Технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина для двигателестроения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Новокрещенов, Виктор Владимирович

• Новокрещенов, Виктор Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Новокрещенов, Виктор Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК

ГРАВИТАЦИОННЫМ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ

1.1. Общие представления об алюмокремниевых сплавах, их структуре и свойствах

1.2. Литниково-питающие системы для литья силуминов

1.3. Способы воздействия на структуру и свойства металлических сплавов

1.4. Влияние НЭМИ на свойства чистых металлов и сплавов

1.5. Компьютерное моделирование литейных процессов

1.6. Определение цели и задачей исследования

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

ЛИТЬЯ ОТЛИВОК ИЗ СИЛУМИНА

2.1. Симплекс-метод решения оптимизационных задач

2.2. Метод физико-механических испытаний

2.3. Метод металлографического анализа

2.4. Метод рентгенофазового анализа

2.5. Метод термометрирования процесса кристаллизации

2.6. Метод компьютерного моделирования

2.7. Методика оценки дефектности коллекторов

2.7.1. Подготовка отливки к определению дефектности

2.7.2. Получение каталога и карты дефектов

2.7.3. Итоговая таблица и анализ результатов измерений

2.8. Методика измерения физико-механических свойств литейных стержней

2.9. Методика обработки кристаллизующегося сплава НЭМИ

2.9.1. Экспериментальная установка с диэлектрическим материалом между электродами

2.9.2. Установка работы генератора импульсов без диэлектрика

Выводы к главе 2

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ОТЛИВОК ОСОБО СЛОЖНОЙ

КОНФИГУРАЦИИ ИЗ СИЛУМИНА

3.1. Анализ процесса получения литейных сплавов в условиях опытного

производства ООО «ЧТЗ-Уралтрак»

3.2. Измерение физико-механических свойств литейных стержней

3.3. Анализ конструкции литниково-питающей системы для производства коллекторов из сплава АК7ч

3.3.1. Анализ базовой технологии литья

3.3.2. Анализ разработанной технологии литья

3.4. Результаты исследования влияния импульсного электромагнитного поля на

структуру и свойства сплавов АК12 и АК7ч

3.4.1 Результаты металлографических исследований

3.4.2 Результаты термометрирования кристаллизационных процессов

3.4.3 Результаты физико-механических испытаний полученных образцов

3.5. Применение электроимпульсной обработки алюминиевого сплава

при литье отливки «коллектор»

Выводы к главе 3

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Разработка блок-схемы программы расчета оптимального состава шихты

4.2. Обработка результатов измерения деформационных параметров формовочной смеси и их применение в СКМ ЛП «ProCAST»

4.3 Жидкостно - кластерная модель

4.4 Механизм влияния НЭМИ на кристаллизацию силумина

4.4.1 Математическая модель исследуемой системы

4.5 Программная реализация математической модели

Выводы к главе 4

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

5. 1. Программа расчета оптимального состава шихты

5.2. Корректировка деформационной модели литейного стержня для

решателя «ProCAST»

5. 3. Расчет экономических параметров производства сложнопрофильных отливок

при внедрении разработанной технологии

Выводы к главе 5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина для двигателестроения»

ВВЕДЕНИЕ

Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.

По объемам применения отливок из алюминиевых сплавов лидером является машиностроительная отрасль. Из силуминов отливают блоки цилиндров, головки блоков, поршни, корпуса, а в последнее время номенклатуру дополнили детали систем управления, ходовой части, отдельные элементы кузова машин. Коллекторы новых дизельных двигателей жидкостного охлаждения 4Т 371 и 6Т 370 на перспективные тракторы серии Т4 и Т6 для промышленности и сельского хозяйства также предполагается отливать из алюмокремниевого сплава. Такая востребованность алюминиевых сплавов с кремнием в качестве основного легирующего элемента объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик изготавливаемых деталей и хорошими литейными свойствами сплава такими как: низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая жидкотекучесть и минимальная усадочная пористость.

Однако эффективное производство алюминиевых отливок напрямую связано с высокими требованиями к качеству сплава, к размерной точности литых деталей, а также к их эксплуатационным и специальным свойствам. Высокие требования к качеству сплава определяют строгие ограничения по количеству возврата в используемой шихте и жесткий контроль химического состава сплава. Конфигурация отливки влияет на изменение линейных размеров при её затвердевании и на характер заполнения литейной полости. Получение плотной мелкозернистой структуры силумина с выделением избыточных фаз в компактной форме, особенно в условиях использования низкокачественной шихты (с повышенным содержанием железа), обеспечивает заданный уровень свойств алюминиевых изделий.

Одним из современных направлений повышения производительности труда и улучшения качества продукции является применение автоматизированных вычислений на стадии проектирования технологических процессов. Актуальным остается задача совместного использования прикладных программных пакетов и универсальных системам инженерного анализа. Среди последних ведущей является система ProCAST, позволяющая моделировать все этапы литейного производства, за исключением процесса плавки металла, с максимально возможным количеством варьируемых технологических параметров. Отсутствие в системе деформационной модели для литейной формы сдерживает ее успешное использование для автоматической разработки литейной оснастки.

Перспективным способом повышения качества литейных сплавов является воздействие на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Впервые воздействие на различные вещества локальными полями высокой напряженности изучалось профессорами Кулаковым Б.А., Крымским В.В., Знаменским Л.Г. и Ри Хосеном. Со временем оформились три основных направления воздействия НЭМИ: на различные водные растворы, на жидкие углеводороды, на расплавы металлов и сплавов. В указанных направлениях неизученным остается вопрос влияния НЭМИ на кристаллизующиеся сплавы металлов.

