Исследование тепловых и силовых условий литья с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов с целью производства высококачественных отливок ответственного назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете (МГОУ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.С. Макаров

доктор технических наук, профессор В.С. Моисеев

доктор технических наук, профессор И.А. Дибров

Ведущая организация - Воронежский механический завод

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития машиностроения характеризуется увеличением производства отливок из алюминиевых сплавов. Повышение качества отливок при одновременном снижении материальных и энергетических затрат на их производство может быть достигнуто за счет разработки и освоения различных методов воздействия на расплав и затвердевающую отливку, среди которых давление занимает особое место по многообразию форм приложения и эффективности воздействия.

Разработанный в нашей стране в середине 30-х годов ХХ века (В.М. Пляцкий и др.) способ литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД) является одним из перспективных специальных видов литья. Большой вклад в разработку и развитие ЛКД внесли отечественные ученые: В.М. Пляцкий, Н.Н. Белоусов, П.Н. Бидуля, А.И. Батышев, В.В. Марков, Г.И. Тимофеев, Т.Н. Липчин, А.Ф. Асташов и др.

Имея очевидные преимущества (высокие выход годного и коэффициент использования металла, физико-механические и эксплуатационные свойства отливок), способ ЛКД не получил еще широкого распространения из-за недостаточного развития основ теории и технологии, включая роль давления на отдельных этапах формирования отливки. Величина, характер воздействия и скорость набора давления в значительной мере влияют на получение отливок повышенного качества. К числу недостаточно решенных вопросов можно отнести следующие: тепловые и силовые условия получения отливок из алюминиевых сплавов различных систем и композиционных материалов на их основе при основных схемах прессования, эффективность воздействия давления на затвердевающую отливку, кинетику уплотнения отливок из сплавов с различной степенью легирования, изменение структуры и свойств отливок как в литом состоянии, так и после термической обработки.

Работа выполнялась в Московском государственном открытом университете (МГОУ) и являлась составной частью по теме-гранту 2.1.171 «Литье с кристаллизацией под давлением: теория и практика» в рамках инновационной научно-исследовательской программы «Фундаментальные исследования в технических университетах» (раздел 2.1. - Машиностроение).

Цель работы. Исследование закономерностей формирования отливок из алюминиевых сплавов при основных схемах прессования ЛКД и разработка на этой основе малоотходной технологии ЛКД при изготовлении высококачественных литых заготовок для деталей ответственного назначения.

Решались следующие задачи:

Комплексное исследование тепловых и силовых условий формирования отливок в условиях поршневого, пуансонного и пуансонно-поршневого прессований для установления количественных зависимостей между давлением и параметрами, обеспечивающими качество литых заготовок.

Исследование уплотнения отливок во время затвердевания под механическим давлением и оценка эффективности воздействия последнего при поршневом и пуансоном прессовании.

Исследование структуры и свойств отливок из бинарных и некоторых промышленных алюминиевых сплавов (высокопрочных, антифрикционных, деформируемых), изготовленных с использованием основных схем прессования.

Исследование влияния последовательных циклов «переплав - кристаллизация под давлением» на структуру и механические свойства алюминиевых сплавов.

Изучение формирования структуры отливок в условиях одновременного воздействия давления и местного направленного затвердевания.

Разработка и исследование технологии ЛКД применительно к литым деталям специального машиностроения и приборостроения из высокопрочных, антифрикционных и деформируемых алюминиевых сплавов. Внедрение технологии ЛКД в производство.

Методическое обеспечение работы. При проведении работы использовались экспериментальные и аналитические методы исследований, а также методы планирования экспериментов. Объектом экспериментальных исследований были отливки типа сплошного цилиндра (поршневое прессование), стакана (пуансонное прессование) и цилиндра с выступающими элементами на верхнем торце (пуансонно-поршневое прессование), которые изготовляли из бинарных сплавов систем Al-Si, Al-Cu и Al-Mg, а также из промышленных сплавов АК7ч, АК9ч, АК12, АК8М3ч (ГОСТ 1583-93), АК18Н, ВАЛ10, ВАЛ12, АЛ9М (ТУ АДИ-168-82), АЛ24П (ТУ АДИ 251-87), АО3-7 (ГОСТ 14113-78), АК6М7 (без добавок и с добавками свинца), А356.2 и А390 (стандарт США) и др.

Экспериментальные исследования тепловых условий формирования отливок проводили с применением термопар типа КТМС-ХА ГОСТ 23847-79 (с электродами диаметром 0,2 мм в стальной оболочке, имеющей наружный диаметр 1,5 мм), величины перемещения пуансона - реохордных датчиков, а давления прессования - тензометрических месдоз. Запись показаний всех термопар и датчиков производилась одновременно на одной ленте светолучевого осциллографа НО30А (или Н43.1).

Микроструктуру отливок исследовали на металлографических микроскопах МИМ-7 и Neophot-21, cканирующем электронном микроскопе JSM-35-CF (фирма JEOL) и др.

Научная новизна. 1. Установлены закономерности затвердевания отливок из алюминиевых сплавов при поршневом, пуансонном и пуансонно-поршневом прессовании ЛКД. Показано, что механическое давление, воздействующее на формирующуюся литую заготовку, способствует устранению зазора между затвердевающей отливкой и формой, в результате чего в 4…5 раз интенсифицируется теплообмен на границе «отливка-форма». Это приводит к уменьшению в 3…4 раза времени затвердевания отливки и перепада температур на границе раздела между отливкой и формой, к увеличению перепада температур по поперечному сечению и высоте отливки. Установлено, что продвижение фронта кристаллизации во времени как со стороны пуансона, так и со стороны матрицы пресс-формы подчиняется параболическим зависимостям типа х=Кⁿ (с определенными значениями коэффициента затвердевания К и показателя степени параболы n).

