Структура и критерии качества МКМ

Министерство образования и науки Российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

 «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «СамГТУ»)

Кафедра «Литейные и высокоэффективные технологии»

Реферат

На тему: «Структура и критерии качества МКМ»

                                                                                                        Выполнил:

                                                                                    студент 4-ММТ-4

                                                                          Салмин А.С.

                                                                                Проверил:

                                                                                
                                             д.т.н., проф. Никитин В.И. 

 Самара, 2020 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДИФИКАТОР ДЛЯ СИЛУМИНОВ….…………5

2. Применение технологий генной инженерии при получении мелкокристаллических лигатур для генного модифицирования……………....7

3. Исследование наследственного влияния структуры алюминиевостронциевой лигатуры при модифицировании сплавов системы Al-Si ……………………………………………………………………………………………..…………….…10

Заключение

Список используемых источников

Введение

  В настоящее время в машино- и автомобилестроительной отраслях промышленности наблюдается тенденция к расширению потребления изделий из алюминиевых сплавов. В особенности это касается получения литых изделий из силуминов.

  На практике наиболее важно получать качественные отливки при минимальных затратах материалов, энергии и труда.

  Однако, арсенал технологических приемов, позволяющих управлять качеством литого изделия, ограничен и остается на уровне 60-80 х годов прошлого века: рафинирование и модифицирование хлор- и фторсодержащие флюсы на основе Na и К; дегазация хлористые соли или препараты на основе гексахлорэтана (в редких случаях - продувка расплавов Аг или N) ; низкотемпературные режимы обработки расплавов. За последние десятилетия существенно изменились составы шихты при получении чушковых сплавов. Их стали получать из низкосортных ломов и отходов, а технологии приготовления рабочих сплавов у потребителей остались, практически, без изменений на уровне 60-80- годов прошлого века. Это вызвало резкое снижение уровня механических свойств и увеличение металлургического брака отливок.

  В настоящее время проводятся многочисленные исследования в области управления структурообразованием на этапе приготовления сплавов (шихта, плавка, обработка расплава) за счет использования явления структурной наследственности. Технологии, разрабатываемые на основе данного явления, получили название технологий генной инженерии. Работы российских ученых и исследователей в области структурной наследственности позволяют сформулировать основные задачи технологий генной инженерии: получение высокоэффективных и экологически чистых мелкокристаллических модификаторов на основе А1; управление технологическими и механическими свойствами сплавов; повышение качества отливок без существенного изменения технологического процесса их получения и применения дорогостоящего оборудования; повышение качества вторичных сплавов до уровня первичных.

  В связи с этим, актуальным становится вопрос о разработке технологий, позволяющих целенаправленно управлять структурой и свойствами литых изделий на всех этапах их получения.

  Целью данной рабояы является определение основных закономерностей наследственного влияния структуры основных шихтовых металлов на свойства алюминия и его сплавов и разработке технологических основ избирательного модифицирования силуминов.

МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МОДИФИКАТОР ДЛЯ СИЛУМИНОВ

  Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов. Мелкокристаллический модификатор для силуминов состоит из мелкокристаллического силуминового переплава эвтектического состава с размером кристаллов кремния 0,2-4 мкм. Получается модификатор, увеличивающий время модифицирования алюминиево-кремниевых сплавов.

  Мелкокристаллический модификатор для силуминов, отличающийся тем, что он состоит из мелкокристаллического силуминового переплава эвтектического состава с размером кристаллов кремния 0,2-4 мкм.

  Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов.

  Известен мелкокристаллический модификатор для силуминов, описанный в журнале «Литейное производство», статья «Влияние структурных параметров лигатуры Аl-Тi на свойства Al-сплавов», Е.Г.Кандалова и др., 2000, №10, с.21-22. Модификатор состоит из алюминия и 2-5% титана. Размер модифицирующих интерметаллидных частиц Аl3Тi<20 мкм. Они обеспечивают модификатору короткий инкубационный период действия и живучесть не менее 1 часа. Недостатками использования мелкокристаллической лигатуры Аl-Тi являются ограниченность использования возврата и способность измельчать в основном α-Аl.

