автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка методов повышения качества и технологии производства сложно-рельефных отливок, формируемых стержнями из легкоплавких материалов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИМ ррр фд УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

- 3 И Я> Н \ • На правах рукописи

БЕРЕЗОВСКИЙ Сергей Борисович

УДК 621.746:620.192.47

РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СЛОЖНО-РЕЛЬЕФНЫХ ОТЛИВОК, ФОРМИРУЕМЫХ СТЕРЖНЯМИ ИЗ ЛЕГКОПЛАВКИХ

МАТЕРИАЛЛОВ.

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА-1998

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства» Одесского государственного политехнического университета.

Научный руководитель: д.т.н., профессор, заслуженный деятель

науки и техники Иванова Л.А.

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Фоченков Б.А.

длг.н., проф. Гладков М.И.

Ведущая организация: Центролит, г. Одесса.

Защита состоится "_"_ 1998г. в_час.

на заседании Специализированного Совета_

Московского государственного технического университета «МАМИ» по адресу: 105835, г. Москва, ул. Б.Семеновская 38.

Ваш отзыв в 2-х экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"_ 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета к. т.н., доцент

' Зуев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем в области заготовительного производства машиностроения является развитие и совершенствование специальных методов литья, обеспечивающих максимальное приближение литой заготовки к готовой детали. Повышение качественных характеристик отливок, снижение трудозатрат и энергозатрат процесса их формообразования представляется особо значимым научно-техническим направлением при разработке новых технологических процессов литья сложно-рельефных и тонкополостных отливок. К этому классу отливок относится разнообразная технологическая оснастка, шнеки, рабочие колёса насосов, лопатки, различные литые элементы сложно-геометрического профиля в приборах и оборудовании и другие. Формирование в отливках тонких полостей и разнообразных конфигураций, к которым предъявляются повышенные требования по качеству поверхности, определяется как гидродинамическими, так и физико-химическими процессами при заполнении литейной формы.

В данной работе проблема улучшения качества сложно-рельефной литейной поверхности и снижение трудоемкости процессов литья рассмотрена применительно к тонко-полостным отливкам типа волноводных элементов, применяемых в приборах, работающих в области сверхвысоких частот (СВЧ). Приборы СВЧ работают в диапазоне сантиметровых волн, что обуславливает высокие требования по состоянию рабочей поверхности волновода. Чем выше микрошероховатость поверхности волновода, тем длиннее путь высокочастотных токов, и, следовательно, быстрее происходит затухание волн. Толщина поверхностного слоя волновода, где протекают токи, уменьшаются с ростом частоты колебаний, поэтому шероховатость поверхности сильнее сказывается на более коротких волнах. Практически к качеству внутренних поверхностей волноводов предъявляются требования по шероховатости на уровне показателя: Иа=(0,63 ^ 0,8)10"6 ,м,

что в значительной степени ограничивает выбор технических решений, обеспечивающих их характеристики. Шероховатость поверхности стенок в реальном волноводе может значительно увеличить тепловые потери на частотах порядка 5000 МГц. Основные методы получения волноводов базируются в принципе на необходимости обеспечения гладкости поверхности с тонкими полостями и равнозначного по величине отклонений положений демпфирующих пластин.

В данном исследовании рассмотрены три варианта композиционного метода формообразования волновода с повышенным качеством поверхности, получаемым с помощью литых металлических, органических и соляных стержней, выполненных из легкоплавких составов.

Исследованы условия нанесения гальванических покрытий на литые стержни, тонкие формообразующие полости волновода, а для образования опорного слоя применимость методов литья под давлением алюминиевых сплавов.

Целью данного исследования являлась разработка методов повышения качества тонкополостных сложно-рельефных отливок на базе ресурсосберегающих технологических процессов литья, обеспечивающих экономию материалов и снижение

трудовых затрат. Для достижения поставленной цели решались следующие koi кретные задачи:

1. Разработка технологического процесса получения качественных литы конструкций тонкополостных отливок (волноводов).

2. Исследование влияния параметров процесса заполнения расплавом toi кополостных каналов отливки на качество ее поверхности.

3. Выявление качественных и количественных характеристик процесс формирования поверхности стержня, выполненного из легкоплавких mi таллических и неметаллических материаллов.

4. Построение модели процесса формирования поверхности сложнорельес) ных тонкополостных отливок с однородной микрошероховатостью пр применении легкоудаляемых стержней с электролитическим покрытием.

5. Обеспечение надежного и стабильного температурного режима заливк расплавом полости металлической формы с композиционным легкоплаг ким стержнем.

