Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный профессионально-педагогический университет»
Машиностроительный институт
Кафедра автоматизации и технологии литейных процессов
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ по дисциплине
«МЕТАЛЛУРГИЯ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»
для студентов всех форм обучения
направления подготовки 051000.62 Профессиональное обучение (по отраслям)
профиля подготовки «Металлургия»
профилизации «Технология и менеджмент в
металлургических производствах»
Екатеринбург 2013
Методические указания к лабораторным и практическим работам по дисциплине «Металлургия цветных металлов и сплавов» Екатеринбург: Рос. гос. проф.-пед. ун-т, 2013. 36 с.
Составители: канд. техн. наук, доц. Ю.И. Категоренко
Одобрена на заседании кафедры АТЛП Машиностроительного института. Протокол от «24» января 2013 г. №5.
Зав. кафедрой АТЛП Ю.И.Категоренко
Рекомендована к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от «13» февраля 2013 г. № 6.
Председатель
методической комиссии МаИ А. В. Песков
© ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2013
© Категоренко Ю.И., 2013
СВЕДЕНИЯ О ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
И ВАЖНЕЙШИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЯХ
К СПЛАВАМ И ОТЛИВКАМ
Алюминиевые сплавы, применяемые в промышленности, делятся на литейные и деформируемые. Литейные сплавы предназначены для изготовления фасонных отливок, деформируемые для производства слитков, из которых в последующем изготовляют штамповки, поковки, трубы, профили, листы (способами горячей или холодной обработки давлением).
По ГОСТ 1583–89 литейные алюминиевые сплавы подразделяются на пять групп:
1) сплавы на основе системы алюминий–кремний: АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), Ак7ч (АЛ9) и др., всего 11 марок;
2) сплавы на основе системы алюминий-кремний–медь: АК5М (АЛ3), АК8М (АЛ32) и др., всего 12 марок;
3) сплавы на основе системы алюминий–медь: АМ5 (АЛ19), ВАЛ10 (АМ4, 5Кл), всего 3 марки;
4) сплавы на основе системы алюминий–магний: АМг6л (АЛ23), АМг5К (АЛ13), АМг10 (АЛ27) и др., всего 7 марок;
5) сплавы на основе системы алюминий–прочие компоненты: АК7Ц9 (АЛ11) и др., всего 8 марок.
Наибольшее применение в практике литья нашли сплавы первых двух групп. Марки сплавов, химический состав, механические и литейные свойства этих сплавов приведены в табл. 1–3. Механические свойства литейных алюминиевых сплавов, приведенные в табл. 2, определяют при испытаниях отдельно отлитых образцов. Форма и размеры отдельно отлитых образцов при литье в песчаные формы, в кокиль и в оболочковые формы должны соответствовать указаниям на рис. 1, а при литье под давлением на рис. 2. Допускаемая разность наибольшего и наименьшего диаметра по длине рабочей части образца должна быть не более 0,3 мм. Расчетная длина образцов 60 мм. Форма и размеры отдельно отлитых образцов при литье по выплавляемым моделям определяются нормативно технической документацией отраслей промышленности (отраслевыми стандартами, техническими условиями на отливки). Отдельно отлитые образцы при всех видах литья испытывают с литейной коркой.
Допускается нарушение плотности литейной корки в местах зачистки поверхности образца. Допускается для всех видов литья проводить проверку механических свойств сплава на образцах, отлитых в песчаные формы. Механические свойства литейных алюминиевых сплавов можно также определять на образцах, выточенных из прилитых к отливке заготовок. Образцы, выточенные из прилитых к отливке заготовок, должны иметь диаметр d=6,0 мм при расчетной длине l=5d.
Механические свойства материалов фасонных отливок определяют на образцах, выточенных из различных элементов отливок (стенок, ребер, фланцев и т.п.). Показатели механических свойств образцов, выточенных из отливок, как правило, получаются ниже норм, приведенных в табл. 2. Требуемый уровень показателей механических свойств для этих образцов устанавливается нормативно-технической документацией на отливки (чертежами, техническими условиями).