  Известен мелкокристаллический модификатор для силуминов, состоящий из мелкокристаллического силуминового переплава, описанный в журнале «Литейное производство», статья «Наследственное влияние мелкокристаллических модификаторов на свойства алюминиевых сплавов», К.В.Никитин, 2002, №10, с.16-18. Мелкокристаллический силуминовый переплав является универсальным модификатором для всех структурных составляющих алюминиево-кремниевого сплава. Главным недостатком этого модификатора является малое время живучести процесса модифицирования, которое не превышает 10-15 минут. При более длительной разливке жидкого металла это уменьшает выход годного литья.

  Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение времени живучести процесса модифицирования.

  Технический результат заключается в увеличении выхода годного литья.

  Поставленная задача достигается тем, что заявляемый мелкокристаллический модификатор для силуминов состоит из мелкокристаллического силуминового переплава эвтектического состава с размером кристаллов кремния 0,2-4 мкм. Получить кристаллы кремния такой дисперсности можно при литье заготовок в кристаллизатор с повышенной интенсивностью охлаждения либо при литье закалочным затвердеванием, где основная масса жидкой отливки охлаждается затопленными струями воды. Получить в литом состоянии мелкокристаллический силуминовый модификатор с дисперсностью кристаллов кремния менее 0,2 мкм технически очень сложно. При размере этих частиц более 4 мкм время живучести процесса модифицирования силумина существенно уменьшается. При размере кристаллов кремния в силуминовом расплаве менее 4 мкм они приобретают сфероидальную форму. Если при этом дисперсность кристаллов кремния увеличивается, то будет уменьшаться межфазное поверхностное натяжение на границе кристалл-расплав. Все это в совокупности будет уменьшать удельную (на единицу массы) межфазную свободную энергию, что снижает скорость растворения высокодисперсных сфероидальных кристаллов кремния в расплаве и увеличивает время живучести мелкокристаллического силуминового модификатора.

Применение технологий генной инженерии при получении

мелкокристаллических лигатур для генного модифицирования

  Важной характеристикой технического и экономического развития любого государства служит переход от более низкого качества производства к более высокому. Качественные показатели современных оборудований и приборов во многом зависят от исходных полуфабрикатов и сырьевых материалов. Качество таких материалов в значительной мере определяет качество исходных заготовок, полученных, к примеру, из слитка.

  В настоящее время для улучшения качества и снижения веса конструкций получают новые составы алюминиевых сплавов, отвечающих этим требованиям. В связи с этим перед нами стояла задача по применению технологий генной инженерии (ТГИ), разработанных профессором В.И. Никитиным , при получении композиций из лёгких алюминиевых сплавов.

  В представленной работе приведены результаты жидкофазной, твердофазной и кристаллизационной обработок шихты с целью улучшения звукопоглощающих и механических свойств сплавов систем Al-Si и Al-MgSi. Для легирования и модифицирования сплавов вышеуказанных систем применили технологию получения однородных мелкокристаллических лигатур (МКЛ). В этих целях использована разработанная вакуумная печь для плавки со специальным устройством.

  Плавку и заливку расплава осуществляли следующим образом. В разливочную форму из графита особой степени чистоты марки МГ, объем которой рассчитан на 8 кг, помещалась шихта. Для нагрева и расплавления шихты использовался высокочастотный индуктор, управляемый генератором ВЧГ-0.66. Заливка расплава производилась в изложницу из графита, объем которой рассчитан на 1.2 кг. Для контроля вакуума в системе использовался вакуумметр марки ВИТ-2. Процесс плавки и литья производился в вакууме не ниже 10-6 торр.

  Необходимо отметить, что до начала процесса синтеза лигатур подготавливалась технологическая оснастка (разливочный стакан, изложницы и распределительные устройства). Для этого они предварительно обрабатывались спиртом, высушивались в сушильном шкафу при температуре 100-120ºС и подвергались вакуумному отжигу. Отжиг графитовой оснастки проводился в два этапа. Первому этапу низкотемпературной обработки (отжига) отвечали 400-450ºС, второй этап обработки (отжига) осуществлялся при 800-850ºС. Оптимальный режим синтеза и составы лигатур определялись из соответствующих диаграмм фазовых равновесий. Мелкокристаллическую лигатуру (МКЛ) получали при 850-1200ºС.

