книги из ГПНТБ / Белоусов Н.Н. Термическая обработка отливок из алюминиевых сплавов (стенограмма лекции, прочитанной в ЛДНТП на занятии семинара ленинградских литейщиков)

отливок по сравнению с отливками, подвергавшимися искусствен­

ному старению по режимам Т5 и Тб.

Термическая обработка по режимам Т7 и Т8 применяется для отливок из алюминиевых сплавов АЛЗ, АЛЗВ и АЛ5.

Практически операции стабилизирующего отпуска (Т7) или смягчающего отпуска (Т8) осуществляются так же, как и редкими

искусственного старения (Т5 и Тб), с той разницей, что темпера­ тура нагрева при отпуске применяется более высокая. Например,

искусственное старение отливок из сплава АЛЗ производится при температуре 175+5° С (режим Тб), стабилизирующий отпуск—при температуре 230+5° С (режим Т7) и смягчающий отпуск — при температуре 330+5° (режим Т8).

В табл. 6 приводятся рекомендуемые режимы термической обра­ ботки литейных алюминиевых сплавов с учетом назначения дета­ лей, изготовленных из этих сплавов.

С учетом положений, изложенных в 1 главе, при рекомендации оптимальных режимов термической обработки предусмотрены:

для сплавов АЛ4, АЛ5, АЛ8 и АЛО — ускоренные режимы тер­ мической обработки, разработанные автором и успешно внедренные на ряде заводов; для остальных термически обрабатываемых алю­ миниевых литейных сплавов — режимы, принятые на многих за­ водах.

III. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Термическая обработка отливок из алюминиевых сплавов осуще­ ствляется в основном в печах двух типов — в селитровых ваннах и в нагревательных печах с принудительной циркуляцией воздуха. Термические печи чаще всего применяются с электрообогревом, по на некоторых заводах используются печи, работающие на газе или жидком топливе. Печи для термической обработки отливок из алю­

миниевых сплавов должны быть снабжены аппаратурой, автомати­ чески регулирующей температуру и обеспечивающей плавное (в те­ чение 2—3 час.) достижение заданной температуры закалки в целях равномерного прогрева всей садки.

Наиболее точный температурный контроль достигается при на­ греве отливок в селитровых ваннах. Преимущество' нагрева в них состоит также в том, что происходит быстрый и равномерный на­ грев деталей при отсутствии окисления их поверхности.

Рекомендуемые составы солевых смесей для нагрева деталей в селитровых ваннах приводятся в табл. 7.

Исходные соли, входящие в состав смесей, не должны содер­ жать ионов хлора более 0,5%, так как последние способствуют кор­ розии деталей.

32

Щелочность ванны в пересчете на К?СОз не должна превышать

1%. Содержание хлоридов и хлоратов в пересчете на хлорион не должно быть больше 0,5%.

В целях увеличения стабильности состава селитровой ванны допускается введение в нее 2—3% хромпика (К2СГ2О7) в виде смеси, состоящей из пяти частей селитры и одной части хромпика.

По способу нагрева селитровые ванны можно разделить на две группы:

а) с наружным обогревом;

б) с внутренним обогревом при помощи специальных нагрева­ тельных элементов.

При наружном обогреве нагревательные спирали помещаются

,вокруг стенок ванны (рис. 20), при этом температура нагрева спи­

ралей. должна быть значительно выше рабочей температуры ванны,

а это вызывает преждевременное прогорание -ее стенок.

При внутреннем обогреве нагревательные элементы заклю­ чаются в трубы из металла, не взаимодействующего с расплавлен­

ными солями, и помещаются внутри ванны. Нагревательные эле­

менты изолируются от защитных труб специальной набивкой из

окиси магния, обладающей высокой теплопроводностью и хоро­ шими диэлектрическими свойствами при повышенных температурах.

Ванны снабжаются сменной металлической сеткой, дно и стенки которой не должны соприкасаться с дном и стенками занны или с нагревательными элементами, если применяется внутренний обо­ грев. Расстояние между стенками и дном ванны или нагреватель­

ными элементами должно быть не менее 50 мм.

Для нагрева под закалку изделий из алюминиевых сплавов мо­ гут служить также электродные ванны. В них нагревателем яв-

33

ляется сама соль, через которую пропускается ток низкого напря­ жения с помощью железных электродов. Применяются ванны пря­ моугольного сечения с расположением нескольких пар электродов (обычно трех) вдоль задней стороны ванны.