В большинстве нормативно-технических документов на отливки устанавливается, что средние механические свойства образцов, выточенных из отливок, отлитых любым способом (за исключением литья под давлением) должны быть по временному сопротивлению разрыву не менее 75 %, а по относительному удлинению не менее 50 % от значения свойств с цельно отлитых образцов (см. табл. 2).
И
спытания
на твердость по Бринеллю проводят по
ГОСТ 9012–93 при диаметре шарика 10 мм и
нагрузке 100 МПа или при диаметре шарика
5 мм и нагрузке 25 МПа.
Таблица 6.1 – Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583—93
Марка сплава |
Содержание, мас. %, основных компонентов |
Способ литья |
Вид ТО |
Механические свойства материала отливок |
|||||||
Mg |
Si |
Mn |
Сu |
Ti |
Ni |
σB, Н/мм2 |
δ, % |
ΗΒ |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Группа I: сплавы на основе системы А1–Si–Mg |
|||||||||||
АК12 (АЛ2) |
– |
10–13 |
– |
– |
– |
– |
ЗМ, ВМ, КМ К Д ЗМ, ВМ, КМ К Д |
– – – Т2 Т2 Т2 |
147 157 157 137 147 147 |
4,0 2,0 1,0 4,0 3,0 2,0 |
50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 50,0 |
АК13 (АК13) |
0,1–0,2 |
11,0–13,5 |
0,1–0,5 |
– |
– |
– |
Д З, В, К, Д ПД К, Д, ПД ЗМ, ВМ К, КМ |
– –
Т1 Т6 Т6 |
176 157 196
235 245 |
1,5 1,0
0,5 1,0 1,0 |
60,0 60,0
70,0 80,0 90,0 |
АК9с (АК9с) |
0,2–0,35 |
8,0–10,5 |
0,2–0,5 |
– |
– |
– |
К, Д К К |
– Т1 Т6 |
147 196 235 |
2,0 1,5 3,5 |
50,0 70,0 70,0 |
АК9ч (АЛ4) |
0,17–0,3 |
8,0–10,5 |
0,2–0,5 |
– |
– |
– |
З, В, К, Д К, Д, ПД КМ, ЗМ ЗМ, ВМ К, КМ З |
– Т1
Т6 Т6 Т6 |
147 196
225 235 225 |
2,0 1,5
3,0 3,0 2,0 |
50,0 60,0
70,0 70,0 70,0 |
Продолжение табл. 1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||||||
АК9пч (АЛ4–1) |
0,23–0,30 |
9,0–10,5 |
0,2–0,35 |
– |
0,08–0,15 |
– |
З, В, К, Д К, Д, ПД ЗМ, ВМ К, КМ |
– Т1 Т6 Т6 |
157 196 245 265 |
3,0 2,0 3,5 4,0 |
50,0 70,0 70,0 70,0 |
||||||
АК8л (АЛ34) |
0,35–0,55 |
6,5–8,5 |
– |
– |
0,1–0,3 |
Be 0,15–0,4 |
З З К К Д Д Д |
Т5 Т4 Т5 Т4 – Т1 Т2 |
294 255 333 274 206 225 176 |
2,0 4,0 4,0 6,0 2,0 1,0 2,5 |
85,0 70,0 90,0 80,0 70,0 80,0 60,0 |
||||||
АК7 (АК7) |
0,2–0,5 |
6,0–8,0 |
0,2–0,6 |
– |
– |
– |
З К З К Д ПД |
– – Т5 Т5 – – |
