Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного соотояния и развития литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД) 10
1.1. Заполняемость пресс-форм ЛКД 14
1.2. Уплотнение отливок при затвердевании под давлением 16
1.3. Влияние механического давления на затвердевание отливок 22
1 .4. Влияние давления на структуру сплавов . 24
1.5. Влияние давления на свойства отливок из алюминиевых сплавов 28
1.6. Выводы 32
2. Материалы, оборудование и методики исследований..34
2.1. Выбор сплавов для проведения экспериментов 34
2.2. Выбор опытных отливок 38
2.3. Методика исследования процесса затвердевания отливок 39
2.4. Методика изучения линейной усадки, структуры и механических свойств отливок ,43
3. Исследование формообразования отливок в условиях пуансонно-поршневого прессования 47
3.1. Исследование заполняемости форм 47
3.1.1. Влияние вентиляции на заполняемость пресс-форм 55
3.2. Определение величины давления прессования при ЛКД 59
-3.3. Изучение механизма деформации боковой корки 64
3.4. Исследование междендритной ликвации ..68
4. Исследование процесса затвердевания, структуры и свойств отливок из сплавов ак7ч, а356.2 при пуансонно- поршневом прессовании 72
4.1.Исследование затвердевания и охлаждения отливок 72
4.2. Исследование усадочных процессов в отливке 78
4.3.Исследование уплотнения отливок при затвердевании 80
4.4.Исследование структуры и механических свойств отливок 83
5. Разработка и совершенствование технологиипуансонно-поршневого прессования алюминиевых отливок ответственного назначения 87
5.1.Разработка промышленной технологии плавки сплава АК7ч и А356.2 в дуговых печах постоянного тока (ДППТ-0,5) 87
5.2.Влияние рафинирования и модифицирования сплавов АК7ч и А356.2 на качество и свойства отливок... 90
5.3.Исследование влияния принудительного охлаждения пресс- формы и отливки на производительность при пуансонно- поршневом прессовании 103
5.4.Исследование влияния охлаждения на качество поверхности и точность размеров отливок. 109
5.5.Совершенствование способа ЛКД 118
Основные выводы 127
Библиографический список 130
Приложение
- Уплотнение отливок при затвердевании под давлением
- Методика исследования процесса затвердевания отливок
- Определение величины давления прессования при ЛКД
- Исследование усадочных процессов в отливке
Введение к работе
Одним из наиболее перспективных и экономически выгодных способов получения качественных алюминиевых заготовок с заданными эксплуатационными характеристиками является метод литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД). Способ ЛКД позволяет получать отливки с высокими механическими свойствами, которые приближаются к свойствам поковок.
ЛКД можно изготавливать отливки с высоким коэффициентом использования металла (0,70 - 0,95), высокой точностью и малой шероховатостью поверхности. Процесс обладает малой энергоемкостью и может быть применен в условиях как мелкого, так и крупносерийного производства. Отливки могут изготовляться на специализированных и неспециализированных гидравлических прессах или литейных машинах, причем при традиционных вариантах ЛКД они не имеют литниковых систем. Это, в свою очередь, повышает коэффициент выхода годного, а минимальные припуски на механическую обработку обеспечивают высокий коэффициент использования металла. Низкая трудоемкость и себестоимость, высокие физико-механические и служебные свойства позволяют в значительной мере заменять алюминиевые поковки, чугунные и стальные заготовки на отливки из алюминиевых сплавов.
Этот прогрессивный и экономически выгодный технологический процесс изготовления отливок был разработан в России в середине 30-х годов XX века. При изучении процесса ЛКД основное внимание уделялось вопросам формирования отливок, получаемых поршневым и пуансонньш способами прессования. При этом некоторые вопросы, в частности: заполняемость полостей пуансона, определение минимальной величины давления прессования, влияние скорости прессования и условий охлаждения, модифицирования и рафинирования расплава на качество отливок и производительность труда при пуансонно-поршневом прессовании изучены
5 недостаточно. Анализируя имеющийся опыт получения отливок ЛКД, можно
констатировать, что накопленный исследователями экспериментальный
материал не охватывает все аспекты исследуемой области. Особенно это
относится к изготовлению отливок сложной конфигурации, к которым
предъявляются высокие требования по прочности и пластичности, плотности
и герметичности.
Работа посвящена исследованию процесса формирования и совершенствованию технологии ЛКД алюминиевых сплавов в условиях пуансонно-поршневого прессования.
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой научно-технической программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 - 2006 г.г." и направлением к программе развития г. Коврова как наукограда: "Разработка специальных технологий и производство газо-центробежных установок обогащения топлива для атомных реакторов различного назначения" на 2004 - 2009 годы.
Цель работы и задачи исследования. Исследование процесса формирования отливок из доэвтектических силуминов с использованием пуансонно-поршневого прессования и совершенствование технологии ЛКД для получения гарантированного качества отливок ответственного назначения с минимальными энергетическими затратами.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные задачи.
1. Исследование заполняемое, влияния скорости прессования и
вентиляции на качество заготовок.
