СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК
METHOD OF PRODUCTION OF SHAPED CASTINGS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам получения фасонных отливок из сплавов, преимущественно легкоплавких, с использованием модифицирующей термовременной обработки расплава. Изобретение может быть использовано в машиностроении, а также при производстве художественно-декоративных изделий из оловянных сплавов.
Модифицирующая обработка посредством наложения внешних физических воздействий имеет целью повышение плотности и качества отливок за счет измельчения и гомогенизации структуры металла и включает в себя следующие способы воздействия на расплав: нагрев и охлаждение с заданной скоростью, вибрационную и ультразвуковую обработку, воздействие электрического, магнитного, электромагнитного полей, пропускание электрического тока и т.п. [Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков В.Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1986, 416 с.]. Термовременная обработка расплава включает предварительный нагрев до определенной температуры, выдержку расплава при этой температуре, ускоренное охлаждение до температуры заливки с последующей быстрой заливкой и кристаллизацией. Достижение эффекта модифицирования обусловлено созданием в расплаве при высоких температурах микронеоднородного строения, способного вызвать изменения в макроструктуре отливки и микроструктуре сплава. [Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учебное пособие для вузов. - М.: МИСиС, 2005. - 416 с., с.361]. Обработка посредством наложения внешних силовых полей (вибрационная, ультразвуковая, электрического, магнитного, электромагнитного полей, пропускании электрического тока) применяется, в основном, в лабораторных условиях, поскольку имеет существенные недостатки, главными из которых являются сложность организации процесса передачи силовой энергии в практических условиях значительному объему расплава при высоких температурах, низкая стойкость электродов и волноводов в агрессивной среде жидкого металла и т.п.
Известен способ получения отливок из легкоплавких сплавов свинец-сурьма [Авт. св. №1659170], включающий перегрев расплава перед заливкой до температур, на 300-400 град превышающих температуру ликвидус сплава, охлаждение до температур заливки (230-350°C) со скоростью 0,2-1 град/с, перемешивание и охлаждение расплава в форме со скоростью 1-400 град/с. Основным недостатком известного способа является малая скорость охлаждения расплава после перегрева до температуры заливки. В условиях медленного охлаждения достигнутая при перегреве гомогенная микронеоднородная структура разрушается: в расплаве при низких температурах (вблизи температуры заливки) формируется естественная грубая макронеоднородная структура. Высокие скорости охлаждения при кристаллизации позволяют несколько измельчить зерно (чаще только в поверхностном слое отливок), однако желаемый эффект модифицирования в виде однородной мелкозернистой структуры всего сечения отливки не достигается. При этом в отливках формируется крупнозернистая макронеоднородная структура с низкими значениями плотности и прочностных свойств сплавов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения фасонных отливок из высокопрочных литейных сплавов [Авт. cв. №1595625, МПК B22D 27/00], в котором сплав перед заливкой нагревают до температуры, превышающей на 10-20К температуру гомогенизации расплава, выдерживают в течение 5-15 мин, охлаждают до температуры заливки и выдерживают перед заливкой еще в течение 5-10 мин. В предлагаемом способе температуру гомогенизации определяли путем измерения кинематической вязкости жидкого металла в процессе нагрев-охлаждение по соответствующим температурам появления гистерезисных явлений.
Недостатками известного способа являются:
Нагрев расплава до температуры, превышающей на 10-20К температуру гомогенизации расплава, не способен обеспечить достижения цели изобретения: повышения плотности и механических свойств отливок за счет измельчения структурных составляющих сплава в практике литья (например: литейном цеху, мастерской и т.п.), поскольку не осуществим. В настоящее время установить точные (с точностью до 5-10 град) значения температур структурных преобразований в жидких металлах и сплавах не представляется возможным. Температуру гомогенизации в известном способе определяли по соответствующим температурам появления гистерезисных явлений в процессе нагрева-охлаждения расплава. Собственно, само явление гистерезиса - это несовпадение политерм структурно-чувствительных свойств, полученных в процессе нагрева и охлаждения расплава. Явление гистерезиса свойств не имеет однозначного температурного значения и фиксируется в некоторой области температур. Кроме того, известные данные о температурных интервалах структурных перестроек в расплавах различных авторов, полученных в разных лабораториях, значительно разнятся между собой: на 20-30, на 50-70 и более градусов. Таким образом, температуру гомогенизации расплава с точностью до 10-20 град найти невозможно и, следовательно, невозможно определить температуру нагрева расплава в известном способе.