2. Впервые выполнен расчет уплотнения (перемещения верхнего торца) отливки, затвердевающей под механическим давлением, используя параболические зависимости продвижения фронта кристаллизации во времени. Разработаны математические модели, адекватно отражающие процесс формирования отливок при ЛКД, с помощью которых проведена теоретическая оценка воздействия давления на затвердевающую отливку в определенных условиях ее изготовления. Показано, что закономерности являются общими для всех исследованных алюминиевых сплавов и схем прессования.

3. Выявлены закономерности изменения структуры при различных тепловых и силовых условиях формирования отливок из алюминиевых сплавов, включая структуры силуминов, в том числе и заэвтектических, высокопрочных и антифрикционных сплавов. При этом впервые показано, что при наложении давления во время кристаллизации кристаллы первичного кремния в заэвтектических силуминах измельчаются, но не изменяют свою форму. Получены отливки из высокопрочных алюминиевых сплавов с _в500 МПа.

4. Впервые показано, что при последующих неоднократных циклах «переплав - затвердевание под механическим давлением» структура и механические свойств отливок, изготовленных ЛКД, практически не изменяется. Это позволяет в широких пределах использовать отходы собственного производства при ЛКД.

5. Впервые установлены особенности формирования структуры отливок при одновременном воздействии механического давления и местного направленного затвердевания. Предложен способ определения скорости кристаллизации сплавов при ЛКД, защищенный авторским свидетельством СССР № 1588497.

Практическая значимость. Показана возможность использования в шихте до 100% отходов собственного производства, а также лома деталей, заготовки для которых были получены ЛКД или литьем под давлением.

Разработаны технологии изготовления отливок из алюминиевых высокопрочных [АЛ9М (ТУ АДИ-168-82) и АЛ24П (ТУ АДИ 251-87)], антифрикционных [АО3-7 (ГОСТ 14113-78), АК6М7 (без добавок и с добавками свинца)] и деформируемых сплавов для изделий специального приборостроения и машиностроения.

Результаты разработок по ЛКД внедрены в производство ОАО «Гидромаш», на котором свыше 15 лет способом ЛКД изготовляют отливки из антифрикционных сплавов для шестеренных насосов. В течение этого периода было изготовлено более 300000 литых втулок и более 1 млн. литых компенсаторов; сэкономлено более 50 тонн антифрикционных алюминиевых сплавов, включая 2 тонны олова.

Апробация работы. Результаты доложены и обсуждены:

а) на Международных научных конференциях: «Новые производительные технологические процессы, высококачественные сплавы и оборудование в литейном производстве» (Минск, 1990 г.); «The International scientific conference the occasion» (Словакия, Кошице, 1992 г.); «СО-MAT-NTCH98» (Cловакия, Брно, 1998 г.); «Strojne Inzinirstsvo 98 (Словакия, Братислава, 1998 г.); «Генная инженерия в сплавах» (Самара, 1998 г.), «Teсhnolоgia» (Словакия, Братислава, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 и 2007 гг.), «Металлургия легких сплавов. Проблемы и перспективы» (Москва, МИСиС, 2006 г.); «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, МИСиС, 2005 и 2007 гг.), VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (Самара, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» (Москва, ГТУ МИСИС, 2009 г.); «Нанотехнологии и наноматериалы» (Москва, МГОУ, 2009 г.);

б) на Российских научных конференциях: «Наследственность в сплавах и отливках» (Самара, 1990 г.), «Прогрессивная технология и автоматизация литья под давлением» (Москва, 1991 г.), «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2006 г.), «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве» (Рыбинск, РГАТА, 2007 г.), Восьмом съезде литейщиков России (Ростов-на-Дону, 2007 г.).

Публикации. Результаты работы отражены в 75 публикациях, среди которых 2 монографии, 1 учебник, 1 учебное пособие, 4 брошюры, 18 статей, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК, одно авторское свидетельство СССР и одно положительное решение на выдачу патента РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Ее содержание изложено на 265 страницах, она содержит 142 рисунка, 36 таблиц и список литературы из 255 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведена предложенная автором периодизация развития процесса ЛКД, начиная с середины 30-х годов ХХ века до настоящего времени (четыре этапа), указаны наиболее значимые и крупные публикации по ЛКД в каждом из этапов.

Дан критический анализ имеющихся в технической литературе данных по ЛКД, начиная с публикаций 1946 г. При этом основное внимание уделено работам по затвердеванию и уплотнению отливок, изменению их усадки, структуры и свойств. Отмечено, что если затвердевание сплошных цилиндрических отливок (слитков) при поршневом прессовании рассмотрено в нескольких работах, то изучение затвердевания отливок из алюминиевых сплавов в условиях пуансонного и пуансонно-поршневого прессований не проводилось.

Некоторые исследователи процесса ЛКД для экспериментального изучения затвердевания отливок использовали метод термического анализа, устанавливая только одну термопару в тепловом центре сплошной цилиндрической отливки (при поршневом прессовании) или в донной части отливки типа стакана (при пуансонном прессовании). Это не позволяло определить величину температурного перепада по сечению отливки и продвижение фронта затвердевания.