На защиту выносятся следующие положения:

Физико-математическая модель процесса заполнения тонкополостных сложно рельефных отливок, параметры которого обеспечивают формирование лито: поверхности повышенного качества;

Методика построения опорных поверхностей в продольно-поперечном направ лении нерегулярного литого микрорельефа, что позволяет реально оценить ка чество поверхности сложно-рельефных и тонко-полостных отливок; Установленные количественные взаимосвязи между составом стержней, уело виями их удаления го тонко-полостных отливок и качеством формируемых ли тых поверхностей;

Научная новизна результатов и основных положений диссертации.

1. Разработаны аналитическая и экспериментная методики оценки однородно сти литого микрорельефа и условия формирования качественной поверхности тон кополостных отлив ок.

2. Установлены количественные характеристики процесса формообразование сложно-рельефных и тонкополостных отливок на основе легко удаляемых стержней с электролитическим покрытием при литье под давлением на примере волно-водных элементов.

3. Выполнены конструктивные решения термически стойких закладные элементов измерителя температуры металла и прибора для непрерывного контроля расплава, обеспечивающие надежный кошроль параметров литьяю Измеритель температуры опробован и принят к внедрению в промышленности, что позволило резко снизить брак отливок и увеличить процент годной продукции!.

Практическая ценность работы. Полученные результаты исследования позволили разработать композиционный процесс технологии литья волноводных элементов повышенного качества при снижении трудоёмкости их изготовления. Предложенная методика оценки качества литой поверхности отливок обеспечивает

увеличение точности измерения как для гладких, так и сложно-рельефных юверхностей отливок при построении опорных кривых поперечно-продольного «правления. Разработаны конструкторско-технологические решения и выполнены >пытные образцы прибора для непрерывного контроля температуры расплава.

Реализация в промышленности. Технологический процесс производства )пробирован и внедрен на Бологовском радиотехническом заводе и научно зроизводственной ассоциации Совпин. Экономический эффект составил 12 ООО >уб. в ценах 1992 г.

Созданы приборы для непрерывного контроля температуры. Эти приборы »пробованны и внедрены на Бологовском радиотехническом заводе, НПРА 'Совпин". Приняты к внедрению на Тульском арматурном заводе и Бологовском >адиотехническом заводе для практического использования при производстве »тливок литьем под давлением, низким давлением, литьем в кокиль и т.д.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы (вкладывались в 1990 - 1997 гг. на 7 республиканских и 3-х международных :онференциях и научно-технических семинарах, в т. числе: "Повышение качества и кология в литейных процессах. Одесса, Украина", "Улучшение качества литья, 1еханизация и автоматизация технологических процессов"(Липецк, Россия), :онференции и семинары молодых исследователей и аспирантов (Москва, МГТУ м. Баумана, Краматорск, Донбасская государстаенная машиностроительная кадемия, Запорожье, государственный машиностроительный институт им. Чубаря, Москва, ВТУЗ, Одесский государственный политехнический университет, (арненский электротехнический институт (Болгария).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, яти разделов, выводов и одного приложения, изложенных на 155 страницах ечатного текста, включает 14 таблиц и 31 иллюстраций. Во введении босновываегся актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования роцесса формообразования тонкополостных отливок, основные положения, оторые выносятся на защиту. Сформулирована научная новизна и приведены анные практической ценности работы, кратко изложено содержание исследование.

В первой главе выполнен обзор методов формообразования и качества энкополостных и сложнорельефных отливок. Проанализированы технологические лособы повышения качества отливок, характерные показатели литой поверхности э сложивши геометрическими конфигурациями. Рассмотрены композиционные »отологические процессы формообразования изделий на примере волноводного 1емента.

Во второй главе рассматриваются методики исследования процесса шолнения тонкополостных литейных форм и формирование неоднородности эверхности отливок. Разработан метод математического планирования тгимальных составов стержней на основе легкоплавких сплавов(металлических, эганических и соляных). Приведены режимы нанесения и составы гектролитического покрытия на нетокопроводящие литые стержни сложной

конфигурации. Рассмотрены расчетные методы условий теплообмена в систе расплав-облицовочный слой-стержень. На базе гидродинамических теплофизических характеристик жидкой среды разработана оригинальная метода исследования процесса заполнения тонкорельефных и тонкополостных полост< Предложена расчётная и экспериментальная оценка качества литой поверхнот применением опорных кривых.