2. Уточнение зависимости для определения минимально необходимой
величины давления, позволяющей получать при ЛКД плотные
высококачественные заготовки.
3. Исследование особенностей формообразования отливок, получаемых
пуансонно-поршневым прессованием.
Исследование процесса затвердевания и охлаждения, структуры и физико-механических свойств отливок, получаемых пуансонно-поршневым прессованием.
Исследование влияния модифицирования и рафинирования на структуру и физико-механические свойства отливок, получаемых в условиях пуансонно-поршневого прессования.
Исследование влияния принудительного охлаждения пресс-формы на качество отливок и производительность процесса пуансонно-поршневого прессования.
Модернизация оборудования и совершенствование технологии ЛКД отливок из алюминиевых сплавов.
Научная новизна работы:
- на основе изучения процессов формообразования и затвердевания отливок,
изготовленных при пуансонно-поршневом прессовании, установлено, что для
всех схем прессования характерны общие закономерности, причем
определяющими являются не только теплосиловые условия процесса, но и
химический состав сплава;
- предложена методика расчета величины скорости прессования и
вентиляционных зазоров между элементами пуансона;
- предложена зависимость для расчета величины минимально необходимого
давления прессования;
- установлены особенности формообразования отливок при пуансонно-
поршневом прессовании в зависимости от скорости прессования и толщины
стенки отливки, условий удаления воздуха и газов из рабочих полостей
формы, температуры матрицы и пуансона, времени выдержки расплава в
матрице до приложения давления и химического состава сплава;
- обоснована возможность получения отливок без задиров с высокой размерной точностью при использовании минимального количества
7 смазочных материалов (СМ) за счет управления усадкой отливки и тепловым
расширением формы;
- изучено влияние рафинирования и модифицирования на качество отливок
из сплавов АК7ч, А356.2 при ЛКД; :
- исследовано влияние принудительного охлаждения пресс-формы на качество и производительность отливок при пуансонно-поршневом прессовании.
Результаты работы получены путем теоретических и
экспериментальных исследований. Обработка результатов
экспериментальных исследований осуществлялась с использованием методов статистического анализа программы Microsoft@Excel 2000.
Практическая значимость и реализация результатов работы в промышленности. Закономерности и особенности формирования отливок, установленные на стадиях исследования и анализа процесса, учтены и использованы при разработке технологии ЛКД на ОАО "КЭМЗ" (г. Ковров). Разработаны способ пуансонно-поршневого прессования отливок ответственного назначения и конструкция пресс-формы, защищенные патентами РФ № 2176174, РФ № 2114716 и № 2188742.
Для плавки сплавов АК7ч и А356.2 использованы дуговые печи постоянного тока (ДППТ-0,5). Для сплава АК7ч выбран модифицируюше-рафинирующий флюс "Эвтектика" на основе карбонатов натрия, калия, лития, бария и стронция, а для сплава А356.2 - рафинирующий флюс на основе карбонатов натрия, магния, кальция, которые обеспечивают пластичность сплавов во время прессования и получение высококачественных отливок.
Определены и установлены основные технологические режимы получения высококачественных отливок пуансонно-поршневым способом:
8 давление и скорости прессования, начальные температуры пуансона и
матрицы, время и условия охлаждения пуансона в закрытой форме перед его отводом и отливки в матрице перед ее выталкиванием.
В технологическом процессе при изготовлении отливок использованы модернизированные гидравлические прессы ДЕ 2432, ЭПР-34А с усилием прессования 1,6 и 2,5 МН, соответственно. В технологии применены пресс-формы пуансонно-поршневой схемы прессования с вентиляционной системой, с принудительным воздушным и водо-воздушным охлаждением. Для охлаждения и смазывания использованы водорастворимые смазки типа "Элитол-Э77," "Любродаль-С25," разбавляемые водой в соотношении от 1:100 до 1:150, наносимые на пуансон и матрицу с помощью распылителя (а. с. № 1090452 СССР, а. с. № 1140832 СССР).
Для исследования, анализа, проектирования литейной оснастки, отладки технологического процесса, контроля основных технологических параметров процесса ЛКД использована компьютерная техника.
В литейном цехе ОАО "КЭМЗ" создан участок с 10-ю прессами проектной мощностью ~ 1000 т годных отливок в год. Низкая трудоемкость и себестоимость, высокие физико-механические и служебные свойства позволили заменить алюминиевые поковки на отливки из алюминиевых сплавов. Экономический эффект от внедрения ЛКД составил более 6,853 млн. рублей в год.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на 1шМеждународной научно-технической конференции «Генезис, теория и технология литых материалов» (20-24 мая 2002 г., г.Владимир, Россия), 2ий- Международной научно-технической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (19-21 ноября 2002 г., г. Москва, Россия), 8м Международной научно-технической конференции «Технология-2003» (8-10 сентября 2003 г., г. Братислава, Словацкая Республика).
9 Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь печатных
работ в научных журналах и сборниках трудов российских и международных
конференций, получены три патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников
и приложения. Она изложена на 150 страницах машинописного текста,
содержит 12 таблиц и 55 рисунка, а также список литературы из 149
наименований.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Теоретические зависимости для расчета величины минимально
необходимого давления прессования и вентиляционных зазоров.