В литературе практически нет данных о росте корки со стороны пуансона и об изменении температуры затвердевающей отливки в этой зоне; отсутствуют сведения о затвердевании отливок из заэвтектических силуминов, антифрикционных и высокопрочных алюминиевых сплавов, о характере затвердевания вертикальных стенок отливок типа стакана при пуансонном прессовании, об уплотнении затвердевающих отливок из алюминиевых сплавов разного состава, о структуре и свойствах отливок, изготовленных в условиях различного характера и времени наложения давления после заливки расплава в матрицу пресс-формы.

Выделены основные параметры процесса ЛКД, влияющие на качество отливок, названы приоритеты, определяющие выбор основных направлений исследований, сформулированы цель работы и задачи исследований.

Во второй главе приведены данные о тепловых процессах, протекающих в системе «отливка - пресс-форма» при основных схемах прессования, главным образом при поршневом (рис. 1,а), пуансоном (рис. 1,б) и пуансонно поршневом (рис. 1,в) прессовании. Для их исследования использованы главным образом экспериментальные методы, а также методы математического моделирования.

а) б) в) г)

Рисунок 1. - Схемы прессования формирующихся отливок при ЛКД, используемые в России: а - поршневая; б - пуансонная; в - пуансонно-поршневая; г - через литники-питатели

Поршневое прессование (рис. 1,а). Экспериментально тепловые процессы изучали на цилиндрических отливках (слитках) диаметром 50 мм и высотой 100…105 мм, которые изготовляли в пресс-форме, состоящей из матрицы с толщиной стенки 85 мм, основания толщиной 30 мм и пуансона (все указанные детали были изготовлены из стали 5ХНМ). Три (или четыре) термопары закрепляли в основании и располагали на расстояниях 25 (центр); 12,5; 6 и 3 мм от рабочей поверхности, а шесть термопар - в стенке матрицы на разных расстояниях от рабочей поверхности (по сечению и высоте). На одной ленте осциллографа НО30А (или Н43.1) одновременно записывали показания всех термопар, датчиков давления и перемещения пуансона, а, следовательно, и верхнего торца отливки.

Анализ полученных графиков охлаждения отливок показал, что затвердевание отливок под механическим давлением протекает при большем перепаде температур по сечению, чем при атмосферном давлении, а время затвердевания отливок во всех зонах уменьшается. И чем ближе к оси заготовки расположена зона, тем существеннее уменьшение времени ее затвердевания под воздействием давления. Последнее объясняется тем, что поверхностные слои отливки на глубине до 3 мм затвердевают до момента приложения давления, слои, расположенные глубже, - либо под нарастающим, либо вначале под нарастающим и окончательно под номинальным давлением.

При давлении свыше 50…80 МПа повышается температура кристаллизации металла на 5…12^оС (в зависимости от состава сплава, давления прессования и скорости его наложения), что можно объяснить: 1) изменением термодинамического состояния системы в соответствии с законом Клаузиуса-Клайперона, согласно которому

dT/dp=T_пл (V₂-V₁)/L, (1)

где dT - изменение температуры кристаллизации (плавления Т_пл), обусловленное изменением давления на величину dp; V₂, V₁ - объемы жидкой и твердой фаз соответственно; L - теплота кристаллизации (плавления) сплава;

2) несоответствием между скоростями выделения теплоты кристаллизации и отвода теплоты матрицей пресс-формы; 3) выделением теплоты при деформации вертикальной корки под воздействием давления.

Обобщенные зависимости изменения некоторых исследованных параметров от номинального давления прессования приведены на рис 2. На основе их анализа можно сделать вывод о том, что с увеличением номинального давления р_н уменьшаются время затвердевания отливки, относительная температура ее поверхности и величина перепада температур на границе раздела «отливка - форма», а увеличивается перепад температур по сечению отливки. Все зависимости представлены в виде областей, так как внутри них находятся экспериментальные данные для сплавов системы Al-Si (до 25%Si), они справедливы для сплавов систем Al-Cu и Al-Mg и для промышленных сплавов.

Наибольшее изменение исследованных параметров наблюдается в области давлений от атмосферного до 100…120 МПа, при последующем повышении номинального давления они также изменяются, но в меньшей степени. Это может быть объяснено плотным прижатием растущей боковой корки к стенкам матрицы, уменьшением (и даже устранением) зазора на границе раздела «отливка - форма» и увеличением за счет этого поверхности охлаждения, в результате чего повышаются скорости отвода теплоты перегрева и кристаллизации стенками матрицы. При давлении свыше 120 МПа происходит дальнейшее уменьшение величины зазора за счет впрессовывания металла в микрорельеф рабочей поверхности матрицы, но прирост поверхности охлаждения (контакта) при этом намного меньше, чем в первой области давлений; поэтому и меньше влияние номинального давления на исследованные параметры.

Видно, что механическое давление способствует устранению зазора между формирующейся отливкой и формой, в результате чего в 4…5 раз интенсифицируется теплообмен на границе «отливка-форма». Это приводит к уменьшению в 3…4 раза времени затвердевания отливки и перепада температур на границе раздела между отливкой и формой, к увеличению перепада температур по поперечному сечению и высоте отливки.

Рисунок 2. - Зависимости от номиналь- Рисунок 3. - Кривые продвижного давления времени затвердевания жения фронта затвердевания отливки (_з), относительной темпера- (линий изоликвидус и изосолитуры ее поверхности (Т_п/Т_ц), перепада дус, эвтектического превраще температур по ее сечению (Т_о) и на ния) в цилиндрических отлив границе раздела «отливка-форма» ках из сплавов системы Al-Si (Т_о-ф) сплавов системы Al-Si

Время затвердевания отливки увеличивается с увеличением содержания второго компонента в бинарных сплавах.