В третьей главе приведены результаты аналитического и экспериментально исследования условий формирования однородных по микрорельефу лип поверхностей. На примере волноводных элементов с тонкими полостж проанализировано влияние температурного перепада ДТ=Тзал-Тпрессф., где Тзах температура заливки, Тпрессф. - температура прессформы на шероховатость лиг поверхности. Выявлены количественные зависимости, определяющие проце заполнения тонких полостей и условия формирования однородных по величине 1 микрошероховатости литых поверхностей.

В четвертой главе приведены результаты аналитического экспериментального исследования перемещений в литом стержне волновода. I основе решений уравнения определены вертикальные и угловые перемещен каждого из 20 элементов стержня. Приведены схема расчета стержня по '. элементам и 4 узлам. Расчетные данные сопоставлены с экспериментальным определёнными методом тензометрии.

В пятой главе обобщены конструкторско-технологические разработки прибо; для непрерывного контроля температуры расплавов на механической неметалической основах. Представлены расчеты всех узлов прибора и конкретш данные его эксплуатационных характеристик.

В приложении приведены акты по апробации разработанно: технологического процесса литья волноводных элементов и выполненного прибо] для непрерывного контроля температуры расплава при литье под давление волноводных элементов.

Личный вклад автора в совместных публикациях. Автором разработан методики оценки неоднородности литого микрорельефа и процесса формирован] высококачественной поверхности тонкополостных отливок из аллюминиевь сплавов.

Автору принадлежат результаты аналитического и экспериментально] исследования термической стойкости закладных элементов и конструкционнь расчеты прибора для непрерывного контроля температуры. Автором предложег методика химического омеднения нетокопроводных основ стержней дая нанесен! гальванических покрытий и разработаны составы стержней на металической неметалической основах и определены параметры процесса формирования комга зиционных стержней и технологических режимов производства отливо Разработана и выпущена заводская технологическая документация по эксплуатащ; приборов. Приборы для непрерывного контроля температуры расплава освоены внедрены на Бологовском радиотехническом заводе, Тульском арматурном заводе.

Объекты и_методы исследования. Основным» объектами исследования

процесса формообразования тонкополостных отливок являлись волноводные элементы и сложнорельефные литые стержни на металической и неметалической основах. Применяли легкоплавкие композиции сплавов алюминия, цинка, висмута, кадмия, а также соли натрия и калач, парафино-стеариновые составы с наполнителями А1203. Составы промышленных сплавов соответствовали ГОСТ 158389. Химический состав исследованных сплавов определяли химическим и спектральным анализом в соответствии с ГОСТ149784. Промышленные плавки выполнялись на Бологовском радиотехническом заводе. Применяли методы математического планирования экстремальных экспериментов; расчеты теплофизиче-ских процессов выполняли на базе дифференциальных уравнений Фурье с применением програмного обеспечения на языках Паскаль, Фортран. Исследования выполнялись в соответствии с планом госбюджетной научно-исследовательской темы №> 28-37 «синтез гетерогенных металлических и неметалических систем» га кафедре машины и технология литейного производства Одесского государственного политехнического университета.

ЭСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Выбор способа формирования деталей, отличающихся повышенной сложностью по геометрии рельефа, осуществляется оценкой технологических границ возможности воспроизведения полости минимального размера и обеспечения ¡аданной шероховатости поверхности. В таблице 1 приведены сравнительные тайные основных технологических процессов, применительно к деталям разлт-тн массы, материала и размеров.

В настоящее время традиционные методы механической обработки для полу-1ения тонкорельефных и тонкополостных поверхностей все чаще заменяются »лектротехническими и литьевыми методами формообразозанкя.Такая замена нре-гопределяется прежде всего тем, что для получения тонкорельефных поверхностей мехагшческая обработка является длительным и дорогостоящим процессом, i в ряде случаев основанным на большом количестве отходов в виде снимаемой : заготовки стружки.

Выбор экономичного метода формообразования тонкополостных изделий, арактерной особенностью которых являются каналы с размерами порядка (2,5 ->) мм, определяются многими факторами, в том числе: физико - химическими :войствами, конструкцией и геометрическими размерами детали, уровнем техки-[еских требований к качественным параметрам, характером производства и др. При тормировашга литых поверхностей по мере измельчения рельефа возрастают готери воспроизводимого профиля. Суммарное влияние контактных процессов на ранице расплав - воспроизводимая поверхность литейной формы определяет усло-ия получения отливок на требуемом уровне та качества. При формировании тон-их полостей в отливках возникают особые технологические офаничения, что и редопредеяяет необходимость углубленных исследований при разработке техно-огических процессов.

