Помощь студентам в учебе
Полунепрерывное литье крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава В96ц-3пч
|
Актуальность работы. Полуфабрикаты из алюминиевых сплавов являются основным конструкционным материалом авиакосмической техники благодаря хорошему сочетанию их механических, коррозионных и конструкционных свойств. Для замены широко используемых в авиастроении сплавов В95пч и В95оч системы А1-2п-Мд-Си планировалось использовать сплав В96ц-3, разработанный ВИАМ и ВИЛС в 1970г. Однако повышенная склонность полуфабрикатов из сплава В96ц-3 к коррозионному растрескиванию явилась серьёзным препятствием для его применения в самолётостроении.
В последнее десятилетие авиаконструкторы проявили интерес к разработанному специалистами ВИАМ сплаву В96ц-3пч, получившему практическое применение. Отличие сплава В96ц-3пч от сплава В96ц-3 заключается в уменьшении верхнего предела по содержанию меди до 1,95%, железа до 0,15%, добавлении бора до 0,01%, бериллия, никеля. Сплав В96ц-3пч системы А1-2п-Мд-Си обладает наиболее высокими значениями прочности (650-700МПа) и остаётся одним из перспективных материалов для строительства современной авиационной техники. В отличие от широко применяемых сплавов В95пч и В95оч сплав В96ц-3пч повышает прочность конструкций на 15-25% и обеспечивает выигрыш в весе самолётов от 10 до 20%.
Одна из самых главных причин, сдерживающих серийное производство листов, плит и панелей из сплава В96ц-3пч, заключается в том, что слитки, особенно крупногабаритные, характеризуются высокой склонностью к образованию горячих трещин при полунепрерывном литье.
Цель диссертационного исследования заключается в установлении закономерностей влияния металлургических и технологических факторов на горячеломкость сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, структуру и свойства отливаемых слитков; использовании полученных закономерностей для разработки промышленной технологии приготовления сплавов В96ц-3, В96ц-3пч и полунепрерывного литья из них высококачественных крупногабаритных слитков.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:
1. Исследовать влияние химического состава, состава шихты, температурно-временных режимов приготовления, рафинирования, вакуумирования и модифицирования расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч на образование горячих трещин, структуру и свойства крупногабаритных цилиндрических и плоских слитков.
2. Изучить влияние способов фильтрации расплава в процессе литья, параметров литья, конструкции кристаллизатора и распределителей расплава в лунке слитка на образование горячих трещин, структуру и свойства крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч.
3. Разработать технологию полунепрерывного литья слитков диаметром 680мм и плоских слитков сечениями 345х1340мм и 450х1200мм из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч для изготовления из них крупногабаритных полуфабрикатов (плит, профилей, поковок) с требуемыми значениями механических, коррозионных и служебных свойств.
Научная новизна
- Уточнены пределы легирования и соотношения концентраций легирующих элементов (2п, Мд, Си), примесей (Ре и 81, Бе и Мп) в сплавах В96ц-3 и В96ц-3пч при производстве крупногабаритных слитков в условиях интенсивного внешнего охлаждения.
-Установлена зависимость между содержанием неметаллических включений в слитках сплавов В96ц-3, В96ц-3пч и массовой долей вовлекаемых в шихту кусковых оборотных отходов, способами фильтрации расплавов.
- Выявлены закономерности формирования макроструктуры слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч при использовании разных способов модифицирования расплавов лигатурами А1-4Т1, А1-5Т1-1В с учетом борсодержащих оборотных от-ходов, совместными добавками 2г и Т1, струйным перемешиванием расплава в лунке кристаллизующегося слитка.
- Уточнена взаимосвязь между содержанием водорода, цинка и магния в сплавах В96ц-3 и В96ц-3пч и параметрами вакуумирования расплавов.
Практическая значимость. Разработаны и внедрены режимы приготовления сплава В96ц-3пч и полунепрерывного литья плоских слитков сечениями 345х1340мм, 450х1200мм и слитков 0680мм. В результате удалось существенно понизить вероятность образования в них горячих трещин и повысить выход годного на 21,4%. Разработка, освоение и внедрение технологии полунепрерывного литья крупногабаритных слитков расширило номенклатуру выпускаемых полу-фабрикатов, необходимых для строительства новых пассажирских самолётов Ан- 148, МС-21 и истребителя пятого поколения СУ(Т50).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на V конференции молодых специалистов авиационно-космических и металлургических организаций России: г. Королёв, 2006г; на IV Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» г. Екатеринбург: 2007г; на VII международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» г. Самара: 2008г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и библиографического списка из 95 наименований, изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 93таблиц.
В последнее десятилетие авиаконструкторы проявили интерес к разработанному специалистами ВИАМ сплаву В96ц-3пч, получившему практическое применение. Отличие сплава В96ц-3пч от сплава В96ц-3 заключается в уменьшении верхнего предела по содержанию меди до 1,95%, железа до 0,15%, добавлении бора до 0,01%, бериллия, никеля. Сплав В96ц-3пч системы А1-2п-Мд-Си обладает наиболее высокими значениями прочности (650-700МПа) и остаётся одним из перспективных материалов для строительства современной авиационной техники. В отличие от широко применяемых сплавов В95пч и В95оч сплав В96ц-3пч повышает прочность конструкций на 15-25% и обеспечивает выигрыш в весе самолётов от 10 до 20%.
