Способ изготовления деталей из алюминиевых сплавов и шихта для выплавки алюминиевых сплавов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А ИС Е Б И Т СКОМУ ЕТЕЛЬСТВ А ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Харьковский институт механизации иэлектрификации сельского хозяйства(56) Постников Н.С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок, ММеталлургия,1983, Гл.И. с,85-113.Технологический процесс на отливкукорпусов насосов типа НШ ВПО "Союзтракторзапчасть", разработанный Курским заводом тракторных запасных частей. ПриказМ 2382 от 07.04.82,(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ШИХТАДЛЯ ВЫПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ(57) Использование; в ремонтном производстве деталей из цветных сплавов, а также в Изобретение относится к области тракторного и Сельскохозяйственного машиностроения и предназначено для использования в ремонтном производстве деталей из цветных сплавов, а также в производстве металлоизделий.Известен способ (Методические рекомендации по технологии ремонта гидравлической аппаратуры, М.: ЦНТИ пропаганды и рекламы, 1986. С,8) ремонта корпусов овальных насосов из алюминиевых сплавов путем обжатия под номинальный и ремонтный размеры в специальной пресс-форме на гидравлическом прессе, Это позволяет увеличить срок службы корпусных деталей на 20 - 30;, однако таким способом не могут быть восстановлены детали при наличии)5 С 22 С 1/02 ОС 22 В производстве металлоизделий в области тракторного и сельскохозяйственного машиностроения. Сущность: приготавливают сплав системы алюминий - кремний с добавками меди, железа, марганца, никеля и цинка путем переплавки шихты, содержащей корпусной лом из сплава АЛ 9, поршневой лом из сплава АЛ 25 и детали мелкосерийного производства из сплава АЛ 4, отливают деталь и термообрабатывают. Сплав получают с отношением содержания кремния к суммарному содержанию меди, железа, марганца, никеля и цинка, равном 1 - 3, а термообработку осуществляют путем закалки с выдержкой при температуре тзак=тоот 1 и старения с выдержкой при тем- ПЕРаТУРЕ СтарЕНИЯ тстар=тм+(11 - 12), ГДЕ 10 - минимальная температура закалки, равная 500 С;тм - минимальная температура старения, равная 150 С; 11 и 12 - поправки к температуре закалки и температуре старения, 2 с.п,ф-лы, 5 табл,макро- и микродефектов, возникающих при их производстве и эксплуатации. Кроме того, эта технология трудоемка в условиях ремонтного производства, поскольку требует индивидуального подхода к выбору величины обжатия.Известен также способ ремонта корпусов (Ульман И.Е, и др. Ремонт машин, М,: Колос, 1982, С.242-243) путем предварительной расточки внутренней поверхности корпуса под увеличенный размер с последующей установкой гильзы на эпоксидной смоле, Способ не требует дефицитного оборудования, более технологичный и менее трудоемкий, чем первый. Однако таким способом можно восстанавливать лишь 60 - 70 ф корпусов, поступающих в ремонт. При0,2-0,4 этом выбраковываются корпуса с макродефектами (вы колами, трещинами, надрывами и др,). Кроме того, качество посадки часто не обеспечивает необходимой надежности в эксплуатации. 5Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления деталей, в том числе и корпусных, литьем в кокиль и последующей термообработкой по режиму Т 5 (Постников 10 Н,С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок, М,: Металлургия, 1983, Гл.И. С,95- 100). При этом рассматриваются следующие варианты; использование в качестве шихты первичных материалов и вариант много кратного переплава, И в том, и в другом случае получают заданный химический состав (в пределах погрешности и с учетом выгорания некоторых элементов). Возможно применение вполне определенного вида 20 термообработки (в данном случае Т 5), который обеспечит свойства, предъявляемые к конкретной детали,Такая технология отливки деталей позволяет получить необходимыйкомплекс 25 свойств и структуры, Вместе с тем эта технология не может быть использована в ремонтном производстве, поскольку литьедеталей из вторичного сырья не обеспечивает стабильного химического состава спла вов и для обеспечения заданного качества требуется корректировка параметров литья и термообработки.