CC BY
35Технология и мехатроника в машиностроении
УДК 693.22
ФИЛЬТРАЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АЭРОКОСМИЧЕСКОИ ОТРАСЛИ
Г. Г. Крушенко1' 2*, С. Н. Решетникова2, М. А. Воеводина3, О. А. Платонов2
1 Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 E-mail: genry@icm.krasn.ru 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3Хакасский технический институт - филиал Сибирского федерального университета Республика Хакасия, 655017, г. Абакан, ул. Щетинкина, 27
В аэрокосмическом машиностроении широко применяются литейные и деформируемые алюминиевые сплавы, которые в процессе приготовлении подвергаются рафинированию (удаление водорода) и модифицированию (измельчение структуры). Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифицирующих средств с жидким металлом, что ухудшает качество литых изделий. Приведены результаты исследований по очистке алюминиевых расплавов от этих продуктов путем фильтрования, как при литье слитков полунепрерывным способом, так и при литье деталей.
Ключевые слова: аэрокосмическое машиностроение, алюминиевые сплавы, фильтрование, качество литых изделий.
FILTRATION OF ALUMINUM ALLOYS USED IN THE AEROSPACE INDUSTRY
G. G. Krushenko1, 2*, S. N. Reshetnikova2, M. A. Voevodina3, O. A. Platonov2
Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
E-mail: genry@icm.krasn.ru
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
3Khakasski Technical Institute - branch of Siberia Federal University 27, Chetinkin Str., Abakan, 655017, Khakass Republic
The aerospace engineering is widely used casting and wrought aluminum alloys, which are in the process of the preparation subjected to refining (removal of hydrogen) and modification (refinement of the structure). However, the reaction refining and modifying products often remain in the melt with the liquid metal, which degrades the quality of castings. The paper presents the results of studies on the purification of aluminium melts from these products by filtration, as in the casting of ingots semi-continuous method and casting parts.
Keywords: aerospacemachine-building, aluminium alloys, filtration, quality molded articles
Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении, в том числе и при изготовлении конструкций аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА) [1-3], главным образом, в связи с тем, что они обладают высокой удельной прочностью (отношение временного сопротивления разрушению к плотности металла - ав/р), которая показывает, насколько прочной в эксплуатации будет конструкция [4].
Применяемые в аэрокосмическом машиностроении алюминиевые сплавы делятся на литейные, из которых отливают детали типа корпусов топливо-насосных агрегатов летательных аппаратов (ЛА), и деформируемые, из отлитых слитков которых прокаткой изготовляют листы, которые применяется для изготовления корпусов и топливных баков, а также
прессованием и штамповкой шпангоутов, стрингеров, лонжеронов и силовых каркасов ЛА.
При этом в основе технологий приготовления сплавов обеих групп лежат практически одинаковые литейные технологии [5], сводящиеся к двум основным - рафинирование [6], при котором из расплава удаляется водород и неметаллические включения, и модифицирование (измельчение структуры) [7] различными средствами. Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифицирующих средств с жидким металлом, что ухудшает физико-механические характеристики литых изделий. И среди различных средств очистки расплавов одним из ведущих способов является фильтрование [8].
Решетневскуе чтения. 2017
В настоящей работе рассматривается фильтрование на примере литейных алюминиевых сплавов.
Фильтрующим материалом служила смесь предварительно сплавленных при 1300 оС фторидов (50 % MgF2 + 50 % СаР2), которую после разливки в изложницы и затвердевания дробили на кусочки размером 4.. .6 мм и подогревали до 800 оС перед засыпкой в установленную на кокиль нагретую емкость. Назначение фильтрующего материала заключается в адсорбции остатков расплава модифицирующих солей и различных инородных примесей (частицы окисной плены, неметаллические включения, а также в удалении водорода, адсорбированного на этих частицах и др.).
В качестве отливки была выбрана серийная фасонная деталь с черновой массой 5 кг, из вертикальной стенки которой вырезали образцы для испытания механических свой
Фильтрование расплава было использовано при литье из специального сплава системы Al-Si-Mg (6,0-6,5 % Si; 1,0-1,2 % Mg; ост. - Al) детали типа «заглушка», входящей в сборочную единицу силового агрегата, работающего в сложнонагруженных условиях.
Рабочий сплав готовили путем введения в расплавленную основу сплава (силумин СИЛ0) - в разной очередности: магния, образующего в сплаве упрочняющее соединение Mg2Si; лигатур Al-4,34 % Ti и Al-3,40 % Zr, содержащих интерметалличские соединения соответственно TiAl3 и ZrAl3, частицы которых выполняют роль центров кристаллизации; лигатуры Al-3,0 % Be, с помощью которой на поверхности расплава образуется прочная защитная пленка ВеО и лигатуры Al-50 % Cu, содержащей упрочняющее соединение CuAl2. При приготовлении сплава варьировали очередность загрузки шихтовых материалов и их агрегатного состояния, используя технологию, при реализации которой объем расплава, содержащий 50 % навески силумина и лигатуру Al-Mn доводили до 950С с целью улучшения растворимости марганца, а объем расплава, содержащий остальной силумин, доводили до 700 °С после чего в него вводили лигатуру Al-Mg с целью уменьшении окисления магния, и вливали первый объем во второй открытой струей. Затем при 750 °С производили модифицирование сплава тройным модификатором и производили заливку в кокиль. Результаты испытания механических свойств отливок, залитых в кокиль, показали их увеличение по сравнению с требуемыми по ГОСТ 1583-93 (ств > 235 МПа; 5 > 3,0 %;) при заливке открытой струей - ств до 253 МПа (на 7,7 %), 5 - до 6,0 % (в два раза), твердость НВ практически не изменялась и оставалась на уровне 700 МПа. В случае приготовления сплава по описанной выше технологии, но с заливкой металла в форму закрытой струей -ств повысилось до 260 МПа (на 10,63 %), 5 - до 8,2 % (в 2,73 раза), а при дополнительной фильтрации расплава через стеклоткань ССФ-06 ств повысилось до 275 МПа (на 17,02 %), 5 осталось на том же уровне -8,2 %, тогда как НВ увеличилось до 897 МПа (на 28,14 %)
Библиографические ссылки
1. Recent development in aluminium alloys for aerospace applications / A Heinz, A Haszler, C. Keidel, S Moldenhauer, R Benedictus, W. S Miller // Materials Science and Engineering: A. 15 March 2000. Vol. 280. Iss. 1. P. 102-107.
2. Starke E. A., Jr., Staley J. T. Application of modern aluminium alloys to aircraft. Fundamentals of Aluminium Metallurgy. 2011. P. 747-783.
3. Клочков Г. Г., Плотников А. Д. Применение новых сплавов в конструкциях ракет // Цветные металлы. 2013. № 9. С. 51-57.
4. Постников Н. С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок. М. : Металлургия, 1983. 119 с.
5. Алюминиевые сплавы. Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справочное руководство. М. : Металлургия, 1970. 416 с.
6. Irfan M. A., Schwam D., Karve A., Ryder R. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering. 15 February
2012. Vol. A 535. P. 108-114.
7. Kashyap K. T., Chandrashekar T. Effects and mechanisms of grain refinement in aluminium alloys // Bull. Mater. Sci. August 2001. Vol. 24. № 4. P. 345-353.
8. Heuzeroth F., Fritzsche J., Peuker U. A. Wetting and its influence on the filtration ability of ceramic foam filters // Particuology, February 2015. Vol. 18. P. 50-57.
References
1. A Heinz, A Haszler, C Keidel, S Moldenhauer, R Benedictus, W.S Miller Recent development in aluminium alloys for aerospace applications // Materials Science and Engineering: A. 15, March 2000. Vol. 280. Iss. 1. P. 102-107.
2. Starke E. A., Jr., Staley J. T. Application of modern aluminium alloys to aircraft. Fundamentals of Aluminium Metallurgy. 2011. P. 747-783.
3. Klochkov G. G., Plotnikov A. D. [The use of new alloys in the construction of rockets] // Tsvetnye metally.
2013. № 9. P. 51-57. (In Russ.)
4. Postnikov N. S. Uprochnenie alyuminievykh splavov i otlivok. [Hardening of aluminum alloys and castings]. M. : Metallurgiya. 1983. 119 p.
5. Alyuminievye splavy. Plavka i lit'e alyuminievykh splavov. Spravochnoe rukovodstvo. Alyuminievye splavy. [Aluminum alloys. Melting and casting of aluminum alloys. Reference guide]. M. : Metallurgiya. 1970. 416 p.
6. Irfan M. A., Schwam D., Karve A., Ryder R. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering. 15 February 2012. Vol. A 535. P. 108-114.
7. Kashyap K. T., Chandrashekar T. Effects and mechanisms of grain refinement in aluminium alloys // Bull. Mater. Sci. August 2001. Vol. 24. № 4. P. 345-353.
8. Heuzeroth F., Fritzsche J., Peuker U. A. Wetting and its influence on the filtration ability of ceramic foam filters // Particuology, February 2015. Vol. 18. P. 50-57.
© Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Воеводина М. А.,
Платонов О. А, 2017
