Разработка процесса непрерывного литья меднофосфорных припоев приведенным диаметром 3-6 мм с целью повышения качества и снижения трудоемкости их изготовления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Таволжанский, Станислав Анатольевич

• Таволжанский, Станислав Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Таволжанский, Станислав Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОСОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Анализ методов получения непрерывно-литых заготовок из цветных сплавов

1.2 Анализ методов дозировки и подачи расплава в зону затвердевания при непрерывной разливке

1.3 Свойства медно-фосфорных припоев

1.4 Стандартные методы изготовления припоев из медно-фосфорных сплавов

1.5 Особенности затвердевания эвтектических и узкоинтервальных сплавов

1.6 Выводы и постановка задач исследования

2 ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМЫХ СПЛАВОВ, А ТАКЖЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДОННОЙ РАЗЛИВКИ

2.1 Оборудование, приборы и методика проведения экспериментов

2.1.1 Приготовление сплавов

2.1.2 Дифференциально-термический анализ исследуемых сплавов

2.1.3 Определение химического состава исследуемых сплавов

2.1.4 Определение жидкотекучести исследуемых сплавов

2.1.5 Определение динамической вязкости исследуемых расплавов

2.1.6 Определение величины потери напора в канале литника разливочного узла

2.1.7 Подготовка установки ЭМИР-2 к проведению экспериментов

2.2 Обсуждение результатов исследования 71 2.2.1 Физические и технологические свойства исследуемых сплавов

2.2.2 Определение потерь напора в разливочном узле

2.3 Выводы по главе

3 УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ ЗАГОТОВКИ В ПОДВИЖНОМ ЖЕЛОБЕ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

3.1 Оборудование, приборы и методика проведения экспериментов

3.1.1 Параметры процесса непрерывного литья

3.1.2 Методика проведения металлографического анализа заготовок

3.2 Обсуждение результатов исследования

3.2.1 Особенности формообразования заготовок из сплавов обладающих широким интервалом кристаллизации

3.2.2 Особенности формообразования заготовок из сплавов обладающих узким интервалом кристаллизации

3.3 Выводы по главе

4 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ВЫПУСКА МЕЛКОСОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ МЕДНО-ФОСФОРНЫХ СПЛАВОВ

4.1 Исследование теплового режима работы кристаллизатора ^ ^

4.1.1 Оптимальные тепловые режимы работы кристаллизатора ^ ^

4.1.2 Обоснование выбора материала кристаллизатора и его диаметра ^ ^ *

4.2 Выбор оптимальных диаметров выходных отверстий литника разливочного узла

4.3 Выбор оптимальных скоростей вращения кристаллизатора

4.4 Выбор оптимальных режимов охлаждения заготовок

4.5 Основной вид дефекта на заготовках при непрерывном литье

4.6 Технологическая схема для промышленного выпуска мелкосортовых заготовок из медно-фосфорных сплавов

4.7 Выводы по главе

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка процесса непрерывного литья меднофосфорных припоев приведенным диаметром 3-6 мм с целью повышения качества и снижения трудоемкости их изготовления»

Растущая потребность в производстве мерных прутков малого сечения диаметром до 6 мм из медно-фосфорных сплавов для высокотемпературной пайки меди и сплавов на ее основе определяет необходимость в поиске рентабельных высокопроизводительных способов изготовления такой продукции. В связи с тем что, в составе эвтектики сплавов системы медь-фосфор присутствует большое количество хрупкого фосфида меди (до 40% объемн.), данные сплавы являются труднодеформируемыми. К пруткам из медно-фосфорных сплавов, предназначенных для высокотемпературной пайки, предъявляется ряд требований. Кроме равномерности сечения и прямолинейной формы данные заготовки должны обладать чистой не окисленной поверхностью. Сечение заготовок необязательно должно быть круглой формы.

Существующие методы получения мелкосортовых заготовок диаметром 3-6 мм из труднодеформируемых сплавов методом обработки давлением, отличаются многостадийностью, низким выходом годного, который составляет для сплавов данной группы 40-50%, вследствие значительного возврата металла на стадии подготовки слитка к деформации и во время многостадийного процесса деформации. Кроме того, стоимость заготовок увеличивается с уменьшением сечения, а после деформирования добавляется поверхностная обработка заготовок, которая удаляет окислы, образовавшиеся во время горячей обработки давлением. Поэтому традиционные методы получения труднодеформируемых материалов в виде заготовок малого сечения проигрывают методам непрерывного литья по производительности и энергоемкости процесса. Кроме того бинарные припои системы медь-фосфор близкие к точке эвтектического превращения (ПМФ9) в России вообще не получают обработкой давлением, а льют в кокиль, получая заготовки диаметром от 10 мм.