Известно (Худяков И,Ф, и др, Технология вторичных цветных металлов), что для 35 производства отливок используют вторичные материалы - кусковые отходы и лом отливок из алюминиевых сплавов. Однако для производства ответственных отливок нельзя использовать любые отходы, а тре буется лом определенного химического состава.Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления корпусных деталей в условиях 45 специализированного производства (Технологический процесс на отливку корпусов насосов типа НШ ВПО "Союзтрактарозапчасть", разработанный Курским заводом тракторных запасных частей, Приказ 50 М 2382 от 7 апреля 1982 г.) путем их отливки при использовании в качестве шихты следующих материалов, мас, О(.Алюминий первичныйчушковый марок А 5 - А 7 20 - 35 55 Силумины СилО-Сил 1 35 - 45Магний первичныйчушковый Мг 90Возврат собственногопроизводства 25-30 Эта шихта обеспечивает необходимое качестводеталей, но их стоимость высока, так как требует применение дефицитных в ремонтном производстве первичных шихтовых материалов в количестве до 72 от общего объема шихты. Кроме того, анализ качества корпусов заводского производства показал, что в ряде случаев они имеют уровень прочности и твердости 160-180 МПа и 50-70 НВ соответственно, что в ряде случаев(40 - 50) ниже допустимых значений. Эта сказывается и на ресурсе насосов при эксплуатации,Указанные недостатки связаны с нестабильностью количественного и качественного состава шихтовых материалов.Целью изобретения является экономия первичных шихтовых материалов, снижение себестоимости и повышение прочностных свойств изделий. Для достижения поставленной цели номенклатуру шихтуемых деталей подбирают таким образом, чтобы отношение Я к суммарному содержанию меди, железа, марганца, никеля и цинка была равна 1 - 3. После отливки детали подвергают термической обработке: закалке с выдержкой призакво т 1и старениютст.=тм+(11-т 2),где то - минимальная температура закалки, равная 500 С;тл - минимальная температура старения, равная 150 С;с 1 и т 2 - поправки к температуре закалки и температуре старения, выбираемые в за-. висимости от отношения содержания кремния к суммарному содержанию меди, железа, марганца, никеля и цинка, равного (1 - 3), при этом т 1=(10 - 70)ОС и 12 = (10 - 30) С.В качестве шихты рекомендуется испольэовать вторичное сырье следующего состава, мас, О .Корпусной лом из сплава АЛ 9 30-45 Поршневой лом из сплава АЛ 2540-65 Детали мелкосерийногопроизводства из сплава АЛ 4 5-15.Использование в качестве шихты определенной номенклатуры деталей иэ алюминиевых сплавов, а также термообработка по предложенным режимам приводят к новым свойствам.Как правило, при отливке деталей (в т,ч. и корпусных) используют первичные материалы (алюминий и силумины) с добавкой отходов собственного производства (прибыли, выпоры и пр.). Но в ремонтном производстве первичные материалы практически отсутствуют, и технология изготовления их способом литья предусматривает испольэование различных утилизированных деталей лома деталей поршневой группы, что эконоиз алюминиевых сплавов, а это приводит к мически нецелесообразно.тому, что химический состав различных пар- При введении в шихту лома корпусныхтий отлитых корпусов отличается между со- деталей более 45 мас.оне обеспечиваетсябой, что влечет за собой нестабильность 5 требуемый уровень свойств. Ввод лома мелсвойств и эксплуатационных характери- косерийных деталей (преимущественно изАЛ 4) не является обязательным, однако моВ условиях ремонтного производства жет быть использован в количестве 5 - 15целесообразно полностью исключить пер- мас.% для замены части лома корпусныхвичные материалы, поскольку с их вводом 10 деталей. При этом условии обеспечиваетсятребуется увеличенный расход модифици- требуемый уровень свойств. Результаты опрующих и рафинирующих присадок, а также ределения химического состава сплавов, изэлектроэнергии. готовленных по новой и известнойНаибольший эффект в получении каче- технологиям, приведены в табл.1.