Непрерывное горизонтальное литье без модификаторов мелкокристаллических слитков из алюминиево-кремниевых сплавов

УДК 621.74:669.714

НЕПРЕРЫВНОЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ ЛИТЬЕ БЕЗ МОДИФИКАТОРОВ МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛИТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В. Ю. СТЕЦЕНКО, А. М. ПЕВНЕВ, Р. В. КОНОВАЛОВ

Государственное научное учреждение «Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси», г. Могилев

Введение

Постоянное повышение требований к заготовкам для производства деталей машиностроения требует разработки принципиально новых технологий производства отливок из алюминиевых сплавов с высокими механическими свойствами. Качество литых деталей во многом зависит от дисперсности их структуры. Для измельчения микроструктуры отливок в основном используется два способа. Первый способ предполагает применение примесного модифицирования. Главный недостаток этого способа - экологическая небезопасность. Наиболее перспективным способом измельчения микроструктуры алюминиево-кремниевого сплава является повышение скорости охлаждения заготовки.

Увеличение скорости затвердевания отливки всегда было одним из главных направлений в совершенствовании технологий литья для получения заготовок алюминиево-кремниевых сплавов с высокими механическими свойствами. Ведущим разработчиком технологий, основанных на увеличении скорости затвердевания, в Республики Беларусь является Институт технологии металлов. Литье с непосредственным охлаждением слитка водой делает возможным получение высокой скорости кристаллизации отливки. При этом можно добиться получения слитков с высокодисперсной микроструктурой, позволяющей существенно повысить их механические свойства.

Еще одним резервом для измельчения микроструктуры является наследственное модифицирование. Сущность способа заключается в добавлении части шихты с высокодисперсной микроструктурой, полученной при высоких скоростях охлаждения методом литья закалочным затвердеванием [1].

Постановка задачи

Задачей исследования является разработка технологического процесса непрерывного горизонтального литья в струйный кристаллизатор с использованием устройства затоплено-струйного вторичного охлаждения слитков алюминиево-кремниевых сплавов с высокодисперсной микроструктурой без применения примесных модификаторов.

Методика проведения и описание эксперимента

Для решения поставленной задачи был спроектирован и разработан струйный кристаллизатор для непрерывного горизонтального литья алюминиевых сплавов (рис. 1). Он состоит: из подводящего 1 и отводящего 2 патрубков; корпуса 3; торцевых фланцев 4, 5; перегородки 6, разделяющей впускной 7 и выпускной 8 коллекторы; экрана 9 с отверстиями; медной втулки 10; графитовой вставки 11. Охладитель под давлением поступает через впускной коллектор между корпусом и экраном и равномерно с одинаковой скоростью продавливается через отверстия в экране в виде затопленных струй. Они с большой скоростью ударяют о наружную поверхность рабочей гильзы. При этом существенно увеличивается интенсивность турбулезации потока и уменьшается

толщина теплового пограничного слоя вблизи стенки гильзы. Далее охладитель через отводящий патрубок 8 поступает в бак. Такая схема повышает интенсивность и равномерность охлаждения гильзы.

Рис. 1. Схема струйного кристаллизатора с устройством затоплено-струйного вторичного охлаждения: 1 - подводящий патрубок; 2 - отводящий патрубок; 3 - корпус;

4, 5 - торцевые фланцы; 6 - перегородка; 7 - впускной коллектор; 8 - выпускной коллектор; 9 - экран; 10 - медная втулка; 11 - графитовая вставка; 12 - экран;

13 - кожух; 14 - левый фланец; 15 - правый фланец; 16 - крышка; 17 - заслонка;

18 - подводящий патрубок; 19 - отводящий патрубок; 20, 21 - гидрозаслонка

Для повышения интенсивности охлаждения слитка было спроектировано и изготовлено устройство затоплено-струйного вторичного охлаждения. Схема конструкции устройства представлена на рис. 1. Оно состоит: из экрана 12; кожуха 13; левого фланца 14; правого фланца 15; крышки 16; заслонки 17; подводящего патрубка 18; отводящего патрубка 19; гидрозаслонок 20, 21. Правая гидрозаслонка предназначена для защиты кристаллизатора от попадания воды из зоны вторичного охлаждения в зазор между слитком и графитовой вставкой. Принцип работы данного устройства также основан на методе затоплено-струйного охлаждения.

Исследования проводились на сплавах АК12 и АК18. Плавку вели в индукционной печи ИСТ-16 с графитовым тиглем. В качестве шихты для сплава АК18 использовались чушки АК12 и лигатура Al + 40 % Si. Масса расплава составляла 45 кг. Металл в печи перегревали до 850 °С, после чего его в ковше транспортировали к металлоприемнику машины НГЛ. Разливку осуществляли при начальной температуре расплава в металлоприемнике 740 780 °С. Примесные модификаторы не применяли. Извлечение

слитка осуществлялось в режиме остановка-рывок.

Из полученных слитков вырезали поперечные шлифы. Их микроструктуру исследовали методом металлографического анализа при помощи аппаратно-программного комплекса на базе микроскопа Carl Zeiss «Axiotech vario».

Результаты эксперимента и их обсуждение

Процесс разливки сплава АК12 с использованием затоплено-струйного вторичного охлаждения слитка осуществлялся на установке непрерывного горизонтального литья при шаге извлечения слитка 100 мм. Среднее время остановки слитка составляло 3 с. При этом скорость литья была равна 1,33 м/мин. Установлено, что размер первичной a-фазы в слитке составлял 15^20 мкм, а дисперсность кристаллов эвтектического кремния -

2 ^ 2,5 мкм. Микроструктура высокодисперсная и инвертированная представлена на рис. 2.

Рис. 2. Микроструктура непрерывнолитого слитка из сплава АК12 диаметром 40 мм с использованием вторичного затоплено-струйного охлаждения

Существенным резервом для измельчения микроструктуры слитка является процесс наследственного модифицирования. На установке литья закалочным затвердеванием получили цилиндрические заготовки диаметром 50 мм из сплава АК12 с высокой структурной дисперсностью. Модифицирование примесными модификаторами не производили. Процесс разливки сплава АК12 на опытной установке НГЛ осуществлялся с добавлением 20 % отливок АК12 с высокодисперсной микроструктурой. При этом начальная температура расплава в металлоприемнике составляла 740 °С, шаг извлечения слитка - 100 мм. Среднее время остановки слитка - 3 с. При этом скорость литья была равна 1,33 м/мин. Было установлено, что дисперсность кристаллов эвтектического кремния непрерывнолитого слитка сплава АК12 составляла 1 ^ 1,2 мкм, а размер а-фазы - 10^ 15 мкм (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура непрерывнолитого слитка АК12 диаметром 40 мм, улучшенная добавлением структурно-высокодисперсных отливок АК12 в количестве 20 %

Процесс разливки сплава АК18 с использованием вторичного затоплено-струйного охлаждения осуществлялся при начальной температуре разливки 780 °С, шаге извлечения слитка 100 мм. Среднее время остановки слитка составляло 4 с. При этом скорость литья была равна 1,09 м/мин. Было установлено, что дисперсность кристаллов первичного кремния в слитке составляла 25 ^35 мкм, дисперсность кристаллов эвтектического кремния - 1 ^ 1,5 мкм (рис. 4).

Рис. 4. Микроструктура непрерывнолитого слитка из сплава АК18 диаметром 40 мм с применением вторичного затоплено-струйного охлаждения слитка

Для повышения дисперсности микроструктуры слитка из сплава АК18 применяли метод наследственного модифицирования. Процесс разливки на опытной установке с затоплено-струйным вторичным охлаждением и добавлением 20 % отливок с высокодисперсной микроструктурой начинался при температуре расплава в металлоприемнике 780 °С. Шаг извлечения слитка был равен 100 мм. Среднее время остановки составляло 4 с. Было установлено, что размеры кристаллов эвтектического кремния в слитке АК18 составляли 1 ^ 1,7 мкм, а первичного кремния - 15^20мкм (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура непрерывнолитого слитка АК18 диаметром 40 мм, улучшенная добавлением 20 % структурно-высокодисперсных отливок АК12

Заключение

Таким образом, непрерывное горизонтальное литье в струйный кристаллизатор с применением затоплено-струйной системы вторичного охлаждения и добавлением в шихту 20 % отливок из сплава АК12, полученных методом литья закалочным затвердеванием, позволяет получать слитки из сплавов АК12 и АК18 с высокодисперсной микроструктурой без применения примесных модификаторов.

Данная работа выполнялась в рамках белорусско-корейского научно-исследовательского сотрудничества.

Литература

1. Марукович, Е. И. Модифицирование сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко. - Минск : Беларус. навука, 2009. - 192 с.

Получено 28.10.2010 г.