Нагрев в селитровых ваннах сопряжен с возможностью возник­ новения взрыва, который может быть вызван попаданием в рас­

плавленную соль даже незначительного количества влаги или орга­ нических веществ. Недопустима также термическая обработка сплава АЛ8 в селитровой ванне вследствие возникновения реакций,

приводящих к взрыву.1

Рис. 20. Селитровая ванна для нагрева под закалку отливок из алюминиевых сплавов:

В настоящее время для термической обработки алюминиевых сплавов чаще применяются электрические печи с принудительной циркуляцией воздуха, что обеспечивает более высокую культуру

производства и безопасность процесса. Однако в производственных условиях иногда можно допустить применение печей без циркуля­ ции воздуха при условии надежного контроля температуры в раз­ личных зонах печи,- Электрические печи могут быть разделены на три основные группы:

1)шахтные или колодцевые;

2)камерные;

3)колокольного типа (печи этого типа применяются реже).

Шахтные печи имеют наибольшее применение для нагрева от­

ливок перед закалкой, так как их конструкция позволяет осуще­ ствить быстрый перенос нагретых изделий в закалочные баки с по-

! Опасность возникновения взрывов при нагреве отливок под закалку в се­ литровых ваннах обусловливает необходимость в ближайшие годы отказаться от применения их для этой цели- и заменить нагревательными печами с принуди­ тельной циркуляцией воздуха. Это. обстоятельство отмечено также соответ­ ствующим решением органов по охране труда и технике безопасности.

34

мощью пневматических подъемников. Для осуществления быстрого и равномерного прогрева отливок, в печах создается циркуляция

воздуха с помощью пропеллерных и центробежных вентиляторов. В шахтных печах вентиляторы могут быть установлены в нижней части (печь типа Хомо) или на крышке печи (рис. 21).

3 — мотор; 4 — коническая передача.

В камерных печах вентиляторы устанавливаются обычно в зад­ ней стенке печи, но в некоторых камерных печах они устанавли­ ваются в своде из расчета трех штук на 5-—6 м длины рабочей камеры

Кроме вентиляторов, для равномерного прогрева деталей по

всему рабочему пространству печи между нагревательными элемен­

тами и нагреваемыми отливками устанавливаются экраны, которые предохраняют изделия от передачи им тепла излучением непосред­

ственно от нагревателей.

Печи камерного типа, используемые для нагрева под закалку, должны обеспечивать минимальные потери тепла при выгрузке из

них деталей и переносе их в закалочный бак. Этому требованию

35

удовлетворяют конструкции печей с выдвижным или роликовым подом.

Впечах с выдвижным подом загрузка деталей производится вне печи, а закалка — в закалочных баках, расположенных непосред­ ственно под выдвигаемым подом.

Впечах с роликовым подом загрузка деталей производится па поддоны, которые с помощью рольганга подаются в печь.

Для термической обработки отливок из алюминиевых сплавов могут быть применены усовершенствованные печи типа ПН.

Сущность усовершенствования заключается в том, что в перед­

ней части электропечи устраивается дополнительная внутренняя дверца из огнеупорного кирпича таким образом, что между внут­ ренней и наружной дверцами остается воздушный зазор.

Наружная и внутренняя дверцы соединяются между собой через подъемный механизм тйк, что при открывании печи наружная дверца поднимается вверх, а внутренняя — опускается вниз в спе­ циальный приямок из кирпича. Таким образом, внутренняя дверца одновременно является противовесом для наружной.

Рис. 22. Схема устройства электрической печи для искусственного старения, отпуска и отжига отливок из алюминиевых сплавов.

Свод печи может быть опускающимся, это позволит намного со­ кратить время нагрева деталей в случае неполной загрузки печи.

Искусственное старение, отпуск и отжиг алюминиевых сплавов производится также в печах камерного и шахтного типа с принуди­ тельной циркуляцией воздуха. Искусственное старение может про­ изводиться в электрических печах специальной конструкции, пред-'

ставленной на рис. 22.

В этой печи воздух, нагретый от спиралей электронагревателей, нагнетается вентилятором в канал и из него через четыре окна проходит в рабочую камеру печи.