ственныхотливоккорпусныхдеталейдости Для установления влияния способа изгается при замене части первичных готовления и состава шихты на уровеньматериалов ломом деталей поршневой свойств были изготовлены опытные корп саУгруппы (поршни дизельных двигателей, не на Пересечанском Головном ремонтноподлежащие восстановлению), который ха- транспортном предприятии объединениярактеризуется более высоким качеством 20 "Харьковспецсельхозремонт".(поршни изготавливают из сплава АЛ 25), Шихтуемые детали перед плавкой подПри изготовлении отливок из сплавов с вергают неоднократной мойке в горячих щесоотношением кремния к суммарному со- лочных растворах для очистки от масел,держанию меди, никеля, марганца, цинка и мазута, нагаров и т,п. Далее осуществляетсяжелеза, равное 1-3, обеспечивается необ подогрев деталей до 100-150 С и загрузкаходимый исходный (до термообработки) их в печь, где находится небольшое количеуровень прочности, который является ста- ство расплавленного металла.бильно высоким и после термической обра- Плаву осуществляют в тигельных элекботки (182 - 215 МПа), тропечах емкостью 400 кг. Температура разДля определения необходимых темпе ливки 760 С, Разливку расплавленногоратур закалки и старения выбраны мини- металла производят вручную ковшом емкомальные значения, равные 500 и 150 С и стью 3 л в чугунный кокиль, предварительносоответствующие алюминиевым сплавам разогретый до 400 С. Все соприкасающиесистемы А - Я. ся с расплавленным металлом металличеПоскольку температурные параметры 35 ские поверхности покрывают защитнымитермообработки определяются количест- красками рекомендуемого в литейном провом легирующихдобавок и примесей в спла- изводстве состава, Рафинирование осущеве, рекомендованы температурные ствляли в один прием хлористым цинком впоправки т 1 и т 2 к исходной температуре, количестве 0,2 оот массы расплавленногоучитывающие соотношение тех же компо металла. Застывшие отливки(корпуса насосов) после остывания извлекают из кокиля,Введение лома деталей поршневой после чего отрезают прибыль (механичегруппы менее 40 оне обеспечивает необхо- ской пилой) и зачищают на обдирочно-шлидимого уровня свойств (70 - 75 НВ, он=140 - фовальном станке,157 МПа), что определяется химическим 45 Корпуса насосов типа НШ отливали ссоставом сплава(3 56 Я; 1,2 Ск 0 28 Мп; 0,17 различным соотношением содержанияЕп; 0,32 %; 0,4 Ре). кремния к суммарному содержанию легируПри содержании в шихте лома поршне- ющих добавок и примесей, а также комповой группы более 65 овозрастает сто- нентов шихты (табл,1), При этом в плавках 2,имость ремонтных деталей в связи с 50 5 и 6 компоненты шихты взяты в пределахиспользованием более дорогого лома, при выше и ниже рекомендуемых граничныхэтом свойства,по сравнению с рекомендуе- значений, В плавках 3 и 4 приведены грамым составом, существенно не улучшаются, ничные и средние рекомендуемые значенияОптимальный их уровень достигается в составляющих шихты. Плавка 8 по компосплавах при содержании в шихте лома де нентам шихты соответствует прототипу. Вталей поршневой группы в количестве 40 - плавках 1 и 7 соотношения Я к суммарному65 мас ф содержанию легирующих элементов и приВведение в шихту лома корпусных дета- месей взяты за пределами 1 - 3.лей менее 30% потребует увеличения доли Из приведенных данных (табл,2) видно,что прототип имеет минимальный уровеньтвердости и прочности, равный 65 - 75 НВ и 130 - 150 МПа соответственно, минимальные значения соответствуют также сплавам выше и ниже пределов отношения кремния к суммарному содержанию легирующих элементов и примесей 1-3. Наиболее высокий уровень твердости и прочности (85 - 110 Н В и 170-212 МПа) обес вой группы более 70 мас.; не повышает уровня прочности и экономически нецелесообразно,Снижение или увеличение, по сравнению с рекомендуемым соотношением, компонентов шихты приводит к уменьшению уровня твердости и прочности до 70 - 85 НВ и 138 - 173 МПа соответственно,20 Наблюдаемые изменения в уровне свойств определяются химическим составом сплавов, а также определенным соотношением компонентов шихты (табл,1, 2).