К особо сложным тонкополостным изделиям относятся элементы прибо} СВЧ, представителем которых являются различной конструкции волново; Тонкие полости порядка (0,8 - 1,5). 10° м с усложненным поверхностным мак] рельефом сосредоточены на сравнительно малой длине волновод, технолога ски крайне затрудняют качественное исполнение поверхностей таких элемент Разработка процессов их получения является весьма сложно разрешимой задачей, Повышение требований к размерной точности и шероховатости поверхнос волновода (На) до уровня значений (0,63 - 0,8). Ю^м выдвигает потребносп новом технологическом подходе для формирования тонкорельефных и однородк литых заготовок изделий сосложной конфигурацией узких полостей (рис. 1).

Одним из представителей таких изделий является волновод - элемент при( ров СВЧ.

Таблица 1 Методы получения рельефных поверхностей

Технологический Характеристика заготовки Шсроховатост

Процесс Материм масса, размер, Поверхности

кг м 10т

Электрофизические легированная сталь, 0.1+0.5 0.08+1.0 20+5

методы: эрозионные, медь, алюминий

электроискровые,

плазменные, лазерные

Электрохимические медь, хром, никель, 0.1+0.5 0.01 + 1.0 Ка=0.16+0.63

методы: альваноппастика серебро

Механические сталь, чугун, медь. 0.1+10.0 0.01 +2.0 40+10

методы: резание, алюминий

выдавливание

Методы литья в песчаные сталь, чугун, алю- 0.1+20000 0.05 + 3.0 650+320

формы с последующим миниевые сплавы 200+180

большим объемом меха-

нической обработки

Литье под давлением алюминиевые сплавы 0.15 + 25.0 0.1+0.8 40=20

Литье в кокиль с после- чугун, алюминие- 0.5 + 100 0.1 + 1.0 320+120

дующим большим объе- вые сплавы 60=40

мом механической обра-

ботки

Литье по выплавляемым сталь 0.1 + 5.0 0.1 + 1.0 40+20

моделям

Литье в керамические чугун, сталь, алю- 0.1 + 100 0.1 + 1.0 60+20

формы по постоянным миниевые сплавы 80+40

моделям (Шоу-процесс) с 40+20

уменьшенным объемом

механической обработки

Усложнение конструкционного решения в выполнении волноводов, определило появление технологических затруднений их изготовления. Наличие тонких полостей - прямолинейной и криволинейной конфигурации с размерами (0,8 -10).Ю'3 м, повышенные эксплуатационные требования к шероховатости поверхности, обуславливают необходимость применения нескольких технологических приемов: механических, электрофизических методов со сваркой и литьем, с пластической деформацией.

Процесс образования неоднородностей микрорельефа при контакте расплава с воспроизводимой средой включает три этапа.

Первый этап - механическое движение перегретой жидкости по поверхности, второй этап - контакт остановившегося потока затвердевающей жидкой среды с воспроизводимым рельефом и третий этап - контакт затвердевшего расплава с образовавшейся воздушной прослойкой.

Рассмотрим принятую физическую модель процесса формирования неоднородностей микрорельефа на основе предложенного механизма их образования. В первом и во втором этапах процесса воспроизведения жидкая среда, обладая высокой текучестью, заполняет полость и зазоры между микронеровностями контактной поверхности и жидкостью. В этой связи жидкая фаза воспроизводит ту степень неоднородности, которая свойственна контактируемой поверхности. В конце второго и на всем периоде третьего этапа контактные процессы затвердевающей жидкой среды и воспроизводимой твердой поверхности деформируют формирующийся литой микрорельеф. Появляется зазор, переменная величина которого определяет степень воспроизведения неоднородности. Имеющиеся представления о применимости нормального закона распределения микронеровностей к оценке литой поверхности позволяет воспользоваться основными его положениями. В связи с тем, что заданный уровень среднеарифметического отклонения нами принимается равным

В. . = (2-5 -0.16)1 О"6 А/

то для шероховатости такого порядка справедливо распределение высоты микронеровностей в соответствии с нормальным законом. Следовательно, можно записать, что:

' к -¡Г

ф(й)= ^7ГГехр

-0.5

(Ы),

где в - среднеквадратичное отклонение высоты неровностей;

к - математическое ожидание.

