Анализ структуры и разработка технологии получения литых заготовок из бронзы БрО10С2Н3 с целью изготовления из них изделий ответственного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Герасименко, Екатерина Аркадьевна

• Герасименко, Екатерина Аркадьевна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Герасименко, Екатерина Аркадьевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Оловянистые бронзы. Влияние легирующих элементов на свойства бронзы

1.2. Особенности плавки оловянистых бронз

1.3. Особенности получения заготовок из оловянистых бронз

1.4. Влияние ультразвуковой обработки расплава на качество заготовок

2. Методика эксперимента

2.1. Объект исследования и его характеристика

2.2. Методика приготовления расплава

2.3. Методика наложения ультразвука на изложницу

2.4. Методика определения химического состава сплава

2.5. Методика определения пористости в образцах

2.6. Методика металлографических исследований

2.7. Математическая обработка результатов исследования

3. Анализ влияния условий затвердевания слитков из

бронзы БрОЮС2НЗ на структуру и качество сплава

3.1. технология приготовления расплава бронзы БрОЮС2НЗ в индукционной тигельной печи

3.2. Моделирование процессов затвердевания оловянистой

бронзы БрОЮС2НЗ

3.3. Влияние условий затвердевания слитков из бронзы

БрОЮС2НЗ на их качество. 65 3.3.1. Структура бронзы БрОЮС2НЗ и качество слитка, изготовленного методом литья в изложницу с донным

охлаждением изложницы

3.3.2. Структура бронзы БрОЮС2НЗ и качество слитка, изготовленного методом литья в изложницу с объемно водяным охлаждением изложницы

4. Анализ влияния условий затвердевания слитков из

бронзы БрОЮС2НЗ в поле ультразвуковых волн

4.1. Структура бронзы БрОЮС2НЗ и качество слитков, изготовленных из нее методом литья в изложницу с воздушным охлаждением и находящуюся в поле ультразвуковых волн

4.2. Структура бронзы БрОЮС2НЗ и качество слитков, изготовленных из нее методом литья в изложницу с объемно — водяным охлаждением и находящуюся в поле ультразвуковых

волн

4.3. Структура бронзы БрОЮС2НЗ и качество слитков, изготовленных из нее методом литья в комбинированную

литейную форму в поле ультразвуковых волн

5. Опытно — промышленное опробование 102 Выводы Ю6 Список литературы 108 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ структуры и разработка технологии получения литых заготовок из бронзы БрО10С2Н3 с целью изготовления из них изделий ответственного назначения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Заготовки из оловянистых бронз нашли широкое применение в современном авиастроении благодаря уникальному сочетанию физических, механических и эксплуатационных свойств. В связи с этим, получение слитков со стабильно высоким уровнем качества из таких сплавов как бронза БрОЮС2НЗ с набором свойств, требуемых нормативной документацией, для отливок ответственного назначения является актуальной задачей.

В настоящее время в изделиях системы торможения самолетов применяются такие детали как башмак, втулка и другие, изготавливаемые из бронзовых заготовок, получаемых наполнительным литьем в стальную изложницу. Однако, из-за большого интервала кристаллизации сплава БрОЮС2НЗ, в литых заготовках частым является дефект в виде пористости. Кроме этого, нестабильна структура сплава в части содержания в ней требуемого количества эвтектоидной составляющей, конкретно прописанного в технологической документации.

Данная ситуация свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования технологического процесса изготовления литых заготовок из оловянистой бронзы БрОЮС2НЗ.

Формирование структуры сплава в слитках зависит от многих факторов, основными из которых являются: температура формы и заливаемого металла, скорость кристаллизации сплава и затвердевания слитка, а также время заполнения расплавом полости формы. Влияние каждого из отмеченных факторов на структуру оловянистых бронз в слитках в целом хорошо изучено. Однако, информация о возможности получения из широкоинтервальной оловянистой бронзы БрОЮС2НЗ слитков без усадочной и газовой пористости с высоким выходом годного и со стабильным содержанием эвтектоида в структуре сплава, в литературе отсутствует. В связи с этим целесообразно проанализировать влияние дополнительных факторов, кроме отмеченных выше, на их качество. Основываясь

на анализе литературных данных, было установлено, что на плотность слитка существенное влияние может оказывать ультразвуковая обработка расплава в процессе его кристаллизации. При этом недостаточно сведений о влиянии этой обработки на структуру и фазовый состав сплавов, в частности бронзы БрОЮС2НЗ.

Проведение данной диссертационной работы вызвано производственной необходимостью повышения выхода годных заготовок для авиастроения со стабильным количеством эвтектоидной составляющей и с отсутствием пористости. Данные изделия изготавливаются на предприятии ОАО «АК «Рубин» из оловянистой бронзы БрОЮС2НЗ.

В настоящее время известно, что для повышения количества эвтектоида в слитке необходимо увеличивать скорость охлаждения. Так было установлено из литературы, что в сплаве БрОСЮ-Ю при скорости охлаждения 158 °С/с содержание эвтектоида составляет 15 % [5]. Однако получение широкоинтервальных оловянистых бронз без усадочной пористости затруднено, поэтому при литье предусматривают совмещение прибылей с наружными холодильниками. Делая вывод, можно отметить, что в данной бронзе БрОЮС2НЗ, необходимо совместить при затвердевании сплава несколько условий.

На основании анализа имеющейся технологии литья оловянистой бронзы в изложницу с водяным охлаждением, применяемую на «АК «Рубин» невозможно стабильно получать заготовки высокого качества.

Цель работы.

1. Исследование структуры бронзы БрОЮС2НЗ в слитках, затвердевающих в поле ультразвуковых волн при различных скоростях охлаждения.

