Исследование процессов формирования пеноалюминия фильтрацией через водорастворимые соли Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

_ЛИТЕЙ НОЕ ПРОИЗВОДСТВО_

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич

УДК 669.717

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕНОАЛЮМИНИЯ ФИЛЬТРАЦИЕЙ ЧЕРЕЗ ВОДОРАСТВОРИМЫЕ СОЛИ

А.И. Ковтунов, канд. техн. наук, Д.А. Семистенов, канд. техн. наук, Ю.Ю. Хохлов, Т.В. Чермашенцева (Тольятинский государственный университет,

e-mail:y.y.khokhlov@rambler.ru)

Предложен способ формирования изделий из пеноалюминия, при котором форму предварительно заполняют гранулами из водорастворимой соли, а затем пространство между гранулами заливают расплавленным алюминием или алюминиевым сплавом. Исследовано влияние легирования алюминиевого расплава кремнием, медью, магнием и цинком на глубину пропитки солевой засыпки при получении изделий из пеноалюминия фильтрацией через водорастворимые соли. Установлено влияние тепловых условий процесса на глубину проникновения расплава в гранульную засыпку.

Ключевые слова: пеноалюминий, алюминиевый расплав, водорастворимые соли, фильтрация, гранулы.

Investigation of Foamed Aluminium Formation Carried out via Filtration through Water-Soluble Salts. A.I. Kovtunov, D.A. Semistenov, Yu.Yu. Khokhlov, T.V. Chermashentseva.

A method of foamed aluminium product formation, when a form is previously filled with water-soluble salt pellets and then spaces between the pellets are filled with aluminium or aluminium alloy melt, is offered. The effect of alloying of aluminium melt with silicium, copper, magnesium and zinc on a depth of salt layer impregnation during formation of a foamed aluminium product via filtration through water-soluble salts has been investigated. The effect of thermal conditions of the process on a depth of melt penetration into the pellet layer has been found.

Key words: foamed aluminium, aluminium melt, water-soluble salts, filtration, pellets.

Изделия из пеноалюминия находят все более широкое применение в промышленности, что связано с уникальным комплексом его свойств: низкой плотностью, низкими значениями коэффициентов тепло- и электропроводимости, высокой сопротивляемостью воздействию огня, экологической чистотой, способностью эффективно поглощать энергию удара. Вследствие этого пеноалюминий используют в транспортном машиностроении, авиации и строительстве [1].

Производство изделий из пеноалюминия чаще всего основывается на замешивании в алюминиевый расплав газа (азота, аргона,

воздуха, углекислого газа, водяного пара) или пороформа (вещества, при нагреве выделяющего газовую составляющую) и формировании пористой структуры при его разложении в процессе затвердевания алюминиевого расплава. Недостатками способа являются нестабильная, неконтролируемая пористость и низкая производительность процесса.

Для получения изделий из пеноалюминия, в том числе фасонных, был предложен способ, при котором форму предварительно заполняют гранулами из водорастворимой соли, а затем пространство между гранулами зали-

вают расплавленным алюминием или алюминиевым сплавом [2]. После затвердевания полученную отливку извлекают из формы и помещают в воду для растворения соли. Размер пор получаемых изделий определяется размером гранул из водорастворимых солей, а пористость получаемых изделий, исходя из особенностей укладки тел сферической формы, должна составлять 60-80 % [3].

Толщина получаемых изделий определяется глубиной проникновения (глубиной пропитки) расплава в гранульную засыпку и зависит от тепловых и гидродинамических условий заливки, а также от природы заливаемого сплава.

С целью установления влияния тепловых условий литья и природы заливаемого сплава на глубину пропитки была проведена серия экспериментальных заливок в металлическую форму с размером рабочей полости 100x100x120 мм с нижним подводом расплавленного алюминия.

Для исследования влияния легирующих элементов алюминиевого расплава на глубину пропитки использовали сплавы системы алюминий-кремний, алюминий-медь, алюминий-магний, алюминий-цинк. Для приготовления алюминиево-кремниевых расплавов с содержанием кремния до 12 % использовали сплавы АК12 (ГОСТ1583-93) и А7 (ГОСТ 11069-74). Сплавы систем алюминий-медь, алюминий-магний, алюминий-цинк получали введением меди М2 (ГОСТ 859-2001), магния Мг95 (ГОСТ 804-72) и цинка Ц2 (ГОСТ 3640-79) в расплав алюминия А7. Влияние тепловых условий литья исследовали с использованием сплава АК12, который отличается высокой жидкотекучес-тью.

Глубину пропитки определяли по средней высоте подъема металла в форме с гранульной засыпкой (рис.1). Гранулы засыпали после сборки формы через выпор. Размер гранул изменялся в пределах 4-8 мм. Плавку алюминиевых сплавов проводили в графитовых тиглях в печи сопротивления ТК-27.1250.Н.1Ф. Температура заливки изменялась в пределах 750-950 °С, а температура формы, заполненной гранулами - в пределах 100-500 °С. Весовой расход при

заливке был постоянным и составлял 0,150,16 кг/с. ■

Рис. 1. Определение глубины пропитки гранульной засыпки при получении пеноалюминия

Исследованиями влияния меди на глубину пропитки установлена максимальная глубина пропитки 85 мм при содержании меди на уровне 10 %, при температуре расплава 950 °С, температуре формы 500 °С (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма состояния сплавов системы алюминий-медь (а) и зависимость глубины пропитки от содержания меди в алюминиевом расплаве (б) при:

1 - Т.=500 °С, Т =950 °С, й =7 мм; 2 - Т =500 °С,

ф ' р ' гр ' ф '

Т =950 °С, й -=5 мм; 3 - Тф=100 °С, Т=950 °С, й =5 мм

р гр ф р гр

Повышение содержания меди до 2,5 % вызывает незначительное увеличение глубины пропитки, а при дальнейшем повышении количества меди с 2,5 до 5 % глубина пропитки уменьшается и дальше плавно возрастает с появлением в структуре сплава эвтектики (а+0иД12) и с ростом доли эвтектики в сплаве [4]. Минимум на кривых наблюдается при содержании меди около 5 %, что соответствует точке максимальной растворимости меди в алюминии и участку с самым широким интервалом кристаллизации в алюминиевом углу диаграммы состояния алюминий-медь.