127 157 176 196 167 147 |
0,5 1,0 0,5 0,5 1,0 0,5 |
60,0 60,0 75,0 75,0 50,0 65,0 |
||||||
АК7ч (АЛ9) |
0,2-0,4 |
6,0-8,0 |
– |
– |
– |
– |
З, В, К Д З, В, К, Д КМ |
– – Т2 Т4 |
157 167 137 186 |
2,0 1,0 2,0 4,0 |
50,0 50,0 45,0 50,0 |
||||||
АК7пч (АЛ91) |
0,25-0,40 |
7,0-8,0 |
– |
– |
0,08-0,15 |
– |
З, В К, КМ З, В ЗМ, ВМ К, КМ |
Т4 Т4 Т5 Т5 Т5 |
196 225 235 235 265 |
5,0 5,0 4,0 4,0 4,0 |
50,0 50,0 60,0 60,0 60,0 |
||||||
Продолжение табл. 1 |
|||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||||||
АК7пч (АЛ9–1) |
0,25–0,40 |
7,0–8,0 |
– |
– |
0,08–0,15 |
– |
З, В К, КМ З, В ЗМ, ВМ К, КМ |
Т4 Т4 Т5 Т5 Т5 |
196 225 235 235 265 |
5,0 5,0 4,0 4,0 4,0 |
50,0 50,0 60,0 60,0 60,0 |
||||||
АК10Су (АК10Су) |
0,1–0,5 – |
9–11 – |
0,3–0,6 – |
– – |
– – |
Sb 0,1–0,25 – |
ЗМ, ВМ К, ВМ Д Д ЗМ, ВМ ЗМ, ВМ К З К Д |
Т5 Т6 – Т2 Т7 Т8 Т5 Т8 Т8 – |
274 294 196 167 206 167 206 147 176 147 |
2,0 3,0 1,0 2,0 2,5 3,5 0,5 1,0 2,0 0,5 |
70,0 70,0 50,0 45,0 60,0 55,0 75,0 65,0 65,0 65,0 |
||||||
Группа II: сплавы на основе системы AL—Si—Си |
|||||||||||||||||
АК5М (АЛ5) |
0,35–0,60 |
4,5–5,5 |
– |
1,0–1,5 |
– |
– |
3, В, К 3, В К З, В З, В, К К |
Т1 Т5 Т5 Т6 Т7 Т6 |
157 196 216 225 176 235 |
0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 |
65,0 70,0 70,0 70,0 65,0 70,0 |
||||||
АК5Мч (АЛ5–1) |
0,40–0,55 |
4,5–5,5 |
– |
1,0–1,5 |
0,08–0,15 |
– |
З, В, К З, В К, КМ З, В, К |
Т1 Т5 Т5 Т7 |
176 274 294 206 |
1,0 1,0 1,5 1,5 |
65,0 70,0 70,0 65,0 |
||||||
Продолжение табл. 1 |
|||||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||||||
АК6М2 (АК6М2) |
0,30-0,45 |
5,5-6,5 |
– |
1,8-2,3 |
0,1-0,2 |
– |
К К К |
Т1
Т5 |
196 230 294 |
1,0 2,0 1,0 |
70,0 78,4 75,0 |
||||||
АК8М (АЛ32) |
0,3–0,5 |
7,5–9,0 |
0,3–0,5 |
1,0–1,5 |
0,1–0,3 |
– |
З К К Д |
Т6 Т1 Т6 – |
245 196 265 255 |
1,5 1,5 2,0 2,0 |
60,0 70,0 70,0 70,0 |
||||||
АК8М (АЛ32) |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
Д З К З К З Д Д |
Т2-Т1 Т5 Т5 Т7 Т7 Т1 Т1 Т2 |
255 235 255 225 245 176 284 235 |
1,7 2,0 2,0 2,0 2,0 0,5 1,0 2,0 |
70,0 60,0 70,0 60,0 60,0 60,0 90,0 60,0 |
||||||
АК5М4 (АК5М4) |
0,2–0,5 |
3,5–6,0 |
0,2–0,6 |
3,0–5,0 |
0,05–0,20 |
– |
З К К |
– – Т6 |
118 157 196 |