В связи с вышесказанным, создание технологий литья алюминиевых сплавов, учитывающих низкое качество шихтовых материалов, сокращающих время на подготовку расплава и разработку технологической оснастки, а также обеспечивающих повышения качества литых изделий особо сложной конфигурации с применением внешнего физического воздействия на стадии кристаллизации сплава, является актуальной задачей литейного производства.

Работа выполнена при поддержке гранта компании ССНВС EURASIA для аспирантов и молодых ученых Южно-Уральского государственного университета и отмечена именной стипендией Президента РФ.

Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые

технологические решения в производстве литых деталей особо сложной конфигурации из алюминиевокремниевых сплавов при литье в холоднотвердеющие формы.

В том числе:

- получены новые данные по физико-механическим свойствам литейных стержней из a-set смеси в процессе их скоростного нагрева (термошок), позволяющие рассчитывать значения затрудненной усадки силумина в системе ProCAST с точностью ± 1,5%;

- выявлена закономерность кристаллизации силумина при воздействии на расплав НЭМИ, обеспечивающая формирование плотной мелкозернистой структуры отливок с содержанием в сплаве железа до 1,0%;

- уточнена математическая модель расчета критического размера зародыша твердой фазы при кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Практическую ценность работы На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина в холоднотвердеющих формах, учитывающая повышенное содержание примеси железа в сплаве.

Компьютерные программы расчета оптимального состава шихты и данные деформационной модели стержня из a-set смеси для решателя термических напряжений в системе ProCAST позволяют существенно сократить время при подготовке расплава и проектировании литейной технологической оснастки.

Разработанная эффективная технология производства отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевых сплавов прошла промышленные испытания в цехе опытного производства ООО «ЧТЗ - Уралтрак» (г. Челябинск) и успешно внедрена с суммарным годовым экономическим эффектом 100 ООО руб.

На защиту выносятся следующие положения: - методика расчета оптимального состава компонентов металлической шихты с автоматическим подбором максимально допустимого количества возврата;

- температурные зависимости изменения коэффициентов деформационной модели стержня из a-set смеси;

- экспериментальные результаты влияния НЭМИ на кристаллизующийся сплав силумина;

- параметры математической модели кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности;

- способ формирования отливок особо сложной конфигурации из силумина с использованием физического воздействия на ход кристаллизации сплава.

Публикации. По теме диссертации получено одно свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, опубликованы 19 научных статей, из них одна в иностранном журнале с системой цитирования CAS и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 110 наименований и 5 приложений; содержит 221 страницу машинописного текста, 13 таблиц, 69 рисунков.

Автор выражает свою глубокую признательность за консультации, поддержку и творческое участие при выполнении работы кандидату технических наук, доценту Ердакову Ивану Николаевичу.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК ГРАВИТАЦИОННЫМ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ

1.1. Общие представления об алюмокремниевых сплавах, их структуре и свойствах

Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.

По объемам применения фасонных отливок из обозначенных сплавов несомненным лидером является автомобильная промышленность, причем с каждым годом объемы потребления заметно растут под влиянием активно развивающегося рынка автомобилей. Из алюминиевых сплавов отливают блок цилиндров, головку блока, поршни, корпуса, детали интерьера, а в последнее время номенклатуру алюминиевого литья дополнили детали систем управления, ходовой части и отдельные элементы кузова. Такая «популярность» алюминиевых сплавов, большую часть которых составляют силумины, с кремнием в качестве основного легирующего элемента (более 4 масс. %), объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик и хорошей технологичностью при литье. Последнее означает низкую склонность к образованию горячих трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, относительно низкую трудоемкость производства и др. При этом силумины уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем Al-Cu, Al-Zn-Mg—Cu, по жаропрочности - сплавам Al-Cu-Mn, по коррозионной стойкости - сплавам А1-Mg и Al-Zn-Mg, но все эти сплавы с хорошими эксплуатационными характеристиками имеют низкие литейные свойства, вследствие чего, более 90% фасонного алюминиевого литья делается из силуминов.

Доэвтектические силумины типа АК7 содержат от 6 до 8% кремния. Основными структурными составляющими являются дендриты алюминиевого твердого раствора (Al) и алюмокремниевая эвтектика, которая из-за примеси

железа содержит значительное количество пластинчатых кристаллов Р-фазы. Эти кристаллы имеют относительно небольшую длину (в пределах колонии), что делает их менее опасными по сравнению с частицами, сформировавшимися по двойной эвтектической реакции Ь—>(А1)+Р, образование которой возможно при концентрации железа выше 0,6 масс.%. Во избежание наличия включений подобной фазы в конечном изделии при производстве ответственных отливок используют сплав АК7ч, имеющий строгую регламентацию содержания железа и выплавляемый из первичных материалов. Сплав имеет удовлетворительные механические и высокие литейные свойства, хорошую коррозионную стойкость. Применяется для литья тонкостенных сложнопрофильных деталей средней нагруженности [1-6].

Эвтектический силумин АК12 содержит в качестве легирующего элемента только кремний, его основная структурная составляющая — алюминиевокремниевая эвтектика. В структуре данного сплава может наблюдаться небольшое количество первичных дендритов (А1) и первичные кристаллы кремния в виде компактных полиэдров. С ростом концентрации примеси железа в этом сплаве увеличивается число иглообразных сечений пластинчатых кристаллов Р-фазы, что значительно снижает эксплуатационные свойства сплава и негативно отражается на герметичности отливок. Сплав АК12 как правило получают из первичных материалов. Он имеет невысокие прочностные характеристики, однако, в сравнении со сплавом АК7ч, его литейные свойства и коррозионная стойкость намного выше. Одним из главных достоинств этого сплава является образование концентрированной усадочной раковины при литье слитков или массивных узлов во время кристаллизации сплава и малая склонность к образованию рассеянной пористости, вследствие чего данный сплав используют для литья герметичных отливок сложной конфигурации, работающих при температуре не выше 200°С [1,4,7].

