WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1. Сведения о предполагаемой защите диссертации.

Батышев Константин Александрович

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

– 05.16.04

– технических наук

– Д 212. 132. 02

– ФГОУ ВПО «Государственный технологический университет «Московский институт стали и сплавов»

– 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 4

– тел: (495) 955-00-32

– Предполагаемая дата защиты диссертации – 25 февраля 2010 г.

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

Защита диссертации состоится 2010 года в час. на заседании диссертационного совета Д 212.132.02 при Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6, ауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Автореферат разослан 2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор А.Е. Сёмин

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 в>500 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…12оС (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=Tпл (V2-V1)/L, (1)

где dT – изменение температуры кристаллизации (плавления Тпл), 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 рн 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 продви-

ного давления времени затвердевания жения фронта затвердевания

отливки (з), относительной темпера- (линий изоликвидус и изосоли-

туры ее поверхности (Тпц), перепада дус, эвтектического превраще-

температур по ее сечению (То) и на ния) в цилиндрических отлив-

границе раздела «отливка-форма» ках из сплавов системы Al-Si

(То-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 Rпр (при постоянном диаметре) это время возрастает по линейной зависимости:

з=КпрRпр, (2)

где Кпр – 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/Rо=К n, (3)

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

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

х/R = 0, 02611,78 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 Ко зависит от состава сплава и давления прессования: Ко увеличивается с уменьшением степени легированности сплава и повышением давления прессования. Следует отметить, что давление выравнивает значения коэффициента Кб 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 30оС), 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 рн, после чего практически остается без изменения на достигнутом уровне до окончания затвердевания отливки. Изменение величины коэффициента 1 для отливок (рн=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…100оС 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 (рн=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 хк от времени прессования п, которую часто называют «законом квадратного корня»:

хк=Кк, (6)

где Кк – коэффициент затвердевания, величина которого находится в пределах 5…8 мм/с0,5 (при этом наибольшие значения Кк 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 рн=150 МПа;

б – сплав АК12 при рн=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…530°С (давление 10 МПа, сплав АК12) и 475…450°С (давление 200 МПа), градиент температур по толщине корки при указанных выше значениях давления составляет 7 и 15°С/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/с0,5

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

хк==Кр (7)

где м, Lм, см – плотность, теплота кристаллизации и теплоёмкость твёрдого металла соответственно, tкр – температура кристаллизации металла;

tп – температура поверхности корки; - время.

Расчет Кр по формуле (7) позволил получить следующие его значения – 3,8…7,6 мм/с0,5 (сплав АК12), которые близки к результатам опытов (3,8…6,6 мм/с0,5), рассмотренных выше; при этом небольшое различие в значениях расчетного Кр и экспериментального Кк 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 Кф, являющийся отношением объема расплава Vф, вытесненного пуансоном во время формообразования отливки, ко всему объему отливки Vот, может изменять в следующих пределах Кф=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:

vф=vп/[(D-d)2 - 1], (8)

где vп – 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 vф 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 50оС 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…85°С в момент окончания формообразования отливки и 60…150°С – 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):

хi=Кi i2, (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 Кi 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 Кi зависит от теплофизических свойств сплава и режимов ЛКД (главным образом от давления прессования и температурных параметров).

Для отливок из сплава АК12 при рн=150 МПа Кi=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 Кi.

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: tзал=720…740оС; tм=50…80оС; рн=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 (tм<100оС). 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=Куs[1+], (10)

где Ку – коэффициент, зависящий от коэффициента формообразования отливки Ку = 1 – Кф); при поршневом прессовании Ку=1.

Относительные потери давления на внешнее трение (р = ртр) 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 р>0,6рн).Тогда, как видно из рис. 6, значения р/р<0,4 обеспечиваются при отношении H/D<1, если р>100 МПа (область II); а при давлении 50 МПа и H/D>0,5 (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/D>>1, 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+2,31s/р) (H/D) (12)

Если отношение H/D<<1 (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=1,56s/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 (tзал=700оС, tм=50оС). 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/D<1,2; 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/D>1.