Изучено влияние масштабного фактора (приведенного размера) на время затвердевания цилиндрических отливок при давлении 50…200 МПа и установлено, что с увеличением приведенного радиуса R_пр (при постоянном диаметре) это время возрастает по линейной зависимости:

_з=К_прR_пр, (2)

где К_пр - коэффициент, с/мм. При этом время существования двухфазной зоны возрастает с увеличением приведенного размера отливки.

Продвижение фронта затвердевания от боковой поверхности к центральной зоне (рис. 3) математически можно выразить в виде:

х/R_о=К ⁿ, (3)

где х - корка, растущая от стороны боковой поверхности матрицы, мм; R - радиус отливки, мм; К_о - коэффициент, 1/сⁿ; - время с момента окончания заливки расплава в матрицу, с..

Для отливок из сплавов системы Al-Si зависимость (3) имеет вид (при р_н=200 МПа):

х/R = 0, 0261^1,78 при коэффициенте корреляции 0,994 (сплав АК12);

х/R = 0,0253 ^1,88 при коэффициенте корреляции 0,998 (cплав Аl-7%Si);

х/R = 0,0264 ^1,76 при коэффициенте корреляции 0,993 (сплав Al-25%Si);

х/R = 0,0257 ^1,93 при коэффициенте корреляции 0,997 (алюминий А7).

Видно, что коэффициент К_о зависит от состава сплава и давления прессования: К_о увеличивается с уменьшением степени легированности сплава и повышением давления прессования. Следует отметить, что давление выравнивает значения коэффициента К_б отливки из сплавов разного состава

Для алюминия А7 и всех исследованных сплавов зависимость (3) с достаточной степенью достоверности можно представить в виде:

х/R = К ² (4)

Формулу (4) можно записать в виде (5) и использовать для расчетов:

х = К² (5)

С увеличением давления прессования сокращается время существования двухфазной зоны (см. рис. 3), что приводит к последовательному затвердеванию отливок из сплавов с узким интервалом кристаллизации и к последовательно-объемному - из сплавов с широким интервалом кристаллизации. Так, при затвердевании отливок из сплава Al-6%Si (узкий интервал кристаллизации) под атмосферным давлением стояние температуры ликвидус в центральной зоне прекращается через 14 с после окончания заливки, а температуры солидус (эвтектики) - через 35 с, т.е. двухфазная зона в отливки сохраняется в течение 21 с. При давлении 300 МПа указанные временные промежутки уменьшаются соответственно до 6 и 12 с (двухфазная зона в отливке существует в течение 6 с). Для отливок из сплава Al-25%Si (интервал кристаллизации 30^оС), затвердевающих в условиях атмосферного давления, время охлаждения теплового центра до температуры ликвидус составляет 10 с и до температуры солидус (эвтектики) - 40 с, время существования двухфазной зоны - 30 с, а в условиях механического давления в 300 МПа - соответственно 5 и 10 с (время существования двухфазной зоны - 5 с).

Модифицирование силуминов, содержащих 11…17%Si, лигатурой AlTi5B1 (для воздействия на -фазу) приводит к повышению коэффициента К и уменьшению времени затвердевания отливки. Так, для отливок из сплава Al-17%Si, затвердевающих под атмосферным давлением, коэффициент К=0,011 мм/с² (без модифицирования) и 0,2 и 0,277 мм/с² при введении 0,2 и 0,5%Тi, а при затвердевании под давлением 160 МПа - К=0,152; 0,211 и 0,277 мм/с² соответственно. Аналогичная картина наблюдается и при сравнении затвердевания отливок из сплавов АК7ч и А356.2, отличающихся друг от друга главным образом содержанием модификатора (стронция).

С использованием теории контактного теплообмена и метода графического интегрирования рассчитаны значения коэффициента теплоотдачи ₁ между формирующейся отливкой и пресс-формой. К моменту окончания заливки расплава в матрицу ₁=30000…32000 Вт/(м² К). Если формирование отливки в дальнейшем происходит в условиях атмосферного давления, то коэффициент ₁ непрерывно снижается, чему способствует образование зазора между отливкой и формой (матрицей пресс-формы), в результате чего к моменту окончания затвердевания отливки величина ₁ достигает 7500…7700 Вт/(м² К). В момент приложения давления снижение ₁ прекращается и затем (пропорционально росту давления) повышается до определенной величины, характерной для каждого номинального давления р_н, после чего практически остается без изменения на достигнутом уровне до окончания затвердевания отливки. Изменение величины коэффициента ₁ для отливок (р_н=200 МПа) из алюминия А7, сплавов АК7ч, АК12 и АК18Н во время затвердевания приведено на рис. 4, где по оси абсцисс отложено относительное время затвердевания - /_з. Видно, что отливки из сплавов АК18Н (кривая 1) и АК12 (кривая 2) более длительное время затвердевают в условиях повышенной интенсивности охлаждения, чем отливки из алюминия А7 (кривая 4) и сплава АК7ч (кривая 3), так как они имеют разные теплофизические характеристики. Величина критерия Био для отливок из указанных сплавов находится в пределах Вi = 1,7…9 при заливке с перегревом над температурой кристаллизации (ликвидус) 80…100^оС и повышении давления от атмосферного до 300 МПа.