Между тем погрешность известных высокотемпературных пирометров, применяемых в производственных условиях для контроля температур расплавов, включая импортные, составляет 10°C и более. Погрешность электронных потенциометров, используемых для непосредственного измерения температур расплавов с помощью термопар, находится в пределах 5 град, но за счет применения защитных колпачков возрастает до 15-25 град. Таким образом, интервал температур перегрева в 10-20 град находится в пределах ошибки измерения и не может быть использован при осуществлении способа в реальных условиях практики литья. Он может быть зафиксирован только в лабораторных условиях с использованием специальных приборов и(или) компьютерной техники.
Выдержка длительностью 5-15 мин для гомогенизации расплава в перегретом состоянии недостаточна в реальных условиях практики литья и не способна обеспечить повышения плотности и механических свойств отливок за счет измельчения структурных составляющих сплава. В реальных условиях, т.е. в условиях цеха или литейной мастерской, где минимальный объем единовременно расплавляемого металла составляет 10 кг (нормальный - более 100 кг!), из-за неоднородности нагрева: только снизу или только сбоку, при естественном охлаждении сверху - температура в различных сечениях тигля с расплавом может существенно различаться. В частности, при выплавке оловянного сплава в печи сопротивления в объеме 10 кг с использованием тигля АА10, разность температур в различных областях расплава в тигле (например, придонной и верхней) при нагреве до 800°С в первоначальный момент достигает 30-50 град. В печи САТ-0,25 эта разница достигает уже 70 град и более. В пламенных печах разность температур может быть еще больше, в индукционных - меньше. Только для выравнивания температур по объему тигля без перемешивания расплава (оно не предусмотрено в известном способе) необходимо в различных условиях 30-60 мин. Структурные превращения в металлах и сплавах проходят на диффузионном уровне, т.е. медленно. Ранее проведенные исследования развития химической и, следовательно, структурной неоднородности в расплавах алюминиевых, цинковых и оловянных сплавов показали, что значимые результаты структурных преобразований проявляются вне зависимости от массы расплава не ранее чем через 15 мин после выхода расплава на заданный температурный режим [Гаврилин И.В., Шаршин В.Н., Тихонов Н.П. Химическая и структурная неоднородность в жидких металлах и сплавах // Изв. АН СССР. Металлы. 1988. №4. С.44-50]. Для различных объемов расплава время температурной гомогенизации в условиях активного ручного или механического перемешивания составляет 5-15 мин. Таким образом, время, необходимое для структурной гомогенизации расплава в реальных условиях литья, должно составлять без перемешивания не менее 45-75 мин, с активным перемешиванием - 20-30 мин.
Охлаждение расплава после гомогенизации до температуры заливки с произвольной скоростью не способно обеспечить повышения плотности и механических свойств отливок за счет измельчения структурных составляющих сплава (скорость охлаждения в известном способе не регламентируется), поскольку при медленном охлаждении, например, вместе с печью достигнутая при перегреве гомогенная структура расплава разрушается: в предкристаллизационный период микрогруппировки атомов различных структурных составляющих расплава преобразуются в дозародыши кристаллизации произвольных форм и размеров, при этом макронеоднородность расплава существенно возрастает. В результате при кристаллизации формируется естественная для данного сплава макронеоднородная структура, а достигнутый при перегреве эффект гомогенизации исчезает.
2
3
Известно, что для фиксации высокотемпературной структуры расплава необходимо охлаждать расплав с максимально возможной скоростью. В идеале - это 10-10град/с. Однако обеспечить указанную скорость охлаждения обычно применяемых в практике литья объемов расплава невозможно. Установлено: минимальная скорость охлаждения расплава, реально обеспечивающая сохранение высокотемпературной гомогенной структуры, должна быть не менее 10 град/с [Никитин В.И., Никитин К.В. Наследственность в литых сплавах. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 476 с.]. Скорость охлаждения расплавов в диапазоне 10-30 град/с может быть реально достигнута на оловянных сплавах при переливе перегретого расплава мелкими порциями из плавильного агрегата в холодные графитовые или чугунные тигли для последующей заливки в формы.