Для повышения и стабилизации свойств 25 сплавов, снятия напряжений используют термообработку - закалку и искусственное старение. В связи с тем, что для традиционно применяемых сплавов стабильного состава (на примере плавки 6) используют 30 термообработку по режиму (закалка при ь =500 С, искусственное старение при тартар=150 С), при введении рекомендуемой технологии производства ремонтных корпусов путем переплава лома шихты с различной долей составляющих и нестабильным химическим составом сплава требуется использование принципиально нового подхода к выбору паоаметров термообработки, учитывающих влияние основных компонен 40 тов Методами лабораторных исследований и математического моделирования с использованием планирования эксперимента установлено влияние соотношенияЯ 45Сц+й+Чп+Еп+Гепературной поправки, учитываемой при определении оптимальных температур закалки и старения в каждом конкретном случае. . 50Нйжйяя ттемпература нагрева под" закалку выбрана равной 500 С, что характерно для сплавов типа АЛ 9, из которых отливают корпуса в условиях специализированного производства с минимальным коли чеством примесей гСц, И, Мп, Ъ, Ре).С учетом этоготза к=ТО-т,1;Тстар=1 м+(11-т 2),печивают плавки 3 и 4 с рекомендуемымсоставом шихты и соотношением 1-3, 10Увеличение доли лома деталей поршнегде 0 - минимальная температура закалки силуминов, равная 500 С;11 - температурная поправка, учитывающая отношение Я к суммарному содержанию Со, Ю, Мп, Еп, Ре;Ь - минимальная температура старения, равная 150 С;12 - температурная поправка, учитывающая содержание тех же элементов, что и 11, но при старении.Максимальная температура нагрева под закалку ограничена концентрацией в таком сплаве кремния и равна 570 С, согласно диаграмме состояния двойных сплавов А - 9. Учитывая тот факт, что увеличение количества примесей и концентрации Я требует изменения температуры нагрева под закалку для обеспечения растворения и гомогенизации твердого раствора, провели статистический анализ такого влияния. В результате установили, что температурная поправка определяется величиной соотношения9Со+Ю+Мп+Еп+РеДля определения температуры старения ввели следующие ограничения. Нижний температурный предел нагрева выбран исходя из условий применения сплава АЛ 9 с минимальным количеством примесей и соответствующей для него температурой 150 С, а верхний - с учетом максимальной величины температурной поправки при закалке, равной 180 С.Результаты расчета этого соотношения химических элементов в сплаве и соответствующие им температурные поправки приведены в табл.3, а значения температур закалки и старения изготовленных сплавов по предложенной технологии и прототипу - в табл,4,Термическая обработка по рекомендуемым режимам (табл.5) позволила дополнительно повысить уровень твердости в 2,0-2,3 и прочности в 1,1-1,3 раза по сравнению с прототипом,Таким образом, комплексное решение проблемы производства качественных корпусов гидронасосов в условиях ремонтного производства путем выбора и оптимизации сбстава шляхты с использованием вторичного сырья и соотношения кремния к суммарному содержанию легирующих элементов и примесей, регламентированной их термообработки обеспечивают повышение твердости и прочности при полной экономии первичных материалов,По имеющимся у заявителя данным, в известных решениях отсутствуют признаки, сходные с признаками, которые отличаю10 1786164 Таблица Хееькескьь состав изготовленных сплавов 581 Сц+Хпь 31 пь 81+ГеЬь 1 Содернание элементов,Нокерплавки 1 Состав ыихты нас,б Ле(. Лом корпусных деталейЛон деталей орленевойгруппыНелкосерийае детали 40- цб Лок ксрпуслих етапеЛом деталей пспхневойгруппНелкосерийньы детали1,70 0,40 0,26 0,39 1,42 4,18 1,0 Лом корпусньх деталейЛои деталей порынеаойгруппыНелкосерийнле детали 30- 5 Лон корпусных деталейЛом деталей поленовойгруппыйелкосерикньье детали2,0 26 Лом корпусных деталей Лон деталей поренееой группыЛелкосерийние детап- 70 3,0- 45 1 Ьм корпусных деталейб Лон детагей горынеаой группы- 35 1,20 0,28 0,1 т 0,32 0,40 3,56 20 1,5 Лон корпусных деталей7 Лом деталей пориневой гоуппы иелосерийныа детали- 5 8 (поо- дланиний первичный - 27 тотип 1 Силумины Си 0, Сип - 45 Ьн корпусных деталей . 