Алюминиевый литейный сплава ак7ч
 Скачать 295.72 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Институт машиностроения и автомобильного транспорта Кафедра технологии функциональных и конструкционных материалов КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Литейные сплавы и основы плавки» по теме: «Алюминиевый литейный сплава АК7ч» Выполнила: ст. гр. МЛТ-117 Спирина Е.Д Принял: к.т.н., доцент Прусов Е.С. Владимир, 2019 СОДЕРЖАНИЕ
1.Общая характеристика область применения сплава Алюминий — химический элемент III группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, легкий и пластичный металл матово-серебристого цвета. Вследствие высокой химической активности алюминий в природе находится только в связанном виде. Плотность (при нормальных условиях) — 2,69 г/см3, электропроводность —10 6См/м. Уникальные свойства алюминия: - на воздухе моментально образует оксидную защитную пленку, которая способствует высокой коррозионной стойкости металла; - низкая плотность при высокой прочности; - неизменность свойств при низких температурах. Алюминий обладает амфотерными свойствами, т. е. реагируя с кислотами, образует соответствующие соли, а при взаимодействии с щелочами — алюминаты. Эта особенность существенно расширяет возможности извлечения алюминия из руд различного состава. Алюминий растворяется в серной и соляной кислотах, а также в щелочах, но концентрированная азотная и органическая кислоты на алюминий не действуют. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят количества примесей в алюминии, его предварительной механической обработки и температуры. С увеличением содержания примесей прочностные свойства алюминия растут, а пластичные снижаются, причем эти свойства проявляются даже при изменении чистоты алюминия от 99,5 % до 99,0 %. Благодаря таким свойствам, как малая плотность, высокая теплопроводность, низкое электрическое сопротивление, высокая пластичность, коррозионная стойкость, алюминий получил исключительно широкое распространение в различных отраслях современной техники и играет важнейшую роль среди всех цветных металлов. К основным областям применения алюминия и его сплавов относятся аэрокосмическая промышленность, строительство, высокоскоростной железнодорожный и водный транспорт, автомобилестроение (корпуса двигателей, кузовные детали и трансмиссия), электротехника, машины и турбинная техника, упаковка пищевых продуктов и напитков, криотехника, пиротехника и ракетное топливо, пищевая промышленность. Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопроводность и электропроводимость и хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, а специальные - сваркой плавлением, в основном хорошо обрабатываются резанием).Большинство из них превосходят магниевые сплавы по коррозионной стойкости, пластмассы - по стабильности свойств. Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Сu ,Mg, Si, Mn, Zn; реже - Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор. Алюминиево - кремниевый сплав АК7ч – типичный силумин, востребованный в строительстве, авиастроении, машинном, автотракторном и тракторном производстве. Его ценят за превосходные литейные свойства, хорошую свариваемость, обрабатываемость и сопротивление коррозии. Из него изготавливают отливки сложных форм, имеющие повышенную плотность, небольшую усадочную пористость и способность к горячему трещинообразованию. Такие литые детали легко выдерживают средние нагрузки в ответственном узле, и увеличивают срок его службы. Благодаря отличным литьевым свойствам, алюминиево-кремниевый сплав АК7ч активно используется при литье сложных деталей и механизмов, применяемых в машиностроении: корпуса помп;детали самолетов; детали карбюраторов; детали картеров двигателей, редукторов, поршней, головок цилиндров и др.Такие отливки хорошо зарекомендовали себя при эксплуатации в агрессивных средах и температурах, не выше 200 градусов. Силумин АК7ч – один из алюминиевых сплавов, допущенных ГОСТом к изготовлению различной посуды. В частности, из него делают посуду, используемую при жарке и запекания пищи, а также различные столовые приборы – цельнометаллические и комбинированные вилки, ложки. 2.Физико-химические, механические и технологические свойства. Марка: Ак7ч Классификация: Алюминиевый литейный сплав Таблица 1 -Химический состав в % материала АК7ч (ГОСТ1583-93)
Кремний является неизбежной примесью в алюминии и за исключением сплавов, в которых он находится как легирующий элемент, оказывает отрицательное влияние наэксплуатационные и технологические свойства. Несмотря на высокую равновесную растворимость кремния в алюминии при температуре эвтектики (рис.1), равную 1,65%, при неравновесных условиях кристаллизацииу же при содержаниях кремния больших 0.05% наблюдается появление эвтектики. Нагрев металла под последующую пластическую деформацию приводит к переводу эвтектики в жидкое состояние, что затрудняет или исключает проведение пластической деформации, так как на деформированных изделиях появляются трещины. Трещин не образуются, если содержание железа превышает содержание кремния. В этом случае кремний связывается в тройные соединения AlFeSi, которые кристаллизуются при более высокой температуре, чем эвтектика Al-Si. (температура плавления фазы α (FeSiAl8) равна 630°C, фазы β (FeSiAl5) -611°C, а эвтектики α + Si - 577°C) .  Рисунок 1- Диаграмма состояния Al-Si Таблица 2-Технологический свойства материала АК7ч
Таблица 3- Механические свойства материала АК7ч (при Т=20°С)
Таблица 4 –Твердость АК7ч
Таблица 5-Физические свойства материала АК7ч
3. ХАРАКТЕРИСТИКА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ К шихтовым материалам относятся: первичные металлы и сплавы, предварительные и вторичные сплавы, лигатуры, отходы собственного производства (литники, прибыли, бракованные отливки и детали, стружка, опилки, сплески, лом и отходы, поступающие со стороны а также флюсы). Первичные металлы обычно поставляются в виде чушек, катодных листов. Первичные (предварительные) сплавы, вторичные сплавы, лигатуры в виде чушек. Иногда лигатуры поставляются в виде плоских пластин с пережимами. Отходы собственного производства обычно хранятся по маркам сплавов. Мелкие отходы (стружка, сплески, литники) вначале переплавляют, разливают в изложницы, и они поступают в шихту в виде чушек, либо в жидком состоянии. Наиболее низкую цену имеют возвраты и отходы. Однако они, как правило, загрязнены примесями, поэтому 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. Каждый вид шихтового материала должен соответствовать требованиям ГОСТ или другим нормативным документам. Кремний технический (Кр1) представляет собой куски неправильной формы, имеющие острые грани, серого цвета, с побежалостями радужного оттенка. Поверхность кусков кремния не должна содержать включений шлака, песка и других инородных материалов, видимых не вооружённым глазом. Потемнение поверхности кремния при саморазламывании горячих слитков, а также наличие цветов побежалости браковочными не являются. Изготовление кремния Кр1 регламентируется согласно ГОСТ 2169-69. Кремний технический марки КР1 применяется: в производстве сплавов для придания прочности магнию, алюминию и меди; в качестве легирующего элемента в железе и алюминии; в производстве пиротехники, силиконов, боеприпасов, а также порошковой металлургии; в производстве полупроводников, микросхем для компьютеров и солнечных ячеек, которые используются для получения электрической энергии от Солнца. Таблица 5- Химический состав Кремния Кр1 согласно ГОСТ 2169-69
Первичный алюминий марки АК7 Требования к марке первичного алюминия устанавливает ГОСТ 11069-2001. Первичным алюминием называют алюминий, который получают непосредственно из ископаемого сырья – бокситов. Первичный алюминий производят: - в жидком виде; - виде чушек, слитков, катанки, ленты. Таблица 6- Химический состав алюминия АК7 согласно ГОСТ 11069 – 2001
Магний первичный марки МГ95 для производства сплавов, магниетермических процессов, десульфурации чугуна в качестве химического реагента и других целей. Таблица 7- Химический состав МГ95 материала (ГОСТ 804 - 93)
4.ВЫБОР ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА Электропечи сопротивления применяют на многих заводах, где производство алюминиевых сплавов приобрело достаточно широкие масштабы. Основными технологическими преимуществами, способствующими широкому распространению этих печей, являются: – значительное снижение угара по сравнению с печами с нефтяным или газовым обогревом; – высокая производительность, обусловливаемая большой емкостью и мощностью; – высокий коэффициент полезного действия (60–70 %); – незначительное поглощение газов расплавом; – сравнительно невысокий расход электроэнергии (450–500 квт · ч/Т); – простота конструкции; – облегчение условий труда рабочих; – возможность легкой регулировки температур. Электропечи сопротивления имеют различную емкость – от 0,5 т до 20т, благодаря чему их можно применять при различных масштабах производства. Печи типа САТ чаще всего используются в качестве плавильных и раздаточных печей при кокильном литье. Производительность печей типа САК колеблется от 50 до 75 кг/ч. Расход электроэнергии на одну тонну алюминиевого сплава составляет 600–650 кВт·ч Возможность создания в электропечи сухой воздушной атмосферы, от которой расплав отделен не повреждаемой окисной пленкой, служит хорошим условием предотвращения газонасыщения и окисления расплава. Следует, однако, иметь в виду влагу, присутствующую в кладке печи, или заносимую металлом шихты. Небольшое количество водяного пара в атмосфере печи или ее кладки вызывает значительное насыщение расплава водородом. Новая кладка печи, несмотря на предварительную просушку и нагрев, долго служит источником насыщения расплава водородом и дополнительного насыщения его окисью алюминия (карбиды, корунды и прочие включения в сплавах). В электропечах сопротивления не рекомендуется проводить плавку под флюсом из-за опасности разрушения нагревательных элементов. Поэтому они предназначены для плавки чистой высококачественной шихты: свежих чушковых металлов с добавкой лигатур, крупных очищенных отходов и чушковых вторичных сплавов. Электропечи не пригодны для переработки стружки и других мелких отходов. Электропечи САТ-0,25 (рис.2) предназначены для переплава и перегрева алюминия и его сплавов, поддержания температуры расплавленного металла перед разливкой в формы. Они используются для плавки небольших количеств (до 250 кг) алюминиевых сплавов. Электропечь представляет собой теплоизолированную шахтную камеру, выполненную из листового проката, внутри которой установлен графитовый тигель на подставке из огнеупорной нержавеющей стали. Футеровка многослойная – первый слой огнеупорный кирпич, второй теплоизоляционный волокнистый материал. Три зигзагообразных нагревателя соединены в звезду и закреплены на огнеупорной кладке с помощью жаропрочных штырей. Снизу камеры предусмотрено отверстие для аварийного слива расплава. Сверху проем электропечи перекрывается двумя теплоизолированными крышками. Для регулирования температуры в шахте печи и расплава в тигле, установлены две термопары. Управление тепловым режим электропечи осуществляется шкафом управления (рис3), в котором установлен теристорный регулятор мощности и двухканальный прибор регулирования температуры в шахте и расплаве.  Рисунок 2- Внешний вид электропечи САТ-0,25  Рисунок 3 – Внешний вид шкафа управления электропечи САТ-0,25 Таблица 8- Основные технические характеристики печи САТ-0,25
5.РАСЧЕТ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В качестве шихты используем: 1.Первичный Al марки Al(АК7) ( Al -89.9%) 2.Кремний марки Кр1(Si-98%) 3. Магний первичный марки Мг95(Mg-0.3%) Таблица 9- Угар основных элементов сплава АК7ч
Расчет: 1.Угар по компонентам в кг составит: Al = 93,90*1,5/100 = 1,40кг; Si = 7,07*1/100 = 0,070кг; Мg = 0,30*1/100 = 0,003кг; 2.Определяем состав металлической завалки: алюминия (92,7× 100)/(100-1,5) = 93,90 кг; кремния (7× 100)/(100-1) = 7,07 кг; магний (0,3× 100)/(100- 1) = 0,30кг; Определяем суммарное количество компонентов 93,90+7,07+0,30=101,27 кг 6.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СПЛАВА Для получения сплава АК7ч обычно рекомендуется следующая технология. Шихтовые материалы перед загрузкой тщательно очищают от загрязнений и подогревают до 100 … 150 °С для удаления с их поверхности влаги. Плавка алюминиево-кремнистых сплавов . Лучше всего вести плавку в индукционных печах высокой или промышленной частоты и в электрических печах сопротивления. В качестве шихтовых материалов применяют чушковые силумины, первичный алюминий и оборотный металл (до 50 % от массы шихты). Плавку осуществляют в следующей последовательности. Печь или тигель нагревают до температуры 600-700 °С, загружают в них подогретые чушки силумина и предварительно очищенный в барабане оборотный сплав. После расплавления металл перегревают до 720-730°С, рафинируют хлористым цинком (0,1 % от массы шихты) и производят его модифицирование. Рафинирование осуществляют путем погружения навески хлористого цинка на дно тигля с помощью «колокольчика», который медленно водят по дну тигля до полного прекращения выделения пузырьков газа. Модифицирование смесью хлористых и фтористых солей калия и натрия производят путем покрытия ими очищенной от шлака поверхности сплава и выдержки в течение 12…14 мин. Затем соли рубят и замешивают в сплав в течение 2 мин, после чего модификатор снимают с поверхности сплава. При