Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии генной инженерии в цветных сплавах. Методическое пособие по практическим занятиям
.pdf
4.4. Применение ССОШМ
для получения жаропрочных сплавов
О наследственном влиянии ШМ на свойства жаропрочных сплавов
уделяется меньше внимания в сравнении, например, с Al-сплавами.
В качестве практических примеров рассмотрим некоторые результаты исследований, приведённых в трудах семинаров и конференций «Наследственность в литых сплавах» (1987, 1990, 1993, 1998 гг.).
Пример 1. Эффект модифицирования тугоплавкими частицами
(W, Mo) сохраняется до третьего переплава (добавки Mo), а при модифицировании W – до четвёртого [19].
Пример 2. Установлено положительное наследственное влияние
предварительной жидкофазной обработки шихтового сплава на свойства лопаток из сплава ЖС6Ф с содержанием 50 % возврата в шихтовой заготовке [20]. Предварительную обработку шихтовой заготовки
проводили на Ступинском металлургическом комбинате, а применяли на КМПО (сейчас ПАО «Кузнецов», г. Самара).
В работе [21] показано, что применение шихтовых прутков (!)
обеспечивает наиболее благоприятную микроструктуру в литых лопатках газовых турбин. Результаты работы привели к установлению
наследственных групп и зависимости брака отливок от структуры
шихтовой заготовки.
Однако в этих и других практических работах крайне мало информации о влиянии специально обработанных ШМ (переплавы,
прутки и др.) на физико-механические свойства жаропрочных сплавов. Это связано с тем, что, во-первых, в лабораторных условиях такие эксперименты весьма затруднительны, и, во-вторых, такие сплавы применяются ограниченно в узкой отрасли машиностроения –
двигателестроении (аэрокосмическая отрасль).
Работы подобного рода проводятся, как правило, в условиях
ВИАМ (г. Москва) и моторостроительных предприятий.
В научном издании [22] обобщены некоторые результаты исследований, выполненных в ВИАМе для получения литых прутковых
шихтовых заготовок.
41
Пример 3. Представляет определённый интерес рассмотреть ос-
а
б
в
г
д
новные виды некондиционных отходов в производстве жаропрочных
сплавов, литье и обработки лопаток (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Некондиционные отходы в производстве
литейных жаропрочных сплавов:
а – гарнисаж с тигля после плавки; б – стружка после мехобработки;
в – металлокерамика после фильтрации; г – сплёсы и корольки;
д – лопатки, отработавшие свой ресурс
В производстве накапливается большое количество отходов,
в том числе браковые лопатки и элементы литниково-питающих систем. Отходы загрязнены вредными примесями (impurity) и неметаллическими включениями и имеют разнородную структуру. Поэтому
их применение без специальной переработки крайне ограничено. Сле-
42
дует помнить, что литейные отходы содержат дорогостоящие легирующие Ме (например, Re, Ru, W, Ta, Co, Ni и др.).
Переработка всех видов отходов и их полное использование является государственной задачей [22].
Пример 4. Разработана комплексная технология получения ших-
товых прутковых заготовок из отходов современных литейных высокожаропрочных сплавов [22, с. 333–339].
Технология включает следующее.
1. Применение современного вакуумного плавильного оборудо-
вания (foundry furnace).
2. Глубокое рафинирование расплавов от вредных примесей (это
ЖФО ШМ).
3. Разливка расплава в толстостенные стальные трубы (это литьё
в металлические формы, т.е. КрО ШМ).
Таким образом, осуществляется комбинированная обработка ШМ
(ЖФО + КрО).
В результате получают шихтовые заготовки (прутки) Ø70–90 мм
разной длины. Прутковые шихтовые заготовки для удаления загрязненной поверхности подвергают минимальной мехобработке (обдирочно-шлифовальный станок).
Внешний вид готовых заготовок представлен на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Внешний вид шихтовых прутковых заготовок:
внизу – после извлечения из кокиля; в середине – после обрезки
прибылей; вверху – после шлифовки
43
Задание. Сформулировать особенности и преимущества шихтовых прутковых заготовок, полученных в результате применения комбинированной обработки отходов жаропрочных сплавов.
В настоящее время на многих моторостроительных и авиационных предприятиях России применяют до 100 % шихтовых заготовок
с заданной наследственностью.
Такая работа проведена ВИАМом и на ПАО «Кузнецов»
(г. Самара).
Пример 5. Оригинальная попытка сохранить в отливке структуру
гранулированного сплава ЖС6К сделана в работе ленинградских литейщиков ещё в 80-е годы XX в. [28]. Из гранул получали гранульный
расходуемый электрод. При определённом нагреве до расплавления
за счёт наследования структуры гранул получали в сплаве мелкую
и равномерную микроструктуру.
