Процессы литья алюминиевых сплавов за рубежом

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет

ПРОЦЕССЫ ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЗА РУБЕЖОМ Учебно-методическое пособие

Красноярск СФУ 2012

УДК 621.74:669.71(07) ББК 34.61я73+34.233.1я73 П845

Ссотавители: В. А. Кукарцев, Т. В.Трушкова

П845 Процессы литья алюминиевых сплавов за рубежом : учеб.-метод. пособие / сост. В. А. Кукарцев, Т. В.Трушкова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 112 с.

Систематизированы основные сведения о жидком металле, свойствах сплавов на основе алюминия, достаточно подробно изложена технология получения отливок из алюминиевых сплавов на основе промышленного опыта зарубежных фирм. Описаны современные способы и оборудование для непрерывного литья полосы, ленты, фольги, нашедшие широкое применение на фирмах Англии, Америки, Франции, позволяющие выпускать продукцию самого высокого качества. Подробно изложена технология получения пеноалюминия с перечислением фирм, производящих подобную продукцию. Основой пособия послужил английский текст лекций Университета Бермингем (Англия) и сайты фирм, выпускающих современное литейное оборудование для изготовления разнообразной продукции из алюминиевых сплавов. Предназначено для магистров по профилю 150100.68.02 «Литье новых металлических материалов».

УДК 621.74:669.71(07) ББК 34.61я73+34.233.1я73

© Сибирский федеральный университет, 2012

2

1. ПРИМЕСИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ЖИДКОГО АЛЮМИНИЯ 1.1. Виды примесей Когда поверхность расплава алюминия очищена от шлака, он по своей чистоте похож на ртуть, но это впечатление обманчиво (рис. 1.1). В действительности расплав содержит примеси, их можно разделить на металлические и неметаллические. Загрязнение алюминия металлическими примесями начинается ещё на стадии электролиза, когда из глинозёма, анодной массы, электролита и конструктивных элементов электролизёра в алюминий переходят железо, кремний, натрий, магний, литий, галлий, титан, хром, олово, марганец, медь, никель, свинец, ванадий и другие металлы. В результате первичный алюминий содержит более 50 различных примесей и концентрация большинства из них не превышает 0,001 %. Наиболее заметное отрицательное влияние оказывают железо и натрий.

Рис. 1.1. Оксидные включения в расплаве алюминия

Дальнейшее загрязнение расплава происходит при его взаимодействии с футеровкой, флюсами. Кроме того, значительная доля примесей поступает с шихтовыми материалами и особенно со скрапом. Во время же заливки металла в изложницы скорость охлаждения слитка достаточно высокая, контакт его с воздухом короткий и количество образующихся оксидов значительно меньше. В плавильной печи твёрдые включения при переплавке измельчаются и насыщают расплав. Металлические примеси в расплаве находятся в растворённом состоянии, и удаление возможно лишь при условии их достаточной химической активности, как например натрий в алюминиевом расплаве. Такие элементы, как железо, кремний, цинк, медь, марганец, титан, свинец, олово, могут быть только разбавлены добавкой в плавку чистого металла. 3

Оксидные плёны относятся к разновидности неметаллических включений. Приготовленный в печи сплав может иметь значительную загрязнённость оксидными плёнами. При переливе расплава открытой струёй загрязнённость плёнами резко возрастает. Оксиды, взмученные в расплаве, могут или всплыть или тонуть в зависимости от их состава и состояния поверхности. Поверхностные плёны, попавшие в расплав при сильном бурлении, довольно быстро всплывают, так как они легче расплава благодаря захватываемому ими воздуху и адсорбированной влаге. Чистый оксид алюминия тяжелее расплавленного алюминия, и частицы его тонут в расплаве, причём чем меньше частицы, тем меньше скорость их оседания. В зависимости от наличия адсорбированных газов, в частности водорода и примеси оксида магния, они могут быть промежуточными по удельному весу частицы оксидов, близкие по плотности к расплаву. Именно такие плёны, а также очень мелкие частицы оксида алюминия могут на длительное время загрязнять жидкий металл. Оксидные плёны, оставшиеся в миксере вместе с остатком расплава от предыдущей плавки, во время выстаивания между плавками претерпевают значительные изменения и могут дать нежелательные модификации. Оксидные плёны, попадая в расплав с поверхности на различных операциях приготовления сплава и перелива жидкого металла, являются причиной возникновения дефекта в конечном продукте. Кроме оксидных включений в расплаве присутствуют и другие примеси (рис. 1.2). Наиболее значимой является наличие водорода в расплаве. По сравнению с другими примесями его содержание невелико (при плавке в пламенной печи не более 0,4 см3/100 г или 3,6∙10–5 %), но её приходится учитывать из-за особенности поведения водорода в металле.

Рис. 1.2. Примеси присутствующие в расплаве алюминия

В алюминиевом расплаве подавляющее количество водорода находится в растворённом состоянии, но при кристаллизации его растворимость скачкообразно (в 18 раз) снижается и значительная часть водорода остаётся в пресыщенном твёрдом растворе и приводит к образованию дефектов в конечном про4

дукте (газовые раковины и газовая пористость). По этой причине его содержание не должно превышать 0,2 см3/100 г. Наряду с водородом и оксидными включениями в расплаве могут присутствовать небольшие количества Ca, Sr, P, и в сплавах системы Al–Si они могут изменять эвтектические превращения. В случае заливки металла в песчаные формы образующиеся включения значительно больше по размеру, они могут попадать внутрь металла, а также находиться на него поверхности в виде шлака. Эти включения могут быть причиной образования шлаковых раковин и шлаковых включений, и во время плавки шлак, образующийся в печи, необходимо постоянно удалять. Процесс образования шлака активно происходит при применении тигельных и отражательных печей, так как загрузка свежих порций шихты сопровождается погружением их в расплав и внесением твёрдых оксидов.

1.2. Оборудование, снижающее содержание оксидных включений Cовершенно по-другому происходит процесс плавления в вертикальной шахтной плавильной печи (патент США от 28.01.2004 № 7282172), изображённый на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Устройство вертикальной шахтной плавильной печи

Шихта для переплавки в такой печи загружается в вертикальную шахту, где она подогревается дымовыми газами, выделяющимися при её расплавлении. Эта шахта смещена относительно ванны, в которую стекает расплавленный металл. Такая конструкция препятствует попаданию продуктов оксидов и

5

шлака в расплав, но некоторое количество скрапа (не успевшая расплавиться шихта) всё-таки попадает в ванну с жидким расплавом. В настоящее время достаточно широко применяются поворотные ванные печи с вертикальной форкамерой типа МТ, которые изготавливаются фирмой Marconi s.r.l. (Италия), рис. 1.4. Эти печи успешно работают на заводах фирм Simens, ABB и Kromschroeder.

Рис. 1.4. Схема плавильной печи фирмы Marconi s.r.l.

Подача шихты в эту печь производится скиповым загрузчиком через загрузочное окно в вертикальную шахту. В нижней части шахты шихта плавится с помощью горелки, пламя которой направлено именно в эту зону. Расплавленная шихта стекает в зону выдержки, где с помощью своей горелки поддерживается необходимая температура. Дымовые газы из зоны выдержки поступают в зону плавки, тем самым значительно сокращая количество оксидов, попадающих в готовый расплав. Кроме того, эти газы, проходя через зону плавки, дополнительно подогревают поступающие шихтовые материалы, что позволяет применять влажную шихту, не производя её дополнительную прокалку. Выпуск готового металла производиться путём поворота печи вокруг горизонтальной оси через сливной носок, расположенный ниже уровня пода зоны выдержки. Такой слив готового металла также снижает количество оксидов, которые могут попасть в расплав во время его плавки.

6

Плавку можно вести практически беспрерывно, достигая, таким образом, минимального расхода энергии на производство одной тонны жидкого расплава. Эта возможность работы печи с непрерывной загрузкой шихты позволяет сравнить её с вагранкой, но в отличие от неё здесь нет кокса, который дополнительно загрязняет расплав серой и фосфором. Некоторое количество примесей попадают в расплав из литейной оснастки (форма, изложница, кристаллизатор). В данном материале рассматриваются только примеси из твёрдых оксидов и водорода, так как именно они в большинстве случаев определяют качество металла. Получив достаточно чистый расплав, необходимо постараться его таким и сохранить, но это невозможно, особенно при производстве алюминия и его сплавов. Особенно высокие требования к качеству алюминиевых сплавов предъявляются при изготовлении изделий для домостроения, которые получают ковкой из слитков высокого качества и при изготовлении фольги и специальных сплавов. Поэтому для получения расплава высокого качества применяются различные методы очистки его от всевозможных примесей. Большинство оксидных включений удаляется фильтрацией. Мелкодисперсные оксидные включения лучше всего удалять роторной дегазацией. На рис. 1.1 показаны оксидные включения, присутствующие в расплаве алюминия, которые затем удаляются роторной дегазацией и фильтрацией. Фильтрование расплава производится с помощью камер, в которых размещают фильтры. Камеру устанавливают как можно ближе к литейной машине. Наибольшее распространение получили камеры с насыпными фильтрами, обеспечивающие многократное фильтрование расплава нескольких тонн жидкого металла без замены фильтра. Это наиболее производительные установки, позволяющие фильтровать от 5 до 100 т/ч алюминиевого расплава. Одной из наиболее распространённых конструкций этих камер является фильтровальная камера с насыпным фильтром (рис. 1.5) французской компании Novelis.

Рис. 1.5. Схема фильтровальной камеры с насыпным фильтром компании Novelis

7

В этой камере предусмотрен обогрев поступающего расплава с помощью нагревателей, расположенных на крышке. Они поддерживают разницу темпео ратуры между донными и поверхностными слоями расплава в 70 С, тем самым резко уменьшают образование шлака. Конструктивно такая камера напоминает электрическую печь сопротивления, снабжённую флюсовым устройством. Так установка производительностью 70 т/ч имеет габариты 3,9×2,7×3 м и оснащена нагревателями мощностью 110 кВт, обеспечивающими поддержание температуры 3 200 кг расплава во время перерыва в процессе литья. Эффективным способом удаления из расплава водорода является дегазация, один из способов которой схематически показан на рис. 1.6. Это способ очистки расплава продувкой его азотом.

Рис. 1.6. Очистка расплава продувкой его азотом

Азот вводится в расплав путём опускания в него трубки и подачи по ней газа. Эта технология недостаточно эффективна по следующим причинам: 1. Малое количество пузырьков и незначительное количество примесей, удаляемых ними. 2. Наличие вскрытой поверхности расплава способствует дополнительному насыщению его примесями. 3. В случае неплотных соединений в газопроводе азот может вносить в расплав дополнительные примеси. 4. Из-за взаимодействия азота с материалом газопровода, при непрерывности проведения этого процесса длительное время, сплав насыщается нитридами. 5. Если сплав содержит магний процесс насыщения его нитридами идёт настолько активно, что в нём появляются включения в виде суспензии, каши или цемента. Присутствие в сплаве больших количеств нитридов резко ухудшает его механические свойства. Единственный способ избежать этого в массовом производстве – это применение инертного газа, например аргона. Кроме того, должно быть обеспечено высокое качество изготовления и монтажа системы газопровода. 8

Другим способом очистки расплава является очистка пропусканием через него азота, который вносит вместе с собой флюс. Схематически это изображено на рис. 1.7. В качестве флюса используются порошки хлорида или фторида.

Рис. 1.7. Сущность очистки расплава флюсом

В качестве носителя порошка флюса в расплав используется азот. Оксиды и газ полностью из расплава не удаляются, кроме того возникают проблемы во время процесса очистки. Так если содержание оксидов сократилось на 95 %, а содержание газа – на 75 %, остаётся 25 % газа и 5 % оксидов. Крупная пористость во время кристаллизации уменьшается, но зато мелкая рассеянная пористость увеличивается в 5 раз. Поэтому если в исходном расплаве пористость имела допустимую мелкодисперсную форму (невидимая на рентгеноснимке), то в процессе дегазации иногда могут образовываться более сосредоточенные поры. Альтернативой является применение роторной дегазации (рис. 1.8). Процесс протекает следующим образом: полый ротор, имеющий большое количество отверстий, опускается в расплав, затем в него подаётся газ (обычно это азот), ротор вращается, и образуется значительно большее количество пузырьков с активным распространением их по всему объёму расплава. Этот способ значительно превосходит дегазацию, проводимую при помощи трубки, через которую пропускают газ, длится всего 10 мин и обеспечивает более качественную очистку расплава от водорода. Технология роторной дегазации является достаточно новым процессом очистки расплава, которая совершенствуется до сих пор. Она позволяет вытеснить большое количество оксидов на поверхность расплава, что даёт возможность удалить их вместе со шлаком. Однако если газ изначально низкой чистоты или он загрязнён примесями из системы его подачи, то в результате взаимо9

действия с оксидами, которые были в виде крупных суспензий и в виде воды, будет происходить их измельчение и затягивание внутрь расплава, особенно для сплавов содержащих магний. Это допустимо только для изготовления фасонных отливок, к которым не предъявляются высокие требования к механическим свойствам.

Рис. 1.8. Принципиальная схема роторной дегазации

При низком содержании водорода и высокой концентрации молекул, на которых он может осаждаться, образуется остаточная пористость, представляющая собой чрезвычайно тонкие и распределённые участки. Таким образом, качество расплава будет выше, чем при дегазации флюсом. Чем больше расплав находится в печи, тем больше он насыщается оксидами. Анализ метода литья под низким давлением показал, что лучшее качество расплава утром, в начале смены, в понедельник, когда ванна печи полная. При наклоне печи для слива металла и возврате её в исходное положение происходит дополнительное насыщение его оксидами и особенно интенсивно при дозагрузке печи. Интенсивное перемешивание расплава в полной печи приводит к ещё большему его загрязнению. Сплав наиболее насыщенный оксидами получается в последнюю смену, в пятницу. В 1994 г. впервые на заводе Grande-Baie Works компании Alcan была применена система дегазации АСD (Alcan Compact Degasser) канадской компании Alcan International (рис. 1.9). Качество очистки расплава привело к их широкому внедрению по всему миру. Alcan встраивается в литейный желоб, не требует устройства для подогрева, работает автоматически и позволяет провести после продувки полное удаление металла из системы. Количество роторов в установке зависит от количества расплава, протекающего по желобу. Так при течении расплава с расходом 45 т/ч необходимо 6 роторов. Герметизация этих установок 10

снижает количество выбросов в атмосферу цеха до 0,1–0,2 кг/ч против 1 кг/ч у негерметизированных установок. Степень очистки расплава составляет 55–60 %.

Рис. 1.9. Общий вид установки ACD

Рис. 1.10. Общий вид установки дегазации Jet Cleaner фирмы Novelis

11

В последнее время стала активно применяться система дегазации Jet Cleaner (рис. 1.10), изготовителем которой является американская фирма Novelis. Вместо роторов в ней применяются сопла, подающие высоконапорные струи аргона в поток жидкого металла, текущего по желобу. Реактор изолирован от окружающей атмосферы с помощью герметичной крышки, что даёт избыточное давление в нём аргона. Установка очень компактна и может устанавливаться с незначительными переделками конструкции желоба в действующих цехах. Первая установка была внедрена в 2001 г. на заводе американской компании Werner Co. Достигаемая степень дегазации этими установками составляет 47–63 %. Низкие капитальные затраты и затраты на эксплуатационные расходы с обеспечением достаточно высокой степени дегазации приводят к их быстрому распространению. Кроме самих методов очистки металла, достаточно сложной проблемой остаётся проблема проверки качества приготовленного расплава.

1.3. Контроль качества жидкого расплава Одним из самых простых методов является испытание под пониженным давлением, схема которого приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема процесса испытания образца под низким давлением (по методу Straube–Pfeiffer)

Ложкой берётся проба расплава, заливается в небольшой тигель (пробница) из нержавеющей стали яйцеобразной формы и помещается под колпак, из которого вакуумным насосом откачивается воздух для снижения давления до 1/10, а если необходимо – до 1/30 атмосферы и контролируют процесс затвердевания расплава за определённое время. Появление большого количества пузырьков указывает на недопустимое содержание газа в расплаве. Аналогично определяется плотность образца. На точность этих анализов влияет чистота его проведения: нельзя допускать наличие свободного газа на поверхности самого образца. 12

Достоинством этого метода является его простота. Как правило, достаточно снижения давления до 1/10 атмосферы, чтобы убедиться есть газ или его нет. Результат его подтверждается затем на образцах, вырезанных для последующих исследований. Однако если во время проверки газ не обнаружен, нельзя говорить, что его нет. Газ может присутствовать не только в свободном виде, но и в виде соединений с оксидами, так как такие соединения, как TiAl3, TiB2, и твёрдые примеси могут адсорбировать газ на своей поверхности и не служить центрами образования пор. Ячейки пор образуются там, где нет контакта газа с окисными плёнками. Исходя из этого данный метод правильнее назвать методом определения газовой пористости, а не газа. По существу метод контроля пониженным давлением обнаруживает присутствие водорода и газовой пористости и может применяться в качестве способа контроля качества отливок, которые будут залиты этим сплавом. Для определения действительного содержания газа необходим другой метод. Одним из методов по определению содержания газа является контроль на содержание водорода в расплаве на основе обнаружения и измерения газообразного водорода под вакуумом при одновременном замораживании. Технологическая схема этого метода приведена на рис. 1.12. Этот контроль даёт хорошие результаты при значительном содержании водорода в расплаве. В тех случаях, когда содержание водорода незначительно, результат измерения будет иметь большую погрешность.

Рис. 1.12. Схема измерения содержания водорода.

Для определения содержания газа в расплаве при непрерывном литье применяется другой метод, основанный на использовании прибора «Телегаз» (рис. 1.13), изобретённого учёным C.E. Ransley в прошлом столетии. В составе прибора есть устройство, вычисляющее процент содержания газа в зависимости от теплопроводности газа, содержащегося в расплаве и газа-носителя. Газ-носитель нагнетается в расплав и вытесняет из него все газы, кроме себя самого. Смесь газа-носителя с водородом попадает в зону накаливания нити, разница тепло13

проводности смеси газа-носителя с водородом и самого газа-носителя и будет показывать содержание водорода в расплаве.

Рис. 1.13. Схема зондового телегаза.