Рисунок 3. - Изменение коэффициента теплоотдачи во время затвердевания отливок:1, 2, 3, 4 - сплавы АК18Н, АК12, АК7ч и алюминий А7 соответственно (р_н=200 МПа); 5 - все сплавы (атмосферное давление)

Для изучения процесса затвердевания отливки со стороны пуансона разработана и впервые использована методика, основанная на отрыве растущей корки, образовавшейся со стороны торца пуансона, от не затвердевшего сплава, остающегося в матрице. В матрицу пресс-формы, изолированную со стороны рабочей полости слоем теплоизоляционного покрытия (листовым асбестом толщиной 3…5 мм), препятствующим быстрому росту корки со стороны дна и стенок матрицы, заливали расплав, на который воздействовали прессующим пуансоном, торец которого не был защищен теплоизоляционным покрытием. После выдержки под давлением в течение заданного промежутка времени пуансон поднимали в исходное положение, вместе с ним извлекали и твердую «корку», образовавшуюся со стороны его торца и оторвавшуюся от не затвердевшего остатка, остававшегося в полости матрицы. После охлаждения до комнатной температуры толщину «корки» измеряли штангенциркулем в нескольких местах по периметру.

Математическая обработка (метод наименьших квадратов) полученных при этом кривых роста «корки» (рис. 4,а) позволила установить следующую зависимость толщины корки х_к от времени прессования _п, которую часто называют «законом квадратного корня»:

х_к=К_к, (6)

где К_к - коэффициент затвердевания, величина которого находится в пределах 5…8 мм/с^0,5 (при этом наибольшие значения К_к характерны для алюминия А7, а наименьшие - для сплава АК12, что связано с различием их теплофизических характеристик). Для одного и того же сплава значения коэффициента затвердевания тем больше, чем больше давление прессования.

а) б)

Рисунок 4. - Характер роста корки во времени:

а - алюминий А7 (1), сплавы АК7ч (2) и АК12 (3) при р_н=150 МПа;

б - сплав АК12 при р_н=200 (4), 150 (5), 100 (6) и 10 МПа (7)

Анализ кривых охлаждения «корок» (по показаниям термопар, установленных на расстояниях 1; 5 и 10 мм от торца пуансона), показал, что с повышением давления прессования улучшается контакт между торцом пуансона и «коркой», в результате чего температура поверхностного слоя корки (на глубине 1 мм) резко снижается и стабилизируется на уровне 540…530С (давление 10 МПа, сплав АК12) и 475…450С (давление 200 МПа), градиент температур по толщине корки при указанных выше значениях давления составляет 7 и 15С/мм. Время затвердевания слоев на глубине 1; 5 и 10 мм уменьшается от 1,3…1,5; 5…6 и 10…12 с (давление 10 МПа) до 0,5…0,6; 2.2…3 и 5,5…6 с (давление 200 МПа) соответственно. Зависимость между временем затвердевания «корки» и давлением преимущественно линейная. Изменение толщины «корки» во времени представлен на рис. 4,б, а значения коэффициента затвердевания находятся в пределах К = 3,5…4,5 мм/с^0,5

Для тепловых процессов, протекающих при формировании «корки» (плоская стенка), толщину корки определяют из следующего выражения:

х_к==К_р (7)

где _м, L_м, с_м - плотность, теплота кристаллизации и теплоёмкость твёрдого металла соответственно, t_кр - температура кристаллизации металла;

t_п - температура поверхности корки; - время.

Расчет К_р по формуле (7) позволил получить следующие его значения - 3,8…7,6 мм/с^0,5 (сплав АК12), которые близки к результатам опытов (3,8…6,6 мм/с^0,5), рассмотренных выше; при этом небольшое различие в значениях расчетного К_р и экспериментального К_к коэффициентов затвердевания наблюдается при высоких давлениях.

Пуансонное прессование (рис. 1,б). При пуансонном прессовании дозу расплава заливают в матрицу пресс-формы и затем выступающей частью пуансона выдавливают вверх до полного заполнения рабочей полости пресс-формы. Особенностью этой схемы ЛКД является то, что пуансон вначале соприкасается с расплавом, удаленным от вертикальных стенок матрицы, и вытесняет его выше уровня заливки, заполняя рабочую полость, оформляемую матрицей и выступающей частью пуансона. При этом коэффициент формообразования К_ф, являющийся отношением объема расплава V_ф, вытесненного пуансоном во время формообразования отливки, ко всему объему отливки V_от, может изменять в следующих пределах К_ф=0,1…0,9.

После окончания формообразования давление пуансоном передается либо только на внутреннюю поверхность отливки, либо на внутреннюю поверхность и верхний торец отливки, либо на внутреннюю поверхность и не на весь верхний торец отливки. Последняя схема (рис. 1,б) была принята при проведении опытов.

Проанализированы гидродинамические режимы ЛКД с учетом неразрывности струи и установлено, что скорость движения расплава в рабочей полости пресс-формы подчиняется следующей закономерности:

v_ф=v_п/[(D-d)² - 1], (8)

где v_п - скорость внедрения пуансона в расплав.

Ее анализ показал, что увеличение толщины стенки (при постоянном наружном диаметре) от 5 до 20 мм (в 4 раза) приводит к снижению скорости v_ф в 10 раз. Это отражается на качестве отливок. Небольшая скорость опускания пуансона в полости пресс-формы удлиняет время формообразования отливки и иногда приводит к недоливам (особенно при температуре матрицы ниже 50^оС и толщине стенки отливки мене 5 мм). Кроме того, при низкой температуре пресс-формы возможно образование спая, распространяющегося в глубь стенки на уровне заливки расплава в матрицу, что наиболее вероятно в тонкостенных отливках.

