Разработка и внедрение высокоэффективных технологических процессов изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов в авиастроении

На правах рукописи

ЯКИМОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ В АВИАСТРОЕНИИ

Специальность 05.16.04 – Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Комсомольск-на-Амуре – 2010

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю.А. Гагарина» (ОАО «КнААПО») и ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» ТОГУ (г. Хабаровск).

Научный консультант:

заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор Ри Хосен

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Мысик Раиса Константиновна (г. Екатеринбург) д.т.н., профессор Бабкин Владимир Григорьевич (г. Красноярск) д.т.н., профессор Черномас Вадим Владимирович (г. Комсомольск-на-Амуре)

Ведущая организация

Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук (г. Комсомольск-на-Амуре)

Защита состоится «27» февраля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.02 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (ГОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «КнАГТУ»Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «__»__________2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Э.А. Дмитриев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неуклонный рост технических требований и стремление к максимальному насыщению авиационной техники различного рода навигационной и специальной аппаратурой приводят к необходимости жесточайшей экономии материала при проектировании и серийном производстве летательных аппаратов.

Из теории расчета летательных аппаратов на прочность известно, что при равной прочности наименьшим весом обладает монолитная конструкция, выполненная горячей штамповкой или литьем с последующей минимальной механической обработкой. В этих случаях получение деталей значительно облегчается применением различных методов литья. Объем отливок, входящих в конструкции современных изделий авиационной техники, из года в год неизменно растет. Соответственно, из года в год возрастает уровень требований, предъявляемых к качеству фасонного листья.

Разработка новых технологических процессов, гарантирующих высокую плотность и герметичность отливок в процессе их производства, должна базироваться на тщательном изучении существующих технологических процессов, анализе причин и факторов проявления различного рода внутренних и наружных дефектов с разработкой и осуществлением мероприятий, предотвращающих проявление негерметичности как в отливках, так и в окончательно обработанных деталях.

Несмотря на большое количество научно-исследовательских работ, направленных на улучшение герметичности корпусных деталей пневмо и гидросистем, отливаемых из алюминиевых сплавов, эта задача остается актуальной и еще до конца не решенной.

Важнейшей задачей, стоящей перед работниками различных отраслей народного хозяйства, также является всемерное сокращение норм расхода материалов при изготовлении изделий. Особенно большие резервы экономии металла могут быть реализованы при широком внедрении прогрессивной технологии производства изделий по схеме литье-штамповка. В первую очередь, при внедрении прогрессивной технологии обработки металлов давлением, необходимо решить задачу подготовки заготовок, которые должны иметь стабильную массу и геометрию, близкую к исходному профилю для штамповки. Применение литых заготовок, имеющих оптимальную форму, с точки зрения последующей деформации, обеспечивает существенную экономию металла в сравнении с общепринятой технологической схемой, предусматривающей выплавку слитков, получение деформированной заготовки и окончательную штамповку полуфабрикатов. При этом сокращаются транспортные операции, уменьшается количество нагревов и переходов при штамповке.

Улучшение эксплуатационных характеристик литой детали достигается, главным образом, в результате повышения физико-механической однородности металла, сокращения макро-, микро- и субмикроскопических дефектов. Один из путей повышения качества отливок – использование физико-механических методов воздействия на расплав, позволяющих повысить механические и эксплуатационные свойства отливок.

Таким образом, разработка технологии приготовления литейных и деформируемых алюминиевых сплавов на основе отходов собственного производства является важной народнохозяйственной задачей, для решения которой необходимо совершенствование методов рафинирования расплавов для повышения плотности, герметичности отливок и коэффициента использования материала за счет применения литых заготовок под штамповку.

Среди большого числа различных материалов, применяемых в современной авиационной технике, видное место отводится производству и использованию в народном хозяйстве цветных сплавов, особенно легких, к числу которых относятся магниевые сплавы.

Магниевые сплавы – наиболее легкие из используемых в авиационной промышленности материалов находят разнообразное промышленное применение. Высокая удельная прочность обуславливает целесообразность их использования в первую очередь в тех случаях, когда имеет большое значение снижение веса конструкций в самолетостроении, ракетной и космической технике. Кроме того, магниевые сплавы нашли применение в качестве материалов с высокими физическими и химическими свойствами.

В условиях рыночной экономики, дефицита металла и энергоносителей производство качественного литья является первостепенной задачей литейного производства. Это в полной мере относится к производству магниевых отливок. Для производства конкурентоспособных отливок необходимо создание эффективных технологий повышения свойств сплава и качество отливки из него. К числу мер, позволяющих решить такую задачу, относится наиболее эффективное обеспечение надежной защиты расплава от возгорания, высокой чистоты материала отливок по флюсовым, газовым и неметаллическим включениям, ухудшающим практически все показатели качества литого металла. Это достигается в результате изыскания и совершенствования методов защиты расплава от возгорания, рафинирования и модифицирования расплавов для повышения механических свойств, плотности, герметичности отливок.