В диссертационной работе исследовались технологические процессы изготовления литых деталей из алюминиевых сплавов марки АК7ч и АК12.

Важнейшими характеристиками силуминов, определяющими их технологичность и область применения, являются механические, коррозионные и литейные свойства. Все они определяются химическим составом и структурой сплава. Структура, в свою очередь, формируется в зависимости от условий плавки, вида литья, кристаллизации и последующей термической обработки, если таковая применяется.

Силумины по своей природе являются гетерофазными сплавами, содержания кремния в алюминиевой матрице, как правило, находится в пределах 1—1,5 %, а большая его часть входит в состав фаз кристаллизационного происхождения, прежде всего, кремниевого твердого раствора - (Si). Кроме двух основных фаз в силуминах присутствуют избыточные фазы, содержащие железо, медь, марганец, магний и реже другие элементы. Каждый из этих примесных элементов оказывает влияния на прочностные и пластические свойства, поэтому промышленные силумины состоят из 8-10 различных фаз. Рассмотрим влияние основных легирующих элементов и примесей на свойства силуминов.

По этому вопросу за годы применения алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов собрано достаточно большое количество данных, которые за последние 20 лет значительно дополнились и конкретизировались [8— 16].

Содержание кремния в силуминах варьируется в пределах 4-22%, что обусловлено достижением приемлемых литейных свойств и обеспечением минимального уровня пластичности, поскольку кремниевая фаза очень хрупкая. Все силумины можно разделить на доэвтектические, эвтектические (10—13% Si) и заэвтектические. Для системы Al-Si характерно отсутствие промежуточных фаз и относительно небольшая предельная растворимость Si в Al. Образующаяся в результате такого легирования эвтектика в первую очередь определяет литейные свойства сплава. Введение кремния, также как и других компонентов обусловлено необходимостью повышения прочностных и литейных свойств. Двойные силумины термически не упрочняются, несмотря на переменную растворимость

кремния в алюминии, и, для того, чтобы сделать отливки восприимчивыми к закалке и старению в состав силуминов вводятся медь и магний.

Концентрация магния составляет 0,2-0,6%. При нижнем пределе содержания магния обеспечивается эффект дисперсионного упрочнения за счет выделения вторичных метастабильных фаз, а верхний предел должен обеспечить невысокую объемную долю образующейся эвтектики М£281, снижающей пластичность сплава. При введении магния в алюминий обеспечивается максимальный эффект растворного упрочнения за счет высокого значения относительной разницы между их атомными радиусами. Магний и медь существенно влияют на процесс кристаллизации сплава, в частности на состав и температуру самой легкоплавкой эвтектики. Среди всех легирующих элементов магний обладает наибольшим влиянием на механические свойства силуминов, поэтому его содержание ограничивается весьма узкими пределами, а оптимальная концентрация зависит от состава сплава и вида термообработки.

Медь, помимо растворного упрочнения, обеспечивает возможность существенного дисперсионного твердения в результате старения после закалки, поскольку ее растворимость в (А1) при понижении температуры существенно уменьшается. В тоже время медь оказывает сильное негативное действие на коррозионную стойкость силуминов, а Си-содержащие фазы эвтектического происхождения на пластичность и другие механические свойства сплавов. Во избежание такого рода воздействия, концентрация меди должна жестко регламентироваться. В некоторых силуминах, типа АК5М7, она может достигать 7-8% и порой превышать концентрацию самого кремния. Однако, как правило, вводить медь в количестве более 4-5% нецелесообразно, так как её предельная растворимость в (А1) составляет чуть более 4%. Максимальная совместная растворимость меди и кремния в твердом алюминии при температуре эвтектики (525°С) составляет 4,5% Си и 1,1% Бь Добавка меди расширяет эффективный интервал кристаллизации за счет снижения солидуса, вследствие чего ухудшаются показатели горячеломкости, жидкотекучести и герметичности (из-за увеличения пористости).

Марганец является наиболее универсальной малой добавкой, который входит в состав большинства промышленных алюминиевых сплавов в количестве 0,1— 1%.. Основная цель его введения — дополнительное упрочнение сплава, за счет образования твердых растворов, которые в условиях неравновесной кристаллизации становятся аномально пересыщенными в соответствии с метастабильным вариантом диаграммы состояния. При последующих технологических нагревах эти растворы распадаются, а образующиеся вторичные алюминиды переходных металлов способствуют упрочнению сплава, особенно при повышенных температурах. В силуминах с наличием железа марганец образует фазу А115(РеМп)3812, которая в составе эвтектик, также как и фаза А18Ре281, характеризуется скелетообразной морфологией. Наличие марганца позволяет избежать иглообразных включений фазы А^еБ^ однако его суммарное количество с железом не должно превышать 1 - 1,5% (в зависимости от содержания кремния) с целью снижения риска появления крупных скоплений первичных кристаллов фазы А115(РеМп)3812.

