Разработка технологии литья легкосплавных колес из сплава АК12 с повышенным содержанием железа

Для изготовления литых колес методом литья под низким давлением применяют силумины, сырьем для которых служат первичные шихтовые материалы: алюминий марок А85 и А8, кремний кристаллический, модифицирующие компоненты и т. д.

Использование первичного алюминия марки А7 позволит уменьшить себестоимость литых колес, но при этом снижает их механические свойства из-за образования включений фазы Al-Fe-Si игольчатой формы.

Проведенные исследования показали, что одним из путей получения легкосплавных колес с повышенными эксплуатационными свойствами при сохранении конкурентоспособной себестоимости является изменение состава применяемого силумина марки АК12: использование сплава с повышенным содержанием железа при сохранении соотношения Fe : Мп =1:1.

Поэтому для оценки влияния повышенного содержания железа на качество колес в системе ProCast было выполнено моделирование процессов формирования легкосплавных колес по технологии литья под низким давлением при содержании в сплаве железа 0,18; 0,25; 0,5; 1,0 и 1,5 %. Результаты моделирования показаны на рис. 3.43-3.45.

Из полученных результатов можно сделать вывод, что с повышением концентрации железа время затвердевания отливки уменьшается (рис. 3.43).

Следовательно, зная расчетное время затвердевания отливки, можно максимально экономно отрегулировать и настроить режимы литья на литейных машинах, что позволяет сэкономить электроэнергию и трудовые ресурсы.

Влияние содержания железа на время затвердевания колес из сплава АК12

Рис. 3.43. Влияние содержания железа на время затвердевания колес из сплава АК12

3. Влияние соотношения железа и марганца в сплаве АК12 на основе

алюминия А7 на свойства автомобильных колес

Влияние содержания железа на пористость колес показано на рис. 3.46.

Для колес с содержанием железа до 0,25 % характерна сосредоточенная пористость в зонах внутренней закраины, хампа и спиц. Данная пористость является незначительной и некритичной для готового изделия.

Повышение содержания железа до 1,5 % приводит к росту пористости усадочного характера. Это связано с образованием крупной игольчатой p-фазы, которая препятствует свободному течению эвтектической жидкости в междендритном пространстве.

Оценка полученного результата моделирования дает возможность определить максимально допустимое содержание железа, при котором сохраняются серийные параметры литья колес под низким давлением. С другой стороны, требования к химическому составу сплава по DIN EN 1706:1998 ограничивают содержание марганца (не более 0,35 %), максимальное содержание железа по результатам ранее проведенных работ также не должно превышать 0,35 %.

Время затвердевания колес из сплава АК12 с различным содержанием железа, %

Рис. 3.44. Время затвердевания колес из сплава АК12 с различным содержанием железа, %: а - 0,18; б - 0,25

3.5. Разработка технологии литья легкосплавных колес из сплава АК12 с повышенным содержанием железа

Время затвердевания колес из сплава АК12 с различным содержанием железа, %

Рис. 3.45. Время затвердевания колес из сплава АК12 с различным содержанием железа, %: а- 0,5; б- 1,0; в - 1,5

Зоны образования пористости в автомобильном колесе из сплава АК12 с различным содержанием железа, %

Рис. 3.46. Зоны образования пористости в автомобильном колесе из сплава АК12 с различным содержанием железа, %: а - 0,18; б - 0,25; в- 0,5; г- 1,0; д - 1,5

Поэтому в данной работе было изучено влияние содержания железа (до 0,35 %) и марганца (до 0,30 %) на жидкотекучесть, механические свойства и структуру проб сплава АК12.

Приготовление расплава проводили в печи на опытном участке литья ООО «КиК» на основе шихтовых материалов: первичный алюминий А7, железосодержащая лигатура собственного производства, кремний кристаллический. Температура литья 670-690 °С. В ходе экспериментов было приготовлено три плавки, химический состав которых приведен в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Химический состав опытных плавок*

Номер сплава

Содержание элемента, масс. %

Si

Fe

Mn

Ti

4

11,20

0,25

0,18

0,098

5

0,30

0,17

0,890

6

0,35

0,31

0,082

Алюминий - остальное.

Результаты исследования жидкотекучести, измеренной по спиральной пробе (ГОСТ 16438-70) сплава АК12 с различным содержанием железа, приведены на рис. 3.47.

