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

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 1/02//С 22 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4845489/02 (22) 29.05.90 (46) 07.01.93. Бюл. ¹ 1 (71) Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (72) Т,С.Скобло, А.И.Сидашенко, Н.Д. Бойко, И.Н.Невкапса, В.И.Савустянов и Л.Д.Воловик (56) Постников Н.С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок. М„Металлургия, 1983, Гл.IV. с,85 — 113.

Технологический процесс на отливку корпусов насосов типа HLLl ВПО "Союзтракторзапчасть", разработанный Курским заводом тракторных запасных частей. Приказ

¹ 2382 от 07.04.82, (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ШИХТА

ДЛЯ 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

„„53J ÄÄ 1786164 А1 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

tgag=tQ+t1 и старения с выдержкой при темПЕРаТУРЕ СтаРЕНИЯ tcTap=tM+(ti — т2), ГДЕ ta минимальная температура закалки, равная

5000С; tM — минимальная температура старения, равная 150 С; ii и т2 — 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% корпусов, поступающих в ремонт. При

1786164

0,2-0,4 этом выбраковываются корпуса с макродефектами(выколами, трещинами, надрывами и др,). Кроме того, качество посадки часто не обеспечивает необходимой надежности в эксплуатации. 5

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления деталей, в том числе и корпусных, литьем в кокиль и последующей термообработкой по режиму Т5 (Постников 10

Н.С. Упрочнение алюминиевых сплавов и отливок, М,: Металлургия, 1983, Гл.И. С,95100). При этом рассматриваются следующие варианты; использование в качестве шихты первичных материалов и вариант много- 15 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 (s данном случае Т5), который обеспечит свойства, предъявляемые к конкретной детали, Такая технология отливки деталей позволяет получить необходимый комплекс 25 свойств и структуры, Вместе с тем эта технология не может быть использовано в ремонтном производстве, поскольку литье деталей из вторичного сырья не обеспечивает стабильного химического состава спла- 30 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- 40 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 HLU ВПО "Союзтракторозапчасть", разработанный Курским заводом тракторных запасных частей, Приказ 50

N- 2382 от 7 апреля 1982 r.) путем их отливки при использовании в качестве шихты следующих материалов, мас, :

Алюминий первичный чушковый марок А5 — А7 20 — 35 55

Силумины СилО-Сил1 35 — 45

Магний первичный чушковый Mr90

Возврат собственного производства 25-30

Эта шихта обеспечивает необходимое качество деталей, 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. Это 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 Si к суммарному содержанию меди, железа, марганца, никеля и цинка было равно 1 — 3. После отливки детали подвергают термической обработке: закалке с выдержкой при

1зак=то т1 и старению тст.=тм+(т1 t2) где to — минимальная температура закалки, равная 500 С; т — минимальная температура старения, равная 150 С;

t> и tz — 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 ц=(10 — 70) С и tz = (10 — 30) С.

В качестве шихты рекомендуется испольэовать вторичное сырье следующего состава, мас, .

Корпусной лом из сплава АЛ9 30-45

Поршневой лом из сплава АЛ25 40 — 65

Детали мелкосерийного производства из сплава АЛ4 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 испольэо1786164 вание 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 корпусных тий отлитых корпусов отличается между со- деталей более 45 мас. не обеспечивается бой, что влечет за собой нестабильность 5 требуемый уровень свойств. Ввод лома мелсвойств и эксплуатационных характери- косерийных деталей (преимущественно из

АЛ4) не является обязательным, однако моВ условиях ремонтного производства жет быть использован в количестве 5 — 15 целесообразно полностью исключить пер- мас. для замены части лома корпусных вичные материалы, поскольку с их вводом 10 деталей. При этом условии обеспечивается требуется увеличенный расход модифици- требуемый уровень свойств. Результаты опрующих и рафинирующих присадок, а также ределения химического состава сплавов, изэлектроэнергии. готовленных по новой и известной

Наибольший эффект в получении каче- технологиям, приведены в табл.1. ственныхотливоккорпусныхдеталейдости- 15 Для установления влияния способа изгается при замене части первичных готовления и состава шихты на уровень материалов ломом деталей поршневой свойств были изготовлены опытные корп са