Однако существующие методы непрерывного литья заготовок сечением до 30 мм2 обладают низкой производительностью, составляющей не более 1-2 кг/час, что делает данные методы нерентабельными. Другие специальные и традиционные методы непрерывного литья позволяют изготавливать заготовки сечением от 200 мм2, что определяет необходимость в дальнейшей обработке давлением для получения более мелкого сортамента.

Одним из путей перспективного решения этой проблемы является разливка в желоб подвижного кристаллизатора, где заготовка перемещается вместе с кристаллизатором, и производительность литья зависит только от интенсивности отвода тепла. Метод непрерывной разливки мелкосортовых заготовок в желоб непрерывно вращающегося кристаллизатора создает возможность получения прутков припоя малого сечения (приведенный диаметр 3-6 мм) трапециевидной формы непосредственно из жидкого расплава, с высоким выходом годного и производительностью до 250 кг/час.

Для применения данного метода в процессах получения мелкосортовой непрерывной заготовки требуется решить ряд теоретических и технологических задач, которые связаны со стабильностью процесса во времени, необходимостью управлением процессами точной дозировки и транспортировки расплава в зону разливки, управлением процессами формообразования и затвердевания продукции в условиях разливки сплавов с различными литейными свойствами, с целью получения прямолинейных заготовок равномерного сечения, без дефектов, с заданным уровнем механических свойств на выходе из кристаллизатора. В этом аспекте, вследствие малых сечений литых заготовок, большое значение имеет изучение и оценка процессов капиллярного движения струи расплава в канале разливочного узла, которая позволит управлять не только точностью дозирования, но и производительностью процесса.

Процесс формообразования продукции определяется не только составом сплава и его литейными и физическими свойствами, но также оптимальным расположением зоны разливки на криволинейной поверхности кристаллизатора. Для получения однородной продукции с заданной формой необходимо изучить закономерности формообразования кристаллизующейся заготовки вблизи зоны разливки, которые заключаются в исследовании непрерывных потоков жидкого металла на свободной поверхности затвердевающей заготовки в подвижном желобе кристаллизатора. Для обеспечения непрерывности схода заготовки с кристаллизатора и создания условий для управления механическими свойствами заготовки на выходе из кристаллизатора необходимо произвести расчет оптимальных температурных режимов кристаллизатора в зависимости от скорости литья, состава сплава и сечения заготовки.

Решение перечисленных задач позволит прогнозировать и управлять процессом непрерывного литья мелкосортовых заготовок с заданной формой и свойствами. За счет достижения высоких скоростей охлаждения это позволяет создать мелкокристаллическую микроструктуру сплава, обеспечивая тем самым высокие свойства получаемого материала.

В данной работе исследовался процесс литья мелкосортовых заготовок в подвижный желоб вращающегося диска кристаллизатора, применительно к медно-фосфорным труднодеформируемым сплавам, которые являются припоями для высокотемпературной пайки меди и сплавов на ее основе. Изучены особенности теплового режима работы кристаллизатора. Изучены процессы кристаллизации заготовки в условиях ограниченного объема и металлостатического давления. Исследованы процессы дозировки и транспортировки расплава в зону кристаллизации. Была предложена технологическая схема литья мелкосортовых заготовок, и определены оптимальные технологические режимы и параметры литья. Были описаны механизмы возникновения дефектов при литье и методы их устранения, а также сформулированы условия выбора оптимальной температуры заготовки для последующей ее обработки давлением и резкой. Исследования проводились на разработанной в рамках работы установке непрерывного литья «ЭМИР-2».

Работа выполнена в Московском Государственном Институте Стали и Сплавов (технологическом университете) на кафедре «Технологии литейных процессов».

1 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЖОСОРТОВЫХ ЗАГОТОВОК. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Таволжанский, Станислав Анатольевич

выводы

1. Результаты проделанной работы позволили впервые получить прутки из медно-фосфорных сплавов приведенным диаметром 3, 4 и 6 мм методом непрерывного литья с производительностью 130 - 360 кг/час и точностью размеров, позволяющей использовать их в качестве припоев.

2. Разработана промышленная технология и оборудование для выпуска прутков припоя приведенным диаметром 3, 4 и 6 мм для автоматической и ручной пайки изделий из меди и сплавов на ее основе.

