Сплав АЛ11

Сплав АЛ11 (АК7Ц9)

Плотность =2940 кг/м³

Предел прочности  на разрыв (Н/мм²) =250 (Н/мм²) 

Т_sol=570^oC

T_liq=662^oC

∆T_кр=92 

Основной химический состав

 

Допустимое содержанее примесей (не более%) 
 
 
 
 
 

1. Анализ процесса взаимодействия сплава с газами 
 
 
 

1.1.Оценить возможность образования в отливке дефектов, обусловленных взаимодействием сплава с водородом, кислородом и другими газами 

При взаимодействии сплава с газами (Н, О₂, N ) возможно образование следующих дефектов: газовая пористость, газовые раковины, неметаллические включения.

    Взаимодействие  с газом может протекать по эндотермической и по экзотермической реакции. Взаимодействие водорода со сплавом протекает по экзотермической и эндотермической реакциям. В данном случае водород взаимодействует по эндотермической реакции. Это приводит к образованию в сплаве раствора водорода, а в дальнейшем при кристаллизации возможно образование газовой пористости или газовых раковин.

    С кислородом, все металлы взаимодействуют  по экзотермической реакции, при этом образуется окислы. Окислы образуют в отливках дефекты в виде окисных плёнок и окисных частиц.

    Образующиеся  в отливке перечисленные дефекты  резко снижают эксплуатационные свойства детали ( механические свойства, герметичность, коррозиестойкость ).

    Данные  дефекты литья можно избежать путём: плавки металла в вакууме, плавки под слоем защитного флюса или плавкой в нейтральной среде. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.2. Предложить теоретически обоснованные мероприятия, направленные на предупреждение насыщения водородом сплава в процессе его приготовления. 

    Источником  насыщения водородом в сплавах  является влага, которая может находиться:

    - в  воздухе

- на поверхности  плохо просушенного плавильного инструмента или плавильной печи

- на поверхности  шихты

Для предупреждения насыщением водородом сплава применяют  следующие меры:

 Так как основное количество водорода в процессе плавки сплав получает из влаги содержащейся на поверхности шихты, плавильного инструмента и атмосферы печи. Необходимо просушить шихтовой материал также необходимо просушить плавильный инструмент, печь и тигель. Для того, что бы в процессе плавки расплав не взаимодействовал с атмосферой печи, плавку  следует производить под покровом защитного флюса. 

    1.3. Предложить теоретически обоснованный метод дегазации сплава перед заливкой.

Дегазация путём диффузионного  удаления водорода.

     Обработка нейтральными ( Ar, N₂ ) или активными ( CL₂ ) газами.

Нейтральный газ  не должен содержать водяных паров. В начальный момент образования пузырька нейтрального газа парциальное давление водорода в нём приблизительно равно нулю, поэтому расплав по отношению к пузырьку газа является пересыщенным раствором и водород диффундирует из расплава в пузырёк, поднимается с ним на поверхность и удаляется из металла.

                       

                      H 

       H                          H 

                        Ar 
 

        

                       H 

    CL₂ является активным газом взаимодействующим с жидким металлом, чистый CL при дегазации не используется т.к. он является отравляющим веществом. Поэтому применяются хлористые соли .

    Например  MnCl₂:

     3MnCl2+2Al→2AlCl3↑+Mn 

    Эта соль наиболее удобна в применения вследствие её меньшей гигроскопичности (по сравнению с ZnCl2, AlCl3) . Её достаточно просушить в сушильном шкафу при температуре 110-115С. Обычно в сплав вводят 0,05-0,1% соли к массе расплава. Соль вводится в расплав при температуре 710-730С при помощи колокольчика. Операцию рафинирования считают законченной после прекращения выделения пузырьков газа. После рафинирования с поверхности расплава снимают шлак, сплав выдерживают не менее 5-10минут перед заливкой в формы. 

    1.4. Написать инструкцию по определению содержания водорода в сплаве методом первого пузырька.

    Метод первого пузырька ( метод МАТИ ) используется для определения содержания водорода в расплаве перед заливкой отливок. Является экспресс методом, определяющим качество обработки расплава и вероятность  образования пористости.

    

    Установка типа МАТИ состоит из следующих элементов: герметичного вакуумного котла с корпусом 7 и крышкой 5, в которой имеется смотровое окно 3; электропечи сопротивления 6 с тиглем 4 (стальной с обмазкой или корундовый); хромель-алюмелевой термопары 2 с диаметром проволоки 0,5—0,8 мм, на которую надевают керамический чехол диаметром 5—7 мм, длиной 50 мм; регистрирующего прибора 8; форвакуумного насоса 1 типа ВН-461, РВН-20 или ВН-494; механического манометра 11 со шкалой от 0 до 101,08 -103 Па (0—760 мм рт.ст.) для грубого замера давления; стеклянного U-образного манометра 12 со шкалой от 0 до 26,6*103 Па (0—200 мм рт. ст.) для более точного замера давления 

      Содержание  водорода в пробе металла  в см3 на 100 г металла рассчитывают как среднее арифметическое двух параллельных определений по таблицам или номограммам, полученным по формуле

    Lg S = -A/T+B+1/2•Lg P_атм 

    где Т — температура расплава, замеренная в момент появления первых пузырьков  на поверхности зеркала расплава; Р — давление над металлом, Па, замеренное в момент появления первых пузырьков на поверхности зеркала расплава. 