В настоящее время по требованию фирм Alcoa и Alcan это устройство усовершенствовано, и достаточно подать 3 мл инертного газа (например, аргона) в расплав, водород начнёт вытесняться и состояние равновесия давлений между газообразным водородом в расплаве и водородом в газе-носителе наступит через 5 мин. Содержание газа измеряется газиметром – это датчик теплопроводности со встроенной системой отбора пробы. Он сравнивает температуру горячей проволоки в потоке чистого газа-аргона и смеси аргона с водородом. Зонд прибора для отбора пробы может устанавливаться в расплав на любое время и по мере необходимости по принципу насоса подавать образец расплава в прибор. Современные зонды могут выдерживать нахождение в расплаве от нескольких часов до нескольких дней и производить подачу пробы. Для прямого измерения содержания водорода применяется метод, изображённый на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Схема метода прямого измерения содержания газа 14

Графитовый зонд, соединённый с датчиком давления, погружают в расплав для взятия пробы и быстро вынимают. Водород, находящийся в расплаве, проникает в диск. Для достижения момента установления одинакового парциального давления в зонде и в водороде, находящемся в расплаве, требуется 30–60 мин; если применять специальный дозирующий клапан, показанный на схеме, это время значительно сокращается. Поскольку водород является практически единственным газом, который растворяется в алюминии, то общее давление в зонде парциально равно давлению водорода. Одновременно измеряется температура в течение всего времени кристаллизации взятой пробы. Применяя формулу Зиверта, определяем концентрацию водорода в расплаве CH в зависимости от его парциального давления pH2: log CH = 0,5 log pH2 – A/T + B, где A и B – постоянные Зиверта, зависящие от состава сплава; T – температура сплава, K. Этот достаточно простой способ до сих пор не нашёл широкого промышленного применения. Некоторые попытки были сделаны по внедрению новой конструкции водородного датчика, представляющего пористый диск из твёрдого электролита, погружаемого в расплав, но это было только на стадии разработки. Сочетание двух приведённых выше методов даёт более точный анализ о содержании газа в расплаве. Достаточно распространённым в настоящее время способом измерения и контроля содержания водорода в алюминиевом расплаве является применение анализатора ALSCAN (рис. 1.15), разработанного канадской компанией ABB Bomem при участии компании Alcan International в 1989 г. Достоинство метода состоит в том, что он определяет несколько параметров чистоты металла, тогда как другие известные методы – только какой-либо один. Анализ дает экспрессную информацию о степени загрязнения металла включениями, об их количестве, типе и размере и позволяет в начальной стадии производства сплава исключить брак. Металлографы смогут установить наличие в сплаве включений размером от 10 до 20 мк. Определение содержания водорода производится автоматически в течение 10 мин с точностью ±0,01 см3/100 г. Активное применение находят переносные приборы контроля и измерения количества примесей в расплаве после проведения его дегазации. Первым из таких приборов, доказавших свою эффективность, является прибор ALSPEK H (рис. 1.16), изготавливаемый немецкой фирмой FOSECO. Этот прибор предназначен для прямого измерения содержания водорода в алюминиевых сплавах, работает в режиме реального времени. Сигнал датчика прибора преобразуется в содержание водорода. С его помощью можно производить определение содержания водорода в ковшах, печах, желобах, его можно оставлять погруженным для постоянного измерения, кроме того, он может встраиваться в устройства дегазации. Прибор может управляться и на расстоянии путём подключения к компьютеру. Для проведения измерения его зонд опускается в расплав, даётся

15

выдержка 1–5 мин для стабилизации течения расплава и затем выполняется само измерение.

Рис. 1.15. Общий вид анализатора ALSCAN

Рис. 1.16. Общий вид прибора ALSPEK H 16

В результате дальнейшего улучшения конструкции переносных приборов FOSECO представила на рынок новый переносной прибор ALSPEK MG, который в настоящее время проходит испытания на многих фирмах. Этот прибор предназначен для определения содержания растворённого водорода в алюминиевых сплавах, его вес составляет около 5 кг. При опускании зонда на необходимую глубину с помощью кнопочного пульта он включается и производит автоматический забор пробы, затем даёт сигнал, что он готов к работе, и только после этого кнопочным пультом даётся сигнал на выполнение анализа. Время анализа всего 1 мин. Его можно также применять и для определения содержания оксидных включений размером более 50 мк. Информация о проведённом анализе регистрируется на дисплее компьютера, расположенного на расстоянии не менее 50 м от места измерения. Связь между прибором и компьютером беспроводная. Схема такого прибора приведена на рис. 1.17, а пример его применения – на рис. 1.18.

Рис. 1.17. Схема прибора ALSPEK MG

Определение количественного содержания примесей включений вне процесса литья проводится достаточно редко, однако он необходим в случае предъявления достаточно высоких требований к качеству металла. Сущность этого метода заключается в пропускании известного объёма расплава через фильтр тонкой очистки (рис. 1.19). Включения улавливаются фильтром, поверхность которого затем полируют, и под оптическим микроскопом производят подсчёт их количества. Этот метод отбора проб и определение количества примесей достаточно трудоёмок, но его точность позволяет производить калибровку непрерывных методов контроля, которые описаны выше.

17

Рис. 1.18. Измерение содержания примесей в печи вместимостью 500 кг

Рис. 1.19. Схема метода подсчёта включений

Необходимо понимать, что прежде чем металл попадёт в форму, изложницу или кристаллизатор, он неизбежно будет загрязнён примесями в результате образования оксидов и поглощения водорода. Свести их содержание к минимуму возможно только при правильном осуществлении процесса плавки и подачи металла к месту заливки. Положительный эффект литья под низким давлением можно достичь только с использованием достаточно точного контроля качества расплава. В данном разделе рассмотрены методы контроля для алюминия и его сплавов, но они могут применяться и для других металлов и сплавов, таких, как медь, цинк, сталь. 18

Литература 1. Кэмпбелл, Д. Литьё / Д. Кэмпбелл. – Butterworth Heinemann, 1991. 2. Блэкберн, Р. Б. Определение неметаллических включений в алюминии / Р. Б. Блэкберн // Алюминий. – 1980. – Vol. 56, № 9. 3. Чэнь, Сяо-Гуан. Измерение содержания водорода в расплавленном алюминии с использованием показывающей техники / Чэнь Сяо-Гуан, С. Энглер // Литьё металлов. – 1993. – Vol. 6, № 2. 4. The development of a rapid test for monitoring the cleanliness of Aluminium melts // World Technical Forum 3rd June 2009. 5. GIESSEREI 01.2010 homepage Ч. 2: ALSPEK MQ – разработка прибора для измерения степени чистоты расплава жидкого алюминия. 6. www.marconiforni.com-вертикальные шахтные печи. 7. Dobrzański, L.A. Division of Materials Processing Technology, Management and Computer Techniques / L. A. Dobrzański, M. Krupiński, B. Krupińska // Materials Science / Institute of Engineering Materials and Biomaterials, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland Received 15.01.2008; published in revised form 01.03.2008.

2. ПРОЦЕССЫ В ИЗГОТОВЛЕНИИ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 2.1. Виды процессов изготовления песчаных форм Каждый вид процесса литья (рис. 2.1) в песчаные формы имеет свою производительность. Некоторые автоматические формовочные линии могут изготавливать форму из сырой песчано-глинистой смеси за 12 с.

Рис. 2.1. Виды процессов литья в песчаные формы

19

Большинство применяемых процессов литья в песчаные формы используют химические смолы, которые под действием тепла или газа за 30–60 с придают форме достаточную прочность, что увеличивает производительность автоматических формовочных линий. На рис. 2.2 показана отливка корпуса роторного двигателя мотоцикла фирмы Norton, она имеет толщину стенки 15 мм, толщину рёбер 2 мм и изготовлена заливкой песчаной формы только под действием сил тяжести. Качество отливки свидетельствует о том, что литьё под низким давлением требуется не всегда, так как есть отливки, которые можно и выгодно отливать более простым способом.

Рис. 2.2. Отливка корпуса роторного двигателя мотоцикла фирмы Norton

На рис. 2.3 показана отливка лёгкой пространственной рамы сиденья пилота, изготовленная литьём в песчаные формы для аэрокосмической промышленности.

Рис. 2.3. Отливка каркаса сиденья для аэрокосмических аппаратов

20

Рис. 2.4. Отливка воздухосборника двигателя вертолёта

Рис. 2.5. Отливка воздухозаборника, полученная методом литья в песчаные формы, для аэрокосмического двигателя

На рис. 2.4 показана отливка воздухозаборника двигателя Gem Rolls Royce вертолёта Lynx, на рис. 2.5 – более сложный воздухозаборник для аэрокосмического двигателя, изготавливаемого во Франции. 2.1.1. Изготовление форм и стержней с применением химически связанных смесей Наиболее расипространённым является применение холоднотвердеющих смесей (ХТС).

21

Внутренние полости в отливках изготавливаются с помощью стержней, которые, в свою очередь, изготавливаются в специальной оснастке – стержневых ящиках на стержневых автоматах (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Стержневой автомат для изготовления стержней с использованием смолы ISOSET фирмы Caterpillar г. Preoria (штат Иллинойс)

Различие между изготавливаемой формой и стержнем довольно условно, так как некоторые формы собираются полностью из стержней. Применение химически связанных смесей для изготовления стержней является важной областью литейной технологии, так как изготовленные стержни обладают высокой прочностью и очень чистой поверхностью. В литейном производстве Caterpillar г. Пеория (штат Иллинойс) применяется стержневая смесь, состоящая из кварцевого песка и фенолоформальдегидной смолы ISOSET. Изготовление стержней производится на стержневом автомате путём засыпки смеси в стержневой ящик и затем продувкой ящика аминовым катализатором (SO2), с помощью которого стержень очень быстро приобретает необходимую прочность и выталкивается на приёмный лоток. После этого стержни поступают на участок сборки (рис. 2.7). Этод метод обеспечивает высокую производительность и точность. На рис. 2.8 показано литейное производство в г. Прайор (штат Оклахома). изготовление крупных полуформ из ХТС, на рис. 2.9 – стержни, изготовленные из песчано-смоляных смесей на стержневых автоматах немецкой фирмы Laempe, на рис. 2.10 – аналогичный комплект стержней для сборки формы блока цилиндров двигателя Rover на этом же заводе. 22

Рис. 2.7. Участок изготовления и сборки крупных стержней из песчано-смоляных смесей

Рис. 2.8. Засыпка смесителем ящика песчано-смоляной смесью (ХТС) и работа кантователя для извлечения изготовленных полуформ

23

Рис. 2.9. Комплект стержней, изготовленных из ХТС, для сборки формы головки блока цилиндров двигателя Rover

Рис. 2.10. Комплект стержней из ХТС для сборки формы блока цилиндров двигателя Rover в Лонгбридж

Высокое качество поверхности стержней и доступная технология позволяют собирать формы с высокой точностью. В США фирмой Ashland разработана технология изготовления стержней по Cold-box-amine-процессу, представляющему собой сочетание пескострельного или иного уплотнения смеси в о стержневом ящике, отверждения путем продувки нагретой до 100–130 С сме-

24

сью воздуха с парами амина и очистки стержня от остаточного амина путем продувки сжатым воздухом. Аминовый катализатор почти полностью проходит через стержень, удаляется системой отсоса непосредственно из стержневого ящика или из закрытого кабинета, в котором находится стержневая машина. Далее он поступает в кислотный нейтрализатор, где амин, реагируя с серной кислотой, превращается в соль. Определенные требования предъявляются к пескам. Желательно иметь пески с размером зерен 0,2–0,3 мм и округлыми зернами. Повышенное содержание мелких фракций и глинистой составляющей требует более высокого расхода связующего и повышает осыпаемость. Оптио мальная температура песка – 20–25 С, на практике в зависимости от времени о о года – 5–40 С. Если температура выше 25 С, то сокращается живучесть смеси, о прочность снижается из-за потери растворителя Если температура ниже 10 С, ухудшаются условия перемешивания, увеличивается живучесть, повышается расход катализатора, удлиняется цикл упрочнения. Оптимальное содержание влаги в песке должно быть до 0,1 %. Могут успешно применяться циркон, хромит, дистен-силлиманит, муллит. Их часто применяют самостоятельно или в комбинации с кварцевым песком при больших термических нагрузках.

Рис. 2.11. Общий вид производственного участка для производства стержней для получения отливок блоков 4-цилиндровых рядных двигателей из алюминия методом литья под низким давлением в стержневые пакеты. Проект фирмы Laempe на заводе Mazda Motors Co. в г. Хиросима, Япония

25

Например, для стержней водяных рубашек для двигателей дают 50 % кварцевого песка и 50 % хромита. Время приготовления смеси в смесителе не должно превышать 2,5–3,0 мин. Превышение времени ведет к испарению растворителей и, следовательно, уменьшению живучести смеси и снижению прочности, увеличению чувствительности к влаге. В 2001 г. фирма Laempe запустила комплексную автоматизированную производственную линию для получения отливок типа блоков 4-рядных двигателей из алюминия по процессу Cosworth на заводе автомобильного концерна MAZDA в г. Хиросима. Все стержни изготавливаются по процессу Coldbox. Максимальные внешние размеры пакета (длина/ширина/высота) 650×460×700 мм, а вес стержневого пакета без отливки около 184 кг. Производительность линии – 90 двигателей в час. Все технологические этапы, как, например, производство стержней, их поверхностная обработка, сборка в пакет и их подача транспортным конвейером в участок заливки осуществляются при помощи роботов. Общий вид этого участка показан на рис. 2.11. 2.1.2. Процесс вакуумно-плёночной формовки Процесс изготовления песчаных полуформ без связующего – это вакуумно-плёночная формовка (рис. 2.12). Плёнка с помощью вакуума плотно прижимается к модели, затем засыпается песок и также с помощью вакуума уплотняется, в результате чего поверхность полуформы становится очень гладкой из-за наличия плёнки, а песок заполняет полуформу песчинка к песчинке, практически без наличия даже мельчайших пустот. Красным цветом показана только что изготовленная полуформа. Наибольшее распространение этот процесс получил в Японии, которая является его разработчиком.

Рис. 2.12. Процесс вакуумно-плёночной формовки в Японии

26

На рис. 2.13 крупным планом показано, насколько сложная форма может быть получена этим способом.

Рис. 2.13. Пример достаточно сложной полуформы, изготовленной методом вакуумно-плёночной формовки

Этот метод позволяет получать заготовки высокой точности с минимальными припусками на механическую обработку, с шероховатостью поверхности на уровне Rz 20–40 мкм, что, в свою очередь, позволяет уменьшать толщины стенки в 1,2–1,3 раза по сравнению с литьем в сухие песчано-глинистые формы. Кроме того, его применение исключает операции смесеприготовления и снижает расход формовочных песков. Изготовление форм с использованием песчаноглинистых смесей получило новое развитие. 2.1.3. Изготовление форм по Сейатсу-процессу Уплотнение формовочной смеси происходит способом Сейатсу – способом уплотнения воздушным потоком с последующим прессованием. Пространство у модельной оснастки, состоящее из подмодельной плиты, держателя подмодельной плиты, опоки и наполнительной рамы, заполняется необходимым количеством формовочной смеси открыванием жалюзийных затворов бункерадозатора. Затем бункер-дозатор передвигается под ленточный питатель запасного бункера смеси и одновременно прессовая головка перемещается над пространством формы. Стол машины поднимается и прижимает держатель подмодельной плиты с опокой и наполнительной рамой к прессовой головке таким образом, что всё пространство формы оказывается герметично закрытым. Затем

27

кратковременно открывается клапан воздушного потока. Воздушный поток проходит формовочную смесь от контрлада полуформы в сторону модели и уходит через венты в держателе подмодельных плит или в самой подмодельной плите. Дополнительное прессование сверху плоской прессовой плитой, эластичной прессовой плитой и многоплунжерной головкой производит окончательное уплотнение формы. Во время процесса уплотнения бункер-дозатор снова заполняется смесью. Вытяжка модели из формы происходит путем опускания стола машины. Одновременно в исходное положение передвигаются бункер-дозатор смеси и прессовая головка. При прохождении формовочной смеси в сторону модели воздушный поток оказывает на каждую частицу смеси усилие, направленное вниз. Частицы песка протекают вместе с потоком воздуха в нижние части формы и болваны. В направлении потока вниз с каждым слоем смеси возрастает плотность смеси, так что вблизи подмодельной плиты достигается наивысшее уплотнение. Преимущества Сейатсу-процесса являются предпосылкой для изготовления отливок высокой размерной точности. На рис. 2.14 показаны алюминиевые отливки, полученные с использованием формовки по Сейатсу-процессу.

Рис. 2.14. Алюминиевая отливка корпуса теплообменника, полученная на заводе MGG (Голландия) по Сейатсу-процессу на линии HWS-Sinto и удостоенная награды «Aluminium Award 2000». Вес отливки 32,9 кг

Сравнение между встряхиванием с подпрессовкой и Сейатсу-процессом наглядно показывает более равномерную твердость формы, изготовленной спо-

28

собом Сейатсу. Во многих случаях отпадает необходимость в стержнях, так как благодаря равномерной твердости формы при использовании Сейатсу-процесса возможна формовка сложных контуров моделей и крайних комов. Уменьшается количество стержней, формовочный уклон до 0,5°, расход металла и затраты на механическую обработку отливок. Уменьшение формовочного уклона позволяет более плотно располагать модели на подмодельной плите, поскольку допускаются гораздо меньшие расстояния между моделями и до стенок опок. В результате увеличивается количество отливок в форме. Поскольку по Сейатсупроцессу производятся высококачественные отливки с равномерным качеством в серии, с прекрасной поверхностью, точные по размерам и почти без гратов, в значительной мере сокращаются затраты на очистку и окончательную обработку отливок. Воздушный поток заменяет встряхивание. Поэтому уровень шума снижается до величины менее 85 дБ, что является важным шагом в сторону улучшения условий труда. Машины по Сейатсу-процессу работают без динамических нагрузок на фундамент. Это означает сокращение расходов на фундамент и техобслуживание, а также снижение вероятности возникновения неполадок. Преимущества формовочного процесса SEIATSU компании HWS в сравнение с другими ранее разработанными процессами опочной формовки: 1. Универсальность формовочного процесса SEIATSU: возможность формовки любых деталей, от мельчайшего фитинга до самого крупного блока двигателя; единая система уплотнения. 2. Возможность регуляции уплотнения и твердости формы. Благодаря этому возможно изготовление более мягкой верхней опоки для производства блока двигателя и других отливок с крупными стержнями, что улучшает газопроницаемость верхней полуформы. 3. Создание превосходной поверхности формы. Поток воздуха переносит мельчайшие частицы песка к поверхности модели, что формирует превосходную поверхность формы. 4. Возможность снижения веса и уменьшение размеров отливки из-за снижения уклона модели. 5. Превосходное уплотнение формы, что делает возможным создание особенно глубоких «карманов», до 1,8 : 1 в форме в качестве дополнения к снижению веса отливки. 6. Возможность установки выпоров в глубокие полости модели. Это делает возможным поступление песка в различные труднодоступные места на модели и его дополнительное прессование в процессе SEIATSU. Благодаря этому возможна замена стержней формовочным песком, что сокращает производственные расходы. 7. Высокая проницаемость формы. Перемещаясь от верха полуформы к поверхности модели (обычно в течение 1,0–1,5 с), воздушный поток способствует образованию микроканалов в форме.

29

8. Конструкция модели, обеспечивающая контакт «песок к песку» между верхней и нижней опоками при сборке формы. Это существенно сокращает количество заусенцев и снижает затраты на очистку. Во многих случаях отливки подвергаются лишь пескоструйной обработке (без зачистки). Ярким примером является Buderus, сэкономивший 30 рабочих в отделе зачистки после замены двух фактически новых формовочных машин другого изготовителя (размеры опоки 950×900×250/250 мм, 200 форм/ч, отливки имеют каналы, работа в 3 смены). 9. Стабильность формовочного процесса. Обеспечивает высокую точность формы, а также высокую точность воспроизводимости. Результатом этого является снижение диапазона веса и размера для серийного производства отливок. Например, компания Fritz Winter в Германии уменьшила вес формы 4-цилиндрового машинного блока для «Дженерал Моторс» / Опель до 40,2 кг (изначальный вес – 42 кг), установив в 1993 г. формовочную линию HWS. (200 форм/ч). 10. Комбинация уплотнения воздушным потоком с окончательным уплотнением подпрессовкой сверху (и в особенных случаях и снизу). Применяется широкий диапазон конструкторских решений, выбор оптимального решения проводится в зависимости от номенклатуры литья, производительности и размера опок. 11. Возможность выбирать при производстве разной по сложности номенклатуры литья или процесс Сейатсу + подпрессовка (например, для производства корпусов электродвигателей и барабанов), или только прессовой метод уплотнения (рекомендуется лишь для относительно несложных отливок без глубоких карманов). 12. Возможность использования моделей из пластмассы (эпоксидной смолы), древесины, алюминия и меди, так как в формовочном процессе не используется встряхивание и импульс. 13. Сокращение затрат на фундамент по причине отсутствия динамических нагрузок. 14. Снижение уровня шума (менее 85 дБ ). 15. Возможность использования широкого диапазона песка в формовочном процессе.

