Показать меню Технической информации

Применение пенокерамических фильтров при получении отливок из вторичных алюминиевых сплавов

(А.А. Андрушевич, НИИ порошковой металлургии, и др.ж. "Литейное производство" №5, 1998 г.)

Один из наиболее эффективных способов повышения качества отливок из А1- сплавов - фильтрация металла при заливке в форму, что, с одной стороны, устраняет турбулентность жидкого металла, с другой - уменьшает содержание твердых неметал­лических включений (НМВ).

Рис.1. Топография структуры пенокерамического фильтра

Фильтрующие материалы можно разделить на две основные группы. Материалы группы I (стекловолоконные и металлические сетки, керамические фильтрующие стержни, сотовые материалы), обладающие канально-прямоточной структурой, имеют низкое гидросопротивление, но не задерживают включения размером меньше диаметра пор, так как работают в режиме экранирующей фильтрации. Материалы группы II (на­сыпные керамические фильтры), имеющие извилистые поры, задерживают включения размером меньше диаметра пор за счет сил адгезии между включениями и поверхно­стью фильтра. Такие фильтры обеспечи­вают глубинную фильтрацию, но имеют высокое гидросопротивление. Достоин­ства материалов обеих групп сочетаются в фильтрах на основе пенокерамики, имеющих пористость (П) 78...92%, ко­эффициент проницаемости м, диапазон изменения размеров пор 10...50 ppi (число пор на 1 дюйм), σ_и= 0,5...5,0 МПа. Арочно-лабиринтная структура (рис.1) пенокерамических фильтров (ПКФ) обеспечивает эффективную очи­стку расплава по глубинной фильтрации при невысоких гидропотерях.

При использовании ПКФ для очистки А1-сплавов не только повышается качест­во получаемых отливок, но в некоторых случаях существенно упрощается литниковая система (ЛС) и увеличивается выход годного. Однако до сих пор отсутствуют универ­сальные принципы подбора ПКФ для различных способов литья, обеспечивающих полу­чение отливок требуемого качества.

Цель работы - изучение процесса получения отливок повышенного качества из сплава АК12ММrН с использованием ПКФ. В основе правильного выбора ПКФ - опти­мальное соотношение между его структурными характеристиками, по-разному влияю­щими на процесс фильтрации металла. Уменьшение размера пор ПКФ приводит к более тонкой очистке, создавая хорошие предпосылки для работы фильтра за счет роста пло­щади внутренней поверхности ПКФ, но, с другой стороны, - повышению гидропотерь и необходимости использования фильтров большего поперечного сечения или повыше­ния столба расплава над фильтром для сохранения первоначальной скорости заливки. Из приведенных расчетных зависимостей (рис.2) перепада давления Δρ/h на ПКФ с раз­ным размером пор при прохождении через них А1-расплава (μ = 3-10'³ Па-с, p = 2600 кг/м³) можно определить, что при толщине ПКФ 20 мм и скорости фильтрации жидко­го металла 0,2 м/с уменьшение размера пор с 10 до 20 ppi сопровождается необходимо­стью увеличения столба металла над фильтром на 100 мм.

Так же неоднозначно влияние П на работо­способность ПКФ. Очевидно, что с ростом П фильтров их проницаемость увеличивается. Однако при этом снижается прочность материала, а при по­ристости >92% происходит ее резкое падение вследствие высокой дефектности структуры. С дру­гой стороны, при П фильтра < 80% значительно растет доля закрытых пор ПКФ, и их проницаемость резко снижается. Для обеспечения оптимального комплекса свойств ПКФ использовали критерий эффективности - произведение величин предела прочности при растяжении σ_в и коэффициента проницаемости К_μ пеноматериала. Из рис.3 видно, что максимум σ_в . К_μ, независимо от размера пор, приходится на 83...87%. Поэтому при исследовани­ях П фильтра не варьировалась и составляла 84...86%

