки, хорошей прокаливаемостью, минимальной анизатропией свойств готовых штамповок, высокой трещиностойкостью при сохранении статической прочности и некотором увеличении сопротивления малоцикловой усталости. К недостаткам сплава относят склонность к быстрому разупрочнению при повышенных температурах. Неплакированные полуфабрикаты в естественно состаренном состоянии имеют низкую коррозионную стойкость.

3.2.2 Химический состав сплава 7175

От строгого соблюдения процентного содержания компонентов во многом зависит качество отливаемых слитков.

Содержание основных компонентов и примесей приведено в таблице 3.

Таблица 3 — Химический состав сплава марки 7175

3.2.3 Фазовый состав сплава 7175

Структуру сплава можно описать, руководствуясь соответствующими разрезами четверной системы Al-Zn-Mg-Cu.

Как показывают разрезы, сплав 7175 имеет сложный фазовый состав, который изменяется с понижением температуры. При температуре 460 °C сплав лежит на границе б — (б + S). При 200 °C и ниже сплав попадает в четырёхфазную область б + М (Mg Zn₂) +S (Al₂CuMg) + T (Al₂Mg₃Zn₃), следовательно, основными упрочнителями сплава являются фазы S, T, MgZn₂.

В фазе Т растворяется определённое количество меди. По мере увеличения содержания меди в четверных сплавах Al-Zn-Mg-Cu часть атомов цинка в решетке фазы Т (Al₂Mg₃Zn₃) замещается атомами меди.

На рисунке 2 показан первичный разрез системы Al-Zn-Mg-Cu [2], а на рисунках 3 и 4 показана структура сплава в различных состояниях.

Рисунок 2 — Первичный разрез системы Al-Zn-Mg-Cu, а — при 460 °C, б — при 200 °C.

В литом состоянии в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu по границам дендритных ячеек б_Al-раствора располагаются включения фаз S, M и T. Помимо перечисленных фаз присутствует нерастворимая (Al, Mn, Fe, Si)-составляющая. В деформированных и закалённых полуфабрикатах можно встретить не полностью растворившиеся в процессе нагрева под закалку включения промежуточной фазы S (Al₂CuMg). Сплав 7175 в отожжённом состоянии может иметь следующий фазовый состав: б, MgZn₂, AlMgZnCu (являющийся твёрдым раствором) и фазы, содержащие хром и марганец. На фазовый состав может оказывать сильное влияние содержание кремния. Чем больше содержание кремния в сплаве, тем больше будет образовываться фаза Mg₂Si, которая практически не участвует в упрочнении сплава, поэтому рекомендуется держать содержание кремния на нижнем допустимом пределе.

Рисунок 3 — Микроструктура сплава 7175 в искусственно состаренном состоянии.

Рисунок 4 — Микроструктура литого сплава 7175.

На фоне б-твёрдого раствора сложного состава (светлое пятно) видны выделения S-фазы (серая), MgZn₄ и Т-фазы (тёмная). Две последние фазы трудноотличимы на шлифах вследствие одинаковой их травимости.

2.4 Влияние легирующих добавок и примесей на свойства сплава

Основными легирующими элементами в сплаве являются Cu, Mg, Cr, Zn.

Марганец и хром повышают температуру рекристаллизации и прочностные характеристики сплава. На рисунке 5 показано влияние марганца на механические свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu.

Рисунок 5 — Влияние марганца на свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu в различных состояниях: а — отожженное (1) и свежезакаленное (2), б — состояние Т1.

Введение

марганца повышает также эффекты закалки и старения. Влияние хрома на механические свойства сплава в основном аналогично влиянию марганца, однако хром действует в два раза эффективнее, поэтому для достижения того же уровня свойств его концентрация в сплаве может быть в два раза меньше, чем марганца. Марганец и хром ускоряют процессы старения сплава. Максимум прочности достигается значительно быстрее в сплавах с хромом и марганцем, чем в сплавах без этих добавок.

Марганец и хром так же положительно влияют и на коррозионную стойкость сплава 7175 в состоянии Т1. Лучше использовать оба компонента, так как содержание добавки только одного компонента, появляется склонность к образованию интерметаллидов, ухудшающих пластичность.