Рис. 2.15. Формовочное оборудование для Сейатсу-процесса

На рис. 2.15 показано формовочное оборудование для Сейатсу-процесса. 30

2.1.4. Формовочное безопочное оборудование фирмы HWS-Sinto Фирма HWS-Sinto поставляет новое поколение формовочных линий для горизонтальных безопочных форм серии FBO. Машины типа FBO идеальны для замены пар встряхивающих формовочных машин, так как используют существующие конвейеры опочной формовки. Такие формовочные машины компактны: горизонтальная форма выдается в сборе со стержнями, готовая к заливке. Монтируются без фундамента. Работают на обычной формовочной смеси с бетонитом без специальных дополнительных требований в отличие от машин для вертикальных безопочных форм. Горизонтальная формовка существенно расширяет номенклатуру отливок в отличие от вертикальной. Высокое качество формовки, скорость, легкость в управлении, разнообразие моделей и меньшая стоимость безопочных горизонтальных машин и линий позволяют эффективно дополнить гамму формовочного оборудования любого завода (опочных линий по Сейатсу-процессу и V-процессу). В мире работает более 250 машин типа FBO, в том числе в Японии, Европе, Америке, Украине, Польше, Болгарии, Турции и Чехии и Словакии. Если в цехе уже работает формовочная линия со средним размером опок, то для увеличения металлоемкости форм для мелких отливок можно использовать машины и линии горизонтальной безопочной формовки. На рис. 2.16 показаны примеры алюминиевых отливок, изготовленных на этих линиях.

Рис. 2.16. Алюминиевые отливки корпусов насосов весом до 2 кг, изготовленные на линии горизонтальной формовки FBO-II (завод Alcast Technologies, Канада)

31

Рис. 2.17. Компоновка заливочно-формовочной линии фирмы HWS-Sinto

Преимущества безопочной горизонтальной формовки фирмы HWS-Sinto (рис. 2.17): 1) выдача горизонтальной формы в сборе со стержнями, готовой к заливке; 2) монтаж без фундамента (стабильный напольный вариант); 3) работа на обычной формовочной смеси с бетонитом без специальных дополнительных требований; 4) низкие начальные инвестиции (в одном корпусе формовочной машины совмещены функции всех узлов линии – сборка, кантование, простановка стержней и т.д.); 5) пескодувное заполнение и встречное гидравлическое прессование, дающие возможность производить тонкостенные отливки с глубокими карманами; 6) регулировка высоты верхней и нижней полуформ (минимальный расход смеси); 7) быстрая смена модельной оснастки – нет болтовых соединений, простая установка модельной плиты с ее автоматической фиксацией; 8) доступность нижней половины формы оператору во время рабочего цикла машины для быстрой, безопасной и легкой установки стержней. 2.1.5. Изготовление форм на линии фирмы DISA Первый ДИСАМАТИК был изготовлен в 1964 г. В настоящее время ДИСА – лидер на рынке, в котором принцип вертикальной формовки с песчаноглинистой смесью стал синонимом машины ДИСАМАТИК. Сердцем формо32

вочной системы является формовочный автомат, в котором песчано-глинистая смесь вдувается в формовочную камеру и далее прессуется в вертикальные безопочные формы. На рис. 2.18 представлен общий вид формовочной системы.

Рис. 2.18. Формовочная система DISA MATCH

Формовочные системы DISA 230 были разработаны как новый стандарт литейного оборудования. Рынок диктует новые требования по качеству, конкурентоспособности цен и все более усложняющейся конструкции отливок. Основываясь на данных требованиях, ДИСА разработала совершенно новую конструкцию механической и гидравлической систем, включая систему управления для всего процесса, со следующими характеристиками: производительность для отливок без стержней – до 500 форм в час; смещение по разъему – не более 0,1 мм; дисплей вывода текстовой и графической информации, упрощающий обслуживание и устранение неполадок; стержнеукладчик со световой завесой; устройство быстрой смены модельных плит. ДИСАМАТИК 2013 LP – система вертикальной формовки с применением песчано-глинистых смесей для производства высокоточных отливок из чугуна, стали или цветных металлов со следующими характеристиками: варьируемая толщина кома; автоматическая простановка стержней; переменная длина формовочного конвейера, обеспечивающая необходимое время охлаждения отливок в форме; быстрая смена оснастки при помощи автоматических замков для модельных плит;

33

система опрыскивания, работающая при закрытой формовочной камере и точно наносящая разделительный состав на модельный комплект без ухудшения экологии производства. ДИСАМАТИК 2070 MK2 – высокоточная формовочная система для изготовления крупных отливок, предполагающая надежную работу и минимальное обслуживание. Особенности линии: 1. Система управления на ПЛК соответствует последнему слову техники, обеспечивая полный контроль над работой формовочной системы. 2. Постоянный контроль уплотняемости смеси является важной частью в управлении процессом. 3. Автоматическая регулировка обеспечивает постоянную толщину кома и, соответственно, постоянную позицию заливки на точном конвейере форм. Благодаря этому гарантируется отсутствие задержек при заливке и снижается риск расплескивания металла. 4. Автоматическая простановка стержней в рабочем цикле ДИСАМАТИКа обеспечивает возможность получения тонкостенных отливок и отсутствие или уменьшение заусенца на отливке. 5. Смещение по разъему форм составляет не более 0,25 мм. DISA предлагает ассортимент формовочных автоматов DISA MATCH для горизонтальной безопочной формовки по двусторонним плитам, которые покрывают весь диапазон размеров форм для отливки от 610×508 до 813×813 мм. Достаточно свежим примером применения оборудования фирмы DISA для изготовления алюминиевых отливок является реконструкция одного из литейных предприятий США.

Рис. 2.19. Компоновка автоматической линии по производству отливок

В 2006 г. компания AFW Foundry, Ланнон, штат Висконсин, США – литейное предприятие, специализирующееся на изготовлении алюминиевых и

34

медных отливок при литье в песчано-глинистые формы – искала пути для модернизации цеха с преимущественно ручным управлением для удовлетворения растущих потребностей различных заказчиков. Их выбор пал на оборудование фирмы DISA. В сочетании с новым автоматизированным выбивным и плавильнозаливочным оборудованием, приобретенным компанией AFW вместе с новой формовочной линией DISA MATCH корпорации DISA Industries, предприятию удалось решить эту задачу. Горизонтальная формовочная машина DISA MATCH была разработана для литья металла на оборудовании с коротким и изменяющимся циклом, используемом на предприятии AFW. Она позволила повысить качество и скорость процесса и снизить объёмы скрапа на 75 %. На рис. 2.19 представлена компоновка оборудования, входящего в состав автоматической линии по изготовлению отливок, рекомендуемая фирмой DISA.

2.2. Краткая характеристика процессов литья под давлением Среди разновидностей литья под давлением (рис. 2.20) самым распространённым процессом является литье под высоким давлением. С применением этого процесса изготавливается около 50 % отливок из лёгких сплавов. Литьём под низким давлением изготавливается около 20 % отливок, но последнее время его объём постоянно увеличивается из-за бурного развития японской автомобильной промышленности. Примерно такой же объём приходится на центробежное литьё, а оставшиеся проценты занимает литьё выжиманием.

Рис. 2.20. Распределение разновидностей литья под давлением

Литьё под высоким давлением осуществляется с помощью большого и дорогого оборудования (рис. 2.21). Это оборудование состоит из двух вертикальных поверхностей, на которых расположены половинки пресс-формы. Одна половина пресс-формы является неподвижной, а другая – может двигаться, от35

крывая и закрывая полость формы. Порция металла подается в полость формы с использованием гидравлического поршня. Как только металл затвердел, пресс-форма открывается и отливка удаляется.

Рис. 2.21. Схема процесса литья под высоким давлением

Машина литья под низким давлением (рис. 2.22) вертикально ориентирована, пресс-форма в ней с горизонтальной линией разъёма.

Рис. 2.22. Схема процесса литья под низким давлением

Металл проходит в закрытый сосуд и затем под давлением газа (обычно это воздух) перемещается снизу вверх в полость формы. Теоретически это должно быть выгодно, так как должно привести к контролируемому заполнению пресс-формы. Однако на практике из-за нарушения контроля металл заполняет форму турбулентным образом (активное перемешивание металла с

36

возможным захватом посторонних примесей), поэтому этот процесс в основном применяется для производства отливок автомобильных колёс, подвергая каждое колесо рентген-контролю, поскольку они обеспечивают безопасность автомобиля. Доля кокильного литья (рис. 2.23) очень незначительна, но оно применяется, так как является самым простым литьём под давлением. Этот процесс не требует больших капиталовложений и тяжёлого физического труда. Он может быть автоматизирован для пресс-форм с горизонтальной и вертикальной линией разъёма. При правильном конструировании пресс-формы, которое обеспечивает минимальную турбулентность, кокильное литьё позволяет получать отливки хорошего качества.

Рис. 2.23. Собранная форма для кокильного литья

Этот процесс обладает низкой производительностью, так как кокиль можно разбирать только после выдержки, необходимой для затвердевания металла. Однако при использовании карусели, на которой установлено несколько кокилей, это время компенсируется и процесс будет идти непрерывно, но это возможно только для одного типа отливок. Так, например, время цикла отливки головки цилиндра составляет 5–7 мин, а для других типов оно может быть и 15 мин. Таким образом, кокильное литьё ограничивается толщиной стенки отливки, высокой стоимостью кокилей (они изготавливаются из металла), и в процессе работы под действием термической усталости в них возникают трещины, поэтому их приходится менять на новые. В отличие от этого более высокую производительность можно достигнуть за счёт применения литья в песчаные формы.

37

2.3. Методы заливки форм под низким давлением Образец литейной промышленности прошлого века показан на рис. 2.24. Так выглядят обработанные отливки из чугуна, полученные заливкой в формы, изготовленные из песчано-глинистых смесей на автоматических линиях прошлого века, предназначенные для изготовления железнодорожной арки.

Рис. 2.24. Отливка, изготовленная в прошлом веке

Такая технология применяется до сих пор. Но промышленность некоторых стран уже работает в условиях XXI в. 2.3.1. Применение компьютерного моделирования при заливке форм под низким давлением В настоящее время разработка современной технологии литья начинается на компьютере. Они полностью изменили привычный вид технологических и конструкторских служб предприятий. Вместо конструкторских и технологических бюро создаётся единая служба подготовки производства, оснащённая компьютерами и соответствующим программным обеспечением. Весь процесс будущего изготовления отливки отрабатывается с помощью соответствующей программы, и только после этого выбранный максимально технологический вариант воплощается в рабочую документацию, тем самым значительно уменьшается необходимость доработки конструкторской и технологической документации. Применение этой технологии показано на рис. 2.25–2.30 и было использовано при изготовлении отливок для двигателей серии К, изготавливаемых из алюминиевых сплавов методом заливки форм под низким давлением. Компьютерное проектирование представлено на примере отливки «Выпускной коллектор». 38

Рис. 2.25. Компьютерное моделирование. Этап 1

Рис. 2.26. Компьютерное моделирование. Этап 2

Рис. 2.27. Компьютерное моделирование. Этап 3

39

Рис. 2.28. Компьютерное моделирование. Этап 4

Рис. 2.29. Компьютерное моделирование. Выпускной коллектор. Заливка под низким давлением. Этап 5

Рис. 2.30. Solid-модель, созданная с помощью компьютера. Этап 6

40

Рис. 2.31. Готовая отливка, изготовленная с помощью компьютерной подготовки через 3 мес. после получения заказа

Это первый выпускной коллектор из алюминиевого сплава с толщиной стенки 3 мм, смоделированный с помощью компьютера. Готовая отливка (рис. 2.31) была получена через 3 мес., что на тот период времени было высшим достижением по сравнению с существующими технологиями. Литьё под низким давлением требует расплав с минимальным количеством примесей, которые образуются во время его приготовления. Типовые методы очистки расплава, которые нарушают его спокойное состояние, не могут это обеспечить и применяются для других методов литья. 2.3.2. Заливка отливок под низким давлением Для процесса литья под низким давлением применяется технология, обеспечивающая спокойное протекание процесса очистки расплава (рис. 2.32). Плавка металла производится в печи большой ёмкости, обеспечивающей потребности производства на несколько часов работы, что позволяет достаточно большое время отводить на удаление примесей. В течение этого времени одни оксиды успевают утонуть, а другие – всплыть. Это объясняется тем, что плотность алюминия и его оксидов отличаются незначительно и воздух часто увлекается складками плёнок, поэтому разделение оксидов может быть как вверх, так и вниз. Процесс идёт очень медленно. Кроме того, большая часть плёнок оксидов приобретает нейтральную плавучесть, поэтому важное значение отводится фильтрации расплава. Металл электромагнитным насосом забирается из середины глубины ванны, обеспечивая таким образом минимальный риск передачи оксидов в отлив-

41

ку. Кроме того, в насос встроен фильтр для улавливания оксидов. Дальше металл насосом поднимается только вверх с регулируемой скоростью через вертикальный канал (желоб) в отливку.

Рис. 2.32. Схема заливки отливок под низким давлением

Такая подача металла гарантирует его нетурбулентность и сводит к минимуму образование недопустимых оксидов и попадание их в отливку. В первоначальном варианте процесс литья под низким давлением имел два основных недостатка: 1. Литейная форма могла отсоединяться от насоса только после затвердевания отливки. 2. Такой способ заполнения формы не позволял получать отливки без усадки в верхней части. Обе эти проблемы могут быть преодолены с помощью следующей доработки этого процесса: форма после заполнения металлом переворачивается и отделяется от системы заливки. Данная технология позволяет повысить производительность за счёт уменьшения времени затвердевания отливки на позиции заливки примерно на 4 мин и устранить усадку за счёт подпитки отливки металлом из вертикального канала, который в этом случае выполняет роль прибыли. В настоящее время этот процесс наиболее распространён под названием Cosworth-процесс. 2.3.3. Процесс Сosworth Этот процесс специально разработан для выпуска высококачественных автомобильных отливок. В процессе заливки металл, сопротивляясь давлению, поднимается вверх и заполняет форму, за счёт чего компенсируются усадочные явления и удаляется газ. Большой объём металла в печи-миксере даёт возможность примесям либо всплывать, либо тонуть, а электромагнитный насос выса-

42

сывает металл из середины глубины миксера, вытесняя воздух в прибыльную часть (рис. 2.33).

Рис. 2.33. Схема процесса Cosworth

Рис. 2.34. Литейное производство по Cosworth-процессу в Вустере, Великобритания

Процесс позволяет в зависимости от сложности отливки программировать работу насоса по времени конкретно для каждой отливки. Разновидностью этого процесса является процесс Mark IIЮ, при котором металл подаётся через боковую огнеупорную стенку и при заполнении формы она переворачивается и отсоединяется от системы подачи жидкого металла, затем эта форма передвигается на следующую позицию, а её место под заливку занимает следующая форма, тем самым исключается время на охлаждение (кристаллизацию), которое форма тратит уже вне позиции «заливка».

43

Такая технология (см. рис. 2.32) принята на фирмах Ford и Rover. Литейное производство в Вустере (Великобритания) показано на рис. 2.34. Внешний вид этого производства резко отличается от производства отливок в песчаных формах. Наряду с заливкой форм под низким и высоким давлением сохраняется ещё заливка песчаных форм только под действием сил тяжести. Это объясняется его простотой и при определённых условиях позволяет изготавливать отливки необходимой точности. 2.3.4. Плавка в тигельных печах Канадская компания Alcan недавно изобрела на базе старого способа выплавки металла в тигле, разогреваемом коксом или газом, новый способ предотвращения попадания в отливку металла, загрязнённого примесями (рис. 2.35).

Рис. 2.35. Современная схема метода плавки металла в тигле

Предварительно взвешенную порцию шихты плавят в индукционной печи, в которой тигель изготовлен из одноразового волокно-керамического материала. Как только металл расплавился и достиг необходимой температуры, он поршнем вытесняется снизу вверх и подаётся в форму через её нижнюю часть с регулируемой скоростью, это походит на процесс объёмной штамповки, только здесь роль заготовки выполняет жидкий металл. Данный способ позволяет сохранить первоначальные свойства сплава, так как устраняется его контакт с какими-либо примесями.

2.4. Метод заливки форм под высоким давлением Около половины отливок из лёгких сплавов изготавливаются литьём под давлением, при котором жидкий металл с большой скоростью и под высоким 44

давлением подаётся в металлическую форму и в процессе её заполнения скорость и давление снижаются до необходимой величины (рис. 2.36). Этот способ позволяет изготавливать отливки значительной площади с малой толщиной стенок (до 1 мм), с высокими механическими свойствами. Весь процесс очень хорошо автоматизируется, поэтому значительно улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. Литьём под высоким давлением можно получать отливки с готовой внутренней и внешней резьбой, с полостями и каналами сложной конфигурации. Точность размеров отливок по 8–15 квалитету, то есть они практически не требуют дальнейшей механической обработки.

Рис. 2.36. Принципиальная схема литья под высоким давлением

Рис. 2.37. Отливки, полученные методом литья под высоким давлением английской фирмой Carlton Die Castings

45

Рис. 2.38. Тонкостенные отливки итальянской фирмы SOMIPRESS SPA

На рис. 2.37 и 2.38 показаны примеры отливок, полученных литьём под давлением. Качество их поверхности достаточно высокое и дальнейшая мехобработка практически может не применяться.

2.5. Литье выжиманием Ранее было рассмотрено литьё под низким и высоким давлением и отмечалось, что эти способы могут применяться не всегда. Процесс литья выжиманием был разработан для тех отливок, которые из-за высоких требований к качеству деталей не могут быть получены другими методами. Процесс выжимания представляется в следующем виде : в металлоприемник (диффузор) литейной выжимной установки заливается расплавленный металл, подвижная матрица установки перемещается в сторону неподвижной матрицы с постоянной угловой скоростью, при сближении матриц металл выжимается из металлоприемника и заполняет полость формы между матрицами. Формирование отливки проходит в две стадии. Первая стадия – формирование прочных и плотных кристаллизационных корок на стенках матриц в период их заполнения расплавленным металлом. Вторая стадия – соединение по-

46

лученных корок в единое целое (в отливку). Скорость сближения матриц назначается из условий наращивания на их стенках твердых корок, суммарная толщина которых должна быть равна толщине отливки. Наращивание твердых корок на стенках литейной формы происходит в период сближения стенок, то есть в условиях непрерывного потока металла около кристаллизующихся корок. Это дает возможность использовать гидродинамические параметры потока для регулирования процесса формирования отливки. Поэтому процессом формирования отливки можно легко управлять. Способ литья выжиманием характеризуется принципиально новыми особенностями: 1) заполнением литейной формы потоком большого сечения, что существенно снижает гидродинамические потери при заполнении полости формы; 2) формированием отливки в условиях непрерывного течения расплавленного металла при заполнении формы. Непрерывное течение жидкого металла около кристаллизующихся на стенках формы твердых корок обусловливает высокое качество отливки. При ламинарном режиме течения металла скорость по сечению потока распределяется по параболе. Аналогично распределяется и температура. Это обеспечивает мелкозернистую структуру твердых корок и повышенные механические свойства отливки в целом. С увеличением скорости течения распределение температуры по сечению потока становится более крутым, и, следовательно, кристаллизация корок будет проходить еще более тонкими слоями. Вместе с тем поток расплавленного металла обеспечивает непрерывное питание кристаллизующихся слоев металла и заполняет межкристаллизационные усадочные пространства. Кроме того, при течении расплавленного металла в силу неоднородности поля скоростей потока создаются условия для дегазации расплава и удаления легких шлаковых включений. Это легко объясняется тем, что частички шлака и пузырей газа всегда отбрасываются в центр потока, в сторону больших скоростей и, следовательно, выжимаются вместе с избытком жидкого металла в конце процесса литья. Практика литья тонкостенных крупногабаритных деталей способом выжимания показывает полное отсутствие в теле отливок газовых пор. При литье выжиманием можно управлять процессом формирования поверхности отливки. На зеркале жидкого металла при течении его в установке между матрицами образуется пленка окислов, которая, разрываясь в центре потока, попадает на поверхность форм. Способ литья выжиманием позволяет заполнять форму почти неограниченных размеров и получать тонкостенные отливки с плотным строением и чистой поверхностью. Указанные особенности этого способа открывают широкие перспективы для его развития. Схема этого процесса литья показана на рис. 2.39. Металл подаётся аналогично процессу закрытой ковки. Затем верхний инструмент начинает сжимать металл и выдавливать во все полости формы, а в заключительной стадии происходит закрытие формы и металл перестаёт дви-

47

гаться. В связи с небольшими перемещениями жидкого металла требования к его жидкотекучести незначительны.