В силуминах железо обычно является примесью и полностью входит в состав одной из фаз эвтектического или первичного происхождения, которые, как правило, оказывают отрицательное влияние на механические свойства. Степень влияния подобных фаз существенно зависит от их морфологии, размера и распределения частиц. Содержание железа может быть, как строго ограничено (< 0,1%), при литье в песчано-глинистые формы ответственных отливок, так и допускаться в достаточно широких пределах (до 2%) при литье под давлением. Наиболее вредными считаются иглообразные включения А15Ре81(Р) в виде первичных кристаллов, существенно понижающие механические свойства отливок. Более благоприятными являются скелетообразная морфология включений (при добавлении марганца) и тонкодифференцированная (при высокой скорости кристаллизации).

Самой же оптимальной является глобулярная морфология железистой фазы, которая может быть получена при добавлении бериллия [5, 17]. Такая структура оптимальна для механических свойств и характерна для фазы А14Ве5Ре2, которая

образуется при соотношении Ве:Ре=0,5...0,6. Это условие закладывает ограничение по количеству железа (не более 1%), так как использование бериллия в количестве более 0,5% практически нереально. Выделение железистой фазы в компактной форме резко уменьшает негативное воздействие на пластичность и вязкость разрушения. Предотвратить появление иглообразных включений железистой фазы возможно уже при соотношении Ве:Ре=0,15...0,2. в этом случае будет образовываться фаза А^РегБеЗ^ которой свойственна скелетная морфология. Как правило, бериллий входит в состав промышленных сплавов (в количестве до 0,4%), предназначенных для получения ответственных отливок. Он создает на поверхности жидких алюминиевых сплавов прочную оксидную пленку, предохраняющую от дальнейшего окисления, что особенно ценно для сплавов, содержащих магний.

Таким образом, алюминиевая матрица силуминов может содержать лишь 4 элемента (81, М§, Си, Хп), остальные элементы входят в состав тех или иных избыточных фаз. Изменение этого фазового состава и оказывает определяющее влияние на механические свойства сплава. Влияние же способа литья на свойства силуминов определяется скоростью кристаллизации и функционально связанной с ней дисперсностью микроструктуры. При высоких скоростях кристаллизации, например, при литье в кокиль, дендритные ячейки (А1) и кристаллы избыточных фаз оказываются заметно меньше и более разветвленными, чем кристаллы кремния и других фаз в составе эвтектических колоний. Такая тонкодифференцированная микроструктура обеспечивает более высокий уровень большинства механических свойств.

Кроме того на механические свойства силуминов оказывают влияние такие структурные параметры как степень дисперсности внутридендритного строения, пористость, количество и размер первичных интерметаллидов и неметаллических включений, степень зональной и дендритной ликвации. Относительное воздействие каждого из этих параметров на свойства сплавов изучено слабо. Корреляционный анализ связей механических свойств с характеристиками структуры показал, что важнейшей из них является размер дендритной ячейки и

определяемые им размер пор и эвтектических выделений. Так, условный предел прочности и относительное удлинение отливок в основном зависят от включений избыточных фаз и пористости, которые выступают в роли очагов разрушения. Чем их больше и чем грубее их форма, тем при меньших деформациях появляются и развиваются трещины [18,19].

Коррозионная стойкость - второй по важности параметр эксплуатационной надежности после механических свойств, также существенно зависит от состава и структуры сплава. Наибольшей стойкостью против коррозии на воздухе и в воде обладают безмедистые доэвтектические силумины с минимальным содержанием примесей (АК7ч, АК9пч). Однако наличие в составе таких сплавов примесей железа, меди или неметаллических включений способствует развитию усадочной и микропористости, что существенно снижает антикоррозионные свойства сплава и герметичность полученных из него отливок. Диспергирование микроструктуры должно уменьшать скорость коррозии за счет меньшего числа избыточных фаз и пор.

На микроструктуру готовой отливки в отсутствие модифицирования сплава оказывает влияние процесс кристаллизации, которая в реальных условиях всегда неравновесна. Важнейшим следствием неравновесной кристаллизации является дендритная ликвация, возникающая в результате подавления диффузии в жидкой и твердой фазах. Дендритная ликвация развивается в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур. Она приводит к возникновению микронеоднородности, а также к появлению в определенных условиях избыточных структурных составляющих эвтектического и перитектического происхождения. Для анализа характера и степени дендритной ликвации были выделены три диффузионных процесса [19]. Образование из жидкого раствора кристаллов равновесного состава требует такого перераспределения атомов разного сорта на фронте кристаллизации, чтобы возникла равновесная разность концентраций. Такой процесс называется разделительной диффузией. Далее в жидком растворе происходит выравнивание состава, между слоем прилегающем к поверхности растущего кристалла и находящемся на некотором расстоянии от

неё. Это выравнивание происходит за счет диффузии и конвективного перемешивания. И третий процесс - это выравнивающая диффузия в твердой фазе, устраняющая градиенты концентраций внутри кристаллитов. Подавление хотя бы одного из этих процессов приводит к неравновесной кристаллизации и развитию дендритной ликвации.

На сегодняшний день наиболее подробно изучено влияние процесса кристаллизации на размер дендритной ячейки [17—19]. Качественно и количественно показано резкое измельчение дендритной ячейки по мере ускорения кристаллизации. В ряде работ [20-22] установлена зависимость размера дендритной ячейки от скорости охлаждения через коэффициент, зависящий от коэффициента диффузии легирующего элемента в жидкости. От последнего зависит полнота прохождения выравнивающей диффузии в расплаве и образование концентрационного уплотнения вокруг растущей ветви дендрита.