  Качество изготовленных отливок при финишной операции зависит от подготовки и обработки материалов исходной шихты. Для этого её компоненты подвергались вакуумной обработке. Повышением температуры печи до 400-450ºС и использованием вакуума до 10-4 торр. Происходила первостепенная очистка компонентов шихты от некоторых газов и пара воды. Время дегазации заняло 0.5-1 ч. в зависимости от объёма загрузки. Последующая высокотемпературная (800-850ºС) обработка расплава была осуществлена для рафинирования от оставшихся газов в компонентах из-за образования ими растворов внедрения и химических соединений.

  Установлено , что условия заливки расплава и охлаждения оказывают сильное влияние на получение однородной МКЛ высокого качества. Для этого предложено использовать промежуточное устройство, дающее возможность заливку производить многоструйно . Это вызывает бурное волновое принудительное перемешивание расплава. Именно этот процесс заливки приводит к получению однородной МКЛ, при котором измельчаются интерметаллиды вплоть до наномодификаторов, обладающих повышенной модифицирующей способностью при весьма малых добавках (к примеру, стронция и иттербия в сплавы цветных металлов ). Установлено, что при прохождении расплава через устройство, он подвергается фильтрации от неметаллических включений, которые задерживаются шибером и не загрязняют МКЛ. Также структура отливки при быстром охлаждении получается мелкозернистой, а при медленном – грубой, т.е. появляются избыточные фазы в виде грубых включений. Это побудило авторов для создания условий получения мелкокристаллической лигатуры предлагаемую установку снабдить холодильником – стальной поворотной площадкой, которая охлаждается проточной водой. Графитовый стакан располагается на стальном холодильнике. Затвердевание полученных слитков происходит от 2.5 до 3.0 часов в вакууме 10-5 торр. Вышеуказанные меры позволяют получить требуемую однородную МКЛ с особой степенью чистоты и качества.

  Мелкозернистость полученных лигатур подтверждается результатами микроструктурного анализа на металлографическом микроскопе МИМ-8. В качестве примера на рисунке 27 приведены микроструктуры МКЛ состава Al+Yb 6.0%, полученные традиционной и многоструйной заливками.

Рисунок.  Структура МКЛ (1×270) Al+Yb 6.0 (в % по массе): а – полученная традиционной заливкой; б – полученная многоструйной заливкой

  Изучение подтверждает, что сплавы систем Al-Mg-Zn, Al-Li, Al-Si и AlMg-Si, легированные МКЛ (Al + 4% Gd, Al + 6% Yb, Al + 10% Sr, соответственно), подвергнутые твердофазной, жидкофазной и кристаллизационной обработкам с применением ТГИ, характеризуются лучшими звукопоглощающими и механическими свойствами. Оптимальные составы сплавов систем Al-Li и Al-Mg-Zn защищены малыми патентами № TJ 454 от 31.03.2011 г. и № TJ 453 от 27.04.2011 г.

Исследование наследственного влияния структуры алюминиевостронциевой лигатуры при модифицировании сплавов системы Al-Si

   На протяжении нескольких десятилетий в литейном производстве традиционными добавками для измельчения структуры силуминов являются соли натрия и калия. Несмотря на их преимущества, выраженные в основном экономическими и технологическими параметрами, наблюдаются их существенные недостатки – сложность получения нормально модифицированной структуры, высокие и частые потери натрия из-за его испарения и окисления, порча тиглей, шлаковые потери, выбросы вредных веществ в окружающую среду и др. В результате проведённых научных и практических работ по выявлению наиболее удобного модификатора силуминов предпочтение отдали стронцию, который одновременно измельчает зёрна алюминия и кремния, оказывая лучший эффект модифицирования . Однако повсеместного внедрения в производство он не получил, так как на практике столкнулись со сложностью его ввода в расплав из-за химической активности, отсутствия оптимальных условий, больших затрат и др. Несмотря на это, продолжаются работы по разработке новых составов лигатур и методов введения стронция в жидкий расплав силуминов с учётом закономерностей ЯСН.