Медь, вызывая дополнительное упрочнение, при содержании до 2% даёт повышение сопротивление коррозионному растрескиванию, пластичности.

Железо и кремний отрицательно влияют на свойства сплава. Кремний снижает прочностные свойства всех видов полуфабрикатов. Железо в количествах до 0,2% мало влияет на прочность, а при больших концентрациях вызывает разупрочнение и снижает эффекты закалки и старения.

3.2.5 Термообработка сплава 7175

Сплав 7175 склонен подвергаться упрочнению при применении закалки и последующего естественного и искусственного старения. Полуфабрикаты из сплава 7175 подвергают закалке с температуры 465- 475 °C. Охлаждение полуфабрикатов в процессе закалки рекомендуется осуществлять быстро, время переноса их из печи в закалочную среду не должно превышать 15 сек.

Старение сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu протекает в несколько стадий, характеризующих изменение свойств: на первой стадии (до 80°С) повышение прочности и электросопротивления, на второй стадии (120…140°С) — дальнейшее повышение прочности и электросопротивления, на третьей стадии, при более высоких температурах или длительных выдержках, — снижение прочности, пластичности и электросопротивления.

Ступенчатый режим старения (выдержка в течение 3 часов при температуре 115- 125 °C, затем выдержка в течение 3 часов при температуре 157- 163 °C, и охлаждение на воздухе) обеспечивает более высокую коррозионную стойкость и улучшает расклепываемость сплава.

Отжиг полуфабрикатов из сплава 7175 производится при температуре 430⁺¹⁰ °С. Время выдержки зависит от массивности полуфабрикатов. Так, при толщинах до 10 мм время выдержки рекомендуется доводить до 60 минут, при толщине 10.15 мм — до 90 минут, а при толщине 15.20 мм время выдержки увеличивается до 120 минут. Охлаждение полуфабрикатов следует производить вместе с печью со скоростью 30.50 °С/час до температуры 150 °C. Дальнейшее охлаждение можно вести на воздухе.

Когда полуфабрикаты подвергаются промежуточному отжигу (для снятия нагартовки), температура отжига может быть снижена до 390 °C. В этом случае охлаждение ведется на воздухе.

Изделия и полуфабрикаты, деформированные в свежезакаленном состоянии, не требуют дополнительной перезакалки перед искусственным старением, что является преимуществом деформирования в свежезакаленном состоянии перед деформированием в отожженном состоянии.

3.2.6 Механические и физические свойства сплава 7175

Сплав 7175 обладает одной из самых высоких характеристик прочности по сравнению с основными конструкционными алюминиевыми сплавами.

Сплав удовлетворительно сваривается контактной сваркой, которую ведут при жестких импульсах тока из-за повышенной чувствительности сплава к тепломеханическому циклу сварки. При сварке плавлением сплав склонен к образованию трещин. На рисунке 6 представлено изменение механических свойств системы Al-Zn-Mg-Cu в зависимости от температуры.

Рисунок 6 — Диаграмма деформирования сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu в литом гомогенизированном (а) и деформированном (б) состояниях: 1- у_в, 2- у_0,2, 3- д, 4- ш.

Комплекс свойств полуфабрикатов из сплава В95пч при разных видах термообработки представлен в таблице 4.

Таблица 4 — Типичные механические и коррозионные свойства сплава 7175 после закалки и старения по различным режимам

Основные физические свойства сплава 7175 сведены в таблицу 5.

Таблица 5 — Физические свойства слитков из сплава 7175

Предельная степень деформации сплава 7175 при горячей обработке составляет 40.60%.

3.2.7 Литейные свойства сплава 7175

Сплав имеет одни из наиболее низких литейных свойств по сравнению с и остальными алюминиевыми деформируемыми сплавами. Он обладает низкой жидкотекучестью, что в совокупности со склонностью сплава к образованию горячих и холодных трещин существенно усложняет технологию литья этого сплава. На рисунке 7 показана зависимость литейных свойств сплава от количества легирующих компонентов (магния и цинка).