Впервые проведенные исследования тепловых условий формирования отливок типа стакана (наружный диаметр 60 мм, высота 60 мм, толщина стенки 5; 10; 15 и 20 мм) с установкой термопар в различных точках по высоте и толщине вертикальной стенки, показали, что затвердевание протекает при наличии определенного температурного перепада по высоте, связанного как с тепловыми, так и силовыми условиями формирования отливки. Время затвердевания зон отливки увеличивается при переходе от верхнего торца к нижнему, при этом тепловой центр смещается к зоне сопряжения вертикальной стенки и донной части отливки. Это следует учитывать при разработке конструкции отливки и деталей пресс-формы с целью получения качественных заготовок (без усадочных раковин и пор).

Изучение изменения температуры в поперечном сечении вертикальной стенки, равноудаленном от торцов, позволило выявить наличие определенного температурного перепада в указанном сечении, величина которого составляет 25…85С в момент окончания формообразования отливки и 60…150С - в момент окончания затвердевания теплового центра. Это свидетельствует о последовательном (иногда последовательно-объемном) характере затвердевания вертикальной стенки. Тепловой центр отливки смещается к прессующему пуансону (при прочих равных условиях).

Продвижение фронта затвердевания в вертикальной стенке отливки типа стакана можно выразить в виде параболы (рис. 5):

х_i=К_{i i}², (9)

где _i =_н - время с момента окончания заливки расплава в матрицу, с (для расчета роста корки со стороны матрицы); _i=_в - время с момента окончания формообразования отливки, с (для расчета роста корки со стороны пуансона). Значения коэффициента затвердевания К_i неодинаковы для кривых 1 и 2 (рис. 5), что объясняется различной интенсивностью охлаждения на границах раздела «отливка - матрица» и «отливка - пуансон». При прочих равных условиях величина коэффициента К_i зависит от теплофизических свойств сплава и режимов ЛКД (главным образом от давления прессования и температурных параметров).

Для отливок из сплава АК12 при р_н=150 МПа К_i=0,14…0,16 мм/с² (для расчета продвижения фронта затвердевания со стороны наружной поверхности - со стороны матрицы) и 0,45…0,60 мм/с² (со стороны внутренней поверхности - со стороны пуансона). Изменение состава сплава, а следовательно, и его теплофизических характеристик приводит к изменению коэффициента К_i.

С увеличением толщины стенки отливки от 5 до 20 мм и содержания кремния в силуминах до 18% время затвердевания возрастает (при прочих равных условиях), хотя и не очень значительно. В первом случае это связано с общим ростом теплосодержания отливки, а во втором - с изменением теплофизических свойств сплава (с увеличением содержания кремния снижается теплопроводность силумина).

Формулу (9) рекомендуется использовать для расчета времени затвердевания и выдержки под давлением отливок в условиях пуансонного прессования.

Рисунок 5. - Кривые продвижения фронта затвердевания со стороны матрицы (1) и со стороны пуансона (2): а, б, в - толщина стенки отливки 10, 15 и 20 мм

Пуансонно-поршневое прессование (рис. 1,в). При пуансонно-поршневом прессовании расплав свободно заливают в матрицу пресс-формы и затем (после соприкосновения с торцом прессующего пуансона) вытесняет его определенную дозу в одну или несколько полостей, расположенных в пуансоне. При этом торец пуансона соприкасается с коркой, образовавшейся у боковых стенок матрицы, и воздействует на нее - деформирует.

Исследовано затвердевание и охлаждение выступающих элементов отливок, формирующихся в полости пуансона и имеющих следующие размеры: диаметр d=10; 15 и 20 мм; высота h=60 мм. Диаметр внутренней полости матрицы D=60 мм, высота Н была переменной в зависимости от объема полости в пуансоне. Для четкого оформления выступающих элементов отливки в полости пуансона были предусмотрены канавки для удаления воздуха и газов. Отливки изготовляли из сплавов АК7ч и А356.2. Режимы ЛКД: t_зал=720…740^оС; t_м=50…80^оС; р_н=20…250 МПа; _д=3…4 с; _п=30…35 с; смазка - машинное масло. Установлено, что при постоянном давлении (250 МПа) время затвердевания увеличивается с увеличением диаметра элемента отливки. Это время небольшим, что связано с вытеснением в полость пуансона не расплава, а жидко-твердой массы.

Исследовано влияние различных параметров на качество получаемых отливок. Установлено, что при формообразовании отливки, а, следовательно, и при заполнении полостей пресс-формы (главным образом в пуансоне) в отливках возникают дефекты следующих видов: 1) нечеткое оформление контуров отливки в полости пуансона, образующееся из-за отсутствия или недостаточной вентиляции пресс-формы; 2) газовые раковины (при отсутствии вентиляции пресс-формы); 3) наличие спаев, распространяющихся от наружной поверхности в тело отливки (или пресс-остатка), вследствие деформации вертикальной «корки».

Дефекты, связанные с нечетким оформлением контуров отливки, устраняются применением сборной конструкции пуансона при условии выполнения между его отдельными элементами вентиляционных зазоров.

