НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

ДОЦЕНКО ЮРІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ

УДК 669.716:621.74:669.054.8

Розробка та впровадження технології виготовлення

якісних виливків з переплаву відходів алюмінієвих

деформуємих сплавів

Спеціальність 05.16.04 – Ливарне виробництво

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Котешов Микола Петрович,

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ,

професор кафедри ливарного виробництва

Офіційні опоненти: член-кор. НАН України, доктор технічних наук, професор

Чернега Дмитро Федорович,

Національний технічний університет України "КПІ", м. Київ,

завідувач кафедри фізико-хімічних основ технології металів

кандидат технічних наук, доцент

Таран Борис Петрович,

Національний технічний університет "ХПІ",

м. Харків,

професор кафедри ливарного виробництва

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет

Міністерства освіти і науки України, кафедра машин

та технології ливарного виробництва, м. Запоріжжя

Захист відбудеться 03.12.2002 р. о 12.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 24.11.2002 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В Україні в даний момент утворення відходів і брухту кольорових металів та їх витрата практично не враховується. Раніше збір брухту й відходів алюмінію на території країни здійснювали виробничо-заготівельні управління вторинних кольорових металів (Вторкольормет). Район діяльності кожного управління Вторкольормету поділявся на заготівельні ділянки. Таким способом забезпечувалося повне охоплення джерел утворення відходів і брухту, контроль за їх обліком і концентрація ресурсів їх для використання відповідно до державного плану розподілу кольорових металів.

У країнах Західної Європи та Північної Америки вторинний алюміній є значним джерелом постачання алюмінію і його сплавів. Це пов'язано не тільки з ростом випуску первинного алюмінію та у зв'язку зі збільшенням відходів і брухту, але й тим, що сучасна техніка дозволяє виготовляти вторинні алюмінієві сплави, що не поступаються по якості сплавам того ж складу з первинного алюмінію. В Україні у зв'язку з дефіцитом кольорових металів проблема переробки алюмінію та його сплавів є найбільш актуальною. При виробництві деталей з литих алюмінієвих заготівок утворюється велика кількість стружки. Так, при механічній обробці виливків, виготовлених способом лиття у кокіль, маса стружки може досягати 50% від маси виливка, що в масштабі галузі складає сотні тисяч тон у рік. У теперішній час машинобудівним підприємствам України економічно вигідно самостійно робити переробку брухту, відходів і стружки. Це залежить від цілого ряду причин, серед яких основними є дешевина відходів, дорожнеча первинної сировини та великі транспортні витрати.

Сплави, виготовлені з вторинних металів, як правило, значно дешевші, ніж ті ж сплави, але виготовлені з чистих первинних металів. Між хімічними складами тих чи інших аналогічних сплавів є розходження лише в трохи підвищених допусках на вміст окремих домішок у вторинних сплавах. Однак при використанні для плавки сучасних плавильних агрегатів і оптимальних технологічних процесів плавки можна забезпечити виробництво з вторинних сплавів литих виробів, що не поступаються по якості виливкам, виготовленим із первинних металів. Організація на машинобудівних заводах замкнутого технологічного циклу використання металу із залученням у виробництво відходів, що утворюються на підприємствах, у тому числі стружки, дозволяє зробити продукцію, що виготовляється, дешевшою та підвищити її конкурентноздатність.

Аналіз хімічного складу та механічних властивостей металу переплаву показав його нестабільність. В зв?язку з цим тема даної роботи, яка присвячена дослідженню та науковому обґрунтуванню технології виробництва якісних виливків з низькосортної шихти, визначенню оптимальних умов плавки, легування та комплексного рафінування нових експериментальних сплавів системи Al–Si–Mg є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Державної дослідної науково–технічної програми 04.01/01367 Держкомітету з науки й інтелектуальної власності України ‹‹Створення і промислове освоєння нових екологічно чистих технологій виробництва литих деталей при економії дефіцитних легуючих і модифікуючих матеріалів›› (ДР 0198U004487, договір з Міністерством освіти і науки України №2/1165–97 від 03.09.97 р.). Автор дисертації є виконавцем вказаної теми.

Мета і завдання досліджень. Ціль досліджень–визначення оптимальних умов легування нових ливарних сплавів системи Al–Si–Mg, отриманих при переплаві деформуємих відходів, розробка технологічних режимів плавки і виробництва якісних виливків на їх основі, вивчення впливу легуючих елементів на механічні і ливарні властивості експериментальних сплавів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Визначити основні закономірності кристалізації та встановити основні складові структури розроблених сплавів системи Al–Si–Mg.

2. Установити границі вмісту легуючих елементів в експериментальних сплавах.

3. Визначити ливарні, механічні й спеціальні властивості розроблених сплавів.

4. Розробити, опробувати та впровадити технологію виробництва якісних виливків на основі розроблених сплавів.

