CC BY
31
ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ
УДК 621.74:669.715
Е.С. Гончаренко, И.С. Корнышева, И.И. Вавилова, И.Л. Николаева
ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ЛИТЬЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АЛ4МС
На основании проведенных ранее исследований авторами разработан высокопрочный высокотехнологичный литейный алюминиевый сплав, которому присвоена марка АЛ4МС. Сплав АЛ4МС обладает хорошими литейными свойствами: жидкотеку-честь 370 мм, линейная усадка 1%, нет склонности к образованию горячих трещин. Сплав АЛ4МС при литье в кокиль в состоянии Т5 обеспечивает предел прочности 360-400 МПа, относительное удлинение 4-6%.
Высокие технологические характеристики нового сплава дают возможность отливать из него детали всеми способами литья. С этой целью было проведено сравнительное исследование свойств и структуры этого сплава, отлитого в песчаные формы, кокиль и методом ЛГМ (литье по газифицируемым моделям).
Следует отметить, что литье в песчаные формы и кокиль являются достаточно традиционными методами, литье по газифицируемым моделям в России применяется мало, так как до последнего времени к этому способу предъявляли те же требования, что и к традиционным методам литья. В результате не использовались полностью все преимущества метода.
В мире широко используется метод ЛГМ. На отечественных предприятиях литьем по газифицируемым моделям изготовляют отливки из сплавов с высокой температурой заливки: стали, чугуна, бронзы, латуни; алюминиевые сплавы имеют низкую температуру заливки (около 700°С). В нашей стране и за рубежом этот метод использовали на заводах автомобильной промышленности для производства тонкостенных сложных литых заготовок. Применение новых марок пенополистирола с пониженной температурой горения и малым негазицифицируемым остатком позволяет использовать этот способ литья и для алюминиевых сплавов.
Использование новых технологий позволяет повысить точность газифицируемых моделей (+10 мкм на базе 2 мм при серийности 1 млн моделей), получать внутренние полости толщиной до 0,6 мм, шириной 10...20 мм при длине 40...60 мм практически любой конфигурации, уменьшить припуски на механическую обработку путем уменьшения шероховатости поверхностного слоя отливок и резкого снижения величины уклонов, вплоть до получения отрицательных уклонов, - за счет разработки оригинальных конструкций газифицируемых моделей (использование вставок, накладок и т. п. без нанесения клея).
В данной работе для исследования отливали в песчаные формы образцы диаметром 12 мм, в кокиль - заготовки диаметром 10 и 20 мм. Были изготовлены модели заготовок длиной 200 мм и сечением 5x40, 10x40, 20x40, 40x40 мм для заливки методом ЛГМ. Для получения заготовок методом ЛГМ металл заливали в опоку с двойными стенками, внутренняя стенка которой газопроницаема для обеспечения удаления газов: под атмосферным давлением и гравитационным методом с вакуумированием формы.
Рентгенопросвечиванием на аппарате РУМ-7 проведено исследование плотности заготовок, отлитых различными методами. Исследования показали, что при литье в кокиль и ЛГМ величина сечения не влияет на плотность заготовок. Плотность всех исследованных заготовок и образцов, отлитых в песчаную форму и кокиль, практически одинакова. Заготовки, полученные ЛГМ под атмосферным давлением, пористые. Анализ рентгенограмм заготовок показал, что все заготовки имеют пористость (2-3 балл).
Термический анализ сплава АЛ4МС проводили с помощью адиабатического калориметра SH-3000M. При нагреве образцов, выточенных из заготовок, отлитых в песчаные формы, кокиль и методом ЛГМ, измеряли теплоемкость. Кривые изменения теплоемкости образцов в интервале температур 450-625°С представлены на рис. 1. Установлено, что первый тепловой эффект, соответствующий началу плавления легкоплавких эвтектик, при литье в песчаные формы и методом ЛГМ наблюдается при температуре около 500°С, второй - при 528°С. При литье в кокиль зафиксирован только один тепловой эффект при температуре 536°С, температурный интервал эвтектического превращения ~50°С. Эти данные согласуются с исследованием микроструктуры в литом состоянии: при литье в землю и ЛГМ в структуре наблюдается фаза W, наличие которой обусловливает первый тепловой эффект. Конец эвтектического превращения для всех видов литья происходит приблизительно при температуре 570°С, температурный интервал эвтектического превращения ~70°С. Исходя из данных термического анализа, при нагреве под закалку образцов и деталей из сплава АЛ4МС следует использовать трехступенчатый режим термической обработки с температурой нагрева на первой ступени 490°С. Для тонкостенных кокильных отливок возможен двухступенчатый режим нагрева под закалку с температурой 1-й ступени 515°С, 2-й ступени: 525°С.
450 475 500 525 550 575 600°С
Рис. 1. Кривые изменения удельной теплоемкости сплава АЛ4МС в зависимости от способа литья: в землю (•), кокиль (•) и ЛГМ (•)
По результатам термического анализа, для нагрева под закалку кокильных образцов и деталей из сплава АЛ4МС сечением до 10 мм можно применять двухступенчатый режим. Для литых образцов и деталей, отлитых в песчаные формы, методом ЛГМ и в кокиль, сечением больше 10-15 мм, следует использовать трехступенчатый режим нагрева под закалку. Все образцы и заготовки были подвергнуты термообработке по режиму Т5: нагрев под закалку трехступенчатый при 490°С, 4 ч, + 500°С, 4 ч, + 510°С, 6 ч, закалка в воде при 20°С, старение при 160°С, 10 ч, охлаждение на воздухе. Кокильные заготовки также прошли термообработку по режиму Т5 с двухступенчатым нагревом под закалку при 515°С, 4 ч, + 525°С, 8 ч, закалкой в воде при 20°С, старением при 160°С, 10 ч, охлаждением на воздухе.
