Технологическая схема получения лигатурного прутка из стружки силумина, исключающая ее переплав Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Критическое значение коэффициента парной корреляции при уровне значимости а = 0,001 и количестве опытов, равном 99, составляет 0,336. Существенное превышение каждого их трех значений коэффициента парной корреляции его критической величины свидетельствует о наличии тесной связи между фактическими и расчетными расходами воды с вероятностью 99,9%. Это подтверждается данными сравнения двух выборок значений фактического и расчетного расходов воды с использованием критериев .Ри ґ (табл. 2).

Расчетные значения критерия ґ значительно ниже его критического уровня. Это означает, что обе выборки, состоящие из фактических и расчетных значений расходов воды, принадлежат к одной генеральной совокупности. Следовательно, настройка модели расчета режима вторичного охлаждения произведена с приемлемой точностью.

Список литературы

1. Селиванов В.Н., Столяров А.М. Определение технологических параметров разливки стали наслябовой МНЛЗ. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МПУ», 2010. 22 с.

2. Казаков А.С., Столяров А.М. Влияние внутреннего охлаждения роликов ЗВО МНЛЗ на теплоотвод ог слябовой непрерывнолитой заготовки // ВесгникМГТУ им. Г.И. Носова. 2010. № 3. С. 18-21.

Bibliography

1. Selivanov V.N., Stolyarov A.M. Calculation of process parameters of steel casting at slab CCM. Magnitogorsk: SEI of HPE ”MSTU”, 201 0. 22 p.

2. Kazakov A.S., Stolyarov A.M. Influence of internal cooling of rollers CCM on the heat removal of continuous cast slabs. // Vestnik of MSTU named after G.I.Nosov. 2010. № 3. P. 18-21.

УДК 621.771:621.777

ЗагировН.Н., Аникина В.И., Усынина Г.П., Юриков А.С., Иванов Е.В.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРНОГО ПРУТКА ИЗ СТРУЖКИ СИЛУМИНА, ИСКЛЮЧАЮЩАЯ ЕЕ ПЕРЕПЛАВ

Одной из задач, стоящих перед производственниками, занятыми в сфере изготовления различного рода металлопродукции, является рациональное использование образующихся при механической обработке отходов в виде стружки и опилок. Чем мельче стружка, тем технически сложнее и экономически затратнее перерабатывать ее через плавильный передел. Это связано с тем, что при загрузке мелкой стружки в плавильную ванну в свободнозасыпанном виде часть ее просто сгорает, часть переждит в шлак, в результате чего выжд годного будет относительно невысоким. Принципиально не решает проблемы и предварительное брикетирование стружки. Объемы образующейся стружки каждый год остаются на стабильно высоком уровне, поэтому поиск и реализация альтернативных вариантов вовлечения ее в производственный оборот являются по-прежнему актуальной задачей.

Рис. 1. Общий вид исходной стружки

Рациональнее всего перерабатывать стружку, во-первых, в местах ее образования, а во-вторых, с изготовлением продукции, которая в дальнейшем использовалась бы на том же самом предприятии, где она и была получена.

В данной работе объектом внимания была выбрана стружка силумина АК12, образующаяся на одном из переделов при производстве литых дисков колес. Исходный вид используемой стружки представлен на рис. 1.

Известно [1], что перед разливкой сплав АК12 подвергают модифицированию. Тем самым обеспечивается получение тонкодифференцированной алюминиево-кремниевой эвтектики, которая предопределяет высокий уровень прочностных и пластических харак-теристиксилуминов [2].

Руководствуясь представлением о кластерном строении жидкого кристаллизующегося металла, было высказано предположение, что измельчения а-твердого раствора можно добиться за счет введения в расплав прутков-модификаторов из того же сплава, что и модифицируемый материал [3]. В этой связи переработка стружки в прутки, которые можно будет использовать в дальнейшем как модифицирующий материал, являлась логическим воплощением выдвинутой гипотезы.

Для ее проверки на первом этапе необходимо было оценить принципиальную возможность получения прутков из стружки литейного сплава АК12, минуя ее переплав, а также практически опробовать технологическую схему реализации такого рода подхода, основанную на использовании некоторых приемов, ха -ракгерных для процессов порошковой металлургии

[4]. В общем виде эта схема приведена на рис. 2, где

указаны также и основные параметры осуществления той или иной операции.