Принимая во внимание, что Н литой поверхности определяется двумя составляющими: величина микронеровности поверхности формы Ы и возникающим зазором Е, то закон распределения суммы высот микронеровностей поверхности определяется интегральной сверткой двух законов Ф(Ъ1) и Ф(Е)

ф(#) = |ф(Л)Ф(Я - А, ул, , (1.2),

где, объединяя зависимости (1.1) и (1.2) можно записать, что

Я - Н~

0.5

в

И

где ви-ЖТёТ, Н л-Е (1,

Максимальная величина Ьш„, С и 11 для нормального закона распределен выражается как

Н = 0.5/гюах =

(1.(

Рассмотрим перспективные направления разработок композиционной техн логии, основанных на фиксации однородных литых поверхностей более туг плавкими металлами, минуя перевода их в жидкую фазу. Первое направлен! - электролитическое осаждение тугоплавкого металла в ионном состоянии I литую поверхность из легкоплавкого сплава; второе - создание условий контакт] рования более тугоплавкого металла в состоянии сверхпластичности (Т=0,5 плавления) с литой поверхностью из легкоплавкого сплава; третье - пластич* ское формообразование из паст тугоплавких порошков с последующим твердофа: ным спеканием их в контакте с воспроизводимой поверхностью и пропиткой ра< плавом.

Получая из легкоплавких композиций литые поверхности стержней, и, пр! дав им токопроводность, методом электролитического осаждения формирую высокой степени гладкости рабочие слон деталей из тугоплавких металлов.

Рисунок 1 - Элемент СВЧ - волноводов

В дальнейшем система легкоплавкий стержень с теплофизической защитой -электролитически осаждаемым слоем соединяется с опорным слоем из тугоплавкого металла методом заливки, например, под давлением.

Потенциальные возможности композиционной технологии значительны, так как сочетание тугоплавких, электролитически осажденных и литых слоев обеспечивает условия получения практически любой сложности изделия.

Поскольку в прямоугольном волноводе может осуществляться только один вид колебаний, то отклонение от прямолинейности оси волновода с постоянным поперечным сечением эквивалентно появлению в линии дополнительного реактивного сопротивления. Вмятины в стенках волновода, резкие изменения форм поперечного сечения, скручивание и изгиб линии - все это приводит к появлению отражений.

Для определения оптимального состава стержня применили математическое планирование эксперимента. Оптимальные составы для каждой из 3-х групп исследуемых составов приведены в таблице 2. Стержни изготовляли в металлической прессформе, имеющей Ла=0,08-10-6 м.

Для формирования электролитического слоя на поверхности стержней применяли сернокислые и пирофосфатные электролиты. При осаждении меди из указанных электролитов обеспечивается качественное покрытие при достижении высокой степени их мелкокристалличности.

Сернокислые электролиты характеризуются скоростью осаждения меди порядка ~1 -1 О^м/мин, высокой выравнивающей способностью. Однако рассеивающая способность таких электролитов небольшая и составляет 2 -ь 5%. Это ограничива-;т их применение для нанесения покрытий на детали сложной конфигурации. В 5той связи для отработки условий формирования гальванических покрытий на збразцах из исследуемых нетокопроводных составов стержней применяли неде-¡мщитные сернокислые электролиты при режиме: температура электролита - (20 >-25°С), плотность тока (2-3) А/дм2, аиод - электролитическая медь.

Пирофосфатный электролит отличается высокой рассеивающей способностью, гто обеспечивает нанесения гальванического покрытия в сложных полостях и на >ельефные поверхности. В состав пирофосфатного электролита входят следующие ;омпоненты в соотношения (Г/л):

Си8045Н20 - (30*50); Иа4Р20уЮ[120 - (120*180); т2НР0412Нг0 - (70*100).

Режим электролиза: температура электролита 20-30°С; рН=7,5-.^8,9; плотность ока 0,3-0,4 А/дм2; выход по току составляет 75 80% при химическом медне-:ин органических составов на основе парафина с введением алюминиевой пудры в оличестве 10 25%, выдержка стержня в растворе для химического меднения со-тавляла 900 + 1800 сек. Состав для меднения: медный купорос - 20 г/л; глицерин -5 г/л; едкий натр - 36 г/л; формалин - 6 мл/л обеспечивал формирование рав-омерного токопроводного слоя.