Обўєкт дослідження: технологія отримання якісних виливків з переплаву відходів алюмінієвих деформуємих сплавів.

Предмет досліджень: нові сплави системи Al–Si–Mg, що отримані при переплаві відходів та леговані Si, Mg, Mn, визначені закономірності їх кристалізації, ливарні та механічні властивості.

Методи дослідження: стандартні методи кристалографічного аналізу матеріалу виливків, фізико-хімічні методи досліджень (диференційно-термічний аналіз, визначення швидкості корозії та ін.), стандартні методики визначення механічних та ливарних властивостей алюмінієвих сплавів (спіральна та пруткова проби та ін.), статистичні методи обробки експериментальних даних за допомогою ЕОМ для побудови математичних моделей, які з урахуванням впливу основних легуючих елементів описують закономірності кристалізації експериментальних сплавів та оцінки критеріїв їх адекватності.

Наукова новизна результатів, отриманих особисто здобувачем.

1. Досліджено ливарні властивості розроблених експериментальних сплавів системи Al–Si–Mg з умовною маркою АК5Мг3 і АК10Мг3, показники яких знаходяться на рівні відомих більш дорогих Al–Si і Al–Si–Mg сплавів марок АК12, АК9 (ДСТУ 2839-94).

2. Визначені основні закономірності кристалізації розроблених сплавів, а також основні складові їх структури. Вперше встановлено, що в розроблених сплавах утворюються багатофазні евтектики на основі a-Al і b-Si, що включають інтерметалідні фази, які містять Al, Si, Fe, Mn.

3. Встановлені границі вмісту легуючих елементів експериментальних сплавів, що забезпечують оптимальні ливарні властивості.

4. Встановлені кількісні залежності, що характеризують вплив легуючих елементів у сплавах системи Al–Si–Mg на механічні властивості виливків. Визначені термочасові параметри технології плавки і виробництва якісних виливків з нових сплавів.

Практичне значення отриманих результатів. Результати виконаних досліджень дозволили вирішити важливу народногосподарську задачу виготовлення якісних виливків на основі нових сплавів, отриманих із використанням низькосортної шихти та промислових відходів.

Розроблені сплави й технологія їх приготування пройшли дослідно–промислове випробування і впроваджені на Виробничому об'єднанні “Південний машинобудівний завод” (м. Дніпропетровськ), акт впровадження від 27.09.2000 р.

Розроблена технологія дозволяє спростити схему технологічного процесу одержання виливків, зменшити брак на 5?10% та підвищити якість литих заготовок.

Потенційний річний економічний ефект при використанні сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 для виробництва виливків складає 3563,62 і 3458,9 тис.грн., відповідно (у цінах за 2001 р.).

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи. Автором особисто розроблені основні наукові положення дисертації. Здобувач безпосередньо брав участь у розробці технологічного процесу переплаву відходів і визначенні термочасових параметрів лиття, проведенні експериментів, аналізі й обробці експериментальних даних. Особистий внесок здобувача в роботах, що опубліковані в співавторстві (у порядку, наведеному в списку опублікованих робіт): [1-3, 6-8, 10]– розробка технології виготовлення якісних виливків з переплаву; [4, 9]–дослідження впливу легуючих елементів на властивості сплавів системи Al–Si–Mg, визначення основних закономірностей кристалізації розроблених сплавів та основних складових їх структури; [5] – визначення ливарних властивостей експериментальних сплавів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації докладалися та обговорювалися на: Міжнародній науково–технічній конференції "Проблеми та перспективи розвитку ливарного виробництва" (Дніпропетровськ, 1999), IC Міжнародній науково–технічній конференції "Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах" (Запоріжжя, 2000), II Всеукраїнській молодіжній науково–практичній конференції з міжнародною участю "Людина і космос" (Дніпропетровськ, 2000), III Міжнародній молодіжній науково– практичній конференції "Людина і космос" (Дніпропетровськ, 2001).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 фахових статей. Додатково матеріали роботи опубліковані в 1 деклараційному патенті на винахід та 2 тезах повідомлень на конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи глав, висновків і двох додатків, викладена на 124 сторінках машинописного тексту включаючи 65 малюнків, 23 таблиці і список літератури з 97 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, позначена наукова новизна отриманих результатів, їх практичне значення, положення і результати, що виносяться на захист.

Перший розділ - оглядовий, він присвячений освітленню стану проблеми і вибору напрямку досліджень. Показано, що існує потреба в розробці технології одержання ливарних алюмінієвих сплавів на основі переплаву відходів деформуємих сплавів. Ці сплави повинні мати значення ливарних і механічних властивостей не нижче, ніж у відомих сплавів, що виготовлені на основі чистих матеріалів.