Изучение механизма образования спаев в местах деформирования вертикальной корки позволило установить, что этот дефект наиболее характерен для отливок, изготовляемых в недостаточно нагретой пресс-форме (t_м100^оС). Наличие избыточного количества смазки на вертикальных поверхностях матрицы (например, графитомасляной смазки) также способствует образованию подобных спаев. Выявлено, что вертикальная корка, образующаяся у стенок матриц, деформируется, а ее верхняя часть смещается в тело отливки, где под действием перегретого сплава она частично оплавляется. Для устранения указанных спаев рекомендуется уменьшать толщину и прочность корки за счет повышения начальной температуры матрицы и уменьшения времени выдержки расплава в матрице до приложения давления прессования, а также за счет увеличения припуска на механическую обработку или изменения конструкции отливки путем введения дополнительного элемента - фланца, размеры которого больше габаритов заготовки и который может служить пресс-остатком.

Качество отливок, изготовляемых с использованием схемы пуансонно-поршневого прессования, зависит не только от условий формообразования отливки, но и от величины давления. Его величину рекомендуется рассчитывать по формулам, применяемым для расчета величины давления при поршневом прессовании.

В третьей главе рассмотрены силовые условия формирования отливок при ЛКД.

Поршневое прессование. Как указывалось выше, при поршневом прессовании давление воздействует на вертикальную корку, образовавшуюся вдоль боковых стенок матрицы. Трение на контактных поверхностях «отливка - форма» присущи практически всем технологическим операциям обработки металлов с использованием давления. Усилия трения и развиваемые ими на контактных поверхностях касательные напряжения зависят от многих факторов. Большинство исследователей для решения практических задач по определению деформированного состояния металла при различных технологических процессах принимают касательные напряжения _к, по абсолютной величине равные максимальным (условие Мизеса) - _к=_s/, где _s - предел текучести сплава при температурах деформации. Это, по мнению профессора Е.П. Унксова и др., обеспечивает наиболее математически строгое решение технологических задач независимо от метода расчета. Подобное положение принято и при выполнении расчетов в данной работе.

Рассмотрен баланс сил, действующих на формирующуюся отливку в момент окончания затвердевания, и определено давление, необходимое для уплотнения затвердевающей заготовки типа сплошного цилиндра диаметром D и высотой H:

р=К_уs[1+], (10)

где К_у - коэффициент, зависящий от коэффициента формообразования отливки К_у = 1 - К_ф); при поршневом прессовании К_у=1.

Относительные потери давления на внешнее трение (р = р_тр) можно определить из выражения:

, (11)

где р - приложенное давление.

Из анализа выражения (11) вытекает практический вывод о необходимости уменьшения отношения Н/D (при постоянном _s) c целью получения отливок повышенного качества. Предположив, что отливка получится плотной, когда более 60% прилагаемого давления будет затрачиваться на ее уплотнение (например, при р0,6р_н).Тогда, как видно из рис. 6, значения р/р0,4 обеспечиваются при отношении H/D1, если р100 МПа (область II); а при давлении 50 МПа и H/D0,5 (область I) нельзя получить качественные отливки - без усадочных дефектов, что и подтверждается многочисленными экспериментальными данными. При давлении 200 МПа качественными можно получить отливки с отношением H/D до 3 (область III).



Рисунок 6. - Зависимость относительных потерь давления на внешнее трение от отношения высоты к диаметру отливки: I, II, III - номинальное давление 50, 100 и 200 МПа (нижняя граница каждой области при _s=5 МПа, верхняя - при 10 МПа)

Значения _s определяли по справочным данным, принимая его значения от 5 до 20 МПа, зная температурное поле отливки в момент окончания затвердевания. Результаты расчета потерь давления на внешнее трение по формуле (11) приведены в табл. 1 (при _s=8 МПа):

Таблица 1. Относительные потери давления не внешнее трение

Металл, сплав	р/р, при рн, МПа	Примечание
	50	100	200
А7	0,91 0,80	0,55 0,62	0,32 0,35	Расчет Опыт
АК7ч	0,64 0,62	0,60 0,61	0,52 0,55	Расчет Опыт

Если отношение H/D1, то можно сделать допущение о том, что потери давления на трение на вертикальных поверхностях отливки будут намного больше аналогичных потерь на торцовых поверхностях и последними можно пренебречь. Тогда выражение (11) будет иметь следующий вид

р/р (1+2,31_s/р) (H/D) (12)

Если отношение H/D1 (отливки типа фланца или диска), то внешнее трение на торцовых поверхностях будет больше, чем на боковых (вертикальных) поверхностях (ими можно пренебречь), и выражение (11) примет вид:

р/р=1,56_s/р (13)

Экспериментальное исследование эффективности воздействия давления на затвердевающую отливку поводили на установке, позволявшей фиксировать температуру заготовки, изменение прилагаемого давления и давления, передаваемого отливкой на дно матрицы, а также относительного перемещения прессующего пуансона.

Результаты одного из опытов приведены на рис. 7, из которого видно, что отливки из алюминия А7 затвердевали в течение 4,5 с после приложения давления (t_зал=700^оС, t_м=50^оС). Давление, приложенное через 5 с после окончания заливки, достигало заданной величины через 4,5 с, так что отливка затвердевала под нарастающим давлением - от атмосферного до 100 МПа. После приложения давление в течение первой секунды р = р₁. Это продолжалось до тех пор, пока количество твердой фазы не превышало 50%, а давление через жидкую фазу передавалось на дно матрицы и нижнюю месдозу. Затем давление р₁ начинало уменьшаться. При 75% твердой фазы оно стабилизировалось и до окончания затвердевания отливки практически оставалось постоянным (р₁75 МПа), а величина р = 20…30% от приложенного давления.