Смешивание гранул разных сплавов позволило авторам синтезировать сплавы с композитной структурой.
Это пример применения ‒ 100 % ТГИ!
Задание на самостоятельную работу. Законспектировать основные результаты исследований по разработкам технологий получения шихтовых прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов и отходов [23–28].
Контрольные вопросы по теме № 4 (пп. 4.3 и 4.4)
1. Какие ССОШМ применяли при получении бронз и латуней (по результа-
там примеров 1–3, п. 4.2)?
2. Что такое плавящийся холодильник – как шихтовый металл?
3. Какие ССОШМ применяли при получении жаропрочных сплавов (по ре-
зультатам примеров 1–3, п. 4.3).
4. В чём особенность переработки отходов жаропрочных сплавов и получе-
ния шихтовых прутковых заготовок?
5. Почему добавки гранул оказывают сильное наследственное влияние
на структуру сплава ЖС6К?
44
Тема № 5. ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Теория ЯСН
Генная инженерия
в сплавах
Производство
ТГИ
ПРИМЕНЕНИЯ ТГИ В ЦВЕТНЫХ СПЛАВАХ
Повторим.
Что такое ТГИ?
– Полное определение ТГИ [3]: технологии, созданные на основе
генной инженерии расплавов и управления закономерностями наследственности в металлах.
Что такое генная инженерия в сплавах?
– Это научное направление в создании сплавов с использованием
структурной наследственности шихтовых металлов.
В чём суть генной инженерии?
– В ШМ специальными способами закладывается химико-структурная информация, которая передаётся через все переделы от плавки
до готовой литой детали.
Что такое закономерности ЯСН?
– Сформулированы пять закономерностей ЯСН [5]. Они объясняют механизмы закладки, передачи и проявления структурной информации в системе Ш – Р – О ‒ Д.
Изобразим всё сказанное в виде простой схемы (рис. 5.1).
Что главное в этой схеме?
– Конечно, ЯСН (теория и практика). Из закономерностей формулируется генная инженерия.
И как практический результат – ТГИ.
Рис. 5.1. Укрупнённая схема создания основ ТГИ
45
Так ли это?
– Время покажет!
Пока у некоторых литейщиков возникают сомнения и вопросы,
почему на практике широко не применяют ТГИ.
Обратимся ещё раз к работам И.В. Гаврилина [29 и др.]. Рассмотрим несколько положений из его работ.
1. Металлургическая наследственность – очень многообразное
явление.
2. Корректно говорить о спектре явлений наследственности
в сплавах.
3. Один из ключевых вопросов – время жизни кластеров в рас-
плавах.
4. Варианты наследственного воздействия на жидкий сплав чрез-
вычайно многообразны и непредсказуемы.
5. Ключевое значение – исследование наследственности пред-
ставляется весьма перспективным для получения отливок с высокими
свойствами.
Что из этих и других мнений следует?
– Есть ещё многие научные проблемы, которые требуют практических решений.
Главное заключение – применение ТГИ позволит решать (выполнять) многие практические задачи в металлургии и литье.
Ещё раз сформулируем главные задачи ТГИ:
– получить (обеспечить) мелкую и однородную структуру;
– обеспечить улучшенные технологические и физико-механические свойства литых изделий;
– максимально использовать различные оборотные отходы;
– сократить расход дефицитных модификаторов;
– снизить брак в литье и др.
Как на практике отчасти решают эти и другие задачи?
– Практически все сплавы подвергаются модифицированию.
Как выбирают модификаторы? Что учитывают? Ваши варианты.
– На многие вопросы уже имеются решения.
46
Однако на практике часто возникает такая проблема.
Si
ШМ (МКП)
ШМ (ККП)
α
Al
Т°
ЭСР Al
ЭСР Si
Na, K (ПАВ)
Si
Э
Si
Э
α
Al
α
Al αAl
Si
Расплав
Расплав
Ввод М
1
(1,5-2%)
Заливка
Отливка
Отливка
Ввод М
1
(0,5%)
Какое количество модификатора следует применить для получения нужных структуры и свойств?
– Чаще всего при выбранном сплаве и способе литья вводят постоянное количество модификатора (inoculants, modifier).
Правильно ли это?
– Конечно, нет!
Почему?
– Рассмотрим схематично процесс взаимодействия модификаторов со структурой расплава с учётом структуры ШМ.
5.1. ТГИ в сплавах Al-Si (силумины)
Исходные данные:
ШМ – переплавы (ККП, МКП) силумина АК12.
М1 – тройной флюс на основе щелочных Ме (модификатор
2-го рода).
М2 – МКЛ типа AlTi4 (модификатор 1-го рода).