2. Разработка технологии плавки и литья бронзы БрОЮС2НЗ, позволяющей получать слитки стабильно высокого качества, отвечающих

требованиям ОСТ 1 90054-72 и ТУ1-92-145-89 (далее ТД) с выходом годных0 изделий не менее 70 %.

Для достижения цели работы потребовалось решить следующие задачи:

1. Определить температуры фазовых превращений бронзы БрОЮС2НЗ (ликвидус, солидус).

2. Выявить влияние ультразвуковой обработки расплава на структуру сплава и пористость в литых заготовках.

3. Установить связь скорости охлаждения расплава со способом охлаждения литейной формы, со структурой бронзы БрОЮС2НЗ и качеством слитка.

4. Определить оптимальные условия для изготовления литых заготовок из бронзы БрОЮС2НЗ, позволяющих получать их с высоким выходом годных заготовок (не менее 70 %) и качеством не ниже требований ТД.

Научная новизна.

1. Подтверждена связь скорости затвердевания слитка из бронзы Бр010С2НЗ с количеством эвтектоидной составляющей в микроструктуре бронзы и установлено положительное влияние ультразвуковой обработки при затвердевании расплава на количество данной составляющей. В слитке 090x0120x160 мм при затвердевании без ультразвуковой обработки объемная доля эвтектоида составила около 3,6 %, а при затвердевании в поле ультразвуковых волн около 4,8 %.

2. Экспериментально доказано, что при кристаллизации сплава БрОЮС2НЗ в стальной Ст5 изложнице (толщина стенки 10 мм, высота 160 мм, диаметр 90 -120 мм) в поле ультразвуковых волн градиент температуры по сечению слитка уменьшается более чем в два раза. Это приводит к увеличению в структуре сплава зоны равноосных кристаллов.

3. Установлено, что при кристаллизации сплава Бр0ЮС2НЗ в поле ультразвуковых волн в литейной форме, состоящей из стальной рубашки и

'' Выход годных изделий - это количество годных колец, выточенных из слитка БрОЮС2НЗ 090x0120x160 мм, размером 068x025x5 мм. (10 штук - 100 %).

теплопроводного наполнителя (графит), реализуется процесс направленной кристаллизации. Это позволяет получать гарантировано плотные слитки и при этом, выход годных заготовок увеличивается до 70 %.

4. Впервые проведены исследования структуры в оловянистой бронзе БрОЮС2НЗ при наполнительном литье с различными условиями затвердевания (донное и объемное водяное охлаждение; в поле ультразвуковых волн и при литье в комбинированную форму).

5. Уточнен фазовый состав оловянистой бронзы БрОЮС2НЗ с добавлением 3 % N1 при литье в комбинированную литейную форму.

Практическая значимость

1. Предложен способ заливки в комбинированную литейную форму в поле ультразвуковых волн бронзы БрОЮС2НЗ, обеспечивающий требуемое содержание эвтектоида наряду с высокой плотностью слитка.

2. Повышена технологичность и стабильность процесса изготовления слитков из бронзы БрОЮС2НЗ с применением ультразвуковой обработки за счет изменения способа создания поля ультразвуковых волн в процессе кристаллизации сплава и отказа от использования воды для охлаждения изложницы в процессе затвердевания слитка.

3. Увеличен более чем на 30 % выход годных заготовок при литье слитков 090x0120x160 мм из бронзы БрОЮС2НЗ по новой технологии.

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены: на международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», НИТУ «МИСиС», Москва, 2013; на конференции «Литые материалы и ресурсосберегающие технологии», ВлГУ Владимир, 2013; на международном научно - техническом симпозиуме, СамГТУ, г. Самара, 2008.

Результаты диссертационной работы отражены в 6 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций, в том числе 3 статьи из списка рекомендуемых ВАК изданий.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Оловянистые бронзы. Влияние легирующих элементов на свойства

бронзы.

Бронзой называются сплавы на основе меди. Исключение составляют латуни, представляющие собой группу медно-цинковых сплавов.

Название бронзам дают по основным элементам. Их подразделяют на оловянные, кремнистые, алюминиевые, свинцовистые, бериллиевые и др. Бронзы в соответствии с ГОСТ 614-97 маркируются буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы и цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов[1]. Например, Бр04Ц8С5 содержит 4 % Эп , 8 % Zn, 5 % РЬ.

Медные сплавы с содержанием олова более 4 % называются оловянистыми бронзами, которые относятся к классу высококачественных литейных сплавов с минимальной усадкой в процессе литья. Сплавы с большим содержанием Бп до 20 %, используются только в литом состоянии. Оловянистые бронзы отличаются от остальных бронз высокой жидкотекучестыо, хорошей заполняемостью литейной формы и имеют незначительную объемную усадку, что позволяет получать отливки со сложной формой и резкими переходами от тонких сечений к толстым. Они хорошо свариваются и паяются, немагнитны.

Данная работа была направлена на изучение свойств оловянистой бронзы с содержанием олова 10 %. Такие сплавы используются для изготовления из них деталей ответственного назначения, работающих на износ и подвергающихся диффузионной сварке. Бронзы с содержанием олова 10 — 20 % применяются для особо ответственных деталей, и их состав и свойства определяются специальными ТУ и ОСТ. В ГОСТах [1, 2, 3] определяется состав и свойства распространенных медных сплавов. Литейные оловянистые бронзы, содержащие большое количество олова, имеют двухфазную структуру: а-твердый раствор с

включениями твердых и хрупких кристаллов 5-фазы (Сиз^Пв). На рисунке 1 приведена диаграмма состояния Си-Бп [4]. В твердом состоянии бронза имеет следующие фазы: а-твердый раствор олова в меди (кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная); р-твердый раствор на базе электронного соединения Си8п, 8-электронное соединение Сиз^пв, у-твердый раствор на базе химического соединения Си38п (е -соединение).