Ускорение кристаллизации приводит к уменьшению размеров дендритных ячеек и выделений избыточных фаз. При ускорении охлаждения во время кристаллизации также установлено измельчение микроструктуры внутри зерна.

В свою очередь от размеров дендритных ячеек зависят другие характеристики микроструктуры, определяющие дисперсность выделившихся при кристаллизации избыточных составляющих и пор усадочного происхождения. При кристаллизации растущие ветви дендритов оттесняют обогащенную легирующими элементами жидкость в места контакта нескольких ветвей. Там из жидкости кристаллизуется какая-либо фаза и располагается по границам дендритных ячеек. И там же в результате затвердевания последних изолированных объемов расплава образуются микропоры, размеры которых линейно связаны с размерами дендритной ячейки. При этом линейная зависимость размеров равноосного зерна от размера дендритной ячейки не является общей закономерностью даже при неизменном составе сплава. На конечный размер зерна большее влияние оказывает химический состав сплава и степень перегрева, в то время как размер дендритной ячейки практически не зависит от этих параметров [24,28,29].

С целью устранения последствий дендритной ликвации и повышения конечных свойств отливок применяют гомогенизационный отжиг. В результате подобной термообработки в расплаве происходит растворение неравновесного избытка фаз кристаллического происхождения, устранение внутрикристаллитной ликвации, изменение фазового состава и морфологии избыточных фаз, изменение зеренной и дислокационной структуры алюминиевого твердого раствора, образование дисперсоидов [30]. Однако при всех положительных сторонах данного процесса у него существует один весьма значительный недостаток — это развитие пор, причем этот процесс включает в себя как образование новых пор, так и развитие уже образованных в результате кристаллизации. Новые поры образуются на месте и вблизи растворяющихся включений избыточных фаз из-за разницы их удельного объема с матрицей и эффекта Киркендалла, за счет стремления системы установить равновесную концентрацию вакансий, отклонение от которой связано с различием собственных коэффициентов диффузии компонентов. Рост пор при высокотемпературном отжиге происходит за счет стока вакансий.

Особенно сильно увеличивается пористость при высокотемпературной гомогенизации выше неравновесного солидуса. Предполагается, что в результате оплавления неравновесных эвтектик водород из пересыщенного (А1) диффундирует в эти микрообъемы расплава. После из-за рассасывания при отжиге остаются поры, заполненные газом под большим давлением. Предотвратить такое оплавление можно путем медленного или ступенчатого нагрева, во время которого более тугоплавкие составляющие успевают раствориться в (А1) еще при температурах ниже неравновесного солидуса. Однако способы полного предотвращения развития вторичной пористости при гомогенизации пока не разработаны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Новокрещенов, Виктор Владимирович, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. - М.: Из-во стандартов, 1993.

2. Золоторевский B.C., Белов Н. А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. - М.: МИСиС, 2005. - 376 с.

3. Силумины: Атлас структур и фрактограмм: Справ, изд. / Пригунова А. Г., Белов Н. А. и др./ Под ред. Ю. Н. Тарана, В. С. Золоторевского. - М.: МИСиС, 1996.-175 с.

4. Properties of Aluminum Alloys: Tensile, Creep and Fatigue Data at High and Low Temperatures / Ed. by J. Gilbert Kaufman. - ASM International and The Aluminum Association 1999.

5. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ, изд./ Алиева С. Г., Альтман М.Б. и др. - М.: Металлургия, 1984. - 528 с.

6. Применение алюминиевых сплавов: Справ, изд. / Альтман М. Б., Арбузов Ю.П. и др. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.

7. Belov N.A., Aksenov A.A., Eskin D.G. Iron in Aluminum alloys: Impurity and Alloying Element. - L. - N.-Y.: Fransis and Tailor, 2002. - 360 p.

8. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства сплавов: Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1979. - 640 с.

9. Диаграммы состояния систем на основе алюминия и магния: Справ, изд. / Дриц М. Е., Бочвар Н. Р. и др. - М.: Наука, 1977. - 228 с.

10. Металлические примеси в алюминиевых сплавах / Курдюмов А. В., Инкин С.В., Чулков В. С., Шадрин Г. Г. - М.: Металлургия, 1980.

11. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ, изд./ Беляев А. И., Бочвар О. С. и др. - М.: Металлургия, 1983. - 280 с.

12. Алюминиевые сплавы Вып. 1. Литейные сплавы: Сб. ст. Под ред. И. Н. Фридляндера-М.: Оборонгиз, 1963 -235 с.

13. Grieb В. // Ternary Alloys / Ed. by G. Petzow, G. Effenberg. - Weinheim: VCH, 1990, V.l.-P 340-356.

14. Беляев А. И., Романова О. А., Бочвар О. С. и др Алюминиевые сплавы. Металловедение алюминия и его сплавов Справ, рук.; Отв. ред. И. Н. Фридляндер. - М.: Металлургия, 1971 - 352 с.

15. Напалков В. И., Махов С. В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. - М.: МИСиС, 2002 - 374 с.

16. Литейные алюминиевые сплавы. Свойства, технология плавки, литья и термической обработки Текст сб. ст. под ред. И. Н. Фридляндера, М. Б. Альтмана -М.: Оборонгиз, 1961-203 с.

17. Золоторевский В. С., Белов Н. А., Курдюмова Т. А. Оптимизация структуры вторичных силуминов с целью повышения их пластичности и вязкости разрушения// Изв. вузов. Цветная металлургия, 1989, № 1. - С. 76 - 88.

18. Строганов Г. Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. -М.: Металлургия, 1977. - 271 с.

19.3ахаров. А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. - М.: Металлургия, 1980. - 256 с.

