коля / 1992-201176

ВИАМ/1992-201176

Проблемы производства алюминиевых отливок и их качества

Н.С. Постников

Сентябрь 1992

Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.

В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.

За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.

Возглавляет институт лауреат государственных премий

СССР и РФ, академик РАН профессор Е.Н. Каблов.

Статья подготовлена для опубликования в журнале «Литейное производство», № 2–3, 1993 г.

Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public

Проблемы производства алюминиевых отливок и их качества

Н.С. Постников

Всероссийский институт авиационных материалов

Опыт авиакосмической промышленности убеждает [1], что высший уровень качества и надежности достижим лишь в том случае, если на ранних этапах создания конструкции комплексно учитывается влияние материалов и технологии производства на прочность, ресурс и надежность изделия. В области разработки алюминиевых сплавов и производства из них фасонных деталей для авиакосмической техники удалось добиться успеха, благодаря систематическому созданию новых и критическому анализу традиционных принципов формирования структурно-фазового состояния отливок [2].

Система регламентированного формирования структурно-фазового состояния литых деталей основана на одновременном воздействии на отдельные элементы структуры (макро-, микро-, субуровня) как при легировании, так и при интенсивном приготовлении расплава, кристаллизации и обработке отливок. Разработаны герметичные (гидропрочные), коррозионностойкие, свариваемые, жаропрочные и высокопрочные сплавы и технологические процессы их получения. Это позволило решить проблему конструкционной надежности и долговечной эксплуатации ряда узлов отечественной техники: космической системы «Энергия–Буран», грузоподъемных транспортных самолетов «Антей», «Руслан», «Мрия», истребителей МиГ-29, Су-27, пассажирских самолетов Ту-204, Ил-96-300 и т. д.

Разработанные литейные алюминиевые сплавы (таблица, образцы вырезанные) не уступают деформируемым и даже превосходят их. По комплексу свойств они не имеют аналогов, а по ряду характеристик могут конкурировать со сплавами на основе железа, меди, титана.

Прогрессивным технологическим процессом изготовления фасонных отливок из алюминиевых сплавов можно назвать лишь тот, который

обеспечивает высокое качество изделий и возможность автоматизации. Существуют научно-методические принципы [2], которые обосновывают и параметрируют отдельные этапы процесса получения и обработки литых деталей. Так, принципиальное решение проблемы подготовки шихтовых материалов базируется на теории о трех видах наследственности: химической, технологической, структурной [3]. Поэтому закладка наследственной информации осуществляется различными способами подготовки, оптимизации состава и расплавления шихтовых материалов. Рациональная подготовка и предварительная кристаллизация шихтовых материалов (чушкового сплава, лигатуры, отходов собственного производства) позволили не только стабилизировать условия формирования регламентированной структуры, но и значительно повысить уровень эксплуатационных свойств отливок (прочности, пластичности, усталости и пр.).

Примечание. ЖШ – жидкая штамповка; ЛПФ – литье в песочные формы.

Наиболее подходящим плавильным оборудованием для алюминиевых сплавов являются бессердечниковые индукционные печи промышленной частоты, характерной особенностью работы которых является интенсивное перемешивание расплава, что влечет за собой замешивание оксидной плены. Устранить этот недостаток удалось, организовав плавку по схеме дуплекспроцесса: плавка в индукционной печи, перелив с фильтрацией в раздаточную печь и последующее рафинирование и модифицирование. Такой процесс не только обеспечил высокое качество расплава, но и позволил максимально использовать высокую производительность индукционных печей.

Разработка методов очистки расплава от твердых и газообразных неметаллических включений базировалась на положениях о наличии в

расплаве электростатического комплекса Н2–Al2O3 и необходимости максимального увеличения в процессе рафинирования зоны барботажа. На основе этих положений созданы методы комбинированного (адсорбционного и неадсорбционного), ступенчатого (на разных стадиях процесса приготовления, перелива, разливки) и двойного рафинирования, способы введения адсорбента, отрегулированы температурно-временные и физические параметры неадсорбционных (вакуум, давление, ультразвук) методов обработки.

В решении проблемы модифицирования отдельных элементов структуры отливок следует отметить два направления: совершенствование традиционных и разработка новых методов. Так, при анализе особенностей модифицирования эвтектики в силуминах солями натрия была выявлена возможность модифицирования стронцием. Метод не только дает более стабильный эффект и увеличивает срок действия модификатора в 6–7 раз, но упрощает процесс и делает его технологичнее.