Пример 1. Влияние ККП, МКП и М1 на структуру АК12 (рис. 5.2).
Дополнительно см. прил. 2.
Рис. 5.2. Схема изменения строения расплава и структуры силумина
при использовании ККП, МКП и М1
47
Что достигается при использовании МКП?
ШМ
Тип МКМ
Кол-во
модификатора,
%
Механические
свойства
Размер
αAl, мкм
σ,
МСм/м
σв, МПа
δ, %
ККП
МКП
0
165
2,0
29
17,3
0,6
186
3,3
24
18,3
МКЛ AlTi5
0,02Ti
186
4,3
-
18,0
МКЛ AlSr10
0,025Sr
223
6,6
16
19,3
МКП
МКП
0,6
191
5,0
19
19,1
МКЛ AlTi5
0,02Ti
210
5,8
18
18,8
МКЛ AlSr10
0,025Sr
216
7,4
-
21,1
МКЛ
AlTiSr10
0,005Ti
0,01Sr
219
6,7
25
20,4
– Сокращение расхода М1 (в 2–3 раза).
– Измельчение кристаллов Siэ (до 5–10 мкм).
– Измельчение αAl.
– Повышение однородности Si и αAl в структуре отливок.
– Повышение механических свойств отливок.
Чем является МКП?
– Модификатором 1-го рода.
Подобные результаты достигаются и при использовании МКЛ (т.е.
М2) для модифицирования Al-сплавов со структурой твёрдых расплавов.
Задания
1. Перейти в ЦЛТ СамГТУ.
2. Ознакомиться со стендом «Способы получения лигатур».
3. Зафиксировать (сделать фото) содержания стенда.
4. Сделать определённые выводы и доложить на следующем
практическом занятии.
Пример 2. Влияние мелкокристаллических модификаторов
на свойства силумина АК9ч (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Влияние модификаторов первого рода на физико-механические свойства
сплава АК9ч (литое состояние)
Примечание. Выделенные ячейки – максимальные σв и δ; минимальный размер зерна
αAl и высокие значения σ.
48
Возникает такой вопрос, какой вариант технологии получения
сплава АК9ч следует отнести к ТГИ.
– Оба варианта!
Почему?
– В первом варианте (состав ШМ – ККП) применяются мелкокристаллические переплав и лигатуры, полученные специальными способами.
– Во втором варианте – применяются все виды ШМ, полученные
специальными способами.
Какие выводы?
– Малые добавки МКП являются комплексными универсальными
модификаторами I рода.
– Максимальные σв и δ достигаются при меньших добавках Ti и Sr.
– Применение МКП и МКЛ позволяет уменьшать расход модифицирующих элементов (Ti, Sr и др.) в 2–5 раз.
В завершении этой темы следует обратить внимание влиянию параметров плавки и литья на изменение Kн в сплавах.
В монографии [5] приведены примеры, которые отражают влияние многих операций и параметров на Kн в ЦС.
Это позволяет сформировать наиболее благоприятные технологические условия передачи положительной структурной информации
из ШМ к литой детали.
1. Минимальное время хранения ШМ после их специальной об-
работки.
2. Должна быть оптимальная доля ШМ с положительной струк-
турной информацией.
3. Применение режимов плавки с оптимальными скоростями
плавки (υпл).
4. Применение оптимальных перегревов и обработки расплавов.
5. Применение сокращённых режимов термических обработок.
Экспериментально установлено, что эффект структурной наследственности сохраняется до 30–60 % (5-ая закономерность).
49
5.2. ТГИ в сплавах Al-Mg (магналии)
Ранее отмечали, что лигатуры, получаемые на самарских предприятиях, обладают низким качеством.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Чушковая лигатура Al ‒ 2÷5%Ti производства литей-
ного цеха РКЦ «Прогресс».
Лигатура готовится с использованием Al повышенной чистоты
и отходов Ti-сплавов в виде высечки, полос или стружки.
Плавка – в индукционной печи ИСТ-0,4.
Разливка – при 1100-1200 °С в чугунные изложницы (толщина
чушки – непостоянная, 30–50 мм).
Заполнение одной изложницы зачастую осуществляется 2–3 порциями.
Поверхность лигатурных чушек – окисленная, имеются газовые
и оксидные дефекты (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Внешний вид чушковой лигатуры AlTi3,5
Излом лигатуры – крупнокристаллический, неоднородный, наличие включений и пористости. Микроструктура – крайне грубая, разнородная, размеры интерметаллидов до 300–500 мкм (рис. 5.4).
Качество данной лигатуры – крайне низкое.
Практически подобное качество имеет место и при получении
чушковой лигатуры типа AlZr3,5.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]