20. Баррет Ч. С. Структура металлов Ч. 1 в 2-х ч. Пер. с англ. Бернштейна А. М., Добаткина С. В.; Под ред. Бернштейна - М.: Металлургия, 1984. - 352 с.

21. Новиков И. И., Глазов В. М., Золоторевский В. С. Исследование сплавов цветных металлов. Вып. 3. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - С. 136-142.

22.Добаткин В.И. Слитки алюминиевых сплавов. - Свердловск: Металлургиздат, 1960. - 175 с.

23. Мирошниченко И. С. Влияние скорости охлаждения на кристаллизацию металлических сплавов: Автореф. дис... докт. техн. наук. - Днепропетровск: ДГУ, 1975

24. Фридляндер И. Н. Затвердевание металлов. -М.: Машгиз, 1958.

25. Alexander В., Rhines F. // J. Met, 1950. V. 188, №10.-P. 1267-1273.

26. Matija H., Giessen B.C., Grant N.I. // J. Inst. Met., 1968, V. 96 - P. 30

27. Voreen O., Evensen J.E., Pedersen T.B. // AFS Trans,1984. - P. 459.

28. Баландин Г. Ф. Формирование кристаллического строения отливок. — М.: Машиностроение, 1973-287 с.

29. Чалмерс Б. Теория затвердевания: Пер. с англ. / Под ред. М. В. Приданцева. - М.: Металлургия, 1968. - 288 с.

30. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986. - 480 с.

31. http://www.castsoft.ru/Articles/A07.files/MICROPOROSITY_rus.pdf

32. Felberbaum M., Landry-Désy Е., Rappaz M., Weber L. / Effective hydrogen diffusion coefficient for solidifying aluminium alloys/Acta Materialia, 2011, T. 59, № 6. - C. 2302-2308.

33. Мельникова E. M. / Ананлиз содержания водорода и распределения пористости в силуминах / Фундаментальные исследования, 2006, № 5 - С. 19

34. Соляков Д. А. Температурно-временное влияние на процессы газовыделения из формовочных материалов и газовая пористость отливок из чугуна: автореф. дис... канд. техн. наук. - Москва, 2008. - 24 с.

35. Monroe R. / Porosity in castings / AFS Transactions, 2005, № 4 - P. 52-80

36. Можарин В. П. Литейное производство: учебное пособие в двух книгах. Книга 2. - Изд-во томского политехи, ун-та, 2011. - 468 с.

37. Фундатор В. И. Литниковые системы и заливка металлов. - М.: Машгиз, 1951 -261с.

38. Галдин H. М. Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок. - М.: машиностроение, 1992 - 250 с.

39. Моргунов В.Н., Голотенков О.Н. Основы конструирования отливок. Элементы литейных форм и отливок: Учебн. пособие. - Пенза: Изд-во Пензинского гос. ун-та, 2009 - 54 с.

40. Головичев А. И., Волков О. А. / Особенности получения плотных отливок из цветных сплавов / Ползуновский альманах, 2003, № 4. - С. 8-9

41. Технология конструкционных материалов, электрон, учеб. пособие / Е. А. Астафьева, Ф. М. Носков, Г. Ю. Зубрилов. - Электрон, дан. (11 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2008.

42. Курдюмов А. В. Производство отливок из сплавов цветных металлов - М.: Металлургия, 1986 - 416 с.

43. Кулаков Б.А., Ивочкина О. М., Знаменский Л.Г. Производство отливок из цветных сплавов. Текст учеб. пособие. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. — 117 с.

44. Курдюмов А. В., Пикунов М. В., Чурсин В. М., Бибиков Е. Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов: Учеб. для вузов по специальности "Литейн. пр-во черных и цв. металлов". - М.: МИСИС, 1996 - 503 с.

45. Мухин А. Г. Повышение эффективности рафинирования силуминов при технологических переливах через зернистые фильтры: дис...канд. техн. наук. -Нижний Новгород, 2002. - 204 с.

46.The use of foam filters in aluminium casting production. // Foundry trade journal, December 1998. - P. 503-504

47. Филлипова И. А. Исследование и разработка модификаторов, закаленных из жидкого состояния, и технология модифицирования доэвтектических силуминов с целью получения высококачественных отливок транспортного машиностроения: автореф. дис... канд. техн. наук. -М.: МИСиС, 2011. -24 с.

48. Белов М. В. Исследование процесса кристаллизации Al-Si сплавов и разработка легкоплавких фосфорсодержащих лигатур с целью повышения качества литых поршневых заготовок: автореф. дис... канд. техн. наук. — М.: МИСиС, 2007 - 27 с.

49. Голоднов А. И. Влияние вибрации на формирование кристаллической структуры меди и медных сплавов: автореф. дис...канд. техн. наук. — Екатеринбург, 2010. - 21 с.

50. Деев В. Б. Исследование наследственного влияния шихты на свойства силуминов и разработка ресурсосберегающей технологии получения герметичных отливок: дис...канд. техн. наук. - Новокузнецк, 2001. - 150 с.

51. Деев В. Б. Развитие научных основ тепловых и электромагнитных воздействий на расплавы и разработка ресурсосберегающих технологий получения высококачественных отливок из алюминиевых сплавов: автореф. дис... докт. техн. наук. - Комсомольск-на-Амуре, 2012. - 35 с.

52. Электроимпульсные нанотехнологии / Балакирев В.Ф., Крымский В.В., Кулаков Б.А., и др.; под ред. чл - корр. РАН Л.А. Смирнова. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 140 с.

53. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение / Белкин B.C., Бухарин В.А., Дубровин В.К., и др.; под ред. В.В. Крымского. Челябинск: Изд-во «Татьяна Лурье», 2001. - 119 с.

54. Цецорина, С.А. Исследование влияния магнитного поля на свойства литейных алюминиевых сплавов и разработка ресурсосберегающей технологии их получения: автореф. дис...канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2008. — 18 с.

55. Щепин, Л.А. Формирование структуры и свойств магниевых сплавов с применением МГД-обработки в предкристаллизационный период: автореф. дис.. .канд. техн. наук- Пермь, 2007. - 22 с.

56. Якимов, А.И. Высокоэффективные технологические процессы изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов в авиастроении: автореф. дис...доктора техн. наук. - Комсомольск-на-Амуре, 2010. - 38 с.

57. Черников Д. Г. Исследование влияния обработки расплавов импульсным магнитным полем высокой напряженности на структуру и свойства алюминиево-кремниевых сплавов: Автореф. дис...канд. техн. наук. - Самара, 2011 - 20 с.

58. Бертман В.А. Компьютерное моделирование заполнения керамических форм тонкостенных панельных отливок, получаемых литьем по выплавляемым моделям: Автореф. дис...канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996. -16 с.

59. Тихомиров М. Д. Моделирование тепловых и усадочных процессов при затвердевании отливок из высокопрочных алюминиевых сплавов и разработка системы компьютерного анализа литейной технологии: автореф. дис.... канд. техн. наук. - Санкт-Петербург, 2005 - 26 с.

60. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979. -392 с.

61.Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Перевод с англ. В. М. Квартелишвили; под ред. Баничука Н. В. - М.: Мир, 1984 - 428 с.

62. Глущенков В.А. и др. / Использование системы компьютерного моделирования литейных процессов «ПОЛИГОН» для исследования дополнительного разогрева расплава металла при электро-импульсной обработке / Вопросы материаловедения, 2010, № 4. — С. 66-71.

63. Tikhomirov M.D., Sabirov D.K., Abramov A.A. / 'POLIGON' application program package for simulating aluminium alloy casting processes / Дефектоскопия, 1991,№ 10.-С. 6-7.

64. Монастырский В.П., Монастырский A.B., Левитан Е.М. / Разработка технологии литья крупногабаритных турбинных лопаток с применением систем «Полигон» и ProCAST./ Литейное производство, 2007, № 9. - С. 29-36.

65. Abdullin A.D / Modeling a complex problem on the stress-strain state of a casting in the software ProCAST. / Metallurgist, 2011, C. 1-6.

66. Колтыгин A.B., Баженов B.E. / Об особенностях расчета усадочных дефектов в отливках с использованием программного пакета ProCAST./ Изв. вуз. Цветная металлургия, 2009, № 5. - С. 36-38.

67. Абдуллин А.Д. / Компьютерное моделирование литейных процессов с применением программного комплекса ProCAST. / Литейное производство, 2011, №6.-С. 19-21

68. ТТМ-93-86. Технические требования на отливки из алюминиевых сплавов для тракторов и двигателей типа Д-160. - Челябинск: ЧТЗ ОГМет, 1986. - 9 с.

69. Мамошкин А. М. Симплекс-метод для решения задач линейного программирования. - С.-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2010. - 28 с.

70. Мижидон А. Д. Теоретические основы симплекс-метода. Учеб. Пособие. -Улан-Удэ: ГОУ ВПО ВСГТУ, 2008. - 81 с.

71. Крылов А. С. Математическое моделирование и компьютерный анализ жидких металлических систем: автореф. дис... докт. физ-мат наук. - Москва, 2009 -22 с.

72. Ларичев Н.С., Домрачев Г.М., Кривенко Г.Г., / Оптимизация конструкции литниково-питающей системы компьютерным моделированием / Литейное производство,2012,№ 12. -С. 19-21.

73. Абдуллин А. Д. / Выявления дефектов микропористости в стальных отливках с помощью компьютерного моделирования литейного процесса в ProCAST./ Металлург, 2013, № 3. - С. 19-23.

74. Овчинников A.M., Пустовалов Д.О., Яковлев А.Д. / Определение оптимальной литниково-питающей системы для отливки типа ротор на основе анализа программным комплексом ProCAST / Master's Journal, 2012, № 2. - С. 99106.

75. Зубчанинов В. Г. Механика процессов пластических сред. — Москва, 2010.

76. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности / Под ред. Г. С. Варданяна. - М.: Изд-во АСВ, 1995. - 568 с.

77. Кучин П.С. / Использование программного комплекса ProCAST / Литейное производство, 2007, № 7. - С. 27-30.

78.Abdullin A.D. / New capabilities of software package ProCAST 2011 for modeling foundry operations / Metallurgist, 2012, T. 56, № 5-6. - C. 323-328.

79. Саидов Д.Х. / Кинематика изменения прочности низкомарочных бетонов из грунтоцементных композиций при воздействии агрессивной среды / Естественные и технические науки, 2011, № 4. - С. 532-537.

80. Майоров В. И. / Механика сопротивления бетонов разрушению / Строительная механика инженерных конструкций и сооружений, 2007, №2. — С. 36-42

81. Ердаков, И.Н. Применение генератора наносекундных электромагнитных импульсов в технологическом процессе изготовления отливок / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейные процессы: межрег. сб. научн. тр. под ред В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 123-125.

82. Ердаков, И.Н. Кристаллизация алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Цветные металлы: сб. докладов второго международного конгресса. - Красноярск: ООО «Версо», 2010.-С. 670-672.