использовании универсальных флюсов операции рафинирования и модифицирования совмещают. Плавка алюминиевых сплавов, содержащих магний. Во избежание насыщения сплава вредными примесями (железом и кремнием) − плавка ведется только в графитовых тиглях. Вспомогательный инструмент (счищалка, колокольчики и др.) также изготовляется из графита или титана. В качестве шихтовых материалов применяют первичный алюминий высокой чистоты, магний и лигатуры алюминиево-бериллиевую, алюминиево-титановую, алюминиево-циркониевую и оборотный сплав соответствующей марки (до 50…60 % от массы всей шихты). После нагрева тигля до температуры 600 °С. загружают чушки первичного алюминия и алюминиево-бериллиевую лигатуру. При температуре сплава 670-700 °С вводят лигатуры алюминий-титан и алюминий-цирконий и после полного растворения всех лигатур с помощью графитового колокольчика вводят магний. При этом необходимо следить, чтобы магний все время был погружен в сплав. После ввода магния сплав рафинируют. Затем с поверхности ванны снимают шлак, сплав тщательно перемешивают и опять снимают шлак, после чего производят разливку. На протяжении всей плавки не допускается перегрев сплава свыше 750 °С. 6.РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ Количество теплоты является энергетической характеристикой процесса теплообмена и определяется количеством энергии, которое получает или отдает система в процессе теплообмена. Теплота – функция процесса, т.е. количество сообщенной телу теплоты зависит не только от начального и конечного состояния тела, но также от вида процесса. Элементарное количество теплоты определяется как : dQ = C*dT, (1) где С- теплоемкость тела в рассматриваемом процессе, dT- малое изменение температуры тела. Под теплотой плавления понимают количество теплоты, которое необходимо сообщить твердому кристаллическому веществу при постоянном давлении, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Количество полезного тепла, затрачиваемого на нагрев, расплавление и перегрев расплава до заданной температуры, кДж: Qобщ. = Qраз + Qпл + Qпер(2) Количество тепла, необходимое для разогрева сплава до температуры плавления, кДж: Qраз = ств m(tпл - t0), (3) где, ств – средняя теплоемкость твердого металла, Дж/(кг*0С); m – масса металла, кг; m=1000кг; tпл – температура плавления, tпл= 6000С; t0 – начальная температура сплава; t0 = 200С; ств =[(6/АMg)*0,3+(6/ASi)*7+(6/AAl)*92,7]*1000 = (6/24,30)*0,3]+(6/26,09)*7+(6/26,98)*0,92] *1000 =567 ккал/(кг*0С) ств = 4,18*567= 2370,06Дж/(кг*0С) Qраз= ств m(tпл - t0) = 2370,06*1000*(600-20) = 137463кДж Количество тепла, затрачиваемого на расплавление металла, кДж Qпл = q*m (4) где q- скрытая теплота плавления металла, кДж/кг. Таблица 12.Скрытая теплота плавления каждого компонента в сплаве.
qспл =qAl*0,92+qSi*0,7+qMg*0,3= 400*0,92+1750*0,7+293*0,3=1680, кДж Qпл = 1680.15*1000= 1680900 кДж Количество тепла, затрачиваемого на перегрев расплава до заданной температуры, кДж: Qпер= сж m(tзад – tпл) (5) сж – средняя теплоемкость жидкого сплава, Дж/(кг*0С); tзад – заданная температура перегрева сплава; tзад = 7500С 7,15 – const для жидкого металла. сж= [(7,15/АAl)*0,92+(7,15/ASi)*0,7+(7,15/AMg)*0,3]*1000 = [(7,15/24.30)*0,92+(7,15/26.09) * 0,7+ (7,15/24.31) * 0,3]*1000= 550,48ккал/(кг*0С) сж= 4,18*550.48= 2301,0064Дж/(кг*0С) Qпер= сж m(tзад – tпл)= 2301,0064*1000*(750-600)= 34515кДж Qобщ=137463+1680900+34515=186288кДж. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенный теоретический анализ и выполненные вычисления позволили получить следующие основные результаты: Дана общая характеристика алюминиевого литейного сплава АК7ч. Приведены основные сведения по алюминию, изложена история его, показаны особенности применения. Охарактеризованы основные свойства сплава. Рассмотрен и произведен расчет количества теплоты, необходимой для 1000кг твердой шихты до температуры литья сплава АК7ч. Был выбран агрегат для выплавки сплава АК7ч. Электрическая печь сопротивления САТ-0,25. Даны характеристики и преимущества агрегата. Дана характеристика шихтовых и вспомогательных материалов для получения сплава АК7ч. Произведен расчет получения одной плавки сплава весом 1000 кг. Разработана технологическая инструкция по выплавке сплавов в электрической печи сопротивления. СПИСОК ИЗПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 11-2016 2. http://splav-kharkov.com/mat 3. http://files.lib.sfu-kras.ru 4.https://docviewer.yandex.ru | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
