Марка сплава: АК12М2

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Общая характеристика  и области применения сплава………………….3

2. Физические, литейные, механические и другие свойства  сплава……...6

3. Расчет теоретической  плотности сплава………………………………...7

4. Характеристика шихтовых  и вспомогательных материалов для получения сплава. Расчет шихты…………………………………………..…... 9

5. Расчет количества  теплоты, необходимой для нагрева,  расплавления и перегрева 1 тонны  сплава до температуры литья……………………………...11

6. Выбор плавильного агрегата и разработка технологии приготовления сплава……………………………………………………………………………..13

6.1. Выбор плавильного  агрегата и его характеристика…………………13

6.2. Разработка технологии  получения сплава  АК12М…………………16

Список используемой литературы………………………………………...19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Общая характеристика и области применения сплава.

 

Алюминий  обладает кубической гранецентрированной  кристаллической решеткой и не испытывает аллотропических превращений. Он имеет небольшую плотность (2,7 г/см³), невысокую температуру плавления (660 °С), обладает высоким относительным удлинением при растяжении (до 60 %), хорошей электропроводностью и высокой удельной прочностью. Алюминий имеет большую объемную усадку кристаллизации (6,5 %) и большую линейную усадку (1,7 %); он легко окисляется с образованием плотной защитной оксидной пленки из А1₂О₃. Алюминий широко применяют в электротехнике, авиации, пищевой промышленности, в автомобилестроении, в строительстве.

ГОСТ 11069—74 предусматривает  выпуск первичного алюминия 13 марок, различающихся  содержанием примесей (табл. 27). Алюминий выпускают в виде чушек массой 5, 15, 1000 и 2000 кг. Основными примесями алюминия являются железо и кремний. С железом алюминий взаимодействует с образованием нескольких химических соединений (рис. 29), из которых наиболее богато алюминием FeAl₃. При концентрации 1,8 % железа между алюминием и FеА1₃ при 655 °С образуется эвтектика. Растворимость железа в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет 0,05 %, ниже 400 °С она падает практически до нуля. Поэтому в двойных доэвтектических сплавах железо всегда выделяется в виде включений, фазы FeAl₃, имеющей эвтектическое происхождение или образующейся в результате распада твердого раствора. С кремнием алюминий также взаимодействует с образованием эвтектики при 577 °С. Эвтектика содержит 12,5 % кремния. Растворимость кремния в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет 1,65 %; с понижением температуры до 20 °С она уменьшается до 0,01 % (рис. 30). При одновременном присутствии железа и кремния, кроме фаз, характерных для двойных систем, в структуре могут появляться и сложные тройные соединения (FeAISi) и (FeAISi).

Примеси железа и кремния  оказывают вредное влияние на алюминий. Они существенно снижают его пластические свойства, увеличивают твердость, повышают температуру рекристаллизации. В процессе плавки содержание этих примесей увеличивается из-за взаимодействия  алюминия с огнеупорной футеровкой  и стальным плавильным инструментом.

Кроме примесей, регламентированных ГОСТом, в первичном алюминии в сотых и тысячных долях процента содержатся примеси кальция, натрия, галлия, магния и других элементов. Большинство из них оказывает сложное многостороннее влияние на его свойства. Тысячные доли процента натрия существенно снижают пластические свойства алюминия при 350—400 °С, увеличивают его окисляемость и обусловливают более высокое содержание в нем водорода и оксидных включений. При более высоком содержании натрий вызывает интеркристаллитную коррозию. Совместное присутствие примесей натрия и кальция снижает общую коррозионную стойкость алюминия. Эти примеси ухудшают технологические свойства алюминия: усиливают газонасыщение при выдержке расплавов в атмосфере, содержащей водяные пары; увеличивают склонность к образованию пузырей при отжиге листов; способствуют образованию рыхлых оксидных пленок, легко замешивающихся в расплавы.

Для изготовления отливок  в промышленности используют пять групп литейных алюминиевых сплавов:

I — сплавы на основе системы Al — Si;

II — сплавы на основе системы А1 — Сu — Si;

III— сплавы на основе системы А1 — Сu;

IV— сплавы на основе системы Al — Mg; 
          V — сложнолегированные сплавы

Сплав АК12М2 относится к II группе.