Система Си-8п имеет несколько перетектических и два эвтектойдных превращения. При 350 °С 5 -фаза (Си3|8п8) должна распадаться на а-твердый раствор и г-фазу (Сиз8п). Однако, с понижением температуры распад 5-фазы протекает очень медленно, поэтому в реальных условиях охлаждения бронза состоит из а и 8 фаз. На практике для производства деталей применяют сплавы с содержанием олова до 10-12 %. Сплавы более богатые оловом очень хрупкие. Бронзы, содержащие до 4-5 % 8п, после деформации и отжига имеют в структуре в основном а-твердый раствор олова в меди. Однако после литья даже низколегированные бронзы в результате ликвации могут иметь включения эвтектоида (а+Сиз18п8). При этом, с увеличением количества олова предел прочности возрастает. Большое количество хрупкого соединения Сиз^Пв в бронзе приводит к снижению прочности при большом содержании олова. Исследуя диаграмму, рассматривалась равновесная кристаллизация. Однако, в реальных условиях протекает неравновесная кристаллизация. Так, изучив литературные данные, было установлено, что на количество эвтектоидной составляющей прямое действие оказывает скорость охлаждения.

. && . £9- -ТВ -ДГ %

- ..:.........:.......-.....■,Сс&вжаме:$!Г:..,.....

Рисунок 1—Диаграмма состояния Си-8п

На основании исследований Мартюшева Н. В. [5] можно сделать вывод о том, что скорость охлаждения в значительной мере влияет на структуру бронзовых отливок, изменяя фазовый состав, морфологию фаз. Бронза БрОС 10-10 при охлаждении «литье в кокиль» состоит из матрицы - а-твердого раствора, эвтектоида на основе Сиз^п« и включений свинца. На рисунке 2 представлена структура данной бронзы, полученной с различными скоростями охлаждения. Видно, что на фоне светлой матрицы имеются черные включения свинца и серые включения эвтектоида.

а) б)

Рисунок 2 - Микроструктура бронзы марки БрОС 10-10 запитой в форму: а - с температурой 20 °С (скорость охлаждения 158 °С/с); б - с температурой 800 °С (скорость охлаждения 10 °С/с).

Анализ бронзы БрОС 10-10 показал, что низкая скорость охлаждения (10-40 °С/с) приводит к практически полному исчезновению эвтектоида, высокая скорость (120-150 °С/с), наоборот, дает максимальное его количество в пределах 10 % (по площади). Косвенно увеличение количества эвтектоида при росте скорости охлаждения подтверждается данными химического анализа фаз. При скорости охлаждения 158 °С/с эвтектоид состоит из 24,8 % олова и 75,2 % меди (таблица 1), а-твёрдый раствор на основе меди содержит 4,6 % олова. При 10 °С/с состав эвектоида остается тем же - 25,3 % олова и 74,7 % меди, а состав а-твёрдого раствора изменяется, в нем содержится уже 9,7 % олова [5, 6, 7].

В связи с тем, что о бронзе БрОЮС2НЗ в литературе мало сведений, то влияние каждого элемента рассматривалось на других сплавах. Так, в бронзе БрОС 10-10, также как и в бронзе БрОЮС2НЗ, имеется свинец, поэтому было уделено внимание его расположению и влиянию на свойства сплава.

Таблица 1

Зависимость содержания эвтектоида от средней скорости охлаждения расплава бронзы БрОС 10-10 [5]

Скорость охлаждения, °С/с содержание эвтектоида, %

158 15

137 12

45 7

25 5

10 3

Диаграмма состояния Си — РЬ представлена на рисунке 3 [4]. Система характеризуется наличием монотектического и эвтектического равновесий и 2х твердых растворов (Си) и (РЬ). Растворимость свинца в меди при температуре 600 °С не превышает 0,09 % (ат.) [4, 8].

РЬ,%(по кассе) 010 20 30 40 50 60 70 80

ЮдЧ}в1

327,502°

200

20 30 40 50 60 70 80 90 100 РЬ,%(ат.) рь

Рисунок 3 - Диаграмма состояния Си — РЬ

Свинец при содержании до 3 % не оказывает влияния на механические свойства, однако повышает плотность отливок, улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Так, для лучшей обрабатываемости в бронзы вводится свинец в количестве около 3-5 %, который в жидкой фазе не растворяется, а в структуре присутствует в виде мелкорассеянных самостоятельных включений [7, 10, 14, 15].

Изучив литературные данные [5, 7, 9, 10], было установлено, что на распределение и вид свинцовистой фазы оказывает сильное влияние скорость охлаждения. Так, высокая скорость охлаждения приводит к образованию большого количества мелких разветвленных включений свинца с рваной поверхностью, низкая - к образованию в структуре сферообразных включений легкоплавкой фазы с гладкой межфазной поверхностью. Однако, на прочность бронз влияет не только количество свинца, но и форма свинцовых включений. На формирование которых, оказывает влияние ряд технологических параметров (температура заливки, скорость охлаждения). Сфероидизация свинцовой фазы для бинарных свинцовистых бронз приводит к улучшению механических свойств. Однако в свинцово-оловянистых бронзах при низких скоростях охлаждения параллельно со сфероидизацией свинца проходит процесс уменьшения количества эвтектоида. В бронзе БрОСЮ - 10 эвтектоид обладает большей твердостью, чем основная матрица образца. Отсюда, при малых скоростях охлаждения с одной стороны за счет сфероидизации свинца должно происходить улучшение механических свойств, с другой, за счет уменьшения количества твердого эвтектоида, механические свойства должны ухудшаться [5]. Делая вывод, можно отметить, что для получения необходимых свойств требуется подбор оптимальных скоростей охлаждения.