'Наиболее распространенные для термической обработки алюми­ ниевых сплавов электрические печи с воздушной средой имеют ха­ рактеристики, приведенные в табл. 8.

Для закалки отливок из алюминиевых сплавов в качестве охлаж­

дающих сред применяются главным образом вода, имеющая раз­ личную температуру, и масло. Процесс охлаждения отливок произ­

водится в. закалочных баках. Размеры баков не стандартизованы

36

Таблица 8 Основные параметры электрических печей с воздушной средой для термической обработки алюминиевых сплавов

СО

______________ ______ -----------

и определяются габаритами отливок. Закалочные баки могут быть двух видов: без охлаждения и с охлаждением закалочной жидкости.

Охлаждение закалочной жидкости достигается или путем цирку­

ляции самой жидкости, или путем устройства в закалочных баках змеевиковых холодильников.

IV. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК

Перед загрузкой в ванны или печи отливки должны быть очи­ щены от следов масла и грязи. Для равномерного прогрева отливки укладывают на специальные приспособления (стойки, этажерки).

Садка отливок равномерно распределяется по поду печи и распо­

лагается на расстоянии не менее 100 мм от стенок и свода.

При обработке деталей в селитровых ваннах садка распреде­ ляется равномерно по сечению ванны. Объем садки берется с та­ ким расчетом, чтобы температура ванны при загрузке не упала значительно ниже заданной температуры нагрева под закалку. Под­ счет допустимого веса металла, нагреваемого под закалку, можно произвести по следующей приближенной формуле:

должны быть рассортированы по сплавам, габаритам и режимам

(корзины и т. п.). Крупные детали и детали, склонные к коробле­

нию, должны подаваться в печь на поддонах с применением соот­ ветствующих приспособлений (скрепляющие железные рамы, кре­

стовины) .

Детали из сплавов, которые могут сильно окисляться при вы­

соких температурах, рекомендуется нагревать в ящиках, заполнен­ ных сухой окисью алюминия (или измельченной сухой шамотной глиной).

Сложные по конфигурации детали для предотвращения трешинообразсвания следует нагревать до температуры закалки в те­ чение не менее 2 часов.

38

Время переноса отливок из Печи в закалочный бак после вы­ держки их при температуре закалки имеет существенное значение для получения максимального эффекта термической обработки специальных силуминов АЛ4, АЛ5, АЛ9 и подобных им сплавов. Это обусловлено неустойчивостью образовавшегося пересыщен­ ного твердого раствора. При медленном переносе отливок из печи в закалочный бак фазы — упрочнители, перешедшие в процессе

нагрева в твердый раствор, вновь выделяются из него, и поэтому

будет происходить лишь частичная закалка отливок. Поэтому для отливок из рассматриваемой группы сплавов необходимо стре­ миться к наиболее быстрому переносу отливок из печи в закалоч­ ный бак, ограничивая время этого переноса максимум 20 секун­ дами. Для практического обеспечения такой скорости необходимо иметь механизированную передачу отливок из печи в закалочный бак и размещать последний как можно ближе к печи.

При термической обработке отливок из сплава АЛ8 время пе­ реноса отливок из печи в закалочный бак не оказывает такого

важного влияния на механические свойства отливок, что объяс­

няется устойчивостью алюминиево-магниевого твердого раствора. Поэтому отливки могут находиться на воздухе 1—1,5 мин. Даже при охлаждении отливок из сплава АЛ8 на воздухе можно полу­ чить эффект частичной закалки сплава с обеспечением достаточно высокого уровня механических свойств.

При резкой закалке отливок из сплава АЛ8 с высокой темпе­ ратуры (435° С) в холодную воду иногда появляются закалочные трещины. Для борьбы с ними рекомендуется предусматривать сле­ дующие мероприятия:

а) производить закалку отливок только в горячую воду, имею­ щую температуру 80—100° С;

б) при наличии в отливках местных скоплений металла и рез­ ких переходов от толстых сечений к тонким производить закалку отливок в масло, имеющее температуру 20—50° С;

в) при наличии в отливках местных скоплений металла и рез­ ких переходов от толстых сечений к тонким практиковать медлен­ ное охлаждение отливок (в течение 1—2 мин.) на воздухе (после извлечения из нагревательной печи) и только после этого произво­

дить закалку в воду.

