Тема: ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ИЗ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННОЙ ЛАТУНИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9
1.1 Износостойкость многокомпонентных латуней 9
1.2 Морфология и состав интерметаллидов в структуре
сложнолегированных латуней 13
1.3 Влияние легирующих элементов на структуру и свойства латуней 16
1.4 Особенности формирования слитков, получаемых полунепрерывным
способом литья 25
1.5 Технологические особенности плавки медных сплавов, содержащих
тугоплавкие легкоокисляемые легирующие компоненты 28
1.6 Цель и задачи исследования 32
2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ 33
2.1 Оборудование и материалы, использованные в работе 33
2.2 Метод обработки статистических данных 35
2.3 Метод дифференциального термического анализа 36
2.4 Определение теплофизических характеристик сплава марки
ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 37
2.5 Исследование микроструктуры сплава марки ЛМцАКНХ
62-3-2-0,8-0,4-0,2 на растровом электронном микроскопе 38
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННОЙ ЛАТУНИ И ИЗУЧЕНИЕ ЕЕ СВОЙСТВ 39
3.1 Проблемы производства заготовок из сложнолегированных латуней 39
3.2 Особенности легирования меди хромом и изучение влияния факторов,
определяющих степень усвоения хрома 44
3.3 Исследование структуры сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2,
полученного при различных способах легирования хромом, в литом состоянии 53
3.4 Изучение влияния содержания хрома в сплаве марки ЛМцАКНХ
62-3-2-0,8-0,4-0,2 на его структуру и свойства 64
3.5 Определение интервала затвердевания и теплофизических свойств
сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 83
3.6 Выводы по главе 3 90
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ И ПОЛУНЕПРЕРЫВНОГО
ЛИТЬЯ СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВА МАРКИ ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 93
4.1 Выбор и обоснование технологического регламента плавки и литья
сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 93
4.2 Изучение структуры и свойств сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 в литом и прессованном состоянии при легировании сплава лигатурой СиСг10 97
4.3 Исследование структуры и свойств сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 в литом и прессованном состоянии при легировании сплава лигатурой Си8П7Сг10 112
4.4 Выводы по главе 4 126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Микроструктура, химический состав и карты распределения элементов образцов с различным содержанием хрома 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт промышленных испытаний 165
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Микроструктура образца трубы из сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, выплавленного с использованием лигатуры Си8П7Сг10, и химический состав фаз 167
📖 Введение
В настоящее время медные сплавы находят широкое применение в машиностроении. Требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств постоянно повышается из-за возрастающих требований к надежности изделий и их ресурсу работы. Необходимое сочетание эксплуатационных свойств изделий, таких как износостойкость, коррозионная стойкость и др., технологичности производства деталей и цены могут обеспечить сложнолегированные латуни. Качество полуфабрикатов, из которых изготавливаются детали ответственного назначения, во многом зависит от качества литых заготовок. Так, износостойкость является одним из основных свойств, которое определяет долговечность работы деталей, эксплуатирующихся в условиях износа. Износостойкость обеспечивается фазовым составом сплава, равномерностью распределения фаз, объемной долей, морфологией и их размером. Требуемые параметры структуры можно получить управляя соотношением легирующих элементов в составе многокомпонентного сплава. Некоторые химические элементы, входящие в состав сложнолегированных латуней, растворяются в матрице сплава, увеличивая его твердость и коррозионную стойкость, другие элементы за счет химического сродства образуют интерметаллидные соединения, которые армируют сплав и придают ему износостойкость. Такие параметры структуры, как размер и равномерность распределения интерметаллидных частиц, формируются на стадии литья. В настоящее время разработана технология плавки и литья сложнолегированных латуней марок ЛМцАЖН 59-3,5-2,5-0,5-0,4, ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1, ЛМцСКА 58-2-2-1-1, ЛМцКНС 58-3-1,5-1,5-1. Однако необходимость использования новых сплавов для изготовления деталей ответственного назначения требует разработки технологии их получения с учетом состава сплава и особенностей формирования структуры. В связи с этим является важной и актуальной задача изучения особенностей формирования структуры и свойств сложнолегированной износостойкой латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 с целью разработки технологии ее плавки и литья.
