Контроль термообработки литейных алюминиевых сплавов по электропроводности

ОAO «Заволжский моторный завод» является крупнейшим потребителем алюминиевых отливок, качество которых необходимо контролировать. До последнего времени в состав «ЗМЗ» входило литейное производство, с 2005 г. оно выделилось в дочернее общество OOO «РосАЛит». На рис. 1 показаны детали двигателей «ЗМЗ», изготовляемые из алюминиевых сплавов.

С целью упрочнения отливки проходят термообработку: закалку и старение, в процессе которых повышается их твердость и прочность, а пластичность снижается. Особенностью термообработки алюминиевых сплавов является строгое поддержание температурного режима закалки и старения (± 10 °С).

При закалке алюминиевый сплав сохраняет атомную структуру, характерную для высокотемпературного состояния. Поскольку с понижением температуры растворимость специально вводимых легирующих элементов падает, то после закалки образуется пересыщенный твердый раствор, который распадается в процессе старения, что сопровождается упрочнением сплава. «Недогрев» при закалке приводит к заниженной твердости, а завышение температуры закалки приводит к пережогу (оплавлению по границам зерен) и трещинам.

Также существует оптимальный режим старения, приводящий к наибольшему упрочнению сплава. Для алюминиевых литейных сплавов применяют искусственное старение в печах в течение нескольких часов. В процессе старения твердость сплава повышается. Однако в определенном диапазоне температур старения твердость некоторых сплавов не изменяется. Также и металлографическое исследование не обнаруживает изменений микроструктуры в процессе старения.

Контролировать процесс изменения кристаллической решетки сплавов в процессе старения возможно двумя способами:

- при помощи дорогостоящего и сложного рентгеноструктурного анализа;

 - путем измерения электропроводности.

Для замера электропроводности достаточно приложить датчик переносного прибора к выбранной точке поверхности отливки. На OAO «ЗМЗ» с этой целью используются вихретоковые приборы ВЭ-20 и ИЭ-1.

Известно достаточно широкое практическое применение НК качества термообработки деформируемых алюминиевых сплавов по электропроводности. В то же время для литейных алюминиевых сплавов, рассмотренных в настоящей работе, контроль по электропроводности носит скорее исследовательский характер. Дело в том,что у литейных сплавов содержание легирующих элементов, а именно кремния, гораздо выше, чем у деформируемых. Изменения химического состава сплавов оказывают значительное влияние на электропроводность и являются сильным мешающим фактором. Возможно ли преодолеть влияние химического состава и каковы возможности контроля качества термообработки алюминиевых литейных сплавов по электропроводности? Эти вопросы легли в основу многолетних исследований, проводимых на ОАО «ЗМЗ».

С точки зрения качества термообработки к наиболее ответственным отливкам относятся поршни. Их отливают из жаропрочного сплава АК12ММгН (АЛ30).

Конструкторы автодвигателей огромное значение придают соблюдению геометрической формы и точности выполнения размеров поршня. Поршни и цилиндры двигателей разбивают на размерные группы, чтобы они лучше подходили друг к другу. Но если процессы старения сплава не закончены, то размеры поршней будут изменяться с течением времени, особенно при работе двигателя. В результате наблюдается недопустимый «рост» поршней, который приводит к повышенному расходу масла на «угар», что может привести к износу и «надирам» цилиндропоршневой группы двигателя. Метод определения «роста» поршней заключается в замере диаметров поршней до и после дополнительного старения, изменения диаметра принимаются за «рост» поршней. На рис. 2 представлены данные исследовательской работы - зависимость роста поршней от температуры старения. При Т = 170 °С следует ожидать недопустимый «рост» поршней свыше 25 мкм. На рис. 3 представлены обобщенные данные контроля поршней при различных режимах закалки от 450 до 520 °С и старения поршней от 170 до 240 °С.

Как видно из рис. 3а, электропроводность поршневого сплава АК12ММгН возрастает с ростом температуры старения и практически не зависит от изменения температуры закалки в пределах 450 + 520 °С. При температуре старения 170 °С процессы старения отливок не закончены, поэтому может наблюдаться недопустимый «рост» размеров поршней. Отливки, состаренные при 170 °С, в зависимости от температуры закалки имеют различную твердость: как завышенную более 125 НВ при температуре закалки 520 °С, так и нормальную твердость до 125 НВ при температуре закалки 450 + 490 °С. Таким образом, контроль качества старения поршней по твердости недостаточен для определения отливок с незаконченными процессами старения и недопустимым «ростом» поршней. А контроль по электропроводности позволяет обнаружить такие отливки.