Уменьшение жидкотекучести можно объяснить тем, что с увеличением содержания железа происходит укрупнение игольчатой p-фазы, которая препятствует свободному течению эвтектической жидкости в междендритном пространстве. Введение марганца в соотношении меньшем, чем 1 : 1, не приводит к изменению морфологии p-фазы во всех микрообъемах. Увеличение содержания железа более 0,25 масс.% влечет за собой изменение температуры ликвидуса сплава (табл. 3.8), что было подтверждено результатами дифференциально-термического анализа, полученными на приборе STA 449 CUPITER фирмы Netzsch (скорость нагрева 5 °/мин, скорость охлаждения 20 °/мин).

Полученные результаты показали, что для всех исследуемых сплавов кривые ДТА имеют одинаковый характер (рис. 3.48-3.50, табл. 3.8).

Жидкотекучесть сплава АК12 с различным содержанием железа и марганца

Рис. 3.47. Жидкотекучесть сплава АК12 с различным содержанием железа и марганца

Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,25 масс.% железа и 0,18 масс.% марганца

Рис. 3.48. Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,25 масс.% железа и 0,18 масс.% марганца

Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,30 масс.% железа и 0,17 масс.% марганца

Рис. 3.49. Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,30 масс.% железа и 0,17 масс.% марганца

Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,35 масс.% железа и 0,31 масс.% марганца

Рис. 3.50. Кривая ДТА для сплава АК12, содержащего 0,35 масс.% железа и 0,31 масс.% марганца

Таблица 3.8

Температура ликвидуса и солидуса сплава АК12 с различным содержанием Fe : Мп

Номер

сплава

Содержание Fe : Мл, масс.%

Температура, °С

нагрева

охлаждения

ликвидуса

солидуса

At

ликвидуса

солидуса

At

-

0,16:0,00

589,4

575,0

14,4

585,4

578,0

7,4

4

0,25 : 0,18

581,5

575,5

6,0

576,0

572,8

3,2

5

0,30 : 0,17

581,3

575,4

5,9

576,5

572,3

4,2

6

0,35 : 0,31

579,8

574,4

5,4

582,0

574,1

7,9

Изменение температур ликвидуса и солидуса при нагреве и охлаждении образцов можно объяснить конкуренцией выпадающих фаз, а также изменением кинетических характеристик процессов.

Результаты исследования микроструктуры и механических свойств приведены на рис. 3.51, 3.52.

Исследования показали, что дендритный параметр образцов составил 20 мкм. Это можно объяснить высокими скоростями кристаллизации сплава, которые являются соизмеримыми со скоростями кристаллизации отдельных зон автомобильного колеса, в частности, тонких сечений колеса.

Микроструктура алюминиевого сплава АК12, полученного при различном соотношении Fe

Рис. 3.51. Микроструктура алюминиевого сплава АК12, полученного при различном соотношении Fe : Мп. Номер плавки: а - 4; 6-5; е-6

Зависимость механических свойств алюминиевого сплава от соотношения в его составе Fe

Рис. 3.52. Зависимость механических свойств алюминиевого сплава от соотношения в его составе Fe : Мп: а - твердость по Бринеллю; б - временное сопротивление разрыву; в - предел текучести условный; г - относительное удлинение

Соотношение железо : марганец, равное 1:1, обеспечивает изменение морфологии железосодержащей P-фазы из игольчатой в скелетообразную форму, что приводит к увеличению твердости и временного сопротивления разрыву колес при литье под низким давлением. Увеличение или уменьшение количества марганца в данном соотношении (например, сплав № 5) не приводит к образованию скелетообразной фазы во всем объеме отливки при ее кристаллизации.

Оценка полученных результатов моделирования дает возможность определить максимально допустимое содержание железа (0,5 %), при котором сохраняются серийные параметры литья колес под низким давлением. Исследования параметров структуры и уровня механических свойств образцов из сплава АК12 показали, что максимальное содержание железа в сплаве не должно превышать 0,25 %, при этом приоритетным остается соотношение железо : марганец, равное 1:1.

Таким образом, предложенный метод индекса плотности можно использовать для экспресс-контроля содержания водорода в литейных алюминиевых сплавах. Определенные контрольные границы значений индекса плотности обеспечивают получение качественных отливок колес методом литья под низким давлением из алюминиевых сплавов. При индексе плотности 8 % пораженность оксидными пленами на макрошлифе составляет от 0,5 до 1,5 %, содержание водорода в сплаве - 0,2-0,25 см3/100 г.

При литье автомобильных колес под низким давлением содержание марганца в силумине не должно превышать 0,20-0,25 % при содержании железа 0,20-0,25 %. Уровень механических свойств автомобильных дисков, изготовленных методом литья под низким давлением из опытного сплава, на 25 % по пределу текучести условному, на 15 % по временному сопротивлению на разрыв и на 40 % по относительному удлинению выше уровня свойств дисков, полученных по серийной технологии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >