Разработка и применение наукоемких технологий для изготовления крупногабаритных фасонных отливок из магниевых сплавов

Текст: Б. Л. Бобрышев, Д. Н. Вовк, О. В. Кошелев, В. С. Моисеев, А. А-Х. Мухаметов, О. В. Сорокин.

Вопросы конкурентоспособности

В условиях возрастающего уровня требований к изделиям специальной техники и растущего количества заказов на них абсолютно необходимым становится исключение зависимости основного производства от количества, сроков поставки и особенно качества комплектующих, получаемых от внешних поставщиков.

В связи с этим насущным вопросом становится организация литейных научно-производственных центров по производству отливок из легких сплавов на основе магния, алюминия, титана для авиационной и ракетно-космической техники, равномерно распределенных по территории России, что дополнительно позволит сократить издержки на перевозке отливок от предприятия-изготовителя до потребителей, выпускающих конечную продукцию.

Учитывая особенности литья крупногабаритных корпусных заготовок из магниевых сплавов, изготовление которых возможно только с применением разовых песчаных стержней, оформляющих внутреннюю полость отливок, для обеспечения необходимого уровня технологической надежности производства этих отливок необходимо:

■ разработать математическое обеспечение для решения комплекса задач по проектированию и расчету литниково-питающих систем (ЛПС), создающих условия направленности затвердевания и непрерывности питания отливок;

■ по результатам расчетов ЛПС сконструировать модельную оснастку, обеспечивающую требуемые размеры и геометрические параметры отливок;

■ организовать процесс изготовления стержней из материалов инертных к магниевым сплавам с использованием экологически чистых средств защиты поверхности отливок;

■ организовать процесс ведения бесфлюсовой плавки с применением современных способов модифицирования и рафинирования, гарантирующих формирование мелкокристаллической структуры; 

■ разработать составы, технологии приготовления и методики использования материалов и систем, обеспечивающих полное исключение опасности воспламенения магния и возникновения аварийных ситуаций при плавке, заливке и кристаллизации крупногабаритных отливок.

Для решения первой группы задач разработаны пакеты программ, обеспечивающих проектирование литниково-питающей системы (ЛПС) и рассчитывающих технологические параметры литья (необходимый технологический напуск, размеры прибылей и холодильников и др.). Полученные результаты позволяют корректно решить вторую группу задач, т.е. спроектировать модельную оснастку. 

Работоспособность и высокая рациональность технологических и конструкторских решений проверена с помощью системы компьютерного моделирования (СКМ) ProCAST. Уменьшение технологических напусков и размеров прибылей по сравнению с расчетными данными лишь на 8-10% сразу выявляло образование в отливке усадочных дефектов.

Наиболее технологичными и экологически чистыми материалами для изготовления тонкостенных крупногабаритных литейных стержней являются холоднотвердеющие смеси, например, известный Resol-CO^2-процесс.Разработанные отечественные добавки в стержневую смесь, не приводя к усложнению и удорожанию технологического процесса, обеспечили полное исключение воспламенения магния при заливке, даже в случае аварийного разрушения стержня.

И, наконец, четвертая группа задач — плавка и подготовка сплава к заливке. Для повышения эффективности использования дорогостоящего газа-ингибитора гексафторида серы (SF^6) в него вводятся газы-разбавители (CO^2, Ar, N^2, He). Подача смеси осуществляется порционно и периодически. 

Применение активных углеродосодержащих газов в чистом виде или в смеси с аргоном или гелием, подаваемых в сплав при определенном давлении, степени пузырькового распределения и заданного времени, взамен флюсов показало их более существенную эффективность как рафинирующих и модифицирующих агентов при обработке расплавов системы Mg-Al-Zn-Mn.

Разработанная и внедренная технология плавки и подготовки магниевых сплавов не только существенно повышает их механические свойства, но полностью исключает последующую флюсовую коррозию, гарантирует стабильность химического состава, значительно повышает экологические показатели производства.