Отсутствие перемешивания является существенным недостатком известного способа, особенно в случае его применения при получении отливок из легкоплавких сплавов: оловянных и свинцовых с явно выраженной гравитационной ликвацией (седиментацией) по плотности. В отсутствии перемешивания происходит расслоение указанных сплавов, в результате чего возникает грубая структурная и, как следствие, химическая макронеоднородность, приводящие к значительному снижению плотности и механических свойств сплава в отливках.
Другим недостатком известного способа является ограниченная возможность реализации способа в практике литья. Известный способ может быть реализован только в условиях специальной металлургической лаборатории крупного исследовательского института или университета, поскольку, во-первых, температурный интервал гомогенизации конкретного промышленного сплава можно определить только на основе комплексных исследований политерм структурно-чувствительных свойств расплава, например вязкости или плотности (оборудование и условия для проведения указанных исследований имеются только в указанных лабораториях). Во-вторых, исследования кинетики изменения структурно-чувствительных свойств - это сложный, трудоемкий и дорогостоящий процесс. Регулярные исследования такого рода недоступны в практике литья для большинства литейных заводов и мастерских.
Целью изобретения является повышение плотности и механических свойств отливок, а также обеспечение возможности широкой реализации способа в практике литья.
Для достижения поставленной цели сплав перед заливкой нагревают до температуры, превышающей на 200-550 град температуру ликвидус сплава, выдерживают при этой температуре в течение 20-30 мин, охлаждают до температуры, не превышающей температуру заливки сплава, со скоростью не менее 10 град/с, а перед заливкой перемешивают. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки расплав периодически перемешивают не реже чем через 5-10 мин, а при охлаждении ниже температуры заливки его повторно нагревают до температуры заливки, при этом время нахождения сплава в жидком состоянии после охлаждения перед заливкой в форму не должно превышать 20 мин.
Многочисленными рентгено-структурными исследованиями, а также исследованиями структурно-чувствительных свойств сплавов установлено, что нагрев сплава перед заливкой до температуры, превышающей на 150-200 град температуру ликвидус сплава, обеспечивает разрушение всех посткристаллизационных образований, которые обычно длительное время сохраняются в расплавах при небольших перегревах в виде конгломератов кластеров, активированной поверхности неметаллических включений и являются носителями «структурной наследственности». Это явление обычно фиксируется на политермах изменения кинематической вязкости в виде перегибов и отмечается некоторыми исследователями как первая структурная перестройка в жидком состоянии, обеспечивающая гомогенизацию расплава. Для их повторного образования необходимо значительное снижение температуры вплоть до температуры кристаллизации и длительная выдержка. Именно поэтому на политермах вязкости фиксируется гистерезис: несовпадение кривых, полученных при нагреве и охлаждении расплава.
При дальнейшем нагреве под действием усиливающегося теплового движения атомов происходит последовательное разрушение структурных образований расплава - микрогруппировок атомов или кластеров, сопровождающееся уменьшением их размеров вплоть до моноатомных. Соответственно этому однородность сплава возрастает. В этой температурной области (вплоть до температуры кипения расплава) некоторые исследователи отмечали вторые и последующие структурные превращения по типу полиморфных в твердом состоянии. Однако указанные результаты пока не нашли широкого подтверждения. Тем не менее перегрев расплавов до температур на 200-550 и более град выше температуры ликвидус способствует повышению гомогенности расплава и последующему измельчению металла в отливках. Между тем избыточное увеличение перегрева приводит, во-первых, к чрезмерному насыщению газами (по экспоненциальной зависимости от температуры), а, во-вторых, значительному окислению расплава, сопровождающемуся повышенным шлакообразованием. В частности, результаты собственных экспериментальных исследований, проведенных авторами на оловянных сплавах, показали, что при увеличении температуры перегрева выше 550 град над температурой ликвидус сплава не способствует существенному измельчению структуры металла в отливках, а приводит к значительным потерям металла со шлаком и появлению газовой пористости в отливках. Таким образом, перегрев расплава до температур, на 550 град превышающих температуру ликвидус сплава, не эффективен и не целесообразен. С другой стороны, уменьшение температуры перегрева ниже 200 град над температурой ликвидус расплава не гарантирует прохождения структурной перестройки и гомогенизации расплава, поскольку температурный порог начала структурных преобразований зависит не столько от химического состава сплава, сколько от параметров структуры и величины межчастичного взаимодействия в микрогруппировках атомов в расплаве, особенно в микрогруппировках химических соединений.