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 рн – 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:

hз/H=ж(tзал - tлик) + , (13)

где hз – величина перемещения верхнего торца отливки под воздействием давления в момент окончания затвердевания, мм; Н – высота отливки, мм; tзал и tлик – температура заливки и ликвидус сплава, оС; ж и v – коэффициенты усадки сплава в жидком состоянии и при затвердевании; Кк – 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 hз/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 заключаю-

щаяся в том, что перед заливкой расплава на вертикальные стенки матрицы со стороны рабочей полости на фиксированных расстояниях от дна устанавливали небольшие постоянные магниты.

Таблица 2. Относительное перемещение верхнего торца отливки в

момент окончания затвердевания

Металл, сплав tзал, оС рн, МПа hз/H
Расчет Опыт
A7 720 100 0,098 0,096
200 0,109 0,104
300 0,111 0,106
AK12 680 100 0,062 0,063
200 0,064 0,066
300 0,065 0,068

Расплав заливали так, чтобы струя не смыла их. Разность между расстоянием каждого магнита от дна матрицы и расстоянием его от нижнего торца отливки после охлаждения последней до комнатной температуры соответствовала величине перемещения каждого магнита и соответствующего слоя отливки под воздействием давления.

Использование этой методики для алюминия и всех использованных промышленных сплавов позволило установить, что наибольшее перемещение слоев, следовательно, и лучшее уплотнение затвердевающей отливки имеет место в верхней зоне, прилегающей к пуансону и распространяющейся на расстояние 1/3 высоты отливки от него, тем самым подтверждены данные полученные ранее в МГОУ и НГТУ. По мере удаления от верхнего торца отливки (места приложения давления) перемещение слоев уменьшается по зависимости, близкой к параболической. Абсолютные значения величины перемещения каждого слоя зависит от давления прессования, объемной усадки и механических свойств сплава при высоких температурах.

Пуансонное прессование. Усилие Р в момент окончания затвердевания отливки, как и при поршневом прессовании, затрачивается на ее уплотнение (sF) и на преодоление сил трения между отливкой и вертикальными стенками матрицы (кDН), между отливкой и выступающей частью пуансона (кdh), между отливкой и торцовыми поверхностями пресс-формы (2кF):

Р = р F = s F + Ку [к ( DH + dh)+ 2кF] (14)

где р – прикладываемое давление, МПа; F – площадь торцовой поверхности отливки, м2; s – предел текучести сплава при высоких температурах, МПа;

к – контактные напряжения на поверхностях трения, МПа; D, d – наружный и внутренний диаметры отливки, м; H, h – высота отливки и глубина ее внутренней полости; Ку – коэффициент уплотнения, зависящий от коэффициента формообразования отливки Кф.

Проведен анализ коэффициента Кф для отливок типа стакана высотой 60 мм и толщиной стенки 5; 10; 15 и 20 мм, имеющих наружный диаметр 60…200 мм и высоту 60 мм, и установлено, что наибольшее значения Кф характерны для тонкостенных отливок, следовательно, для них меньшими будут значения Ку. При постоянной толщине стенки отливки значения Кф тем больше, чем глубже ее внутренняя полость. Значит, при увеличении отношения Хдн/Хот (здесь Хдн – толщина донной части отливки; Хот – толщина вертикальных стенок) для получения качественной отливки необходимо приложить большее давление прессования, что вполне совпадает с результатами собственных опытов и литературных данных.

Рассчитаны относительные потери давления на внешнее трение по формуле

р/р=Крs/р (1+ 2/ (15)

и показано, что они, как и при поршневом прессовании, зависят от предела текучести сплава при высоких температурах s, наружных и внутренних размеров отливки, а также от коэффициента уплотнения Ку..

ЛКД композиционных материалов. Исследовано затвердевание и охлаждение отливок из композиционных материалов с матрицей из алюминия и алюминиевых сплавов АК12 и Al-4,5%Cu. В качестве упрочняющих добавок использованы карбид титана, карбид кремния и оксид алюминия. Установлено, что характер зависимостей, полученный ранее для алюминия и сплавов на его основе, сохраняется, изменяются только численные значения.

