Производство качественных машиностроительных отливок на основе комплексного рафинирования и модифицирования вторичного силумина

Перед литейщиками все чаще стоит задача производства качественных отливок используя максимально возможное количество вторичных сырьевых материалов.

Особенно это наглядно проявляется при производстве отливок из силуминов. Вторичные сплавы системы Al-Si, практически вытеснили или сократили до минимума количество первичных алюминиевых сплавов в шихте. Причина этого банальна- ценовой фактор. Рынок заставляет производителей литья максимально снижать издержки производства, применять новые технологические процессы и эффективные вспомогательные материалы- флюсы, дегазеры, модификаторы, технологические покрытия, смазки, эмульсии и т.д., чтобы на базе вторичных ресурсов качество отливок соответствовало нормативным требованиям.

Известно, что силумины относятся к гетерофазным сплавам, в структуре которых содержатся кристаллические образования с преимущественного ковалентным характером связи (кремний и железосодержащие фазы) имеющие поэтому форму пластинчатых и игольчатых включений. Эти включения являются концентраторами напряжений, что существенно снижает уровень механических свойств [1]. Во вторичных шихтовых материалах- лом, стружка, шлак и т.п. и т.д. содержание железосодержащей фазы, как правило, находится на уровне повышенных концентраций. Поэтому в арсенале литейщиков должны быть различные технологические приемы, включающие подготовку шихтовых материалов, плавку, внепечную обработку и затвердевание отливок.

Научно-производственное предприятие «Эвтектика» г. Минск Беларусь, имея огромный (более 20-ти лет) опыт решения сложных технологических задач на основе собственных исследований и разработок, может предложить для каждого производства оптимальное решение таких технически проблем.

Примером может служить опыт производства отливок машиностроительного профиля из доэвтектических силуминов.

В обычной практике, при газопламенной выплавке алюминиевых доэвтектических сплавов для кокильного литья, обычно жестко ограничивается предельная концентрация железа (Fe), чтобы избежать образование в отливках вредной игольчатой железосодержащей β-(Al-Si-Fe) фазы. Игольчатая железосодержащая β-фаза является концентратором внутренних напряжений и приводит к охрупчиванию тонкостенных деталей, таких как «Колесо компрессора», что отрицательно сказывается на работе деталей силовых агрегатов из-за образования трещин при знакопеременных механических и температурных напряжениях, что приводит к образованию трещин разгара.

Для отливок «Колесо компрессора» предельная концентрация железа (Fe) в сплаве, как правило, не превышает 0,2 %. Одна из модификаций такой отливки показана на рисунке 1.

Рис. 1. Отливка колеса компрессора

Алюминиевый сплав АК9ч является основным в производстве автомобильного литья. Выплавляется АК9ч, как правило в газопламенных печах, затем переливается в раздаточные ковши. Далее сплав подвергается ковшевой обработке «Препаратом таблетировнным комплексным» (для модифицирования α-твердого раствора алюминия) и дегазации на стационарных постах, затем доставляется в раздаточные печи литейных кокильных машин.

Основными фазами в структуре сплава АК9ч являются эвтектика         (αAl +Si), упрочняющая сплав, и αAl – твердый раствор.

С целью снижения дефектности литья в весенне-летний период производилась заливка отливок из сплава АК9ч с предельно низкой концентрацией железа (Fe) до 0,25 %, но был получен отрицательный результат в отливках группы модификаций «Головка цилиндра». Произошел рост брака   после механической обработки отливок по негерметичности в 2,5 раза.

Группа модификаций отливок «Головка цилиндра» является особо сложной по конфигурации, с наличием большого количества внутренних полостей и тепловых узлов.

Полости оформляются собранными в пакет стержнями, имеются также три питающие прибыли, из которых основная прибыль с обратным уклоном, не развита из-за специфики конструкции отливки и ограничена, ввиду конструкции кокиля.

Общий вид литниково-питающей системы, отливки и стержневого пакета показан на рисунке 2.

Рис. 2. Общий вид литниковой системы, отливки и стержневого пакета.

Анализ микроструктуры сплава отливок с химическим составом, приведенным в таблице №1, выявил значительно меньшее образование эвтектики (αAl+Si), основной упрочняющей фазы сплава. Особенно заметно меньшее количество эвтектики (αAl+Si) в тонких частях отливки по причине ликвации кремния (Si) в массивные части отливки. Практически отсутствуют также упрочняющие сплав интерметаллидные включения в αAl - твердом растворе железосодержащей   β-(Al-Si-Fe-Mn) фазы.

Таблица №1. Содержание элементов, %

       Микроструктура в отливке с уменьшенным количеством эвтектики показана на рисунке 3, где:

         - рисунок 3а - до термообработки с увеличением х100;

         - рисунок 3б – до термообработки с увеличением х200;

         - рисунок 3в - после термообработки по режиму Т6 с увеличением х100;

         - рисунок 3г – после термообработки по режиму Т6 с увеличением х200.