Обоснование возможности получения качественных отливок пуансонно-поршневым прессованием из алюминиевых сплавов при минимальном давлении прессования с учетом свойств сплава, скорости прессования и температурных параметров литья.
Способ пуансонно-поршневого прессования, обеспечивающий получение точных, высококачественных отливок из алюминиевых сплавов.
Уплотнение отливок при затвердевании под давлением
Назначение давления прессования - это общее уплотнение затвердевающей отливки, а также перемещение жидкой и твердожидкой фазы по разветвленным междендридным каналам, по трещинам и заполнение усадочных раковин, пор, дефектных зон под действием возрастающего внутреннего давления жидкости, приводящее в определенных условиях к образованию ликвационных зон [67]. Отливки, полученные при прессовании с недостаточным механическим давлением, обладают такими же дефектами, как при изготовлении с недостаточным газовым давлением, а при оптимальном давлении усадочные раковины и поры могут быть полностью устранены [5, 8, 62 - Для каждого металла и сплава имеется оптимальное давление Рош, обеспечивающее получение литых заготовок без усадочных дефектов, которое зависит от схемы приложения давления, температурных режимов заливки и прессования, времени наложения давления, конфигурации заготовки и т.д. [5]. В.М. Пляцкий [2, 3] экспериментально показал, что величина давления для круглых слитков из медных сплавов с увеличением диаметра уменьшается по зависимости близкой к гиперболической. Повышенное давление В.М. Пляцкий рекомендует применять для сплавов с широким интервалом кристаллизации, т. к. у них усадочная пористость рассредоточена по всему объему [3]. Н.Н. Белоусов и А.А. Додонов [64] экспериментально показывают, что для силуминов типа эвтектических требуются более высокие давления, чем для сплавов твердого раствора типа АЛ8, т. к. образующаяся у стенок матрицы твердая вертикальная корка создает препятствие прессующему пуансону. Для устранения усадочной пористости в осевой зоне слитка из сплава АЛ8 необходимо давление 120 МПа, а при изготовлении плотной отливки из сплава АЛ2 требуется давление более чем в 2 раза - 250 МПа. Величину давления рассчитывают по формулам, приведенным в работах [5, 23, 24, 45, 68, 73] или определяют экспериментально при изготовлении конкретных отливок [69, 70]. Предложены различные формулы для расчета давления. Так в работе [5, 45] давление прессования рекомендуется определять по формуле: где os - предел текучести сплава при сжатии для высоких температурах, МПа; Н и D - соответственно высота и диаметр отливки. В работе [29] предлагается формула: где f - коэффициент трения на границе раздела «отливка-форма». В работе [24] - иная формула: р = 2l4la5i (1.3). М.Д. Тихомиров [73] предложил расчет давления, связав усилие, передаваемое пуансоном на отливку, с перемещением пуансона (деформацией отливки в направлении движения последнего), выразил относительное перемещение пуансона через силовые и скоростные параметры процесса прессования, предложил номограммы, связывающие в одну систему различные факторы, определяющие реальные значения давления прессования: как параметры процесса затвердевания (физические характеристики жидкого и твердого сплава), так и скоростные параметры прессового оборудования.
Зависимости (1.1) и (1.2) показывают, что в них учитываются не только механические свойства уплотняемого при кристаллизации сплава (с3), но и габаритные основные размеры отливки: высота и диаметр, а зависимость (1.3) определяет давление, необходимое для уплотнения затвердевающей отливки без учета трения между отливкой и поверхностью формы. Выражения (1.1) и (1.2) характеризуют также потери давления на внешнее трение (на вертикальных и горизонтальных поверхностях отливки). Большая часть давления затрачивается на преодоление сил трения между отливкой и формой, в результате чего уменьшается величина усилия, воздействующего на затвердевающий расплав [74]. Установлено, что относительные потери давления на трение тем больше, чем меньше давление прессования [5]. С увеличением высоты отливки потери давления на трение также возрастают. Слои металла, находящиеся на разной высоте, подвергаются неодинаковому действию давления и неодинаково уплотняются. Слои металла в отливке, расположенные вблизи пуансона, имеют большую плотность, чем около дна или теплового центра [5]. Применение смазки заметно снижает потери давления на внешнее трение. А.И. Батышев [5, 71] экспериментально установил, что при давлении прессования до 50 МПа более 50 % его расходуется на внешнее трение между заготовкой и пресс-формой. Уплотнение формирующейся отливки при ЛКД начинается сразу же после заполнения формы и приложения давления [5].
