RU2241575C1

RU2241575C1 - Cooling liquid for directed-crystallization casting

Info

Publication number: RU2241575C1
Application number: RU2003118795/02A
Authority: RU
Inventors: А.А. Ганеев (RU); А.А. Ганеев; А.Г. Письмерова (RU); А.Г. Письмерова
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2004-12-10

Abstract

FIELD: foundry.

SUBSTANCE: cooling liquid contains aluminum and alloying elements such as silicon, manganese and iron at next relation, mass %: silicon, 11.1 - 12.3; manganese, 0.1 - 0.3; iron, 0.5 - 0.7; aluminum, 88.3 - 86.7. Presence of silicon and manganese lowers liquid viscosity and promotes increase of convection cooling. Iron content used in range of its solubility in aluminum eliminates process of dissolution of steel bath of crystallizer.

EFFECT: enhanced quality and operational properties of castings.

3 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области литейного производства, а именно к жидкометаллическому охлаждению литейной формы при получении отливок с направленной структурой.The invention relates to the field of foundry, namely, liquid metal cooling of the mold when receiving castings with directional structure.

Методы получения деталей с направленной структурой различаются по способу охлаждения формы и формированию направленного теплоотвода. Известно охлаждение воздухом (А.с. SU 1787678 А1, МКИ В 22 D 27/04, 1993), при котором залитая форма постепенно, при извлечении ее из печи, обдувается потоком воздуха с целью обеспечения направленного градиента температур.The methods for producing parts with a directional structure differ in the method of cooling the mold and the formation of directional heat sink. Air cooling is known (A.S. SU 1787678 A1, MKI B 22 D 27/04, 1993), in which the cast mold is gradually, when it is removed from the furnace, blown by an air stream in order to provide a directed temperature gradient.

Недостатком такого охлаждения являются низкие теплофизические свойства воздуха, как следствие, небольшой градиент температур. Сложность управления процессом и его контроль обусловлены конструктивными особенностями установки для такого способа охлаждения. Данный метод не подходит для получения отливок из никелевых сплавов, которые необходимо заливать и охлаждать в вакууме. Охлаждение формы может быть произведено при помощи водоохлаждаемого поддона-холодильника.The disadvantage of this cooling is the low thermophysical properties of air, as a result, a small temperature gradient. The complexity of the process control and its control are due to the design features of the installation for such a cooling method. This method is not suitable for the production of castings from nickel alloys, which must be filled and cooled in vacuum. The mold can be cooled using a water-cooled refrigerator tray.

Недостатком такого метода является ограниченная область влияния охладителя на процесс формирования структуры. Зона с направленной структурой составляет не более 80% от высоты отливки, так как процесс охлаждения осуществляется через дно формы и по высоте его интенсивность резко снижается.The disadvantage of this method is the limited area of influence of the cooler on the structure formation process. An area with a directional structure is not more than 80% of the height of the casting, since the cooling process is carried out through the bottom of the mold and its intensity decreases sharply in height.

Наиболее эффективным способом охлаждения при направленной кристаллизации является конвективное охлаждение формы расплавом легкоплавкого металла, при котором форма погружается в охлаждающую жидкость с определенной скоростью. Данный способ охлаждения позволяет достичь более высоких скоростей охлаждения по сравнению с приведенными выше методами, позволяет получать детали с лучшими прочностными характеристиками.The most effective cooling method in directed crystallization is convective cooling of a form by a melt of low-melting metal, in which the form is immersed in a cooling liquid at a certain speed. This cooling method allows to achieve higher cooling rates compared to the above methods, allows to obtain parts with better strength characteristics.

Известна охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией (А.с. RU 2146184 С1, МПК⁷ В 22 D 27/04, 2000), содержащая в своем составе алюминий.Known cooling liquid for casting with directional crystallization (A.S. RU 2146184 C1, IPC ⁷ 22 D 27/04, 2000), containing aluminum in its composition.

Недостатком аналога является то, что алюминий постепенно растворяет стальную ванну, происходит насыщение алюминия железом с соответствующим ухудшением охлаждающих свойств алюминия. За счет окисления алюминия в процессе эксплуатации происходит увеличение вязкости и температуры плавления расплава алюминия, что приводит к снижению интенсивности теплоотвода и ухудшению свойств получаемых отливок. Это также приводит к неоднородности структуры и свойств по высоте отливки. Ближе к тепловому узлу отливки наблюдается укрупнение структурных составляющих, увеличение междендритного расстояния.The disadvantage of the analogue is that aluminum gradually dissolves the steel bath, aluminum is saturated with iron, with a corresponding deterioration in the cooling properties of aluminum. Due to the oxidation of aluminum during operation, there is an increase in the viscosity and melting temperature of the aluminum melt, which leads to a decrease in the heat sink intensity and deterioration of the properties of the obtained castings. This also leads to heterogeneity of the structure and properties along the height of the casting. Closer to the casting thermal assembly, structural components are enlarged, and the interdendrite distance increases.