3. Получение заготовок приведенным диаметром 3,4 и 6 мм методом непрерывного литья стало возможным в результате организации точной дозировки расплава, основанной на капиллярном сопротивлении расплава в канале разливочного узла, а также за счет управления затвердеванием расплава на свободной поверхности кристаллизатора, в отличие от традиционного способа Проперци, где кристаллизация сплава происходит в замкнутом объеме подвижного кристаллизатора.

4. Установлено, что характер движения расплава в канале разливочного узла является турбулентным (Re = 4500 - 13000). Определены основные закономерности управления напором жидкого металла, зависящего от вязкости расплава, и геометрических размеров канала разливочного узла. Определена закономерность роста пограничного слоя в канале разливочного узла, приводящего к уменьшению объемного расхода металла и повышающего точность дозирования расплава. Величина пограничного слоя, зависит от вязкости расплава в степени 3/5, и от длины канала в степени 2/5.

5. В работе выявлены факторы, позволяющие организовывать свободное обратное стекание расплава для создания условий равномерного затвердевания мелкосортовых заготовок из медно-фосфорных сплавов.

В условиях разливки широкоинтервальных сплавов, формирование обратного стока расплава в желобе кристаллизатора перед зоной разливки приводит к снятию температуры перегрева расплава и способствует объемному затвердеванию заготовки на наклонной поверхности в результате резкого роста вязкости металла, позволяющему получать заготовки с равномерным сечением.

В условиях разливки узкоинтервальных сплавов для получения заготовок постоянного сечения зону разливки необходимо сдвинуть в сторону обратную вращению кристаллизатора от его верхней точки на расстояние 80 - 150 мм, в зависимости от сечения заготовки. В таком случае, за зоной разливки организуется непрерывное обратное стекание, способствующее подпитке кристаллизующейся заготовки, приводящее к ее равномерному затвердеванию.

6. Изучение вязкости исследуемых медно-фосфорных расплавов методом падающего шара стало возможным за счет использования шара с плотностью отличающейся от плотности расплавов не более чем на 5 %, и фиксирования времени его всплытия, а не погружения.

7. Изучение макроструктуры поперечного сечения заготовок дает основание предположить, что при их затвердевании преобладает трехсторонний отвод тепла, приводящий к анизотропии свойств отливаемых прутков. При движении основного фронта затвердевания от нижней части заготовки, контактирующей с кристаллизатором к ее центральной части средний размер дендритной ячейки для сплава П14 возрастает в 3 раза.

8. Установлено, что на формирование облоя с острой кромкой на поверхности заготовок оказывает влияние величина зазора между донной частью литника и поверхностью кристаллизатора, а также поверхностное натяжение расплава и величина гидростатического напора в разливочном узле.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Таволжанский, Станислав Анатольевич, 2007 год

1. Вейник А.И. Кокиль. Минск, «Наука и техника», 1972.

2. Технология XXI века. Перспективы России / В. Ганьжин, Ю. Киселев // Национальная металлургия. 2003.- №1.

3. Марширов В.В., Севастьянов В.П., Гагарин Н.А. Тепловые процессы при затвердевании расплавов с повышенными скоростями. М.: Горький, 1990.

4. Довженко Н.Н., Сидельников С.Б. Мини-производства на базе устройств непрерывного литья и прокатки-прессования.// Металлургия машиностроения. 2005. №1. С. 37.

5. Литейно-прокатные агрегаты для производства алюминиевой и медной катанки / А.Ю. Шевченко, В.А. Чеботарев, А.В. Самсонов и др. // Тяжелое машиностроение. -1997.-№5.

6. Целиков А.И. Металлургические машины и агрегаты: настоящее и будущее. М.: Металлургия, 1979.7 «Континуус-Проперци»-новая история / В. Джукич // Национальная металлугрия. -2005.-№5.

7. Бойченко М.С., Непрерывная разливка стали. М.: Металлургиздат, 1957.

8. Гуляева Б.Б. Специальные способы литья. Л.: Машиностроение 1971.

9. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чусрин В.М., Бибиков Е.Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов. М.: МИСИС, 1996.

10. Марукович Е.И., Земцов В.А., Харьков В.А. и др. Разработка установки непрерывного литья заготовок для ювелирного производства. // Литье и металлургия. 2000. №1. С. 37.

11. Марукович Е.И., Харьков В.А. Оборудование для непрерывного литья проволоки. // Литье и металлургия. 2001. №2 .С. 79.