Настоящая работа состоит из пяти основных разделов:

• разработка технологии получения литых заготовок из алюминиевых сплавов путем совершенствования процесса рафинирования расплава и создания соответствующего оборудования для его осуществления;
• разработка технологии получения литых заготовок из сплава марки АК4-1 на основе отходов кузнечно-штамповочного производства для последующей штамповки (литье-штамповка);
• разработка технологии получения герметичных отливок из магниевых сплавов путем совершенствования процесса рафинирования расплава при флюсовом приготовлении; разработка технологии получения коррозионностойких отливок из магниевых сплавов путем совершенствования и разработки новых процессов приготовления магниевых сплавов при бесфлюсовом приготовлении и создание соответствующего оборудования для его осуществления;
• производственные испытания и внедрение разработанных технологических процессов в производство в литейном цехе ОАО «Комсомольского-на-Амуре авиационного объединения» (ОАО «КнААПО»);
• исследования влияния облучения расплава наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) и вибраций на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства алюминиевых и магниевых сплавов.

Актуальность темы диссертации также подтверждена выполнением научно-исследовательских и внедренческих работ в рамках: приказа Министра авиационной промышленности, приказа по Институту (НИАТ), плана совместных работ и хоздоговоров с предприятием п.я. М-5873 (в настоящее время ОАО «КнААПО»).

Цель работы заключалась в разработке и внедрении ресурсосберегающих технологий плавки и разливки алюминиевых и магниевых сплавов для повышения качества и свойств отливок, получении заготовок методами литья-штамповки с высокими эксплуатационными свойствами из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• исследование различных методов обработки алюминиевых расплавов и модернизация существующего оборудования для их осуществления;
• исследование влияния различных способов приготовления магниевых сплавов под слоем флюса и в газовой защитной среде на газосодержание, герметичность и механические свойства;
• исследование и разработка новых методов обработки алюминиевых и магниевых сплавов и создание специальных устройств и оборудования для их осуществления;
• исследование зависимостей механических свойств изделий от способов их получения и режимов термообработки алюминиевых сплавов;
• исследование и разработка новых технологических процессов разливки (в среде защитного газа) алюминиевых и магниевых сплавов;
• исследование структуры и химической однородности производственного спектрального эталона из алюминиевых и магниевых сплавов;
• исследование и разработка технологических процессов производства литых заготовок из отходов деформируемых алюминиевых сплавов для последующей штамповки (литье-штамповка);
• разработка методов повторно-статических испытаний изделий (усталостное разрушение, усталостная прочность, фактическая прочность) и сравнительная оценка эксплуатационных свойств деталей, изготовленных методом штамповки из литых и прессованных заготовок;
• исследование влияния параметров генератора наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) и вибрации на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства алюминиевых сплавов;
• производственные испытания и внедрение разработанных технологических процессов.

Научная новизна

1. Установлена и научно обоснована закономерность изменения структуры, плотности, пористости, газосодержания, герметичности и физико-механических свойств авиационных алюминиевых и магниевых сплавов, а также уровень технологических потерь от способов рафинирования:

• получены новые результаты по влиянию различных способов рафинирования (металлом-геттером, газофлюсовой смесью, вакуумированием, внутренним вакуумированием, фильтрацией, наносекундными электромагнитными импульсами) на газосодержание и механические свойства алюминиевых сплавов;
• установлено, что вакуумирование расплава с одновременной его обработкой постоянным электрическим током (электровакуумная обработка) значительно снижает газосодержание в расплавах (до 0,05 см3/100г) и повышает механические свойства алюминиевых сплавов АЛ9 (АК7ч) и АЛ34 (АК8л) по сравнению с другими методами рафинирования и дано научное обоснование установленным зависимостям;
• доказано и научно обосновано, что рафинирование магниевых сплавов (МЛ5, МЛ5пч) флюсами и электрическим током позволяет улучшать механические свойства (в с 240 до 255 МПа; с 8,0 до 9,7 %) и снизить газосодержание и пористость;
• установлено, что обработка магниевых сплавов постоянным электрическим током при бесфлюсовом приготовлении способствует понижению газосодержания в расплаве с 8…14 см3/100г до 4…5 см3/100г, повышению механических свойств сплава МЛ5 (в с 255 до 300 МПа; с 5,5 до 12 %), снижению брака отливок, особенно по герметичности с 50…60% до 5,0%;
• применение газовой смеси (1…2% SF6 и СО2 остальное) при электрорафинировании сокращает цикл плавки, повышает производительность печей на 20%, уменьшает расход электроэнергии на 20 %, исключает брак по флюсовым включениям и уменьшает безвозвратные потери на 5 %.

2. Выявлена зависимость массы приготовляемого расплава от плотности тока и количества электричества, позволяющая аналитическим путем выбрать оптимальные параметры электрорафинирования алюминиевых и магниевых сплавов.

3. Установлено, что при приготовлении магниевых сплавов с использованием фильтрации газосодержание соответствует 7,0…8,0 см3/100г; размер зерна – 0,1…0,15 мм; в = 260…300 МПа; = 7..12 %.

4. Экспериментально доказана и научно обоснована необходимость защиты струи алюминиевых и магниевых сплавов инертными газами при их разливке по формам и установлены оптимальные режимы подачи газа.