Большое внимание анализу графиков перемещения верхнего торца затвердевающей под давлением отливки уделяли японские исследователи [75]. Ими предложены методики расчета величины указанного перемещения для отливок типа сплошного цилиндра и плиты. Большое внимание исследователи [72, 75] уделяют экспериментальным способам определения сил трения как между металлом и формой, так и между пуансоном и матрицей. В результате установлено, что возникающие при жидкой штамповке силы трения (Еф) между отливкой и формой значительно снижают эффект прессования (FTP— 0,32Fnp) и с увеличением высоты отливок усилия для преодоления сил трения также возрастают. В результате опробования десяти конструкций пуансонов различной формы при изготовлении слитков диаметром 70 мм и высотой 80 мм (усилие прессования 0,4 - 1,0 МН) в пресс-форме с неразъемной матрицей установлено, что при образовании облоя цилиндрической или конической формы потери давления на трение возрастают, при этом для сплава АЛ7 они в 1,5 раза меньше, чем для сплава А.И. Батышев [5] теоретически и экспериментально установил, что давление по высоте уплотняемой при затвердевании отливки из сплавов с широким интервалом кристаллизации также распределяется неравномерно, уменьшаясь при переходе от верхнего торца (места приложения давления) к нижнему торцу. При этом между перемещением пуансона и усадкой затвердевающего сплава существует прямопропорциональная зависимость. Во время приложения давления затвердевающая отливка уплотняется, и ее слои перемещаются вниз и, чем больше усадка сплава, тем больше величина перемещения слоев по высоте отливки.
Т.Н. Липчин [31 ] при изучении усадки алюминиевых сплавов отмечает ее уменьшение с ростом давления и связывает это со снижением температуры начала линейной усадки (Тнлу) из-за давления, действующего на затвердевший металл и деформирующего твердожидкую и твердую фазу, препятствуя образованию зазора между стенками отливки и формой. При этом устраняется выделение газа из-за повышения его растворимости, а также залечиваются дефекты пластической деформацией в твердожидком состоянии. Так для сплава АЛ2 значения усадки в % для давления 0; 100; 200; 400 МПа соответственно равны: 1,26; 0,69; 0,45 и 0,25. Автор отмечает, что при ЛКД отливок простой формы усадка в вертикальной плоскости увеличивается, а в горизонтальной уменьшается по сравнению с усадкой кокильных отливок. В отливках сложной формы из-за перетекания металла из одной части в другую, в одних вертикальных частях усадка с ростом давления уменьшается, в других увеличивается. Отмечено также, что для давления 100 МПа пористость алюминиевых сплавов составляет 0 - 0,10 % и для давления 200 МПа - 0 %. Усадочные раковины отсутствуют. Исследования, проведенные Т.Н. Липчиным [30, 31] показали, что при ЛКД линейная усадка сплавов уменьшается вследствие снижения температуры начала линейной усадки (Тнлу), величина которой зависит от технологических режимов ЛКД. С повышением давления при кристаллизации линейная усадка є непрерывно уменьшается. Это обусловлено тем, что давление воздействует не только на жидкую и твердожидкую фазу, но и на твердую фазу после окончания затвердевания, устраняя в последней усадочные раковины и пористость.
Методика исследования процесса затвердевания отливок
Затвердевание и охлаждение сплавов АК7ч и A356.2 изучали при помощи термопар типа КТХА-С (ГОСТ 23847-79) с наружным диаметром стальной оболочки 1,5 мм и диаметрами хромель-алюмелевых электродов 0,2 мм, устанавливаемых в стенке матрицы (рис.2.4а); закрепляемых в пуансоне, в стенке матрицы (рис.2.4б); в рабочей полости пуансона, в матрице, вблизи рабочей поверхности (рис.2.4в). Термопары устанавливали на равном расстоянии от торцов элементов отливки, в которых замерялась температура. Точность измерения температуры составляла ±3 С. При прессовании измеряли величину перемещения прессующего пуансона, а соответственно, и верхнего торца отливки. Для этого использовали реохордные датчики, неподвижные элементы которых закреплялись на станине пресса, а подвижные - на ползуне пресса. Точность измерения величины перемещения пуансона ±0,1 мм. Давление прессования измеряли тензометрической месдозой, смонтированной в прессующем пуансоне. Точность измерения давления ± МПа. На ленте осциллографа Н043.1 одновременно записывали показания термопар, датчиков давления и перемещения пуансона в координатах: "измеряемый параметр — время". Опыты проводили в лаборатории кафедры "Технология металлов" МГОУ на гидравлическом прессе мод. ДБ2430 с номинальным усилием 1 МН. Общий вид установки представлен на рис. 2.5. Величину усилия прессования регулировали дросселем напорного клапана, варьируя давление, воздействующее на затвердевающую отливку, в пределах 20-300 МПа. Были использованы следующие технологические параметры ЛКД: - температура заливки Т зал = 720 - 740 С; - температура пресс-формы Тф = 50 — 100 С (поршневое, пуансонное прессование) и 100- 180 С (пуансонно-поршневое прессование); - время выдержки расплава в матрице до соприкосновения с пуансоном тд = 3-4 с; - время выдержки отливки под давлением прессования Рн = 50 — 300 МПа, хп = 1 с на каждый 1 мм толщины стенки или радиуса; - смазка элементов пресс-формы - минеральное масло. В производственных условиях опыты проводились на промышленных отливках, получаемых пуансонно-поршневым прессованием из сплава АК7ч, или А356.2. на прессах ДЕ2432 и ЭПР-34А. Исследования проводили при следующих технологических режимах ЛКД: температура заливки Тзал = 720 — 740 С; температура пуансона Тп = 240 - 280 С; температура матрицы Тм = 200 — 300 С; время выдержки расплава в матрице до соприкосновения с пуансоном тд = 3 — 4 с; время выдержки отливки под давлением тп = 1 с на каждый 1мм толщины стенки или радиуса; давление прессования Рн = 50 -300 МПа. Применялась комбинированная смазка: противозадирная (масло цилиндровое - 52 "Вапор", смазка ПВК, пудра алюминиевая ПАП-1 и графит коллоидный) и разделительные - водоэмульсионные типа: "Элитол-Э77", "Эффектол-ЭМС-1" или графитсодержащие: "Графитол-В2" и "Любродаль-С25". Водоэмульсионные СОЖ для пресс-форм ЛКД наносили с помощью
