CC BY
311
УДК 539.374.
Г. Г. Крушенко
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И БЛОКИРОВАНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРИСТОСТИ НА СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Описан механизм образования пористости в отливках из алюминиевых сплавов, меры предупреждения их образования и способы блокирования их отрицательного воздействия на свойства отливок.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, отливки, пористость.
Литейные сплавы на основе алюминия [1] широко применяются для получения отливок машиностроительного профиля [2], включая корпусные детали силовых агрегатов авиационной [3] и космической техники [4], вследствие того, что эти сплавы характеризуются высокими технологическими [5] и механическими свойствами [6], гарантирующими надежность их работы в сложно-нагруженных условиях, например, в составе топливо-насосных агрегатов (рис. 1, 2) ЖРД [7; 8].
■Н 4
Рис. 1. Литая деталь турбонасосного агрегата [4] (http://www.yuzhmash.com/m/productphp?page=uz1iavto)
Рис. 2. Основной турбонасосный агрегат ЖРД в сборе [8]
В основном с этой целью применяют сплавы на основе системы Al-Si и Al-Mg с легированием их различными упрочняющими добавками [9].
Однако известно, что алюминиевые сплавы в процессе их приготовления в той или иной степени растворяют водород [10], содержание которого в жидком металле определяется температурно-временными режимами плавки и обработки расплава средствами, препятствующими насыщению его водородом [11]. Обычно дегазация производится введением в расплав
хлорсодержащих соединений, например, хлористого магния МпС12 или более эффективного гексахлорэта-на С2С16. В результате взаимодействия этих соединений с водородом образуются пары НС1, которые улетучиваются из расплава. Существуют и другие средства и способы уменьшения содержания водорода в расплаве (прямая продувка хлором или азотом, обработка током, ультразвуком и др.). Эффективный способ повышения плотности отливок без засорения их продуктами взаимодействия дегазаторов с водородом и футеровкой плавильных агрегатов заключается в создании направленной кристаллизации металла в форме - от нижних слоев отливки к верхним, в результате охлаждения низа кокиля [12].
Растворенный в жидком металле водород в процессе кристаллизации отливок, получаемых из алюминиевых сплавов с узким интервалом кристаллизации (температура от начала до окончания кристаллизации - от линии ликвидуса до линии солидуса, к которым относятся сплавы системы А1^ (рис. 3) [13] в интервале содержания кремния от 8,0 до 11,5 % (например, АК9ч, АК7ч и др.), образует в их объеме рассеянную пористость.
Рис. 3. Диаграмма состояний А1^ [13]
Оценка пористости отливок (то есть количество и размеры пор) производится в условных баллах (см. таблицу, рис. 4) при изучении рентгеновских пленок, экспонированных с помощью рентгеновского просвечивания при наложении на них вырезанных из детали-представителя темплетов (плоские образцы). При этом усадочная рыхлость или центральная пористость исключается.
балл 1 балл 2 балл 3 балл 4 балл 5
Рис. 4. Пористость по шкале ВИАМ
Оценка пористости отливок [1]
Пористость, балл Диаметр пор, мм Количество пор на 1 см2, шт.
1 до 0,1 до 5
2 до 0,1 до 8
до 0,2 до 2
3 до 0,3 до 12
до 0,5 до 3
4 до 0,5 до 14
до 1,0 до 6
5 до 0,5 до 15
до 1,0 до 8
> 1,0 до 2
глинистые формы. При этом в усадочные пустоты выделяется и растворенный в расплаве водород.
Пользоваться эталонами степени пористости можно независимо от марки сплава. В основном в производство пропускаются отливки с пористостью не больше 1 и 2 баллов, но на деталях, работающих в условиях высоких давлений, пористость вообще не допускается. Установлено, что плотность отливок из узкоинтервальных алюминиевых сплавов отражает наличие в них несплошностей, и их количество и величина влияют на уровень механических свойств литых деталей.
Присутствующие в алюминиевых отливках поры уменьшают плотность металла, что приводит к снижению их механических свойств [14]. Например, на сплаве АК9ч (8,0-10,5 % Si; 0,17-0,30 % Mg;
0,20-0,50 % Mg; гет. - А1) нами установлено, что при плотности отливок (определяемой методом гидростатического взвешивания) р = 2564 кг/м3 временное сопротивление составило ств = 235 МПа, относительное удлинение 5 = 5,0 %, тогда как при р = 2 575 кг/м3 ств повысилось до 260 МПа (на 10,4 %), 5 - до 5,6 % (на 12,0 %), а при р = 2 658 кг/м3 ств повысилось до 275 МПа (на 17,0 %), а 5 - до 8,2 % (на 64,0 %) [15; 16].