Работа выполнена в рамках исследований, включенных в следующие государственные программы:
- НИР № 7.1833.2011 «Теоретическое и экспериментальное исследование механизма физических воздействий на кристаллизующийся расплав и защитные покрытия сплавов на основе металлов 4 периода, обладающих специальными свойствами»;
- НИР № 11.569.2014/К «Технология комплексной переработки медьсодержащего сырья и производства высококачественных изделий из меди».
Степень разработанности темы исследования
В последние десятилетия сложнолегированные латуни находят широкое применение в автомобилестроении благодаря сочетанию таких факторов, как высокие эксплуатационные характеристики, низкая стоимость, технологичность изготовления деталей. Поскольку качество деталей и полуфабрикатов, получаемых полунепрерывным методом из сложнолегированных латуней, зависит от структуры и качества литой заготовки, этим вопросам отводится большое внимание в трудах отечественных ученых. Вопросами получения качественных литых заготовок занимались следующие ученые: Кац А.М., Шадек Е.Г., Добаткин В.И., Чурсин В.М., Рутес В.С и др. Задачи получения требуемой микроструктуры рассматривали зарубежные и отечественные ученые: МтШуан Н., ЗннйЬегд М., А1знш1 Н., Мысик Р.К., Титова А.Г., Котов Д.А., Пугачева Н. В., Гершман Г.Б., Тропотов А.В. и др. Однако необходимость освоения производства деталей из новых сплавов, в состав которых наряду с Мп, 81, А1, N1 входят Сг, V, /г и др. элементы, требует дополнительного изучения особенностей формирования структуры и свойств сплавов.
Цель работы: изучение особенностей формирования структуры и свойств литых заготовок из сложнолегированной латуни, содержащей А1, Мн, 81, N1, Сг, для изготовления деталей ответственного назначения, работающих в условиях износа и при высоких удельных нагрузках, с целью разработки технологии полунепрерывного литья латуни, обеспечивающей формирование заданных структуры и свойств литых заготовок и готовых деталей.
Задачи исследования:
1. Исследовать особенности формирования структуры сложнолегированной латуни, полученной при различных способах легирования хромом, и изучить её свойства.
2. Изучить влияние содержания хрома в составе сложнолегированной латуни на её структуру, механические и эксплуатационные свойства.
3. Определить критические температуры при затвердевании и исследовать теплофизические свойства сложнолегированной латуни в зависимости от температуры.
4. Разработать технологию плавки и полунепрерывного литья слитков сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 для последующей пластической обработки со структурой и свойствами, обеспечивающими регламентированный уровень свойств готовых деталей.
Научная новизна:
1. Выявлен механизм формирования интерметаллидов округлой формы в структуре сложнолегированной латуни, содержащей хром, сердцевина которых представляет силицид хрома, а периферия - силицид марганца.
2. Установлена взаимосвязь между содержанием хрома в составе сложнолегированной латуни, объемной долей интерметаллидов округлой формы в структуре и интенсивностью изнашивания сплава.
3. Определены критические температуры при затвердевании и теплофизические свойства сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, позволившие оценить глубину лунки жидкого металла при полунепрерывном литье и установить температуру и предельную скорость литья.
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты работы расширяют представления об особенностях формирования структуры и свойств литых заготовок из сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 для изготовления деталей, работающих в условиях износа и при высоких удельных нагрузках. Разработан технологический регламент плавки и литья сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, позволяющий получать качественные литые заготовки. Предложенная технология прошла апробирование в промышленных условиях на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов». Полученные результаты исследования могут быть использованы отечественными и зарубежными автомобильными заводами при освоении производства автокомпонентов для решения задачи импортозамещения, поставленной правительством Российской Федерации в рамках Федерального закона № 488-ФЗ от 31.12.2014 г. «О промышленной политике в Российской Федерации».
Методология и методы диссертационного исследования
В основу методологии исследования положены труды зарубежных и отечественных ученых: Шадека Е.Г., Каца А.М., Курбаткина И.И., Тропотова А.В., Мшфуан И., Panagopoulos С.Ы. С целью решения задач, поставленных в рамках данной диссертационной работы, использовались следующие методы: оптическая микроскопия, сканирующая и растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный спектральный анализ, фрактографический анализ, трибологические испытания, дифференциальный термический анализ, регрессионный анализ.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования структуры сложнолегированной латуни, полученной при различных способах легирования хромом.