Также, одним из легирующих элементов в исследуемой бронзе является никель, диаграмма состояния показана на рисунке 4 [4, 11, 12]. Из диаграммы видно, что никель полностью растворяется в меди.

t)0G 2800

2600 2563{ 2Ш

1600

то

1200 108^87' 1000

800

600

т

200

N1, % (по массе) О 10 20 30 4 ¡7 50 60 70 80 90 100

2№°

1 1 1. 1 Г, 1 1 1 1 1

/ с и _---- 'У

я Т (+Га, 1

— — ---

Ж~

(Си

Мс ПР1 инип чбрас пное ценш 3 V <ро

— у/

36Г

О 10 20 30 40 50 60 70 30 90 100 С а №,%(ат) N1

Рисунок 4 - Диаграмма состояния Си — N1.

В качестве легирующих элементов в бронзах используются: олово, никель, марганец, свинец, фосфор, бериллий, хром, цирконий, цинк и т.д.

Олово главным образом повышает прочность, упругие свойства, коррозионную и антифрикционную стойкость бронз. Олово (Бп) уменьшает линейную усадку, при содержании 10 - 12 % уменьшает жидкотекучесть и увеличивает интервал кристаллизации. Зависимость механических свойств бронзы от содержания олова (8п) показано на рисунке 5 [13].

нв

юмпа

сГ,%

40

725

30

- 100

20

0,8 0,6

О/*

0,2

10

О 2 Ч 6 в 10 12 ¿77, %

Рисунок 5 - Зависимость механических свойств оловянистой бронзы от содержания олова

Никель (N1) сильно измельчает зерно и повышает температуру рекристаллизации бронз. Вместе со свинцом уменьшает его ликвацию. При содержании > 2 % уменьшает жидкотекучесть, также никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость, плотность отливок и смещает границу а-твердого раствора в сторону медного угла. При небольшой концентрации олова с никелем появляется новая фаза (№48п), которая под влиянием скорости охлаждения выделяется либо в виде мелких игольчатых кристаллов (быстрое охлаждение), либо светло - голубых включений. В сплавах Си-8п никель приводит к повышению температуры ликвидус.

Фосфор - это элемент, от количества которого зависит его влияние. В небольших количествах фосфор улучшает литейные качества, повышает твердость, прочность и антифрикционные свойства. При содержании фосфора более 0,3 % появляется новая фаза — фосфид (С113Р), которая при температуре

714 °С образует эвтектику. В системе Си - Бп - Р при температуре 628 °С образуется тройная эвтектика. При содержании в оловянистых бронзах фосфора 0,5 % и более данная фаза разрушается при горячем деформировании в связи с тем, что происходит расплавление эвтектики. Поэтому, максимальное содержание фосфора в оловянных бронзах, обрабатываемых давлением, составляет 0,4 % [10, 15]. Данное количество позволяет получать оловянные бронзы с оптимальными механическими свойствами, иметь повышенные модуль нормальной упругости, пределы упругости и усталости.

Железо измельчает зерно, но при этом ухудшает технологические свойства. Марганец и кремний повышают жаростойкость бронз. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу [10].

К числу особо вредных примесей в оловянистых бронзах относятся: алюминий, магний, кремний, то есть элементы, которые склонны к реакции с кислородом и образованию пленок тугоплавких окислов, снижающих прочность и плотность отливок [10, 15].

При взаимодействии олова с кислородом образуются оксиды олова (БпОг), представляющие собой кристаллы с очень высокой твердостью, они являются чрезвычайно вредными для изделий, работающих на трение (особенно в маловязких средах), т. к. снижают антифрикционные свойства сплава. Эти кристаллы повреждают и изнашивают шейки валов [15].

Благодаря своим свойствам оловянистые бронзы получили широкое применение в различных областях промышленности: в машиностроении, авиастроении, художественном литье и т. д., но с разработкой новых сплавов область использования оловянистых бронз сократилась. Большинство бронз используются при сварке и пайке твердыми и мягкими припоями. Например, бронзы марки БрОЦС5-5-5 идут на производство антифрикционных деталей, работающих в условиях повышенного трения; из марки БрОЦН5-2-5 изготавливаются шестерни для различных узлов и механизмов, а бронза

повышенной прочности БрОНС11-4-3 применяется для изготовления ответственных деталей, функционирующих в системах повышенного давления.

Сплав БрОЮ является основным сырьём сложного фасонного литья. Бронза содержит а-твердый раствор и включение твердого эвтектоида (а+Си3)8п8), обеспечивающего высокую стойкость против истирания. Оловянистая бронза, с 10 % Бп, является лучшим антифрикционным материалом и применяются как подшипниковые сплавы. Микроструктура бронзы БРОЮ приведена на рисунке 6 [16,17].

Рисунок 6 - Микроструктура бронзы БрОЮ.

В свинцовых бронзах свинец не растворяется в меди, такие сплавы после кристаллизации состоят из кристаллов меди и включений свинца. В бронзах свинец располагается по границам зерен (рисунок 7) или заполняет междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это обуславливает широкое применение свинцовистых бронз для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.

Рисунок 7 - Микроструктура свинцовой бронзы БрСЗО.

Анализ бронз по структуре и химическому составу показывает, что бронза БрОЮС2НЗ состоит из а-твердого раствора, эвтектоида и включений свинца. Сплав БрОЮС2НЗ является широкоинтервальным. Исходя из этого, при литье возникают некоторые сложности, одной из которых, является наличие пористости [10,15].

1.2 Особенности плавки оловянистых бронз.