Перегретый расплав выдерживают в течение 20-30 мин для обеспечения прохождения процесса структурной перестройки атомов. Процессы структурной перестройки в жидких металлах и сплавах проходят на диффузионном уровне. Скорость указанных преобразований существенно возрастает с увеличением температуры перегрева, но все равно достаточно низка. Собственно, на этом обстоятельстве основана вся сущность предлагаемого способа получения отливок с модифицирующей термовременной обработкой расплава: нагревом и длительной выдержкой при тщательном перемешивании добиваются разрушения всех посткристаллизационных образований: остатков тугоплавких интерметаллидов, активированных частиц неметаллических включений, а также измельчения микронеоднородной структуры расплава - микрогруппировок атомов (кластеров), то есть гомогенизации расплава. Затем с помощью ускоренного охлаждения сохраняют достигнутый уровень микронеоднородности до начала процесса кристаллизации расплава в форме. При ускоренном охлаждении медлительные диффузионные процессы, направленные на строительство новых крупных структурных единиц в жидких металлах: конгломератов кластеров, дозародышей кристаллизации и т.п., пройти не успевают. В результате затвердевания такого расплава с достигнутым высоким уровнем микронеоднородности, сопровождающегося глубоким переохлаждением, формируется благоприятная мелкозернистая структура сплава, повышаются плотность и механические свойства отливок.
Выдержка менее 20 мин не обеспечивает достижения необходимого уровня гомогенизации расплава, особенно при нижних значениях интервала температур перегрева: в результате в отливках формируется грубая макронеоднородная структура с низкими значениями плотности и прочностных свойств сплавов. Увеличение времени выдержки более 30 мин не способствует значительному измельчению структуры, повышению плотности и механических свойств сплавов, но вместе с тем приводит к повышенному шлакообразованию и насыщению расплавов газами.
Охлаждение перегретого расплава до температуры меньше или равной температуре заливки со скоростью не менее 10 град/с. Скорость охлаждения расплавов менее 10 град/с не обеспечивает фиксации достигнутого уровня микронеоднородности расплавов и формирования мелкозернистой структуры отливок, обеспечивающей высокие показатели плотности металла и механических свойств.
При ускоренном охлаждении значительного объема расплава с высоких температур сложно быстро и точно попасть в заданный уровень температуры заливки. В подобных случаях в промышленных условиях обычно на заданное значение не попадают и затем долго нагревают или охлаждают расплав, доводя его температуру до требуемой, нарушая при этом все термовременные параметры технологического процесса. В предлагаемом способе охлаждение расплава проводят до температуры, не превышающей температуру заливки сплава. Это обстоятельство значительно облегчает осуществление способа и поэтому способствует его широкой реализации в практике литья. Охлаждение можно проводить как в область твердого состояния, не задумываясь о конечном значении температуры, так и до температур, находящихся в интервале значений от температуры кристаллизации до температуры заливки. Оба варианта допустимы при осуществлении способа и обеспечивают достижение цели изобретения - повышение плотности и механических свойств сплава в отливках. При этом вариант с кристаллизацией расплава более технологичен, поскольку прост в осуществлении и позволяет разделить способ на два независимых этапа: первый - термообработка расплава с получением мелких твердых быстрозакристаллизованных шихтовых заготовок; и второй - расплавление и ускоренный разогрев мерных порций расплава до температуры заливки с последующей заливкой в формы. Второй вариант - охлаждение расплава до температур, находящихся в интервале значений от температуры кристаллизации до температуры заливки, более экономичен, поскольку не требует энергетических и временных затрат на повторное расплавление. С точки зрения качества первый вариант обеспечивает более высокое качество структуры и более высокие свойства отливок, чем второй.
В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки расплав периодически перемешивают не реже чем через 5-10 мин. Легкоплавкие сплавы, особенно оловянные и свинцовые, склонны к гравитационной ликвации в жидком состоянии (седиментации). В условиях отсутствия перемешивания или при перемешивании реже чем через 5-10 мин в расплавах указанных сплавов возникают процессы расслоения по плотности, приводящие к нарушению химического состава сплава, развитию структурной макронеоднородности и, как следствие, снижению плотности и механических свойств отливок.