Для модифицирования первично кристаллизующейся фазы α-твердого раствора разработана технология приготовления лигатур (Al–Ti, Al–Zr, Al–В) или обработки фтористыми солями (Ti, Zr, В), которые обеспечивают повышенный эффект измельчения структуры в результате образования в расплаве большого числа равноосных центров кристаллизации. Чтобы нейтрализовать вредное влияние примеси Fe в силуминах часто используют Мn или Сr, но более радикальным способом воздействия на их структуру, в том числе и на примесь железа, является легирование бериллием. Использование бериллия в ряде сплавов позволило приготовлять их из более дешевых сортов первичного алюминия и поднять верхний предел содержания в них железа.

Облагородить литую структуру отливок удается не только химическим модифицированием, но и физическими методами воздействия на кристаллизующийся расплав. По сравнению, например, с литьем в кокиль динамическое воздействие давления на затвердевающий расплав

(кристаллизация под давлением) ведет к увеличению скорости кристаллизации в 2–3 раза и вызывает следующие структурные перемены в отливке: полное устранение газоусадочной пористости; изменение количества и морфологий фаз (упрочняющих, примесных) кристаллизационного происхождения; значительное уменьшение размера зерна и дендритной ячейки.

Варьирование структуры отливок оказывает значительное влияние и на их структурно-чувствительные свойства при статических, длительных и циклических испытаниях. Ниже приведены свойства сплава BAЛ12-T5 при литье в кокиль (I) и кристаллизации под давлением (II). Особенно следует подчеркнуть впервые достигнутый уровень усталости (140 МПа) и прочности (600 МПа) на вырезанных из отливок образцах (все приведенные характеристики – нижние значения параметров).

Механические свойства образцов, вырезанных из деталей (сплав ВАЛ12-Т5), в зависимости от метода литья (числитель – литье в кокиль, знаменатель – кристаллизация под давлением) распределяются следующим образом:

Повышение эффективности термообработки для получения максимального уровня прочности, надежности, долговечности отливок из многокомпонентных сплавов обеспечивается ступенчатыми режимами закалки, старения и систематическим использованием тонких методов исследования, без которых невозможно формирование и контроль необходимой структуры. Важное значение имеет и методика оценки эксплуатационной надежности литых деталей.

Особые свойства литой поверхности (плотность, изотропность, отсутствие надрезов и концентраторов напряжений) делают недостаточными традиционные способы установления качества отливок (анализ структуры и свойств), так как во многих случаях они не могут адекватно оценить специальные эксплуатационные характеристики (коррозию под напряжением, герметичность, сопротивление знакопеременным нагрузкам и др.). Поэтому методика анализа качества должна предусматривать оценку работоспособности литых деталей в условиях, максимально приближенных к эксплуатации (стенд, имитатор нагрузок, рабочей среды, температурного режима), и возможность экстраполяции полученных результатов.

За последние 20 лет в мировой практике достигнут прогресс в производстве высококачественных отливок гарантируемого (премиального) качества [4]. Понятие «премиального качества» предполагает высокую плотность отливок, улучшение структуры, повышение и стабилизацию механических свойств. Стоимость таких отливок возрастает в 1,5–2 раза, а эффект их, применения всегда перекрывает затраты на производство. Особенности проявления эффекта в условиях низких цен на отливки приводят к тому, что изготовитель экономически заинтересован в улучшении качества лишь в той мере, в какой это влияет на издержки собственного

производства, поскольку убытки, связанные с выплатой штрафов потребителю за выявленные дефекты отливок, не идут ни в какое сравнение с затратами на технологическое перевооружение литейного производства.

Производство отливок следует рассматривать как жестко детерминированную систему, поэтому постоянная наладка и оптимизация процесса должны осуществляться с помощью статистических методов управления качеством, которые устанавливают условия стабилизации свойств продукции, демонстрируют способность предприятия осваивать наукоемкую технологию и постоянно удовлетворять требованиям потребителей.

Список литературы:

1.Братухин А.Г., Бойко В.В., Борисов Ю.Д. и др. Отраслевая концепция обеспечения качества продукции. Отраслевая библиотека Департамента авиационной промышленности. М.: НИАТ, 1991.– 161 с.

2.Постников Н.С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок. М.: Металлургия,

1983.– 119 с.

3.Никитин В.И. Основные закономерности структурной наследственности в системе «шихта – расплав – отливка» // Литейное производство, 1991.– № 4.– С. 4–5.

4.Кнейт Дж. Гарантию качества отливок обеспечивает динамический контроль. Доклад на 56-м Конгрессе литейщиков в г. Дюссельдорфе, 1989.