Таблица 3. ЛКД алюминия, некоторых алюминиевых сплавов и КМ

Металл, сплав, КМ з, с Ткр, оС ро, МПа (h/H)з
Алюминий А7 6,2 10 95 0,099
Al – 5%SiC 10,2 5 55 0,043
Al – 10%TiC 6,8 6 35 0,053
АК12 6,9 8 140 0,066
AK12 – 5%SiC 7,1 4 100 0,045
AK12 – 5%TiC 10,2 5 110 0,075
Al - 4,5%Cu 9,2 11 50 0,120
Al – 4,5%Cu – 2%Al2O3 13 8 140 0,108

Примечание. з – время затвердевания; Ткр – повышении температуры кристаллизации

(ликвидус) под воздействием давления; ро – давление, при котором начинается повышение

температуры кристаллизации металла (сплава); (h/H)з - относительное перемещение

верхнего торца отливки в момент окончания затвердевания

Следует отметить, что введение упрочняющих частиц в металлический расплав изменяет свойства сплавов и их склонность к уплотнению во время затвердевания (табл. 3). Отливки из композиционных материалов уплотняются в меньшей степени, чем отливки из традиционных алюминиевых сплавов.

В четвертой главе приведены результаты исследования структуры и свойств «корок» и отливок, изготовленных с использованием основных схем прессования.

Изучена макро- и микроструктура «корок» (из силуминов), растущих со стороны пуансона, и показано, что на поверхности отрыва «корки» от не затвердевшего остатка выявлены светлые и темные области, не имеющие принципиального отличия в строении. В этих областях обнаружены «веточки» эвтектического кремния (сплав АК12), растущие горизонтально – вдоль дендритов -твердого раствора. Количество выступающих дендритов, растущих быстрее эвтектики, - незначительно. В отдельных местах выявлены участки сферической формы, ограниченные светлой полосой, структура которых не отличается от структуры близлежащих участков и состоит из дендритов -твердого раствора и эвтектики. На отдельных участках поверхности «корки» выявлены элементы, имеющие форму удлиненной капли, по-видимому, образовавшиеся после отрыва «корки» от не затвердевшего остатка за счет вытеснения жидкой фазы из междендритных промежутков или за счет действия сил, возникших на границе «расплав - фронт затвердевания» при отрыве «корки».

Микроструктура «корок» в сечении имеет направленный характер (в соответствии с теплоотводом) – от пуансона к поверхности отрыва ее от не затвердевшего остатка. При этом переходе размер дендритной ячейки увеличивается прямо пропорционально расстоянию от наружной поверхности (по линейной зависимости).

Механические свойства «корок» следующие (литое состояние; ось разрывных образцов перпендикулярна приложенному усилию прессования):

в=175…180 МПа; =11,4…12,0 % (сплав АК12);

в=202…209 МПа; =14,2…18,0 % (сплав АК7ч).

При изучении структуры цилиндрических отливок подтверждены данные других исследователей, проводивших исследование структуры сплавов цветных металлов на разной основе, что в условиях ЛКД структура отливок измельчается. Этому способствуют повышенная скорость охлаждения и воздействие давления как на условия возникновения центров кристаллизации, так и на растущие кристаллы.

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с известной теоретической зависимостью:

r= (16)

где r - радиус критического зародыша; - поверхностное натяжение на границе «зародыш-расплав»; Т – переохлаждение расплава; dT – изменение температуры кристаллизации сплава, обусловленное изменением давления на величину dp; V2, V1 – объемы жидкой и твердой фаз соответственно. Из выражения (16) видно, что уменьшение размера критического зародыша и измельчение структуры сплава в отливках при ЛКД происходит не только за счет увеличения переохлаждения, но и за счет повышения давления прессования.

Наиболее существенное измельчение структуры (в 2…3 раза) наблюдается в области давлений от атмосферного до 100 МПа; последующее повышение давления до 300…400 МПа также приводит к уменьшению размеров зерен, но в значительно меньшей степени, чем в первой области давлений.