Сплавы II группы в качестве основных легирующих компонентов содержат кремний (4—14 %) и медь (1—8 %). Их широко применяют при изготовлении отливок с повышенной твердостью и прочностью, сохраняющих постоянство размеров в процессе эксплуатации и имеющих высокую чистоту обработанной поверхности — корпусов приборов, автомобильных и тракторных поршней, деталей авиационных двигателей воздушного охлаждения. Сплавы этой группы за счет усложнения состава и более сильного пересыщения _А1 твердого раствора более жаропрочны, чем силумины. Они обладают хорошей жидкотекучестью, малой линейной усадкой, но более склонны, чем сплавы I группы, к образованию усадочной пористости и трещин при затрудненной усадке. Так же как и силумины, сплавы II группы имеют многофазную структуру. Основными структурными составляющими их являются первичные кристаллы твердого раствора _А1, двойная эвтектика _А1 + Si и тройная эвтектика _А1 + Si + CuAl₂ (рис. 36). Кроме того, в зависимости от содержания примесей железа и марганца в число структурных составляющих сплавов входят компактные (Al, Mn, Fe, Si) или игольчатые (Al — Fe — Si) выделения железистой составляющей. В сплавах с магнием выделяется четверная эвтектика _А] + Si + CuAl₂ + Mg,Si. В некоторые сплавы II группы для измельчения зерна вводят титан.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Физические, литейные, механические  и другие свойства сплава.

 

 

Характеристика  материала.

 

Марка :	АК12М2
Классификация :	Алюминиевый литейный сплав
Виды поставки,:   Лист, труба, шестигранник, круг, квадрат, проволока.
Применение:	для изготовления фасонных отливок, поршней  дизелей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический  состав в % материала АК12М2.

Fe	Si	Cu	AL	Примесей
1	11 - 13	2	84	Не более 1

Примечание: Al - основа; процентное содержание Al дано приблизительно; основные лигирующие компоненты: Mg, Mn, Si, Cu, Ni, Ti.

 

Механические  свойства при Т=20^oС материала АК12М2.

Сортамент	Размер	HB	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
		90	190		1,0		4	Старение

 

Твердость материала

HB 10 -1 = 90   МПа

 

Физические  свойства материала АК12М2 .

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20		19		2720

 

 

 

 

 

 

 

 
Литейно-технологические  свойства материала АК12М2

 

Температура литья, °C :	700
Температура ликвидуса	640
Температура солидуса	560
Линейная усадка, % :	1,1
Жидкотекучесть (при 200 С)	267

 
Обозначения:

Механические  свойства :
sв	- Предел кратковременной  прочности , [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной  деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение  при разрыве , [ % ]
y	- Относительное сужение  , [ % ]
KCU	- Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю , [МПа]

Физические  свойства :
T	- Температура, при  которой получены данные свойства , [Град]
E	- Модуль упругости  первого рода , [МПа]
a	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]
l	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
r	- Плотность материала  , [кг/м3]
C	- Удельная теплоемкость  материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 

 

 

3. Расчет теоретической  плотности сплава.

 

Плотность металлов, измеряемая массой в единице объема, необходима для вычисления массы отливок  по их геометрическим размерам, обозначаемых на чертеже. Вычисление массы расплава, заключенной  в плавильной ванне или в тигле, также невозможно без знания плотности этого расплава. В некоторых случаях приходится решать обратную задачу – определить объем расплава по его массе.

Из металлов самым легким является литий, который примерно в два  раза легче воды. Наиболее тяжелые металлы – свинец и золото, имеющие плотность более 19 .

Изменение плотности жидкого металла  или сплава до начала и в процессе кристаллизации предопределяет важнейшие  литейное свойство – объемную усадку, которая проявляется в виде усадочных раковин и пористости (рыхлоты) в теле отливки. В отливках из металлов и сплавов, имеющих отрицательные значения , обнаруживается не усадка, а так называемый рост – выдавливание расплава на поверхность.

Температура плавления

и плотность

 

Металл	Атомная масса	tпл , C	тв, при 20 С г/см3	ж, г/см3	ж,г/см3 tпл +100C
Алюминий	27	660	2,70	2,38	2,35
Кремний	28	1420	2,35	2,53	2,50
Медь	64	1083	8,96	8,00	7,92

Переходя к плотности  сплавов, надо отметить, что сплавы, как в твердом, так и в жидком состоянии не являются совершенными растворами, и сплавление всегда сопряжено с изменением объема. Как правило, отмечается уменьшение объема сплава в сравнение с суммарным объемом чистых компонентов.

Однако для технических  расчетов этим можно пренебречь, и  плотность сплава может быть определена по правилу аддитивности, т. е. по значениям плотности исходных компонентов с учетом их содержания в сплаве из равенства:

где — плотность компонентов сплава при заданной температуре;

 — их содержание в сплаве, %.