Время нахождения сплава в жидком состоянии после охлаждения перед заливкой в форму не должно превышать 20 мин. При температуре выше температуры плавления, но близкой к температуре ликвидус, переохлажденная высокотемпературная структура расплава находится в крайне неравновесном состоянии. При низких температурах в расплаве возникают процессы, направленные на формирование равновесной для данных условий предкристаллизационной макронеоднородной структуры, состоящей из образований различных форм и размеров: кластеров, конгломератов кластеров, дозародышей и зародышей кристаллизации, химических соединений и т.п. Несмотря на то, что диффузионные процессы протекают медленно, любая выдержка расплава, находящегося в таком неравновесном состоянии, приводит к развитию макронеоднородности и ухудшению конечной структуры и свойств отливок. Однако для подготовки расплава к заливке: подогрева, выравнивания температур, перемешивания, рафинирования нужно технологическое время. Результаты исследований, проведенных авторами на оловянных сплавах показали, что это технологическое время не должно превышать 20 мин. При увеличении технологического времени более 20 мин структура сплава искажается - становится более грубой, плотность и механические свойства отливок снижаются.
Пример осуществления способа
В испытаниях использовали оловянный сплав следующего состава:
Sn – 94%, Sb – 3,5%, Cu – 2%, In – 0,5%.
ликв
Температура ликвидус сплава t=265°C.
ликв
Температура заливки: t+100°C=365°C.
Опытные испытания способа проводили по следующей методике. Оловянные сплавы готовили порционно в объеме порций по 2,0 кг в печи сопротивления типа СШОЛ с использованием огнеупорных графитосодержащих тиглей марки АА3. После расплавления и перегрева порции олова до температуры 450–500°C, в нее при интенсивном перемешивании, последовательно, по мере усвоения, вводили легирующие элементы: медь, сурьму и индий. Выдерживали 40-60 мин для завершения процесса сплавообразования, перемешивали, после чего определяли температуру ликвидус сплава. Для этого отливали часть металла в подогретый керамический тигель, помещали его в шахтную печь. В тигель с расплавом погружали термопару и медленно охлаждали вместе с печью. В исследованиях использовали ХА – термопары с диаметром проволоки 0,5 мм. Показания термопары через специальный преобразователь фиксировали на ПК в виде цифровых параметров с одновременной записью кривой охлаждения. На основании полученных данных, кроме того, осуществляли контроль химического состава различных порций сплава.
Расплав в тигле АА3 перегревали в печи до заданной температуры, выдерживали для гомогенизации, после чего охлаждали посредством перелива из плавильного тигля в раздаточные чугунные тигли. В процессе нагрева и выдержки расплав тщательно перемешивали по заданному режиму, отдельные опыты проводили без перемешивания. С целью регулирования скорости охлаждения в отдельных случаях чугунные тигли подогревали до 100-200°C. Отдельно, с целью охлаждения ниже температуры ликвидус, расплав заливали в чугунные изложницы. В изложницах получали слитки сечением 30×10 мм, длиной 100 мм. Для контроля скорости охлаждения во внутреннее пространство раздаточных тиглей и изложниц перед разливкой устанавливали термопары. Показания термопары через специальный преобразователь фиксировали на ПК в графическом варианте и в виде таблицы цифровых параметров. Слитки, полученные в чугунных изложницах, повторно расплавляли, ускоренно разогревали до температуры заливки и заливали в формы.
ф
Заливку производили в чугунные формы (без подогрева, t=15-18°C) при температуре заливки, на 100°C превышающей температуру ликвидус сплава. Отливали образцы в виде прутков диаметром 8 мм и длиной 100 мм для измерения прочности сплавов, а также образцы диаметром 18 мм и длиной 100 мм для определения твердости сплавов. Последние образцы перед проведением испытаний распиливали по высоте на штапики высотой 18-20 мм.
Измерения твердости по Бринелю проводили с использованием прибора HBRV – 187.5 с диаметром индентора 5 мм, нагрузкой 613 Н.
изг
2
Прочность на изгиб определяли по стандартной методике с использованием прибора для комплексного измерения прочностных свойств при одной сосредоточенной нагрузке, которую прикладывали посередине образца. Предел прочности образцов оловянных сплавов на изгиб рассчитывали по формуле R=3/2 Pl/(bh), где Р - максимальная масса разрушающей нагрузки, кг; l - расстояние между опорами, см; h - высота поперечного сечения, см; b - ширина поперечного сечения, см. Плотность полученных образцов определяли методом гидростатического взвешивания.