Известна охлаждающая жидкость для литья с направленной кристаллизацией (А.с. RU 2146184 С1, МПК⁷ В 22 D 27/04, 2000), содержащая в своем составе олово.Known cooling liquid for casting with directional crystallization (A.S. RU 2146184 C1, IPC ⁷ 22 D 27/04, 2000) containing tin.

Недостатком аналога является то, что олово является вредной примесью для жаропрочных никелевых сплавов, при попадании в жаропрочный никелевый сплав оно вызывает в дальнейшем, в процессе эксплуатации деталей, снижение жаропрочности и коррозию. Поэтому применение олова в качестве охладителя для получения деталей с направленной структурой из жаропрочных никелевых сплавов затруднено и требует дополнительных конструктивных усовершенствований установки для литья с направленной кристаллизацией. Олово является вредным для здоровья человека элементом.The disadvantage of the analogue is that tin is a harmful impurity for heat-resistant nickel alloys; if it enters a heat-resistant nickel alloy, it causes a further decrease in heat resistance and corrosion during operation of parts. Therefore, the use of tin as a cooler for producing parts with a directional structure from heat-resistant nickel alloys is difficult and requires additional structural improvements of the casting machine with directional crystallization. Tin is an element harmful to human health.

Наиболее близкой к заявляемой жидкости является охлаждающая жидкость для изготовления отливок из сталей и жаропрочных сплавов направленной кристаллизацией (А.с. SU 1668027 А1, МПК⁷ В 22 D 27/04, 1991) на основе алюминия, который содержит в качестве легирующих элементов медь, кремний, германий, лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:Closest to the claimed liquid is a coolant for the manufacture of castings from steels and heat-resistant alloys by directional crystallization (A.S. SU 1668027 A1, IPC ⁷ V 22 D 27/04, 1991) based on aluminum, which contains copper as alloying elements, silicon, germanium, lanthanum in the following ratio of components, wt.%:

Медь 30...32Copper 30 ... 32

Кремний 4...6Silicon 4 ... 6

Германий 0,1...1Germanium 0.1 ... 1

Лантан 0,1...1Lanthanum 0.1 ... 1

Алюминий ОстальноеAluminum Else

Недостатком данного охладителя является содержание в сплаве редких и дорогостоящих элементов лантана и германия, которые также имеют невысокую теплопроводность и теплоемкость и не способствуют увеличению охлаждающей способности сплава.The disadvantage of this cooler is the content of rare and expensive elements of lanthanum and germanium in the alloy, which also have low thermal conductivity and heat capacity and do not contribute to an increase in the cooling ability of the alloy.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение качества и технико-эксплуатационных свойств отливок при литье с направленной кристаллизацией за счет применения в качестве охлаждающей жидкости сплава на основе алюминия.The task to which the invention is directed is to improve the quality and technical and operational properties of castings during casting with directed crystallization due to the use of an aluminum-based alloy as a cooling fluid.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в алюминий в качестве легирующих элементов в отличие от прототипа добавляются кремний, марганец и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:The solution to this problem is achieved by the fact that in aluminum as alloying elements, unlike the prototype, silicon, manganese and iron are added in the following ratio of components, wt.%:

Кремний 11,1...12,3Silicon 11.1 ... 12.3

Марганец 0,1...0,3Manganese 0.1 ... 0.3

Железо 0,5...0,7Iron 0.5 ... 0.7

Алюминий 88,3...86,7Aluminum 88.3 ... 86.7

Температура плавления сплава составляет 575°С. Сплав является эвтектической системой, поэтому он устойчив в жидком состоянии, не расслаивается при высоких температурах.The melting point of the alloy is 575 ° C. The alloy is a eutectic system, so it is stable in the liquid state, does not delaminate at high temperatures.