Расчет теоретической плотности сплава АК12М2:

 

 — содержание в сплаве ~84%;

 — содержание в сплаве ~2%;

 — содержание в сплаве ~12%;

Теоретическая плотность сплава марки АК12М2

 

 

 

4. Характеристика  шихтовых и вспомогательных материалов  для получения сплава. Расчет  шихты.

 

В качестве шихтовых материалов при плавке используют чистые металлы, возвраты и отходы того же состава, что и приготовляемый сплав, а

также отходы других сплавов. Выбор шихтовых материалов определяется,

а также всего возможностью получения из них сплава заданного  состава, а также технико-экономическими данными: наличием материала, его ценой, возможностью переработки в выбранном плавильном агрегате.

Наиболее низкую цену имеют возвраты и отходы. Однако они, как правило, загрязнены примесями, поэтому из них  составить всю шихту нельзя, так  как удаление примесей по ходу плавки далеко не всегда возможно и целесообразно. Кроме того, в отходах и возвратах часто содержатся неопределяемые примеси, которые ухудшают свойства металла. В связи с этим долю отходов и возвратов в шихте часто задают из условия допустимого содержания оговоренных примесей.

Количество шихтовых материалов определяют путем расчета  шихты. При расчете учитывают  ожидаемые потери металла. Для расчета  шихты необходимо иметь, возможно, более  полный химический анализ всех шихтовых материалов. Ниже приведен арифметический расчет шихты.

Требуется рассчитать шихту  для получения 1000кг расплава. По техническим условиям сплав АК12М2 должен иметь следующее содержание основных химических элементов: Si=11-13%; Cu=2%; Fe=1% примеси 1%; Al – остальное.

Технология плавки: В зависимости от масштаба и специфики производства плавку алюминиевых литейных сплавов ведут в тигельных и отражательных печах, работающих на электроэнергии, жидком или газообразном топливе. Особенно широко применяют электрические индукционные печи.

Химический состав первичных металлов, вторичных сплавов и лигатур должен соответствовать требованиям ГОСТа, или ТУ. В качестве шихты обычно применяют:

1. паспортные чушки марки А0 (ГОСТ 11069-01);
2. Силумин марки СИЛ1 (12% Si , ост Al) (ГОСТ2685-89);
3. Лигатура Al-Cu (57.5% Al).

  Шихта для плавки  алюминиевых сплавов не должна  быть влажной и загрязненной  маслом, эмульсией, землей. Все компоненты шихты, вводимые в жидкий металл, должны быть нагреты до 150...200°С во избежание выбросов металла. В состав шихты входят чушковый первичный алюминий и вторичные сплавы, возврат и отходы. Легкоокисляющиеся элементы вводят в виде лигатур с целью облегчения их растворения и уменьшения угара. Выплавку лигатур лучше всего проводить в индукционных тигельных печах.

 

Для удобства и наглядности расчет ведем на 100кг сплава.

Расчет шихты  с применением лигатуры без учета  содержания примесей: задано  приготовить 1000 кг сплава АК12М2 Средний химический состав сплава – Si=11-13%; Cu=1,5-3%; Fe=1% примеси 1%; Al – остальное.

1. паспортные чушки марки А0 (ГОСТ 11069-01);
2. Силумин марки СИЛ00 (13% Si , ост Al) (ГОСТ2685-89);
3. Лигатура Al-Cu (57.5Cu);

    4) плавка будет производиться в тигельной печи. Угар компонентов: 1% Al; 1% Si; 1% Fe; 1.5% Cu;

Расчет.

 а) алюминия       (84 × 100)/(100-1) = 84,8 кг;

 б) кремния          (12 × 100)/(100-1) = 12,12 кг;

 в) меди                (2 × 100)/(100- 1.5 ) = 2,03 кг;

 г) железа            (1 × 100)/(100- 1 ) = 1,01 кг;

2. Определяем необходимое  количествоАО:

 

82.06/(99/100) = 82,88кг;

б) силумин марки СИЛ1. Расчет ведется по кремнию:

(13 × 93,23)/100 = 12,12 кг

в) лигатура Al-Cu:

(42,5 × 4,77)/100 = 2,02 кг

3. Определяем количество алюминия, которое необходимо  ввести  в чистом виде:

Весь Al вносится в виде лигатур. Алюминий чушковый возможно применять для корректировки состава сплава.

5. Определяем массу  каждой  составляющей  шихты   на  одну  плавку сплава (10000 кг):

паспортные чушки марки  А0                                                      8288кг

Силумин марки СИЛ00                                                                93 23 кг

Лигатура Al-Cu                                                                             477 кг

5. Расчет количества теплоты, необходимой для нагрева, расплавления и перегрева 1 тонны сплава до температуры литья.