Виходячи з аналізу теоретичних і експериментальних робіт, а також з номенклатури сплавів, що використовуються на ВО “ПМЗ”, за основу при розробці експериментальних сплавів була обрана система Al–Si–Mg. Прототипами при розробці експериментальних сплавів постали сплави АК9, АК12 (ДСТУ 2839-94), що мають високі ливарні властивості та найбільш широко застосовуються у промисловості для виготовлення складних за конфігурацією виливків відповідального призначення.

В другому розділі обґрунтований вибір методик і методів дослідження. Приготування експериментальних сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 та одержання дослідної партії виливків з них проводилося в умовах цеху кольорового литва ВО “ПМЗ”.

Хімічний аналіз проводили спектральним методом на фотоелектричній установці МФО-4 за ГОСТ 7727-81.

Рідкотекучість експериментальних сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 визначали на прутковій і спіральній пробах за ГОСТ 16438–70. Визначення лінійної усадки сплавів проводилося на приладі І.Ф. Большакова.

У роботі вивчали вплив температури розплаву на вільну та утруднену усадки, величину залишкових напружень та усадочних дефектів у виливках.

Схильність сплавів до утворення гарячих тріщин визначали за методикою Р.І. Спектрової та Т.В. Лебедєвої (проба ВІАМ).

Вивчення і фотографування мікроструктури сплавів виконували на металографічному мікроскопі “Neophot-21” (Німеччина). Рентгеноструктурний аналіз проводили на дифрактометрі ДРОН–3.

Для визначення температур плавлення і критичних точок сплавів був застосований диференційно-термічний аналіз.

Механічні властивості - тимчасовий опір розриву при кімнатній температурі sв(МПа) і відносне подовження d(%) визначали за ГОСТ 1497-84. Твердість сплавів (НВ) вимірювали за ГОСТ 9012-59.

Контроль газонасиченості сплавів проводили методом технологічної вакуум–проби. Для визначення густини сплаву в литому та термообробленому стані застосовували метод гідростатичного зважування

Випробування на корозійну стійкість проводили шляхом витримки зразків у розчині 3%-ного хлористого натрію NaCl з додаванням 0,1%-ного перекису водню Н2О2). Корозійну стійкість оцінювали по швидкості корозії (мг/м2Чг), що обумовлена зміною маси зразка протягом часу.

Третій розділ-присвячений опису технології плавки, одержання і термічної обробки виливків з експериментальних сплавів. Плавку стружки деформуємих сплавів АМг4, АМг5, АМг6 ГОСТ 4784–74 проводили у роторній печі РП–000 при температурі 750ё800°С. Приготування сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3 на основі переплаву стружки проводили у вакуумній печі Н43–0048 при температурі 750ё800°С. Для комплексного рафінування розплаву використовували гексахлоретан, титанову стружку та вакуум.

Хімічний склад експериментальних сплавів приведений в таблиці 1.

Таблиця 1-Хімічний склад експериментальних сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3

Марка сплаву Вміст хімічних елементів, мас. %

Al Si Mg Mn Cu Zn Ni Ti Fe

АК5Мг3 осн. 5,0-6,0 2,5-3,5 0,6-1,0 0,2-0,4 0,1-0,3 0,01-0,05 0,05 - 0,1 0,5-1,0

АК10Мг3 осн. 10,0-11,0 3,0-4,0 0,7-1,1 0,2-0,4 0,1-0,3 0,01-0,05 0,05-0,1 0,5-1,0

Виливки кронштейну одержували шляхом заливання сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3 у чавунний пофарбований кокіль. Термічну обробку виливків, отриманих на основі експериментальних сплавів, проводили у шахтній печі ЦЕП–218 з автоматичним регулюванням температури по наступному режиму: загартування–нагрів до температури 525±5 °С, витримка 8 годин, охолодження у воді з температурою 40ё60 °С.

Розроблена технологія плавки, що полягає у дуплекс–процесі: роторна піч–піч опору та одержання виливків кронштейну не вимагає застосування нових дорогих матеріалів і є ефективною з технічної та економічної точок зору.

У четвертому розділі описані результати дослідження мікроструктури матеріалу виливків, отриманих з експериментальних сплавів.

Досліджено мікроструктуру і фазовий склад експериментальних сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3. Вперше встановлено утворення в дослідних багатокомпонентних сплавах багатофазних евтектик на основі a-Al і b-Si під час прискореного охолодження. Ці евтектики включають інтерметалідні фази, які містять Al, Si, Fe, Mn, що відповідає діаграмам стану систем Al–Mg–Si, Al–Fe–Si–Mn, Al–Si–Mn, Al–Fe–Si–Mn–Mg.. У цій роботі утворення багатофазної евтектики обумовлено як високими швидкостями охолодження виливків, так і багатокомпонентним складом сплавів.

Показано, що мікроструктура сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3-багатофазна та складається з a-Al-твердого розчину, евтектики a-Al+b-Si та інтерметалідних фаз c-Al(FeMn)Si, Al4Si2Fe(Mg), Al4Mg5Si4, Mg2Si, FeAl3, Al3Mg2.