Эффективность фильтрации через ПКФ изучали на вторичном сложнолегиро- ванном сплаве АК12ММгН при переливе его в раздаточную печь и при получении от­ливок поршней дизельного двигателя Д-240. Сплав го­товили в индукционной печи ИСТ-016 с графитовым тиглем - переплавом изношенных поршней тракторных двигателей. Исследовали влияние структурных пара­метров ПКФ, изготовляемых НИИ порошковой ме­таллургии, на содержание НМВ (по методу Добаткина) и газовую пористость отливок (по ГОСТ. 1583-89), время заливки жидкого металла. Толщина фильтров во всех случаях составляла 20±1 мм, размер пор 10...25 ppi, диаметр фильтров изменяли в зависимости от рас­положения в ЛС от 35 до 100 мм.

В серии I экспериментов жидкий металл пере­ливали из плавильной печи в раздаточную печь CAT-0,15 при 740...760° С ковшом на 10 кг через полый цилиндр высотой 250 мм, в основа­нии которого был установлен фильтр  100 мм. Установлено, что П сплава до филь­трации составляла 3 балла, а после прохождения через ПКФ с размером пор 15...25 ppi снижалась до 1 балла (мелкая П, число пор на макрошлифе 2..3 на 1 см²). Заг­рязненность сплава оксидными включениями по Добаткину существенно снижается только при использовании фильтров с размером пор 15...25 ppi и не превышает 0,1 мм²/см².

Исследования скорости заливки показали, что при большом размере пор (10 ppi) время фильтрации 10 кг загрязненного сплава <5 с, но по мере уменьшения пор оно возрастало до 8... 10 с при 15...25 ppi. При размере пор 25 ppi процесс заливки металла замедлялся до неприемлемого уровня. Предел прочности при растяжении сплава после фильтрации через ПКФ с размером пор 20...25 ppi увеличивался на 15...20% при прак­тически неизменном относительном удлинении δ =0,5...0,6%. Таким образом, для при­веденной схемы перелива металла наилучшее качество при приемлемой скорости за­ливки было достигнуто на фильтрах с размером пор 20 ppi.

В серии II изучали возможность использования сплава АК12ММгН без предва­рительного рафинирования для литья в кокиль заготовок поршней. Нижнюю часть стояка  20 мм увеличили до 35 мм для установки ПКФ с размером пор 10...20 ppi (рис.4). Приготовленный расплав выдерживали 15..20 мин в раздаточной печи САТ-0,15. Пористость исходного металла составила 3 балла, содержание НВМ находилось в пределах 0,30... 0,35 мм² /см². Металллографические ис­следования отливок, полученных с использованием ПКФ, выявили, что количество НМВ в них уменьшается до требуемого уровня 0,1 мм /см , а П- до 1...2 бал­лов только при фильтрации расплава через фильтры с размером пор 15...20 ppi. При этом несколько воз­растало время заливки с 8...9 с (lOppi) до 10...11 с (15 ppi) и 13...14 с (20 ppi).

Дополнительно получали отливки поршней пря­мой заливкой через прибыль с использованием ПКФ ( 55 мм и размером пор 15 ppi) , установленных в дно стакана высотой 100 мм. Расход металла, за счет от­каза от традиционной ЛС, уменьшался на 0,35 кг на каждой отливке (полная масса отливки поршня 3,5 кг). Для получения годной отливки потребовалось обеспе­чивать сжатие потока после фильтра для получения неразрывной струи.

При использовании ПКФ для очистки сложнолегированного сплава АК12ММгН удалось снизить газовую пористость отливок на 1 ...2 балла, содержание оксидных включений в 3-5 раз, повысить прочность металла на 15...20%. Доказано, что ПКФ, вы­пускаемые НИИ порошковой металлургии, могут быть использованы при получении отливок повышенного качества из вторичных А1-сплавов. Размеры ПКФ, их струк­турные характеристики и состав должны выбираться, исходя из способа литья и степени загрязненности сплава.