Основной в формировании необходимых структуры и свойств получаемых по предлагаемой схеме изделий является операция «экструзия». Температурноскоростной режим осуществления данной операции соответствовал параметрам, рекомендуемым для прессования прутков из труднодеформируемых алюминиевых сплавов, т.е. когда температура нагрева заготовки © = 450-480°С, скорость прессования = 50-100 мм/с

[5]. Для обеспечения изотермических условий деформирования в экспериментах брикеты с нанесенной на все контактные поверхности смазкой нагревали вместе с инструментальной оснасткой.

После экструзии у полученных прутков отделяли передний слабодеформированный конец длиной порядка 100 мм. Оставшуюся часть прутка, после отбора проб для изучения микроструктуры в продольном и поперечном сечениях, делили на несколько фрагментов, один из которых шел на изготовление образцов для проведения механических испытаний на растяжение, а другие использовались для последующей холодной обработки волочением.

На рис. 3 и 4 приведены характерные структуры полученных с разными значениями коэффициента вытяжки прутков диаметрами 6 и 8 мм соответственно.

Структура прутков в продольном сечении строчечная, т.е. светлые, вытянутые в направлении истечения из матрицы, участки алюминиевой фазы перемежаются с более темными областями, насыщенными кремнием. При этом концентрация, размер частиц кремния и порядок их распределения на фоне алюминиевой фазы носят несколько неоднородный характер. В прутке диаметром 6 мм строчечность проявляется чуть резче, чем в прутке диаметром 8 мм, что можно объяснить большей степенью деформации при получении прутка диаметром 6 мм.

Чтобы оценить, какое влияние на структуру и свойства пресс-изделий после горячей экструзии оказывает термообработка, часть образцов отобранных от полученных экструзией прутков отжигали при © = 400°С в течение 1 ч. После этого проводили сопоставление структур до и после проведения отжига, сравнивая соответствующие данные металлографических исследований, которые также представлены на рис. 3 и 4.

Анализ показывает, что особых изменений в структуре после отжига не наблюдается. Проведение отжига только в некоторой степени уменьшает строчечность структуры и способствует тому, что кремний распределяется более равномерно в прутках диаметром 6 мм. Размер частиц кремния в а-твердом растворе алюминия в отожженных и неотожженных прутках практически не отличается, за исключением отдельных участков, где имеет место некоторая коагуляция частиц кремния (рис. 4, а). Исходя из всего вышеизложен-

ного, можно сделать вывод, что проводить отжиг после горячей экструзии в нашем случае не имеет смысла, так как к принципиальным изменениям в структуре он не приводит.

Другую часть полученных горячей экструзией прутков подвергали холодной обработке волочением с единичным обжатием 15-20°% до того момента, пока не наступала повышенная обрывность проволоки в жде волочения. При составлении маршрута волочения учитывалось, что кремний не образует с алюминием химических соединений и присутствует в сплавах алюминия в элементарном виде. Имея переменную растворимость, кремний в то же время не влияет

Рис. 2. Общая технологическая схема получения модифицирующего прутка из стружки сплава АК12

после горячей экструзии

Рис. 3. Характерные микроструктуры прутка диаметром 6 ммв продольном (а) и поперечном (б) сечениях, х320

на способность алюминия к упрочнению пластической деформацией, что связано с неблагоприятным характером распада твердого раствора кремния в алюминии. Присутствуя в алюминии, кремний только несколько упрочняет его, незначительно снижая при этом пластические свойства.

Характер изменения механических свойств прутков диаметрами 6 и 8 мм при последующем волочении принципиальных отличий не имеет - с увеличением степени деформации прочностные характеристики материала повышаются, а пластические, наоборот, понижаются. Эти особенности поведения материала проволоки при холодном волочении позволили предположить, что существует в своем роде «единая» кривая упрочнения материала при холодной обработке. Для построения ее все экспериментальные значения временного сопротивления разрыву ств в проволоки различного диаметра были нанесены в соответствии со своими значениями относительного обжатия е на единое поле графической зависимости ств = ^е) (рис. 5) и аппроксимированы уравнением

ов = 169 - 0,004182 + 1,8681е.

Из рис. 5 следует, что в интервале относительных обжатий до 80% прочность проволоки на конечных размерах может достигать значений ств = 280300 МПа, при этом пластичность заметно снижается до значений 8 = 2-4%.

С точки зрения получения прутков или проволоки для последующего модифицирования уровень их механических характеристик принципиального значения не имеет. Важнее обеспечить требуемое структурное состояние материала, достигаемое как раз жшодной обработкой. При этом диаметр используемых прутка или

проволэки не должен быть сравнительно маленьким, поскольку в противном случае могут возникнуть технические сложности по введению их в расплав с целью достижения модифицирующего эффекта. В этой связи было решено проследить характер изменения структуры для оценки модифицирующей способности материала использовать проволоку диаметром порядка 4 мм.