Структура отливок из доэвтектических силуминов характеризуется наличием дендритов -твердого раствора и эвтектики (+Si). В структуре отливок из сплава Al-13%Si, затвердевших под атмосферным давлением, содержатся кристаллы первичного кремния (КПК) и эвтектика. При ЛКД размеры КПК уменьшаются с увеличением давления (рис. 10), уменьшается также и площадь, занятая ими, что указывает на сдвиг эвтектической точки вправо - к кремнию. В отливках из заэвтектического силумина (с 25%Si) с повышением давления при кристаллизации КПК также измельчаются (дробятся); если при литье в кокиль их размеры находились в пределах 70…75 мкм, то при рн=320 МПа – 20…23 мкм; конфигурация (форма) КПК при этом не изменяется (рис.9).

Смещение эвтектической точки вправо, измельчение эвтектики, увеличение растворимости кремния в алюминии и наблюдаемое устранение усадочной пористости в формирующихся при ЛКД отливках приводит к повышению их механических свойств. Одновременное повышение прочностных (в, НВ) и пластических () характеристик силуминов при ЛКД можно объяснить измельчением дендритов -твердого раствора, КПК и составляющих эвтектики, а также физическими свойствами последней.

 а) б) – Микроструктура отливок из сплава Al-25%Si, затвердевших-24

а) б)

Рисунок 9. Микроструктура отливок из сплава Al-25%Si, затвердевших под

атмосферным давлением (а) и давлением 320 МПа (б)

Изучение микроструктуры силуминов с 13…25%Si показало, что КПК имеют разное строение и располагаются на фоне -твердого раствора, но это не отражается кардинально на изменении механических свойств; главное здесь – не строение КПК, а их размеры, изменяющиеся под воздействием давления на затвердевающую отливку. Давление приводит к измельчению КПК, но не оказывает существенного влияние на их конфигурацию (рис. 10).

 – Форма кристаллов первичного кремния в отливках из сплава-25

Рисунок 10. Форма кристаллов первичного кремния в отливках из сплава Al-17%Si,

затвердевших под давлением 160…320 МПа

Применены методы планирования экспериментов с использованием планов Рехтшафнера (для двойных сплавов системы Al-Si) и Хартли (для высокопрочных сплавов системы Al-Si-Cu). Получены уравнения регрессии и графические зависимости, связывающие значения прочности и пластичности сплавов в отливках с основными параметрами ЛКД.

Микроструктура сплавов систем Al-Cu и Al-Mg при кристаллизации под давлением также претерпевает существенные изменения, приводящая к изменению параметров затвердевания, уплотнения и механических свойств отливок. Так, в сплавах системы Al-Cu при кристаллизации под давлением наблюдается резкое измельчение -твердого раствора и фазы Сu-Al2. У сплавов, близких к эвтектическому составу и кристаллизующихся в типично дендритной форме, выявлено заметное уменьшение размеров дендритных ячеек, по которым рассчитана скорость охлаждения, эквивалентная действующему давлению.

Повышение давления при кристаллизации приводит к измельчению структуры отливок из сплавов системы Al-Zn-Mg (например, сплава АЛ24П) как в литом состоянии, так и после термообработки по режиму Т6. Микроструктура отливок из них в литом состоянии характеризуется наличием дендритов -твердого раствора и различных фаз, число и объем которых заметно изменяется и по сечению, и по высоте заготовки. С увеличением давления расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается, а количество фазы MgZn2 увеличивается в верхней зоне. В средней зоне по высоте с увеличением давления не только уменьшается расстояние между осями дендритов второго порядка, но и наблюдается изменение в расположении фазы MgZn2 и T-фазы (Al2Mg3Zn3).

В литом состоянии при увеличении давления прочностные характеристики сплава непрерывно повышаются (в от 96,3 до 275,3 МПа), а после термообработки по режиму Т6 их «скачок» наблюдается только при переходе от атмосферного давления к механическому (в от 430 до 450 МПа, 0,2 от 360 до 375 МПа). Пластические характеристики повышаются как в литом состоянии – от 2,1 до 11,3 %, так и после термообработки по режиму Т6 – от 4,9 до 9,0 %).

Таким образом, с повышением давления механические свойства отливок из всех исследованных сплавов заметно возрастают, особенно пластические характеристики.

