Способ изготовления литых заготовок

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК преимущественно из алюминиевых сплавов, включающий рафинирование расплава и заливку его в кристаллизатор с последующей кристаллизацией, отличающийся тем, что, с целью повышения деформируемости литых заготовок из вторичных недеформируемых сплавов с содержанием легирующих элементов 8 - 14%, сплав кристаллизуют со скоростью 5 - 130 град/с, причем скорость кристаллизации для получения заданной величины дендритных ячеек при указанном содержании легирующих элементов определяют по формуле
v = ,
где V - скорость кристаллизации, град/с;
K - суммарное содержание легирующих элементов, мас.%;
d - величина дендритной ячейки, мкм.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению литых заготовок из высоколегированных алюминиевых сплавов.
Известен способ изготовления литых заготовок из деформируемых алюминиевых сплавов, например Д16, включающий рафинирование расплава, литье в электромагнитный кристаллизатор и охлаждение расплава в центре слитка со скоростью 160-290 град/мин (2,67-4,83 град/с).
Такой способ обеспечивает получение заготовки с размером дендритной ячейки -твердого раствора в пределах 64-82 мкм.
Изготовление этим способом литых заготовок из высоколегированных вторичных недеформируемых сплавов, содержащих суммарное количество легирующих элементов и металлических примесей в пределах 8-14%, приводит к охрупчиванию слитков, появлению на них трещин в процессе литья и невозможности подвергать такие заготовки обработке давлением.
Описанный способ получения литых заготовок из алюминиевых сплавов является наиболее близким по техническому существу к предлагаемому способу.
Целью изобретения является повышение деформируемости литых заготовок из вторичных недеформируемых алюминиевых сплавов с содержанием легирующих элементов 8-14%.
Поставленная цель достигается тем, что в способе, включающем рафинирование расплава, его заливку в кристаллизатор и последующую кристаллизацию, кристаллизацию ведут со скоростью 5-130 град/с и определяют ее для получения заданной величины дендритных ячеек при указанном содержании легирующих элементов по формуле
v = где v - скорость охлаждения расплава при кристаллизации, град/с;
К - суммарное содержание легирующих элементов и металлических примесей, мас.%;
d - величина дендритной ячейки, мк.
Существо способа состоит в следующем. Сплавы из вторичного алюминиевого сырья, содержащие 8-14 мас.% легирующих элементов и металлических примесей, производят по существующей на заводах Вторцветмета технологии, включающей подготовку шихты (сушку), ее плавку, рафинирование расплава и литье.
Отливку производят в кристаллизатор, например, скольжения или электромагнитный кристаллизатор и охлаждают расплав со скоростью кристаллизации, обеспечивающей величину d 40 мкм и высокую пластичность заготовки.
Скорость охлаждения менее 5 град/с вызывает появление крупных интерметаллидов, увеличение микрозерна и охрупчивание слитка, приводящее к невозможности подвергать его обработке давлением.
Скорость более 130 град/с вызывают упрочнение -твердого раствора на основе алюминия и повышение усилия при обработке давлением. Например, для сплава АВ86, содержащего 8,8% легирующих элементов, при скоростях охлаждения менее 5 град/с размер дендритной ячейки в центре слитка составляет более 40 мкм, а размер интерметаллидных фаз более 50 мкм, что, несмотря на невысокую легированность -твердого раствора (микротвердость Н_м 70 кг/мм²), приводит к охрупчиванию сплава и невозможности высокоскоростного его прессования.
При скоростях охлаждения 5-130 град/с размер интерметаллидных фаз становится соизмеримым с размером дендритной ячейки, при этом легированность -твердого раствора еще невысока (Н_м<90 кг/мм²), а пластичность сплава повышается ( = 3-4%). Заготовка, отлитая с этими скоростями охлаждения, прессуется с высокими скоростями истечения и гарантирует высокое качество поверхности прессованных полуфабрикатов. При скоростях охлаждения выше 130 град/с вместе со значительным измельчением структурных составляющих сплавов имеет место резкое повышение степени легированности -твердого раствора (например, микротвердость Н_м составляет более 110 кг/мм²). Такое повышение легированности недопустимо, так как вызывает повышение усилия при горячем деформировании, т. е. оптимальными являются скорости охлаждения заготовки 5-130 град/с.
Для установления влияния скорости охлаждения при кристаллизации на размер дендритной ячейки сплавов были рассчитаны коэффициенты парной корреляции (r) между величиной дендритной ячейки (d) и суммарным содержанием легирующих элементов в сплав (К) при постоянной скорости охлаждения, n - число опытов. Полученные результаты приведены в табл.1.