Кремний и марганец имеют высокую теплопроводность, теплоемкость и плотность, а также обладают низкой вязкостью, что способствует увеличению способности конвективного охлаждения. Кроме того, кремний, марганец и железо значительно дешевле лантана и германия. Количество в сплаве железа соответствует пределу его растворимости в алюминии, что исключает процесс растворения стальной ванны кристаллизатора.Silicon and manganese have high thermal conductivity, heat capacity and density, and also have a low viscosity, which increases the ability of convective cooling. In addition, silicon, manganese and iron are much cheaper than lanthanum and germanium. The amount of iron in the alloy corresponds to its solubility limit in aluminum, which excludes the process of dissolution of the steel mold bath.

Пример конкретного исполнения.An example of a specific implementation.

Охлаждающая жидкость на основе алюминия, содержащая легирующие элементы, кремний, марганец и железо. Составы охлаждающей жидкости приведены в табл. 1.Aluminum-based coolant containing alloying elements, silicon, manganese and iron. The compositions of the coolant are given in table. 1.

Экспериментальные исследования были проведены на установке УВНК-8П.Experimental studies were carried out on the UVK-8P installation.

Шихтовую заготовку (сплав ЖС32ВИ) загружали в индукционную плавильную печь. Керамическую форму на основе электрокорунда изготавливали по выплавляемым моделям. После набора вакуума в плавильной камере до давления 133·10^-3 Па (1·10^-3 мм рт.ст.) производилось включение нагревателей печи подогрева форм (ППФ). Плавка металла производилась в индукционной плавильной печи, расплавленный металл заливается в керамические оболочки через керамическую заливочную воронку. Процесс направленной кристаллизации осуществлялся путем постепенного погружения залитых оболочек в расплав охладителя. Получали образцы с монокристаллической структурой, кристаллографической ориентации [001]. Шихта жидкометаллического охладителя предварительно загружалась в ванну кристаллизатора и расплавляется в ней в специальной вспомогательной печи. В качестве исходных материалов были взяты: алюминий марки А5, алюминиево-кремниевая лигатура с содержанием кремния 18%, алюминиево-марганцевая лигатура с содержанием марганца 8%, железо техническое. В расплавленный алюминий вводили сначала алюминиево-кремниевую лигатуру, алюминиево-марганцевую лигатуру, железо. Затем ванну с кристаллизатором установили в установку УВНК-8П. Скорость погружения формы поддерживалась с точностью ±2 мм/мин.The charge stock (ZhS32VI alloy) was loaded into an induction melting furnace. A ceramic mold based on electrocorundum was made by investment casting. After the vacuum was set in the melting chamber to a pressure of 133 · 10 ^-3 Pa (1 · 10 ^-3 mm Hg), the heaters of the mold heating furnace (PPF) were turned on. Metal was melted in an induction melting furnace, molten metal was poured into ceramic shells through a ceramic casting funnel. The process of directed crystallization was carried out by gradually immersing the filled shells in the melt of the cooler. Received samples with a single crystal structure, crystallographic orientation [001]. The charge of the liquid metal cooler was previously loaded into the mold bath and melted in it in a special auxiliary furnace. The starting materials were: A5 grade aluminum, aluminum-silicon ligature with a silicon content of 18%, aluminum-manganese ligature with a manganese content of 8%, technical iron. First, aluminum-silicon ligature, aluminum-manganese ligature, and iron were introduced into molten aluminum. Then, the bath with the crystallizer was installed in the UVK-8P unit. The immersion speed of the mold was maintained with an accuracy of ± 2 mm / min.

В течение всего процесса на диаграммных лентах пирометрического шкафа автоматически фиксировались все основные параметры. Скорость затвердевания отливки определяли при помощи термопар, установленных на трех уровнях по высоте формы. Скорость движения фронта кристаллизации сплава составила 33-35 мм/мин.During the whole process, all the main parameters were automatically recorded on the chart strips of the pyrometer cabinet. The solidification rate of the casting was determined using thermocouples installed at three levels in height of the mold. The speed of motion of the crystallization front of the alloy was 33-35 mm / min.

Были проведены испытания полученных образцов на кратковременную и длительную прочность. Испытания на кратковременную прочность проводили при 20°С, на длительную прочность - при 1000°С.Tests of the obtained samples for short-term and long-term strength were carried out. Tests for short-term strength were carried out at 20 ° C, for long-term strength - at 1000 ° C.