У группы (поршни дизельных двигателей, не на Пересечанском Головном ремонтноподлежащие восстановлению), который ха- транспортном предприятии объединения рактеризуется более высоким качеством 20 "Харьковспецсельхозремонт". (поршни изготавливают из сплава АЛ25), 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 осуществляется железа, равное 1 — 3, обеспечивается необ- 25 подогрев деталей до 100 — 150 С и загрузка ходимый исходный (до термообработки) их в печь, где находится небольшое количеуровень прочности, который является ста- ство расплавленного металла. бильно высоким и после термической обра- Плавку осуществляют в тигельных элекботки {182 — 215 МПэ). тропечэх емкостью 400 кг. Температура разДля определения необходимых темпе- 30 ливки 760 С, Разливку расплавленного ратур закалки и старения выбраны мини- металла производят вручную ковшом емкомальные значения, равные 500 и 150 С и стью3л в чугунный кокиль, предварительно соответствующие алюминиевым сплавам разогретый до 400 С. Все соприкэсающиесистемы Al — Я!. ся с расплавленным металлом металличеПоскольку температурные параметры 35 ские поверхности покрывают защитными термообработки определяются количест- красками рекомендуемого в литейном провом легирующихдобавок и примесей в спла- изводстве состава, Рафинирование осущеве, рекомендованы температурные ствляли в один прием хлористым цинком в поправки t< и t2 к исходной температуре, количестве 0,2 от массы расплавленного учитывающие соотношение тех же компо- 40 металла. Застывшие отливки(корпуса насосое) после остывания извлекают из кокиля, Введение лома деталей поршневой после чего отрезают прибыль (механичегруппы менее 40 не обеспечивает необхо- ской пилой) и зачищают на обдирочно-шлидимого уровня свойств (70 — 75 НВ, ов=140 — фовальном станке, 157 МПа), что определяется химическим 45 Корпуса насосов типа НШ отливали с составомсплава(3,56Si;1,2Си;0,28Мп;0,17 различным соотношением содержания

Zn; 0,32 Ni; 0,4 Fe). кремния к суммарному содержанию легируПри содержании в шихте лома поршне- ющих добавок и примесей, а также комповой группы более 65 возрастает сто- нентов шихты(табл,1), При этом в плавках 2, имость ремонтных деталей в связи с 50 5 и 6 компоненты шихты взяты в пределах использованием более дорогого лома, при выше и ниже рекомендуемых граничных этом свойства,no сравнению с рекомендуе- значений. В плавках 3 и 4 приведены грамым составом, существенно не улучшаются, ничные и средние рекомендуемые значения

Оптимальный их уровень достигается в составляющих шихты. Плавка 8 по компосплавах при содержании в шихте лома де- 55 нентам шихты соответствует прототипу. В талей поршневой группы в количестве 40 — плавках 1 и 7 соотношения Sl к суммарному

65 мас " содержанию легирующих элементов и приВведение в шихту лома корпусных дета- месей взяты за пределами 1 — 3. лей менее 30о потребует увеличения доли Из приведенных данных {табл,2) видно, что прототип имеет минимальный уровень

1786164 твердости 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 НВ и 170-212 МПа) обесвой группы более 70 мас.Д 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 HB и 138 — 173 МПа соответственно.

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 термообработку по режиму (закалка при

t> =500 С, искусственное старение при

tcrap=150 С), при введении рекомендуемой технологии производства ремонтных корпусов путем переплава лома шихты с различ30 ной долей составляющих и нестабильным химическим составом сплава требуется использование принципиально нового подхода к выбору паоаметров термообработки, учитывающих влияние основных компонен40 тов

Методами лабораторных исследований и математического моделирования с использованием планирования эксперимента установлено влияние соотношения

Si 45

С„+ Ni + „„+ Zn + F на величинУ температурной поправки, учитываемой при определении оптимальных температур закалки и старения в каждом конкретном случае. 50

Нйжйяя температура нагрева под" закалку выбрана равной 500 С, что характерно для сплавов типа АЛ9, из которых отливают корпуса в условиях специализированного производства с минимальным количеством примесей (Cu, Ni, Мп, Zn, Fe).

С учетом этого

taa<=t0 t1

tcrap=tM+(t1 t2), печивают плавки 3 и 4 с рекомендуемым составом шихты и соотношением 1-3, 10

Увеличение доли лома деталей поршнегде to — минимальная температура закалки силуминов, равная 500 С;

tj — температурная поправка, учитывающая отношение Si к суммарному содержанию Cu, Nl, Мп, Zn, Fe;

t> — минимальная температура старения, равная 150 С;

tz — температурная поправка, учитывающая содержание тех же элементов, что и t>, но при старении.

