Экспериментальные исследования эффективности очистки алюминиевых сплавов с применением зернистых фильтров

УДК 669

А.Ю. Шурыгин

канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технологии

машиностроения», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»

Н.В. Печкорина

инженер, ОАО «Арзамасский приборостроительный

завод им. П.И. Пландина»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЗЕРНИСТЫХ ФИЛЬТРОВ

Аннотация. В статье приведены результаты экспериментальных исследований микроструктуры, химического состава и внутренних дефектов отливок рафинированного и нерафинированного алюминиевого сплава. Показано, что по всем исследуемым параметрам применение зернистых фильтров для очистки алюминиевых сплавов является эффективным.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, зернистый фильтр, рафинирование, химический состав, модифицированный сплав.

A.Y. Shurigin, Nizhni Novgorod State Technical University

N.V. Pechkorina, Arzamas Instrument Plant JSC

EXPERIMENTAL STUDY OF ALUMINUM ALLOY REFINED WITH GRANULAR FILTERS

Abstract. The article presents the results of experimental studies of the microstructure, chemical composition and internal defects of refined and unrefined aluminum alloy castings. It is shown that the use of granular filters for aluminum alloys refining is effective for all investigated parameters.

Keywords: aluminum alloy, granular filter, refining, chemical composition, modified alloy.

Современный этап развития машиностроения характеризуется увеличением производства отливок из алюминиевых сплавов. Присутствие в металлах и их сплавах примесей и различных включений негативно влияет на качество получаемых деталей. В настоящее время существует большое количество способов очистки алюминиевых сплавов от вредных примесей, все они могут быть объединены одним понятием - «рафинирование». Основным методом рафинирования является использование литейных фильтров, что позволяет достичь высокого качества отливок при снижении расходов на их производство. Повышение качества отливок заключается в улучшении ее поверхностей, улучшении механических характеристик, уменьшении внутренних дефектов, достижении более высокой точности размеров. Экономия расходов состоит в уменьшении количества брака, уменьшении расходов на механическую обработку, упрощении модели и литниковой системы.

Одним из эффективных способов рафинирования является фильтрация с применением зернистых фильтров при технологических переливах из ковша в раздаточную печь. Простейший зернистый фильтр представляет собой слой однородных зерен из огнеупорных материалов (рис. 1). Отличительной особенностью зернистых фильтров является большая поверхность контакта с металлом в процессе фильтрования и наличие длинных, тонких межзеренных каналов переменного сечения. Очистка металлического расплава от взвешенных включений при фильтровании через такой зернистый фильтр обусловлена механическими и адгезионными процессами.

Рисунок 1 - Зернистые фильтры

Отличительной особенностью зернистых фильтров, используемых в данной работе, является применение в качестве огнеупорной составляющей - керамзита. Керамзит представляет собой легкий, пористый материал ячеистого строения в виде гранул получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных вспучиваться при быстром нагревании их до температуры 1050-1300°С в течение 25-45 мин. Диаметр гранул керамзита составлял 10-15 мм.

Все исследования в данной работе проводились на примере сплава АК7ч ГОСТ 1583-93. Метод изготовления отливки - литье в кокиль.

Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микрошлиф, то есть небольшой образец. Образцы заливают пластмассой, что обеспечивает получение плоской поверхности шлифа при его обработке. Шлифование поверхности образца проводят на бумажной шкурке, последовательно переходя от одной шкурки к другой с непрерывно уменьшающимися размерами абразивных частиц. Переход к обработке на следующей шкурке производят только после исчезновения рисок от предыдущей шкурки. Полированием получают окончательную зеркальную поверхность шлифа. После полирования микрошлиф промывают водой, затем спиртом и просушивают фильтровальной бумагой. После шлиф травят. Травление осуществляют методом избирательного растворения фаз. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф поверхности шлифа. Для травления микрошлиф полированной стороной погружают в раствор на некоторое время (до появления матовой поверхности), затем промывают водой и спиртом и высушивают.

Наиболее простым и распространенным методом микроанализа является оптическая (световая) микроскопия. Этим методом изучают размеры, форму, взаимное расположение кристаллов (зерен), достаточно крупные включения в них, некоторые дефекты кристаллического строения (двойники, дислокации). Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.