Для записи технологических параметров и регулирования температуры заливаемого металла, пуансона использовали компьютерную систему на базе персонального компьютера IBM PC. Показания всех термопар и датчика давления МД - 250Т записывали на компьютере. Общий вид установки представлен на рис. 2.6. При создании установки использовали измеритель-регулятор "Метакон-562" с шестью каналами управления, а также интерфейсный блок RS-485/RS-232. Получаемые отливки тщательно осматривали с целью выявления наружных дефектов, термообрабатывали по режиму Т5, определяли твердость и другие физико-механические свойства, изучали макро- и микроструктуру и Опытные отливки, изготовленные пуансонно-поршневым прессованием, а также опытно-промышленные заготовки . Корпус статора", "Поворотные фланцы" измеряли по высоте не менее чем в трех уровнях (рис. 2.7). Размеры в полученных отливках измеряли на различных уровнях по высоте в зависимости от конфигурации заготовки.
Линейную усадку отливок определяли после охлаждения до комнатной температуры. Размеры отливок (по диаметру фланца, бобышкам и диаметру заготовки, формируемой пуансоном) измеряли и сопоставляли с аналогичными размерами деталей пресс-форм. Величину линейной усадки рассчитывали по известной формуле: где Дф и До — соответственно размеры пресс-формы (матрицы или пуансона) и отливки, мм. 44 Механические свойства (ав, б) определяли на образцах, отлитых в кокиль или вырезанных из отливок; оси образцов были параллельны направлению воздействия давления пуансона (рис. 2.8). Образцы, вырезанные из отливок, диаметром 5 мм, высотой 60 мм (гагаринские образцы) испытывали по стандартной методике (ГОСТ 1497-84) на растяжение при температуре 20 С на разрывной машине Р5 (ГОСТ 7855 74) при скорости деформации 1 мм/мин. Твердость измеряли методом Бринелля (ГОСТ 9012-59) на приборе ТШ2. Кроме прямого метода, для определения прочностных и пластических характеристик используемых сплавов и отливок применяли и косвенный метод - метод измерения физико-механических свойств по диаграмме вдавливания (по твердости). Для этого использовали прибор ПИТМ-ДВ-02, который позволяет определять не только твердость по шкале Бринелля (НВ), предел текучести (а0г), временное сопротивление (ав) алюминиевых сплавов, но и пластические свойства: относительное удлинение 6%, относительное поперечное сужение гс, равномерность деформации є. Прибор ПИТМ-ДВ-02 изготовлен в соответствии с ТУ 4271-001-46853713 97. Он состоит из испытательной головки 1, закрепленной на жесткой двухколонной раме 2, электронного блока 3 и персонального компьютера 4,5 типа IBM PC. Предел допустимой относительной погрешности прибора при его поверке по образцовым мерам твердости второго разряда по ГОСТ 9031-75 соответствует ± 5%. Диапазон измерения твердости по шкале Бринелля (НВ) = 8-450. Индентором является стальной шарик с шероховатостью поверхности Ra 0.04 мкм и диаметром d = 2,5±0,0025 мм. Нагрузку на индентор величиной 2,0 кН выставляли автоматически, задавая через компьютер. Принцип работы прибора основан на регистрации процесса упругопластического контактного деформирования металла в виде диаграмм в координатах "нагрузка — перемещение", "нагрузка — время" и "перемещение - время" при непрерывном вдавливании сферического индентора. Диаграмма вдавливания наиболее полно и объективно характеризует прочностные, упругие и пластические свойства сплавов и лежит в основе определения как твердости по Бринеллю (НВ), так и целого комплекса упругих физико-механических характеристик отливок, получаемых литьем с кристаллизацией под давлением. Изучение микроструктуры отливок и образцов проводили на металлографическом микроскопе МИМ-8М и Неофот-2. Образцы подвергали механической шлифовке на наждачной бумаге различной зернистости и механической полировке на алмазной пасте с помощью окиси хрома. Затем проводили электролитическое травление в электролите следующего состава: Н3Р04 (концентр.) - 720мл; H2S04 (концентр.) - 140мл; СгОэ - 30г; Н20 -40мл (режим травления: ток 0,5А, напряжение I5B, температура электролита — 90С) или травление реактивом следующего состава: 16мл HF; 66мл НС1; 66мл HN03; 100мл Н20 [134, 135]. Для оценки структурных составляющих микроструктуры сплавов и получаемых ЛКД отливок использовались справочник [136] и монографии [137- 139]. Темплеты, получаемые во время термического анализа, для контроля s степени измельчения зерна и эффективности модифицирования сплава перед разливкой, а также темплеты, вырезаемые из отливок, использовались для изучения макро и микроструктуры, твердости и прочности, пластичности и плотности. Химический состав сплавов определяли на спектральной установке типа МФС-8 и установке «Спектролаб» (ФРГ).