Показано, що в дослідних сплавах після термічної обробки по режиму Т4 евтектичний кремній сфероідизується, частково розчиняються інтерметаліди та легують твердий розчин на основі Al. Це обумовлює утворення пересиченого твердого розчину і забезпечує підвищення міцності та твердості. Фазовий склад сплавів після термічної обробки змінюється.

П'ятий розділ присвячений дослідженню впливу легуючих елементів на механічні властивості сплавів Для вивчення впливу легуючих елементів на механічні властивості сплавів та отримання кількісних залежностей застосовували метод математичного планування експериментів шляхом реалізації матриці планування повного факторного експерименту типу 23.

Змінними факторами були обрані вміст кремнію, магнію і марганцю в сплавах.

Функціями відгуку були величини границі міцності (sВ, МПа), твердості (НВ), відносного подовження (d, %).

Матриця планування та результати експериментів для сплаву АК5Мг3 наведені в таблиці 2.

Таблиця 2-Матриця планування та результати експериментів

Умови планування Незалежні змінні у мас.% Дослідні дані

Si Mg Mn sв, МПа d, % НВ

Основний рівень x0 5,5 3,0 0,75

Інтервал варіювання Dx 1,0 1,0 0,35

Нижній рівень 4,5 2,0 0,4

Верхній рівень 6,5 4,0 1,1

Кодові позначення змінних х1 х2 х3

Дослідження:

1 – й - - - 160 1,2 653

2 – й + - - 163 1,12 654

3 – й - + - 165 0,95 655

4 – й + + - 167 0,9 655,5

5 – й - - + 162 0,93 653,5

6 – й + - + 170 0,91 656

7 – й - + + 163 1,0 654

8 – й + + + 167,5 0,94 655,3

Обробка експериментальних даних дозволила одержати рівняння, що характеризують вплив хімічного складу на механічні властивості сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3.

Для сплаву АК5Мг3

(1)

Індекс апроксимації h=0,81;

, (2)

Індекс апроксимації h=0,86;

, (3)

Індекс апроксимації h=0,84.

Для сплаву АК10Мг3

, (4)

Індекс апроксимації h=0,82;

(5)

Індекс апроксимації h=0,85;

(6)

. Індекс апроксимації h=0,87.

Для сплаву АК5Мг3 встановлено, що з підвищенням вмісту Si у межах 4,5ё6,5 %, Mn 0,4ё1,1 % і Mg 3,0ё4,0 % зростає значення границі міцності до 170 МПа і твердості до 656 НВ, значення величини відносного подовження при цьому досягає значення 0,94 %. Для сплаву АК10Мг3 підвищення вмісту Si у межах 10,5ё11,5 %, Mn 0,6ё1,2 % і Mg 2,5ё4,5% приводить до зростання значення границі міцності до 200 МПа і твердості до 800 НВ, значення величини відносного подовження при цьому досягає 1,22 %.

Механічні властивості сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3 приведені в таблиці 3.

Таблиця 3-Механічні властивості сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3

Сплав Межа міцності при 20°С sв, МПа Відносне подовження при 20°С d, % Твердість НВ при 20°С

АК5Мг3 160ё170 0,9ё1,12 653ё656

АК10Мг3 185ё200 1,21ё1,8 808ё810

Вміст міді, цинку, нікелю, титану та заліза як другорядних елементів був визначений виходячи з аналізу літературних даних та досвіду підприємства.

Перевірка механічних властивостей сплавів здійснювалася при вмісті елементів на нижній, середній і верхній границях.

Здійснені експерименти підтвердили, що мідь, цинк, нікель і титан підвищують границю міцності дослідних сплавів, залізо знижує відносне подовження сплавів.

Виходячи з отриманих даних були зроблені наступні висновки:

Мідь підвищує механічні властивості. При вмісті міді нижче 0,2% знижується границя міцності.

Цинк поліпшує міцність сплавів винятково за рахунок підвищення ступеня легування твердого розчину, тому що интерметалідів з іншими легуючими елементами він не утворює, отже, у процесах дисперсійного зміцнення при старінні участі не приймає. При вмісті цинку нижче 0,1% зменшується границя міцності.

Титан підвищує механічну міцність за рахунок здрібнювання макрозерна твердого розчину алюмінію. При вмісті титану 0,05-0,1 % досягаються максимально високі міцність і пластичність. При концентрації титану менше 0,05 % міцність знижується .

Нікель при вмісті 0,05% збільшує ступінь легованості твердого розчину алюмінію і тим самим поліпшує механічні властивості. При зменшенні концентрації нікелю до значень менших за 0,01% його вплив на властивості сплаву практично не позначається.