Формалин вводят при приготовлении раствора непосредственно перед п гружением стержней, так как он является катализатором реакции осаждения мед] Вследствие теплового воздействия на стержень с гальваническим покрытие при формировании опорного слоя в композиционной отливке легкоплавкие мат риалы его могут расплавиться или разупрочниться, что может пр[шести к деформ ции или прорыву гальванической оболочки. Исследование влияния на температу] контакта медная оболочка - стержень толщины, 5, медной гальванической оболоч] и теплоизоляционного покрытия выполнялось на образцах при заливке алюминш и сплавом Cd-Sn. Разную толщину медной оболочки обеспечивали набором ме ных трубок с наружным диаметром 18-Ю"3 м и разной толщиной =0,2; 0,5; 0. 1,0-10'3 м. Определяли максимальную температуру стержневого состава на гр нице с медной оболочкой и время прогрева. Исследованию подлежали следующ стержневые составы: соль 218, соль 137, ПС 50-50, П+ 25% А1203. Теплогоол ционное покрытие (ацетиленовая сажа) применяли толщиной 0,2 и 0,5-10"3 Температура заливки алюминия составляла 740°С, сплава кадмий - олово - 180°(

Таблица 2 Исследуемые составы стержней

Компоненты Содержание в составах, %

I 2 3 4 5 6 7 8 9

Кадмий 9,6 82,3 32,25

Цинк 4,0 17,7 100

Олово 12,77 3,0 67,75 43,0

Свинец 25,63 85,0 43,0

.'Висмут 48,0 14,0

Сурьма 12,0

NjNCb : 55

KN03 45

Парафин 50

Стеарин 50

Акрил ат 100 !

Процесс заполнения расплавом полостей с тонкорельефной поверхностью ра сматривается на основе гидродинамических и теплофизических характеристик, качестве имитирующей жидкой среды при исследовании процесса заполнения пр меняли парафиновый расплав с металлическим тонкодисперсным наполнителе! Приемлемость такого выбора жидкой среды подтверждается тем, что несмотря 1 имеющиеся различия в физических свойствах (вязкость, плотность и температу] плавления) для парафина и металлических расплавов имеется их некоторая те, лофизическая и гидродинамическая аналогия. Сопоставление отношения вел; чины теплоемкости парафина и металлического расплава к теплоаккумулируюик способности контактной поверхности позволило определить превалирующее вли ние этого отношения на характер течения сравниваемых расплавов, их агрегатиь переходов из жидкого в твердое состояние. Результаты исследования показах

правомерность применения стынущих жидкостей на основе парафина для изучения процесса течения расплавов с допустимыми погрешностями.

Для исследования процесса фиксации пограничного слоя расплава применяли парафин, содержащий до 5% мелкодисперсной добавки металлического порошка с температурой заливки 60-78 С, окрашенный в три цвета: красный, желтый, зеленый. Осуществляли последовательную заливку окрашенного парафина - желтый, 5еленый и красный в экспериментальные формы. Схема заливки предусматривала регулирование потока расплава по времени и по составу, что осуществлялось в заданном цикле реле времени и механическим шибером. Последовательность заливки окрашенных порций парафина осуществлялась за счет перекрытия питающей воронки, заполняемой вначале желтым, затем зеленым и красным парафином. Пластины с рельефом выполняли из материалов с различными коэффициентами теплоаккумулирующей способности. Величина коэффициента тепловой 1ккумуляции контактной поверхности варьировалась от

е2=1,4-103 Дж/м2 с 0,5К до 16,8. -103 Дж/м2 с 0,5К. 3 качестве контактной поверхности применяли керамику с металлическим порошковым наполнителем

(е2=1,4.103; 2,8.103 и 5,6.103 Дж/м2 с 1,2К) I стальные пластины с е2= 16,8.103 Дж/м2 с 0,5К.

Исследовали процесс формирования поверхностного слоя при изменяю-цихся факторах (Н - величина напора расплава; т - время контакта расплава с по-¡ерхностью формы и ДТ - степень перегрева, определяемая как (Тззл - ТфУГ'1^ где Г^ - температура заливки расплава;

Тф - температура контактной поверхности формы. Тринцип построения опорной кривой основан на графической обработке продельных и поперечных профиллограмм поверхности, предварительно снимаемых га профилографе. Для этой цели применялся профилометр-профилограф модели !01М. Поперечная и продольная профиллограммы разбиваются на "п" горизон-альных уровней, параллельных основанию (приняли п=3). Затем производиться ¡уммирование участков, ограничивающих ширину выступов на данном уровне. Три этом определяли сближение «а» - расстояние от вершины выступа до данного ровня. Опорную кривую строили путем нахождения точек со следующими коор-щнатами: по оси абсцисс суммарная ширина выступов, по оси ординат соот-ютствующая величина сближения «а». Построив две опорные кривые для продоль-гой и поперечной профилограмм, выполняют построение суммарной опорной кри-юй, отражающей истинный профиль поверхности, и для каждого сближения а щределягот произведение абсцисс полученных кривых, учитывая, что опорные ривые в зависимости от качества поверхности принимают различный характер, ия сравнимости результатов экспериментальных исследований используют отно-ителыше величины. Подобно тому, как принято в теории и практике процесса ¡гармировання механически обрабатываемых поверхностей, определяют величину,

равную отношению сближения к максимальной высоте неровностей Ьтах и величи

ну х = утт > ГДС ■ площадь сечения; Р2 - площадь профилограмм.