После окончания испытаний в каждом конкретном случае контролировали количество образовавшегося шлака путем взвешивания на аналитических весах. Результаты отмечали в процентах от металлозавалки.
Полученные результаты представлены в таблицах 1-6.
В табл.1 представлены результаты исследований влияния температуры перегрева на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 1 - Результаты исследований влияния температуры перегрева на плотность и механические свойства контрольного сплава
Перегрев над t<sub>ликв </sub>сплава, °C
Температура выдержки, °C
Скорость охлаждения, град /с
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость, МПа
Прочность на изгиб, МПа
Шлакообразование, % от металлозавалки
150
415
14
7,3645
113
167
1,2
170
435
15
7,3487
119
163
1,7
200
465
19
7,4012
129
187
2,8
300
565
22
7,4035
127
185
3,0
500
765
25
7,4098
130
189
3,2
550
815
29
7,4110
133
183
3,9
600
865
32
7,4023
132
183
6,2
выд
Примечание: Время выдержки в перегретом состоянии во всех случаях было постоянным, τ=30 мин. После перегрева разовые порции расплава охлаждали до температур 290-310°C. В течение 10-12 мин подогревали до температуры заливки и после перемешивания заливали в формы.
В табл.2 представлены результаты исследований влияния времени выдержки расплава в перегретом состоянии на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 2 - Результаты исследований влияния времени выдержки расплава в перегретом состоянии на плотность и механические свойства контрольного сплава
Время выдержки τ<sub>выд</sub>, мин
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость, МПа
Прочность на изгиб, МПа
Шлакообразование, % от металлозавалки
15
7,3541
118
167
0,6
20
7,4022
126
185
1,8
25
7,3987
129
184
2,6
30
7,4098
130
189
3,2
45
7,4125
130
187
5,5
Примечание: Температура перегрева и выдержки расплава 765°C (на 500 град выше температуры ликвидус сплава). Скорость охлаждения во всех случаях составляла 23-25 град/с.После перегрева разовые порции расплава охлаждали до температур 290-310°C. В течение 10-12 мин подогревали до температуры заливки и после перемешивания заливали в формы.
В табл.3 представлены результаты исследований влияния температуры охлаждения на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 3 - Результаты исследований влияния температуры охлаждения на плотность и механические свойства контрольного сплава
Температура охлаждения, °C
Скорость охлаждения, град /с
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость, МПа
Прочность на изгиб, МПа
380 (вышетемпературы заливки)
17
7,3676
117
170
365 (температура заливки)
19
7,4012
132
189
305
25
7,4098
130
189
265 (температура ликвидус)
30
7,4100
131
187
250 (в твердое состояние)
34
7,4065
137
204
200 (в твердое состояние)
55
7,4189
139
200
165 (в твердое состояние)
70
7,4232
139
210
выд
Примечание: Температура перегрева и выдержки расплава 765°C (на 500 град выше температуры ликвидус сплава). Время выдержки в перегретом состоянии во всех случаях было постоянным, τ=30 мин. После охлаждения до температур выше температуры ликвидус сплава расплавы в течение 10-12 мин подогревали до температуры заливки, перемешивали и заливали в формы. После охлаждения до температур ниже температуры ликвидус сплава полученные слитки повторно расплавляли, в течение 10 мин разогревали до температуры заливки, перемешивали и заливали в формы. При охлаждении до температуры выше температуры заливки расплав в течение 10 мин дополнительно охлаждали до температуры заливки, перемешивали и заливали в форму.
В табл.4 приведены результаты исследований влияния скорости охлаждения на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 4 - Результаты исследований влияния скорости охлаждения на плотность и механические свойства контрольного сплава
Скорость охлаждения,град /с
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость,МПа
Прочность на изгиб, МПа
5
7,3667
117
170
10
7,4054
132
190
25
7,4090
132
189
55
7,4170
137
200
70
7,4175
139
203
выд
Примечание: Температура перегрева и выдержки расплава 765°C (на 500 град выше температуры ликвидус сплава). Время выдержки в перегретом состоянии во всех случаях было постоянным, τ=30 мин. После перегрева разовые порции расплава охлаждали до температур выше температуры ликвидус сплава в диапазоне значений 290-310°C. В течение 12 мин подогревали до температуры заливки и после перемешивания заливали в формы.