По описанной выше методике в центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ОАО «АПЗ» были проведены испытания по вопросу определения наличия модифицирования в 20 образцах из 20 различных партий отливок. Причем 10 из этих образцов были отлиты из сплава алюминия, который не подвергался рафинированию зернистыми фильтрами, а оставшиеся 10 образцов, соответственно, из рафинированного алюминиевого сплава.

По результатам испытаний ЦЗЛ были предоставлены следующие заключения:

- для всех 10 образцов, отлитых без применения рафинирования методом зернистых фильтров: «При металлографическом анализе установлено, что структура состоит из а-твердого раствора и грубои-гольчатой эвтектики, что соответствует не модифицированному сплаву» (рис. 2а);

- для всех 10 образцов, отлитых с применением рафинирования методом зернистых фильтров: «При металлографическом анализе установлено, что структура состоит из а-твердого раствора и мелкодисперсного слоя эвтектики (а+Si), что соответствует модифицированному сплаву» (рис. 2б).

Рисунок 2 - Микрошлифы образцов, полученные при увеличении ><200 а) не модифицированный сплав; б) модифицированный сплав

Химический состав сплава проконтролировали лабораторным анализом. При выплавке сплава в цехе из исходных материалов непосредственно перед заливкой форм проверили 20 плавок на основные элементы сплава магний (Мд) и кремний а также примеси железа ^е). Исследовали по 10 плавок нерафинированных и рафинированных сплавов. Согласно ГОСТ 1583-93 для сплава АК7ч содержание химических элементов составляет: кремния 6-8%; магния 0,25-0,45%; железа <0,5%.

Сравнивая данные ГОСТ 1583-93 с результатами анализов химического состава, получим, что:

- содержание кремния, магния и железа в сплаве, подвергшемуся рафинированию, полностью соответствует данным ГОСТ 1583-93;

- в сплаве, который не подвергался рафинированию, содержание кремния и железа соответству-

ет данным ГОСТ 1583-93, а содержание магния (основного элемента) в 5 плавках из 10 ниже нормы на 0,01-0,05%, что является недопустимым. Следовательно, 5 из 10 плавок непригодны для использования при литье отливок.

0.4 0.35 0,3 0.25 г* 0 2 0.15 0.1 0.05 О

V: —й—

- 3 {Без применения р&фин и рова ни я)

-£|{с ПИМЯН4НИ4М р&финиравания)

4 6 6 7 На пплшн

Рисунок 3 - Содержание кремния до и после рафинирования

Л.

+— Л

1

\7 / \ V

У

- реприменения

рафинирования)

Рв

2 3 4 5 6 7 № правки

Э 9 10

Рисунок 4 - Содержание железа до и после рафинирования

0.4 0,15 0.3 0.25 г* 0,2

\

-Мд 1&ез применения рафинирования)

Ы91с применением рафинирований)

N плавки

Рисунок 5 - Содержание магния до и после рафинирования

После обработки отливок в механических цехах могут выявляться внутренние дефекты отливок, такие как шлаковые включения, раковины и пористость. В таких случаях детали бракуются и возвращаются в цех-изготовитель (литейный цех) с указанием наименования дефектов и количеством деталей в партии.

По результатам возврата получаем, что 24 из 212 деталей, изготовленных без применения рафинирования методом зернистых фильтров, являются непригодными для дальнейшего использования, и только 5 из 214 деталей, изготовленных с применением рафинирования методом зернистых фильтров, являются непригодными для дальнейшего использования. Процент возврата деталей составляет соответственно 11,3% и 2,3%.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. После рафинирования исследуемого сплава зернистыми фильтрами произошло измельчение его структуры (с грубоигольчатой на мелкодисперсную), что обеспечивает получение детали с более высокими технологическими свойствами, то есть с меньшим количеством дефектов (уменьшение количества пор, раковин и трещин) или их полным отсутствием.

2. Применение зернистых фильтров при рафинировании алюминиевых сплавов способствует выравниванию содержания химических элементов в сплаве, и, как следствие, приводит к снижению количества брака в отливках, а так же делает ненужным поиск дополнительных средств для изменения химического состава сплавов.

3. Применение зернистых фильтров при изготовлении отливок значительно снижает процент возврата деталей (почти в 5 раз), то есть значительно снижает процент брака.