Изучение структуры производилось на проволоке диаметрами 6,6 и 5,0 мм, каждая из которых была протянута из соответствующих прессованныхпрутков определенного диаметра с суммарным относительным обжатием 30%. Анализ приведенных на рис. 6 микроструктур показывает, что по мере уменьшения диаметра прутка происждит, хоть и не совсем равномерное по длине, но достаточно заметное, измельчение кремния. Границы между отдельными стружками практически не проявляются, то есть фактически имеем дело с однородным сплошным материалом, представляющим собой равномерно распределенную кремнистую фазу по телу а-твердого раствора алюминия. Строчечность структуры в продольном направлении выражена уже в меньшей степени, чем у прутков после горячей экструзии.

Оценка модифицирующей способности экспериментально полученной проволоки производилась в полупромышленных условиях при осуществлении реального технологического процесса литья под низким давлением заготовок алюминиевых автомобильных дисков колес на предприятии «КиК» (г. Красноярск).

Целью данного этапа исследования было изучение возможности модифицирования расплава АК12 проволокой, полученной из стружковых отходов этого же сплава.

Для приготовления сплава использовались следующие шихтовые материалы:

после горячей экструзии

300-

Рис. 4. Характерные микроструктуры прутка диаметром 8 ммв продольном (а) и поперечном (б) сечениях, х320

О 20 40 60 80

Относительное обжатие, %

Рис. 5. Изменение временного сопротивления разрыву прутков и проволоки из стружки сплава АК12 после горячей экструзии (є = 0%) и холодного волочения

Таблица 1

Химический состав опытных колес

Характеристика Химический состав, вес %

отливки БІ Ре Са МЯ N І 7п ТІ В РЬ Бп Бг АІ

До введения лигатуры 11,40 0,173 0,0010 0,055 0,001 0,014 0,113 0,001 0,0021 0,0017 0,0032 88,23

Модифицированная проволокой 0 4,2 мм 11,36 0,170 0,0010 0,054 0,001 0,014 0,115 0,001 0,0020 0,0018 0,0032 88,27

- алюминий первичный, марки не ниже А 7 (ГОСТ 11069);

- кремний кристаллический, марки не ниже КР00 (ГОСТ 2169);

- магний М^90;

- лигатура ТІ80Г;

- отжды собственного производства (бракованные колеса, переплав АК12, стружка).

В ходе работы в качестве основного оборудования использовали:

- печь индукционную тигельную ИАТ-2.5;

- ковш разливочный (1 т);

- роторную установку дегазации;

- печь литейной установки.

Жидкий алюминий, привезенный с расположенного рядом предприятия «КрАЗ» и прошедший входной контроль, заливали в индукционную печь. Добавляли в расплав кремний и титан, после чего проводили рафинирование расплава флюсом. Затем отбирали пробу на экспресс-анализ, а получив требуемый результат, добавляли магний. После этого снимали шлак, подогревали расплав и сливали его в разливочный ковш в количестве 540 кг. Далее выполняли рафинирование расплава аргоном на роторной установ-

ке. После окончания обработки расплава и достижения им температуры 710-720°С, сливали готовый металл в печь литейной машины, после чего снимали шлак и отбирали соответствующие пробы.

После выхода пресс-формы на требуемый температурный режим отливали 5 колес (без модифицирования расплава) со следующими параметрами процесса: Тме = 715 + 15° С, 1цикпа = 170 + 10 с, Р = 200-

650 мбар. Потом вводили прутковую лигатуру в количестве 3% и производили еще 5 отливок.

Из полученных отливок вырезали образцы для определения химического состава и испытания механических свойств, а также проведения анализа микроструктуры.

Ниже приведены химический состав (табл. 1) и механические свойства (табл. 2) отлитых колес. Кроме того, в табл. 2 указаны значения механических характеристик, соответствующие требованиям ГОСТ 50511, а также диапазон данных характеристик, получаемый при литье колес по технологии, применяемой в настоящее время в ООО «КиК» (сплав, модифицированный лигатурами А1Т1В и А15г).

Анализ полученных результатов показывает, что колеса, отлитые без модификатора, имеют достаточно низкий уровень механических свойств, не соответст-

Рис. 6. Характерные микроструктуры (х 320) проволоки диаметрами 5 мм (а) и 6,6 мм (б), тянутой из прессованных прутков диаметрами соответственно 6 и 8 мм

Таблица 2

Механические свойства опытных колес

Характе ристика отливки Номер ОТЛИВ- КИ Механические свойства

Предел прочности, МПа Относи- тельное удлинение, %

1 167,9 4,6

2 154,7 4,4

До введения 3 165,8 3,0

лигатуры 4 166,1 4,9

5 160,0 4,1

Модифици- 1 2 184,9 198,8 11,0 10,2

рованная 3 189,7 9,8

проволокой 4 191,2 8,7

04,2 мм 5 195,1 10,8

Модифици-

рованная 181-200,1 8,8-12

МНВ и Д!Бг

Требования Не менее Не менее

ГОСТ 50511 160 МПа 5%

а б

Рис. 7. Микроструктуры колес из сплава АК12 до (а) и после (б) введения проволочной лигатуры 0 4,2 мм из стружковых отходов, х200

а б

Рис. 8. Микроструктуры колес из сплава АК12, модифицированных лигатурами AlSr (а) и AlSr + AlTiB (б), х200

вующий требованием ГОСТ 50511.

Модифицирование расплава лигатурой в виде проволоки 04,2 мм, произведенной из стружковых отждов, в количестве 3°% обеспечило прирост прочностных свойств до значений, удовлетворяющих указанным требованиям.

При исследовании микроструктуры было установлено, что в отливках, изготовленных без введения прутковой лигатуры, имеет место непромодифициро-ванная эвтектика (рис. 7, а), а после добавления прутков наблюдаются тонкодисперсные включения кремния в эвтектике без присутствия на границах зерен -колоний грубых частиц кремния и игольчатых железосодержащих фаз (рис. 7, б).

На рис. 8 представлены микроструктуры колес из сплава АК12, модифицированных лигатурами А15г и А1ПВ + А1Бг. Сравнивая их со структурой, получаемой с применением экспериментальной проволоки (см. рис. 7, б), можно сделать вывод, что они имеют достаточно схожий характер при введении одной лигатуры АКг. При совместном введении А18г + А1Т1В в колесах наблюдается перемодифицированная структура.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что использование приемов, харак-

терных для процессов порошковой металлургии и традиционной обработки давле-нием, позволяет, исключив переплав, получать прутки и проволоку непосредственно из стружки сплава АК12, относящегося, как известно, преимущественно к группе ли -тейных сплавов. Введением проволоки, произведенной из стружковых отждов, в расплав АК12 удается добиться в отливках формирования структуры и достижения механических свойств, близких по данным показателям к отливкам, модифицированных по действующей технологической схеме с использованием лигатур AlTiB и AlSr. Исждя из этого, можно прийти к заключению, что потенциально полученную по предлагаемой технологической схеме проволоку можно применять в качестве модификатора в условиях реального промышленного производства.

Список литературы

Строганов Г.Б, Ротенберг В.А, Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 272 с.

Биронт B.C., Аникина В.И., Ковалева А.А. Дилатометрический анализ структурных превращений в алюминиево-кремниевых сплавах при термо-цикпической обработке // Journal Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2009. № 2. С. 384-393.

Паг. 2257419 РФ, МПКВ22 С1/03. Способ получения моди-фицирующих материалов для алюминия и его сплавов / КлимкоА.П., Биронт B.C., Загиров Н.Н. и др. Опубл. 27.07.05. Бюл. № 21.

4. Биронт B.C., Аникина В.И., Загиров Н.Н. Материаловедение. Формирование структуры нового класса стружковых материалов: учеб. пособие / ГУЦМиЗ. Красноярск, 2005. 80 с.

5. Щерба В.Н, Райтбарг Л.Х. Технология прессования металлов. М.: Металлургия, 1995. 336 с.

Bibliography

1. Stroganov G.B., Rotenberg V.A., Gershman G.B. Aluminum alloys with silicon. M.: Metallurgy, 1977. 272 p.

2. Biront V.S., Anikina V.I., Kovaleva A.A. Dilatometric analysis of the structural transformation in aluminum-silicon alloys in thermal processing // Journal Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2009. № 2. P. 384-393.

Patent 2257419 RF, MPK В 22 С 1/03. Method of making modifying materials for aluminum and its alloys / Klimko A.P., Biront V.S., Zagirov N.N. at alias. Published on 27.07.05. Bulletin № 21. Biront V.S., Anikina V.I., Zagirov N.N. Materials science. Structure formation of a new class of chip materials: textbook / GUTSMIZ. Krasnoyarsk, 2005. 80 p.

Shcerba V.N., Raitbarg L.H. Technology of metal pressing. M.: Metallurgy, 1995. 336 p.

3.

4.

5.