83. Ердаков, И.Н. О кристаллизации алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство, 2012, № 2. - С. 34-35.

84. Ердаков, И.Н. Влияние импульсного электрического воздействия на кристаллизацию силумина (АК7ч) и стали (20ГЛ) / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейные процессы: межрег. сб. научн. тр. под ред В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Вып. 9 - С. 54-57.

85. Знаменский, Л.Г. Электроимпульсная обработка кристаллизующихся расплавов в литейных процессах / Л.Г. Знаменский, И.Н. Ердаков, В.В. Ерофеев, В.В. Новокрещенов // Наука и производство: сборник научных трудов / под. ред. В.В. Ерофеева. Челябинск: ЧРО РАЕН, 2010. - С. 17-22.

86. Новокрещенов, В.В. Локальная электроимпульсная обработка кристаллизующегося алюминиевого сплава / В.В. Новокрещенов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». — 2012. -№39.-С. 134-136.

87.0собенности затвердевания силумина, находящегося в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов, В.Ю. У санов и др. //

сб. фундаментальных и прикладных проблем науки: материалы VII Международного симпозиума, М: РАН, 2012 - С. 83-90.

88.Ердаков, И.Н. Контроль технологических параметров электроимпульсного процесса формирования отливки / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство сегодня и завтра: тезисы докладов 8-й Всероссийской научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 148 — 152.

89. Ердаков, И.Н. Импульсное электромагнитное воздействие на кристаллизационный процесс силумина (АК7ч) / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов / Литейщик России, 2011, № 7. - С. 22 - 23.

90. Ердаков, И.Н. Влияние температуры заливки на кристаллизацию алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Труды X съезда литейщиков России, Казань, Изд-во РАЛ, 2011г. -С. 216-219.

91. Ердаков, И.Н. Методика формирования литой структуры металлического сплава в электромагнитном поле высокой напряженности / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Заготовительные производства в машиностроении, 2012, № 3. -С. 7-10.

92.Ердаков, И.Н. Технология производства высококачественных литых деталей из алюминиевых сплавов / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр./ под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та, 2012. -Вып. 12. -С.97-100.

93.Ердаков, И.Н. Специфика формирования отливки при электроимпульсном воздействии / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство — 2012. -№ 10.-С. 21-22.

94.Erdakov I.N., Novokreshchenov V.V. A principal approaching design of resourse-seving casting technologies. Mashines, technologies, materials, 2013, n. 2, pp. 13-15.

95. Новокрещенов, B.B. Производство высококачественных литых деталей из алюминиевых сплавов / В.В. Новокрещенов // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». - 2013. - Т. 13. - №1. - С. 208-210.

96. Ердаков, И.Н. Технология литья коллекторов в условиях опытного производства челябинского тракторного завода / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещеннов // Труды XI съезда литейщиков России, Екатеринбург, Изд-во РАЛ, 2013г. - С. 105-109.

97. Современный подход к повышению эффективности технологии изготовления отливки / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов, ДА. Кольцо, А.О. Оводов // Теория и практика литейных процессов: труды всероссийской научно-практической конференции / Под ред. И.Ф. Селянина, В.Б. Деева. — Новокузнецк: Издат. центр СибГИУ, 2012. - С. 143-144.

98. Деклу Ж. Метод конечных элементов Пер. с фр. Б. И. Квасова; Под ред. Н. Н. Яненко. - М.: Мир, 1976 - 96 с.

99. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. — Л.: Наука, 1975. — 592 с.

100. Аринштейн Э. А. / Модель фазового перехода жидкость - кристалл и квазикристаллическая модель жидкости./ ТМФ, 2007, Т. 151, № 1. - С . 155-171.

101. Большаков В.И. и др. / О кластерной модели строения металлических расплавов./ Bíchhk Придншровсько1 державно! академи буд1вница та архггектури. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2008, № 3. - С.8-12

102. Пул Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. - М.: изд-во «Техносфера», 2000. — 334

с.

103. Крымский В.В., Ердаков И.Н./ О новых возможностях воздействия наносекундных импульсов на расплавы металлов./ Литейщик России, 2010, № 10. - С. 27-28.

104. Лукьянов В.И. и др. Структурные микронеоднородности расплавов// ФММ, 1972, Т. 34, Выпуск 5. - С. 1060-1065.

105. Башмакова, Т.А. Формирование структуры и свойств литейных алюминиевых сплавов под влиянием деформационных и электроимпульсных воздействий: автореф. дис...канд. техн. наук. - Новосибирск, 2009. - 22 с.

106. Акимов Г. В. Основы учения о коррозии и защите металлов. — М.: Металлургиздат, 1946. - 463 с.

107. Иванов В. П., Спасский А. Г. / Влияние окислов алюминия на процессы газонасыщения и газовыделения в алюминии и его сплавах / Литейное производство, 1963, №1 - С. 26-28.

108. Новокрещенов, В.В. Математическая модель кристаллизации металлического сплава в импульсном электромагнитном поле / В.В. Новокрещенов, И.Н. Ердаков // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр. под ред. В.М. Колокольцева. -Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та, 2012. - Вып. 12. — С. 169173.

109. Вирт Н.П. Алгоритмы и структуры данных. - СПб.: Невский Диалект, 2008.-150 с.

110. Ердаков И. Н. Системы автоматизированного проектирования и интерактивный справочник при конструировании отливок из пластмасс // Литейное производство сегодня и завтра: Тезисы докладов 7-й Всероссийской научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - 250 с.