Залізо запобігає утворенню пригару виливків до стінок кокілю, значно підвищує твердість алюмінієвих сплавів. При концентрації заліза нижче 0,5% зменшується твердість. При вмісті заліза вище 1,0% знижуються границя міцності та відносне подовження.

У шостому розділі описані дослідження ливарних властивостей сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3.

Для вивчення впливу легуючих елементів на рідкотекучість сплавів по прутковій і спіральній пробах та отримання кількісних залежностей, застосовували метод математичного планування експериментів шляхом реалізації матриці планування повного факторного експерименту типу 23.

Змінними факторами були обрані вміст кремнію, магнію і марганцю в сплавах.

Матриця планування та результати експериментів для сплаву АК10Мг3 наведені в таблиці 4.

Таблиця 4-Матриця планування та результати експериментів

Умови планування Незалежні змінні у мас.% Дослідні дані

Si Mg Mn L прутку, мм L спіралі, мм

Основний рівень х0 5,5 3,0 0,75

Інтервал варіювання Dx 1,0 1,0 0,35

Нижній рівень 4,5 2,0 0,4

Верхній рівень 6,5 4,0 1,1

Кодові позначення змінних х1 х2 х3

Дослідження:

1 - й - - - 345 747

2 – й + - - 345,7 747,2

3 – й - + - 346 747,3

4 – й + + - 346,4 747,1

5 – й - - + 347 747,4

6 – й + - + 350 750

7 – й - + + 348,7 748,8

8 – й + + + 348,4 748,3

Функціями відгуку були величини рідкотекучості (L, мм) по прутковій і спіральній пробах.

Обробка експериментальних даних дозволила одержати рівняння, що характеризують вплив хімічного складу на ливарні властивості сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3.

Для сплаву АК5Мг3 вплив легуючих елементів на рідкотекучість

- по спіральній пробі

(7)

Індекс апроксимації h=0,85.

- по прутковій пробі

(8)

Індекс апроксимації h=0,83.

Для сплаву АК10Мг3 вплив легуючих елементів на рідкотекучість

- по спіральній пробі

(9)

Індекс апроксимації h=0,84.

- по прутковій пробі

(10)

Індекс апроксимації h=0,84.

Отримані рівняння дозволяють встановити ступінь впливу Si, Mg, Mn на рідкотекучість сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3. Для сплаву АК5Мг3 установлено, що з підвищенням вмісту Si у межах 4,5ё6,5 %, Mn 0,4ё1,1 % і Mg 3,0ё4,0 % збільшується значення рідкотекучості до 750 мм по спіральній пробі.

Для сплаву АК10Мг3 підвищення вмісту Si у межах 10,5ё11,5 %, Mn 0,6ё1,2 % і Mg 2,5ё4,5 % приводить до зростання значення рідкотекучості до 830 мм по спіральній пробі.

Проведені експерименти по визначенню лінійної усадки сплавів на приладі І.Ф.Большакова показали наступні результати: величина лінійної усадки сплаву АК5Мг3 складає 1,23±0,05%, сплаву АК10Мг3-1,21±0,05%, що відповідає величинам лінійної усадки сплавів АК9, АК12 (ДСТУ 2839-94).

Проведені експерименти по вивченню впливу температури розплаву на значення вільної та утрудненої усадок, залишкових внутрішніх напружень і усадкових дефектів у виливках показали, що підвищення температури заливання в інтервалі 700ё800°С приводить до збільшення значень вільної та утрудненої усадок. Для сплаву АК5Мг3 значення вільної усадки зросло з 1,21 до 1,37%, утрудненої-з 0,7 до 1,16%. Для сплаву АК10Мг3 значення вільної усадки збільшується з 1,16 до 1,31%, утрудненої з 0,6 до 1,06%. Зниження температури заливання з 800 до 700°С приводить до зниження величини залишкових внутрішніх напружень. Підвищення температури заливання експериментальних сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 з 973 до 1073К сприяє збільшенню обсягу усадкових дефектів (шпар, усадкових раковин).

Значення вільної та утрудненої усадок в залежності від температури заливання розплаву наведені в таблиці 5.

Таблиця 5–Дані дослідів з вільної та утрудненої усадок

Тип сплаву Температура заливання, °С Усадка

вільна утруднена

lф, мм l0, мм eв, % lф, мм l0, мм eу, %

АК5Мг3 700 189,2 1,21 189,9 0,70

750 200,5 189 1,26 200,5 189,4 0,86

800 188,8 1,37 189,2 1,16

АК10Мг3 700 189,7 1,16 190,6 0,60

750 200,5 189,2 1,26 200,5 190,3 0,80

800 189 1,31 190,1 1,06

Сплави АК5Мг3 і АК10Мг3 мають мінімальну гарячоламкість (ширина кільця складала 5 мм).

Вміст газу у сплавах АК5Мг3 і АК10Мг3 відповідає №1 еталону шпаристості (0,06ё 0,12 см3/100 г).

Ливарні властивості дослідних сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3 наведені в таблиці 6.

Таблиця 6 – Ливарні властивості дослідних сплавів АК5Мг3 та АК10Мг3

Тип сплаву Рідкотекучість Лінійна усадка, % Схильність до утворення гарячих тріщин (проба ВІАМ, ширина кільця в мм)

пруткова проба L прутку, мм спіральна проба L спіралі, мм

АК5Мг3 345ё350 747ё750 1,23±0,05 Не виявлена

АК10Мг3 527ё529 827ё830 1,21±0,05. Не виявлена

Ливарні властивості розроблених експериментальних сплавів на 5ё10% перевищують такі ж властивості сплавів АК9 та АК12.

Сьомий розділ присвячений опису фізико–технологічних властивостей і економічної ефективності використання експериментальних сплавів та отримання виливків на їх основі.

Визначення критичних точок сплавів методом диференційного термічного аналізу, показало наступні результати. Для сплаву АК5Мг3: температура ліквідус сплаву (Тлікв) складає 617°С, а температура солідус (Тсол)-578°С. Для сплаву АК10Мг3: температура ліквідус сплаву (Тлікв) складає 590°С, а температура солідус (Тсол)-584°С. Отже сплави мають малий інтервал кристалізації: сплав АК5Мг3 - DТкр”39°С ; сплав АК10Мг3 - DТкр”6°С, що забезпечує більш високу рідкотекучість, меншу схильність до утворення тріщин і усадкової шпаристості.

Визначення густини сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 в литому та термообробленому стані, показало наступні результати. Щільність сплаву АК5Мг3 складає: у литому стані 2244±0,05, у термообробленому - 2231±0,05 кг/м3, сплаву АК10Мг3 - у литому стані 2681±0,05, у термообробленому - 2673±0,05 кг/м3.

Фізико–технологічні властивості сплавів АК5Мг3, АК10Мг3, АК12, АК9 наведені в таблиці 7.

Таблиця 7-Фізико–технологічні властивості сплавів АК5Мг3, АК10Мг3, АК12, АК9

Тип сплаву Температура ліквидус Тл,°С Температура солідус Тс,°С Інтервал кристалізації DТкр,°С Щільність, кг/м3 Швидкістькорозії, мг/м2Чг

АК5Мг3 617 578 39 2231 100

АК10Мг3 590 584 6 2673 80

АК12 577 577 0 2460 135

АК9 601 569 32 2460 130

Дослідження швидкості корозії сплавів показало, що для сплаву АК5Мг3 вона складає 100±0,1 мг/м2Чг, для сплаву АК10Мг3 - 80±0,1 мг/м2Чг.

Розроблена технологія дозволяє зменшити брак на 5?10% та підвищити якість литих заготовок.

Потенційний річний економічний ефект при використанні сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 для виробництва виливків складає 3563,62 і 3458,9 тис.грн., відповідно.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено нове рішення актуальної науково – технічної задачі, що полягає в розробці науково обгрунтованої технології виробництва якісних виливків з переплаву відходів алюмінієвих деформуємих сплавів. За матеріалами проведених досліджень отримані наступні основні наукові і практичні результати:

1. Визначені основні закономірності кристалізації розроблених сплавів. Досліджено мікроструктуру і фазовий склад експериментальних сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3. Уперше встановлено, що в сплавах утворюються багатофазні евтектики на основі a-Al і b-Si що включають інтерметалідні фази, які містять Al, Si, Fe, Mn. Утворення багатофазної евтектики обумовлено високими швидкостями охолодження виливків та багатокомпонентним складом сплавів.

2. Розроблено математичні моделі, що отримані з використанням повного факторного експерименту, які з урахуванням впливу основних легуючих елементів описують закономірності кристалізації одержаних в роботі сплавів системи Al–Si-Mg. Визначені границі вмісту легуючих елементів в цих сплавах, що дозволяє підвищити механічні властивості на 10ё15%, ливарні властивості - на 5ё10% та корозійну стійкість на 30ё50% у порівнянні зі сплавами АК9 та АК12.

3. Експериментально встановлено, що дослідні сплави мають малий інтервал кристалізації: сплав АК5Мг3 - DТкр”39°С ; сплав АК10Мг3 - DТкр”6°С, що забезпечує більш високу рідкотекучість, меншу схильність до утворення тріщин і усадкової шпаристості, це дозволяє спростити схему технологічного процесу одержання виливків і зменшити брак литва.

Сплави АК5Мг3 і АК10Мг3 добре зўєднуються аргонодуговим зварюванням, що в перспективі дає можливість одержання литозварних виробів.

4. Розроблені нові ливарні сплави системи Al–Si-Mg під умовною назвою АК5Мг3 і АК10Мг3, що отримані з переплаву відходів деформуємих сплавів системи Al–Mg, та якісні виливки на їх основі.

