Ресурсо- и энергосбережение при литье крупногабаритных отливок из магниевых сплавов

Введение

Одной из основных конструктивных особеннос­тей современной авиационной и ракетной тех­ники является применение крупногабаритных сложнопрофильных корпусных деталей из высо­копрочных магниевых сплавов, обеспечивающее эффективное соотношение массы к мощности изделия и соответственно тактико-технические характеристики изделия в целом.

Для решения этой задачи в АО «ММЗ “АВАНГАРД”» совместно с ООО «АВАНГАРД- ЛИТ» организован участок по изготовлению крупногабаритных сложнопрофильных отли­вок ответственного назначения из магниевых сплавов, на котором развивается несколько основных направлений ресурсо- и энергосбе­режения.

Первое направление - разработка системы автоматизированного проектиро­вания (САПР) технологических процессов литья магниевых сплавов и создание полных комплектов конструкторской и технологичес­кой документации.

На основе анализа физико-химических процессов, протекающих при плавке и литье магниевых сплавов, моделирования процес­сов заливки и кристаллизации отливок в сре­де «ProCast», обеспечивающих формирование плотной отливки с минимальными технологи­ческими напусками и элементами прибылей, организован современный высокопроизводи­тельный, высокоточный, малоотходный, ре­сурсосберегающий, экологически безопасный технологический процесс производства круп­ногабаритных отливок из магниевых спла­вов, разработаны полные комплекты конструк­торской и технологической документации.

При разработке был использован ори­гинальный научно обоснованный подход к проектированию технологических процес­сов литья крупногабаритных отливок из маг­ниевых сплавов в комбинированных формах, который включает в себя решение комплекса задач с целью обеспечения условий направлен­ности затвердевания и непрерывности питания отливок. Для решения этих задач для каждого этапа заполнения формы и формирования от­ливки на основе методов литейной гидравли­ки и тепловой теории литья были получены выражения для расчета требуемых техноло­гических параметров от температуры заливки до времени выдержки отливки в кокиле, кото­рые были объединены в пакеты прикладных программ [1, 2].

Второе направление - разработка совре­менного технологического процесса обработки расплава, совмещающего основные операции в технологии производства изделий из магни­евых сплавов - модифицирование и рафини­рование (дегазация) [3].

Процесс модифицирования обеспечивает измельчение кристаллического зерна отливок, требуемые стабильные механические свойства сплавов: увеличение пределов прочности, те­кучести и удлинения (σ_B, σ_0,2, δ).

Типовой процесс модифицирования маг­незитом протекает по реакциям:

MgCO₃ = MgO + CO₂, 2Mg + CO₂ = 2MgO + C и 4Al + 3C = Al₄C₃.

В результате образовавшийся карбид алюминия создает множество центров крис­таллизации, измельчает структуру сплава в от­ливке и повышает уровень свойств.

В то же время сплав загрязняется окси­дом магния и нуждается в дополнительной операции - рафинировании флюсом. При этом сплав насыщается ионами хлора, что приводит к снижению коррозионной стойкости. Кроме этого, около 15-20 % объема плавильного тиг­ля должно быть слито в промежуточную чуш­ку для дальнейшей очистки и переработки. Существенным недостатком этого способа об­работки расплава является малое время сохра­нения эффекта модифицирования (не более 40-60 мин.), что неприемлемо при литье мало- и среднегабаритных отливок. Микроструктура сплава МЛ5, модифицированного магнезитом, приведена на рисунке 1. Установлено, что уже после 70 минут выдержки расплава при тем­пературе 740 °С структура сплава практически становится немодифицированной.

Все распространенные способы моди­фицирования имеют ряд недостатков: высокая температура процесса (до 780 °С), насыщение жидкого расплава водородом, загрязнение окислами магния и кальция, сильное бур­ление расплава, приводящее к повышенной окисляемости и дополнительному загрязне­нию расплава оксидами и шлаками, значи­тельное снижение коррозионной стойкости вследствие замешивания в расплав хлорсо­держащих флюсов.

Разработанный способ модифицирова­ния магниевых сплавов системы Mg-Al-Zn-Mn включает расплавление магния, введение компонентов сплава в защитной газовой сре­де без применения флюса и продувку распла­ва модификатором (смесь бескислородного углеродсодержащего газа (фреоны) с инерт­ным (аргон, гелий) в соотношении (1:1)-(1:3)) при температуре 730-750 °С.

Процесс в случае использования фреонов 12 и 14 протекает по реакциям:

CCl₂F₂ + 2Mg = MgCl₂ + MgF₂ + C и 4Al + 3C = Al₄C₃,

CF₄ + 2Mg = 2MgF₂ + C и 4Al + 3C = Al₄C₃.

Углерод выделяется в чистом виде из га­зовой фазы без промежуточных превращений, т. е. увеличивается вероятность его более пол­ного выделения и усвоения.