Герметичность отливок определялась с помощью гелиевого тече искателя на стенде и по методике, применяемой при проверке изделий специального назначения на вакуумную плотность.
Определение величины давления прессования при ЛКД
Известно, что качество отливок, изготавливаемых ЛКД, зависит не только от скорости прессования Un, времени выдержки расплава в матрице до приложения давления тд, температуры формы Тф, температуры заливаемого металла Тзал, но, главным образом, от давления прессования Рн. На заключительной стадии затвердевания под давлением происходит окончательное формирование отливки, устраняются усадочные раковины, поры, повышается плотность и физико-механические свойства отливок, улучшается качество поверхности. В этом периоде формирования отливки, когда объемная доля жидкого металла становиться намного меньше твердой фазы (VK«VTB), то для питания зоны двухфазного состояния и предупреждения образования усадочных дефектов необходимо создать эффективное усилие прессования, обеспечивающего деформацию твердой фазы.
Г.И. Тимофеев и Н.П. Пименов [24] показали, что для обеспечения высокой плотности отливок при ЛКД усилие прессования должно быть больше усилия, затрачиваемого на деформацию затвердевшего металла. Они из условия пластической деформации определили, что эффективное давление, необходимое для уплотнения затвердевающей заготовки должно быть равно е GS предел текучести металла для температуры ЛКД. А.И.Батышев и А.С.Любавин [45] установили, что давление прессования должно быть больше давления, необходимого для уплотнения отливки на величину Ртр, направленного на преодоление сил трения между заготовкой и поверхностью формы, определяемой высотой и диаметром отливки. де Н и Д - высота и диаметр отливки.
Это выражение справедливо для заготовок типа "сплошной цилиндр", оно учитывает геометрические размеры отливки.
На основании анализа напряженно-деформационного состояния, процесса затвердевания отливки, становится ясно, что минимально необходимое давление для уплотнения отливки при ЛКД должно обеспечивать не только деформацию твердой части затвердевающего сплава, перемещение питающего жидкого металла к границе затвердевания через двухфазную зону, но и преодоление сил трения между заготовкой и поверхностью формы, пуансоном и матрицей.
Исходя из баланса сил, действующих на затвердевающую заготовку, усилие прессования можно представить как сумму сил:
Усилие, затрачиваемое на деформацию твердой части отливки равно: де: FM- площадь проекции матрицы.
Усилие, затрачиваемое на перемещение жидкого металла к границе затвердевания через двухфазную зону, обычно определяется по известному уравнению Дарси-Вейсбаха: де: 1 - протяженность зоны двухфазного состояния, иж - скорость перемещения жидкого металла в междендритном пространстве, dH4 - среднее расстояние между ветвями дендритов 2-го порядка, г ж — коэффициент трения жидкого металла в междендригном пространстве (для металлов f = 0,03).
Протяженность двухфазной зоны для широкоинтервальных сплавов можно определить из зависимости [147]: де: Тл - температура ликвидуса, Тс - температура солидуса, Х0 - толщина отливки, X - коэффициент теплопроводности, а - коэффициент теплопередачи с поверхности отливки, Тф — температура формы.
Коэффициент теплопередачи а является главным параметром, определяющим тепловой поток к пресс-форме. При контактном теплообмене он зависит от давления, воздействующего на затвердевающую отливку, прочности и пластичности затвердевающего металла, теплофизических характеристик сплава. Его величина может быть определена зависимостью [143]:
Яф и Хиг - коэффициенты теплопр о водности формы и затвердевающего металла, РЭф — давление прессования, ств - прочность затвердевающего сплава.
Из теории двухфазной зоны известно, что с уменьшением температурного градиента на границе затвердевания и увеличением интервала кристаллизации сплава протяженность этой зоны увеличивается. При этом давление, требуемое для пропитки и перемещения металла, возрастает.
Таким образом, качество отливок, их плотность зависит от условий пропитки двухфазной зоны, объемной доли жидкой фазы и давления, необходимого для перемещения жидкого металла в междендритных каналах.
Усилие, затрачиваемое на преодоление сил трения между заготовкой и оверхностью формы, определяется из теории пластической деформации 148]: де: S„ - поверхность отливки, тк - касательное напряжение на поверхностях "металл — пресс-форма".
Усилие, затрачиваемое на преодоление сил трения между пуансоном и матрицей при условии образования между ними залива, определяется из выражения: де: Sn - поверхность пояска пуансона.