Рисунок 7 — Литейные свойства сплава 7175: 1 — эффективный интервал времени и линейная усадка кристаллизации; 2 — полная линейная усадка;3 — горячеломкость; 4 — объем раковин (Vр) и объем пор (Vn); 5 — склонность к зональной ликвации; 6 — жидкотекучесть.

3.3 Сплав АД1

3.3.1 Общее описание сплава АД1

Сплав АД1 относится к сплавам алюминиевым деформируемым. Высокая пластичность позволяет производить из сплава АД1 глубокую вытяжку, штамповку, прокатку до тонкой толщины (фольга). Высокая электропроводность позволяет применять сплав АД1 для электротехнических целей (проводниковый металл). Высокая коррозионная стойкость также позволяет расширить применение данного сплава. Он весьма устойчив в органических кислотах, отсюда его широкое применение в быту. В неорганических кислотах сплав устойчив лишь при низкой концентрации. Данный сплав применяется в строительной технике для фасадов домов, оконных рам и т. д.

3.3.2 Химический состав сплава АД1

Содержание основных компонентов и примесей в сплаве АД1 приведено в таблице 6.

Таблица 6 — Химический состав сплава АД1

3.3.3 Фазовый состав сплава АД1

Чтобы выяснить, какие промежуточные фазы железо и кремний могут образовывать в сплаве АД1, рассмотрим диаграмму состояния тройной системы Al-Fe-Si.

Рисунок 8 — Система Al-Fe-Si.

Железо незначительно растворяется в алюминии в твердом состоянии, образуя с ним несколько промежуточных фаз. При ничтожно малых его содержаниях в структуре алюминия появляется эвтектика Al+Al₃Fe. Соединение Al₃Fe выделяется в виде игл, служащих готовыми надрезами в металле, и поэтому железо снижает пластические свойства алюминия, а также уменьшает коррозионную стойкость металла.

Кремний не образует с алюминием химических соединений. Сплавы содержат обычно две фазовые составляющие Al + Si и Al + (Al — Fe — Si), а фазы Al + (Al — Fe — Si) и Al — Al₃ Fe очень редко присутствуют вместе с первыми фазами. Несмотря на заметную и переменную растворимость кремний не придаёт алюминию способности к упрочнению термической обработкой, что связано с неблагоприятным характером распада твёрдого раствора кремния в алюминии. Растворяясь в алюминии, кремний несколько упрочняет его, незначительно снижая при этом пластические свойства.

Если в сплаве одновременно присутствуют железо и кремний, то могут образоваться два тройных химических соединения: б (Al-Fe-Si) и в (Al-Fe-Si). Соединения б и в практически нерастворимы в алюминии. Они обладают высокой хрупкостью и снижают коррозионную стойкость сплава. Присутствие этих соединений, особенно при их размещении по границам зёрен, уменьшает пластичность сплава. Размер выделений этих фаз уменьшается с увеличением скорости охлаждения.

При наличии в фазовом составе алюминия свободного кремния при кристаллизации образуется эвтектика Al-Si, т. е. температура конца кристаллизации снижается до 557 °C, а температура начала кристаллизации близка к 660 °C и из-за большого интервала температур кристаллизации сплав становится горячеломким.

3.3.4 Влияние легирующих элементов на свойства сплава АД1

Для получения высококачественных полуфабрикатов из сплава АД1 необходимо, чтобы содержание примесей в алюминии отвечало следующим требованиям:

1. Содержание железа (при любой сумме железа и кремния) должно в 1,2.1,5 раза превышать содержание кремния. Это будет устранять горячеломкость, уменьшать склонность к росту зерна при рекристаллизационном отжиге, улучшать пластичность в холодном состоянии и увеличивать изотропность свойств.

2. Необходима присадка 0,02.0,05% Ti, что также улучшает структуру в рекристаллизованном состоянии.

3. Примесь марганца не должна превышать 0,03%, так как большие содержания приводят к аномальному росту зерна при рекристаллизационном отжиге.

4. Содержание водорода должно быть минимальным: не более 0,20 см³/100 г Al. Это позволит избежать газовых пузырей после отжига.

Примеси железа мало изменяют температуру начала и резко повышают температуру конца кристаллизации и одновременно сильно измельчают величину зерна. Примеси меди и кремния в меньшей степени повышают эти показатели.