12. Пикунов М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок. -М.: МИСИС, 1997.С.142

13. Лякишев Н.П., Шалимов А.Г. Развитие технологии непрерывной разливки стали. -М.: ЭЛИЗ, 2002.

14. Небогатое Ю.Е., Специальные виды литья. М.: Машиностроение, 1975

15. Справочник по пайке / Под ред. Петрунина И.Е. М.: Машиностроение, 1984.

16. Лашко С.В., Лашко Н.Ф., Нагапетян И.Г. Проектирование технологии пайки металлических изделий: Справочник. М.: Металлургия, 1983.

17. Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Машиностроение, т. 2, 1988.

18. Нормирование расхода материальных ресурсов в машиностроении: Справочник. М.: Машиностроение, т.2. 1988.

19. Гржимальский Л.Л. Самофлюсущие рпипои. Л.: Знание, 1972.

20. Rasmussen. Mechanism of Spreading and oxide displement by BcuP-2 brazing filler metall. Weiding journal, 1975. № 10.

21. ГОСТ 4515-93. Сплавы медно-фосфорные. Технические условия.

22. Успехи в производстве медно-латунных радиаторов. //J.O.M.: J. Miner, Metals Materials Society // 1998 50, № 11, p. 19.

23. Новая технология пайки Cuprobraze оптимизировала медный радиатор. // ATZ: Automobitechn. Z. // 2002. 104 № 3, с. 256.

24. Технология металлов. Справочник. М.,Машиностроение,1991, 234 с.

25. Ильина И.И. Вибростойкость паяных соединений из меди, выполненных различными припоями. -М.: ВНИИАвтогенмаш, 1980.

26. Справочник по пайке. Ред. Петрунин И.Е. М.: «Машиностроение», 2003, 480 с.

27. Гришанович К.В., Калачев М.И., Ильина И.И. и др. Исследование процесса изотермического прессования припоя ПМФОЦр 6-4-0,03. «Аппаратура и технология газотермических покрытий и резки». Труды ВНИИАвтогенмаш, М., 1982, с. 74-80.

28. Гришанович К.В., Калачев М.И., Ильина И.И. и др. Способ изготовления проволоки из меднофосфористых припоев с оловом. А.с. № 997894. Опубл. в Б.И., 1983, № 7.

29. Фиглин С.З., Бойцов В.В. и др. Изотермическое реформирование металлов. М.: «Машиностроение», 1978.

30. Патент ФРГ, № +258113 кл40Д, 1/08, (C22F).

31. Herriot G., Baudelet В., Jonas J. Superplastic behaviour of two-phase Cu-pallays. "Asta met". 1976, 24, № 7.

32. Котов B.B., Галкин A.M., Ильина И.И., Кораванова Л.В. Исследование на пластометре нового бессеребряного припоя марки П81. «Цветные металлы», 1994, № 9, с. 66-68.

33. Котов В.В., Галкин A.M., Ильина И.И., Буланов А.В. Исследование предельной пластичности бессеребряного припоя марки П81. «Цветные металлы», 1994, № 10, с. 55-56.

34. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М. Литейное производство цветных и редких металлов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1982.

35. Черняк О.В. Заготовительное литье цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.

36. Ковалев Ю.Г. Прогрессивные методы получения заготовок и материалов. Сборник статей. Пермь, 1973.

37. Никерова Л.Ф., Чернова Л.И. Непрерывные способы получения литых заготовок для производства полуфабрикатов из цветных металлов. -М.: Металлургия, 1973.

38. Процессы литья и непрерывная разливка металлов. Сборник статей/ АН ГССР, Ин-т металлургии им. 50-летия СССР. Тбилиси: Мецниереба, 1979.

39. О контроле уровня жидкого металла в технологических установках. Невровский В.А., Канцырев А.В.// Быстрозакаленные материалы и покрытия. Сб. докладов. М.: МАТИ, 2004.

40. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия, 1978.

41. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов.-М.: Металлургия, 1980.

42. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления. -М.: Металлургия, 1987.

43. Усадочные процессы в металлах. Труды третьего совещания по теории литейных процессов./ АН СССР. М.: 1960.

44. Галкин A.M., Котов В.В., Ильина И.И. Исследование реологических свойств припоя марки П14. «Изв. вузов. Цветная металлургия», 1996, № 1, с. 31-35.