5. Установлена и обоснована технологическая возможность и перспективность использования совмещенного процесса получения заготовок из алюминиевых отходов кузнечно-штамповочного производства литьем в кокиль и их последующей штамповкой (литье-штамповка).

6. Получены закономерности изменения строения расплавов, кристаллизационных параметров, физико-механических и эксплуатационных свойств алюминиевых (АК7ч, АК7) и магниевых (МЛ5) сплавов от продолжительности облучения расплавов электромагнитными наносекундными импульсами и влияния амплитуды напряжения генератора НЭМИ на вышеперечисленные параметры.

7. Выявлено положительное влияние вибрации расплава на процессы кристаллизации, структурообразования и свойства сплава АЛ9 (АК7ч).

Личный вклад автора

Автору принадлежит постановка задач данных исследований, обоснование и разработка основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований, изложенные в диссертации, получены лично автором или при его участии под руководством научного консультанта.

Практическая значимость и реализация результатов работы

На основе экспериментальных исследований разработаны:

-технологические процессы газофлюсового рафинирования, рафинирования с применением дегазирующей таблетки «Эвтектика», электровакуумного рафинирования алюминиевых сплавов;

-технологический процесс литья и термической обработки высокопрочных алюминиевых сплавов;

-технологический процесс литья-штамповки деталей из отходов кузнечно-штамповочного деформируемого алюминиевого сплава марки АК4-1, обеспечивающий повышение коэффициента использования материала.

-технологический процесс заливки алюминиевых сплавов в инертной среде.

-технологический процесс электрорафинирования магниевых сплавов при приготовлении под слоем флюса;

-технологический процесс бесфлюсового приготовления магниевых сплавов;

-технологический процесс разливки магниевых сплавов по формам в струе защитного газа.

Все эти технологические процессы нашли практическое применение на ОАО «КнААПО» на участках алюминиевого и магниевого литья, оснащенных плавильно-раздаточными печами собственной конструкции.

Суммарный экономический эффект от внедрения на ОАО «КнААПО» составил 21786 тыс. рублей.

Результаты работы внедрены в учебный процесс при чтении лекций и выполнении лабораторных работ по дисциплинам «Технологические основы производства отливок» и «Плавка литейных сплавов» кафедры «Машины и технология литейного производства» в ГОУ ВПО КнАГТУ и «Литейное производство и технология металлов» в ТОГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технической конференции «Повышения эффективности производства литых заготовок» (Комсомольск-на-Амуре, 1981 г.); XXX11 Всесоюзной научно-технической конференции литейщиков «Повышение технического уровня литейного производства предприятия Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 1982 г.); научно-технической конференции «Вопросы теории и технологии литейных процессов» (Комсомольск-на-Амуре, 1985 г.); Всесоюзном семинаре «Ускорение научно-технического прогресса в литейном производстве Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 1986 г.); XVII отраслевой научно-технической конференции «Пути технического перевооружения производства в современных экономических условиях» (Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 200 г.); межрегиональной научно-технической конференции «Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов» (г. Хабаровск, 2001 г.), международном симпозиуме «! Russian Technical News Letter». (Tokio. Rotobo. 2001); Первой научно-технической конференции «Генезис, теория и технология литых материалов». (20-24 мая 2002 г.). Владимир-Суздаль, Россия.2002; международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика». (Комсомольск-на-Амуре, 23-27 сентября 2002 г.); Восьмом международном симпозиуме «Авиационные технологии XXI века: достижения науки и новые идеи» (ЦАГИ. Жуковский, 2003), Дальневосточном инновационном форуме с международным участием (23-26 сентября 2003 г.); второй научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности». (Москва. МАИ. 2004); V Международном форуме «Высокие технологии XXI века». (Москва. 2004); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и информационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры». (Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.); XX научно-технической конференции ОАО «КнААПО им. Ю.А. Гагарина «Созданию самолетов – высокие технологии» (Комсомольск-на-Амуре, 2004 г.); седьмом съезде литейщиков России (Новосибирск. 2005); третьей конференции Владивосток-Комсомольск-на-Амуре, сентябрь 2004. «Проблемы механики сплошных сред и смежные вопросы технологии машиностроения»; на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и информационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные центры» (Комсомольск-на-Амуре 2005 г.); на седьмом съезде литейщиков России. (Новосибирск 2005 г.); на международной научно-практической конференции. (Посвящается 50-летию КнАГТУ. Комсомольск-наАмуре. 3 – 5 октября 2005 г.); на 4-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2005». (М. МАИ. 2005 г.); на международной научно-практической конференции «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в дальневосточном регионе и странах АТР». (Комсомольск-на-Амуре, 3 – 5 октября 2005 г.); на восьмом съезде литейщиков России. (Ростов-на-Дону, 23-27 апреля 2007г.);: oп international VIII Russia-China Symposium: two volumes. «Modern materials and technologies 2007» (Khabarovsk, 17-18 October, 2007 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока». (г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 октября 2007 г.); (2009).

Публикации