При используемых на предприятии ре­жимах продувки количество вводимого угле­рода составляет 0,02-0,07 % от массы плав­ки (табл. 1), при этом механические свойства выше почти на 20 % (рис. 2).

Общий расход модифицирующей смеси составляет 30-60 л/мин. Учитывая значитель­ное (в 3-5 раз) уменьшение образующегося при модифицировании шлака, можно снизить расход модификатора или сократить время продувки. Сокращение времени продувки за­трудняет технологический процесс. Более эф­фективным оказывается снижение концентра­ции модификатора разбавлением активного газа инертным.

Микроструктура сплава МЛ5, модифи­цированного смесью фреона 12 и аргона в со­отношении 1:3, приведена на рисунке 3. Уста­новлено, что даже после 240 минут выдержки расплава при температуре 740 °С структу­ра модифицированного сплава практически не меняется.

Присутствие аргона в смеси с фреона- ми, кроме сокращения расхода активного газа, снижения загрязнения расплава продуктами взаимодействия и повышения качества металла, дополнительно приводит к снижению содержания водорода в расплаве за счет диф­фузионного выделения последнего из раствора в полость пузырька, поднимающегося сквозь толщу расплава.

Разработанная технология обеспечивает стабильные высокие механические свойства в состоянии Т4 (более 235^240 Мпа) и корро­зионную стойкость (табл. 2).

Коррозионная стойкость образцов опре­делялась по количеству водорода, выделив­шегося при испытании их в 3 % растворе хлористого натрия в течение 48 часов, и со­ответствует требованиям нормативных доку­ментов (8 см³/см²).

Технология не использует и не при­водит к образованию токсичных веществ, ее проведение не требует дополнительного оборудования, а изделия имеют более высо­кую надежность, длительный ресурс и могут эксплуатироваться во всех климатических условиях.

Использование разработанного спосо­ба обработки расплава позволило увеличить время сохранения эффекта модифицирова­ния сплава МЛ5 не менее чем до 4 часов [4] по сравнению с 40 минутами при использова­нии общепринятого способа модифицирования магнезитом с последующим рафинированием флюсом, о чем свидетельствуют данные, пред­ставленные на рисунке 3.

Третье направление - разработка авто­матизированных систем ведения бесфлюсовой плавки.

При общепринятом способе флюсовой плавки значительное количество легирую­щих компонентов сплавов на основе магния (особенно содержащих дорогостоящие редко­земельные металлы) в результате обменных реакций с компонентами флюсов переходит в шлак, т. е. теряется.

Эффективной заменой этому способу плавки стала бесфлюсовая плавка с использо­ванием газовых защитных сред (ГЗС), осно­воположниками которой в СССР и России стали научные школы кафедры «Технология литейного производства» МАТИ им. К. Э. Ци­олковского (М. В. Шаров, В. В. Серебряков, Б. Л. Бобрышев, Ю. П. Александрова и др.) [5-7], ВИАМ (А. А. Лебедев, И. Ю. Мухина и др.) [8, 9] и ВИЛС (Б. И. Бондарев, А. М. По­номаренко, О. В. Деткова и др.) [10, 11].

Актуальными в настоящее время оста­ются минимизация расхода ГЗС при плавке и разработка способов совмещения операций защиты расплава с операциями модифициро­вания и рафинирования.

На предприятии впервые разработан и внедрен комплекс оборудования, позволив­ший автоматизировать и создать контролиру­емые процессы защиты магниевых сплавов при бесфлюсовой плавке, модифицировании и рафинировании расплава, что позволило рез­ко сократить технологические издержки и сни­зить цену отливок, а также улучшить условия работы в цехе [12].

Система управления подачей ГЗС под крышку тигля и газов-модификаторов в расплав (СУ ГЗС) состоит из двух блоков: блока управления и блока контроля.

Блок контроля плавки предназначен для отображения на экране монитора измене­ния контролируемых параметров в процессе плавки, их регистрации в памяти компьютера для последующего анализа и формирования протоколов плавки (рис. 4).

Блок управления подачей газов задает расход газов в процессе плавки и модифициро­вания. Установка расхода газов производится оператором перед началом плавки.

При этом значение расходов газов отоб­ражается на экране монитора в блоке контро­ля плавки.

На вход блока управления под давлением 1 1,5 атм подаются ГЗС и газы-модификато­ры. В начале плавки оператор включает пода­чу ГЗС под крышку тигля. В процессе плавки при открытии крышки тигля для проведения технологических операций расход ГЗС автома­тически увеличивается. Сигнал на увеличение расхода газов формируется с помощью инфра­красного оптического пирометра, направлен­ного на крышку тигля.

При модифицировании оператор допол­нительно включает подачу модифицирую­щих газов, которые через соответствующие клапаны и смеситель поступают в устройство для продувки расплава.

Блок контроля содержит компьютер с сенсорным монитором и модули аналогового ввода и дискретного ввода-вывода. На вход мо­дуля аналогового ввода подаются сигналы расходов газов, температуры в тигле и на крышке тигля. В процессе плавки все входные сигна­лы отображаются на экране монитора в виде графиков, а также в цифровой форме (рис. 5).

По окончании плавки изменения вход­ных сигналов при плавке сохраняются в памяти компьютера и могут быть выведены на экран монитора и записаны на USB-носи­тель для анализа. В этот момент формируется протокол плавки, который сохраняется в памя­ти компьютера и также может быть выведен на экран монитора и записан на USB-носитель.

В протокол плавки заносятся устано­вочные (марка сплава, номер отливки, масса плавки, аварийная температура, температура крышки тигля) и контролируемые (значения времени начала плавки и модифицирования, длительности плавки, модифицирования и вы­держки, фактические значения температур, средние расходы и общее потребление газов при плавке и модифицировании) параметры процесса плавки.

Использование разработанной техноло­гии и СУ ГЗС кроме снижения расхода ГЗС, повышения чистоты расплава, улучшения условий труда в цехе позволило на 5-7 % (15­20 мин.) сократить время плавки, что обеспе­чивает дополнительный экономический эф­фект за счет экономии электроэнергии.

Четвертое направление - разработка автоматизированных систем обеспечения контролируемого управляемого процесса наг­рева крупных кокилей для создания заданного градиента нагрева матриц кокиля.

Качественную крупногабаритную слож­нопрофильную отливку значительной высоты (до 1,5 м) позволяет получить не только иде­ально приготовленный расплав, но и правиль­ная подготовка форм (особенно металлических кокилей), обеспечивающая процесс направлен­ной контролируемой кристаллизации расплава после заливки в форму.

Распространенным способом нагрева крупных кокилей является нагрев матриц ко­киля факельными горелками (рис. 6) или спе­циальными электронагревателями.

Оба этих способа малоэффективны, т. к. в основном обогревают окружающее про­странство и, главное, не обеспечивают доста­точно точного регулируемого градиента распределения температуры по высоте кокиля.

Внешний вид крупногабаритной метал­лической формы, укомплектованной инфра­красными горелками и системой управляемого контролируемого процесса нагрева, приведен на рисунке 7.

На предприятии впервые разработан и внедрен в производство комплекс автома­тизированного оборудования для создания контролируемого направленного градиента нагрева крупных металлических форм, что поз­волило практически полностью исключить об­разование дефектов типа «пористость» в от­ливках из широкоинтервальных магниевых сплавов [13].

Алгоритм управления работой устрой­ства нагрева кокиля (УНК) обеспечивает ав­томатическое выполнение требований по за­данному температурному градиенту кокиля в режимах подготовки кокиля к заливке и не­посредственно при заливке отливок, а также в режиме окраски рабочей поверхности кокиля без оперативного вмешательства обслуживаю­щего персонала участка.

В основу работы УНК заложен меха­низм сжигания газовоздушной смеси на по­ристых проницаемых пластинах горелок, обес­печивающий процесс окисления при низких значениях выбросов СО и NO_x и сохранение кислорода в атмосфере помещения участка, повышение КПД устройств против факель­ных горелок вследствие низкотемпературного процесса окисления, снижения температуры внешней поверхности кокиля и прилегающего пространства.

Пятое направление – разработка составов добавок-ингибиторов в холоднотвердеющие смеси (ХТС) и противопригарные покрытия и краски.

Для исключения случаев воспламенения при контакте магниевых сплавов с материалом форм и стержней на предприятии разработаны составы недефицитных, недорогих отечественных ингибиторов (карбид кремния и олеофильный бентонит), добавляемых в ХТС [14] и противопригарные краски (олеофильный бентонит и тальк) [15]. Физико-химическая природа ингибиторов обеспечивает повышение теплопроводности и термостойкости ХТС и краски, химически ингибирует магний, исключая его окисление и обеспечивая отсутствие поверхностных окисных дефектов на отливках, подавление горения в случае возгорания магния, существенно уменьшает возможность газовыделения, приводящего к образованию газовых дефектов на поверхности отливки и растрескиванию покрытия, а также способна обеспечить высокую чистоту поверхности отливки без науглероживания.

Шестое направление – рециклинг стружки, образующейся при механической обработке отливок из магниевых сплавов. Разработана технология компактирования и переплава стружки, обеспечивающая возврат в основное производство до 65–70 % кондиционного, полностью соответствующего требованиям ГОСТ сплава МЛ5 (рис. 8).

Организованный участок магниевого литья в настоящий момент обеспечивает выпуск крупногабаритных корпусных отливок ответственного назначения широкой номенклатуры до 2 т годного литья отливок в месяц. Проведенный комплекс работ позволил снизить стоимость отливок на 10–15 %.