Рис. 2.39. Схема процесса литья выжиманием (Squeeze-формование)

Таким образом, ковкие сплавы, обладающие низкой жидкотекучестью, не могут использоваться для изготовления отливок, в этом и заключается преимущество литья выжиманием, его ещё называют «формование сжатием», что ещё больше подчёркивает его сходство с ковкой. На рис. 2.40 показаны массивные прессы для изготовления отливок литьём выжиманием на фирме GKN Sankey (изготовитель бронетранспортёров), где этот процесс доживает последние дни из-за очень высокой стоимости отливок.

Рис. 2.40. Литейное оборудование для литья выжиманием фирмы GKN Sankey в г. Телфорд, Великобритания

48

Рис. 2.41. Корпус, изготовленный литьем выжиманием (диаметр 800 мм, толщина стенки 2,5 мм)

Рис. 2.42. Типичные примеры отливок, полученных литьём выжиманием

Типичные представители отливок несложной конфигурации, полученные литьём выжиманием, приведены на рис. 2.41 и 2.42. Их изготовление из-за высоких требований к качеству не допускается другими методами литья. Этот ме-

49

тод может применяться и для изготовления пресс-форм, предназначенных для производства отливок со сквозными отверстиями. Жидким прессованием такие отливки не получить, так как эти отверстия в процессе выжимания срезаются. Процесс литья выжиманием позволяет изготавливать крупногабаритные тонкостенные отливки корпусного и панельного типа (минимальная толщина стенки 2,5 мм, протяженность до 2 000 мм).

2.6. Литье в кокиль Литье в кокиль используют при изготовлении фасонных отливок из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов, так как они имеют относительно невысокую температуру плавления. Оно применяется для изготовления таких отливок, как блок цилиндров, поршень, головка блока, картер, корпуса насосов, фильтров, выключателей, диски колеса автомобилей, вентиляторов, детали бытовых приборов. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести. Основными операциями и процессами являются: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200–300 °С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Размеры отливок до 1 000×500×500 мм с точностью размеров 0,5–1,0 % и чистотой поверхности Rz 40–60, с массой до 50 кг. Точность отливок в кокилях обычно соответствует 12–15-м квалитетам по ГОСТ 25346–89. При этом точность по 12-му квалитету возможна для размеров, расположенных в одной части формы. Точность размеров, расположенных в двух и более частях формы, а также оформляемых подвижными частями формы, ниже. Коэффициент точности отливок по массе достигает 0,71, что обеспечивает возможность уменьшения припусков на обработку резанием. Физико-химическое взаимодействие металла отливки и кокиля минимально, что способствует повышению качества поверхности отливки. Отливки в кокиль не имеют пригара. Литье в кокиль менее распространенная технология по сравнению с литьем под давлением. Тем не менее, фирмы Италии (рис. 2.43), Испании и Франции (рис. 2.44, 2.45) продолжают применять эту технологию.

50

Рис. 2.43. Отливка «Корпус», полученная литьём в кокиль на итальянской фирме DRADIN

Рис. 2.44. Кокильный станок французской фирмы FONDERIES FRAISSE

51

Рис. 2.45. Отливка, полученная литьем в кокиль на французской фирме FONDERIES FRAISSE

Центробежное литьё показало свою целесообразность только для отливки литых заготовок из чугуна, стали и бронзовых сплавов и поэтому в данном материале не приводится.

2.7. Литье по выплавляемым моделям Существует две разновидности этого процесса: 1) литьё по выплавляемым моделям (модели изготавливаются из воска); 2) литьё по газифицированным моделям (модели изготавливаются из полистирола). Литьё по выплавляемым моделям – это крайне медленный процесс, уровень производства определяется временем, необходимым для изготовления пресс-формы. Производство восковых моделей может занять 1-2 мин, но большинство оболочковых форм требуют 7–14 слоёв покрытия и их изготовление может занять 24 ч, а иногда и несколько дней. В настоящее время при изготовлении большого количества отливок блок может включать в себя несколько десятков моделей, а мелких – 100 и более, их изготовление производится автоматически. Технологический процесс литья по выплавляемым моделям включает: 1. Изготовление комплекта восковых моделей. 2. Сборку блока моделей. 52

3. Изготовление керамической оболочки. 4. Выпаривание воска. 5. Заливку металла. 6. Удаление оболочки. 7. Отделение отливок от литниковой системы и остатков оболочки. Технологический процесс литья по газифицированным моделям состоит из следующих операций: 1. Изготовление моделей из полистирола. 2. Сборка блока моделей. 3. Нанесение на модель огнеупорного покрытия. 4. Установка собранных блоков в контейнер, засыпка его песком и уплотнение с помощью вибростола. 5. Заливка металла. 6. Отделение залитых блоков от песка. 7. Отделение отливок от литниковой системы. Процесс изготовления отливок по газифицированным моделям начинается со вдувания гранул полистирола в алюминиевую пресс-форму, которую затем нагревают для вспенивания и спекания гранул. Перед разборкой пресс-формы для извлечения модели (пример модели приведён на рис. 2.46) её охлаждают с помощью системы водяного охлаждения. Затем готовые модели покрывают огнеупорным покрытием, сушат и собирают в блоки (звенья). Собранные блоки устанавливают в контейнер и засыпают песком, уплотняя с помощью вибростола для создания формы с необходимой прочностью. Металл заливают в литник, изготовленный тоже из полистирола, в результате весь полистирол испаряется и заменяется металлом. Этот процесс находит ограниченное применение из-за возможности образования в отливке таких дефектов, как повреждение хрупких узоров и попадания газов в металл.

Рис. 2.46. Пример модели из полистирола 53

Теперь рассмотрим совершенно другой способ изготовления отливок – литьё по выплавляемым моделям. Этот способ основан на использовании восковых моделей, которые покрываются огнеупорным покрытием в несколько слоёв. В процессе производства восковые модели выплавляются, и в полученную полую оболочку заливается металл. На рис. 2.47 представлены отливки от компании Deritend Точное литьё, Великобритания. Компания изготавливает рабочие колёса из стали, с залитыми бронзовыми втулками, служащими подшипниками скольжения.

Рис. 2.47. Отливки рабочих колёс, изготовленные методом литья по выплавляемым моделям

Рис. 2.48. Процесс нанесения керамической оболочки на блок восковых моделей

Собранный блок восковых моделей, погруженный в ванну с керамической суспензией, представлен на рис. 2.48. На рис. 2.49 показан удалённый из ванны блок восковых моделей с нанесённым первым слоем огнеупорного покрытия на время, необходимое для его высыхания, после чего процесс повторяется до достижения толщины покрытия не менее 7 мм. Размеры и конфигурация отливок, получаемых этим методом, зависят от возможности изготовления достаточно прочной оболочки. Общее представление о современных средствах для изготовления керамических оболочек дано на рис. 2.50. Несколько ванн с огнеупорной суспензией, в которых производится её активное перемешивание, расположено вокруг робота, что позволяет увеличить размер отливок до 1 м и более.

54

Рис. 2.49. Блок восковых моделей с нанесённым огнеупорным покрытием

Рис. 2.50. Общий вид современного цеха по изготовлению оболочковых форм

55

Заливка оболочковых форм показана на рис. 2.51. После удаления оболочки производится отделение отливок от элементов литниковой системы (рис. 2.52).

Рис. 2.51. Заливка стали в оболочковые формы из плавильной индукционной печи

Рис. 2.52. Обрезка литниковой системы от отливок

56

Рис. 2.53. Примеры отливок, полученных методом литья в оболочковые формы

На рис. 2.53 показаны отливки, полученные литьём по выплавляемым моделям. Они заметно отличаются своей формой по сравнению с отливками, получаемыми другими методами, так как этот процесс позволяет получать отливки самой сложной конфигурации.

2.8. Структура производства отливок Проанализировав годовой объём производства отливок во всём мире (табл. 2.1), можно отметить, что производство отливок из чёрных сплавов намного превышает отливки из цветных сплавов. Большинство отливок из цветных сплавов изготавливаются из различных алюминиевых сплавов, затем идут отливки из медных и цинковых сплавов, отливки из магниевых и других сплавов занимают последнее место из-за их высокой стоимости. Таблица 2.1 Мировое производство отливок в 1990 г. Вид сплава

Объём отливок, млн т 54,6 5,0 3,4 0,8 0,4 0,3 0,1 64,6

Чугун Сталь Алюминий Медь Цинк Магний Другие Итого

57

В данном материале рассматривается преимущественно производство отливок из алюминиевых сплавов, которые в основном получают использованием литья под давлением, литья в песчаные формы, литья по выплавляемым моделям и небольшое количество с использованием литья выжиманием и литья по газифицированным моделям.

Литература 1. Кэмбелл, Д. Литьё / Д. Кэмбелл. – Butterworth Heinemann, 1991. 2. Клегг, А. Д. Процессы точного литья / А. Д. Клегг. М. : Наука, 1991. 3. Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров, посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ» : материалы Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ). - М. : МГТУ «МАМИ», 2010. – Кн. 6. – 193 с. 4. Буданов, Е. Н. Инновационная технология СЕЙАТЦУ-процесс / Е. Н. Буданов // ИТБ Литьё Украины. – 2010. – № 3-4. – С. 115, 116. 5. http://www.fonderies-fraisse.fr. 6. http://www.disagroup.com.

3. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЛЕНТ, ПОЛОСЫ, ФОЛЬГИ За последние 40 лет экономические преимущества непрерывного литья алюминия доказали его важность и необходимость в промышленности. Непрерывное литьё алюминия применяется для производства полуфабрикатов полосы, используемой для дальнейшей прокатки на лист, а затем на фольгу различного назначения и другого подобного продукта. Кроме того, непрерывное литьё применяется для изготовления большого ассортимента прутков, применяемых в дальнейшем при производстве проволоки. Этот процесс преобразует расплав алюминия в тонкий лист, сворачиваемый в рулон, который затем применяется для холодной прокатки в фольгу или прутковую заготовку, применяемую для дальнейшего изготовления из неё проволоки методом волочения. Эффективность этого процесса объясняется отсутствием операций изготовления слитка, который получают при прерывном способе литья заливкой расплава в изложницу, а при полунепрерывном способе литья – литьём через кристаллизатор в литейные машины и проведении нагрева полученных слитков для дальнейшей их прокатки на лист. По этой причине капитальные вложения и эксплуатационные расходы при непрерывном литье значительно ниже. Кроме того, этот способ литья является предпочтительным для многих заводов из-за

58

его более высокой производительности. Положительные результаты внедрения технологии непрерывного литья для алюминиевых сплавов позволили применять её и для других сплавов. Среди технологических процессов непрерывного литья во всём мире на литьё полосы с дальнейшей прокатки её на лист, сворачиваемый в рулон, приходится около 30 %.

3.1. Сущность процесса литья полосы Непрерывное литьё полосы хорошо зарекомендовало себя для производства различной фольги, в том числе фольги, применяемой для изготовления тюбиков, банок, а в некоторых случаях для чеканной живописи. Используя различные технологии литья из деформируемых сплавов, можно получать полосу шириной до 2 150 мм и толщиной 3–20 мм. Рис. 3.1 иллюстрирует особенность технологии непрерывных процессов литья.

Рис. 3.1. Технологическая схема непрерывного литья полосы

Расплавленный металл поступает в литейную форму, которая формируется двумя вращающимися валками (роликами), затвердевает там и выходит из неё в виде непрерывной полосы. В ходе процесса эта полоса в зависимости от толщины и назначения может сразу сматываться в рулон или поступать на дальнейшую прокатку в ролики, соответствующие необходимому ассортименту продукции. Для массового производства тюбиков и банок, изготавливаемых вырубкой из листа, штамповкой или выдавливанием, оборудование для непрерывного литья необходимо размещать непосредственно после литейных машин, включая штампы и пресса. Таким образом, создаётся непрерывное произ-

59

водство, обеспечивающее высокую производительность и снижение себестоимости выпускаемой продукции. Обычная технология DC (Direct Chill – полунепрерывное литьё) – это процесс, при котором вначале получают слитки путём заливки металла в постоянные формы-кристаллизаторы, где они затвердевают. Затем эти слитки повторно о нагревают приблизительно до 500 С и подвергают горячей прокатке для получения рулона ленты толщиной 4–6 мм. Основное преимущество непрерывного литья заключается в экономии затрат за счёт сокращения некоторых операций обычного технологического процесса. Операции традиционного технологического процесса: плавка → литьё слитков → нагрев → горячая прокатка → навивка рулона → холодная прокатка, при которой может потребоваться несколько операций нагрева → получение фольги или другой продукции. Технология непрерывного литья: плавка → литьё полосы → навивка рулона → холодная прокатка, при которой операции нагрева используются очень редко → получение фольги или другой заготовки. По сравнению с традиционной технологией, затраты на изготовление продукции снижаются на 30–50 %, а капитальные затраты и затраты на эксплуатацию оборудования – на 25–30 %. Кроме того, уменьшается потребность в производственных площадях, снижается потребность в энергии, необходимой для подогрева слитков, производительность увеличивается на 15–20 %, а расход материалов сокращается на 1,5–2,0 %. Новейшие технологии, разработанные компаниями Pechiney (Франция) и FATA Hunter (Италия), позволяют производить ленту толщиной менее 3 мм, что приводит к ещё большему сокращению цикла производства фольги или продукции для напитков. На первом этапе внедрения непрерывной разливки казалось, что эта технология имеет только одни преимущества и обеспечит большую экономию, особенно при производстве фольги. Однако скоро выяснилось, что некоторые особенности готового продукта ограничивают её применение по сравнению с традиционной технологией. Наиболее серьёзным недостатком являются трудности, возникающие при применении сплавов, содержащих высокое содержание примесей. Из-за большого интервала температуры затвердевания этих сплавов существует опасность возникновения трещин при прокатке полученной полосы. Если металл не успел полностью затвердеть в литейной форме, то часть его в жидком или полужидком состоянии может попасть в зону прокатки. Для устранения этого явления можно снижать температуру заливаемого металла, но тогда возникает риск его затвердевания в отверстии заливочного сопла. Как следствие, скорость литья сплавов при непрерывном литье ниже, чем у сплавов для получения слитков. Примерами сплавов с низким содержанием примесей, применяемых при непрерывном литье, являются: технически чистый алюминий Al 99.2–Al 99.6 (серии 1000); 60

сплав AlMn (max 2 % Mn, серии 3000); сплав AlMg (max 2-3 % Mg, серии 5000), исключением является содержание Mg до 5 % для технологии Caster II компании Alusuisse; сплав AlFe (max 2 % Fe); сплав AlMnFe (max 1 % Fe, max 1 % Mn). Кроме скорости литья при непрерывном литье необходимо учитывать и назначение изготавливаемой полосы. Обычно технология непрерывного литья полосы зависит от размера готового продукта и подразделяется на следующие виды технологических процессов: 1) для изготовления полос шириной до 2 150 мм; 2) изготовления узких полос шириной до 800 мм; 3) изготовления ленты толщиной до 10 мм, сматываемой в рулон; 4) изготовления листа толщиной 20–40 мм; 5) изготовления тонкой полосы толщиной менее 3 мм. Кроме того, особенности технологии непрерывного литья зависят от вида применяемого оборудования, которое будет рассмотрено ниже.

3.2. Непрерывное литье алюминиевой катанки Непрерывное изготовление проволоки также имеет большое экономическое значение. Этот способ применяется только для достаточно чистых сплавов, в основном для технически чистого алюминия и таких сплавов, как AlMn и AlMgSi (Aldrey), несмотря на то, что их основное применение для нужд электротехники. В качестве легирующих добавок в производстве сплавов для выпуска на их основе катанки используются титан губчатый и титановые сплавы, никель, магний, медь, марганец, кремний. Основными рабочими устройствами каждой линии по производству алюминиевой катанки компании Continuus Properzi являются литейная машина с замкнутым контуром водяного охлаждения, прокатный стан и моталки различной конструкции. Линия работает по принципу непрерывной разливки металла: расплавленный металл из миксеров поступает на медное вращающееся литейное колесо (кристаллизатор), охлаждается по определённой схеме и кристаллизуется. Далее полученная заготовка проходит через ролики прокатного стана. Полученная алюминиевая катанка требуемого диаметра с помощью моталки наматывается на барабаны (формируется партия продукции бухта катанки). Главным отличием процесса Continuus Properzi от других процессов непрерывного литья является то, что эта технология представляет собой высокоскоростной непрерывный процесс литья. На литейном колесе Continuus Properzi кристаллизация почти заканчивается к моменту, когда алюминиевая заготовка покидает изложницу. Около 93–95 % теплообмена происходит в боковых направлениях, то есть перпендикулярно к основным осям литья (и направлению вращения колеса). При этом определяю-

61

щими характеристиками металла являются скорость кристаллизации, текучесть, теплопроводность как в жидком, так и в твердом состоянии, химические свойства, такие, как способность образования оксидов и их природа, температура плавления и т.д. Все эти характеристики влияют на скорость теплообмена с внутренними стенками изложницы, а также на способ или тип механизма кристаллизации. После прокатного стана алюминиевая катанка подвергается охлаждению, подаче на прокатный стан и затем на моталки. Температура катанки в бухтах составляет 300 °C. На рис. 3.2 представлен пример оборудования фирмы.

Рис. 3.2. Общий вид прокатного стана компании Continuus Properzi

В третьем квартале 2006 г. компания Continuus Properzi разработала новые линии, называемые «базовыми линиями» (basic-lines), производительностью от 1,6 до 4 т/ч (нормы выработки относятся к материалам электротехнического назначения). Для достижения поставленной цели (низкие капиталовложения и максимальная гибкость) машины были сконструированы таким образом, чтобы обеспечить оптимальную простоту в эксплуатации и техническом обслуживании (без каких-либо излишеств). Некоторые компоненты линий и вспомогательное оборудование потребители могут приобретать на местных рынках через своих подрядчиков и субпоставщиков, сводя до минимума транспортные расходы. Линии производительностью от 2 до 4 т/ч могут также быть оборудованы прокатными станами разных модификаций. Все базовые линии компании гарантированно обеспечивают стандартную норму выработки и однородное ка-

62

чество изделий. Стандартная конфигурация линии не предусматривает наличие автоматического сдвоенного намоточного устройства барабанного типа, имеется только намоточное устройство корзиночного типа (различных моделей) с оптимальным разматывателем. Автоматическое сдвоенное намоточное устройство поставляется по специальному заказу. Разматывающее устройство обслуживает максимум одну линию производительностью 2 т/ч со скоростью движения катанки приблизительно 3 м/с. Обычно небольшие линии предназначены для внутреннего использования, когда достаточно бухт корзиночного типа, поскольку лишь небольшие объёмы продукции продаются в туго смотанных бухтах.

3.3. Особенности технологий непрерывного литья полосы Технологии непрерывного литья по способу заливки металла делятся на горизонтальное и вертикальное литьё, по виду конструкции формы – на форму с неподвижными и с подвижными стенками. При использовании подвижных стенок они движутся вместе с заливаемым металлом. Регулирование размера форм на производстве не производится, то есть форма служит только для одного конкретного вида продукции. В настоящее время применяется 5 типов оборудования (роликов) для производства алюминиевых плит или полосы. В состав оборудования для непрерывного литья входят: 1. Два цилиндрических полых ролика, которые имеют много типоразмеров, особенно при изготовлении широкой номенклатуры фольги (рис. 3.1, 3.3).

Рис. 3.3.Схема получения литой полосы.