Хром и марганец значительно повышают температуру рекристаллизации и незначительно измельчают зерно. Кремний и магний в меньшей степени повышают температуру рекристаллизации и сильно измельчают размер зерна. Цинк повышает температуру рекристаллизации алюминия.

3.3.5 Термическая обработка сплава АД1

Термообработкой сплав АД1 не упрочняется. Для уменьшения степени нагартовки или полного её снятия и получения повышенной пластичности полуфабрикаты подвергают или низкому отжигу (при температурах 150−300°С в течение 1−3 ч, с последующим охлаждением на воздухе), когда требуется, чтобы материал ещё сохранял достаточную прочность (полунагартованное состояние), или высокому отжигу (при температурах 300−500°С в течение 2−10 мин при толщине полуфабриката до 6 мм и 10−30 мин при толщине полуфабриката более 6 мм с последующим охлаждением на воздухе. Такой отжиг применяют для получения пониженной прочности и максимальной пластичности.

При низком отжиге повышение пластичности достигается путем снижения упругих напряжений в кристаллической решетке. При полном отжиге происходит полное разупрочнение материала путем рекристаллизации обработки.

3.3.6 Физические и механические свойства сплава АД1

Полуфабрикаты и изделия из сплава АД1 поставляются в отожженном, полунагартованном и нагартованном состояниях.

Модуль нормальной упругости листов из АД1 составляет 71 000 МПа, модуль сдвига 27 000 МПа, коэффициент Пуассона 0,31.

Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из АД1 легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сплав АД1 отличается высокой теплои электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью и свариваемостью. Высокая коррозионная стойкость обусловлена наличием на поверхности изделий очень прочной и плотной окисной пленки. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у сплава плохая.

На рисунке 9 представлено изменение механических свойств сплава АД1 в зависимости от температуры.

Рисунок 9 — Диаграмма деформирования сплава АД1 в литом гомогенизированном состоянии: 1- у_0,2, 2- у_в, 3- д, 4-KCV, 5- ш.

В таблицах 7 и 8 представлены механические свойства сплава АД1.

Таблица 7 -Механические свойства листов из сплава АД1, Т=20⁰С

Таблица 8 — Механические свойства отожженного сплава АД1 в зависимости от направления вырезки образцов.

3.4 Сплав 6082

3.4.1 Общее описание сплава 6082

Сплав 6082 относится к алюминиевым деформируемым сплавам на основе системы Al-Mg-Si. Промышленные сплавы системы Al — Mg — Si менее прочны, чем дуралюмины, но более пластичны и обладают лучшей коррозийной стойкостью.

Сочетание достаточной прочности с высокой технологичностью ип хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительная свариваемость, хорошее качество поверхности после анодирования делают сплавы системы Al — Mg — Si перспективными для использования в различных отраслях народного хозяйства (строительстве, транспортном машиностроении и т. д.)

Применение сплавов системы Al — Mg — Si в народном хозяйстве обеспечивает, с одной стороны, хорошие эксплуатационные свойства изделий (например, длительную службу в атмосферных условиях), с другой стороны, позволяет сравнительно быстро благодаря их высокой технологичности увеличивать производство деформированных полуфабрикатов. Вследствие высокой пластичности в горячем состоянии из них можно изготавливать очень сложные по конфигурации тонкостенные полые полуфабрикаты. Сплавы системы Al-Mg-Si не имеют склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением. Их коррозионная стойкость остается такой же высокой после сварки, как и до неё.

3.4.2 Химический состав сплава 6082

От строгого соблюдения процентного содержания компонентов сплава во многом зависит качество изделий.

Содержание основных компонентов и примесей приведено в таблице 9.

Таблица 9 — Химический состав сплава 6082

3.4.3 Фазовый состав сплава 6082

Основными легирующими элементами сплава являются магний и кремний. Если пренебречь небольшими добавками меди, марганца, хрома и железа, то фазовый состав сплава можно показать с помощью диаграммы состояния тройной системы Al-Mg-Si (рисунок 10). [2]

Рисунок 10 — Алюминиевый угол системы Al-Mg-Si.