Определение механических свойств проводили при комнатной температуре при испытаниях на растяжение отдельно отлитых образцов 012 мм и выточенных из заготовок образцов 012 и 05 мм (см. таблицу).
Плотность и механические свойства образцов из сплава АЛ4МС
Способ выплавки Образцы Плотность моделей, кг/м3 Т емпература заливки, °С Обнаруженные дефекты (пористость), балл ов, МПа 5, %
В кокиль Т оченые 05 мм — 730 — 360-380 4,0-6,8
В пес- Отдельно отли- — 730 — 320-340 3,0-4,6
чаные тые 012мм
формы
ЛГМ Заготовки
сечением, мм:
40х5 40 750 2-3
40х10 38 750 2-3
40х20 35 750 2-3 ► (230-270)* (1,5—2,8)*
40х20 38 750 2-3
40х40 27 750 2-3 J
* Усредненные значения.
Из анализа данных, приведенных в таблице, следует, что при литье в песчаные формы, как и при литье в кокиль, отдельно отлитые образцы в состоянии Т5 имеют сочетание значений механических свойств выше, чем у сплава АЛ34 (ГОСТ 1583-93). Сплав АЛ4МС имеет ов>320 МПа, 5>3%, сплав АЛ34: ов>300 МПа, 5>2%. Заготовки литьем по газифицируемым моделям заливали двумя способами: под атмосферным давлением и гравитационным методом с вакуумированием формы. Пористость заготовок соответствовала 2-3 баллу. Обычно свойства деталей, отлитых методом литья по газифицируемым моделям, сравнивают со свойствами литья в песчаные формы. Поскольку заготовки имели сечение до 40 мм и исследование свойств проводилось на вырезанных образцах, то можно рассматривать их как детали. Вырезанные из деталей образцы должны удовлетворять требованиям ОСТ1 90021-92, в соответствии с которыми значения предела прочности должны составлять не менее 75%, а относительного удлинения - не менее 50% от свойств отдельно отлитых образцов.
Исследование микроструктуры сплава АЛ4МС в зависимости от способа литья проводилось на микрошлифах после травления в 0,5%-ном водном растворе плавиковой кислоты на микроскопе Neophot (рис. 2).
а) б) в)
Рис. 2. Микроструктура (х100) сплава АЛ4МС в литом состоянии (травление в 0,5%-ном водном растворе HF) при литье в песчаные формы (а), кокиль (б) и ЛГМ под атмосферным давлением (в)
Микроструктура представляет, главным образом, дендритные ячейки a-твердого раствора, окруженные эвтектикой a+Si. При литье в песчаную форму в структуре наблюдаются самые крупные зерна a-твердого раствора, фазы Si, CuAl2 и W(AlxMg5Cu4Si4), входящие в состав эвтектик (рис. 2, а). При литье в кокиль (рис. 2, б) скорость кристаллизации выше, происходит измельчение дендритных ячеек и фаз, входящих в состав эв-
тектик. При ЛГМ (рис. 2, в) величина зерна приблизительно такая же, как при литье в кокиль, но можно увидеть фазы Si, CuAl2, W, явно видна пористость. Кроме того, следует отметить, что в структуре заготовки толщиной 5 мм, отлитой ЛГМ под атмосферным давлением, наблюдается вытянутость дендритных ячеек a-твердого раствора и фаз по границам ячеек в одном направлении - по длине заготовки, что соответствует направлению по высоте заливки.
Исследование микроструктуры сплава в термообработанном состоянии показало (рис. 3), что трехступенчатый режим термической обработки является оптимальным, все упрочняющие фазы переведены в твердый раствор, пережога нет. В микроструктуре наблюдаются зерна a-твердого раствора, окруженные частицами Si. Величина зерен соответствует методу литья и сечению заготовок.
Рис. 3. Микроструктура (х100) сплава АЛ4МС в состоянии Т5 (травление в 0,5%-ном водном растворе HF) при литье в песчаные формы (а), кокиль (б) и ЛГМ под атмосферным давлением при сечении заготовок 20х40 (в) и 40х40 мм (г)
На основании проведенных исследований показано, что сплав АЛ4МС может быть использован для литья деталей любыми способами. По результатам проведенных исследований разработана ТР 1.2.1802-2004 «Процесс изготовления заготовок из сплава АЛ4МС методом литья по газифицируемым моделям». ТР регламентирует возможность отливки заготовок из высокопрочного высокотехнологичного сплава АЛ4МС прогрессивным экономичным способом ЛГМ. В ТР приводятся описания изготовления пеномоделей; сборки блока заготовок с литниковой системой; формовки заготовок в специальную опоку; заливки двумя способами; регламентируются условия, обеспечивающие охрану труда и окружающей среды.
б)
г)
а)
в)