В зазор между роликами подаётся жидкий металл, они вращаются в разные стороны и как бы втягивают его. Внутрь полых роликов постоянно подаётся

63

вода, с помощью которой металл охлаждается и уже затвердевший выходит из роликов в виде полосы или ленты. Равномерное распределение расплава по ширине роликов происходит на стадии его истечения из дозирующего сопла. Заливка металла может производиться горизонтально и вертикально. Зона кристаллизации составляет 10–20 мм в длину и включает в себя зону горячей прокатки. Около 93–95 % теплообмена происходит в боковых направлениях, то есть перпендикулярно к основным осям литья (и направлению вращения колеса). При этом определяющими характеристиками металла являются скорость кристаллизации, текучесть, теплопроводность, как в жидком, так и в твердом состоянии, химические свойства, такие, как способность образования оксидов и их природа, температура плавления и т.д. Все эти характеристики влияют на скорость теплообмена с внутренними стенками изложницы, а также на способ или тип механизма кристаллизации. Все методы непрерывного литья производят прокатку расплава вращающимися роликами и за счёт уменьшения зазора между ними толщину полосы во время горячей прокатки можно уменьшить на 5–20 %. Полоса, выходящая из о роликов, имеет температуру 400–500 С и может в таком состоянии сразу наматываться в рулон. 2. Однороликовый барабан (рис. 3.4). Жидкий металл подаётся на поверхность пустотелого вращающегося барабана, а внутрь барабана постоянно подаётся вода. Металл, попавший на поверхность барабана, подвергается интенсивному охлаждению и превращается в тонкую полосу.

Рис. 3.4. Схема однороликового барабана

3. Два одинаковых блока из тонкой металлической ленты (рис. 3.5). Основным узлом являются две плоские, тонкие, стальные ленты, которые натянуты на ролики и, вращаясь, создают движущуюся форму для жидкого металла. Ролики пустотелые, в них циркулирует вода, которая постоянно охлаж64

дает расплав. Кроме того, предусмотрен промежуточный узел охлаждения, который дополнительно с двух сторон охлаждает металл, вытягиваемый первой парой роликов.

Рис. 3.5. Схема оборудования из двух одинаковых блока со стальной лентой

4. Два охладительных узла (секции), рис. 3.6. Секции охлаждения смонтированы на противоположных ветвях траковых конвейеров и служат для охлаждения блоков (траков). Конвейер представляет собой стальную ленту с закреплёнными на ней блоками (траками), осуществляющими прокатку. При монтаже блоков не допускается наличие зазора, так как на прямых участках во время прокатки могут образовываться поперечные рёбра из-за неравномерного охлаждения металла. Наличие поперечных рёбер приводит к появлению дефектов на горячекатаной ленте.

Рис. 3.6. Схема литья с применением двух секций (узлов) охлаждения

На рис. 3.7, 3.8 показано современное оборудование фирмы HAZELETT.

65

Рис. 3.7. Внешний вид современного оборудования фирмы HAZELET

Рис. 3.8. Схема непрерывного литья с использованием оборудования фирмы HAZELETT

66

Рис. 3.9. Комбинированная схема литья

Комбинированный метод литья основан на применении стальной ленты и вращающегося пустотелого барабана с водяным охлаждением (рис. 3.9).

3.4. Распространенные типы машин для непрерывного литья заготовок 3.4.1. Машины непрерывного литья заготовки с применением двух цилиндрических роликов В машинах для непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с применением двух цилиндрических роликов каждый тип роликов предназначен для получения конкретного вида продукции начиная с 10 мм и меньше. Используются следующие виды этого процесса. Вертикальное литьё (сверху вниз). Этот способ изобретён американским учёным Hazelett Sr. (1930–1940 гг.). Первый патент на непрерывное литьё стали получил Bessemer в 1848 г. Важнейший вклад по развитию технологии непрерывного литья алюминия сделали J. Hunter (Hunter-Douglas, Hunter Engineering), W. Lauener (фирма Alusuisse на оборудовании Casters II и оборудовании W. Hazelett компании Hazelett Sr.). В конце 1930-х гг. была изготовлена первая машина для непрерывного литья алюминиевой полосы. Она представляла из себя два вращающихся цилиндрических ролика с вертикальной заливкой расплава (рис. 3.10). Металл заливается сверху в пространство между роликами, и лист выходит вниз (литьё вертикально вниз). Эта машина использовалась для литья узкой полосы, применяемой для изготовления крышек бутылок в компании Crown Cork Company. Вертикальное литье (снизу вверх). Этот способ разработан компанией Hunter Engineering в 1948 г. и находит всё большее и большее применение. Расплавленный металл подаётся тоже вертикально, но снизу вверх (рис. 3.11).

67

Рис. 3.10. Схема литья полосы сверху вниз

Рис. 3.11. Схема вертикального литья снизу вверх

Желоб для подачи металла находится под роликами. Под действием металлостатического давления, которое создаётся уровнем жидкого металла в ковше, металл подаётся в зазор между вращающимися роликами, где он подвергается пластической деформации и выходит уже в виде полосы и затем сматывается в рулон. Содержание магния не должно превышать 2 %. Температура о готовой полосы 300–350 С, можно изготавливать полосы до 1 700 мм шириной и 6–9 мм толщиной. Такая же технология применяется и в России. 3.4.2. Машины непрерывного литья заготовки с горизонтальным направлением литья Этот способ применяется для изготовления алюминиевой полосы шириной 1 000–2 000 мм и толщиной 6–10 мм, а в настоящее время уже для рулонов та-

68

кой же ширины, но с толщиной полосы 2–3 мм. Рассмотрим наиболее распространённые виды МНЛЗ. Машина непрерывного литья фирм Alusuisse (Швейцария) и Scal (Франция) модели Jumbo 3C. Примером является применение этой модели МНЛЗ компанией Pechiney, Scal (Франция). Вид изготавливаемой продукции зависит от марки сплава, скорости литья, которая может быть 0,8–5,0 м/мин. На оборудовании фирмы Alusuisse (Швейцария) для изготовления полосы толщиной 6 мм эта скорость равна 1 м/мин. Свыше 100 ед. подобного оборудования установлено по всему миру. Типовая конструкция такой МНЛЗ схематично изображена на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Схема МНЛЗ с двухроликовым барабаном

Сформировавшаяся полоса выходит из МНЛЗ горизонтально и сворачивается в бухту (рулон) в горячем состоянии. Размер рулона рассчитан на кратность его применения при дальнейшей холодной прокатке. Состав оборудования для изготовления полосы по этому методу схематично изображён на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Компоновочная схема оборудования для непрерывного изготовления полосы

Это оборудование рассчитано на применение сплавов с приблизительно одинаковыми температурными интервалами затвердевания. К ним относятся сплавы 1000, 3000 и 5000 серии и содержанием до 25 % Mg. Эти сплавы могут 69

использоваться при условии их получения на собственных отходах или на покупном ломе хорошего качества. При использовании сплавов с повышенным содержанием примесей ассортимент (номенклатура) продукции уменьшается или снижаются параметры литья, что приводит к уменьшению производительности и снижению рентабельности производства. Усовершенствование машины непрерывного литья от модели Jumbo 3C до модели Jumbo 3CM. Стандартная машина непрерывного литья заготовок типа 3С была разработана фирмой Pechiney (Франция) в 1959 г. и предназначалась для изготовления полосы шириной 1 500 мм и толщиной 6 мм. Жидкий металл затвердевал, проходя между двумя вращающимися роликами диаметром 620 мм. В следующей усовершенствованной конструкции МНЛЗ, известной как Jumbo 3C, диаметр ролика составлял 960 мм, она позволяла получать лист шириной до 2 150 мм и увеличивала производительность. В обоих случаях преимуществом применяемых роликов являлось создание условий, позволяющих металлу быстро затвердевать (менее 3 с) при толщине полосы 10 мм. Фирма Pechiney усовершенствовала конструкцию роликовой МНЛЗ за счёт применения дозаторов металла, дающих возможность подавать металл в уменьшенный зазор между роликами и тем самым изготавливать полосу с меньшей толщиной и более высоким качеством поверхности. Эта конструкция машины получила название Jumbo 3CM (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Внешний вид оборудования фирмы Pechiney

В прошлом производители МНЛЗ стремились усовершенствовать оборудование и технологию с целью снижения толщины полосы с 6–10 до 3–5 мм, 70

несмотря на то, что более востребованной была толщина 2 мм и меньше. Получение полосы толщиной 1 мм и менее дало бы большую производительность и снижение стоимости продукции. Новая МНЛЗ обладает всеми признаками современного оборудования для рулонного литья, она имеет новый механический дозатор, подающий металл и новую систему охлаждения вращающихся роликов. Эта машина позволяет применять сплавы 1000, 3000 и 5000 серий и производить ленту толщиной 2–3 мм. Оптимальной является толщина 3 мм (экспериментально установлена возможность получения толщины 2 мм), при которой достигается высокая скорость затвердевания, совместимая с высокой скоростью холодной прокатки, что обеспечивается разумными требованиями к конструкции роликов. Для того чтобы создать эти преимущества, полностью были переработаны форма и размер сопла, подающего металл, с целью обеспечения регулярности его подачи с минимальной турбулентностью. Кроме того, разработаны более усовершенствованные модели Jumbo 3CM с функциями наклона и удержания в нужном положении плавильной печи, усовершенствована система подачи металла за счёт применения моторизованного (механического) стола поддержки промежуточного ковша, комплекта сопел для настройки подачи металла в зазор между роликами и систему автоматического контроля уровня металла в ковше. Для некоторых сплавов последнее усовершенствование играет важную роль из-за его влияния на теплообмен между расплавленным металлом и полосы в рулоне и, как следствие, на структуру поверхностного слоя полосы. Другими особенностями являются: два цилиндрических ролика с внутренним охлаждением, вращающиеся навстречу друг к другу уже диаметром 1 150 мм; диаметр наматываемых рулонов, рассчитанный с учётом применения смазки и устройства обрезки кромок при сдвиге полосы. Устройство намотки рассчитано на полосу толщиной 1–10 мм и шириной до 2 020 мм. Полоса благодаря очень мелкозернистой структуре, образующейся за счёт быстрого затвердевания, изготавливается высокого качества и поэтому применяется в дальнейшем для производства фольги высокого качества толщиной до 6,5 мкм. Высокопроизводительная машина непрерывного литья корпорации FATA Hunter (литьё под углом). Самой популярной является МНЛЗ фирмы о FATA Hunter модель Caster с обратным наклоном плавильной печи на 15 , что обеспечивает спокойное течение металла в двухроликовый барабан без наличия турбулентных потоков (рис. 3.15). Большие диаметр и ширина изготавливаемого рулона обеспечиваются применением необходимого количества поддерживающих роликов, позволяющих ещё изготавливать полосу с высокой точностью профиля. Новейшей разработкой этой фирмы является МНЛЗ модели Speed Caster, спроектированной в 1997 г. (рис. 3.16). Эта машина удовлетворяла спрос на дозирующие устройства, позволяющие изготавливать более тонкую полосу и уве71

личивать производительность. Speed Caster была создана на базе типовой МНЛЗ с двумя вращающимися роликами, разработанной Joseph Hunter в 1950 г. известной под названием «Standard Сasters». Она имела ограничения по ширине полосы и применяемым сплавам, поэтому в конце 1970-х гг. была разработана более совершенная модель «Super Caster». Она позволяла увеличивать производительность, применять более широкий спектр сплавов и изготавливать полосу шириной до 2 000 мм.

Рис. 3.15. Схема МНЛЗ литья под углом

Рис. 3.16. Общий вид на МНЛЗ Speed Caster

Speed Caster состоит из двух цилиндрических роликов, вращающихся навстречу друг к другу, и обеспечивает тонкую прокатку с высокой скоростью литья. Такая машина рассчитана на изготовление обрезной полосы шириной до 2 134 мм и толщиной до 0,635 мм со скоростью литья до 38,1 м/мин. Дальнейшее усовершенствование привело к созданию МНЛЗ типа Thin-Gauge/High72

Speed, которая позволяет изготавливать уже не полосы, а фольгу, поэтому её использование более экономично. Это оборудование подходит для организации мини-заводов по производству фольги с учётом дополнительной комплектации промежуточным прокатным устройством для последующей доработки полученной фольги в товарный продукт. Стоимость комплекта оборудования для производства фольги на базе этой машины значительно дешевле, чем на базе машины Super Caster. МНЛЗ с однороликовым барабаном (рис. 3.17). В последние годы этот способ столкнулся с множеством трудностей и не находил широкого применения на производстве. Однако недавний кризис показал, что он может использоваться для определённой номенклатуры тонкой алюминиевой проволоки как наиболее дешёвый, но несмотря на это до сих пор он находится всё ещё на стадии внедрения.

Рис. 3.17. Схема литья с применением однороликового барабана

Разработчиком этого метода является американская фирма Reynolds Metals (1997 г.), он подразумевает высокую производительность и низкую стоимость процесса. Кроме того, его достоинством является высокая скорость охлаждения, позволяющая получать ленту толщиной 2 мм и меньше, поэтому он дает возможность снизить количество необходимого оборудования для производства фольги. Самый важный узел этой МНЛЗ – пустотелый роликовый барабан с рифлёной внешней поверхностью, имеющий внутри систему охлаждения. Расплавленный металл подаётся на поверхность вращающегося роликового барабана из открытого промежуточного ковша и мгновенно охлаждается. Роликовый барабан вращается, металл начинает затвердевать, и процесс его затвердевания заканчивается на расстоянии 25–50 мм от места заливки. Поскольку верхняя поверхность расплава ничем не ограничивается, то равномерное охлаждение обеспечивается только самим роликовым барабаном для создания ус-

73

ловия получения полосы постоянного сечения. Для большинства сплавов скорость литья составляет 50–70 м/мин при толщине полосы 1,0–1,3 мм. МНЛЗ с роликовыми блоками (рис. 3.6). Два блока охлаждения выполняют одну и ту же работу и обеспечивают равномерное охлаждение ленты. Этот способ может применяться для сплавов с различным содержанием примесей и позволяет получать полосы толщиной более 16 мм, которую сразу же нужно прокатывать в горячем состоянии. По этой причине, по крайней мере, 2 ед. этого оборудования должны устанавливаться непосредственно у литейной машины. Разновидностью этой конструкции является машина непрерывного литья с блоками Hunter-Douglas. Первым в США это оборудование разработала фирма Joe Hunter под названием Hunter-Douglas-Process. Схематично это два узла охлаждения, представляющие собой металлическую ленту, натянутую на ролики и секции охлаждения, расположенные над лентами. Каждая лента перемещается по роликам, как гусеница, и охлаждается изнутри водой. Эта машина позволяет получать полосу шириной 16 мм со скоростью литья 2–4 м/мин и применяется для сплавов с содержанием Mg не более 3,5 %. Для получения полосы с высоким качеством поверхности необходимо монтировать секции охлаждения с высокой точностью, не допуская зазора между ними, иначе эффект однонаправленного охлаждения нарушался и там, где возникал зазор, могли появляться поперечные рёбра, которые приводили к появлению дефектов при последующей прокатке. По этой причине применение данного метода было ограничено. В 1970 г. была предложена новая технология, при которой интенсивность охлаждения зависела от степени контакта формирующей ленты с кристаллизующейся полосой. Итогом этого стала новая конструкция МНЛЗ, разработанная конструктором W. Lauener. Машина непрерывного литья фирмы Alusuisse технология Caster II. Эта машина, называемая Caster II, стала выпускаться фирмой Alusuisse (Швейцария). Она позволяла изготавливать ленты (полосы) шириной до 1 750 мм и толщиной от 10 до 40 мм со скоростью литья 0,5–10,0 м/мин и использовать широкий диапазон сплавов, даже с содержанием до 5 % Mg. Широкое применение это оборудование нашло на предприятиях американской фирмы Ultimate Beverage Challenge (UBC) для изготовления полосы из алюминиево-магниевых сплавов, применяющейся при производстве банок. Эта машина может использовать сплавы, страдающие склонностью к образованию трещин при ускоренном охлаждении. Годовая производительность при использовании этого оборудования может достигать 100 тыс. т при трёхсменной работе. МНЛЗ имеет два блока охлаждения, которые двигаются во время подачи жидкого металла. Металл поступает в зазор между вращающимися лентами, на которых смонтированы блоки охлаждения, и постепенно затвердевает. Чем больше секций охлаждения, тем более равномерно происходит кристаллизация сплава, что позволяет применять сплавы с более высоким содержанием примесей. Полоса расплава перемещается вместе с секциями охлаждения до тех пор,

74

пока не будет достигнута достаточная кристаллизация, необходимая для последующей прокатки. Для достижения этой цели применяются блоки охлаждения, о обеспечивающие температуру 50–200 С. Во время изготовления полосы производится контроль за соблюдением скорости литья, скорости кристаллизации и нанесения покрытия на поверхность кристаллизатора.

3.5. Технологические особенности литья с применением двух движущихся металлических лент 3.5.1. Литье полосы по технологии фирмы Hazelett Этот способ подразумевает удерживание металла между двумя вращающимися стальными лентами. Примером является оборудование фирмы Hazelett мод. Kaiser, изображённое на рис. 3.7, 3.8. На рис. 3.18 изображён общий вид оборудования фирмы Hazelett.

Рис. 3.18. Общий вид МНЛЗ фирмы Hazelett

Расплав заливается между двумя вращающимися тонкими стальными лентами (толщина их около 1,5 мм), несущими на себе конструкцию, обеспечивающую его охлаждение и затвердевание на всём участке контакта. С помощью этой технологии изготавливаются полосы толщиной 15–25 мм и шириной до 1 750 мм, которые потом применяются для изготовления токоподводящих шин, изделий из листа, фольги, банок.

75

Для подачи расплава в зазор между лентами применяется сопло, имеющее ширину, соответствующую ширине изготавливаемой полосы. Вращаясь, ленты втягивают в зазор жидкий металл, который, передвигаясь, подвергается охлаждению и на выходе превращается в затвердевшую ленту. Скорость литья соо ставляет 5–9 м/мин. Температура выходящей ленты равна 420–460 С, она сразу же поступает на линию горячей прокатки для получения толщины 2–6 мм и о сматывается в рулон при температуре 200 С. Таким образом, комплект оборудования для изготовления полосы толщиной 2–6 мм, состоит из блока для изготовления полосы из жидкого металла и линии горячей прокатки; устанавливаться он должен непосредственно у плавильной печи. Диапазон применяемых марок сплавов гораздо шире по сравнению с технологией литья с применением сдвоенных роликовых барабанов и ограничивается только содержанием магния, которое не должно превышать 3 %. Наилучшие результаты достигаются при использовании чистого алюминия и сплавов AlMn. В случае предъявления высоких требований к качеству поверхности конечного продукта эта технология не применяется. 3.5.2. Литье полосы по технологии фирмы Kaiser Два вида оборудования, описанного выше, не дают необходимого качества при изготовлении фольги, поэтому фирмой Kaiser было разработано другое оборудование на основе концепции компании Micromill. Эта концепция основана на изготовлении оборудования, необходимого для выполнения всех технологических операций. В состав технологической линии входит следующее оборудование: 1. Плавильная печь. 2. Миксер. 3. Оборудование для дегазации и фильтрации. 4. Оборудование для изготовления полосы из жидкого металла фирмы Kaiser. 5. Оборудование для горячей прокатки полосы. 6. Оборудование для отжига и закалки. 7. Оборудование для холодной прокатки. 8. Оборудование для намотки конечного продукта прокатки. Так, например, при изготовлении банок для напитков линию можно скомплектовать таким образом, что она сразу будет изготавливать фольгу для корпуса, крышки и этикетки. По сравнению с обычной технологией изготовления фольги из слитков путём прокатки их на прокатных сплавах, эта технология сокращает время, необходимое на выполнение всех операций, и снижает капитальные затраты при сохранении высокого качества. Схема этого процесса показана на рис. 3.19. Фирма Kaiser специализируется на изготовлении всего оборудования, входящего в комплект линии, а транспортировка и монтаж выполняются фирмой Hazelett в соответствии с заключенным соглашением в 1997 г. 76

Толщина полосы зависит от необходимой толщиной ленты, применяемой в дальнейшем для изготовления фольги. Кроме того, она зависит от температуры литья, температуры выходящей ленты и от марки сплава. Отсутствие водяного охлаждения на задней стороне металлической ленты снижает разницу температур и устраняет проблему плёночного кипения, которая может возникать в зоне заливки при подаче жидкого металла с температурой выше верхнего предела. Также сводится к минимуму образование холодных участков, которые могут появляться на участках перед заливкой металла и на торцах каждой ленты, образующей форму для его заливки.