Исследования сплавов системы алюминий-магний проводили при температуре заливки 750 °С. Дальнейший перегрев увеличивает угар магния и требует использования более сложных компонентов флюса для защиты зеркала металла от окисления в связи с тем, что магний относится к элементам, которые усиливают окисление жидкого расплава. Установлено, что повышение содержания магния во всем исследуемом интервале концентраций способствует увеличению глубины пропитки в связи с ростом температуры перегрева над линией ликвидус при легировании магнием алюминия (рис. 3). При этом

высота слитка достигает 80 мм, что значительно больше, чем при легировании медью. Перспективность применения магния состоит в том, что магний снижает плотность пено-алюминия.

При исследовании влияния цинка температурные условия выбирали в тех же интервалах, что и при легировании магнием. Основной причиной этого послужила низкая температура кипения цинка.

Глубина пропитки при легировании 10 % Zn и использовании гранул диаметром 7 мм составляет около 80 мм, что примерно аналогично случаю легирования магнием. Повышение содержания до 30 % Zn увеличивает на 10-15 % глубину пропитки вследствие снижения интервала кристаллизации сплава (рис. 4). Однако легирование цинком более 10 % привело к низкой прочности изделия и повышенной плотности, что позволяет сделать вывод о неперспективности цинка для легирования алюминия при производстве пено-алюминия.

Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов системы алюминий-магний (а) и зависимость глубины пропитки от содержания магния в алюминиевом расплаве (б) при:

1 - 7=500 °С, Т =750 °С, й =7 мм; 2 - 7=500 °С,

ф р гр ф '

Т =950 °С, й =5 мм

ргр

Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов системы алюминий-цинк (а) и зависимость глубины пропитки от содержания цинка в алюминиевом расплаве (б) при:

1 - 7 ф=500 °С, Т =750 °С, й =7мм; 2 - 7=500 °С, Т =950 °С,

ф р гр ф р

й =5 мм

Наиболее распространенным легирующим элементом алюминиевых сплавов является кремний. Проведенными исследованиями с алюминиево-кремниевыми сплавами установлено, что с увеличением содержания кремния глубина пропитки увеличивается. Наиболее значительное увеличение глубины пропитки наблюдается в интервале концентраций кремния 6-12 % (рис. 5). Увеличение глубины пропитки связано с увеличением перегрева расплава над линией ликвидус и с повышением жидкотекучести сплава вследствие увеличения доли эвтектики.

Анализ проведенных исследований показал, что зависимость глубины пропитки от тепловых условий заливки сплава АК12 и величины гранул описывается следующим уравнением регрессии:

^=-110,8+6,23й+0,0967ф+0,1077р, где: й - диаметр гранул, мм;

Тф - температура формы, °С;

Т - температура алюминиевого расплава.

Глубина пропитки в зависимости от размера гранул, температуры формы и металла находилась в пределах 27-90 мм (рис. 6). С увеличением диаметра гранул увеличивается размер пустот в гранульной засыпке, что при заливке способствует понижению скорости охлаждения расплава и обеспечивает рост глубины пропитки. С повышением температуры формы с гранулами и температуры расплава увеличивается глубина пропитки.

Рис. 5. Диаграмма состояния алюминий-кремний (а) и зависимость глубины пропитки от содержания кремния в алюминиевом расплаве (б) при:

1 - 7=500 °С, Т =950 °С, й =7 мм; 2 - 7" =500 °С,

ф ' р ' гр ф '

Т =950 °С, й =5 мм; 3 - 7ф=100 °С, Т =950 °С, й =5 мм

р гр ф р гр

Рис. 6. Зависимость глубины пропитки:

1 - от диаметра гранул при 7ф=500 °С, Тр=950 °С; 2 - от температуры формы при йгр=7 мм, Тр=950 °С; 3 - от температуры расплава при йгр=7 мм, Тф=100 °С

Выводы

1. Глубина пропитки определяет максимально возможную толщину изделий из пено-алюминия при получении их фильтрацией через водорастворимые соли. Для увеличения глубины пропитки при формировании изделий из пеноалюминия целесообразно легировать алюминиевый расплав магнием или кремнием. Магний, кроме того, снижает плотность пеноалюминия.

2. Регулирование температуры расплава и формы с гранульной засыпкой, а также размера гранул позволяет управлять глубиной пропитки при получении изделий из пеноалюминия фильтрацией через водорастворимые соли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев Л.Л., Танаева А. Теплофизические свойства пористых материалов. - Минск: Наука и техника, 1971. - 266 с.

2. Пат. 2400552 РФ. Способ получения пеноалю-миния/Ковтунов А.И., Семистенов Д.А., Хохлов Ю.Ю. Заявл. 26.11.2008. Опубл. 27.09.2010.

3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. пособие. - М.: Энергоиздат, 1990. - 365 с.

4. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. — М. : Металлургия, 1982. — 351 с.