2. Результаты изучения влияния содержания хрома в составе сложнолегированной латуни на её структуру и свойства.
3. Результаты определения критических температур при затвердевании и исследования теплофизических свойств сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 в зависимости от температуры.
4. Результаты сравнительной оценки интенсивности изнашивания образцов из сложнолегированной латуни с различным содержанием хрома.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность полученных экспериментальных данных и выводов, а также рекомендаций, предложенных в работе, подтверждается использованием современных методов исследования и передового прикладного программного обеспечения. Обработка экспериментальных данных проводилась с использованием методов математической обработки статистических данных. Разработанный и предложенный технологический регламент плавки и литья латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 прошел успешные промышленные испытания в условиях ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов». Текст диссертации проверен на отсутствие недобросовестного заимствования с помощью программы «Антиплагиат.ВУЗ».
Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Sino-Russian Symposium on Advanced Materials and Processing Technology, Qindao, China, 2014 г.; Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2014 г.; XII Съезде литейщиков России, г. Н. Новгород, 2015 г.; IV Международной интерактивной научно-практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», г. Екатеринбург, 2015 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы и достижения в инновационных материалах и технологиях машиностроения», г. Комсомольск-на-Амуре, 2015 г.; XIV Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», г. Екатеринбург, 2015 г.
✅ Заключение
2. Установлено, что степень усвоения хрома зависит от температуры расплава меди, времени выдержки и размера кусков хрома. При размере кусков хрома 20...30 мм в течение 30...40 минут усваивается 80...90 % хрома. Для обработки экспериментальных данных использована методика полного факторного эксперимента. Получено уравнение регрессии, проверена его адекватность.
3. Экспериментально установлено, что на степень усвоения хрома расплавом латуни ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 оказывает влияние способ легирования. При использовании чистого хрома в структуре латуни обнаружены скопления частиц нерастворившегося хрома. Ввиду высокого содержания цинка в составе латуни нагрев расплава выше температуры 1200 °С и продолжительная выдержка при высоких температурах невозможны из-за интенсивной пульсации расплава и испарения цинка, а также потерь легирующих элементов в результате угара.
4. Металлографический анализ структуры латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, выплавленной с использованием лигатур СиСг10 и Си8П7Сг10, показал, что в структуре присутствуют интерметаллиды различной морфологии и состава. Кроме интерметаллидов стержневидной формы, присутствуют интерметаллиды округлой формы: центральная область интерметаллида обогащена хромом и кремнием, а периферийная область обогащена марганцем и кремнием.
5. Анализ микроструктуры слитков латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 с различным содержанием хрома показал, что при увеличении содержания хрома значительно изменяется морфология и размер интерметаллидных включений. В структуре сплава, не содержащего в своем составе хром, наблюдаются интерметаллиды стержневидной формы, длина которых достигает 30...40 мкм, ширина не превышает 1.1,5 мкм. При этом интерметаллиды распределены неравномерно и расположены в основном по границам зерен. При увеличении содержания хрома в сплаве от 0,05 до 0,33 мас.% наряду со стержневидными интерметаллидами появляются округлые интерметаллиды. Длина стержневидного интерметаллида уменьшается до 15 мкм, а ширина увеличивается до 3,5 мкм.
6. Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что оболочка интерметаллида округлой формы представляет собой соединение силицид марганца со стехиометрической формулой Мн5813 и химическим составом 26,69 % 81 и 62,04 % Мн. Сердцевина такого интерметаллида имеет химический состав 16,60 % 81 и 77,06 % Сг, стехиометрическая формула такого соединения - Сг381.
7. Установлено, что с повышением содержания хрома в сплаве количество интерметаллидов округлой формы увеличивается. Определено содержание хрома в сплаве (0,17.0,23 мас.%), которое обеспечивает высокую твердость 291,12.298,80 НВ и минимальную интенсивность изнашивания Ть=4,2.5,5. По результатам исследования подана заявка на патент «Сплав на основе меди».