   Нами также были использованы технологии генной инженерии для изучения наследственного влияния структуры стронциевой лигатуры на свойства алюминиевых сплавов. Исходным материалом явились чушковые лигатуры Al+10%Sr разной толщины и массы от двух мировых производителей: 1-«ИГМЗ» (Таджикистан); 2 – «LSM» (Англия). Их обрабатывали специальными способами по вышеописанной методике; переплавляли, нагревая до 850 и 1050°С в электропечи сопротивления GRAFICARBO GF.1100 и охлаждали в валковом кристаллизаторе; производили холодную деформацию.

   Качество лигатур оценивали по следующим параметрам: электропроводность ВС-30Н, плотность, пористость исследовались с помощью программы ТЕМПЛЕТ S7, макро- и микроструктура – программы SIAMS 700. На образцах, приготовленных по ГОСТ 1497-84 из кокильных отливок, определяли твёрдость и механические свойства. Эти испытания

проводили на разрывной машине английской фирмы Testometric FS 150 KN AX. Используя полученную лигатуру Al+10%Sr, произвели модифицирование сплава АК9. Двойной Al+9%Si сплав получали из электротехнической проволоки алюминия марок А5-А7, ГОСТ 7871-75 и кристаллического кремния (Кр2, ГОСТ 2169-69).

   Сплавление производили в печи электросопротивления типа СШОЛ в графит-шамотном тигле объёмом до 20 кг. По специально разработанной низкотемпературной технологии вводили кремний. Рафинирование расплава осуществляли таблетками из гексахлорэтана при температуре 720±10°С и разливали его в вафельные чушки толщиной 10-15 мм. В результате получали предварительный чушковый сплав, который далее подвергали модифицированию по специальной технологии.

   В печи электросопротивления GRAFICARBO GF.1100 в тигле из стали готовили рабочий сплав для модифицирования. Масса и время плавки составили соответственно, 0.6 кг и 25-30 мин. Модифицирование расплава осуществляли лигатурами разного происхождения с разной структурой из расчёта 0.025-0.15% Sr. Заливали его в окрашенную стальную форму для получения плоской отливки размерами 130×60×15 мм. Выдержку расплава производили в печи с интервалом в восемь часов. Установлено, что высокий показатель механических характеристик сохраняется после переплава.

   При последующей переплавке структура расплава передалась по наследованию из твёрдого в жидкое состояние, а характеристики сплава приобрели следующие показатели: σв = 295 МПа, δ = 9.0%. Кроме того, определён механизм воздействия стронция на структурные составляющие алюминиево-кремниевого сплава с содержанием последнего в нём 4-13.5%. С целью получения достаточного измельчения структуры концентрацию стронция в силуминах рекомендуется изменять от 0.03 до 0.1%. Это связано с выбором шихты и структуры лигатуры.

Рисунок. Изменение механических свойств сплава АК9, с

добавкой стронция, в зависимости от времени выдержки

   Во время ввода модификатора Sr в доэвтектические силумины наблюдали за наследственным влиянием структур лигатур, полученных обычным и обработанным методами.

   Первоначально исследовали модификаторы Al+10%Sr разных поставщиков: 1) ИГМЗ – Таджикистан; 2) LSM – Англия. Результаты анализов показали, что свойства указанных лигатур, не смотря на свой близкий химический состав, значительно отличаются (табл. 19) друг от друга. Более высокие свойства характерны для английской лигатуры, что сказалось на её электропроводности. Излом обоих модификаторов показал наличие пористости до пяти баллов и интерметаллидов SrAl4 размером около 500 мкм.

Таблица  – Характеристики лигатур Al+10%Sr

   Для получения мелкокристаллических чушковых модификаторов использовали специальный метод обработки, сочетающий в себе перегрев и быструю кристаллизацию. На рисунке 29 приведены результаты исследований лигатур: А – чушковые лигатуры; Б – перегрев до 850 ºС и кристаллизация в графитовой форме; В – перегрев до 850 ºС, дегазация, кристаллизация в валковом кристаллизаторе (ВК); Г – перегрев до 1050 ºС и кристаллизация в ВК (толщина ленты 1.5 мм).