5. Розроблено технологію плавки і виробництва якісних виливків з нових сплавів, що вперше включає до себе дуплекс–процес: роторна піч–піч опору з наступним заливанням розплаву у кокіль. Технологія не потребує застосування нових дорогих матеріалів і є ефективною з технічної та економічної точок зору.

6. Розроблена технологія дозволяє, зменшити брак виливків по ливарним дефектам на 5?10% та підвищити якість литих заготовок. Потенційний річний економічний ефект при використанні сплавів АК5Мг3 і АК10Мг3 для виробництва виливків складає 3563,62 і 3458,9 тис.грн., відповідно (акт впровадження від 27.09.2000 р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В. Переработка алюминия и его сплавов // Теория и практика металлургии.–1998. - №1.–С.29–30.

2. Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В. Особенности сортировки, подготовки и плавки стружки алюминиевых сплавов // Теория и практика металлургии.–1999.-№1.–С.50–51.

3. Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В. Рафинирование переплава алюминиевых сплавов // Теория и практика металлургии.–1999.-№2.–С.50–51.

4. Доценко Ю.В. Влияние содержания кремния на жидкотекучесть магналиевого сплава типа АМг5Мц // Теория и практика металлургии.–1999.–№4.–С.41.

5. Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В. Образование пересыщенных растворов водорода в алюминиево–кремниевых сплавах при быстром затвердевании // Нові матеріали ї технології в металургії та машинобудуванні.–2000.-№2.–С.29–31.

6. Калинина Н.Е., Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В., Хрычикова Е.В. Модифицирование деформируемых и литейных “магналиев” ультрадисперсными переходными металлами с целью измельчения зерна в слитках и фасонном литье // Теория и практика металлургии.–2000.-№6 (20).–С.31–32.

7. Калинина Н.Е., Верховский Ю.Т., Доценко Ю.В., Селиверстов В.Ю. Повышение качества деформируемых и литейных алюминиевых сплавов модифицированием // Металлургическая и горнорудная промышленность.–2001.-№6–С.35–37.

ДОДАТКОВО МАТЕРІАЛИ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНО:

1. Деклараційний патент на винахід 33511 А Україна, МПК6 С22С21/04. Ливарний сплав на основі алюмінію (його варіанти) // Доценко Ю.В., Верховський Ю.Т., Котешов М.П., Клименко Ф.К.; ДМетАУ.- №33511 А; Заявл.03.03.99; Опубл. 15.02.2001. Бюл.№1.

2. Доценко Ю.В. Влияние легирующих элементов на литейные и механические свойства сплавов, получаемых при переплаве деформируемых сплавов системы Al–Mg на литейные // Труди III Міжнародної молодіжної науково–практичної конференції “Людина і космос”.–Д.: НЦАОМУ, 2001.-С.221.

3. Доценко Ю.В., Верховский Ю.Т. Специальные способы обработки материалов применяемых для приготовления алюминиевых литейных сплавов // Труди II Всеукраїнської молодіжної науково – практичної конференції з міжнародною участю “Людина і космос”.– Д.: НЦАОМУ, 2000.–С.226.

АНОТАЦІЯ

Доценко Ю.В. Розробка та впровадження технології виготовлення якісних виливків з переплаву відходів алюмінієвих деформуємих сплавів.–Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – Ливарне виробництво. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена питанням одержання якісних виливків з переплаву відходів алюмінієвих деформуємих сплавів.

Розроблено технологію плавки і виробництва виливків з нових сплавів, що вперше включає в себе дуплекс–процес: роторна піч–піч опору з наступним заливанням у кокіль. Показано, що дана технологія є перспективною з технічної та економічної точок зору, тому що не вимагає застосування дорогого обладнання і спеціальних матеріалів.

Досліджено ливарні властивості розроблених експериментальних сплавів системи Al–Si–Mg з умовною маркою АК5Мг3 і АК10Мг3, показники яких знаходяться на рівні відомих більш дорогих Al–Si і Al–Si–Mg сплавів марок АК12, АК9.

Визначені основні закономірності кристалізації розроблених сплавів, встановлені основні складові їх структури.

Установлено кількісні залежності й особливості впливу основних легуючих елементів на закономірності кристалізації експериментальних сплавів.

Розроблена технологія дозволяє зменшити брак виливків по ливарним дефектам на 5?10% та підвищити якість литих заготовок.

Ключові слова: ливарне виробництво, сплави алюмінію, що деформуються, кристалізація, легування, технологічні властивості.

АННОТАЦИЯ

Доценко Ю.В. Разработка и внедрение технологии изготовления качественных отливок из переплава отходов алюминиевых деформируемых сплавов.–Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04–Литейное производство.–Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам получения качественных отливок из переплава отходов алюминиевых деформируемых сплавов.