Формирование комбинированных структур в отливках. Исследовано формирование отливок в частично теплоизолированных формах при ЛКД алюминиевых сплавов. Деформируемый сплав, близкий по составу к чистому алюминию, заливали в матрицу пресс-формы, изолированную со стороны рабочей полости листовым асбестом толщиной 1…5 мм. В асбесте почти на всю высоту матрицы были выполнены прорези (щели) шириной 1…8 мм для контакта расплава непосредственно со стенками матрицы. Типичные макроструктуры поперечных сечений цилиндрических отливок (D=50 мм, Н100 мм) приведены на рис. 11.

 а) б) - Макроструктура цилиндрических отливок (диаметр 50 мм), -26

а) б)

Рисунок 11. - Макроструктура цилиндрических отливок (диаметр 50 мм),

изготовленных в условиях атмосферного давления (а) и ЛКД

при рн=150 МПа (б)

Видно, что конфигурация зоны крупных кристаллов, растущих сто стороны неизолированных поверхностей матрицы, приближаются к окружности; при этом в отливках, затвердевших под атмосферным давлением, они намного меньше (рис. 10,а), чем в отливках, затвердевших под поршневым давлением (рис. 10,б). С увеличением ширины зоны контакта расплава с матрицей увеличиваются и размеры (ширина) зон крупных кристаллов. Наличие разных зон отражается на механических свойствах отливок (табл. 4).

Рассмотрено формирование зон крупных кристаллов от круговых прорезей в асбесте со стороны дна матрицы (реактивные силы) и торца пуансона

Таблица 4. Механические свойства отливок из сплава Б1Т (литое состояние)

Зона отливки рн, МПа 0,2, МПа в, МПа ,%
Крупные кристаллы 150 117 173 19
300 143 182 27
Мелкие кристаллы 150 122 208 27
300 144 214 28

(активные силы) и показано, что глубина проникновения этих зон внутрь отливки со стороны верхнего торца больше, чем со стороны нижнего, несмотря на то, что рост крупных кристаллов со стороны верхнего торца начинался на 4..5 с позже (из-за вынужденной выдержки между окончанием заливки и началом приложения давления). Способ защищен авторским свидетельством № 1588497 (СССР).

Таким образом, получены данные, свидетельствующие о возможности получения комбинированных структурных зонах в отливках с различными значениями механических свойств путем регулирования давления прессования, толщины теплоизоляционного покрытия и условий охлаждения отдельных частей (или зон) заготовки.

Пуансонное прессование. Металлографические исследования показали, что макроструктура отливок из алюминия А7 состоит из столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплового потока – к внешней и внутренней сторонам стенки «стакана», разграниченных тепловым центром. При этом ширина кристаллов увеличивается с увеличением толщины стенки отливки (при прочих равных условиях).

Макроструктура отливок с Хот=10 и 15 мм из сплава АК7ч также характеризуется наличием столбчатых кристаллов, вытянутых к внешней и внутренней сторонам стенки «стакана», как и у алюминия А7. Тепловой центр в отливках с Хот=15 мм смещается к внутренней поверхности. В отливках с Хот=10 мм у внутренней поверхности стенки макрозерна в 3…4 раза тоньше, чем у внешней. В отливках с Хот=5 и 20 мм на всей высоте стенки в основном мелкие округлые макрозерна. Только в нижней части у внешней стенки отливки с Хот=5 мм наблюдаются крупные кристаллы, вытянутые в сторону матрицы. Тепловой центр в них располагается на равном расстоянии от вертикальных поверхностей. Во всех отливках из сплава АК7ч макроструктура донной части состоит в основном из крупных макрокристаллов.

В макроструктуру отливок из сплава АК12 со стороны внешних поверхностей просматривается корка, образовавшаяся до момента внедрения пуансона в расплав. Наибольшее влияние на равномерность структуры по сечению отливки оказывают температурные (tзал, tм) и временные (д) параметры. Так, при tм<50оС и д>3 с со стороны боковой поверхности и дна матрицы образуется корка значительной толщины ещё до момента внедрения пуансона в расплав, которая частично размывается расплавом, вытесняемым пуансоном.

В отливках из сплава АК18Н в макроструктуре также наблюдается корка с внешних и внутренних сторон стенки, лишь в отливке с Хот=20 мм она выражена нечетко. Структура центральной зоны однородна и мелкодисперсна, как и структура донной части отливки.