    Исследуемый металл помещают в вакуумную камеру, электро-печь поддерживает температуру  металла = 700-750⁰С, в камере создаётся разряжение, через линзу наблюдают образование первого пузырька, при это фиксируют температуру металла, в градусах кельвина и давление в вакуумной камере по этим показателям рассчитывают концентрацию водорода которая в этот момент равна его растворимости. 
 

    1.5. предложить теоретически обоснованные мероприятия, направленные на предупреждение взаимодействия сплава с кислородом в процессе его приготовления и заливки. 

    1) Плавка в вакууме  ( отсутствие кислорода  ).

    2) Плавка в среде  нейтральных или  защитных газов.

    Исключается процесс окисления, нейтральные газы ( Ar и N ) создают над поверхность расплава нейтральную среду ( атмосферу предупреждающую окисление ).

    Также можно использовать защитные газы они  образуют на поверхности расплава плотную  плёнку. Используются: смесь аргона с фреоном, углекислый газ, сернистый газ (SO₂), элегаз ( SF₆ ).

    3) Плавка под слоем  флюса.

    Исключается взаимодействие расплава с атмосферой. К флюсу должны предъявляться  следующие требования:

    А) Температура плавления флюса  должна быть ниже температуры плавки металла приблизительно на 100-200⁰С ( т.к. он должен находиться в жидком состоянии чтобы равномерно покрывать всю поверхность расплава )

    Б) Флюс должен создавать герметичный  защитный слой на поверхности металла.

    В) Флюс не должен вступать в химическое взаимодействие с расплавом.

    Г) Флюс не должен взаимодействовать с  материалом тигля и футеровкой печи.

    Д) Флюс не должен быть летучим при  температуре плавки

    Е) Флюс должен иметь в расплавленном  состоянии высокую вязкость, позволяющую  легко удалять его с поверхности  расплава.

    Ж) Флюс не должен быть гигроскопичным, для  того чтобы он не вносил влагу в  расплав.

    4) Защитное легирование.

    Применяется в том случае, если не образуется окисная плёнка на поверхности расплава. То в расплав вводят элемент имеющий большее сродство к кислороду и образующий защитную оксидную плёнку.

    В результате происходит выборочное окисление  расплава и на поверхности образуется защитная плёнка на основе легирующего  элемента. 
 
 

    1.6. Предложить теоретически обоснованный метод рафинирования ( при необходимости раскисления ) сплава перед заливкой. 

    Поскольку при адсорбции водород с Al2O3 образует комплекс, все методы рафинирования направлены на удаления из расплава одновременно и водорода и Al₂O₃.

    Эффективная очистка сплава от водорода приводит к очистке его и от окисных плен, и наоборот. 

2 Анализ процессов формирования кристаллического строения отливки. 
 

    2.1. Дать описание  структуры сплава  отливки в литом  и термообработанном  состоянии              

    Структура состоит из твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики. Благодаря большому количеству эвтектики силумины отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью и герметичностью.

    Отличительной особенностью структуры силуминов  является игольчатое строение эвтектики у немодифицированных сплавов. Обладая высокой хрупкостью, кремний игольчатой формы способствует зарождению и распространению трещин, из-за чего прочностные свойства сплавов с такой структурой низкие.

      
 
 

    2.2. Описать возможные  изменения структуры  сплава вследствие  развития внутрикристаллической ликвации 

     Ликвация  – неравномерное распределение  одного или нескольких компонентов  среди других компонентов сплава, вызванное медленно протекающим  процессом выравнивающей диффузии. Внутри- кристаллическая ликвация (ВКЛ) возникает только при кристаллизации сплава в интервале температур с образованием твердого раствора.

     При возможном развитии внутрикристаллической  ликвации будет наблюдаться неравномерное  распределение легирующих элементов  по сечению растущего кристалла, оно будет изменяться от минимума у центра кристалла до максимума на его границе.

     Сплав АЛ11имеет интервал кристаллизации 92С^о. Следовательно вероятность образования внутрикристаллической ликвации в этом сплаве довольно высока.

     При возможном развитии внутрикристаллической ликвации будет наблюдаться неравномерное распределение легирующих элементов по сечению растущего кристалла, оно будет изменяться от минимума у центра кристалла до максимума на его границе. Таким образом, в данном сплаве по границам зерна основного металла (алюминий) возможно выделение фаз кремния и цинка. 

2.3 Используя справочные  материалы определить  гарантируемые значения  основных механических  свойств отливки  в литом состоянии  и после термической  обработки по стандартным  режимам. Объяснить  влияние термической обработки на структуру и

механические  свойства сплава. 

Сплавы с высоким содержанием Zn (свыше 3%) систем Al-Si-Zn (АЛ11) имеют повышенную плотность и пониженную коррозионную стойкость, но обладают хорошими литейными свойствами и могут применяться без термической обработки.