Микроструктура, увеличение х100	Рис. 3а
	Хим. состав по таблице №1, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора; -включения Si; мелкозернистая эвтектика (αAl+Si).

Микроструктура, увеличение х200	Рис.3б
	Хим. состав по таблице №1, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора; -включения Si; мелкозернистая эвтектика (αAl+Si).

Микроструктура, увеличение х100	Рис. 3в
	Хим. состав по таблице №1, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора; -включения Si; - мелкозернистая эвтектика (αAl+Si).

Микроструктура, увеличение х200	Рис. 3г
	Хим. состав по таблице №1, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора; -включения Si; - мелкозернистая эвтектика (αAl+Si).

Можно предположить, что при низкой концентрации железа (Fe) в сплаве АК9ч имеет место недостаточное количество центров кристаллизации для создания оптимальных условий формирования эвтектики в микроструктуре отливки.

Применение железистой лигатуры для увеличения концентрации в сплаве железа (Fe) до 0,35 % позволило снять проблему высокого уровня брака отливок по негерметичности.

Анализ микроструктуры сплава отливок с химическим составом, приведенным в таблице №2, выявил значительно возросшее количество эвтектики (αAl+Si), наличие интерметаллидных компактных включений в αAl - твердом растворе железосодержащей   β-(Al-Si-Fe-Mn) фазы.                                                                                        

Таблица №2. Содержание элементов, %

Типичная микроструктура сплава в отливке показана на рисунке 4, где:

         - рисунок 4а - до термообработки с увеличением х100;

         - рисунок 4б – до термообработки с увеличением х200;

         - рисунок 4в - после термообработки по режиму Т6 с увеличением х100;

         - рисунок 4г – после термообработки по режиму Т6 с увеличением х200.

Микроструктура, увеличение х100	Рис.4а
	Хим. состав по таблице №2, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора, имеющие включения состоящие из интерматаллидов компактной формы; включения Si; - мелкозернистая эвтектика (αAl+Si) с утолщенными включениями Si по границам эвтектических колоний.

Микроструктура, увеличение х200	Рис.4б
	Хим. состав по таблице №2, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора, имеющие включения состоящие из интерматаллидов компактной формы; включения Si; - мелкозернистая эвтектика (αAl+Si) с утолщенными включениями Si по границам эвтектических колоний.

Микроструктура, увеличение х100	Рис.4в
	Хим. состав по таблице №2, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора, имеющие включения состоящие из интерматаллидов компактной формы: включения Si; - крупнозернистая эвтектика (αAl+Si) .

Микроструктура, увеличение х200	Рис.4г
	Хим. состав по таблице №2, образец до т/о, сплав модифицирован. Структура образца состоит из: -αAl – твердый раствор дендритного строения; -зерна αAl – твердого раствора, имеющие включения состоящие из интерматаллидов компактной формы; включения Si; - крупнозернистая эвтектика (αAl+Si) .

Из вышеприведенного следует, что интерметаллидные компактные включения   железосодержащей β -(Al-Si-Fe-Mn) фазы в αAl - твердом растворе крайне важны и их образование достигается оптимизацией интервального уровня допустимой концентрации примеси железа (Fe) в химическом составе алюминиевого сплава.

Можно предположить, что тугоплавкие интерметаллидные включения в αAl - твердом растворе изначально, как дополнительные центры кристаллизации, образуют «армирующий каркас», который и создает условия как для формирования эвтектической фазы (αAl+Si), так и для снижения ее ликвации из тонких частей в толстые части отливки.

Упрочнение αAl - твердого раствора интерметаллидными компактными включениями железосодержащей β -(Al-Si-Fe-Mn) фазы позволяет также получить в процессе объемной кристаллизации более плотную структуру αAl - твердого раствора и сплава в целом, что резко снижает дефектность отливок по негерметичности.

Приведенные результаты практического решения проблемы повышения качества литья основаны на применении вторичных шихтовых материалов и применения высококачественных и эффективных вспомогательных материалов производства ОДО «Эвтектика» (Минск, Беларусь), а именно:

1. Флюс покровно-рафинирующий ТУ 100196035.005-2000.

2. Препарат таблетированный комплексный ТУ 100196035.017-2009.

3. Флюс покровно-рафинирующий с модифицирующим эффектом ТУ 100196035.005-2000.

4. Покрытие разделительное (краска для кокилей) ТУ 100196035.007-2001.

Поэтому технологический вариант производства качественного литья из силуминов всегда можно разработать и реализовать под конкретные условия завода-производителя, основываясь на фундаментальных знаниях о рафинировании, дегазации, модифицировании и управлении кристаллизацией алюминиевых сплавов.

Литература:

1. Немененок Б.М. Теория и практика комплексного модифицирования силуминов. Минск.: Технопринт- 1999-268 с.