При литье деталей из сплавов с широким интервалом кристаллизации, к которым относятся сплавы системы A1-Mg (рис. 5) [13] в интервале содержания магния от 6,0 до 10,5 % (например, АЛ8, АМг10ч и др.), вследствие кристаллизации металла по так называемому «объемному» механизму отливки оказываются пораженными междендритной усадочной пористостью (рис. 6) [17], что снижает их прочностные показатели и герметичность. Этот дефект обычно возникает при медленной скорости кристаллизации сплава, например, при литье в песчано-
Рис. 5. Диаграмма состояний A1-Mg [13]
Рис. 6. Усадочная пористость (http://www.1ityo.com.ua/1i/s_41.htm1)
Известным металловедом академиком А. А. Боч-варом на основании предложенной им теории кристаллизации сплавов под давлением совместно с профессором А. Г. Спасским, в период их работы в Московском институте цветных металлов и золота, была разработана и внедрена в производство технология автоклавного литья деталей авиационных двигателей из алюминиевых сплавов. При этом собранную форму устанавливают в металлическую емкость, в крышке которой находится отверстие, совпадающее с литниковой чашей в литейной форме. После заливки металла в форму быстро закрывают крышку в металлической емкости и подают в нее сжатый воздух под давлением 4...5 атм (1 атм = 0,10133 МПа = 1,0333 кгс/см2) [18].
Давление на жидкий металл в процессе кристаллизации усиливает питание расплавом затвердевающих междендритных пустот, в результате чего получаются плотные отливки, механические свойства и герметичность которых удовлетворяют требованиям технической документации.
Существует технология повышения плотности уже отлитых деталей, что достигается пропиткой имеющихся в них усадочных пустот различными веществами с последующим их затвердеванием [19; 20]. В качестве пропитывающего вещества зачастую применяют бакелитовый лак. Пропитка выполняется в автоклаве под давлением с последующей промывкой пропитанных деталей этиловым спиртом и сушкой.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ 1583-93 Сплавы алюминиевые литейные. Минск, 1993.
2. Захаров А. М. Промышленные сплавы цветных металлов. Фазовый состав и структурные составляющие. М. : Металлургия, 1980.
3. Starke E. A. Jr., Staley J. T. Application of modern aluminium alloys to aircraft // Progrss in Aerospace Sciences, 1996. Vol. 32. Issue 2-3. P. 131-172.
4. Крушенко Г. Г., Кашубский А. Н. Применение рентгенографии для выявления и заварки дефектов в отливках ответственного назначения из алюминиевокремниевых сплавов // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010. № 8. С. 47-49.
5. Корольков А. М. Литейные свойства металлов и сплавов. 2-е изд., доп. М. : Наука, 1967.
6. Строганов Г. Б. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия, 1985.
7. Технология производства жидкостных ракетных двигателей / В. А. Моисеев, В. А. Тарасов, В. А. Колмы-ков и др. ; под ред. В. А. Моисеева, В. А. Тарасова. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.
8. Прочность и ресурс ЖРД / Н. А. Махутов,
В. С. Рачук, М. М. Гаденин и др. ; под ред. Н. А. Ма-хутова и В. С. Рачука. М. : Наука, 2011.
9. Альтман М. Б., Стромская Н. П. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. М. : Металлургия, 1984.
10. Чернега Д. Ф., Бялик О. М. Водород в литейных алюминиевых сплавах. Киев : Техшка, 1972.
11. Постников Н. С., Мельников А. В., Лебедев В. М. Плавка алюминиевых сплавов. М. : Металлургия, 1971.
12. Крушенко Г. Г. Автоматическое регулирование охлаждения литейной металлической формы // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2008. № 4.
С. 105-106.
13. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем. М. : Госиздат физико-математической литературы, 1959. 756 с.
14. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks / M. A. Irfan, D. Schwam, A. Karve, R. Ryder // Materials science and engineering. 15 February 2012. Vol. A 535. P. 108-114.
15. Крушенко Г. Г., Василенко З. А. Плотность и механические свойства силуминов, термически обработанных в жидком состоянии // Расплавы. 1988. Т. 2. Вып. 6. С. 67-69.
16. Влияние положения в форме литых испытательных образцов на механические свойства алюминиевых сплавов / З. А. Василенко, Г. Г. Крушенко, Б. А. Балашов, А. Н. Тимофеев // Проблемы прочности. 1992. № 1. С. 80-82.
17. Gunasegaram D. R., Farnsworth D. J., Nguyen T. T. Identification of critical factors affecting shrinkage porosity in permanent mold casting using numerical simulations based on design experiments // J. of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. P. 1209-1219.
18. Спасский А. Г. Основы литейного производства. М. : Металлургиздат, 1950.
19. Impregnation improves casting quality // Vacuum. 1953. Vol. 3. Issue 1. P. 94.
20. Jolly M. Castings // Comprehensive structural integrity. 2003. Vol. 1. P. 377-466 (1.18.6.3. Polymer impregnation).
G. G. Krushenko
EXCLUSION OF FORMATION AND BLOCKAGE OF THE NEGATIVE EFFECT OF OPENNESS ON PROPERTIES OF ALUM ALLOYS CASTINGS
The author describes a mechanism of buildup of openness in alum alloys castings, measures for its exclusion and means of blockage of its negative effect on properties of castings.
Keywords: alum alloys, castings, openness.
© Крушенко Г. Г., 2012