Рис. 3.19. Схема литья с двойным охлаждением движущихся металлических лент

Появление этих холодных участков может вызвать коробление ленты. Ещё одним положительным качеством оборудования является его лёгкий запуск в производстве и изготовление конечного продукта за короткое время (15 мин). Кроме того, технология гарантирует отсутствие прилипания движущегося металла к лентам и возможность дальнейшей прокатки при достаточно высокой температуре.

3.6. Литье полосы с применением комбинированных технологий Примером может служить сочетание литья с помощью движущейся ленты и охлаждающегося роликового барабана. В этом случае форма для заливки металла образуется между лентой и пазом на внешней стороне роликового барабана. Схема этого оборудования изображена на рис. 3.20.

77

Рис. 3.20. Схема комбинированного литья

Этот способ применяется для литья полосы или заготовки, предназначенной для получения проволоки. 3.6.1. Литье на оборудовании компании Properzi Это оборудование изобретено Ilario Properzi (Италия) в 1950 г. и в основном применяется при производстве заготовок, из которых затем волочением изготавливают проволоку из алюминия или меди для электрических проводов. Обычно применяется технически чистый алюминий серии 1350, сплавы серии 3000 и 6101 (AlMg1SiCu), Aldrey (типа AlMgSi). Форма для заливки образуется между пазом, изготовленным на внешней стороне роликового барабана и стальной лентой, натянутой на два роликовых барабана, диаметр которых может достигать 2 600 мм. Профиль получаемой заготовки может иметь вид треугольника или трапеции площадью поперечного сечения до 3 120 мм2 и иметь о температуру на выходе около 350 С. Полученная заготовка сразу же поступает на операцию горячей прокатки (волочение) для получения прутка диаметром до 12 мм, который собирается в бухту. В дальнейшем этот пруток в виде бухты поступает на холодное волочение для получения проволоки нужного диаметра (0,3–4,0 мм). 3.6.2. Литье с применением оборудования компании Rigamonti на фирме Rotary На рис. 3.9 показан конструктивная схема оборудования фирмы Rigamonti (Италия), которое по внешнему виду похоже на оборудование фирмы Properzi, так как в его состав входят бесконечная лента и роликовый барабан, которые образуют форму для заливки расплавленного металла. Это оборудование может применяться для изготовления полосы шириной до 200 мм со скоростью литья,

78

например, 14 м/мин. Применение поворотных стальных лент (рис. 3.21) является оригинальным решением усовершенствования машины непрерывного литья заготовок, разработанным фирмой Rigamonti. Монтаж роликов, поддерживающих и натягивающих стальную ленту, должен быть без каких-либо поперечных отклонений по горизонтали, и это самое серьёзное требование к этой конструкции.

Рис. 3.21. Комбинированная МНЛЗ фирмы Rigamonti

Эта МНЛЗ применяется для изготовления полосы сечением 500×20 мм, которая используется затем для получения круглых пластин. Изготовленные пластины подвергаются глубокой вытяжке (выдавливанию) для получения упаковки аэрозолей, банок, трубок.

3.7. Структура и свойства отлитой полосы Основные характеристики всех непрерывных способов литья обеспечиваются правильной кристаллизацией и скоростью охлаждения, которые по своему значению отличаются от других традиционных способов изготовления полосы. Характеристики основных свойств приведены в табл. 3.1. Высокая скорость затвердевания оказывает такой же эффект, как и создание двух или более фронтов кристаллизации, поскольку расстояния между дендритами и размеры ячеек становятся меньше. Применение сплавов с повышенным содержанием легирующих элементов и примесей оказывает влияние на последующую термическую обработку, на количество таких несовершенств, как различные виды дислокаций, вакансий, измельчение зерна и различные виды сегрегации. Для разных способов литья применяются разные скорости охлаждения, поэтому конечный продукт имеет в основном разную структуру и свойства, но такие свойства, как размер ячейки

79

зерна и дендритов и их количество, примерно одинаковы. Поэтому не все характеристики можно найти в разных способах литья для их сравнения с непрерывным литьём. Tаблица 3.1 Сравнение характеристик процессов литья полосы из технически чистого алюминия по усреднённым показателям Процесс литья

Скорость охлаждения, К/s

Размер, мкм дендритов ячейки

Традиционное литьё 0,01–0,10

В зависимости от типа сплава и температуры формы

100

Непрерывное литьё 0,5–20 Properzi 0,5–13 Литьё под давлением 20–80 Литьё полосы 200–700 литьё в двойные цилинд- 450 для Hunterрические ролики процесса литьё с применением двух металлических лент непрерывное литьё фольги ≈ 6 000

12–15 8 5 1–2

Примечание

50–90

5–25 40–80

В результате в зависимости от вида процесса непрерывное литьё характеризуется ещё и другими свойствами и структурой. Приведем несколько примеров. Способ получения полосы с применением заливки металла в форму, образующуюся между двумя пустотелыми цилиндрическими роликами. За счёт быстрого затвердевания расплава этот способ обладает следующими положительными качествами: 1. При использовании оборудования конструкции фирмы Pechiney время затвердевания для полосы толщиной 10 мм составляет менее 3 с, что увеличивает производительность процесса. 2. Структура получается мелкозернистой с тонкими дендритами, с уменьшенной сегрегацией. Поэтому некоторые сплавы могут обладать лучшими свойствами при получении фольги, чем при других способах литья. 3. Чем холоднее полоса для дальнейшей прокатки, тем лучше качество поверхности фольги. Полоса после прокатки имеет светлый цвет, что придаёт ей хороший товарный вид. Способ литья на однороликовый барабан. Этот способ позволяет изготавливать полосу с высокой скоростью охлаждения и применять специальные марки сплавов, которые улучшают физические свойства. Затвердевание является практически однонаправленным, оно имеет преимущества и недостатки. Преимуществом являются условия кристаллизации, позволяющие получать уникальную микроструктуру без сегрегации зёрен, с меньшим содержанием интерметаллических частиц по сравнению с другими 80

способами. Эти характеристики дают возможность получать необходимые свойства полосы, даже в случае применения более простых сплавов. Недостатком является возможность появления нерегулярного затвердевания, что может привести к неоднородной структуре. Способ литья в форму, образующуюся однороликовым барабаном и стальной лентой, натянутой на ролики. В большинстве случаев полоса, полученная по этому способу, не может сравниваться по качеству с обычной горячекатанной полосой, так как поверхность её может быть ребристой. По сравнению с литьём, использующим двойные пустотелые ролики, полоса изготавливается только из сплавов с меньшим содержанием Mg, Fe и Si.

3.8. Изменение свойств отлитой полосы при дальнейшей её обработке При дальнейшей обработке полосы учитываются особенности её отливки. Из-за невысокой скорости затвердевания полоса может быть более насыщена вредными примесями, что влияет на её дальнейшую прокатку и термическую обработку. В зависимости от принятой дальнейшей технологии обработки полученной заготовки механические и эксплуатационные свойства конечного продукта будут разными. Укрупненно эта зависимость свойств рассматривается следующим образом. Холодная прокатка. Полученная полоса при дальнейшей прокатке ведёт себя так же, как и полоса, полученная методом прерывного или полунепрерывного литья. Это показано на графиках (рис. 3.22–3.24). С увеличением степени холодной прокатки предел прочности должен возрастать, а значит, относительное удлинение будет уменьшаться. Для технически чистого алюминия эти характеристики резко не изменяются, существенная разница по сравнению с первоначальными величинами у него появляется при превышении степени деформации более 20 %. При использовании сплава, приведённого на рис. 3.22, различие этих свойств между полосой, полученной при непрерывном литье и другими способами, наиболее заметны. Все значения предела прочности на растяжение на 20–50 % выше. Это объясняется более высокой степенью измельчения зёрен расплава из-за его высокой скорости кристаллизации. Характеристика сплава с содержанием примесей не более 2 % (AlFe2, AlMn1Fe1) приведена на рис. 3.23. С увеличением степени деформации пластичность этого сплава может увеличиваться. Причиной этого являются первичные добавки в расплав, которые создают связанную в виде сетки структуру в литом состоянии. При степени деформации >40 % эти связи разрываются, структура становится плотнее, более однородной и в результате пластичность увеличивается.

81

Рис. 3.22. Свойства обычных и литых полос из Al 99,5 в условиях различной деформации

Рис. 3.23. Свойства обычных и литых полос из Al Mg1 (3103) в условиях различной деформации

82

Если полосу до холодной прокатки подвергнуть гомогенизации, то она изза изменения степени сегрегации зёрен станет обладать теми же свойствами, что и полоса, полученная из слитка.

Рис. 3.24. Свойства обычных и литых полос из AlFe2 в условиях различной деформации

Глубокая вытяжка. По сравнению с обычными полосами, изготовленными по традиционной технологии, не всегда можно определить возможность применения полосы непрерывного литья для глубокой вытяжки или других операций, требующих объёмной штамповки с небольшими радиусами закругления. Причина заключается в том, что очень трудно уловить незначительную разницу деформации расплава между роликами-валками в зависимости от процесса литья полосы. Кроме того, степень деформации при холодной прокатке полосы, полученной непрерывным литьём с 9 до 1 мм значительно меньше, чем при горячей и холодной прокатке из слитка. По этой причине на изготовленной полосе после глубокой вытяжки может наблюдаться явление «апельсиновая корка», вызванное сохранением литых зёрен, формирующих структуру поверхности. Рекристаллизация.На рис. 3.25 показано явление рекристаллизации, происходящее у технически чистого алюминия Al 99,5 (1050A) при производстве полосы по трём разным технологиям. Это показано тремя однотипными линиями, характеризующими рекристаллизацию, величину зерна, восстановление 83

свойств. Значение этих величин для полосы, полученной непрерывным литьём, выше по сравнению с другими методами получения полосы.

Рис. 3.25. Рекристаллизация технически чистого Al 99,5 после холодной прокатки на 90 % и отожженного в течение 1 ч

Рис. 3.26. Рекристаллизация технически чистого Al 99,5 и AlMn1 Fe1 при литье полосы

84

Это объясняется большой степенью хаотичного перемешивания крупных и мелких зёрен, что задерживает процесс рекристаллизации. Применение отжига при более высоких температурах (гомогенизация) до холодной прокатки приводит к более равномерному распределению зёрен. Поэтому материал полосы, подвергнутый этой операции, характеризуется кривой, более похожей для полос, изготовленных из слитков. С увеличением содержания примесей эффект задержки рекристаллизации становится всё больше и больше. На рис. 3.26 кривыми линиями, которые переходят в прямые, показано сравнение эффекта рекристаллизации для сплавов Al 99,5 и AlMn1Fe1.

Литература 1. Altenpohl, D. G. Алюминий : Tехнология, состояние применения / D. G. Altenpohl. – Корпорация TMS и Алюминиевая ассоциация, 1998. 2. Развитие высокопроизводительной технологии непрерывного литья для производства фольги // Алюминий. – 74(1998)10. – С. 750–753. 3. Kammer, C. Tермомеханическая обработка алюминиевой полосы из сплава Al99,5 / C. Kammer // Neue Hütte. – 35(1990)11. – С. 418–421. 4. Kammer, C. Высокопроизводительное литьё полосы из сплава AlMn1Fe1 / C. Kammer, M. Krumnacker // Алюминий. – 68(1992)1. – С. 60–63. 5. Kammer, C. Термомеханическая обработка полосы из сплава AlMn1Fe1 / C. Kammer, M. Krumnacker // Meталл. – 43(1993)12. – С. 1162–1168. 6. Kammer, C. Алюминий / C. Kammer. – Düsseldorf, 1998. 7. Новейшие технические достижения в непрерывной разливке. Отчёт компании Alumitec, Atlanta // Aлюминий. – 73(1997)10. – С. 685–689. 8. Odok, A. Преимущества и недостатки непрерывного литья полосы из алюминия / A. Odok, G. Thym // Алюминий. – 50(1974)7. – С. 454–456. 9. Odok, A. Технология непрерывного литья полосы из алюминия на немецком языке / A. Odok, G. Thym // Алюминий. – 50(1974)6. – С. 411–414. 10. Фирма Pechiney : отчёты об успехах работы машины Jumbo 3CM // Алюминий. – 74(1998)5. – С. 316, 317. 11. Wieser, D. Влияние условий кристаллизации на свойства полосы из сплава Al-Fe / D. Wieser // Mеталл. – 40(1986)6. – С. 584–591. 12. Szczypiorski, W. Значение покрытия на стальной полосе машины фирмы Hazelett и его усовершенствование / W. Szczypiorski // Технологии алюминиевого литья. Теория и практика. Melbourne, Victoria, Australia, 4-8 July 1993, The Minerals, Metals & Materials Society, USA,1993. 13. Regan, P. C. Последние достижения в области непрерывного литья полосы. Технология прокатки. Воздействие световых лучей на корпус банки из алюминия / P. C. Regan // Light Metal Age. – 1992. – № 50 (1-2). – С. 58–61. 14. Regan, P. C. Описание процессов непрерывного литья алюминиевой полосы на оборудовании Hazelett Twin-Belt и существующих производств для

85

получения алюминиевых сплавов / P. C. Regan // Light Metals RASELM ’91, Tokyo, Oct 1991. – С. 1059–1064; Japan Institute of Light Metals, 1991. 15. Continuus-Properzi предлагает новые линии прокатки алюминиевой катанки мощностью 4 т/ч // Первое отраслевое электронное СМИ. ЭЛ № ФС7728661 RusCable.Ru Энергетика. Электротехника. Связь. – 2012. – 25 марта.

4. ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА ВСПЕНЕННОГО АЛЮМИНИЯ С окисными включениями ведётся упорнейшая борьба на всех стадиях производства. Но такова уж диалектика свойств вещества: нерастворимые в алюминии и наносящие ему вред окисные включения совершенно изменяют свое качество, как только их превращают в наитончайшие пленки. Если жидкий алюминий распылить, получатся более или менее округлые частицы, сплошь покрытые тонкими пленками окиси. Эти частицы (они называются пульверизатом) размалывают в шаровых мельницах. Получаются тончайшие «лепешки» толщиной 0,1 мкм. Если такую пудру предварительно не окислить, то при соприкосновении с воздухом она мгновенно взорвется – произойдет бурное окисление. Поэтому в мельницах необходимо создавать инертную атмосферу с регулируемым содержанием кислорода, и процесс окисления пудры идет постепенно. 3 На первой стадии размола насыпной вес пудры уменьшается до 0,2 г/см , содержание окиси алюминия постепенно увеличивается до 4–8 %. Размол продолжается, мелкие частицы укладываются более плотно, не слипаются между собой, так как к пудре специально добавляют жир, и насыпной вес материала 3 повышается до 0,8 г/см . Окисление происходит достаточно интенсивно, и содержание окиси алюминия достигает 9–14 %. Постепенно жир почти полностью улетучивается, и мельчайшие окисленные частицы «склепываются», сращиваются в более крупные конгломераты. Такая «тяжелая» пудра (в ней содержится до 20–25 % окиси) уже не летит, как пух, ее можно спокойно ссыпать в стаканы. Затем порошок брикетируют в 2 прессах под давлением 30–60 кг/мм и при температуре 550–650 ºС. После этого материал приобретает металлический блеск, он имеет сравнительно высокую прочность, электро- и теплопроводность. Из брикетов можно прессовать, прокатывать, ковать трубы, листы, прутки и другие изделия. Все эти полуфабрикаты именуются САП – по первым буквам слов «спеченный алюминиевый порошок». При содержании окиси алюминия 20–25 % прочность САП достигает мак2 симума – 45–48 кг/мм . Иначе говоря, благодаря окиси прочность алюминия

86

увеличивается в 6 раз. Объясняется это, конечно, не просто присутствием окиси алюминия, а ее дисперсностью, способом наращивания пленки, механизмом ее взаимодействия с алюминием. Чем меньше расстояние между частицами, тем прочнее САП. Благодаря тому что природа дисперсных образований в обычных стареющих алюминиевых сплавах и в САП различна, эти материалы очень различаются и по своим o свойствам. САП сохраняет высокую прочность (до 500–600 C), а все алюминиевые сплавы при этой температуре переходят в полужидкое или вязкое соo стояние. Тысячи часов при температуре до 500 C в общем мало сказываются на прочности САП, потому что взаимодействие окисных частиц и алюминиевой матрицы мало меняется после нагрева. Сплавы же алюминия при таком испытании совершенно теряют прочность. САП не нуждается в закалке, по коррозионной стойкости он близок к чистому алюминию. По электропроводности и теплопроводности этот материал ближе к чистому алюминию, чем стареющие сплавы такой же прочности. Характерная особенность САП – адсорбция огромного количества влаги разветвленной поверхностью окисленных частиц. Поэтому САП необходимо хорошо дегазировать в вакууме, нагревая материал до точки плавления алюминия. Из САП изготовляют поршни двигателей, работающих при температуре до 400 и o даже 450 C, материал этот перспективен для судостроения и химического машиностроения. Если в качестве исходного материала используются порошки алюминия или его сплавов, которые смешиваются с порофором (при нагреве это вещество выделяет газ), например гидридом титана, и затем уплотнить путём горячего прессования, можно получить заготовку в виде прутка или профиля. Заготовка внешне не отличается от обычного металла и может в дальнейшем деформироваться в полуфабрикат прокаткой или прессованием в зависимости от вида конечного вспененного изделия. Полученный полуфабрикат подвергают нагреву для вспенивания, газ образует в металле пенную структуру. После достижения желаемого увеличения объема процесс заканчивается охлаждением материала, и пенная структура стабилизируется с закрытыми порами. Полученный продукт и есть пеноалюминий. Этот материал обладает целым рядом замечательных свойств: теплоизоляционных и звукопоглощающих. При деформации он ведет себя нелинейно, что характерно для пористых структур. Это свойство может быть использовано для демпфирования удара. Как и вспененные пластмассы, металлические пены обладают отличными энергоабсорбирующими свойствами, но на более высоком уровне прочности. Среди его преимуществ по сравнению с пластмассами негорючесть и рециклируемость, хорошая обрабатываемость пилением, сверлением, фрезерованием, обточкой. В отличие от ячеистых бетонов и древесностружечных плит у пеноалюминия низкая гигроскопичность (1–3 %), что обусловливает морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Его не нужно пропитывать антисептиками и антипиренами. На его поверхность 87

свободно наклеиваются различные декоративные материалы, он хорошо воспринимает краску. Плотность этого материала находится в диапазоне от 0,9 до 3 1,2 г/см , что соответствует пористости от 55 до 67 %. Пеноалюминий стал привлекательной областью исследования как с научной точки зрения, так и перспективы промышленного применения.