Магний и кремний характеризуются переменной растворимостью в твердом алюминии. В связи с очень малой растворимостью кремния в алюминии при низких температурах (200°С) сплав имеет в равновесных условиях гетерогенную структуру. Фазовый состав сплава 6082 б + Mg₂Si + Si.

Промышленный сплав 6082 с содержанием 0,40- 1,0% Mn имеет волокнистую нерекристаллизованную структуру независимо от технологии изготовления. Этот сплав благодаря большому количеству марганца является наиболее коррозионностойким из всех сплавов системы Al-Mg-Si.

Фазойупрочнителем сплавов на основе системы Al-Mg-Si при термической обработке служит силицид Mg₂Si.

3.4.4 Влияние легирующих элементов на свойства сплава 6082

Марганец и хром в сплавах системы Al-Mg-Si повышают температуру рекристаллизации, затрудняют рост зерен при вторичной рекристаллизации, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры изделий после термообработки.

Титан служит модифицирующей добавкой, улучшающей технологичность сплава при литье. Модифицирование титаном позволянт снизить склонность сплава к горячим трещинам при литье. Благодаря интенсивному измельчению структуры литого слитка титан способствует повышению пластичности и прочности слитка и более равномерному распределению свойств по сечению. На прочностные свойства готовых изделий титан практически не влияет, а пластичность несколько повышает.

При таком содержании железа, как в сплаве 6082, заметно уменьшается склонность сплава к горячим трещинам при литье, измельчается структура готовых полуфабрикатов благодаря повышению температуры рекристаллизации алюминия.

Медь как примесь в сплаве 6082 не допускается в количествах более 0,10%, так как она повышает склонность сплава к межкристаллитной коррозии.

Цинк в допустимых количествах (не более 0,20%) не влияет на свойства сплава 6082.

С повышением содержания кремния в сплаве улучшается способность к свариваемости. Коррозионная стойкость сплава резко снижается с увеличением фазы Mg₂Si и кремния. Увеличение концентрации магния не снижает коррозионную стойкость сплава.

3.4.5 Термическая обработка сплава 6082

Сплав 6082 упрочняем термообработкой. Упрочняется этот сплав как при естественном, так и при искусственном старении.

Температуру нагрева под закалку сплава обычно выбирают в пределах 520.540°С. При естественном старении прирост прочности продолжается в течение двух недель после закалки. Искусственное старение даёт больший прирост прочности, по сравнению с естественным. Оптимальные механические свойства обеспечивает старение по режиму: 160.170°С, 12.15 ч. Коррозионная стойкость авиаля после искусственного старения уменьшается, в частности, возрастает склонность к межкристаллитной коррозии.

Механические свойства искусственно состаренных сплавов системы Al-Mg-Si чувствительны к перерыву между закалкой и старением. Для получения максимальной прочности сплава необходимо проводить искусственное старение сразу после закалки. Учитывая выдержку при искусственном старении, можно частично компенсировать снижение прочности, обусловленное перерывом между закалкой и старением.

3.4.6 Физические и механические свойства сплава 6082

Для естественно состаренного сплава характерны относительно низкий предел текучести (100−150 МПа), высокое удлинение (18−25%), возрастающее электросопротивление (до 470 Ом•см), высокая ударная вязкость (0,5−0,6 МДж/м²) и высокая коррозионная стойкость. В искусственно состаренном состоянии предел текучести достигает больших значений (200−300 МПа), при этом удлинение снижается до 10%, электросопротивление до 350 Ом•см, ударная вязкость до 0,2−0,3 МДж/м², значительно снижается коррозионная стойкость. Возникает склонность к межкристаллитной коррозии.

В таблице 10 приведены типичные механические свойства сплава в различных состояниях.

Таблица 10 — Механические свойства прессованных полуфабрикатов из сплава системы Al-Mg-Si, Т=20⁰С

Сплавы системы Al-Mg-Si склонны к образованию кристаллизационных трещин при сварке. Пластичность сплава в отожженном состоянии хорошая, в естественно и искусственно состаренном состояниях удовлетворительная. Обрабатываемость резанием в отожженном состоянии неудовлетворительная, в естественно и искусственно состаренном состояниях — удовлетворительная.

3.5 Сплавы для изготовления деталей оснастки

Заготовки для изготовления конусных стержней, кристаллизаторов и поддонов для отливки круглых слитков вырезаются из гомогенизированных слитков сплава Д1 с химическим составом по ГОСТ 4784.

Гомогенизационный отжиг слитков Д1 проходит в температурном интервале 480−500єС в течение 24−36 часов. Сплав Д1 характеризуется хорошей пластичностью в горячем состоянии.

Таблица 11 — Состав сплава Д1 по ГОСТ 4784–97.

Таблица 12 — Типичные механические свойства Д1 в закаленном и состаренном состоянии.

Наиболее распространены корпуса и гильзы, изготовленные из алюминиевых сплавов типа Д1. Гильзы необходимо закаливать. Внутренняя поверхность гильзы, соприкасающаяся со слитком, должна быть полированной.

4. Разработка технологического процесса производства слитков

Наиболее распространенным способом производства слитков из алюминиевых деформируемых сплавов является полунепрерывное литье с непосредственным охлаждением слитка водой. Этот метод характеризуется высокими скоростями кристаллизации и обеспечивает получение качественных слитков практически всех сплавов.

Для реализации этих возможностей необходима разработка эффективного технологического процесса, начиная от приготовления расплава и заканчивая выходом годного слитка.

4.1 Шихтовые материалы для производства сплавов

4.1.1 Качественный состав шихтовых материалов

Исходными шихтовыми материалами для приготовления алюминиевых деформируемых сплавов служат первичные металлы, вторичные сплавы и лигатуры, отходы литейного производства.

Для приготовления шихты, используемой для кондиционных сплавов, разрешается применять следующие материалы:

1. Алюминий первичный в чушках по ГОСТ 11 069–74 и ГОСТ 1070–79;

2. Алюминиевые слитки по ГОСТ 9498–79 и алюминиевые слитки, поставляемые с других заводов при согласовании с НДТ;

3. Реквизиты из алюминия, поставляемые по согласованным техническим условиям;

4. Сплавы алюминиевые марок АК5М2 и АК7М2 в чушках по ГОСТ 1583–73;

5. Силумин в чушках марки не ниже СИЛ1 по ГОСТ 1521–76;

6. Магний первичный в чушках марки не ниже МГ90 по ГОСТ 804–72;

7. Цинк марки не ниже Ц1 по ГОСТ 3640–79;

8. Лигатура по СТП 802.03.027−88;

9. Отходы производства по СТП 802.03.027−88;

10. Слитки промывных плавок;

11. Пакетированные и непакетированные отходы со стороны по ГОСТ 1639–78.

Первичный алюминий в виде чушек массой 15 кг, «Т"-образных чушек массой до 2000 кг, алюминиевые слитки, первичные металлы разрешается использовать в шихту, не дожидаясь прибытия на них сертификатов.

Запрещается использовать в шихту без протоколов химического анализа или без сертификатов качества лигатуры, переплав со стороны, лома, поступающие в вагонах и контейнерах, а также забракованные по химическому составу отходы плавок своего производства.

В качестве освежения первичным алюминием или отходами используются:

· Первичные металлы: медь, магний, цинк;

· Слитки сплавов марок АМц, АД31;

· Отходы алюминия класса, А по СТП 802.14.001−89;

· Алюминиевые слитки, алюминий в чушках и его реквизиты;

· Силумины.

4.1.2 Порядок приемки, разгрузки и хранения шихтовых материалов

Шихтовые материалы поступают в цех автомобильным транспортом в стеллажах, мульдах, коробках, стопках, рулонах, россыпью и железнодорожным транспортом на платформах, в крытых вагонах, полувагонах, контейнерах.

Разгрузка шихтовых материалов из крытых вагонов (алюминий в пакетах, «Т"-образной чушки, катодная медь, цинк, магний, никель в пакетах) производится электропогрузчиками; из полувагонов (слитки весом 2,5; 8; 10 тонн, «Т"-образная чушка, пакетированные и нестандартные лома, пакетированный алюминий, трубы, сыпучие материалы) — согласно «Технологической карте загрузки и разгрузки полувагонов и платформ мостовыми кранами на складах и в цехах». Разгрузка непакетированных шихтовых материалов (медь, цинк, магний, чушковый алюминий) производится вручную. Разгрузка ломов и отходов, поступающих в цех в полувагонах и автомашинах россыпью, производится с помощью грейфера или вручную, в зависимости от габаритов отходов; в пакетированном виде — вручную.