/ 2

Опорные кривые, построенные с учетом продольных и поперечных профилограмм отражают форму микронеровностей и их распределение по высоте. Радиус за кругления вершин и угол наклона элемента микропрофиля к геометрической по верхности язляются характеристиками, оценивающими форму отдельного микро выступа на поверхности отливки (как и для механически обрабатываемых поверх ностей). Для определения радиуса закругления и угла наклона элемента микропро филя применяли экспериментальное приспособление, состоящее из индикаторног щупа микроголовки и углового лимба часового типа с фиксатором по градусно: шкале.

Аналнз результатов исследования показал, что легкоплавкие сплавы позво ляют получать стержни, шероховатость поверхности которых Ла менее 0,16.10"6 г

Выполненные экспериментальные исследования показали, что для получени стержней с наименьшей шероховатостью расплав следует нагревать до 120 - 140 °< (сплав IV) и 320 -360 °С (сплав V). Дальнейший перегрев расплавов приводит ухудшению качества поверхности стержней за счет газовых дефектов поверхностт Перегрев расплава приводит к интенсивному окислению его и вызывает потер; сплава. Увеличение времени контакта пресс-формы с расплавом приводит к разга ру поверхности пресс-формы, что снижает срок ее службы. Поскольку для каждог состава шероховатость поверхности зависит в основном одновременно от 2-х фак торов: температуры пресс-формы и температуры заливки, то возникла задача оп тимизации влияния этих факторов.

В качестве такого критерия принята величина ( АТ ) - превышения темиерату ры заливки расплава над температурой пресс-формы.

Математическая обработка экспериментальных зависимостей величины 11а о АТ, выполненных на ЭВМ, позволила определить аналитическую зависимость ве личины 51а соответственно для сплавов V, VI, VII, VIII от (табл. 2) как

11а=3,27.ДТ4+9.42ДТ3+3.28ДТ2-29.03ДТ+20.98.

11а=О.ЗАТ4-0.42ДТ3-0.26ДТ2-0.58ДТ-0.09 11а=22.73ДТ4-61.64ДТ3+62.46ДТ2~27.83ДТ+4.78 11а=3 9.6ДТ4-91.97ДТ3+79.4ДТ2-30.31 ДТ+4.47

Качество поверхности металлических стержней из исследуемых составов го величине К, и характеру распределения микро неровностей соответствовало тре бованиям, поставленным в задачах исследования. При формировании электролита ческого слоя на поверхности стержней поверхность гальванопокрытия характери зуется высокой степенью однородности . При удалении металлических стержне] выплавлением га сложнорельефных полостей имеют место диффузионные про цессы на границе электролитический слой -- металлический стержень. Качеств! поверхности электролитического слоя ухудшается, величина Ка микро неровносте)

12

возрастает, а степень однородности резко ухудшается. В этой связи для фиксации электролитического слоя однородной поверхности стержня из легкоплавкого металлического расплава необходимы разработки технологических методов, предотвращающих граничные процессы взаимодействия.

На качество формирующегося органического стержня большое влияние оказывает характер заполнения тонких полостей. Применение цветового метода исследования процесса формирования потоков и киносъемки позволили получить <ачественные эпюры распределения потоков расплава и установить, что характер распределения потоков определяется в значительной мере степенью перегрева рас-тлава и температурой пресс-формы.

Увеличение перегрева расплава при одной и той же температуре прессформы создает условия, когда первая струя расплава (желтый цвет) заполняет узкие кана-ш 5 = 0,8.10'3м и затвердевает в конечных точках, не создавая по всей по-зерхности канала непрерывной корочки. При том же перегреве, но при увеличе-ши температуры пресс-формы усиливается влияние конвективных потоков и происходит перемешивание всех трех потоков (красный, желтый, зеленый) расплава.