Разработана технология плавки экспериментальных сплавов и получения качественных отливок из них. Технология включает в себя дуплекс–процесс: роторная печь–печь сопротивления с последующей заливкой в кокиль. Показано, что данная технология является перспективной с технической и экономической точек зрения, так как не требует применения дорогостоящего оборудования и специальных материалов.

Разработан новый химический состав литейных сплавов системы Al–Si–Mg с условной маркой АК5Мг3 и АК10Мг3, полученных переплавом из отходов и лома деформируемых сплавов.

Определены особенности кристаллизации разработанных сплавов и установлены основные составляющие их структуры. Впервые установлено, что в экспериментальных сплавах образуются многофазные эвтектики на основе a-Al и b-Si, включающие интерметаллидные фазы, содержащие Al, Si, Fe, Mn. В настоящей работе образование многофазной эвтектики обусловлено высокими скоростями охлаждения отливок и сложнолегированным составом сплавов.

Разработаны математические модели, полученные с использованием полного факторного эксперимента, характеризующие влияние основных легирующих элементов на закономерности кристаллизации экспериментальных сплавов. Для сплава АК5Мг3 установлено, что с повышением содержания Si в пределах 4,5ё6,5 %, Mn 0,4ё1,1 % и Mg 3,0ё4,0 % возрастает значение предела прочности при разрыве до 170 МПа и твердости до 656 НВ, значение величины относительного удлинения при этом достигает значения 0,94 %. Для сплава АК10Мг3 повышение содержания Si в пределах 10,5ё11,5 %, Mn 0,6ё1,2 % и Mg 2,5ё4,5 % приводит к возрастанию значения предела прочности при разрыве до 200 МПа и твердости до 800 НВ, значение величины относительного удлинения при этом достигает значения 1,22 %. Для сплава АК5Мг3 установлено, что с повышением содержания Si в пределах 4,5ё6,5%, Mn 0,4ё1,1% и Mg 3,0ё4,0% возростает значение жидкотекучести до 750 мм по спиральной пробе. Для сплава АК10Мг3 – повышение содержания Si в пределах 10,5ё11,5%, Mn 0,6ё1,2% и Mg 2,5ё4,5% приводит к возрастанию значения жидкотекучести до 830 мм по спиральной пробе.

Проведенные эксперименты по определению линейной усадки сплавов на приборе И.Ф. Большакова показали следующие результаты: величина линейной усадки сплава АК5Мг3 составляет 1,23±0,05%, сплава АК10Мг3 - 1,21±0,05%, что соответствует величинам линейной усадки сплавов АК9, АК12.

Сплавы АК5Мг3 и АК10Мг3 обладают минимальной горячеломкостью (ширина кольца составляла 5 мм).

Газосодержание сплавов АК5Мг3 и АК10Мг3 соответствует №1 эталона пористости (0,06ё0,12 см3/100 г).

Экспериментально установлено, что указанные выше сплавы имеют малый интервал кристаллизации–сплав АК5Мг3: DТкр”39°С ; сплав АК10Мг3: DТкр”6°С, обеспечивающий более высокую жидкотекучесть, меньшую склонность к образованию трещин и усадочной пористости, что позволяет упростить схему технологического процесса получения отливок и уменьшить брак литья.

Сплавы АК5Мг3 и АК10Мг3 хорошо свариваются аргонодуговой сваркой, что в перспективе дает возможность получения литосварных изделий.

Розработанная технология позволяет, уменшить брак отливок по литейным дефектам на 5?10% и повысить качество литых заготовок.

Потенциальный годовой экономический эффект при использовании сплавов АК5Мг3 и АК10Мг3 для проиводства отливок составит 3563,62 и 3458,9 тыс.грн., соответственно.

Ключевые слова: литейное производство, алюминиевые деформируемые сплавы, кристаллизация, легирование, технологические свойства.

SUMMARY

Dotsenko Y.V. Development and introduction of manufacturing technology of qualitative casts from a remelt of aluminium deformed alloys.-Manuscript.

Thet hesis on competition of a degree of the candidate of sciences. Speciality 05.16.04-Foundry manufacture.-National Metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2002.

The dissertation is devoted to a theme of receiving qualitative casts from a remelt of waste products of aluminium deformed alloys.

The technology of preparation experimental alloys and receiving qualitative casts from them is developed. It is shown, that the technology is perspective from the technical and economical points of view it does not demand application of the expensive equipment and special materials.

The main laws of cristallization of developed alloys as well as the basic compands of their structures are defined.

The quantitative dependences and pecubiarities of influence of the main alloying elements on laws of crystallization of experimental alloys are fixed.

The developed technology allows to lower 5-10% a rejected material of casts on foundry defects and increase quality of casting blocks.

Key words: foundry manufacture, aluminium deformed alloys, cristallization, alloying, technological properties.