Охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией
Изобретение относится к литейному производству. Охлаждающая жидкость содержит алюминий и легирующие элементы: медь, кремний и железо. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: медь 24,9-27,1, кремний 6,0-7,0, железо 0,4-0,6, алюминий 68,7-65,3. Наличие меди и кремния снижает вязкость жидкости, повышает жидкотекучесть и способствует увеличению конвективного охлаждения. Присутствие железа в пределах растворимости его в алюминии исключает процесс растворения стальной ванны кристаллизатора. Обеспечивается улучшение качества и технико-эксплуатационных свойств отливок. 3 табл.
Изобретение относится к области литейного производства, а именно к жидкометаллическому охлаждению литейной формы при получении отливок с направленной структурой.
Методы получения деталей с направленной структурой различаются по способу охлаждения формы и формированию направленного теплоотвода. Известно охлаждение воздухом (А.с. SU 1787678 А1, МКИ В 22 D 27/04, 1993), при котором залитая форма постепенно, при извлечении ее из печи, обдувается потоком воздуха с целью обеспечения направленного градиента температур. Недостатком такого охлаждения являются низкие теплофизические свойства воздуха, как следствие, небольшой градиент температур. Сложность управления процессом и его контроль обусловлены конструктивными особенностями установки для такого способа охлаждения. Данный метод не подходит для получения отливок из никелевых сплавов, которые необходимо заливать и охлаждать в вакууме. Охлаждение формы может быть произведено при помощи водоохлаждаемого поддона-холодильника. Недостатком такого метода является ограниченная область влияния охладителя на процесс формирования структуры. Зона с направленной структурой составляет не более 80% от высоты отливки. Так как процесс охлаждения осуществляется через дно формы и по высоте, его интенсивность резко снижается.
Наиболее эффективным способом охлаждения при направленной кристаллизации является конвективное охлаждение формы расплавом легкоплавкого металла, при котором форма погружается в охлаждающую жидкость с определенной скоростью. Данный способ охлаждения позволяет достичь более высоких скоростей охлаждения по сравнению с приведенными выше методами, позволяет получать детали с лучшими прочностными характеристиками.
Известна охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией (А.с. RU 2146184 С1, МПК7 В 22 D 27/04, 2000), содержащая в своем составе алюминий.
Недостатком аналога является то, что алюминий постепенно растворяет стальную ванну, происходит насыщение алюминия железом с соответствующим ухудшением охлаждающих свойств алюминия. За счет окисления алюминия в процессе эксплуатации происходит увеличение вязкости и температуры плавления расплава алюминия, что приводит к снижению интенсивности теплоотвода и ухудшению свойств получаемых отливок. Это также приводит к неоднородности структуры и свойств по высоте отливки. Ближе к тепловому узлу отливки наблюдается укрупнение структурных составляющих, увеличение междендритного расстояния.
Известна охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией (А.с. RU 2146184 С1, МПК7 В 22 D 27/04, 2000), содержащая в своем составе олово.
Недостатком аналога является то, что олово является вредной примесью для жаропрочных никелевых сплавов, при попадании в жаропрочный никелевый сплав оно вызывает в дальнейшем, в процессе эксплуатации деталей, снижение жаропрочности и коррозию. Поэтому применение олова в качестве охладителя для получения деталей с направленной структурой из жаропрочных никелевых сплавов затруднено и требует дополнительных конструктивных усовершенствований установки для литья с направленной кристаллизацией. Олово является вредным для здоровья человека элементом.
Наиболее близкой к заявляемой жидкости является охлаждающая жидкость для изготовления отливок из сталей и жаропрочных сплавов направленной кристаллизацией (А.с. SU 1668027 А1, МПК7 В 22 D 27/04, 1991) на основе алюминия, который содержит в качестве легирующих элементов медь, кремний, германий, лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь 30...32
кремний 4...6
германий 0,1...1
лантан 0,1...1
алюминий остальное
Недостатком данного охладителя является содержание в сплаве редких и дорогостоящих элементов лантана и германия, которые также имеют невысокую теплопроводность и теплоемкость и не способствуют увеличению охлаждающей способности сплава.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение качества и технико-эксплуатационных свойств отливок при литье с направленной кристаллизацией за счет применения в качестве охлаждающей жидкости сплава на основе алюминия.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве легирующих элементов в отличие от прототипа взяты медь, кремний, железо при следующем отношении компонентов, мас.%:
медь 24,9...27,1
кремний 6,0...7,0
железо 0,4...0,6
алюминий 68,7...65,3
Температура плавления сплава составляет 520°С. Сплав является эвтектической системой, поэтому он устойчив в жидком состоянии, не расслаивается при высоких температурах.
Медь и кремний имеют высокую теплопроводность, теплоемкость и плотность, кремний также обладает низкой вязкостью, что способствует увеличению способности конвективного охлаждения. Наличие в сплаве кремния способствует повышению жидкотекучести сплава, снижает вязкость. Количество в сплаве железа соответствует пределу его растворимости в алюминии, что исключает процесс растворения стальной ванны кристаллизатора. Кроме того, медь, кремний и железо значительно дешевле лантана и германия.
Пример конкретного исполнения.
Охлаждающая жидкость на основе алюминия, содержащая легирующие элементы, медь, кремний и железо. Составы охлаждающей жидкости приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Состав | Содержание элементов, масс.% | |||
| Сu | Si | Fe | Аl | |
| 1 | 24,9 | 6,0 | 0,4 | 68,7 |
| 2 | 26,0 | 6,5 | 0,5 | 67,0 |
| 3 | 27,1 | 7,0 | 0,6 | 65,3 |
Экспериментальные исследования были проведены на установке УВНК-8П.
Шихтовую заготовку (сплав ЖС32ВИ) загружали в индукционную плавильную печь. Керамическую форму на основе электрокорунда изготавливали по выплавляемым моделям. После набора вакуума в плавильной камере до давления 133·10-3 Па (1-10-3 мм рт.ст.) производилось включение нагревателей печи подогрева форм (ППФ). Плавка металла производилась в индукционной плавильной печи, расплавленный металл заливался в керамические оболочки через керамическую заливочную воронку. Процесс направленной кристаллизации осуществлялся путем постепенного погружения залитых оболочек в расплав охладителя. Получали образцы с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации [001]. Шихта жидкометаллического охладителя предварительно загружалась в ванну кристаллизатора и расплавлялась в ней в специальной вспомогательной печи. В качестве исходных материалов были взяты: алюминий марки А5, алюминиевомедная лигатура с содержанием меди 33%, алюминиевокремниевая лигатура с содержанием кремния 18%, алюминиевожелезная лигатура с содержанием железа 8%. В расплавленный алюминий вводили сначала алюминиевомедную лигатуру, алюминиевокремниевую лигатуру, алюминиевожелезную лигатуру. Затем ванну с кристаллизатором установили в установку УВНК-8П. Скорость погружения формы поддерживалась с точностью ±2 мм/мин.
В течение всего процесса на диаграммных лентах пирометрического шкафа автоматически фиксировались все основные параметры. Скорость затвердевания отливки определяли при помощи термопар, установленных на трех уровнях по высоте формы. Скорость движения фронта кристаллизации сплава составила 40-43 мм/мин.
Были проведены испытания полученных образцов на кратковременную и длительную прочность. Испытания на кратковременную прочность проводили при 20°С, на длительную прочность - при 1000°С.
Использовали образцы цилиндрического типа диаметром 5 мм с начальной расчетной длиной 25 мм. Допускаемое отклонение диаметра рабочей части цилиндрических образцов ±0,02 мм, параметр шероховатости Ra<0,63 мкм. Биение цилиндрического образца при проверке в центрах не должно превышать 0,02 мм. Допускаемое отклонение по величине площади поперечного сечения не должно превышать ±0,05%.
Определение предела прочности проводили по ГОСТ 1497-73 на испытательной машине УТМ-20 при комнатной температуре.
Для определения длительной прочности при 1000°С образец, установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь, нагревали до заданной температуры (время нагрева должно быть не более 8 часов) и выдержали при этой температуре в течение 1 часа.
Для измерения температуры образцов на концах их рабочей части было установлено 2 термопары.
После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывали нагрузку. После разрушения образца определяли: относительное удлинение (δ) и относительное сужение (Ψ).
Параллельно проводились испытания образцов, отлитых по базовому технологическому процессу с использованием в качестве охлаждающей жидкости алюминия марки А5.
Результаты испытаний представлены в таблицах 2, 3.
| Таблица 2 | ||||||
| состав | Температура плавления °С | Удельная теплоемкость, Дж/кг К | Теплопроводимость, Вт/м К | Коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м2К | Скорость кристализации, мм/мин | |
| 1 | 520 | 869,62 | 235,94 | 100,1*106 | 42 | |
| 2 | 520 | 874,41 | 238,19 | 102,5*106 | 43 | |
| 3 | 520 | 880,32 | 240,03 | 101,6*106 | 43 | |
| Таблица 3 | ||||||
| Состав | Испытания при комнатной температуре | Испытания при температуре 1000°С | ||||
| σ20в | δ | ψ | σ100040 | δ | ψ | |
| 1 | 1238 | 7,3 | 11,6 | 355 | 16,7 | 18,6 |
| 2 | 1242 | 7,5 | 11,9 | 361 | 16,9 | 18,7 |
| 3 | 1241 | 7,6 | 11,7 | 359 | 17,0 | 18,8 |
| А5 | 1000 | 6,1 | 9 | 280 | 14 | 16 |
Колебания состава охладителя в указанных пределах не оказывают значительного влияния на коэффициент конвективной теплоотдачи и скорость кристаллизации (табл.2). Уменьшение содержания Si ниже 6% вызывает резкое увеличение вязкости сплава, что приводит к ухудшению охлаждающей способности и снижению скорости кристаллизации. Увеличение содержания Fe выше 0,6 приводит к выделению железа в виде закристаллизовавшихся частиц, что отрицательно влияет на вязкость сплава, а также на способность конвективного переноса тепла.
На образцах, полученных с применением сплава на основе алюминия, наблюдается уменьшение междендридного расстояния, снижение объемной доли микропор, измельчение и более равномерное распределение упрочняющих интерметаллидных фаз. Это способствует более эффективной блокировке подвижных дислокации и, следовательно, повышению прочности. Также наблюдается измельчение и глобулизация карбидов, что приводит к повышению пластичности.
Таким образом, испытания образцов с использованием предлагаемой охлаждающей жидкости показали, что прочность и жаропрочность сплава ЖС32ВИ при 1000°С повышается на 25-27% (табл.3).
Охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией на основе алюминия, содержащая легирующие элементы, отличающаяся тем, что в качестве легирующих элементов взяты медь, кремний, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь 24,9-27,1
Кремний 6,0-7,0
Железо 0,4-0,6
Алюминий 68,7-65,3