 

Количество полезного тепла, затрачиваемого на нагрев, расплавление и перегрев расплава до заданной температуры, кДж

Qобщ = Qраз + Qпл + Qпер

где Qраз количество тепла, необходимое для разогрева сплава до температуры, кДж;

Qпл  количество тепла, затраченного на расплавление металла, кДж;

Qпер  количество тепла, затраченного на перегрев расплава до заданной температуры, кДж.

а) определяем количество тепла, необходимое  для разогрева сплава до температуры:

где  М - масса металла,

Cтв - средняя теплоемкость твердого сплава,

Из закона Дюлонга-Пти

= 213,125 ккал/(кг С)

Ств = 213,125 × 4,18 = 890,9 Дж/(кг×С)

tсол - температура плавления, tсол = 560 С;                                       

начальная температура  сплава, t0 = 20 C

Qраз = Cтв M (tсол – t0) = 890,9×1000 (560 – 20) = 481086 кДж

б) определяем количество тепла, затраченного на расплавление металла:

где средняя скрытая теплота плавления сплава, кДж/кг

 

 

Qпл = q M = = 550,82 ×1000 = 550820 кДж

 

в) определяем количество тепла, затраченного на перегрев расплава до заданной температуры:

где средняя теплоемкость жидкого сплава,

Из закона Дюлонга-Пти  для жидкого состояния:

=(0,22+0,03+0,002)*1000=252 ккал/(кг ×С)      

Cтв = 252 ккал/(кг×С) = 4,18×252 = 1053,36 Дж/(кг С)

  температура перегрева, С;  

Qпер = Cж M (tли – tлик) = 1053,36×1000 (720 – 640) = 84269 кДж.

г) общее количество тепла  необходимого для нагрева, расплавления и перегрева 1000кг сплава:

Qобш = Qраз + Qпл + Qпер = 481086 + 550850 + 84269 = 1116205 кДж

 

 

6. Выбор плавильного агрегата и разработка технологии приготовления сплава.

    6.1. Выбор плавильного агрегата и  его характеристика.

Для производства алюминиевых  сплавов применяют различные  печи. Выбор печи производится в  зависимости от масштаба производства, требований, предъявляемых к качеству выплавляемого металла и целого ряда других факторов.

По виду используемой для плавки сплавов энергии все  плавильные печи делят на топливные  и электрические. Топливные печи подразделяют на тигельные, отражательные к шахтно-ванные. Электрические печи классифицируют в зависимости от способа преобразования электрической энергии в тепловую. В литейных цехах применяют печи сопротивления, индукционные, электродуговые, электронно-лучевые и плазменные.

В электрических печах сопротивления нагрев и расплавление шихты осуществляются за счет тепловой энергии, поступающей от электронагревательных элементов, установленных в своде или в стенках плавильной печи. Эти печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, цинковых, оловянных и свинцовых сплавов.

Индукционные печи по принципу работы и конструкции подразделяют на тигельные и канальные Тигельные печи в зависимости от частоты питающего тока классифицируют на печи повышенной и промышленной частоты (50 пер/с).

Независимо от частоты  питающего тока принцип работы всех индукционных тигельных печей основан  на индуктировании электромагнитной энергии  в нагреваемом металле (токи Фуко) и

превращении ее в тепловую. При плавке в металлических или  других тиглях, изготовленных из электропроводных материалов, тепловая энергия передается к нагреваемому металлу также стенками тигля. Индукционные тигельные печи применяют для плавки алюминиевых, магниевых, медных, никелевых сплавов, а также сталей и чугунов.

 

Для приготовления сплава АК12М2 выбираем индукционную тигельную печь марки ИАТ-1.

Емкость тигельных печей  колеблется от долей килограмма (лабораторные печи) До нескольких десятков тонн.

Преимущества  тигельных индукционных печей:

1) высокая  производительность,  достигаемая  благодаря  большим  значениям удельной мощности;

2) интенсивная циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая выравнивание температуры по объему ванны и получение однородных по химическому состав у сплавов;

3) возможность  быстрого перехода с выплавки сплава одной марки на другую;

4) широкое  (до  100 %) использование в шихте  низкосортных материалов — стружки и отходов;

5) возможность  проведения  плавки  при  любом давлении  (вакуумные печи) и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной, нейтральной);

6) простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки; широкие возможности для механизации и автоматизации загрузки шихты и разливки металла, хорошие санитарно-гигиенические условия.