8. С применением дифференциального термического анализа определены критические температуры сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2. Температура ликвидус составляет 930 °С, температура солидус - 900 °С, это позволяет отнести сплав к группе узкоинтервальных сплавов. Установлено, что в твердом состоянии латунь претерпевает два фазовых превращения. Начало первого превращения отмечено при температуре 750 °С, начало второго - при температуре 515 °С. Описан предполагаемый механизм фазовых превращений, протекающих в латуни при кристаллизации и последующем охлаждении. Полученные данные позволили рекомендовать технологические параметры плавки и литья слитков.
9. Изучены теплофизические свойства сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 (удельная теплопроводность, удельная теплоемкость, плотность) в интервале температур 50.900 °С. Полученные результаты использованы для расчета глубины лунки жидкого металла при литье латуни в зависимости от скорости литья.
10. Анализ химического состава слитков из сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, выплавленного с использованием лигатуры СиСг10, показал, что хром распределен неравномерно по сечению и высоте слитка. Результаты поэлементного картирования свидетельствуют о том, что в структуре сплава присутствуют скопления включений и крупные включения нерастворившегося хрома состава (мас.%): Сг 94,43, Мп 4,32, 81 1,25. По сечению слитка наблюдается неравномерность твердости: в периферийной зоне слитка - 226,9 НВ, на Иг радиуса - 221,1 НВ, в центральной зоне слитка - 196,3 НВ.
11. Анализ химического состава слитков из сплава ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, выплавленного с использованием лигатуры Си8117Сг10, показал, что хром равномерно распределен по сечению и высоте слитка. Твердость сплава в периферийной зоне слитка составляет 222,1 НВ, на Иг радиуса - 228,8 НВ, в центральной зоне слитка - 221,1 НВ. Металлографическим анализом установлено, что интерметаллиды распределены равномерно, в структуре отсутствуют включения нерастворившегося хрома. В микроструктуре наблюдается большое количество интерметаллидов стержневидной формы длиной порядка 15...20 мкм и шириной порядка 3...4 мкм. В незначительном количестве присутствуют интерметаллиды округлой формы.
12. Анализ микроструктуры прессованной трубы из сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 показал, что она характеризуется наличием трех структурных составляющих: а-фазы, которая присутствует в виде округлых зерен; Р'-фазы, которая распределена равномерно по всей плоскости шлифа, и равномерно распределенных интерметаллидов стержневидной и округлой формы. Объемная доля а-фазы составляет 39 %, интерметаллидов 12 %. Определена микротвердость интерметаллидов разной морфологии и размера. Установлено, что микротвердость центральной части округлых интерметаллидов составляет 1500.1600 НУ, микротвердость мелких и крупных стержневидных интерметаллидов - 600... 900 НУ.
13. Проведена сравнительная оценка интенсивности изнашивания образца, отобранного от трубы из сплава марки ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1 и образца, отобранного от трубы из сплава марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2. Установлено, что интенсивность изнашивания Ь образца из сплава ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2 составляет 5,7, что на 30 % меньше интенсивности изнашивания образца из сплава ЛМцАЖКС 70-7-5-2-2-1 (!ь=8,15).
14. Разработан технологический регламент плавки и литья сложнолегированной латуни марки ЛМцАКНХ 62-3-2-0,8-0,4-0,2, согласно которому выплавку сплава необходимо производить с использованием лигатуры Сн8117Сг10. Отливка слитков должна осуществляться в кристаллизаторы, оснащенные «глухими» гильзами и спрейерами вторичного рассредоточенного охлаждения. Температура разливки сплава должна составлять 1130.1160 °С, давление воды в кристаллизаторе 40.80 кПа, скорость литья 2,5.3,0 м/ч.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования
Дальнейшую работу по тематике диссертации возможно продолжить в следующих направлениях:
1. Изучить особенности формирования структуры сложнолегированной латуни, содержащей тугоплавкие легкоокисляющиеся компоненты, в зависимости от условий первичного и вторичного охлаждения при полунепрерывном литье.
2. Применение внешних воздействий на кристаллизующийся расплав с целью получения заданных структуры и свойств сложнолегированной латуни.
3. Разработка состава флюсов для плавки и полунепрерывного литья, позволяющих снизить потери легкоокисляющихся компонентов.