4.1. Технологии производства вспененного алюминия Первые серьезные попытки создать металлическую пену проводились в 1950-х гг. Тем не менее, ни один из процессов, доступных сегодня и в прошлом, не сравним с производством полимерной пены. Основным недостатком остаётся сложность в изготовлении пен постоянного качества, с заранее определенными параметрами. Несмотря на это активный интерес к этому материалу проявляют производители военной техники, судостроители и железнодорожники. Материал можно использовать в машиностроении, энергетике и системах безопасности. Декоративные свойства пеноалюминия используют дизайнеры для оформления промышленных выставок и создания мобильных объектов. Предприятия готовы его покупать, но им нужен продукт гарантированного качества, при этом его стоимость не должна превышать стоимость альтернативных материалов «в разы». В настоящее время существую следующие виды технологии получения вспененного алюминия. 4.1.1. Порошковая технология производства пеноалюминия В качестве исходного материала используются порошки алюминия или его сплавов, которые смешиваются с порофором (при нагреве это вещество выделяет газ), например гидридом титана. Доля порофора составляет обычно менее 1 %. Подготовленная смесь уплотняется путем горячего прессования, во время которого выделяемый газ образует в металле пенную структуру. После достижения желаемого увеличения объема процесс заканчивается охлаждением материала, и пенная структура стабилизируется с закрытыми порами Полученная заготовка имеет вид прутка или профиля, она внешне не отличается от обычного металла и может в дальнейшем деформироваться в полуфабрикат прокаткой или прессованием в зависимости от вида конечного вспененного изделия. 3 Плотность пеноалюминия может составлять от 0,4 до 1 г/см . Для изготовления фасонных деталей используется различная техника вспенивания. Например, для получения деталей сложной формы, близкой к конечному изделию, применяются полые стальные, разборные формы, в которые закладывается определенное количество порошка металла, смешанного с порофором. При нагреве пена заполняет свободное пространство формы, и после охлаждения получа-

88

ется желаемая деталь с закрытой пористостью. Примерно так же можно изготовить заполненные пеной полые профили или трубы, в результате чего при малой массе значительно повышаются жесткость деталей и их энергоабсорбирующие свойства. Можно также изготовить трехслойные (сэндвичевые) структуры, в которых внешние слои состоят из сплошного металла (например, алюминиевого сплава), а сердцевина – из пеноалюминия. Путем деформирования перед вспениванием многослойной заготовки в трехмерный полуфабрикат получают также легкие сэндвичевые конструкции сложной формы. На сегодняшний день более распространённой и совершенной является следующая технология (рис. 4.1). Процесс начинается с перемешивания металлических порошков с порошкообразным пенообразователем. В качестве пенообразователя могут быть использованы TiH2, ZrH, карбонаты Ca, Ka, Na, гидроксид сульфата Al, гидроксид Al или вещества, которые быстро испаряются. К ним относятся соединения ртути или пыль органических веществ.

Рис. 4.1. Схема изготовления вспененных изделий с применением технологии вспенивания порошковых смесей

Затем производится горячее прессование экструзией или прокаткой при о температуре 350–450 С, во время которого частицы металлических порошков оплавляются, а пенообразователь выделяет газ. Процесс требует точного соблюдения времени выдержки, после которой нагрев должен отключаться, иначе образование пеноматериала нарушится. По окончании процесса образуются поры размером 1–5 мм. Разновидностью этой технологии является изготовление пористых изделий по выплавляемым моделям (рис. 4.2). В готовую оболочковую форму, изготовленную по традиционной технологии оболочкового литья, вводится порошкообразный полимерный материал. За-

89

тем производится прокалка оболочки, во время которой происходит образование пустот и частичное оплавление полимера. После прокалки оболочки производится заливка металла под давлением, во время которой в металле образуются поры за счёт разложения порообразователя, и незначительная часть его остаётся в металле в виде микроскопических включений. Дальнейшие операции полностью соответствуют процессу получения отливок по выплавляемым моделям.

а

б

в

г

90

Рис. 4.2. Схема процесса получения вспененного изделия с применением оболочковых форм: а – засыпка оболочки полимерным материалом; б – прокалка оболочки; в – заливка оболочки металлом под давлением; г – разрушение оболочки

Эта технология позволяет получать изделия любой формы, с высокой точностью размеров и с высокой чистотой поверхности. Пористость может достигать 98 %. Единственный недостаток процесса – высокая стоимость. 4.1.2. Вспенивание жидких металлов Металлические вспененные металлы могут быть получены путём создания в нём пузырьков за счёт закачки газа (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема процесса вспенивания жидкого металла

Для стабилизации процесса образования пузырьков газа в расплав вводятся мелкодисперсные частицы оксидов Al, Mg, Si, иначе вдуваемый газ может быстро покинуть расплав. Газ вводится с помощью специального ротора. Объёмная доля получаемых пор составляет 10–20 % с размерами 5–20 мкм. Полученная смесь вязких пузырьков и металлического расплава всплывает на поверхность, образуя достаточно прочную пену, которая стекает на специальный конвейер, где она приобретает необходимую форму и окончательно затвердевает. Этот способ позволяет изготавливать плиты толщиной 200 мм и шириной 3 1 000 мм, прутки диаметром 5–20 мм с относительной плотностью 0,03–0,1 г/см . Вспенивание металла газом является самым дешёвым способом производства пеноалюминия. Изготовление пенопанелей можно производить со скоростью до 900 кг/ч с 3 плотностью 0,069–0,540 г/см и размером ячейки 50–85 мкм. Эти параметры можно регулировать путём изменения скорости вращения ротора и величины давления, подаваемого газа. На рис. 4.4 показана неравномерность распределения плотности по толщине панели. Неравномерная плотность пеноалюминия из-за невозможности равномерного распределения ячеек по всему объёму является серьёзным недостатком

91

этого метода и приводит к необходимости применения механической обработки, которая трудновыполнима из-за высокого содержания керамических частиц. Его достоинство в том, что возможна организация непрерывного высокопроизводительного производства пеноалюминия низкой плотности.

Рис. 4.4. Неравномерность плотности пеноалюминия по толщине панели

В настоящее время применяется более совершенная технология вспенивания жидких металлов. Примером является канадская компания Cymat Aluminium, которая начала производство пеноматериалов по лицензии фирмы Alcan International на своей новой линии в г. Кингстон (Канада). Используется способ компании Norsk-Hydro: в расплав алюминия с частицами оксида алюминия и карбида кремния вдувается газ с помощью импеллера. Возникающая на поверхности пена снимается конвейерной лентой в виде вспененной плиты, пористость которой может варьироваться от 80 до 97 %. Начальная цена материала – 11 дол./кг. Фирма Alcan использует до 15 % керамических частиц с целью стабилизации пеноматериала и предотвращения его разрушения, Cymat контролирует плотность пеноматериала с погрешностью 0,5 % от заданной. 4.1.3. Вспенивание расплава с помощью пенообразователя На первом этапе при достижении расплавом алюминия температуры 680 С, в него добавляется 1,5 % (от массы расплава) металлического Ca, затем производится перемешивание всего расплава в течение нескольких минут, во время которых его вязкость увеличивается из-за образования окислов, таких, как CaAl2O4 или интерметаллидов. По достижении оптимальной вязкости расплав сливают в необходимую форму и добавляют 1,6 % гидрида титана, который действует как пенообразователь в соответствии с реакцией (рис. 4.5): о

92

TiH2 → Ti + H2

Рис. 4.5. Схема процесса изготовления изделий из пеноалюминия, полученного с помощью пенообразователя

Расплав начинает расширяться и вспениваться. Процесс занимает определённое количество времени. Так, например, для объёма расплава 0,6 м3 он длится 15 мин, после чего полученный продукт может быть извлечён из формы. Пена, изготовленная по этой технологии, имеет равномерную пористую структуру и при её изготовлении не требуется ввода керамических частиц, из-за которых она становится хрупкой. Он является более дорогим, так как требует применения более дорогих материалов и обладает низкой производительностью. Его разновидностью является технология, при которой вместо CaAl2O4 и TiH2 применяются CaCO3 и CaF2. Она позволяет при меньшем количестве пор получать ту же плотность. Этот способ применяется с 1986 г. японской компанией Amagassaki, изготавливающей до 1 000 кг пены в сутки, а недавно китайская компания Jiangu Tianbo построила в Нанкине перерабатывающий завод по этой технологии.

4.2. Свойства и применение металлических пен Металлические пены в зависимости от строения пор обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, которыми не обладают другие материалы. Они хорошо поглощают звук, шум, нетоксичны, коррозионностойки. Кроме того, обладают хорошим демпфирующим свойством, высокой жёсткостью, универсальной теплопроводностью. Таким образом, они являются многофункциональными и в зависимости от строения пор находят разное применение (рис. 4.6). Исследования показывают, что пеноалюминий может применяться для изготовления дверей и корпуса автомобиля, для напольных покрытий, корпусов электронных устройств, для изготовления кораблей, зданий в аэрокосмической промышленности и гражданском строительстве. На рис. 4.7 показаны примеры применения пеноалюминиевых панелей.

93

Рис. 4.6. Области применения пеноматериалов в зависимости от строения их пор

а

б

Рис. 4.7. Примеры применения пеноалюминиевых панелей: а – панель для дверцы автомобиля и напольного покрытия; б – стеновая шумоизолирующая панель корабля

94

Пеноалюминий отличается от всех других материалов двумя важными свойствами: относительно высокой жёсткостью и низкой плотностью. Это преимущество становится очевидным, когда величину напряжения изгиба учитывают в зависимости от веса. Распределение массы клеточных структур повышает общий момент инерции материала, что даёт гораздо более высокую удельную жёсткость на изгиб и сжатие, чем соответствующий вес сплошного металла. По этой причине конструкции из пеноалюминия, одинаковые по весу с конструкциями из сплошного материала, гораздо прочнее. Алюминиевые пены успешно используются для защиты от удара, повышения жесткости полых профилей, изготовления негорючих фасадных элементов зданий и легких и огнестойких кабин лифтов, в производстве теплостойких демпфирующих материалов, для упрочнения анкеров в бетонных стенах. Наибольший интерес к пеноалюминию проявляют иностранные автомобилестроители, особенно к сэндвичам из алюминиевых листов с алюминиевой пеной внутри (AFS – Aluminium Foam Sandwich). Такой материал обладает высокой удельной жесткостью, малой термической и электрической проводимостью, не горит и хорошо подходит для поглощения или демпфирования энергии. Алюминиевые сэндвич-панели были разработаны совместными усилиями немецкого автопроизводителя Karmann в Оснабрюке и Fraunhofer-Institute в Бремене и в 1998 г. они представили концепт-кар, в котором была наглядно продемонстрирована целесообразность их применения. Низкая масса подобной конструкции уменьшает расход бензина. Кузов на 50 % легче соответствующего стального, но в 10 раз стабильней. Трехмерные многослойные структуры усиливают жесткость рамы, из них можно изготавливать также заднюю стенку кузова и сидения. Карманн предлагает идею безопасного автомобиля XXI в., в котором будут использоваться не плоские алюминиевые элементы, а трехмерные многослойные детали с пеноалюминием – от дверец до сложной группы днища (рис. 4.8). Такие «трехслойные бутерброды» могут достигать до двух метров в длину и около метра в ширину. Такие детали очень легкие и имеют в 15 раз более высокую жесткость, чем обычные листовые конструкции. Заметны преимущества пеноалюминия по шумоглушению при повышенных частотах (более 800 Гц). По количеству пор пеноалюминий превосходит все материалы и поэтому может эффективно применяться для изготовления теплообменников. Пеноалюминий с определённой степенью открытости пор может гасить звук определённой частоты или поглощать звук всех частот. Таким образом, можно поглощать шум автотранспорта, шум в самом транспортном средстве, шум поездов заводов, двигателей и т.д. Кроме того, пеноалюминий не горюч и под действием высоких температур практически не теряет своих прочностных свойств. Из-за высокой коррозионной стойкости он активно применяется в фильтровальном оборудовании. Как и вспененные пластмассы, металлические пены обладают отличными энергоабсорбирующими свойствами, но на более высоком уровне прочности. Среди его преимуществ по сравнению с пластмассами – негорючесть и рецик-

95

лируемость, хорошая обрабатываемость пилением, сверлением, фрезерованием, обточкой, свариваемостью. В отличие от ячеистых бетонов и древесностружечных плит, у пеноалюминия низкая гигроскопичность (1–3 %), что обусловливает морозостойкость и отсутствие трещин при перепаде температур. Его не нужно пропитывать антисептиками и антипиренами. На его поверхность свободно наклеиваются различные декоративные материалы, он хорошо воспринимает краску.

Рис. 4.8. Возможные варианты применения пеноалюминия в конструкции корпуса автомобиля

Разновидностью пеноалюминия является пористый алюминий. Механические свойства этого материала с открытыми порами менее изучены по сравнению с пеноалюминием с закрытыми порами. Плотность этого материала – в 3 диапазоне от 0,9 до 1,2 г/см , что соответствует пористости от 55 до 67 %. Механическое поведение его весьма близко к тому, какое имеют пены с закрытой пористостью: материал обладает высокой жесткостью. Прочность на сжатие соответствует почти тем же значениям, что и у пеноалюминия. Пористый алюминий имеет высокую развитую внутреннюю поверхность, составляющую при 3 2 плотности 1,1 г/см от 1 до 2 м /г. Это свойство может быть использовано в компактных теплообменниках. Акустические характеристики несколько хуже, чем у специальных шумогасящих материалов, однако пористый алюминий имеет много других полезных свойств (негорючесть, высокая стойкость к тем-

96

пературным изменениям, негигроскопичность и др.), которые делают выгодным его применение для шумоглушения. Возможные области применения пористого алюминия аналогичны спеченной бронзе и другим пористым материалам, которые используются уже давно. В их числе следующие: 1) шумоглушители – шумогасящие элементы, изготовленные из неплотно спеченных порошков бронзы или стали, довольно дороги, а пористый алюминий, полученный литейным способом, более дешев и может быть при изготовлении сочленен со сплошным металлом с резьбой. Технические испытания показали, что таким образом достигаются те же результаты, что и у спеченной бронзы; 2) фильтры для отделения твердых частичек, например сажи, от жидкостей или газов; 3) несущие решетки для катализаторов; 4) теплообменники – высокая теплопроводность алюминия предполагает использование пористых конструкций из этого металла с развитой поверхностью для теплообмена между жидкостями, газами или между жидкостью и газом. Фирма ERG Materials & Aerospace (Окленд, США) производит пористый алюминий, который используется в компактных низкотемпературных теплообменниках в аэрокосмической технике. Кроме того, пористые материалы, в том числе алюминий, могут употребляться в качестве накопителей жидкости для последующей ее дозированной подачи, например, в пористых валках, в деталях подшипников скольжения (поры заполняют смазкой). Благодаря своей теплопроводности используется в конструкциях пламягасителей. Исследователи из института в Хемнице, Германия, провели исследование алюминиевого порошка, который вспенивается при нагревании. Пеноалюминий, изготовленный из него, позволит снизить вес кораблей примерно на 30 %. 3 Для среднего размера грузового судна вместимостью в 7 000 м это позволит уменьшить его массу более чем на 1 000 т. Меньшая масса корабля означает большую массу полезного груза, которую он может перевезти. Более легкий корабль будет иметь меньшую осадку судна, что позволит ходить в более мелкой воде. Также уменьшится потребление топлива по отношению к количеству полезной нагрузки. Новый материал легче воды и обладает высоким коэффициентом упругости. Считанные секунды уходят на то, чтобы куб из алюминия начал расширяться и принимать форму губки под влиянием тепла. Секрет такой реакции заключается в составе нового материала – смеси порошков алюминия и гидрида титана, которые расширяются как тесто на дрожжах. Целью исследователей из ЕС, принимавших участие в проекте под названием CREATING, было найти технологический режим создания многослойных листов пеноалюминия. Такие смеси позволяют заменить стальные листы на суднах. Для создания такого листа порошок прессуют в слитки, затем слитки 97

помещают между двумя стальными листами и нагревают в печке. При темперао туре более 650 С материал расширяется и сращивается со стальными листами даже без помощи адгезивных материалов. Тесты доказали упругость и прочность этого материала. Даже под высокой нагрузкой он не ломался, а только деформировался.

4.3. Состояние производства продукции из пеноалюминия за рубежом В настоящее время в мире выпускают не более 1 тыс. т пеноалюминия в год. Опыт применения материала есть на многих рынках, но массово закупать его компании пока не готовы. Во многих областях этот композит имеет безусловные преимущества, но если альтернативные материалы продаются по цене 2 от 80 до 200 дол. за 1 м , то до недавнего времени себестоимость квадратного метра пеноалюминия аналогичной толщины без плакировки составляла более 200 дол. Канадская компания «KOLТЕCH TRADING Ltd.» (Монреаль). По мнению зарубежных фирм, конкурентная цена на плакированный пеноалюминий 2 находится на уровне 150 дол. за 1 м . Достичь же низкой себестоимости можно только выпуская не менее 500–800 т/год. На своем опытном заводе, построен2 ном в Канаде, фирма «Колтек Интернешнл» может производить 1 м /мин, другим фирмам на это требуется не менее получаса. Кроме того, автоматизированная линия, разработанная специалистами «Колтек Интернешнл», может выпус2 кать уже 10 м /мин. При такой производительности нужные объемы вполне достижимы. Стоимость килограмма пеноалюминия, производимого по технологии «Колтек Интернешнл», по расчетам компании, должна составить около 10 дол. Если произвести и продать 10 тыс. т материала, проект окупится уже в течение года. Основным продуктом являются панели толщиной до 9 см, которые могут успешно использоваться в любых передвижных конструкциях. Например, если плита из бетона и арматуры весит около 1,5 т, то плита из пеноалюминия – не больше 30 кг, и поднять ее могут двое рабочих. Из пеноалюминия можно делать двери и бетонные перегородки, лифты и контейнеры, контактные крепления в энергетике, шумозащитные экраны, которые ставят вдоль трасс и открытых участков метрополитена. Существующие панели, как правило, звук отражают, пеноалюминий же его поглощает. Композит может быть использован при изготовлении посуды, ведь свойства материала позволяют достичь равномерного нагревания всех поверхностей кастрюль и сковородок. «Колтек Интернешнл» демонстрирует свою продукцию на профессиональных выставках и чувствует большой интерес со стороны транспортников, военных, строителей. Однако в этих отраслях срок тестирования нового материала (помимо тестов, которые проводит сам «Колтек Интернешнл») составляет не98

сколько лет. Фирма хотела бы найти «быстрые» и емкие рынки, на которых можно было бы продавать продукт сразу. Стадия отработки технологии на опытном заводе должна завершиться в 2012 г., после чего намечено строительство завода, с тем чтобы выйти на рынки США, Европы и т.д. Фирма Neuman Alufoam (Австрия). Эта фирма уже изготавливает из алюминиевой пены корпусные ненагруженные детали автомобилей и гасители бокового удара, которые закладываются в боковые дверцы. Плотность деталей 3 из пеноалюминия – 0,5–0,6 г/см . Отмечается, что закрытая внешняя оболочка, окружающая пористую структуру, обеспечивает многократно более высокую жесткость, чем структуры с открытой пористостью. Фирма выпускает также детали кузова и ходовой части, работающие на изгиб и кручение для усиления их жесткости. Кроме того, пеноалюминий может использоваться в качестве литейных стержней. После литья они остаются в готовой фасонной отливке взамен пустот, которые предусмотрены для облегчения автомобиля, что дает определенные преимущества в прочности и уменьшает затраты на удаление обычных песчаных стержней. Пеноматериалы фирмы в виде профилей прямоугольного сечения используются для амортизаторов дверец легковых автомобилей и аварийных перегородок. В отличие от сотовой конструкции алюминиевого материала пеноалюминий изотропен и может противостоять удару под любым углом. Пеноалюминий применяется в строительстве в виде несгораемых перегородок и облицовочного материала, пожароопасных помещениях (самолетах, отелях, универмагах, промышленных зданиях). На выставке Aluminium в Эссене в 2011 г. была представлена плита из пеноалюминия с прочностью, не уступающей армированному бетону. Среди областей применения таких плит: строительство и архитектура (магазины, киоски, стеллажи, столы, мебель, выставочные стенды, внутренние и внешние фасады, разделительные перегородки, потолки и полы); транспорт и машиностроение (стенки рельсового транспорта, кораблей, системы безопасности и надстроек для легковых автомашин, авиаконтейнеры, троллеи, фундаменты машин, направляющие элементы, шумозащитные колпаки). Wilghelm Karmann GmbH. Это немецкая кузовная фирма запатентовала новую конструкцию алюминиевых панелей-сэндвичей для использования в автомобилестроении. Система называется AFS – Aluminum Foam Sandwich. Сделанные по технологии AFS панели на 50 % легче и на 10 % жестче аналогичных стальных. Специалисты полагают, что в ближайшие годы алюминиевые сэндвич-панели смогут вытеснить до 20 % кузовных элементов. Кроме того, сэндвич-панели обладают отличной звуко- и теплоизоляцией, стойки к механическим воздействиям и могут быть полностью переработаны после окончания срока службы автомобиля. Чтобы продемонстрировать возможности технологии AFS, специалисты фирмы Karmann спроектировали опытный кузов AFB (Aluminum Foam Body). Наружные панели кузова AFB сделаны по сэндвичтехнологии, силовой элемент – алюминиевая рама. Жесткость кузова удалось увеличить на 30 %. Руководитель проекта Вольфганг Туров отмечает, что по99