К недостаткам  тигельных печей следует отнести невысокую стойкость футеровки тигля и относительно низкую температуру металла на поверхности жидкой ванны, которая не позволяет эффективно использовать флюсы для металлургической обработки сплавов. Однако преимущества тигельных печей настолько значительны, что они находят все большее распространение. Различают печи открытые (плавка на воздухе) и вакуумные (плавка в вакууме).

Для плавки алюминиевых, магниевых и медных сплавов применяют  открытые индукционные тигельные печи промышленной частоты емкостью от 0,4—1,0 до 25— 60 т и производительностью 0,5—6,0 т жидкого металла в час. Независимо от марки выплавляемого сплава и емкости индукционные тигельные печи имеют одинаковые конструкционные узлы и отличаются в основном производительностью и мощностью электрооборудования.

Тигли печей  для плавки алюминиевых и медных сплавов изготавливают путем набивки и спекания огнеупорных масс, а печи для плавки магниевых сплавов оборудованы стальным тиглем сварной или литой конструкции.

Для плавки сплавов на никелевой и медной основах, а также сталей и ряда других сплавов применяют индукционные печи повышенной частоты. Емкость печей — от десятков килограммов до 1—3 т жидкого металла. Источником питания служат тиристорные преобразователи тока.

 

 

 

 

Основные характеристики индукционной канальной печи ИАТ-1

Таблица 5

Тип печи	Назначение	Емкость печи (полезная), т	Мощ- ность, кВт	Время расплавления,ч	Произво- дитель- ность, т/ч
ИАТ-1	Плавка алюминиевых  сплавов	1,0	317	1,77	0,56

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.2. Разработка технологии получения сплава АК12М2

 

Плавка большинства алюминиевых  сплавов не составляет трудностей. Легирующие компоненты, за исключением магния, цинка а иногда и меди, вводят в виде лигатур. Лигатуру А1—Si вводят в расплав при 700—740 °С; цинк загружают перед магнием, который обычно вводят перед сливом металла. Загрузку шихтовых материалов ведут в следующей последовательности; чушковой алюминий, крупногабаритные отходы, переплав, лигатуры или чистые металлы. Максимально допустимый перегрев для литейных сплавов 800—830 °С. При плавке на воздухе алюминий окисляется. Основными окислителями являются кислород и пары воды. Содержание влаги в воздухе в зимнее время составляет 2—4,5 г/м³, в летнее 18,5—23 г/м³; продукты горения жидкого или газообразного топлива могут содержать от 35 до 70 г/м³ водяного пара. В зависимости от температуры и давления кислорода и паров воды, а также от кинетических условий взаимодействия при окислении образуются оксид алюминия (А1₂О₃) и субоксиды (А1₂О и А1О). Вероятность образования субоксидов возрастает с увеличением температуры и уменьшением парциального давления кислорода над расплавом. В обычных условиях плавки термодинамически устойчивой фазой является твердый оксид алюминия - А1₂О_3, который не растворяется в алюминии и не образует с ним легкоплавких соединений. При нагреве до 1200 °С - А1₂О₃ перекристаллизовывается в а-Al2O3. По мере окисления па поверхности твердого и жидкого алюминия образуется плотная, прочная пленка оксида толщиной 0,1—0,3 мкм. При достижении такой толщины окисление практически приостанавливается, так как скорость диффузии кислорода через пленку резко замедляется. Скорость окисления сильно возрастает с повышением температуры расплава.

Сплавы алюминия с магнием образуют оксидную плену переменного состава. При малом содержании магния (до 0,005 %) оксидная плена имеет структуру -А1₂О₃ и представляет собой твердый раствор MgO в -А1₂0₃; при содержании 0,01—1 % Mg оксидная плена состоит из шпинели (MgO- А1₂О) переменного состава и оксида магния; при содержании свыше 1,0 % Mg плена почти полностью состоит из оксида магния. Бериллий и лантан (до 0,01 %) снижают скорость окисления этих сплавов до уровня скорости окисления алюминия. Защитное действие их обусловлено уплотнением оксидной плены сплавов за счет заполнения образующихся в ней пор.

Перемешивание расплава в процессе плавки сопровождается нарушением целостности  оксидной плены и замешиванием обрывков ее в расплав. Обогащение расплавов оксидными включениями происходит и в результате обменных реакций с футеровкой плавильных устройств. Наиболее существенное влияние на степень загрязнения расплавов пленами оказывает поверхностная окисленность исходных первичных и вторичных шихтовых материалов. Отрицательная роль этого фактора возрастает по мере уменьшения компактности и увеличения удельной поверхности материала.