Рисунок 7. - Графики охлаждения отливки (1…3) из алюминия А7 и относительного роста корки x/R (а) и изменения силовых параметров (б): а - 1, 2, 3 - температура отливки на расстоянии 6; 12,5 и 25 мм (центр) от поверхности; б - давление, прикладываемое пуансоном р (1) и фиксируемое нижней месдозой р₁ (2), потери давления на трение р (4) и относительное перемещение пуансона h/H (3)

Таким образом, наблюдаются потери давления на внешнее трение, величина которых увеличивается по мере затвердевания отливки. Это означает, что последние участки в тепловом центре отливки затвердевают под давлением, значительно меньшем, чем прикладываемое. Экспериментальные данные о потере давления на внешнее трение приведены в табл. 1 (они близки к расчетным).

Зная величину повышения температуры кристаллизации металла под воздействием давления dT, величину давления, воздействующего на центральные зоны отливки, можно определить, используя формулу (1). Результаты расчета по этой формуле показали, что при приложенном давлении 190 МПа давление, воздействующее на тепловой центр отливки снижается до 100 МПа, усадочные раковины и поры в заготовке отсутствуют; при величине воздействующего давления 100 МПа давление в тепловом центре не превышает 50 МПа, а отливка имеет усадочные раковины и поры.

Экспериментально установлено, что чем больше высота и отношение H/D отливки, тем больше относительные потери давления на внешнее трение (рис. 8); это подтверждает приведенные выше результатов расчетов. Если в центральной зоне отливки еще имеется жидкая фаза, то относительные потери давления мало зависят от высоты отливки при H/D1,2; при H/D=1,6…2 значения р/р немного возрастают, в момент окончания затвердевания р/р заметно повышаются, особенно в отливках с отношение H/D1. алюминиевый сплав затвердевание теплоотдача

Рисунок 8. - Зависимость относительных потерь давления на внешнее трение от отношения высоты к диаметру отливки (а) и давления прессования (б):

1, 2 - при достижении температур ликвидус и солидус соответственно

Определены значения _s алюминиевых сплавов, используя экспериментальные данные по потерям давления на внешнее трение; они находятся в пределах 8…18 МПа, увеличиваясь при уменьшении высоты отливки и отношения H/D.

Проведено аналитическое исследование по определению усилия извлечения отливки из матрицы пресс-формы. Показано, что причиной, вызывающей эти усилия, являются упругие деформации матрицы пресс-формы в процессе прессования затвердевающей отливки. После снятия давления между отливкой и матрицей возникает контактное давление и соответствующая ему сила трения, преодоление которых требует значительных усилий. Выведены аналитические зависимости для расчета величины этих усилий Q:

Q = , (14)

где р_н - номинальное давление прессования, МПа; f - коэффициент трения; - коэффициент; Н - высота отливки, м; а, b - внутренний и наружный радиусы матрицы, м; - коэффициент Пуассона.

Анализ зависимости (14) показывает, что при прочих равных условиях с увеличением давления прессования, коэффициента трения на границе «отливка-матрица» и высоты отливки усилие извлечения отливки из матрицы возрастает. Это вызывает необходимость применения оптимальные режимы ЛКД, смазывать матрицу пресс-формы перед каждой заливкой расплава и после подъема пуансона в исходное положение.

Уплотнение отливок при затвердевании. Выполнен расчет величины перемещения пуансона (верхнего торца затвердевающей под давлением цилиндрической отливки), которое косвенно характеризует величину уплотнения формирующейся отливки. При расчете принято положение о том, что перемещение пуансона во время уплотнения затвердевающей отливки прямо пропорционально усадке сплава в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии. Кроме того, принято, что продвижение фронта затвердевания со стороны боковых поверхностей отливки подчиняется параболической зависимости (см. выражение (5)), а со стороны пуансона (для отливок типа фланца, у которого высота намного меньше диаметра). С учетом этих положений получены зависимости, позволившие рассчитать величину перемещения верхнего торца формирующейся при ЛКД отливки и затем учитывать результаты расчета при регулировании контролирующей аппаратуры, устанавливаемой на гидравлических прессах.

Для отливки типа фланца расчетом получена следующая математическая зависимость:

h_з/H=_ж(t_зал - t_лик) + , (13)

где h_з - величина перемещения верхнего торца отливки под воздействием давления в момент окончания затвердевания, мм; Н - высота отливки, мм; t_зал и t_лик - температура заливки и ликвидус сплава, ^оС; _ж и _v - коэффициенты усадки сплава в жидком состоянии и при затвердевании; К_к - коэффициент затвердевания, мм/ с ^0,5; _з - время затвердевания отливки, с.

Экспериментальные данные и результаты их математической обработки подтверждают принятое при выполнении расчетов положение о прямо пропорциональной зависимости между перемещением верхнего торца отливки с момента приложения давления и объемной усадкой сплава в соответствующие периоды. В табл. 2 приведены расчетные (формула (13)) и опытные значения h_з/H для отливки диаметром 50 мм и высотой 100 мм из алюминия А7 и сплава АК12 при номинальном давлении прессования 100, 200 и 300 МПа.

Однако величина перемещения верхнего торца отливки не позволяет предсказать, как происходит перемещение отдельных слоев (зон) по высоте, расположенных на разных уровнях от нижнего или верхнего торца.

Для изучения перемещения отдельных слоев затвердевающей под давлением отливки использована методика, разработанная в МГОУ и заключающаяся в том, что перед заливкой расплава на вертикальные стенки матрицы со стороны рабочей полости на фиксированных расстояниях от дна устанавливали небольшие постоянные магниты.

...