добным образом можно сделать кузов любого автомобиля – от кабриолета до минивэна. Компания Cymat. Канадская компания Cymat Technologies Ltd производит пеноматериалы по лицензии фирмы Alcan International на своей линии в г. Кингстон (Канада). Используется способ компании Norsk-Hydro: в расплав алюминия с частицами оксида алюминия и карбида кремния вдувается газ с помощью импеллера. Возникающая на поверхности пена снимается конвейерной лентой в виде вспененной плиты, пористость которой может варьироваться от 80 до 97 %. Ориентировочная цена материала – 11 дол./кг. Пеноматериалы фирмы Cymat в виде профилей прямоугольного сечения используются для амортизаторов дверец легковых автомобилей и аварийных перегородок. В отличие от сотовой конструкции алюминиевого материала пеноалюминий изотропен и может противостоять удару под любым углом. Фирма Cymat сотрудничает с компаниями Peugeot и Сitroen в разработке сложных композитных объемных деталей с металлической оболочкой, наполненных пеноалюминием. В 2011 г. компания по2 ставила более 2000 м Alusion для внутренней облицовки стен зала Ванке – центр в Шэньчжэнь Китая (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Зал Ванке – центр в Шэньчжэнь, Китай

Фирма Alulight International GmbH. Эта немецкая фирма выпускает изделия 3 из пеноалюминия под торговой маркой аlulight (плотность от 300 до 1 000 кг/м ), которые используются как корпусные шумозаглушающие детали; электромагнитные экраны в виде настенных и потолочных плит, защищающих от электромагнитных волн частотой от 0,1 до 1 000 МГц, а также корпуса электронных приборов; тепловые экраны. Кроме того, как легкий строительный материал, как несгораемую альтернативу дереву и пластмассам, в виде плит с максималь100

ными размерами 625×625 мм и толщиной от 8 до 25 мм, как гасители удара для автомобильного и рельсового транспорта; шумогасители, работающие в тяжелых условиях (высокая температура, влажность, пыль, вибрация), в стерильных или пожароопасных помещениях (самолетах, отелях, универмагах, промышленных зданиях). Фирма производит сэндвич-панели (рис. 4.10) без клея со следующими характеристиками: размер плиты – максимальный 2 500×1 200 мм, толщина – 9– 80 мм, толщина 1-го слоя – 0,65–10 мм, плоскостность пластины – 1 мм/1 000 мм, 2 допуск по толщине – (±0,8) мм, вес основы – 10,5 кг/м , прочность на изгиб – на 8 % ниже, чем у алюминия с той же толщины, предел прочности – 120 МПа, прочность на сжатие – 4–8 МПа (в зависимости от плотности пор), –6 тепловое расширение – 25∙10 1/K, теплопроводность – 10–15 Вт/(м∙К).

Рис. 4.10. Сэндвич-панель фирмы Alulight AFS GmbH

Рис. 4.11. Примеры изделий по двойной технологии

101

Кроме того, применяя комбинацию технологии порошковой металлургии и технологии вспенивания порошка, фирма может изготавливать изделия, примеры которых показаны на рис. 4.11. Австрийская компания Nanostrucutres Metcomb. Сотовые металлы австрийской компании «Metcomb наноструктур» произведут революцию в автомобилях будущего, аэрокосмической и оборонной отрасли, а также в широком спектре других отраслей промышленности. Благодаря запатентованному интегрированному процессу управления наноструктур, сотовый алюминий Metcomb может быть сформирован в любой форме, что делает его единственным сотовым металлом, который может заменить тяжелые металлы в промышленности. Наноструктура Metcomb – это интегрированная система управления процессом, которая создает сотовый алюминий с обеспечением следующих характеристик: точно выдержанный размер пор; однородная пористая структура; воспроизводимость и стабильное качество; высокое поглощение энергии при постоянной нагрузке; отличная жёсткость к весу; высокое поглощение энергии, независимо от направления удара; экологичность; стабильность формы; нетоксичность; 100 %-я вторичная переработка. Компания рекомендует продукцию, изготовленную по этой технологии к применению в автомобильной, аэрокосмической и оборонной промышленности, в машиностроении и судостроении. Первого мая 2006 г. компания заключила соглашение о разработке технологии изготовления изделий с фирмами BMW, Audi, EDAG и немецким министерством обороны. Foamtech, Ltd-Корея. Компания приобрела ведущие мировые технологии в области производства пеноалюминия. Выпускаемый материал имеет такие характеристики, как ультралегкость, негорючесть, поглощение электромагнитных излучений. Foamtech, Ltd производит вспененный алюминий марки LASOM, который может быть применён в различных отраслях промышленности как материал для невоспламеняющихся внутренних и внешних стен, используемых в строительстве, для звуконепроницаемых стен, полов, как интерьерный материал пассажирских поездов и поезда метро, в транспортных средствах, кораблях, космических кораблях, военной технике. Вспененный алюминий (LASOM) может быть получен из отходов алюминия, обеспечивая, таким образом, утилизацию ресурсов, и не является вредным для организма человека. Пример промышленного применения пеноалюминия – сооружение купола закрытого спортивного сооружения в Сеуле (рис. 4.12).

102

Рис. 4.12. Купол закрытого спортивного комплекса в Сеуле

ERG Aerospace Corporation (США). Фирма была основана в 1967 г. и является создателем технологии изготовления пеноалюминия под названием Duocel для аэрокосмической, оборонной промышленности, производства полупроводников, биомедицинских и научных отраслей.

a

б

Рис. 4.13. Примеры применения пеноалюминия: a – устройство защиты оборудования от микроударов метеоритов в космосе; б – пеноалюминиевые поглотители энергии, применяемые в военной технике

103

До середины 1990-х гг. работа компании была сориентирована для военного применения и включала в себя проектирование и производство важнейших изделий из пеноалюминия для разведывательных спутников, ядерного оружия, межконтинентальных баллистических ракет и других сложных систем аэрокосмической отрасли. С окончанием холодной войны передовые разработки и технологии, разработанные в первые три десятилетия, стали применяться для несекретных военных, промышленных и научных целей. На рис. 4.13 показаны примеры применения продукции фирмы. Япония компания USER CO. LTD. Компания специализируется на изготовлении тонких листов из пеноалюминия SDX (СУПЕР DELUX), которые находят применение для утепления полов в жилых помещениях (рис. 4.14). Характеристики продукции следующие: толщина – 2–8 мм, размеры – от 90×80 до 180×240 мм.

Рис. 4.14. Пример укладки листов из пеноалюминия в качестве утеплителя пола

Рис. 4.15. Процесс изготовления контейнера из пеноалюминия 104

Кроме того, на японских фирмах, производящих пеноалюминий, большое внимание обращено на изготовления контейнеров различного назначения. На рис. 4.15 показан процесс изготовления одной из разновидностей такой продукции. Hangzhou Long Bang Alloy Technology Co., Ltd (Китай). В сотрудничестве с университетом Tsinghua, компания успешно начала изготавливать материалы из пеноалюминия в 2007 г. Они нашли применение в судостроении, автомобилестроении, домостроении, в дизайнерском оформлении зданий и других областях страны. Компания расположена в Tonglu, Ханчжоу является динамично развивающейся, проводит постоянные научные исследования в области производства пеноалюминия. Основными рынками сбыта продукции являются: Северная Америка, Юго-Восточная Азия, Восточной Азии, Западная Европа, Южная Европа, Южная Азия.

Рис. 4.16. Плита из пеноалюминия покрытая рифлёным алюминиевым листом

Выпускаемая продукция соответствует следующим характеристикам: структура пор – закрытая; три диапазона содержания пор – 75~80, 80~85 и 85~90 %; толщина плит – 2~6 мм. Материал обладает звукопоглощающим свойством, водо- и коррозионноустойчив, жаростоек, нетоксичен, хорошо поддаётся вторичному использованию и экологичен. На рис. 4.16 показан пример такого материала, предназначенного для внутренней и внешней отделки зданий. Варианты плит из пеноалюминия с декоративным покрытием для применения в интерьере жилых помещений показаны на рис. 4.17.

105

Рис. 1.17. Образцы изделий на основе пеноалюминия

Фирма Beihai Industrial Co., Ltd, расположенная в г. Шэньчжэнь, произво2 дит плиты из пеноалюминия, облицованные мрамором по цене 88–188 дол. за 1 м . Фирма Foshan Yingzhe Building Material Co., Ltd, расположенная в г. Фошань, изготавливает пеноалюминиевые панели, облицованные тонким листом алюминия, в качестве звукоизолирующего материала. Стоимость одного квадратного метра составляет 20–30 дол. Размеры панелей – 2 440×1 220 мм, толщина – 15–42 мм.

4.4. Изготовление пеноалюминия в России В России технологию производства пеноалюминия впервые в 2003 г. разработал ВИЛС (Всероссийский институт легких сплавов, Москва). Порошковая технология позволяет изготавливать листы и плиты толщиной от 3 до 85 мм, 3 шириной до 1 000 мм. Плотность пеноалюминия может составлять от 0,3 до 2 г/см . В 2003 г. совместно со специалистами Волгоградского алюминиевого завода была изготовлена опытная партия такой продукции. Технология изготовления пористого алюминия была разработана в 2007 г. на кафедре литейного производства УГТУ-УПИ. При содействии УПИ в 2009 г. на КУМЗе была произведена опытная партия деталей из пористого алюминия. Методом кокильного литья были изготовлены круглые слитки диаметром 100 и 200 мм, а также плоские слитки размерами 100×500×800 мм и 200×500×800 мм. После механической обработки и резки были получены пористые диски и плиты различных размеров с двумя видами пор – 0–1,4 и 1,4–5,0 мм. Пористость 106

полученных деталей составляла 52–61 %, плотность материала – от 1,04 до 3 1,38 г/см . Несмотря на преимущества применения новых материалов в машиностроении, строительстве, электротехнике и других отраслях промышленности, технология производства пеноалюминия и пористого алюминия все еще находится на начальной стадии своего становления, и ее необходимо совершенствовать. Изготовление на КУМЗе образцов изделий из пеноалюминия и пористого алюминия позволило определить основные параметры технологии их производства с использованием имеющегося оборудования. Намечено создание специализированных участков по производству пеноалюминия и пористого алюминия на существующих площадях прессового и литейного цехов. В России рынок пеноалюминия имеет хороший потенциал, его широкое применение до последнего времени сдерживалось отсутствием промышленных установок по выпуску этого материала. Но, похоже, скоро это препятствие будет преодолено: в мае 2008 г. правительство Москвы приняло распоряжение о предоставлении во втором квартале 2008 г. бюджетного кредита в сумме 120 млн руб. АНХ ВНИИметмаш им. Целикова для организации серийного производства крупногабаритных деталей из пеноалюминия. В 2010 г. институтом разработан проект линии производства листов из пеноалюминия. Линия содержит: устройство подачи порошковой смеси на нагрев, проходную печь, подогреваемый желоб с роликами, подающими порошковую смесь на компактирование, клеть горячего компактирования прокатной заготовки из порошковой смеси, ножницы поперечной резки компактированной прокатной заготовки на листовые заготовки мерной длины, отводящий рольганг и печь для вспенивания листовых заготовок. Кроме того, линия снабжена устройством упаковки порошковой смеси в оболочку с формой, приближенной к форме прокатной заготовки, включающей два гибочных стана формирования нижней и верхней частей оболочки, со своими разматывателями рулонных полос. В результате реализации проекта будет создана первая в России опытнопромышленная линия импортозамещающего производства панелей из пеноалюминия. На ней будут производиться панели для отделки помещений (стены, потолки, двери), шумопоглощающие экраны вдоль автомагистралей, для строительства и машиностроения, упрочняющие и демпфирующие элементы для автопрома и т.д. Предполагаемый объем производства панелей из ПАЛ – около 5 тыс. т/год, срок реализации проекта – около двух лет, окупаемости – 2,5 года, стоимость проекта – 300 млн руб. Стоимость готовой продукции – 10,0–11,0 дол. США/кг, что ниже зарубежных показателей (15,0 дол. США/кг) на 25¸ 30 %.

107

Литература 1. Banhart, J. // Prog. Матер. Sci. – 2001. – № 47 (1). 2. Åsholt, P. Metal Foams and Porous Metal Structures / Åsholt, P.; ed. J. Banhart, MF Ashby, and NA Fleck. – Bremen, Germany : MIT-Verlag, 1999. – Р. 133. 3. Wood, J. Metal Foams / Wood, J.; ed. J. Banhart and H. Eifert. – Bremen, Germany : MIT-Verlag, 1997. – Р. 31. 4. Prakash O., Sang H. and JD Embury // Mater. Sci. Eng. , A199. – 1995. – Р. 195. 5. Kenny L. D. // Mater. Sci. Forum. – 1996. – Р. 217–222. 6. Simone A. E. and Gibson L. J. // Acta Mater. – 1998. – № 46. – Р. 3109. 7. Beals J. T. and Thompson M. S. // J. Матер. Sci. – 1997. – № 32. – P. 3595. 8. Miyoshi T. // in Ref. 2. – Р. 125. 9. Ma L., Song Z. // Scripta Mater. – 1998. – № 39. – Р. 1523. 10. Shapovalov V. Porous and Cellular Materials for Structural Applications / ed. DS Schwartz et al. – Warrendale, PA: MRS, 1998. – Vol. 521. – Р. 281. 11. Baumgärtner F., Duarte I. and Banhart J. // Adv. Eng. Mater. – 2000. – № 2. – Р. 168. 12. Duarte I. and Banhart J. // Acta Mater. – 2000. – № 48. – Р. 2349. 13. Banhart J. and Baumeister J. // J. Матер. Sci. – 1998. – № 33. – Р. 1431. 14. Höpler T., Schörghuber F. and Simancík F. // in Ref. 2. – Р. 79. 15. Baumeister J. Sandwich Construction 5 / ed. HR Meyer-Piening and D. Zenkert. – Solihull, UK: EMAS Publishing, 2000. – Vol. I. – Р. 339. 16. Banhart J. et al. // Aluminium. – 2000. – № 76. – Р. 491. 17. Seeliger W. // in Ref. 2. – Р. 29. 18. Banhart J. et al. German patent 19,813,176 (1998). 19. Gergely V. and Clyne T. W. // Adv. Eng. Mater. – 2000. – № 2. – Р. 175. 20. Weaire, D. The Physics of Foams / D. Weaire, S. Hutzler. – Oxford, UK: Oxford University Press, 2000. 21. Ip S. W., Wang Y. and Toguri J. M. // Canadian Metallurgical Quarterly. – 1999. – № 38. – Р. 81. 22. Levin, E. M. Phase Diagrams for Ceramists / E. M. Levin, C. R. Robbins, H. F. McMurdie. – Columbus, OH : American Ceramic Society, 1964. 23. Massalski, T. B. Binary Phase Diagrams / T. B. Massalski. – Metals Park, OH: ASM, 1983. 24. Sugimura Y. et al. // Acta Mater. – 1997. – № 45. – Р. 5245. 25. Kaptay G. // in Ref. 2. – Р. 141. 26. Irretier A., Weferling P. and Banhart J. Тo be published. 27. Weigand, P. Untersuchung der Einflußfaktoren auf die pulvermetallurgische Herstellung von Aluminiumschäumen. – Bremen, Germany : MIT-Verlag, 1999. 28. Banhart J. et al. Appl. Phys. Lett. (submitted October, 2000) 29. MF Ashby et al., Metal Foams: a Design Guide. – Boston, MA: Butterworth-Heinemann, 2000. 29. Вспененный алюминий // Уральский рынок металлов. – 2009. – № 11. 30. Каменский рабочий. – 2009. – № 40. – 28 апр. 31. Металлоснабжение и сбыт. – 2003. – № 11. 108

ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ПРИМЕСИ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ЖИДКОГО АЛЮМИНИЯ........3 1.1. Виды примесей............................................................................................3 1.2. Оборудование, снижающее содержание оксидных включений.................5 1.3. Контроль качества жидкого расплава......................................................12 2. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ.................................................................19 2.1. Виды процессов изготовления песчаных форм........................................19 2.1.1. Изготовление форм и стержней с применением химически связанных смесей...........................................................21 2.1.2. Процессы вакуумно-пленочной формовки.....................................26 2.1.3. Изготовление форм по Сейатсу-процессу.......................................27 2.1.4. Формовочное безопочное оборудование фирмы HWS-Sinto...........31 2.1.5. Изготовление форм на линии фирмы DISA....................................32 2.2. Краткая характеристика процессов литья под давлением.......................35 2.3. Методы заливки форм под низким давлением.........................................38 2.3.1. Применение компьютерного моделирования при заливке форм под низким давлением...........................................................38 2.3.2. Заливка отливок под низким давлением.........................................41 2.3.3. Процесс Сosworth............................................................................42 2.3.4. Плавка в тигельных печах...............................................................44 2.4. Метод заливки форм под высоким давлением.........................................44 2.5. Литье выжиманием...................................................................................46 2.6. Литье в кокиль..........................................................................................50 2.7. Литье по выплавляемым моделям............................................................52 2.8. Структура производства отливок..............................................................57 3. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЛЕНТ, ПОЛОСЫ, ФОЛЬГИ............................................................................58 3.1. Сущность процесса литья полосы............................................................59 3.2. Непрерывное литьё алюминиевой катанки...............................................61 3.3. Особенности технологий непрерывного литья полосы............................63 3.4. Распространённые типы машин для непрерывного литья заготовок......67 3.4.1. Машины непрерывного литья заготовки с применением двух цилиндрических роликов........................................................67 3.4.2. Машины непрерывного литья заготовки с горизонтальным направлением литья.........................................................................68 3.5. Технологические особенности литья с применением двух движущихся металлических лент.....................................................75 3.5.1. Литьё полосы по технологии фирмы Hazelett.................................75 3.5.2. Литьё полосы по технологии фирмы Kaiser....................................76

109

3.6. Литьё полосы с применением комбинированных технологий................77 3.6.1. Литьё на оборудовании компании Properzi......................................78 3.6.2. Литьё с применением оборудования компании Rigamonti на фирме Rotary...............................................................................78 3.7. Структура и свойства отлитой полосы....................................................79 3.8. Изменение свойств отлитой полосы при дальнейшей её обработке.........81 4. ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА ВСПЕНЕННОГО АЛЮМИНИЯ...............86 4.1. Технологии производства вспененного алюминия.....................................88 4.1.1. Порошковая технология производства пеноалюминия....................88 4.1.2. Вспенивание жидких металлов.........................................................91 4.1.3. Вспенивание расплава с помощью пенообразователя....................92 4.2. Свойства и применение металлических пен.............................................93 4.3. Состояние производства продукции из пеноалюминия за рубежом........98 4.4. Изготовление пеноалюминия в России...................................................106

110

Учебное издание

ПРОЦЕССЫ ЛИТЬЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ЗА РУБЕЖОМ Учебно-методическое пособие Составители: Кукарцев Виктор Алексеевич Трушкова Татьяна Владимировна

Подготовлено к изданию РИО БИК СФУ

Подписано в печать 18.09.2012. Формат 60х84/16 Бумага офсетная. Печать плоская Усл. печ. л. 6,5. Уч.-изд. л. 7,5. Тираж 100 экз. Заказ № 7998

111