Взвешиванию в шихтовом отделе подлежат все шихтовые материалы, кроме первичного алюминия в виде мелкой и крупногабаритной чушки, вес которых указывается заводом-изготовителем, железнодорожных вагонов с шихтой (кроме оборотных отходов), проходящих взвешивание на железнодорожных весах, и автомобильного транспорта с ломами, отходами и первичными металлами, проходящего взвешивание на автомобильных весах. Шихта, поступающая в цех в таре, взвешивается вместе с последней. При этом на таре сваркой должны быть нанесены ее номер и масса. Шихта, поступающая в цех россыпью, предварительно разгружается вручную в порожнюю тару, а затем подвергается взвешиванию.

После взвешивания производится распечатка результатов на самоклеящемся отрывном талоне термоленты в двух экземплярах. Один экземпляр отрывного талона наклеивается на тару, а второй — в журнал учета. Отрывной талон содержит: номер накладной; поставщика шихты; массу нетто; массу брутто; массу тары; марку сплава, переплава, лигатуры или группы и сорта отходов, чистого металла; время взвешивания; дату взвешивания.

Алюминий в виде мелкой и крупногабаритной чушки, слитки алюминия, переплав, лигатуры, отходы металлов, чистые металлы разгружаются, складируются и хранятся на полу шихтового отдела в контейнерах. Складирование бочек с магнием производится в специально отведенном месте, не выше трех ярусов. Через каждые пять бочек нижнего яруса устанавливаются деревянные прокладки сечением не менее 100×100 мм по всей длине бочки. Расход бочек производится поярусно, начиная с верхнего ряда. Запрещается расходовать следующий ярус, не закончив предыдущий. Бочки с ярусов снимаются при помощи электропогрузчика и устанавливаются на пол. Вскрытие бочек производится только на полу.

Все лома и отходы алюминиевых сплавов, поступающие в цех от сторонних организаций, проверяют на радиоактивность. Запрещается использовать в шихту лома и отходы с уровнем радиации, превышающим допустимый.

4.2 Порядок подбора и расчета шихты

Задачей расчета шихты является определение количества её компонентов для получения 1 тонны жидкого расплава.

4.2.1 Расчет шихты для сплава 7175

Химический состав сплава 7175 (расчетный) приведен в таблице 13.

Таблица 13 — Расчетный химический состав сплава 7175

Количество каждого компонента в расплаве определяется по формуле

Э_ж = Э_к •1000/100, (1)

где Э_к — содержание компонента в шихте по химическому составу;

Э_ж — содержание компонента в расплаве.

Э_Al= 90,365 • 1000/100 = 903,65 кг;

Э_Zn= 5,4 • 1000/100 = 54,0 кг; Э_Fe= 0,15 • 1000/100 = 1,5 кг;

Э_Mg= 2,3 • 1000/100 = 23,0 кг; Э_Si= 0,04 • 1000/100 = 0,4 кг;

Э_Cu= 1,5 • 1000/100 = 15,0 кг; Э_Mn= 0,03 • 1000/100 = 0,3 кг;

Э_Cr= 0,19 • 1000/100 = 1,9 кг; Э_Ti= 0,025 • 1000/100 = 0,25 кг.

Итого: 1000 кг.

С учетом угара, который в сплаве 7175 составляет 1,2%, количество каждого компонента определяется по формуле

Э_ж^*= Э_ж • (100+1,2)/100. (2)

Э_Al= 903,65 • 101,2/100 = 914,49 кг;

Э_Zn= 54,0 • 101,2/100 = 54,65 кг; Э_Fe= 1,5 • 101,2/100 = 1,52 кг;

Э_Mg= 23,0 • 101,2/100 = 23,28 кг; Э_Si= 0,4 • 101,2/100 = 0,4 кг;

Э_Cu= 15,0 • 101,2/100 = 15,18 кг; Э_Mn= 0,3 • 101,2/100 = 0,3 кг;

Э_Cr= 1,9 • 101,2/100 = 1,92 кг; Э_Ti= 0,25 • 101,2/100 = 0,25 кг.