Одна из самых главных причин, сдерживающих серийное производство листов, плит и панелей из сплава В96ц-3пч, заключается в том, что слитки, особенно крупногабаритные, характеризуются высокой склонностью к образованию горячих трещин при полунепрерывном литье.
Цель диссертационного исследования заключается в установлении закономерностей влияния металлургических и технологических факторов на горячеломкость сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, структуру и свойства отливаемых слитков; использовании полученных закономерностей для разработки промышленной технологии приготовления сплавов В96ц-3, В96ц-3пч и полунепрерывного литья из них высококачественных крупногабаритных слитков.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:
1. Исследовать влияние химического состава, состава шихты, температурно-временных режимов приготовления, рафинирования, вакуумирования и модифицирования расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч на образование горячих трещин, структуру и свойства крупногабаритных цилиндрических и плоских слитков.
2. Изучить влияние способов фильтрации расплава в процессе литья, параметров литья, конструкции кристаллизатора и распределителей расплава в лунке слитка на образование горячих трещин, структуру и свойства крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч.
3. Разработать технологию полунепрерывного литья слитков диаметром 680мм и плоских слитков сечениями 345х1340мм и 450х1200мм из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч для изготовления из них крупногабаритных полуфабрикатов (плит, профилей, поковок) с требуемыми значениями механических, коррозионных и служебных свойств.
Научная новизна
- Уточнены пределы легирования и соотношения концентраций легирующих элементов (2п, Мд, Си), примесей (Ре и 81, Бе и Мп) в сплавах В96ц-3 и В96ц-3пч при производстве крупногабаритных слитков в условиях интенсивного внешнего охлаждения.
-Установлена зависимость между содержанием неметаллических включений в слитках сплавов В96ц-3, В96ц-3пч и массовой долей вовлекаемых в шихту кусковых оборотных отходов, способами фильтрации расплавов.
- Выявлены закономерности формирования макроструктуры слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч при использовании разных способов модифицирования расплавов лигатурами А1-4Т1, А1-5Т1-1В с учетом борсодержащих оборотных от-ходов, совместными добавками 2г и Т1, струйным перемешиванием расплава в лунке кристаллизующегося слитка.
- Уточнена взаимосвязь между содержанием водорода, цинка и магния в сплавах В96ц-3 и В96ц-3пч и параметрами вакуумирования расплавов.
Практическая значимость. Разработаны и внедрены режимы приготовления сплава В96ц-3пч и полунепрерывного литья плоских слитков сечениями 345х1340мм, 450х1200мм и слитков 0680мм. В результате удалось существенно понизить вероятность образования в них горячих трещин и повысить выход годного на 21,4%. Разработка, освоение и внедрение технологии полунепрерывного литья крупногабаритных слитков расширило номенклатуру выпускаемых полу-фабрикатов, необходимых для строительства новых пассажирских самолётов Ан- 148, МС-21 и истребителя пятого поколения СУ(Т50).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на V конференции молодых специалистов авиационно-космических и металлургических организаций России: г. Королёв, 2006г; на IV Российской научно-практической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» г. Екатеринбург: 2007г; на VII международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» г. Самара: 2008г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и библиографического списка из 95 наименований, изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 93таблиц.
На основе выполненных исследований разработана и внедрена промышленная технология приготовления сплавов В96ц-3, В96ц-3пч и полунепрерывного литья крупногабаритных цилиндрических и плоских слитков, предназначенных для производства из них катаных, прессованных и кованых полуфабрикатов авиационного назначения.
1. Установлены закономерности влияния содержания и соотношения основных легирующих элементов (/п, Mg, Си), примесей (Бе, Si, Mn) и массовой доли (от 0 до 100%) кусковых отходов сплава В96ц-3пч в составе шихты на структуру, свойства и образование горячих трещин в крупногабаритных слитках из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч. На основании выявленных закономерностей сужены концентрационные интервалы основных легирующих компонентов и примесей, а также определена приемлемая доля кусковых оборотных отходов (30%) для приготовления сплава В96ц-3пч.
2. Выявлено влияние параметров вакуумирования (температура, продолжи-тельность, остаточное давление воздуха) расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч в миксере на изменение содержания цинка, магния, водорода и образование пористости в слитках. Установлена комбинация параметров вакуумирования, обеспечивающая допустимое испарение цинка из расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, достаточно низкое содержание водорода и пониженную пористость в слитках. Разработана новая технология вакуумирования расплава В96ц-3пч, позволяющая сократить время нахождения расплава в миксере, уменьшить содержание водорода в сплаве и, как следствие, предотвратить образование в слитках первичной, а в полуфабрикатах вторичной пористости (патент ЯИ 2361938).