В табл.5 приведены результаты исследований влияния времени выдержки в жидком состоянии перед заливкой в формы на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 5 - Результаты исследований влияния времени выдержки в жидком состоянии перед заливкой в формы на плотность и механические свойства контрольного сплава
Время выдержки в жидком состоянии перед заливкой в формы, мин
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость, МПа
Прочность на изгиб, МПа
5
7,4170
139
205
10
7,4054
137
202
20
7,4100
132
189
25
7,3667
112
175
30
7,3615
117
170
выд
Примечание: Температура перегрева и выдержки расплава 765°C (на 500 град выше температуры ликвидус сплава). Время выдержки в перегретом состоянии во всех случаях было постоянным, τ=30 мин. После перегрева разовые порции расплава охлаждали до температур выше температуры ликвидус сплава в диапазоне значений 290-310°C. Скорость охлаждения во всех случаях составила 23-25 град /с.
В табл.6. приведены результаты исследований влияния интенсивности перемешивания расплава при нагреве и высокотемпературной выдержке на плотность и механические свойства контрольного сплава.
Таблица 6 - Результаты исследований влияния интенсивности перемешивания расплава при нагреве и высокотемпературной выдержке на плотность и механические свойства контрольного сплава
Интенсивность перемешивания расплава
Плотность сплава, г/см<sup>3</sup>
Твердость, МПа
Прочность на изгиб, МПа
Через 5-10 мин
7,4170
139
205
Через 15-20 мин
7,3850
128
175
Без перемешивания
7,3700
117
135
выд
Примечание: Температура перегрева и выдержки расплава 765°C (на 500 град выше температуры ликвидус сплава). Время выдержки в перегретом состоянии во всех случаях было постоянным, τ=30 мин. После перегрева разовые порции расплава охлаждали до температур выше температуры ликвидус сплава в диапазоне значений 290-310°C. Скорость охлаждения во всех случаях составила 23-25 град /с. В течение 12 мин подогревали до температуры заливки и после перемешивания заливали в формы.
Таким образом, в результате проведенных испытаний предлагаемого способа установлено:
ликв
ликв
- оптимальный интервал значений температур перегрева при термовременной обработке расплава выше температуры ликвидус на 200-550 град, снижение температуры перегрева ниже 200 град (над tсплава) не способствует достижению цели изобретения, увеличение температуры перегрева выше 550 град (над tсплава) не эффективно, поскольку не способствует существенному повышению плотности и механических свойств сплава в отливках, но приводит к значительному окислению металла и росту шлакообразования;
- оптимальное время выдержки расплава при термовременной обработке 20-30 мин, уменьшение времени выдержки менее 20 мин не способствует достижению цели изобретения, увеличение более 30 мин также не эффективно и не целесообразно, поскольку не способствует повышению плотности и механических свойств сплава в отливках, но приводит к повышенному окислению металла и росту шлакообразования;
ликв
- чем ниже температура охлаждения расплава, вплоть до температур твердого состояния, тем выше плотность и механические свойства сплава в отливках, оптимальные значения температур охлаждения находятся в области твердого состояния сплава; увеличение температуры охлаждения выше температуры заливки расплава (более чем на 100 град выше tсплава) приводит к значительному снижению свойств сплава в отливках;
- выдержка в жидком состоянии перед заливкой расплава в формы снижает модифицирующий эффект от термовременной обработки, приводит к снижению плотности и механических свойств сплава в отливках, время нахождения расплава перед заливкой в формы до 20 мин существенно не влияет на показатели качества отливок, увеличение указанного периода свыше 20 мин приводит к значительному снижению плотности и механических свойств отливок;
- с увеличением скорости охлаждения расплава плотность и механические свойства сплава в отливках возрастают, уменьшение скорости охлаждения ниже 10 град/с не способствует достижению цели изобретения;
- увеличение интенсивности перемешивания расплава способствует повышению плотности и механических свойств отливок, уменьшение интенсивности перемешивания реже чем через 5-10 мин приводит к существенному снижению плотности и механических свойств отливок.