Если всю тонко рельефную поверхность представить за 100%, то соответст-зенно зоны тепловых потоков распределяются при перегреве расплава более 0,6Тга шно неравномерно. Зона с частично зафиксированным пограничным слоем ( 5 ) составила порядка 1%. Зоны с перемешивающимися потоками Г2 и Р3 в сумме ¡оставили 89%. Ядро площадью Р4 не превышало 10 - 11%. Изменив температу-)ы пресс-формы в зависимости от температуры, равной температуре окружающей ;реды до температуры Тп+О^Тпл^. вызвало перемешивание всех трех потоков. Фиксирование несмепшвающегося первого потока отсутствовало (5=0,).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Исследована, разработана и освоена технология производства сложно-»ельефных и тонкополостных отливок (волноводов) го алюминиевых сплавов с ^пользованием легкоплавких металлических и неметалических стержней с шектрическим покрытием, что позволило обеспечить хорошую заполняемость [юрмы, улучшить качество поверхности их поверхности и решить важную для гроизводства задачу получения сложных отливок ответственного назначения.

2. Решена одна из основных задач получения качественных сложно-рельефных I тонкополостных отлхшок - обеспечения высокого качества литой поверхности, [то достигается разработкой технологии изготовления стержней го юмпозиционных материалов, основанной на принципе формирования их литой говерхности из легкоплавких металлов и термопластических масс с последующим ;е фиксированием электролитическим осаждением

3. В результате разработки и освоения технологии производства легкоплавких 1еталлических и неметалических стержней с электролитическим покрытием 'становленно, что

- максимальная степень микрооднородности литых поверхностей стержней и легкоплавких сплавов, например на основе Сё-Ип, ЕЙ - 7л\ достигается при темпе ратурном перепаде Т=Тзаг,- Тпрсс. не превышающим значение (90-40) С

- процесс метализации стержней, выполненных из органических и соляных со ставов, обеспечивается методом химического меднения за перид 15-020 мин. Пр содержании в составе: 20 % медного купороса, 35 % глицерина, 36 % едког натрия, 6 % формалина

- повышение теплоаккумулирующей способности легкоплавких стержней металлизированным покрытием при введении тонкодисперстеой фракци металлического порошка в количестве 12-15 % обеспечивает стабильное значени контактной температуры, предотвращающей прногрев основы стержня д температуры расплавления в течении периода формообразования.

- установлено, что степень однородности электролитически осажденных слое на литых поверхностях стержней из легкоплавких сплавов и термопластичных пас зависит от состава электролита, режима электролиза и уровня микро и макронерог ности и конфигурации литойрельефной поверхности.

4. Предложена новая методика оценки качества поверхности сложнорельеф ных отливок на базе построения пространственных опорных кривых в трех ко ординат!шх измерениях, позволяющая использовать интегральные значения мш рошероховатости контактных поверхностей и повысить точность измерения.

5. Уточнены механизм формирования неоднородности литой поверхности и ус ловия заполнения расплавом тонкополостных каналов с установленными демп фирующими перегородками. Получены экспериментально аналитические зависи мости величины микрошероховатости литой поверхности Яа от температур! заливки (Тзал) и прессформы (Тпр).

6. С целью обеспечения стабильности и надежности технологически параметров литья сложнорельефных и тонкополостных отливок разработан : внедрен прибор для непрерывного контроля температуры расплава в раздаточны печах. Точность измерения температуры 5 - 8 С.

7. В результате применения даной технологии повысилось качеств поверхности отливки до уровня 11а= ( 0,16 - 0,63 ) 10 м., снизилась трудоемкост процесса изготовления сложно-рельефных и тонкополостных отливок на 20-25% сроки разработки технологического процесса сократились в 2,5 раза, количеств брака по основным видам литейных дефектов уменьшилось в 1,5 - 2 раз.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАВДЯХ: Березовский С.Б., Малых C.B., Гражевский Ф.М. Xîmïtihî засоби рсставрацп' металевих вироб1Н. // Навчальний пособник,- Одеса: ОДПУ, НВА "Совшн". -1997. С. 30.

Березовский С.Б., Иванова Л.А. Выбор конструкторского решения измерителя температуры. // Труды Одесского политехнического университета,- Вып. 1. 1997. С. 29.

Березовский С.Б., Иванова Л.А. Закладные элементы при непрерывном контроле расплава. // Литейное производство. -1997. - № 11. - С. 24. Березовский С.Б. Химические способы металлизации неметаллических стержней. // Сборник трудов конференции "Повышение качества и экономичности литейных процессов", Одесса, НПО "Совпин", ОДПУ. Березовский С.Б. Прибор для непрерывного контроля температуры расплава. // Литейное производство. - № 12. -1997 г. -С. 26.

Березовский С.Б. Легкоудаляемые стержни для тонкополостных отливок. // Сборник трудов конференции^ "Повышение качества и экономичности литейных процессов", ОдессаЛшО "Совпин", ОДПУ, 1995 г.

■С