Допускается также производить нагрев отливок из сплава АЛ8

перед закалкой по следующему ступенчатому режиму: выдержка

каются из печи и производится закалка в горячую воду. Термиче­ ская обработка по такому режиму обеспечивает получение требуе­ мых высоких механических свойств при минимальной величине внутренних закалочных напряжений в отливках.

Нельзя допускать преждевременное извлечение отливок из за­ калочного бака. Особенно это относится к отливкам из сплава

39

АЛ8, который отличается от других алюминиевых сплавов мень­ шей теплопроводностью .(0,20 против 0,36 — у сплава АЛ9). Преждевременное извлечение отливки из закалочного бака может привести к разогреву ее на воздухе за счет тепла неостывших вну­ тренних зон до 100° С и выше, в результате чего произойдет искус­ ственное старение закаленного сплава со всеми вытекающими по­

следствиями.

Для производственных условий рекомендуется выдерживать отливки в закалочном баке в течение 5—15 мин.

В случае термической обработки в селитровых ваннах детали должны подвергаться специальной промывке в горячей воде до полного удаления следов селитры. Промывка производится в ба­ ках периодически меняемой (2—3 раза в смену) водой.

В случае получения неудовлетворительных данных по механи­ ческим свойствам допускается повторная термическая обработка

отливок. Обычно техническими условиями на отливки из алюми­ ниевых сплавов повторная термическая обработка отливок допу­ скается не более двух раз.

V. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК

Недоброкачественное проведение операций отжига, закалки,

отпуска или искусственного старения отливок может привести к такому резкому ухудшению качества сплава, что литая деталь может выйти из строя в процессе эксплуатации изделия.

Опасность брака из-за недоброкачественной термической обра­

ботки велика именно потому, что этот вид брака может остаться

незамеченным в процессе механической обработки детали. Наиболее важными видами брака отливок из-за недоброкаче­

ственной термической обработки являются: пониженные механи­ ческие свойства материала отливок, тонкие закалочные трещины и большие внутренние напряжения в отливках.

Поэтому приобретает первоегепенное значение необходимость тщательного контроля за выполнением всех операций термической обработки и проверки качества отливок.

На каждом производственном участке, где производится тер­ мическая обработка, дблжна в обязательном порядке вестись ре­

гистрация режимов, причем технической документацией для такой

регистрации может служить специальная карточка или журнал термической обработки. Обычно техническая документация ве­ дется сменным мастером термического участка или бригадиромтермистом. На отдельных предприятиях работа по оформлению технической документации ведется контролером ОТК.

Все печные агрегаты для термической обработки отливок из алюминиевых сплавов должны быть снабжены автоматическими или пирометрическими приборами, регулирующими температуру-

40

Нагрева в. пределах +5° С от заданной. Желательно применение для этой цели регистрирующих потенциометров, в случае йх от­

сутствия можно использовать контактные гальванометры.

Работу стационарных пирометрических приборов необходимо периодически проверять с помощью контрольных термопар, поме­ щаемых в рабочее пространство печи, или с помощью других эта­ лонных приборов.

Контроль качества отливок после термической обработки дол­

жен осуществляться в соответствии с требованиями технических

условий.

Во многих случаях осуществляется выборочный контроль твер­ дости отлйвок. Для деталей особо ответственного назначения про­ изводится 100%-ный контроль твердости. Для определения твер­ дости по Бринеллю непосредственно на поверхности отливок из

диаметром 5 мм и. нагрузку 250 кг. Твердость материала отливок

Определение предела прочности при растяжении и относитель­ ного удлинения производится по ГОСТ 1497—42 на отдельно отли­ тых или прилитых к деталям образцах.

По способу отливки и термообработки образцы для испытания

Нормы механических свойств к материалу отливок, изготовлен­ ных под давлением, а также форма, размеры и способ изготовле­ ния образцов для испытаний устанавливаются, ведомственными техническими условиями, согласованными между сторонами. Нормы механических свойств для литья под давлением должны быть установлены не ниже норм, предусмотренных ГОСТ 2685—53

для литья в кокиль.

До последнего времени отливки, изготовляемые методом литья под давлением, не подвергались термической обработке с целью повышения механических свойств. В отдельных случаях приме­ нялся лишь отжиг для снятия внутренних напряжений в отливках.

Невозможность применения закалки литых под давлением деталей связана с наличием в них внутренних воздушных включений. При нагреве под закалку воздух в этих раковинах расширяется и на

41