В итоге разработанная на кафедре «ТиСАПР МП» МАИ (Национальный исследовательский университет) технология изготовления крупногабаритных фасонных отливок из магниевых сплавов позволяет по отношению к традиционным подходам:

■ сократить время на подготовку производства вследствие принятия расчетно-обоснованных технологических решений; 

■ уменьшить металлоемкость литых заготовок за счет снижения технологических напусков;

■ повысить механические свойства изделий не менее чем на 15÷20% и, как следствие, улучшить их эксплуатационные свойства, ресурс и надежность;

■ снизить энергетические затраты, естественные потери дорогостоящих легирующих элементов на 40÷50%; 

■ повысить коррозионную стойкость;

■ повысить экологическую безопасность.

Совместная работа с учеными

В течение последних 5–6 лет группой специалистов из работников АО «ММЗ «АВАНГАРД» и профессорско-преподавательского состава МАИ (Национальный исследовательский университет) без привлечения бюджетного финансирования на площадях АО «ММЗ «АВАНГАРД» для обеспечения выполнения гособоронзаказа освоено производство крупногабаритных отливок специального назначения из магниевых сплавов.

Для этого создан ряд исследовательских лабораторий, оснащенных современным оборудованием. За эти годы успешно решены следующие задачи:

■ создан современный высокопроизводительный, высокоточный, малоотходный, ресурсосберегающий, экологически безопасный технологический процесс производства крупногабаритных корпусных отливок из магниевых сплавов;

■ на основе анализа физико-химических процессов, протекающих при плавке и литье магниевых сплавов и моделирования процессов заливки и кристаллизации отливок в среде «ProCast», выбора литниково-питающей системы, обеспечивающей формирование плотной отливки с минимальными технологическими напусками и прибыльными элементами, разработаны полные комплекты конструкторской и технологической документации;

■ успешно проведен весь комплекс квалификационных испытаний отливок. Серийные отливки полностью соответствуют требованиям ТУ, конструкторской и технологической документации;

■ организованный участок магниевого литья крупногабаритных корпусных отливок ответственного назначения обеспечивает выпуск 180–200 тонн годного крупногабаритного литья в год при снижении стоимости отливок на 10–15% по сравнению с существующей;

■ организован постоянный мониторинг контроля качества и обеспечения отработанных технологических режимов, обеспечивающих получение годных отливок. 

Силами специалистов технического центра разработаны: 

■ ряд современных технологических процессов — модифицирование, рафинирование расплава (защищены патентом РФ); 

■ пакеты прикладных программ для моделирования процессов заливки, кристаллизации и охлаждения отливок (защищены патентом РФ);

■ составы недефицитных недорогих отечественных ингибиторов, добавляемых в холоднотвердеющие стержневые смеси и противопригарные краски;

■ составы ингибиторов горения, полностью подавляющих процессы воспламенения и горения магниевых сплавов при заливке отливок и при дальнейшей механической обработке;

■ оборудование для автоматизации процессов защиты магниевых сплавов при бесфлюсовой плавке и заливке, что позволит резко сократить технологические издержки и снизить цену отливок, а также улучшить условия работы в цехе;

■ составы и технологии изготовления керамических форм для литья титановых сплавов, обеспечивающих практически полное отсутствие альфированного поверхностного слоя на отливках из титана, что значительно повышает их качество, облегчает механическую обработку и способствует возврату в основное производство элементов литниково-питающих систем;

■ составы и технологии модифицирующих добавок для обеспечения управляемой структуры и повышение механических свойств алюминиево-кремниевых сплавов;

■ микроструктурированные модификаторы на основе отечественных недефицитных материалов для обеспечения заданной структуры сплавов системы магний-алюминий-цинк-марганец;

■ технологии возврата отходов магниевых сплавов (стружка, шлак) в основное производство (до 50–60% от количества отходов); 

■ технологии и составы защитных средств для плавки ультралегких сплавов систем алюминий-литий и магний-литий.