– 1,0 0,5 |
60,0 70,0 90,0 |
||||||
АК8М3 (АК8М3) |
– |
7,5-10,0 |
– |
2,0-4,5 |
– |
– |
К К |
– Т6 |
147 216 |
1,0 0,5 |
70,0 90,0 |
||||||
АК8М3ч (ВАЛ8) |
0,2–0,45 |
7,0–8,5 |
Zn 0,5–1,0 |
2,5–3,5 |
0,1–0,25 |
В 0,005–0,1; Be 0,05–0,25 |
К, ПД К, ПД Д Д Д |
Т4 Т5 – Т5 Т2 |
343 392 294 343 215 |
5,0 4,0 2,0 2,0 1,5 |
90,01 110 75,0 90,0 60,0 |
||||||
Продолжение табл. 1 |
|||||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||||
АК8М3ч (ВАЛ8) |
0,2–0,45 |
7,0–8,5 |
Zn 0,5–1,0 |
2,5–3,5 |
0,1–0,25 |
В 0,005–0,1; Be 0,05–0,25 |
З В З К |
Т5 Т5 Т7 Т7 |
345 345 270 295 |
1,0 2,0 1,0 2,5 |
90,0 90,0 80,0 85,0 |
||||
АК9М2 (АК9М2) |
0,2–0,8 |
7,5–0,0 |
0,1–0,4 |
0,5–1,0 |
0,05–0,20 |
– |
К Д К К |
– – Т6 Т1 |
186 196 274 206 |
1,5 1,5 1,5 1,4 |
70,0 75,0 85,0 80,0 |
||||
|
АК12М2 (АК12М2) |
– |
11–13 |
– |
1,8–2,5 |
Fе 0,6–1,0 |
– |
К Д |
– Т1 |
186 260 |
1,0 1,5 |
70,0 83,4 |
|||
|
АК12ММгН (АЛ30) |
0,8–1,3 |
11–13 |
– |
0,8–1,5 |
– |
0,8–1,3 |
К К |
Т1 Т6 |
196 216 |
0,5 0,7 |
90,0 100,0 |
|||
|
АК12М2МгН (АЛ25) |
0,8–1,3 |
11–13 |
0,3–0,6 |
1,5–3,0 |
0,05–0,20 |
0,8–1,3 |
К |
Т1 |
186 |
– |
90,0 |
|||
|
АК12М2,5Н2,5 (ВКЖЛС–2) |
0,2–0,5 |
20–22 |
0,2–0,4 |
2,2–3,0 |
0,1–0,3 |
2,2–2,8; Cr 0,2–0,4 |
К К |
Т2 Т1 |
157 186 |
– |
90,0 100,0 |
|||
|
Группа III сплавы на основе системы AI—Си |
||||||||||||||
|
АМ5 (АЛ 19) |
– |
– |
0,6–1,0 |
4,5–5,3 |
0,15–0,35 |
– |
З, В, К З, В, К З |
Т4 Т5 Т7 |
294 333 314 |
8,0 4,0 2,0 |
70,0 90,0 80,0 |
|||
|
АМ4,5Кл (ВАЛ10) |
– |
– |
0,35–0,8 |
4,5–5,1 |
0,15–0,35 |
Cd 0,07–0,25 |
З, В К З, В К З, В К |
Т4 Т4 Т5 Т5 Т6 Т6 |
294 314 392 431 421 490 |
10,0 12,0 7,0 8,0 4,0 4,0 |
70,0 80,0 90,0 100,0 110,0 120,0 |
|||
Продолжение табл. 1
Группа IV: сплавы на основе системы А1—Mg |
||||||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
АМг5К (АЛ 13) |
4,5–5,5 |
0,8–1,3 |
0,1–0,4 |
– |
– |
– |
З, В, К Д |
– |
147 167 |
1,0 0,5 |
55,0 55,0 |
|
АМг6л (АЛ23) |
6,0–7,0 |
Zr 0,05–0,20 |
Be 0,02–0,10 |
– |
0,05–0,15 |
– |
З, В К, Д З, К, В |
– – Т4 |
186 216 225 |
4,0 6,0 6,0 |
60,0 60,0 60,0 |
|
АМг6лч (АЛ23-1) |
6,0–7,0 |
Zr 0,05–0,20 |
Be 0,02–0,10 |
– |
0,05–0,15 |
– |
3, В К, Д З, К, В |