Анализ экспериментальных данных показал, что зависимость размера дендритной ячейки (d, мкм) от скорости охлаждения расплава при кристаллизации (v_охл, град/с) и от суммарного содержания легирующих элементов (K, мас.%) можно выразить уравнением
d = 2^-lgV (111-3,11 K). Коэффициенты этого уравнения были получены расчетно-графическим путем из экспериментальных данных.
Скорость охлаждения, обеспечивающая получение заданной величины дендритной ячейки, определяется из формулы
_{v =}
Оптимальные интервалы скорости охлаждения для вторичных недеформируемых сплавов, рассчитанные по уравнению в зависимости от их состава, представлены в табл. 2. Сравнительные данные по пластичности получаемых слитков приведены в табл.3.
Структура отлитых слитков характеризуется высокой однородностью и дисперсностью интерметаллидов.
Деформируемость (технологичность) заготовок, полученных при различных скоростях охлаждения, оценивали по максимальной скорости истечения металла при прессовании по режиму: температура нагрева Т = 350 10^оС, вытяжка = 50.
Данные по максимальной скорости истечения металла в зависимости от скорости охлаждения слитков приведены в табл.4.
Из табл. 4 следует, что прессование заготовок, полученных при скорости охлаждения 1 град/с, можно вести лишь при малых скоростях истечения (3 м/мин) из-за их низкой пластичности. При более высоких скоростях прессования этого металла полуфабрикаты имеют трещины на поверхности.
С повышением скорости охлаждения заготовок от 5 до 130 град/с максимальная скорость истечения металла при прессовании полуфабрикатов повышается и находится в пределах 10-35 м/мин.
Данные по однородности структуры, степени дисперсности интерметаллидов и пластичности заготовок, полученных при различных скоростях охлаждения, приводятся в табл.5 (на примере сплава АВ 86).
Из табл. 5 следует, что с повышением скорости охлаждения структура заготовки сплава становится более однородной, так как коэффициент вариации уменьшается с 46 до 7%, т.е. почти в 6 раз.
П р и м е р 1. Для получения величины дендритной ячейки 30 мкм в сплаве, содержащем суммарное количество легирующих элементов, равное 8,8%, кристаллизацию ведут со скоростью охлаждения, определяемой по уравнению
v = Для сплава v = = 30 (град/c) Скорость охлаждения, равная 30 град/с, имеет место при кристаллизации сплава в виде слитка диаметром 160 мм, отлитого в электромагнитный кристаллизатор.
П р и м е р 2. Для получения величины дендритной ячейки 40 мкм в сплаве, содержащем суммарное количество легирующих элементов, равное 8,8%, кристаллизацию ведут со скоростью охлаждения
v = = 12 (град/c) Скорость охлаждения, равная 12 град/с, имеет место при кристаллизации сплава в виде слитка диаметром 90 мм, отлитого в кристаллизатор скольжения.
П р и м е р 3. Для сплава, содеpжащего 12% легирующих элементов, найден интервал скоростей охлаждения, обеспечивающий величину дендритной ячейки 20 и 40 мкм.
Дендритная ячейка 20 мкм в сплаве с 12% легирующих элементов обеспечивается при кристаллизации со скоростью
v = = 76 (град/c)
Дендритная ячейка 40 мкм в сплаве с 12% легирующих элементов обеспечивается при кристаллизации со скоростью
v = = 8 (град/c) Для требуемого интервала величин дендритной ячейки 20-40 мкм при сумме легирующих элементов 12% получаем интервал скоростей охлаждения 8-76 град/с.
П р и м е р 4. Для сплава, содержащего 14% легирующих элементов, найден интервал скоростей охлаждения, обеспечивающий величину дендритной ячейки 20 и 40 мкм.
Дендритная ячейка 20 мкм в сплаве с 14% легирующих элементов обеспечивается при кристаллизации со скоростью
_{v = 57 (град/c)}
Дендритная ячейка 40 мкм в сплаве с 14% легирующих элементов обеспечивается при кристаллизации со скоростью
_{v = 5,7 (град/c)}
Для требуемого интервала величин дендритной ячейки 20-40 мкм при сумме легирующих элементов 14% получаем интервал скоростей охлаждения 5,7-57 град/с.
Предложенное решение является способом изготовления литых заготовок из недеформируемых вторичных алюминиевых сплавов для последующего деформирования.
Кроме указанных сплавов этот способ может быть применен и к другим недеформируемым сплавам. Проведены эксперименты по производству заготовок из сплава Al (15-20)% Si. Согласно предложенному способу получена литая заготовка с высокой пластичностью, что обеспечивало хорошее ее последующее прессование.
Высокая однородность структуры и весьма малый размер дендритной ячейки литой заготовки обеспечивает ее хорошую пластичность и технологичность.
Экономический эффект от применения предлагаемого способа получается за счет применения дешевого вторичного низкосортного алюминиевого сырья для производства деформированных полуфабрикатов.