В связи с тем, что исследуемая бронза БрОЮС2НЗ применяется при диффузионной сварке для изготовления деталей особо ответственного назначения для авиастроения, к ней предъявляются жесткие требования. Назначение же данных изделий - работа в паре трения в деталях двигателя самолета. Следовательно, сплавы должны обладать высокими антифрикционными свойствами и обладать высокой прочностью (таблица 2).

По ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация» [46] диффузионная сварка классифицируется:

1 - По виду источника нагрева

• С индукционным нагревом,

• С радиационным нагревом,

• С нагревом проходящим током,

• С электроннолучевым нагревом,

• С нагревом тлеющим разрядом,

• Со световым нагревом.

2- По применению внутренних подкладок

• С применением,

• Без применения.

Особенностью диффузионной сварки является то, что она происходит при высоких температурах нагрева (0,5 - 0,7 Тпл) и низком удельном давлении при сжатии (около 0,5 МПа), но при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Формирование соединения определяется в основном диффузионными процессами.

Сближение поверхностей происходит из-за пластической деформации микровыступов и приповерхностных слоев, обусловленной приложением внешних сжимающих напряжений и нагревом самого металла [18, 19, 20] (рисунок 8). Для уменьшения скорости окисления заготовок в большинстве случаев применяют вакуум. Однако, в результате сварки необходимо учитывать возможность развития процессов структурного превращения, образования эвтектик и других процессов, приводящих к изменению физико-механических свойств шва.

Исходя из особенностей сварки, для оловянистой бронзы для предотвращения разрушения шва предъявляются жесткие требования по наличию пористости и эвтектоидной составляющей. Поэтому на стадии плавки важным для

качества металла является контроль над протеканием процесса взаимодействия металла с кислородом, водородом, футеровкой печи и шлаками.

Таблица 2

Антифрикционные свойства оловянистой бронзы БрОСН! 0-2-3.

Марка бронзы Испытание2^

Со смазкой Без смазки

Коэффициент Износ образца Коэффициент

трения кг/см2- км трения

БрОСН 10-2-3 0,036 0,19 0,21

3 4

Рисунок 8 - Схема диффузионной сварки:

1 - заготовка; 2- сварной шов; 3- индукционный нагреватель; 4- рабочая камера.

Для производства медных сплавов в состав шихты обычно входят чистые металлы, отходы производства, вторичные металлы в виде чушек и лигатуры.

Из литературы установлено [10, 13, 15], что медь интенсивно растворяет водород. Так, с повышением температуры растворимость водорода в меди возрастает и описывается следующим соотношением (при температуре 1276 -1773 К):

2 > Испытание проводилось на машине Амелера со смазкой АФ-70 при нагрузке 100 кг/см2 и без смазки при нагрузке 10 кг/см2. [15]

1ё[Н] = -2250/Т + 2,37 [см3/100 г] (1)

Также водород с кислородом в меди устанавливают подвижное равновесие: [Си] + [0]Си + [Н]Си ~ [Си] + Н20 (2)

Источниками водорода и кислорода в медных расплавах являются пары воды, влага из футеровки и шихты.

На растворимость водорода сильное влияние оказывают легирующие добавки (рисунок 9) [10, 21].

Рисунок 9 - Влияние элементов на равновесную растворимость водорода в меди при 1423 К.

Основным вредным действием от растворенного водорода является способность образования в отливках газовой или газоусадочной пористости. Его содержание в первую очередь зависит от температуры расплава, состояния шихты и очередности загрузки компонентов. Предельно допустимая концентрация зависит от скорости охлаждения жидкого металла в литейной форме. Чем больше

скорость охлаждения, тем больше можно допустить содержание водорода в расплаве без опасности получения пористого металла. [10]

[Н]г,д. = А + В л/Уохл (3)

где [Н]„л. - предельно допустимое содержание водорода в сплаве, см3/100г; А и В - опытные коэффициенты; ^охл ~ скорость охлаждения, °С/мин.

Для удаления кислорода из медных расплавов применяют раскислители (в основном фосфор). Для удаления водорода и неметаллических включений используют рафинирование.

Плавку оловянистой бронзы проводят в различных печах: в топливных тигельных, подовых, дуговых, но самой распространенной является электрическая индукционная печь с графито-шамотным тиглем. Плавку оловянистой бронзы ведут с максимальной скоростью для уменьшения угара легирующих элементов и минимального насыщения расплава газами, что приводит к получению более качественных слитков. При плавке оловянистой бронзы сначала в печь загружают медь и отходы производства, затем тугоплавкие элементы (никель). Расплавленный раствор раскисляют, для этого вводят фосфористую медь. В раскисленный расплав добавляют цинк, олово и свинец. Одновременно с началом плавки в печь загружают древесный уголь или графитовый бой, то есть элементы, предотвращающие окисление газами.

Так как основной трудностью плавки оловянистой бронзы является ее насыщение различными газами, то для дегазации от водорода используют продувку аргоном и азотом. Оптимальными считаются режимы продувки 0,6 - 0,8 л/(мин-кг).[10] Время продувки от 3 до 10 минут. Влияние длительности продувки азотом на эффективность рафинирования бронзы БрОЗЦ7С5Н1 представлена на рисунок 10 [10].

Рисунок 10 — Влияние длительности продувки азотом на эффективность рафинирования бронзы БрОЗЦ7С5Н1:

1-содержание водорода; 2 - содержание неметаллических включений; 3 — плотность.

Так, проанализировав литературные данные [10, 13, 15, 16, 22], можно отметить, что температура перегрева и время выдержки расплава в жидком состоянии имеют решающее влияние на качество литого материала, его пористость.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Герасименко, Екатерина Аркадьевна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 614-97 Бронзы литейные в чушках. Технические условия - М.: Стандартинформ., 2003. - 8 с.