При определении напряженно — деформируемого состояния металла для различных технологических процессов обработки металлов давлением контактные напряжения трения принимают равными предельным касательным напряжениям для максимально возможного трения скольжения, т.е. полагают, что тк = f-к — касательные напряжения, принимаются одинаковыми для среднеинтегральной температуры на контактных поверхностях металл — пресс-форма; где: f — коэффициент трения, равный 1; к = as I 4ъ — пластическая постоянная, характеризующая свойства сплава. Считая, что давление - это отношение усилия Р, прикладываемого к затвердевающей отливке, к площади поперечного сечения пуансона Fn, приняв Fn = FM и подставив тк в выражения (3.23) и (3.24), получим в общем, виде выражение, определяющее значение давления для всех схем прессования при ЛКД:
Учитывая, что давление для преодоления сопротивления твердожидкой ны двухфазного состояния сплава обычно находиться в пределах (2,4 - 3,0) 105Па, то им можно пренебречь. Однако, для широкоинтервальных сплавов ачество отливок, их плотность зависит не только от условий пропитки, авления, но и от объемной доли жидкой фазы.
Итак, при изготовлении отливок пуансонно-поршневым прессованием из сплава АК7ч с пределом текучести при высоких температурах o s = 20 МПа, До = 200 мм, Н = 75 мм, S0 = 1450 см и высотой пояска пуансона Нп= 25 мм давление прессования составит 90,2 МПа, где 61% затрачивается на преодоление сил трения между отливкой и формой и 13% между пуансоном и матрицей.
Таким образом, при определении давления прессования необходимо учитывать схему прессования, конструкцию отливки, ширину пояска пуансона, а главное - это пластическую постоянную к = as / V3, которая зависит от температуры деформируемого металла, типа и свойств сплава (рис.3.8), температуры пресс-формы. в!}МПа
Исследование усадочных процессов в отливке
Линейная усадка отливок из сплавов АК7ч и A365. Измерение наружных размеров отливок показало, что с увеличением давления прессования величина линейной (литейной) усадки уменьшается. Линейная усадка зависит от давления прессования и высоты отливки (табл.4.1). Следует отметить, что диаметр элемента отливки практически не влияет на изменение величины усадки: для обоих размеров (диаметр 20 и 15 мм) изменение идет по одной зависимости. Она уменьшается с увеличением давления и уменьшением высоты отливки. Средняя величина линейной усадки отливок, полученных при кристаллизации под давлением, в 1,5 — 2,5 раза меньше усадки кокильных отливок. Величина линейной усадки для сплава А356.2 в 1,2 — 1,3 раза меньше чем для АК7ч (табл,4.1, рис.4.9). Для получения качественных отливок необходимо усадку сплавов учитывать при проектировании, изготовлении пресс-форм и управлении температурным режимом литья. Рис.4.9. Зависимость линейной усадки отливок (Н/Д 2) от давления прессования: 1 - сплав АК7ч, 2 - сплав А356.2 Как видно из табл.4.1 линейная усадка отливок не является одинаковой по высоте. Она наименьшая у верхнего торца, соприкасающегося с прессующим пуансоном (диаметр ДО, несколько большая у нижнего торца (диаметр Дз), соприкасающегося с дном матрицы и наибольшая (диаметры Дз и Дд) на расстоянии 0,5 - 0,3 выше отливки от нижнего торца. Увеличение высоты отливки и давления не изменяют характера линейной усадки по (высоте), а только ее абсолютные значения. Наибольшее изменение величины линейной усадки наблюдается в интервале давлений 0,1 — 100
Следует отметить, что с увеличением высоты отливки максимальное значение величины линейной усадки смещается к верхнему торцу. Максимальная величина линейной усадки практически находится на уровне теплового центра отливки, затвердевающего последним. Уплотнение затвердевающих отливок оценивали по графикам относительно перемещения прессующего пуансона или верхнего торца формирующейся отливки с момента приложения давления до окончания прессования [5]. Графическая зависимость величины относительного перемещение пуансона от давления представлена на рис.4.106. Математическая обработка экспериментальных данных позволила получить следующую зависимость между (h/H) и Р во время набора последнего до номинального значения Рн где: Ку - коэффициент, учитывающий усадку сплава в жидком состоянии, при затвердевании, а также уплотняемость в твердом состоянии. Исследовано уплотнение цилиндрических отливок диаметром 50 мм из сплавов АК7ч, А356.2 и с отношением их в металлозавалке 50/50 (по массе). Сплавы заливали в матрицу пресс-формы, нагретую до 80 - 100С при температуре заливки 730 - 740С. Давление прессования было постоянным 150 МПа (поршневое прессование). Режимы ЛКД приведены в таблице 4.2. 