На рис. 3 обозначена нижняя граница допуска (НГД) при контроле термообработки по электропроводности. Если электропроводность отливки меньше НГД = 19,7 МСм/м, то было «недостарива-ние», приводящее к недопустимому «росту» поршней или старение не производилось вовсе. Однако, если при контроле одной и той же плавки по электропроводности обнаруживаются все отливки с температурой старения 170 °С (рис. 3а), то при контроле отливок с различным химическим составом только часть их них (рис. 3б). Также на графике рис. 3 нанесена верхняя граница допуска (ВГД): если электропроводность выше ВГД = 23,7 МСм/м, то было «перестаривание», приводящее к заниженной твердости менее 90 НВ (рис. 3б). Но из-за влияния химического состава большинство отливок с заниженной твердостью не идентифицируется по электропроводности.

Чтобы уменьшить влияние химического состава на электропроводность, следует применять комплексный контроль термообработки отливок, в процессе которого НК по электропроводности дополняет существующие методы контроля с целью выявления отливок, не соответствующих конструкторской документации по качеству термообработки. Причем окончательное решение о годности термообработки производственной партии принимается по результатам традиционных методов анализа качества, таких как измерение твердости, «роста» поршня и его механических свойств. На рис. 4 представлена блок-схема организации комплексного контроля, который состоит из следующих стадий:

1. Измерение электропроводности выборки (20 - 50 шт.) из производственной партии отливок поршней и отбор отливок с минимальными и максимальными показаниями электропроводности.

2. Анализ «роста» размеров поршня с минимальными показаниями электропроводности после дополнительного старения.

3. Измерение твердости поршня с максимальными показаниями электропроводности.

4. Если «рост» диаметра и твердость поршня в норме, то все отливки производственной партии признаются годными.

5. Если «рост» диаметра поршня или его твердость не соответствуют требованиям чертежа, то производственная партия отливок бракуется.

6. Анализ гистограмм замеров электропроводности выборки позволяет определить возможность и границу разбраковки производственной партии отливок по электропроводности, произвести анализ причин возникновения брака при проведении термообработки.

Внедрение комплексного контроля особенно эффективно в производствах, где возможно отделить одну плавку от другой. Но и в том случае, если отливки поршней в производственной партии отличаются по химическому составу, комплексный контроль позволяет с большей достоверностью гарантировать качество термообработки партии, так как «рост» поршня и его твердость определяется не у случайно взятой отливки, а у отливок, специально отобранных по значениям электропроводности. Таким образом, внедрение комплексного контроля термообработки по электропроводности позволяет ужесточить контроль, разбраковать производственную партию при необходимости и исключить попадание негодной продукции потребителю.

Применение комплексного контроля возможно и для контроля качества термообработки других сплавов. В частности изучено влияние термообработки на электропроводность сплава АК9ч (АЛ4), применяемого для отливки блока цилиндров, головки блока и других деталей двигателей ЗМЗ. В результате исследований установлено:

- электропроводность сплава возрастает с ростом температуры старения;

- «подстуживание» при закалке, когда охлаждение в воде происходит через 1 - 2 мин после выемки отливки из печи, снижает твердость термообра-ботанных отливок, но фактически не влияет на электропроводность;

- изменение химического состава сплава оказывает значительное влияние на электропроводность. При нормальной твердости отливок (70 НВ и выше) химический состав плавок оказывает на электропроводность большее влияние, чем различие в температурах старения. В то же время по значениям электропроводности в большинстве случаев удается определить причину заниженной твердости отливок (до 70 НВ) в результате завышения температуры старения («перестаривания»).

На рис. 5 представлен фактический материал производственного контроля отливок головки блока. Причиной заниженной твердости может быть занижение температуры закалки и старения: «недог-рев при закалке» и «недостаривание». Контроль по электропроводности позволяет оперативно идентифицировать «перестаривание» как причину заниженной твердости отливок для коррекции технологии термообработки.Подводя итоги исследований возможности контроля качества термообработки литейных алюминиевых сплавов по электропроводности, следует еще раз отметить:

- контроль по электропроводности -единственный способ определить несоответствие технологии термообработки поршней, когда их твердость в норме, но при термообработке было допущено «недостаривание», приводящее к недопустимому «росту» размеров поршней, которое может привести к надирам ци-линдропоршневой группы двигателя;

- чтобы снизить влияние на электропроводность химического состава сплава, являющегося мешающим фактором при контроле качества термообработки, следует применять комплексный контроль;

- контроль по электропроводности позволяет определить причину заниженной твердости отливок из сплава АК9ч в случае занижения температуры старения.



Просмотров: 3498

Дата: Среда, 05 Сентября 2012

Новости