2. ГОСТ 613-79 Цветные металлы. Бронза. Технические условия. Марки -М.: ИПК издательство стандартов., 2000. - 5 с.

3. ГОСТ 493-79 Бронзы безоловянные литейные. Марки - М.: ИПК издательство стандартов., 2005. - 11 с.

4. Лякишев Н. П., Банных О. А. Диаграммы состояния двойных металлических систем. 2 том - М.: Машиностроение., 1997. — 485 с.

5. Мартюшев Н. В., Семенков И. В. Структура и свойства бронзовых отливок при различных скоростях охлаждения// Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. - с. 12-15.

6. Мартюшев Н. В. Повышение эксплуатационных свойств свинцовистых бронз направленным формированием структуры.: автореферат дис...K.T.H.: 05.02.03 - Томск, - 2008. - 23 с.

7. Корчмит А. В. Закономерности формирования структуры и свойств бронзы БрОЮС13ЦН2 в зависимости от условий кристаллизации.: автореферат дис. К.т.н.: 05.16.01 - Томск, — 2006. — 24 с.

8. Raub Е., Engel A.//Z. MetallKunde. 1946. Bd. 37. S 76 - 81.

9. Мартюшев H. В. Влияние морфологии включений легкоплавкой фазы на триботехнические свойства бронз// Приволжский научный вестник. -2011.-№2-с. 8-12.

Ю.Курдюмов А. В., Белов В. Д., Пикунов М. В., Чурсин В. М., Герасимов С. П., Моисеев В. С. Производство отливок из сплавов цветных металлов.-М.:МИСиС., 2011.-615 с.

П.Палатник Л. С., Левченко А. А., Богданова А. Ф., Терлецкий В. Е. // Физика металлов и металловедение. -1958. - т. 6 № 3. - с. 540 — 544.

12. Tar by S. K., Bowker J. C., Stockdale W. I.// J. Inst. Met. - 1972. - № 12 -S. 100.

13.Вейник А. И. Литье в кокиль. -M.: Машиностроение., 1980. - 280с. М.Фарманов А. К., Белов В. Д., Белов Н. А., Алабин А. Н.,

Герасименко Е. А. Влияние висмута и свинца на микроструктуру и технологичность латуни Л70 при холодной прокатке// Цветные металлы.-2007.- № 3. - с. 99 - 103. 15.Орлов Н. Д., Чурсин В. М. Справочник литейщика. Фасонное литье из сплавов тяжелых цветных металлов. - М.: Машиностроение, 1971.

16.Гуляев А. П. Металловедение. - М.: Металлург, 1986. - 647 с.

17. Мальцев М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1970 - 367 с.

18.Хренов К. К. Большая советская энциклопедия: в 30 т. - М.: Советская энциклопедия. 1969- 1978.

19.Фролов В. А., Пешков В. В. Сварка. Введение в специальность. М.: Интермет инжиниринг., 2004. - 384 с.

20.Люшинский А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов. М.: Академия., 2006 - 208 с.

21.Вейник А. И. Литье в кокиль. М.: Машиностроение., 1980. - 147 с.

22.Пржибыл Й. Теория литейных процессов. М.: Мир, 1966. - 236 с.

23.Чурсин В.М. Плавка медных сплавов. М.: "Металлургия" 1982. - с. 152.

24.www.uzcm/spravka/tech/prod/5.php

25.Кораблев В. И., Дубиков А. А., Химаков М. Г., Шингарев Э. Н. Способы литья колоколов из оловянистой бронзы. 1999. - Патент РФ №2125503.

26.Эскин Г. И. Ультразвуковая обработка расплавленного расплава. М.:

Металлургия., 1988. - с. 232 27.Бедель В. К. Кокильное литье цветных сплавов. М.: Наука и техника.. 1944.-с. 239.

28.Лебедев Н. В., Васильев А. П., Грот А. Н., Красильников Д. А. Ультразвуковые технологии и оборудование для интенсификации технологических процессов при обращении с ядерным топливом и дезактивации твердых радиационных отходов. Тезисы доклада 6 международного форума «Атомная энергия, общество, безопасность. 2011.

29.Смирягин А. П. Промышленные цветные металлы и сплавы. 2 изд., М.: Металлургиздат, 1956 - с. 560.

30.Мельников В. П., Давыдов С. В. Материаловедение. Изучение микроструктур и свойств цветных сплавов. Брянск: БГТУ., 2008 -с. 18.

31. ГОСТ 12.1.01-89 "Ультразвук. Общие требования безопасности". М..: ИПК Издательство стандартов., 2003. - с. 10.

32.Добаткин В. И., Габидуллин Р. М., Колачев Б. А. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. М.: Металлургия, 1976. — с. 264.

33.Грот А. Н., Красильников Д. А., Рассохин В. А., Твердое В. И. Влияние ультразвуковой обработки расплава на структуру и свойства катанки из сплавов цветных металлов.// Металлург. 2012 - № 10. - с. 78 - 83

34.Хорбенко И. Г. Звук, ультразвук, инфразвук. М.: знание., 1986. -с. 160.

35.Манюхин А. И. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. М.: Наука., 1986. - с. 276.

36.Агранат Б. А., Башкиров В. И. Ультразвуковая технология. М.: Металлургия., 1975 - с. 378.

37.Добаткин В. И. Алюминиевые сплавы: плавка и литье алюминиевых сплавов. М.: Металлургия., 1983. - с. 350.

38.Эскин Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию. М.: Металлургия. 1970. - с. 200.

39.Баканов К. П., Бармотин И. П., Власов Н. Н. Рафинирование стали инертным газом. М.: Металлургия., 1975 - с. 232.