– – Т4 |
196 235 245 |
5,0 10,0 10,0 |
60,0 60,0 60,0 |
|
АМг10 (АЛ27) |
9,5–10,5 |
Zr 0,05–0,20 |
Be 0,05–0,15 |
– |
0,05–0,15 |
– |
З, К, Д |
Т4 |
314 |
12,0 |
75.0 |
|
АМг10ч (АЛ27-1) |
9,5–10,5 |
Zr 0,05–0,20 |
Be 0,05–0,15 |
– |
0,05–0,15 |
– |
З, О, К, Д |
Т4 |
343 |
15,0 |
75.0 |
|
AMг11 (АЛ22) |
10,5–13 |
0,8–1,2 |
Be 0,03–0,07 |
– |
0,05–0,15 |
– |
З, В, К З, В, К Д |
Т4 |
176 225 196 |
1,0 1,5 1,0 |
90,0 90,0 90,0 |
|
АМг7 (АЛ29) |
6,0–8,0 |
0,5–1,0 |
0,25–0,60 |
– |
– |
– |
Д |
– |
206 |
3,0 |
60,0 |
|
Группа V: сплавы на основе системы А1-Э (прочие элементы) |
||||||||||||
АК7Ц9 (АЛИ) |
0,15–0,35/0,1–0,3 |
6,0–8,0 |
– |
Zn 7,0–12,0 |
– |
– |
З, В К Д З, В, К |
Т2 |
196 206 176 216 |
2,0 1,0 1,0 2,0 |
80,0 80,0 60,0 80,0 |
|
Таблица 2 – Типичные литейные свойства ряда алюминиевых сплавов (заливка при Тзал=700 оС)
Сплав |
Интервал кристаллизации, оС |
Линейная усадка, % |
Жидкотекучесть, в мм пробы |
Горячеломкость (ширина кольца), мм |
||
прутковой |
спиральной |
|||||
АК12 (АЛ2) |
582–572 |
0,9–1,0 |
420 |
820 |
0 |
|
АК9ч (АЛ4) |
601–569 |
1,0–1,1 |
360 |
750 |
0 |
|
АК7ч (АЛ9) |
620–577 |
1,1–1,2 |
350 |
770 |
5 |
|
АК8л (АЛ34) |
– |
1,1 |
350 |
– |
0 |
|
АЛ–3 |
616–577 |
1,3–1,35 |
340 |
505 |
12,5–20 |
|
АК5М (АЛ5) |
622–570 |
1,15–1,2 |
345 |
750 |
7,5 |
|
АЛ–6 |
620–577 |
1,2–1,3 |
300 |
650 |
10 |
|
АК–5М7 (АЛ10В) |
– |
1,2 |
320 |
– |
15 |
|
АК8М (АЛ32) |
– |
0,95 |
380 |
– |
0 |
|
Определение химического состава сплавов проводят по ГОСТ 11709.0–78–ГОСТ 11739.24–78 или ГОСТ 7727–75 методами спектрального или химического анализа. Отбор всех проб для испытаний и анализов производится после приготовления сплава, т.е. после проведения операций рафинирования, модифицирования и соответствующей выдержки.
Процессам приготовления алюминиевых сплавов предшествует операция подготовки шихтовых материалов, составление и расчет шихты.
Лабораторнопрактическая работа № 1 Расчет шихты и приготовление алюминиевого сплава заданного химического состава
Цель работы: Практическое ознакомление с подготовкой шихтовых материалов, технологией плавки, отливкой образцов и контролем механических свойств литейных алюминиевых сплавов.
