Введение к работе
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=Кtn (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 sв>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.