Рисунок . Результаты влияния методов обработки лигатуры

Al+10%Sr на средний размер SrAl4 и электропроводность

   Можно видеть, что использование специальных способов обработки лигатур разных производителей позволяет уменьшить среднюю длину интерметаллидов SrAl4 до 30-50 мкм и меньше, а электропроводность повысить до 25.7 МСм/м.

   Устойчивость к сохранению и наследованию структуры и, соответственно, электропроводности чушкового модификатора наблюдалась и после переплавки, перегрева (до 1050°С) и высокоскоростной кристаллизации. Специально обработанные модификаторы производства LSM имели максимальную измельченность. Незначительного уменьшения длины интерметаллидов с 500 до 320 мкм добились холодной деформацией (ковкой до 80 %).

   Следующим этапом стало исследование двух видов лигатур Al+10%Sr на эффективность модифицирования двойного алюминиево-кремниевого сплава и промышленных силуминов. Микроструктура бинарного силумина показана на рисунке, где наблюдается наследственное влияние чушковых модификаторов различных производств. Кроме того, увеличение эффекта измельчения структуры сплава позволило добиться с уменьшением расхода модификатора LSM в два раза. Результаты по исследованию механических свойств образцов, полученных из опытных отливок, показаны на рисунке. Добавка малого количества стронция увеличивает показатели твёрдости и прочности, а также пластичности (до пяти раз), которая на других образцах достигала 15 процентов. Эксперименты доказали, что при более меньшем содержании стронция можно добиться увеличения механических свойств сплавов.

   Модификаторы, полученные в Центре литейных технологий СамГТУ, использовали также для измельчения структуры промышленных сплавов алюминия. В данном случае применили чушковую лигатуру ИГМЗ, в составе которой содержание стронция уменьшили до 0.025%. В таблице 20 показаны результаты проведенных исследований, анализ которых показал, что при использовании лигатур специальной обработки физико-механические свойства сплавов значительно повышаются как в литом, так и в термообработанном состоянии.

Снимки микроструктур алюминиево-кремниевого сплава (9%Si), ×270: а – до модифицирования; б, в – после модифицирования чушковыми лигатурами производства ИГМЗ и LSM (добавка по 0.05% Sr); г – модифицирование специально обработанной лигатурой LSM по варианту Г (добавка 0.025% Sr)

   К примеру, прочность и относительное удлинение в литом состоянии увеличиваются на 33%, т.е. в три раза, а после термообработки на 15% или в 1.6 раза. Полученные данные указывают на то, что в целях увеличения эффекта модифицирования необходимо контролировать режим термообработки так, чтобы снизить температуру и время выдержки сплавов.

Результаты влияния стронция на свойства сплава АК9ч

Рисунок. Результаты исследования механических свойств силумина Al+9%Si: ○ – чушковая лигатура ИГМЗ; ۞ – деформированная лигатура ИГМЗ; – валковые лигатуры ИГМЗ;  – чушковая лигатура LSM; – деформированная лигатура LSM; ● – немодифицированный сплав

   Схожие результаты наблюдали и при модифицировании сплава марки АК9Т, в составе которого, в сравнении с АК9ч, содержатся титан до 0.2%, магний – 0.45% и отсутствует марганец. Наличие титана придало сплавам повышенную эффективность модифицирования с низким содержанием стронция до 0.01%.

Заключение

   Традиционные технологии, используемые для повышения качества литых изделий из силуминов, до сих пор не учитывают наследственного влияния структуры и свойств шихтовых металлов. Такой подход не позволяет гибко, целенаправленно и эффективно управлять свойствами литого изделия. Существенным резервом в решении этой проблемы являются новые технологии генной инженерии, разработанные с учетом основных закономерностей структурной наследственности.

   Механизм модифицирования связан с процессами адсорбции и локальными химическими реакциями в микрообъемах жидкого металла, что в различных сплавах дает различные результаты.