Итого: 1012 кг.

В сплаве 7175 алюминия первичного (в том числе марки А85 -20%, АВч- 80%) при приготовлении должно быть не менее 60%. Берем с запасом 80% первичного алюминия, значит, остальные 20% составляют отходы сплава 7175. Определим весовое количество компонентов, которое вводится в расплав с отходами:

Q_отх = Q_ш • 20/100, (3)

где Q_отх — количество отходов;

Q_ш — количество шихты.

Q_отх = 1012 • 0,2 = 202,4 кг

Q_Al^отх = 914,49 • 0,2 = 182,9 кг;

Q_Zn^отх = 54,65 • 0,2 = 10,93 кг; Q_Fe^отх = 1,52 • 0,2 = 0,3 кг;

Q_Mg^отх = 23,28 • 0,2 =4,66 кг; Q_Si^отх = 0,4 • 0,2 = 0,08 кг;

Q_Cu^отх = 15,18 • 0,2 = 3,04 кг; Q_Mn^отх = 0,3 • 0,2 = 0,06 кг;

Q_Cr^отх = 1,92 • 0,2 = 0,38 кг; Q_Ti^отх = 0,25 • 0,2 = 0,05 кг.

Итого: 202,4 кг.

Определим весовое количество основных легирующих компонентов:

Zn = 54,65 — 10,93 = 43,72 кг; Cu = 15,18 — 3,04 = 12,14 кг.

Mg = 23,28 — 4,66 = 18,62 кг; Cr = 1,92 — 0,38 = 1,54 кг.

Лигатурой вводим в шихту хром. Химический состав лигатуры представлен в таблице 14.

Таблица 14 — Химический состав лигатуры Al-Cr.

Рассчитаем весовое количество лигатуры и её составляющих:

Q^Al-Cr = 1,54 • 100/2,4 = 64,17 кг; Q_Mn^Al-Cr = 0,05• 64,17/100 = 0,032 кг;

Q_Si^Al-Cr = 0,15• 64,17/100 = 0,096 кг; Q_Mg^Al-Cr = 0,05• 64,17/100 = 0,032 кг;

Q_Fe^Al-Cr = 0,35• 64,17/100 = 0,225 кг; Q_Zn^Al-Cr = 0,08• 64,17/100 = 0,051 кг;

Q_Cu^Al-Cr = 0,05• 64,17/100 = 0,032 кг; Q_Ti^Al-Cr = 0,02• 64,17/100 = 0,013 кг.

Цинк, магний и медь вводят в шихту чистыми компонентами: медь катодная марок М0, М1 по ГОСТ 859–2001; цинк марок Ц0, Ц1 по ГОСТ 3640–94; магний первичный марки Мг90 по ГОСТ 804–93.

Рассчитываем количество чистых компонентов:

Zn = 43,72 — 0,032 =43,69 кг; Mg = 18,62 — 0,032 = 18,59 кг;

Cu = 12,14 — 0,032 = 12,11 кг.

Рассчитаем количество вводимого чистого алюминия:

Al = 1012- 202,4- 64,17- 43,69- 18,59- 12,11 = 671 кг.

Рассчитаем примеси, вводимые с алюминием:

Первичный алюминий марки А85 -134 кг.

Fe = 0,08 • 134/100 = 0,11 кг; Si = 0,06 • 134/100 = 0,08 кг.

Первичный алюминий марки А95 -537 кг.

Fe = 0,025• 537/100 = 0,13 кг; Si = 0,02• 537/100 = 0,11 кг.

Проверяем количественный состав примесей:

Q_Fe = 0,3 + 0,225 + 0,11 + 0,13 = 0,765 <1,51 кг;

Q_Si = 0,08 + 0,096 + 0,08 + 0,11 = 0,366 < 0,4 кг;

Q_Mn = 0,06 + 0,032 = 0,092 < 0,3 кг;

Q_Ti = 0,05 + 0,013 = 0,063 < 0,25 кг.

Итоговый состав шихты по расчетам представлен в таблице 15.