Микроструктура отливок типа стакана из сплавов АК7ч и АК12 состоит из дендритов -фазы и эвтектики (+Si), из сплава АК18Н – из КПК и эвтектики. Она изменяется (для одного и того же сплава) при увеличении толщины стенки и по высоте стенки одной и той же толщины. Так, расстояние между осями дендритов второго порядка dП возрастает от 30 до 40 мкм (сплав АК7ч) и от 25 до 32 мкм (сплав АК12) при увеличении толщины стенки от 5 до 20 мм, при этом величина dП незначительно (на 5 мкм) уменьшается по толщине стенки (при переходе от наружной к внутренней поверхности). В верхних зонах стенки величина dП, как правило, меньше, чем в нижних; это различие достигает 10…15 мкм. Например, в верхних зонах отливок с толщиной стенки 5 мм величина dП=20 мкм и в нижних – 35 мкм (сплав АК7ч), с толщиной стенки 20 мм – соответственно 25 и 40 мкм. В отливках из сплава АК12 это различие меньше: 25 мкм (верхние зоны) и 30 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 5 мм; 25 мкм (верхние зоны) и 35 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 20 мм.

Твердость отливок находится в пределах: НВ 70…100 (сплав АК7ч), 70…120 (сплав АК12), 105…140 (сплав АК18Н), 111...121 (сплав АК8М3ч), 111…126 (сплав ВАЛ10).

Таблица 5. Механические свойства отливок типа стакана, изготовленных

ЛКД при рн=150 (литое состояние)

Металл, сплав Хот, мм 0,2, МПа в, МПа , % Место разрыва образца, мм
А7 5 39,0 63,5 30,2 24
10 40,0 68,5 35,5 25
20 47,0 65,0 35,6 29
АК7ч 5 106,5 217,5 7,5 25
10 53,5 210 2,0 28
15 86 200 2,6 25
20 63 180 2,8 43
ГОСТ 1583 - 150 0,5 -
АК12 5 54,0 197,8 2,95 28
10 102,5 215,0 5,0 28
15 65,5 220,0 9,0 26
20 111,0 213,0 7,3 27
ГОСТ 1583 - 160 2,0 -
АК18Н 5 47,5 145,5 4,0 21
10 114,5 170 0,6 21

Прочностные и пластические характеристики отливок определяли на нестандартных образцах, вырезанных из вертикальных стенок, и сохранивших с двух сторон литую поверхность; их размеры следующие: длина 55…60 мм, толщина 9…10 мм. Результаты их испытаний приведены в табл. 5.

Проанализирована удаленность места разрушения (разрыва) разрывных образцов от нижнего торца отливки. Выше отмечалось, что при пуансонном прессовании возможно образование спаев, распространяющихся от наружной поверхности в глубь стенки по уровню заливки расплава в матрицу. В проведенных опытах для отливок с толщиной стенки 10 мм этот уровень

соответствовал 38±2 мм от дна матрицы (и, следовательно, от нижнего торца отливки), толщина дна была 10±3 мм. Разрыв образцов происходил на следующем расстоянии от нижнего торца отливки: 24…29 (алюминий А7), 25…48 мм (сплав АК7ч), 26…28 мм (сплав АК12) и 21 мм (сплав АК18Н). Видно, что разрыв происходил не по уровню заливки расплава в матрицу, а ниже, что косвенно свидетельствует об отсутствии в них спаев, указанных выше.

Изучена эффективность теплосилового и модифицирующего (фосфоросодержащей лигатурой) воздействия на затвердевание, структуру и свойства отливок типа стакана из заэвтектического силумина А390. Установлено, что размеры кристаллов первичного кремния (КПК), которые формируются при ЛКД не модифицированных и модифицированных заэвтектических силуминов, существенно различаются и соответственно находятся в пределах 50…90 и 10…12 мкм.

Влияние теплосилового воздействия на прочностные свойства модифицированного заэвтектического силумина А390 представлено в табл. 6.

Таблица 6. - Прочность сплава А390 в отливках «стакан» в зависимости

от давления прессования и толщины стенки отливки

Хот, мм в, МПа, при рн, МПа
90 180 260
5 184 220 195
10 169 212 209
15 158 186 225


Pages:     || 2 |
 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.