81 На рабочих стенках матрицы на расстоянии 25, 50, 75 и 100 мм от дна устанавливали постоянные магниты [5]. Расплав заливали так, чтобы исключить возможность их смыва со стенок. Во время прессования магниты вместе с растущей коркой опускались вниз. На отливках штангенциркулем измеряли расстояние от каждого магнита до дна матрицы. Зависимость величины относительного перемещения каждого магнита рассчитывали по формуле: где hM — расстояние от верхнего торца магнита до дна матрицы, мм; h0M — расстояние от верхнего торца магнита до нижнего торца отливки, мм. Сравнение перемещения магнитов в отливках из этих сплавов (рис.4.10.) свидетельствует о том, что сплав А356.2 (при прочих равных условиях) уплотняется хуже, чем сплав АК7ч, что связано с модифицированной структурой и уменьшением свободной линейной усадки сплава. Это может отобразиться на качестве отливок и привести к непропрессовке отливок из сплава А356.2. Поэтому для достижения такого же эффекта, как у отливок из сплава Ак7ч, при ЛКД отливок из сплава A356.2 необходимо либо увеличивать скорость нарастания (наложения) давления на затвердевающую отливку, либо снижать предел текучести при сжатии для температур ЛКД. На рис.4.11 линию 4 пересекает кривая (h/H) при значениях, соответствующих окончанию затвердевания отливки (h/H). Видно, что чем больше давление прессования, тем больше величина (h/H), тем лучше уплотняется отливка под воздействием механического давления. 83 4.4.Исследование структуры и механических свойств отливок В отливке с толщиной стенки с толщиной стенки Х0 = 10 и 15 мм макроструктура сплава АК7ч состоит из столбчатых кристаллов, расположенных по внешней и внутренней сторонам стенки. Тепловой центр в отливке с Х0 = 5 мм смещен к внутренней поверхности. В отливке с толщиной стенки Х0= 10 мм по внутренней поверхности стенки кристаллы в 3—4 раза тоньше, чем по внешней. В отливках с Хо = 5 и 15 мм по всей высоте стенок в основном мелкие округлые макрокристаллы. В отливках с Хо = 5 мм тепловой центр расположен на равном расстоянии от вертикальных поверхностей. Микроструктура отливок характерна для доэвтектических силуминов. Чем меньше диаметр выступающего элемента отливки и больше давление прессования, тем мельче структура (d яч - расстояние между осями дендритов Микроструктура отливок из сплава АК7ч состоит из дендритов а -твердого раствора и эвтектики (a + Si). Величина дендритной ячейки (среднее расстояние между осями дендритов П-го порядка) с увеличением толщины стенки отливки возрастает (рис.4.12а). Эта зависимость сохраняется в различных зонах по высоте стенки отливки. В поперечном сечении стенки 84 величина дендритной ячейки уменьшается при переходе от наружной поверхности к внутренней. Наблюдается незначительное уменьшение размеров дендритных ячеек в отливках с толщиной стенки Х0 = 5 — 15 мм, в отливках с Х0 = 20 мм расстояние между дендритами И-го порядка по толщине стенки практически не изменяется. В табл. 4.3. и рис. 4.13. приведены механические свойства образцов, вырезанных из выступающих элементов диаметром 15 и 20 мм. Следует отметить, что образцы представляли осевую зону этих стержней. При изучении физико-механических свойств было установлено, что твердость зависит от толщины стенок отливок (в литом состоянии) и имеет линейную зависимость (рис.4.126). Для отливок, термообработанных по режиму Т5, твердость для сплава A356.2 находится в пределах 90 - 110 НВ, а для сплава АК7ч - 85 - 105 НВ. Давление способствует повышению твердости и одновременно уменьшает разброс значений твердости, как по высоте, так и по перечному сечению.
Исследование пуансонно-поршневого прессования сплавов АК7ч, A356.2 показало, что при постоянном давлении прессования время затвердевания увеличивается с увеличением диаметра элемента или стенки отливки, а с повышением давления прессования - снижается. Механические свойства находятся в пределах (литое состояние): 202 — 220 МПа (давление 80 - 140 МПа), что значительно превышает показатели механических свойств, предусматриваемых ГОСТ 1583-93. Сплав А356.2 затвердевает быстрее, чем сплав АК7ч при атмосферном давлении (0,1 МПа) в 1,83 раза, при 0,1-100 МПа- в 1,5 - 1,6 раза. Эту закономерность следует учитывать при назначении скорости прессования и скорости нарастания (наложения) давления на затвердевающую отливку, которые необходимо увеличить не менее чем в 2 раза. Линейная усадка зависит от давления прессования и высоты отливки. Она уменьшается с увеличением давления и уменьшением высоты отливки. Средняя величина линейной усадки уплотненных при затвердевании отливок в 1,5 - 2,5 раза меньше усадки кокильных отливок. Величина линейной усадки для сплава А356.2 в 1,2 - 1,3 раза меньше чем для АК7ч. Это необходимо учитывать при разработке чертежей отливок и пресс-формы. При пуансонно-поршневом прессовании отливок типа "кольцо, "стержень" наибольшее изменение времени затвердевания отливок наблюдается в зоне давлений 10 - 90МПа и меньшее в зоне давлений 90 -220МПа. При повышении давления от 10 до 90МПА время затвердевания отливки снижается почти в 1,8 раза, а последующее повышение давления до 220 МПа приводит к незначительному уменьшению времени затвердевания. Характер зависимостей одинаков, различными являются абсолютные значения, что вполне объяснимо. Микроструктура отливок характерна для доэвтектических силуминов. Чем меньше диаметр выступающего элемента отливки и давление прессования, тем мельче структура (расстояние между осями дендритов второго порядка