40.Меджибожский М. Я. Основы термодинамики и кинетики сталеплавильных поцессов. Киев.: Виша школа Головн. Издательство., 1986.-с. 280.

41.Кнюппель Г. Раскисление и вакуумная обработка стали. Основы и технология ковшовой металлургии. Перевод Еланского Г. Н., М.: Металлургия, 1984 - с. 414.

42.Левин В. Г. Физико - химическая гидродинамика. М.: государственное издательство физико-матиматической литературы., 1959. — с. 700.

43.Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - с. 256.

44.Герасименко Е. А., Коновалов А. Н., Белов В. Д. О затвердевании слитков из бронзы Бро10С2НЗ при литье в изложницу с донным водяным охлаждением. Литейщик России. - 2013. - № 7.- с. 15 - 17.

45.Корчмит А. В., Егоров Ю. П. Влияние температуры заливки на распределение свинцовых включений в многокомпонентной свинцовооловынистой бронзе// Известия ТПУ. — 2004 - №6. — с. 105 — 108.

46.ГОСТ 19521-74 Сварка металлов. Классификация. М.: Издательство стандартов. - 1978. — 14 с.

47. Соловьев В. П. Обработка экспериментальных результатов. - М.: МИСиС, 1988.-с. 52.

48.Крупин Ю. А., Сухова В. Г. Компьютерная металлография. М.: МИСиС., 2009. - с. 86.

49.Пикунов М. В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. М.: МИСиС, 2005 - 416 с.

50.Лебедев К. П., Райенс Л. С., Шеметев Г. Ф. Литейные бронзы. М.: Машиностроение., 1973. — с. 312.

51.Шелудяк Ю. Е., Кашпоров Л. Я. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. М.: НПО «Информ ТЭИ», 1992. - с. 184.

52.Франценюк И. В., Фраценюк Л. М. Альбом микроструктур чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов. М.: ИКЦ Академкнига., 2004. -с. 192.

53.Конюшков Г. В., Мусин Р. А. Специальные методы сварки давлением. Б.: СПБ ГАРАНТ., 2009. - 632 с.

54.Дриц М. Е., Бочвар Н. Р., Гузей Л. С. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди: Справочник. М.: Наука., 1979. - с. 248.

55.Рабинович В. Я., Хавин 3. Я. Краткий химический справочник. Под редакцией Потехина А. А. и Ефимова А. И..- Зе изд. Перераб. И дополненное. Л.: Химия., 1991 . - с. 432.

56.Могилев В. К., Лев О. И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение., 1988. - с. 272.

57.Корчмит А. В., Егоров Ю. П. Способ травления оловянистой бронзы. Патент РФ № 2272271. Опубликован 27.03.2006. Бюл. №8.

58.Герасименко Е. А., Белов В. Д., Гусева В. В., Коновалов А. Н. Влияние литейной формы на качество слитков, из оловянистой бронзы, затвердевающих в поле ультразвуковых волн // Литейщик России. — 2014.-№3.-с. 18-20.

59.Абрамов О. В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М.: Металлургия., 2003. - с. 256

60.Бочвар А. А. Металловедение., 5 изд. М.: Машиностроение., 1956. -с. 403.

61. Антонов В. П., Бачин В. А., Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материалов., 1981.-е. 271.

62. Смирнов В. В. Оборудование для контактной сварки : справочное пособие. — СПб.: Энергоатомиздат, 2000. — с. 848.

63. Яковлев С. П., Яковлев С. С., Чудин В. Н., Соболев Я. А. Формирование и диффузионная сварка элементов конструкций.// Известия тульского государственного университета. Технические науки., 2009. - № 1. - с. 76 - 85.

64. Мальцев М. В., Барсукова Т. А., Борин Ф. А. Металлография цветных металлов и сплавов, М.: Металлургиздат, I960.- с. 372.

65. Беккерт М., Клемм X. Справочник по металлографическому травлению. М.: Металлургия, 1979. — с. 336.

66. Белоусов А. А., Пастухов Э. А., Ченцов В. П. Влияние растворенного никеля и температуры на кинетику окисления свинцовистых безоловянных бронз // Расплавы. 2005. - №2. - с.8-10.

67. Вол А. Е., Дворецкая Г. Ф. Исследование влияния различных элементов на свойства бронз Металловедение. Д.: Судостроение. Вып. 12., 1968. — с. 160-166.

68. Горшков И. Е. Литье слитков цветных металлов и сплавов: учебное пособие М. : Металлургиздат, 1952. - с. 416.

69. Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. М.: Металлургия, 1980. - с. 256.

70. Герасименко Е. А., Белов В. Д., Коновалов А. Н. Влияние ультразвуковой обработки на структуру сплава БРО10С2НЗ в слитках, изготавливаемых методом наполнительного литья. Труды конференции «Литые материалы и ресурсосберегающие технологии», Владимир, 2013.

71. Empl D., Laporte V., Vincent Е., Dewobroto N., Mortensen A. Improvement of elevated temperature mechanical properties of Cu-Ni-Sn-Pb alloys // Materials Science and Engineering A 527. - 2010. - P. 4326-4333.

72. Mehmet Sirac Ozerdem, Sedat Kolukisa Artificial neural network approach to predict the mechanical properties of Cu-Sn-Pb-Zn-Ni cast alloys // Materials and Design, 30. - 2009. - P. 764-769.

73.Кестнер О.Е. Поведение некоторых медных сплавов при трении. // Сборник №3 "Исследования сплавов цветных металлов" М. 1962

74.Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия., 1972. - с. 496

75. Лебедев К. П., Райенс Л. С., Шеметев Г. Ф., Горячев А. Д. Литейные бронзы. Л.: Машиностроение, 1973. - с. 312.