1. Шихтовые материалы
К шихтовым материалам относятся: первичные металлы и сплавы, предварительные и вторичные сплавы, лигатуры, отходы собственного производства (литники, прибыли, бракованные отливки и детали, стружка, опилки, сплески, лом и отходы, поступающие со стороны а также флюсы).
Первичные металлы обычно поставляются в виде чушек, катодных листов. Первичные (предварительные) сплавы, вторичные сплавы, лигатуры в виде чушек. Иногда лигатуры поставляются в виде плоских пластин с пережимами. Отходы собственного производства обычно хранятся по маркам сплавов. Мелкие отходы (стружка, сплески, литники) вначале переплавляют, разливают в изложницы, и они поступают в шихту в виде чушек, либо в жидком состоянии.
Все составляющие шихтовые материалы должны быть с известным химическим составом.
Перед плавкой шихтовые материалы подвергаются подготовке. Подготовка заключается в удалении с поверхности металлических материалов оксидов, влаги, масел, эмульсии, остатков формовочной смеси, удалении железных армирующих вставок, фильтрующих сеток, в разделке на куски нужных габаритов. Соли, входящие в состав флюсов, также могут содержать влагу и служить источником загрязнения сплавов оксидами и водородом. Поэтому флюсы вначале переплавляют, затем измельчают и хранят в условиях, предупреждающих поглощение ими влаги (в закрытой емкости, сушильных шкафах при температуре 120-200°С). С экономической точки зрения, целесообразно переплавлять все отходы собственного производства. Однако это не всегда возможно.
При составлении шихты на заданную марку сплава учитывают требования к качеству сплава. Соотношение отдельных составляющих шихтовых материалов, в зависимости от технических требований к качеству сплава, может изменяться в широких пределах. Для приготовления сплавов ответственного назначения используют более качественные материалы: первичные металлы, крупные отходы собственного производства и лигатуры. В других случаях используют более загрязненные примесями составляющие: вторичные сплавы, переплав мелких отходов и др. Ориентировочно, при составлении шихты для алюминиевых сплавов можно принимать следующие соотношения между отдельными составляющими: первичные металлы 25-80%; вторичные сплавы 0-100%; отходы собственного производства 0-50%; отходы покупные (со стороны) 0-20%.
В качестве первичных металлов, вторичных сплавов и лигатур в шихте используют следующие материалы:
1. Алюминий первичный в чушках марок A99, А97, А95, А85, А8, А7, А6, А5 по ГОСТ11069-74;
2. Кремний марок Kp00, Kp0, KP1, Кр2 по ГОСТ2169-69;
3. Медь электролитическая марок M1, М2, МЗ по ГОСТ859-78;
4. Магний первичный в чушках марок Мг90, Мг95, Мг96 по ГОСТ804-72;
5. Цинк электролитический марок Ц0, Ц1, Ц2 по ГОСТ8640-79;
6. Никель в виде листов и гранул марок Н0, Н1, Н2, НЗ, Н4 по ГОСТ849-70;
7. Марганец марок Мр00, Мр0, Mpl, Мр2, Мр3, Мр4 по ГОСТ6008-75;
8. Хром марок X00, X0, X1, Х2, Х3 по ГОСТ 5905-79;
9. Кадмий марок Кд00, Кд0, Кд1, Кд2 по ГОСТ1467-77;
10. Силумин в чушках СИЛ00, СИЛ0, СИЛ1 по ГОСТ1521-76;
11. Титан марок BT1-0, BT5 по ОСТ 1-90013-81;
12. Цирконий по ТУ 48-396-76;
13. Лигатура алюминиево-бериллиевая марок АБ-1, АБ-2 по ГОСТ 23911-79;
14. Лигатуры алюминиевые двойные с содержанием второго компонента в процентах: алюминий-2-4; хром-2-4; медь-45-55; железо-6-11; марганец-7-12; никель-18-22; кремний-18-22; титан-2-4; ванадий-2-4; цирконий-2-4; бор-2-4.
15. Сплавы алюминиевые литейные в чушках различных марок по ГОСТ 1583-89.