Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время тактико-технические и эксплуатационные характеристики автомобилей, учитывая мировой уровень аэродинамической доводки и совершенствования силового агрегата, подошли к своему верхнему пределу. Необходим поиск новых путей существенного улучшения характеристик легковых автомобилей.
Анализ современных тенденций в мировом автомобилестроении показывает, что одним из основных направлений является создание более легких автомобилей. Используемые при этом материалы должны обеспечивать безопасность автомобиля в эксплуатации, повышение потребительского качества, возможность утилизации в конце срока службы и быть экономически целесообразными.
Среди материалов, конкурирующих со сталью, в автомобилестроении, в первую очередь, следует отметить алюминиевые сплавы. Они имеют ряд преимуществ перед сталью: меньший вес.'лучшие, в ряде случаев, эксплуатационные характеристики, высокую коррозионную стойкость, более высокую удельную жесткость деталей, возможность почти 100 % утилизации алюминиевых деталей отслужившего автомобиля. Указанные преимущества, при рациональном их использовании, обеспечивают повышение уровня активной, пассивной и экологической безопасности автомобиля.
Анализ тенденций применения алюминиевых сплавов в автомобилестроении показывает, что наиболее заметно выросло и будет продолжать расти потребление отливок. При этом основными сдерживающими факторами являются высокая стоимость алюминиевых сплавов и технологий их обработки и необходимость достижения повышенного уровня свойств.
В этой связи решение проблемы расширения использования сплавов на алюминиевой основе должно предусматривать разработку специальных алю-миК вых сплавов, современных высокоэффективных технологий получения издашй и сборочных процессов.
Учитывая, что 30-40 % алюминиевых отливок, применяемых в автомобилестроении, получают литьем в кокиль, разработка экономных технологий их получения и обработки является актуальной задачей.
Большой вклад в теорию и практику получения и термообработки сплавов на алюминиевой основе внесли Воронов СМ., Бочвар А. А.. Ливанов В. А., До-баткин И.В., Колобнев И.Ф., Фридляндер И.Н., Елагин В.И., Новиков И.И., Золотаревский B.C., ДрицМ.Е., Захаров Е.Д., Захаров В.В., Колачев Б.А., Га-бидуллин P.M., Никитин В.И. и др.
' Однако специфический подход к проблеме получения высококачественных конечных деталей требует рассмотрения всей технологической цепи,
. 2
включая разработки эффективных форсированных технологий получения отливок, совместную отработку конструкции литой заготовки, оснастки, режимов кристаллизации и послекристаллизационного охлаждения, вида и режимов последующей термической обработки. Работы в указанном ключе начали появляться лишь в последнее время. Их эффективность продемонстрирована как на литых, так и на деформированных заготовках (Трахтенберг Б.Ф., Кенис М.С., Муратов B.C. и др.). Такой подход применительно к автомобильным отливкам, получаемым в кокиле, рассмотрен в настоящей работе.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка экономной технологии получения и последующей термической обработки кокиль-ных'отливок из алюминиевых сплавов.
Новые технологические и конструкционные решения направлены на снижение расхода металла, повышение производительности кокильных машин, сокращение длительности термической обработки отливок. При этом, как минимум, должен достигаться уровень свойств сплава не ниже, чем уровень, обеспечиваемый существующей технологией.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
оценить влияние условий кристаллизации и послекристаллизационного охлаждения на структуру и свойства отливок;
исследовать влияние параметров кристаллизации отливок на особенности режимов последующей термической обработки;
исследовать особенности влияния форсированных режимов кристаллизации на параметры литниковой системы и осуществить расчет литниковой системы;
оценить температурный режим системы «отливка - металлическая форма - проточный охладитель» и на этой базе оптимизировать конструкцию литой заготовки;
разработать на примере головки блока цилиндров новую металлоэко-номную конструкцию литой заготовки, а также технологию литья.
Научная новизна. В работе предложен, научно обоснован и реализован новый подход к совершенствованию конструкционных и технологических параметров получения отливок из алюминиевых сплавов в кокилях, предусматривающий осуществление регламентировано форсированного охлаждения литой заготовки при кристаллизации и после ее завершения, что направленно формирует структурное состояние сплава, позволяющее активизировать необходимые структурные превращения при последующей термической обработке, а также обеспечить заданный уровень свойств.
В работе установлены и уточнены закономерности формирования струк-
турі; . свойств алюминиевых сплавов при варьировании условий кристаллизации ^готовок и режимов термической обработки.
Практическая ценность. Практическую ценность работы составляют разработанный подход к совершенствованию процесса кокильного литья алюминиевых сплавов, а также конкретные конструкционные решения по литой заготовке, оснастке и режимы тепловой обработки.
Предложенные новые варианты конструкционных и технологических решений включают:
реализацию схемы заливки расплава в кокиль, при которой устраняются горячие узлы в нижней части отливок, что позволяет уменьшить прибыльную и литниковую части литой заготовки, и , в результате, сократить время кристаллизации;
использование сокращенного цикла пребывания литой заготовки в форме, ускоренного охлаждения заготовки после извлечения из формы;
варианты термической обработки отливок с уменьшенной продолжительностью временных параметров.
Новые варианты обработки позволяют уменьшить вес литой заготовки ~ на 10-20 %, повысить производительность литейных машин в 1,2-1,5 раза, сократить продолжительность времени выдержки при старении в 1,5-2 раза, обеспечить свойства отливки на уровне типовой технологии, а в ряде случаев достигнуть их улучшения.
Высокая эффективность предложенных разработок, а также их реализация на большой группе сплавов, создают предпосылки для широкого их внедрения в металлургических производствах машиностроительных предприятий и роста объемов использования алюминиевых сплавов в автомобилестроении. Результаты работы прошли апробацию на АО «АвтоВАЗ» при производстве v отливок «головка-блока цилиндров» моделей ВАЗ 21011 и 2108. Ожидаемый экономический эффект составляет около 14% стоимости одной отливки, при одновременном повышении производительности кокильных машин в 1,5 раза .
Основные положения, представленные к защите:
установленные закономерности совместного влияния на структуру и свойства алюминиевых сплавов скорости охлаждения литых заготовок в интервале кристаллизации и после ее завершения, а также вида и режимов последующей термической обработки;
постановка и решение задачи теплопроводности при формировании литой заготовки в системе «кокиль с проточным охладителем - заготовка»;
результаты совершенствования конструкционных и технологических параметров получения отливок из алюминиевых сплавов в кокилях, обеспечивающие экономию затрат на стадии литья и позволяющие активизировать не-
обходимые структурные превращения при последующей термической обработке;
- предложенные экономные режимы термической обработки отливок из алюминиевых сплавов, позволяющие достигать заданный уровень свойств изделий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались" и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: зональной научно-технической конференции «Разработка технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализ качества отливок с использованием ЭВМ (г. Ярославль, 1990 г.); конференции «Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической и химико-термической обработки деталей машин и инструмента» (г. Пенза, 1990 г.); II Всесоюзной научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Совершенствование металлургической технологии в машиностроении» (г. Волгоград, 1991 г.); VI Международной научно-практической конференции «Генндя инженерия в сплавах» (г. "Самара, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и библиографического списка из 90 наименований. Работа содержит 146 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 13 таблиц.
