Предотвращение образования и блокирование отрицательного воздействия пористости на свойства отливок из алюминиевых сплавов

Аннотация

The author describes a mechanism of buildup of openness in alum alloys castings, measures for its exclusion and means of blockage of its negative effect on properties of castings.

Полный текст

Литейные сплавы на основе алюминия [1] широко применяются для получения отливок машиностроительного профиля [2], включая корпусные детали силовых агрегатов авиационной [3] и космической техники [4], вследствие того, что эти сплавы характеризуются высокими технологическими [5] и механическими свойствами [6], гарантирующими надежность их работы в сложно-нагруженных условиях, например, в составе топливо-насосных агрегатов (рис. 1, 2) ЖРД [7; 8]. * i Рис. 1. Литая деталь турбонасосного агрегата [4] (http://www.yuzhmash.com/ru/product.php?page=uzliavto) Рис. 2. Основной турбонасосный агрегат ЖРД в сборе [8] В основном с этой целью применяют сплавы на основе системы Al-Si и Al-Mg с легированием их различными упрочняющими добавками [9]. Однако известно, что алюминиевые сплавы в процессе их приготовления в той или иной степени растворяют водород [10], содержание которого в жидком металле определяется температурно-временными режимами плавки и обработки расплава средствами, препятствующими насыщению его водородом [11]. Обычно дегазация производится введением в расплав хлорсодержащих соединений, например, хлористого магния MnCl2 или более эффективного гексахлорэта-на C2Cl6. В результате взаимодействия этих соединений с водородом образуются пары HCl, которые улетучиваются из расплава. Существуют и другие средства и способы уменьшения содержания водорода в расплаве (прямая продувка хлором или азотом, обработка током, ультразвуком и др.). Эффективный способ повышения плотности отливок без засорения их продуктами взаимодействия дегазаторов с водородом и футеровкой плавильных агрегатов заключается в создании направленной кристаллизации металла в форме - от нижних слоев отливки к верхним, в результате охлаждения низа кокиля [12]. Растворенный в жидком металле водород в процессе кристаллизации отливок, получаемых из алюминиевых сплавов с узким интервалом кристаллизации (температура от начала до окончания кристаллизации - от линии ликвидуса до линии солидуса, к которым относятся сплавы системы Al-Si (рис. 3) [13] в интервале содержания кремния от 8,0 до 11,5 % (например, АК9ч, АК7ч и др.), образует в их объеме рассеянную пористость. Рис. 3. Диаграмма состояний Al-Si [13] Оценка пористости отливок (то есть количество и размеры пор) производится в условных баллах (см. таблицу, рис. 4) при изучении рентгеновских пленок, экспонированных с помощью рентгеновского просвечивания при наложении на них вырезанных из детали-представителя темплетов (плоские образцы). При этом усадочная рыхлость или центральная пористость исключается. 124 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева -• *:у _ ► i • ш + Ш * I • • • - •*'. . * * • • * балл 1 балл 2 балл 3 балл 4 балл 5 Рис. 4. Пористость по шкале ВИАМ Оценка пористости отливок [1] Пористость, балл Диаметр пор, мм Количество пор на 1 см2, шт. 1 до 0,1 до 5 2 до 0,1 до 8 до 0,2 до 2 3 до 0,3 до 12 до 0,5 до 3 4 до 0,5 до 14 до 1,0 до 6 5 до 0,5 до 15 до 1,0 до 8 > 1,0 до 2 глинистые формы. При этом в усадочные пустоты выделяется и растворенный в расплаве водород. Пользоваться эталонами степени пористости можно независимо от марки сплава. В основном в производство пропускаются отливки с пористостью не больше 1 и 2 баллов, но на деталях, работающих в условиях высоких давлений, пористость вообще не допускается. Установлено, что плотность отливок из узкоинтервальных алюминиевых сплавов отражает наличие в них несплошностей, и их количество и величина влияют на уровень механических свойств литых деталей. Присутствующие в алюминиевых отливках поры уменьшают плотность металла, что приводит к снижению их механических свойств [14]. Например, на сплаве АК9ч (8,0-10,5 % Si; 0,17-0,30 % Mg; 0,20-0,50 % Mg; rem. - Al) нами установлено, что при плотности отливок (определяемой методом гидростатического взвешивания) р = 2564 кг/м3 временное сопротивление составило ств = 235 МПа, относительное удлинение 5 = 5,0 %, тогда как при р = 2 575 кг/м3 ств повысилось до 260 МПа (на 10,4 %), 5 - до 5,6 % (на 12,0 %), а при р = 2 658 кг/м3 ств повысилось до 275 МПа (на 17,0 %), а 5 - до 8,2 % (на 64,0 %) [15; 16]. При литье деталей из сплавов с широким интервалом кристаллизации, к которым относятся сплавы системы Al-Mg (рис. 5) [13] в интервале содержания магния от 6,0 до 10,5 % (например, АЛ8, АМг10ч и др.), вследствие кристаллизации металла по так называемому «объемному» механизму отливки оказываются пораженными междендритной усадочной пористостью (рис. 6) [17], что снижает их прочностные показатели и герметичность. Этот дефект обычно возникает при медленной скорости кристаллизации сплава, например, при литье в песчано Рис. 5. Диаграмма состояний Al-Mg [13] Рис. 6. Усадочная пористость (http://www.lityo.com.ua/li/s_41.html) Известным металловедом академиком А. А. Боч-варом на основании предложенной им теории кристаллизации сплавов под давлением совместно с профессором А. Г. Спасским, в период их работы в Московском институте цветных металлов и золота, была разработана и внедрена в производство технология автоклавного литья деталей авиационных двигателей из алюминиевых сплавов. При этом собранную форму устанавливают в металлическую емкость, в крышке которой находится отверстие, совпадающее с литниковой чашей в литейной форме. После заливки металла в форму быстро закрывают крышку в металлической емкости и подают в нее сжатый воздух под давлением 4...5 атм (1 атм = 0,10133 МПа = 1,0333 кгс/см2) [18]. 125 Технологические процессы и материалы Давление на жидкий металл в процессе кристаллизации усиливает питание расплавом затвердевающих междендритных пустот, в результате чего получаются плотные отливки, механические свойства и герметичность которых удовлетворяют требованиям технической документации. Существует технология повышения плотности уже отлитых деталей, что достигается пропиткой имеющихся в них усадочных пустот различными веществами с последующим их затвердеванием [19; 20]. В качестве пропитывающего вещества зачастую применяют бакелитовый лак. Пропитка выполняется в автоклаве под давлением с последующей промывкой пропитанных деталей этиловым спиртом и сушкой.