28 0,50 0.30 - 1,0 7,0 Остальное Л 1 от прототипа заявляемое техническое решение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия".Изготовление корпусов гидронасосов из вторичного сырья, имеющих при этом высокие показатели механических свойств (твердость и прочность), будет обеспечивать снижение их цены и расхода на единицу продукции,Согласно данным проведенных испытаний (акт испытаний прилагается), заявляемое изобретение в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами: полная экономия первичных материалов, повышение прочности в литом и термообработанном состоянии в 1,5 и 1,3 раза, а также твердости в 1,2 и 1,5 раза соответственно за счет оптимизации состава шихты и параметров термообработки.Имея более высокий уровень показателей качества, корпуса гидронасосов будут обеспечивать снижение их расхода в среднем в 1,5 раза. В результате использования вторичного сырья снизится их себестоимость на 20%,Заявляемое изобретение не оказывает отрицательного влияния на состояние окружающей среды.Расчет экономического эффекта прилагается,Формула изобретения 1, Способ изготовления деталей из алюминиевых сплавов преимущественно корпусных, включающий приготовление сплава системы алюминий-кремний с добавками меди, железа, марганца, никеля и цинка путем переплавки шихты, отливку детали и 5 термическую обработку, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения прочностных свойств, сплав получают с отношением содержания кремния к суммарному содержанию меди, железа, марганца, нике ля и цинка равным 1 - 3, а термическую обработку осуществляют путем закалки с выдержкой при температуре Ь 81 с=1 о-с 1 и старения с выдержкой при температуре старения 1 ст=ъ+(1-12), где 10 - минимальная 15 температура закалки, равная 500 С; ъ 61 - минимальная температура старения, равная 150 С; о и и - поправки к температуре закалки и температуре старения, выбираемые в зависимости от отношения содержания 20 кремния к суммарному содержанию меди,железа, марганца, никеля и цинка, равного (1 - 3), при этом 11=(1 0 - 70) С и 12=(10 - 30) С,2. Шихта для выплавки алюминиевогосплава, содержащая вторичное сырье, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью снижениясебестоимости, в качестве вторичного сырья она содержит корпусной лом из сплава АЛ 9, поршневой лом из сплава АЛ 25 и детали мелкосерийного производства, пре имущественно из сплава АЛ 4 при следующем соотношении компонентов, мас. ь;Корпусной лом из сплава АЛ 9 30 - 45 Поршневой лом из сплава АЛ 25 40 - 65 Детали мелкосерийного35 производства из сплава АЛ 4 5-15б О 30 О 26 Оъ 40 1 43 3 3 1,82 0,32 0,28 0,35 1,32 10,23 2,5 1,70 0,32 0,25 0,33 1,38 7,96 2,00 0,31 0,16 0,36 1,08 11,70 2 О О 32 О 18 0 36 1 0 12 612 1786164 Состав шихты, мас,о Свойства Номер плавки П очность, МПа Тве ость, НВ Лом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные детали .Лом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиЛом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиЛом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиЛом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиЛом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиЛом корпусных деталейЛом деталей поршневойгруппыМелкосерийные деталиПо прототипуАлюминий первичныйСилумины Сил 0, Сил 1Лом ко и сных деталей- 40 75 158- 40 - 20 - 46 79 176- 40 - 14 - 30 98 180- 65- 5- 38 84 196- 50 - 12 - 26 - 70 99 204- 4- 45- 35 76 157- 20 - 20 - 75 80 150 70- 27 - 45 - 28 140 П р и м е ч а н и е, Данные таблицы - средние значения из 8 - 10 определений,Таблица 3Значения температурных поправок для рассматриваемых сплавов Таблица 2Свойства сплавов, изготовленных по новой и известной технологиям (без термообработки)13 1786164 Таблица 4 Режимы термообработки изготовленных сплавов Таблица 5 Свойства сплавов, изготовленных по новой и известной технологиям после термообработкиСоставитель Т, СкоблРедактор Л, Волкова Техред М,Моргентал ектор Л, Пилипенко изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгоро гарина, 1 каз 232 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5