76. Пикунов М. В. Литейное производство цветных и редких металлов. М.: Металлургия, 1982. - с. 352.

77.Пикунов М. В., Курдюмов А. В. Плавка и затвердевание сплавов цветных металлов. М.: Металлургия, 1968. - с. 228.

78.Сучков Д. И. Медь и ее сплавы. М.: Металлургия, 1967. - с. 248.

79.Цыганов В. А. Плавка цветных металлов в индукционных печах. М.: Металлургия, 1974. - с. 248.

80.Чурсин В. М. Влияние малых присадок некоторых элементов на структуру и свойства оловянных бронз // Сб. докладов «Фасонное литье медных сплавов». М.: Машгиз, 1957. - с.31-43.

81.Чурсин В. М. Технология цветного литья. М.: "Металлургия" 1967,-с. 252.

82. Чурсин В. М., Пименов А. М. Газы в медных сплавах // Литейное производство. 1966. - №6. - с.36-38.

83. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов. Л.: Машиностроение, 1976. -с. 211

84.Знаменский Л. Г., Дубровин В. К., Кулаков В. А., Швецов В. И. Теория литейных процессов. Челябинск: Изд-во БУрГУ., 1999. - с. 163.

85.Баландин Г. Ф. Теория формирования отливки: Основы тепловой теории. Затвердевание и охлаждение отливки. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана.

86. Мамина Л. И. Теория литейных процессов. Красноярск: ИПК Сиб. Фед. Университет., 2008. - с. 300.

87. Дубицкий Г. М. Литниковые системы. М.: Машгиз., 1962. - с. 256.

88.Чуркин Б. С. Технологические расчеты заполнения формы расплавом. Свердловск: Издательство Уральск. Политехи. Институт., 1984 - с. 34.

89.Эскин Г. И. Обрабртка и контроль качества цветных металлов ультразвуком. М.: Металлургия., 1992. - с. 128.

90.Абрамов О. В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М.: Металлургия., 1972. - с. 284.

91.Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Технологии современной металлургии. М.: Новые технологии., 2004. — с. 783.

92. Голенков М. А., Жихарев П. Ю. Разработка перспективных способов волнового резонансного воздействия для улучшения структуры непрерывнолитых слабое// Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. - № 1.- с. 41 —46.

93.Ершов Г. С., Черняков В. А. Строение и свойства жидких и твердых металлов. М.: Металлургия., 1978. — с. 248.

94.Михайлов А. М. Литейное производство. 2е издание. М.: Машиностроение., 1987. - с. 256.

95.Трухов А. П., Маляров А. И. Литейные сплавы и плавка. М.: Академия. 2006.-с. 335.

96.Миненко Г. Н. Воздействие физических полей на процессы внепечной обработки литейных сплавов. М.: Спутник+., 2012. - с. 146.

97. Рубцов Н. Н. Справочник литейщика. М.: Машгиз., 1962. - с. 524

98.Попов А. А. Фазовые превращения в металлических сплавах. М.: Металлургиздат., 1963. - 312 с.

99.Шиляев А. С. Ультразвуковая обработка расплава. Минск.: Наука., 1992.-е. 44.

100.Герасименко Е. А., Белов В. Д., Белов Н. А., Лебедев Н. М. Ультразвуковая обработка расплава меди при литье слитков в

изложницу. Труды 7 международного научно — технического симпозиума. Самара, 2008. - с. 106 - 111. 101.ЧервяковаВ. В., Пресняков А. А. Сложные латуни и бронзы. Алма -

Ата: Наука, 1974. - с. 262. 102.Герасименко Е. А., Белов В. Д., Коновалов А. Н., Гусева В. В. Разработка методики для получения качественных слитков из Бро10С2НЗ методом объемно-направленной кристаллизации с использованием ультразвука (УЗО). Труды 7 международной научно-практической конференции Прогрессивные литейные технологии. Москва, 2013. - с. 207 - 208. ЮЗ.Золоторевский В. С. Механические свойства металлов: учебник для

вузов. М.: МИСиС, 1998. - с. 400. Ю4.Абрамов Г. Г., Панченко Б. С. Справочник молодого литейщика. М.: Высшая школа., 1991.-е. 324.

ПрилоХкНЧЕ 1

Отдел Главного металлурга 3 июля 2012г

СВИДЕТЕЛЬСТВО №183-12/07Р

Исследования пластин из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 12 штук размером 0 68 х а 25 х 5мм, по договору № 063/11-501 от 28.06.2011г.

БИТУ «МИСиС» Отделу № 18

Пластины из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 12 штук были подвергнуты рентгеновскому контролю на отсутствие литейных дефектов.

Контроль проводился с помощью рентгеновского аппарата РАП 220-5 на режимах и=Т70кВ7 1=2^5мА, 1=900с., эталон чувствительности № 42.

В результате проведенного контроля на пластинах из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 12 штук выявлено:

- №№ 1,2 дефекты в виде усадочной рыхлоты;

- № 12 дефекты в виде засоров;

- № 4 дефекты в виде повышенной структурной неоднородности;

- №№ 3, 5, 6, 8, 9, 10 и 11 дефекты в виде незначительной структурной неоднородности.

На пластине № 7 литейных дефектов не выявлено. На пластинах из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 12 штук дефектов в виде газовой пористости не выявлено.

1. Пластины из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 3-х штук №№ 1,2 и 12 с дефектами в виде усадочной рыхлоты и засоров признать не годными.

2. Остальные пластины из сплава БрОЮС2НЗ в количестве 9 штук №№ 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 признать годными.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рентгеновский контроль на отсутствие литейных дефектов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

I

ВЫВОД

В.П.Турчина

В.В Гусева

А.В. Смородин