Максимальная температура нагрева под закалку ограничена концентрацией в таком сплаве кремния и равна 570 С, согласно диаграмме состояния двойных сплавов Al — Si. Учитывая тот факт, что увеличение количества примесей и концентрации Si 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 соотношения

Si

Cu + Ni + Мп + Zn + Fe

Для определения температуры старения ввели следующие ограничения. Нижний температурный предел нагрева выбран исходя из условий применения сплава АЛ9 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 отличаю-:

1786164

Таблица!

Хюнлкескьй состав изготовленных сплавов

l0u+2n+Yn+8i+Fe

ЬС

1Содермание элементов, 1

Номер плавки!

Состав еихты

I нас В! Fe

1, ,Cu l1n 1 Сп Fi

1.

Лом корпусных деталей

Лон деталей переменой группы

Нелкосерий ые детапм

- 40 — 20

0,8

- 46

Лок ксрпуслых «етале»

Лом деталей nuсынево грува»

Пелкосерийныа детали

- 40

1,70 0,40

0,26

0,39 1,42 4,18

1,0

Лом корпусных деталей

Лом деталей парынеаой группы йелкосернйнле детал»

- 65

- 5

Лон «орпусных деталей

Лом деталей полонской группы йелкосерикмие детали

- 50

2,0

Лом корпусных деталей

Лон деталей поренееой группы

Нелкосерийние детали — 70

3,0

- 45

Лом корпуснык деталей

6 Лон детагей полонской г руппы

- 35 1,20 0,28 О,l7 0,32 0,«О

1,5

Лом корпусных деталей

7 Лом деталей порилевой гоуппы нел«с сернйныа детали

- 75

- 5

3,3

8 (про- дламиний первичный - 27 тотнп) Силумины Си.-.0, Сил! - 45

Лан «орпусных детное» - 28

050 030 - 10 70

Остальное Л! 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, нике10 ля и цинка равным 1 — 3, а термическую обработку осуществляют путем закалки с

ВЫДЕРжКОй ПРИ тЕМПЕРатУРЕ т881с= а-t1 И Старения с выдержкой при температуре стареН И Я еСТ= ей!+(е1-тг), Г Д Е tO — М И Н и М аЛ Ь Н а Я

15 температура закалки, равная 500 С; tM — минимальная температура старения, равная

150 C; ц и a — 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 т1=(10 — 70)ОС и сг=(10 — 30) С.

2. Шихта для выплавки алюминиевого сплава, содержащая вторичное сырье, о т25 л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью снижения себестоимости, в качестве вторичного сырья она содержит корпусной лом из сплава АЛ9, поршневой лом из сплава АЛ25 и детали мелкосерийного производства, пре30 имущественно из сплава АЛ4 при следующем соотношении компонентов, мас. 7(,:

Корпусной лом из сплава АЛ9 30 — 45

Поршневой лом из сплава АЛ25 40 — 65

Детали мелкосерийного

35 производства из сплава АЛ4 5 — 15! 6 О 30 О 26 О 40 1 43 3 3

1,82 0,32 0,28 0,35 1,32 10,23

1,7О ",32 0 25 О 33 1,38 7 96

20003l 0160361081170

2 0 О 32 О 18 О 36 1 0 12 6

1786164

Состав шихты, мас. ь

Свойства

Номер плавки

П очность, МПа

Тве ость, НВ

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали .

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

Лом корпусных деталей

Лом деталей поршневой группы

Мелкосерийные детали

По прототипу

Алюминий первичный

Силумины Сил0, Сил1

Лом ко и сных деталей — 40

158 — 40 — 20 — 46

176 — 40 — 14 — 30

180 — 65 — 5 — 38

196 — 50 — 12 — 26 — 70

204 — 4 — 45 — 35

157 — 20 — 20 — 75

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 3

Значения температурных поправок для рассматриваемых сплавов

Таблица 2

Свойства сплавов, изготовленных по новой и известной технологиям (без термообработки) 13

1786164

Téáïица 4

Режимы термообработки изготовленных сплавов

Таблица 5

Свойства сплавов, изготовленных по новой и известной технологиям после термообработки

Составитель Т. Скобло

Редактор Л. Волкова Техред М,Моргентал Корректор Л. Пилипенко

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 232 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5