3. Обнаружено, что модифицирование расплава В96ц-3пч лигатурой А1-5ТМВ за 1,5:2,0м до кристаллизатора обеспечивает получение мелкозернистой структуры слитка, но сопровождается снижением вязкости разрушения К1С полуфабрикатов. Более приемлемый способ модифицирования сплава В96ц-3пч при этих условиях заключается в присадке лигатуры А1-2ТР0,6В в миксер под струю расплава при переливе его из ковша в миксер. Предложен новый состав и технология получения модифицирующей лигатуры А1-Т1-В с использованием техногенных титановых отходов.
4. Применение корпусного кристаллизатора взамен трубчатого при полунепрерывном литье крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч вызывает уменьшение вероятности образования горячих трещин в слитках. Это обусловлено более равномерным и менее интенсивным охлаждением кристаллизующегося слитка и, как следствие, уменьшением термических напряжений в нём по сравнению с отливкой слитков в трубчатый кристаллизатор.
5. Показано, что комбинированный способ рафинирования расплава от неметаллических включений, заключающийся в последовательном использовании двух слоёв стеклосетки марки ССФ1,0-0 и пенокерамического фильтра пористостью 40рр1, обеспечивает достаточное снижение коэффициента загрязненности неметаллическими включениями сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч.
6. За счёт симметричного распределения расплава в кристаллизаторе с помощью распределительной воронки и перемешивания его струйками, выходящими со скоростью 0,23-0,30м/с из отверстий или щелей распределительной воронки, обеспечивается предотвращение образования веерных кристаллов и единичных крупных зёрен в макроструктуре крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч (способ защищён патентом ЯИ 2414324).
7. Разработан режим гомогенизации крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, обеспечивающий их высокую технологическую пластичность при различных видах деформации (прокатка, прессование и ковка).
8. Использование крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч для прокатки, прессования и ковки позволяет получать плиты, профили и поковки со структурой, механическими, коррозионными и служебными свойствами, требуемыми нормативной документацией.
9. Результаты работы внедрены в производство.
1. Установлены закономерности влияния содержания и соотношения основных легирующих элементов (/п, Mg, Си), примесей (Бе, Si, Mn) и массовой доли (от 0 до 100%) кусковых отходов сплава В96ц-3пч в составе шихты на структуру, свойства и образование горячих трещин в крупногабаритных слитках из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч. На основании выявленных закономерностей сужены концентрационные интервалы основных легирующих компонентов и примесей, а также определена приемлемая доля кусковых оборотных отходов (30%) для приготовления сплава В96ц-3пч.
2. Выявлено влияние параметров вакуумирования (температура, продолжи-тельность, остаточное давление воздуха) расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч в миксере на изменение содержания цинка, магния, водорода и образование пористости в слитках. Установлена комбинация параметров вакуумирования, обеспечивающая допустимое испарение цинка из расплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, достаточно низкое содержание водорода и пониженную пористость в слитках. Разработана новая технология вакуумирования расплава В96ц-3пч, позволяющая сократить время нахождения расплава в миксере, уменьшить содержание водорода в сплаве и, как следствие, предотвратить образование в слитках первичной, а в полуфабрикатах вторичной пористости (патент ЯИ 2361938).
3. Обнаружено, что модифицирование расплава В96ц-3пч лигатурой А1-5ТМВ за 1,5:2,0м до кристаллизатора обеспечивает получение мелкозернистой структуры слитка, но сопровождается снижением вязкости разрушения К1С полуфабрикатов. Более приемлемый способ модифицирования сплава В96ц-3пч при этих условиях заключается в присадке лигатуры А1-2ТР0,6В в миксер под струю расплава при переливе его из ковша в миксер. Предложен новый состав и технология получения модифицирующей лигатуры А1-Т1-В с использованием техногенных титановых отходов.
4. Применение корпусного кристаллизатора взамен трубчатого при полунепрерывном литье крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч вызывает уменьшение вероятности образования горячих трещин в слитках. Это обусловлено более равномерным и менее интенсивным охлаждением кристаллизующегося слитка и, как следствие, уменьшением термических напряжений в нём по сравнению с отливкой слитков в трубчатый кристаллизатор.
5. Показано, что комбинированный способ рафинирования расплава от неметаллических включений, заключающийся в последовательном использовании двух слоёв стеклосетки марки ССФ1,0-0 и пенокерамического фильтра пористостью 40рр1, обеспечивает достаточное снижение коэффициента загрязненности неметаллическими включениями сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч.
6. За счёт симметричного распределения расплава в кристаллизаторе с помощью распределительной воронки и перемешивания его струйками, выходящими со скоростью 0,23-0,30м/с из отверстий или щелей распределительной воронки, обеспечивается предотвращение образования веерных кристаллов и единичных крупных зёрен в макроструктуре крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч (способ защищён патентом ЯИ 2414324).
7. Разработан режим гомогенизации крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч, обеспечивающий их высокую технологическую пластичность при различных видах деформации (прокатка, прессование и ковка).
8. Использование крупногабаритных слитков из сплавов В96ц-3 и В96ц-3пч для прокатки, прессования и ковки позволяет получать плиты, профили и поковки со структурой, механическими, коррозионными и служебными свойствами, требуемыми нормативной документацией.
9. Результаты работы внедрены в производство.