45. J.Namkung, G.C. Lee. Rapidly solidified Fe-Cr-Al alloy strips and there high temperature oxidation resistance.//9-th Int. Conf. On Rapidly Quenched and Metastable Materials. 25-30 August 1996, Sup.,p.392-397.

46. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. М.: Металлургия, 1982. 296 с.

47. Вейник А.И. Приближенный расчет процессов теплопроводности. М.-Л., Госэнергоиздат, 1959.

48. Барановский Э.Ф., Илющенко В.М., Пумпур В.А. Разработка непрерывного литья в роторный кристаллизатор цинковой полосы для изготовления анодов. // Литье и металлургия. 2001. №2 .С. 44.

49. Вейник А.И. Теория особых видов литья. М.: Машиностроение, 1958.

50. Джанколи Д. К. Физика Т.1. М.: Мир, 1989.

51. Барановский Э.Ф., Илющенко В.М., Пумпур В.А. Тепловые основы конструирования машин непрерывного литья свинцовой аккумуляторной решетки.// Литье и металлургия. 2001. №2. С. 60.

52. Метастабильные и неравновесные сплавы./Под. Ред. Ю.В. Ефимова. -М.: Металлургия. 1988. 383 с.

53. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. 4.1. М.: Машиностроение, 1976.

54. Пашков И.Н. Технология получения непрерывной продукции методом высокоскоростного затвердевания расплава.: Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Москва. - 1998.

55. Лабораторные работы по технологии литейного производства / под ред. А.В. Курдюмова; -М.: Машиностроение, 1990.

56. Аморфные сплавы// А.И. Манохин, Б.С. Митин, В.А. Васильев, А.В. Ревякин. -М.: Металлургия, 1984.-160 с.

57. Ргос. Int. Conf. Rapidly Quenched Metals. 5, RQ-5, 1985, V.l p. 28-36.

58. Технология металлов и конструкционные материалы. Под ред. Б.А. Кузьмина. -М.: Машиностроение, 1991.-351 с.

59. AICHE Symp. Ser. 1978. V. 74. №180. Р.46.

60. Линчевский Б.В. Техника металлургического эксперимента. М.: Металлургия, 1992.

61. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Т. VI. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.

62. Мякишева Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. -М.: Машиностроение, 1996.

63. Совершенствование технологии производства цинковой проволоки в условиях Каменск-Уральского завода ОЦМ/ Железняк Л.М., Популовских Д.Л., Хайкин Б.Е., Снегирев А.И.// Цветные металлы. 2000. - №5.

64. Баранова Л.В., Демина Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов. Справочник. М.: Металлургия, 1986.

65. Перспективный процесс производства прутково-проволочной продукции на основе горизонтального непрерывного литья и горячей винтовой прокатки/ Кац A.M., Райков И.Н., Романцев Б.А.// Цветные металлы. 2002. - №2.

66. ШСТ24231-80 (СТ СЭВ 456-77). Цветные металлы и сплавы. Общие требования к отбору и подготовке проб для химического анализа.

67. ГОСТ6674.1-74. Сплавы медно-фосфористые. Метод определения содержания фосфора.

68. Смитлз К.Д. Металлы. Справочник. -М.: Металлургия, 1980.

69. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Мейлихова З.А. Физические величины. Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

70. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов. Справочник. -М.: Металлургия, 1981.

71. Микроструктура поперечного среза заготовки из сплава П14 приведенным диаметром 3 мм, увеличение 200.

72. Микроструктура поперечного среза заготовки из сплава П14 приведенным диаметром 4 мм, увеличение 200.

73. Микроструктура поперечного среза заготовки из сплава П14 приведенным диаметром 6 мм, увеличение 200.

74. Микроструктуры заготовки из сплава ПМФ7 приведенным диаметром 4 мм

75. Верхняя часть, близкая к обкатной ленте, х320 Центральная часть, х3201. А Л А Р М »

76. ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВОФ1. ИС 42103767, Москва, Петровка 27 т/факс [phone]для писем: 109383,Москва, Полбина 45 С095) 726-0421,139-4069

77. E-mail: alarmet@com2com ruhttp:// www zaoalarm ru r Кч20 июля 2006внедрения результатов диссертационной работы Таволжанского С.А.

78. Ра зработка процесса непрерывного литья медно-фосфорных припоев приведенным диаметром 3 б мм с целью повышения качества и снижения трудоемкости их шготовления» на соискание ученой степени кавдидата технических наук

79. Главный инжайш Vib--——""""-"Родин И.В.1. WmУРМ'уьГ

80. Генеральный инректор Awffl ШокинС.В.