Использовали образцы цилиндрического типа диаметром 5 мм с начальной расчетной длиной 25 мм. Допускаемое отклонение диаметра рабочей части цилиндрических образцов ±0,02 мм, параметр шероховатости R_a<0,63 мкм. Биение цилиндрического образца при проверке в центрах не должно превышать 0,02 мм. Допускаемое отклонение по величине площади поперечного сечения не должно превышать ±0,05%.Used cylindrical samples with a diameter of 5 mm with an initial design length of 25 mm. The permissible deviation of the diameter of the working part of the cylindrical samples ± 0.02 mm, the roughness parameter R _a <0.63 μm. The runout of a cylindrical sample when checking at the centers should not exceed 0.02 mm. The permissible deviation in the value of the cross-sectional area should not exceed ± 0.05%.

Определение предела прочности проводили по ГОСТ 1497-73 на испытательной машине УТМ-20 при комнатной температуре.The tensile strength was determined according to GOST 1497-73 on a UTM-20 testing machine at room temperature.

Для определения длительной прочности при 1000°С образец, установленный в захватах испытательной машины и помещенный в печь, нагревали до заданной температуры (время нагрева должно быть не более 8 часов) и выдержали при этой температуре в течение 1 часа.To determine the long-term strength at 1000 ° С, the sample installed in the grips of the testing machine and placed in the furnace was heated to a predetermined temperature (heating time should be no more than 8 hours) and kept at this temperature for 1 hour.

Для измерения температуры образцов на концах их рабочей части были установлены две термопары.Two thermocouples were installed at the ends of their working part to measure the temperature of the samples.

После нагрева образца и выдержки при заданной температуре к образцу плавно прикладывали нагрузку. После разрушения образца определили: относительное удлинение δ и относительное сужение Ψ.After heating the sample and holding at a given temperature, a load was smoothly applied to the sample. After the destruction of the sample was determined: elongation δ and relative narrowing Ψ.

Параллельно проводились испытания образцов, отлитых по базовому технологическому процессу с использованием в качестве охлаждающей жидкости алюминия марки А5.At the same time, tests were carried out on samples cast according to the basic technological process using aluminum grade A5 as a coolant.

Результаты испытаний представлены в табл. 2 и 3.The test results are presented in table. 2 and 3.

Колебания состава охладителя в указанных пределах не оказывают значительного влияния на коэффициент конвективной теплоотдачи и скорость кристаллизации (табл. 2). Уменьшение содержания Si ниже 11,1% вызывает резкое увеличение вязкости сплава, что приводит к ухудшению охлаждающей способности и снижению скорости кристаллизации.Fluctuations in the composition of the cooler within the indicated limits do not significantly affect the convective heat transfer coefficient and crystallization rate (Table 2). A decrease in the Si content below 11.1% causes a sharp increase in the viscosity of the alloy, which leads to a deterioration in cooling ability and a decrease in the rate of crystallization.

Увеличение содержания Mn выше 0,3 приводит к выделению Mn в виде закристаллизовавшихся частиц, что отрицательно влияет на вязкость сплава, а также на способность конвективного переноса тепла. Увеличение содержания железа выше 0,7 приводит к увеличению вязкости и снижению теплопроводности сплава.An increase in the Mn content above 0.3 leads to the release of Mn in the form of crystallized particles, which negatively affects the viscosity of the alloy, as well as the ability of convective heat transfer. An increase in iron content above 0.7 leads to an increase in viscosity and a decrease in the thermal conductivity of the alloy.

На образцах, полученных с применением сплава на основе алюминия, наблюдается уменьшение междендридного расстояния, снижение объемной доли микропор, измельчение, более равномерное распределение упрочняющих интерметаллидных фаз. Это способствует более эффективной блокировке подвижных дислокаций и, следовательно, повышению прочности. Также наблюдается измельчение и глобулизация карбидов, что приводит к повышению пластичности.On samples obtained using an aluminum-based alloy, there is a decrease in the interdendrite distance, a decrease in the volume fraction of micropores, grinding, a more uniform distribution of hardening intermetallic phases. This contributes to a more efficient blocking of mobile dislocations and, consequently, an increase in strength. Grinding and globularization of carbides is also observed, which leads to an increase in ductility.

Таким образом, испытания образцов с использованием предлагаемой охлаждающей жидкости показали, что прочность и жаропрочность сплава ЖС32ВИ при 1000°С повышается на 12-17% (табл. 3).Thus, tests of samples using the proposed coolant showed that the strength and heat resistance of the alloy ZhS32VI at 1000 ° C increases by 12-17% (table. 3).

Claims

Cooling liquid for casting with directional crystallization based on aluminum, containing alloying elements, characterized in that silicon, manganese, iron are taken as alloying elements in the following ratio of components, wt.%:

Silicon 11.1-12.3

Manganese 0.1-0.3

Iron 0.5-0.7

Aluminum 88.3-86.7