автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Формирование стальных отливок по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Красноярский институт цветных

металлов

Чернов Николай Меркурьевич

ФОРМИРОВАНИЕ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

ДИССЕРТАЦИЯ

в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск — 1993

Р Г О С $0СЯДАРСТВЕШШИ ШИТЕТ ПО

ВНС1ЕМЯ ОБРАЗОВАНИЯ РФ.

/ 3 иДМ, ■; • -

Красноярский институт цветных металлов.

На правах рукописи.

Чернов Николай Меркурьевич. ООРЙИРШНИЕ СТЙЯЬНЮС ОТЛИВОК ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ

МОДЕЛЯМ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕ1 ПОД ДАВЛЕНИЕМ. (Специальность 05.15.04-Литейное производство.)

Диссертации о фврие надчного доклада яа соискание дчепой степени кандидата технических наук.

Красноярск - 1333.

Работа выполнена в Красноярском институте цветных металлов.

Научный: руководитель : кандидат техническйх наук, доцент Обсрик fl.fi.'

Официальные.-оппоненты: , доктор .технических, наук, профессор Камина Л.И. кандидат: технических наук, доцент Голованов И.Д.

г -Б е дщ£ е!рВД?дприя т и е: государственное-.зщшщиятие -"^Красмашзавод".

Защита состоится -1993- г.

в {А^часов на'заседании специализированного .Совета К 064.03.03 Красноярского института цветных кеталлов.

Адрес: 660025. г, Красноярск, проспект Красноярский рабочий, 95-.

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке Красноярского - института цветных металлов.

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат.технических наук, доцент-в^-^Орелкина Т. А.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В силовых конструкциях летательных аппаратоз наметилась тенденция роста номенклатуры стальных отливок по выплавляемым моделям. Замена проката, штамповок и сварных узлов на. литье позволяет снизить объем механической обработки и потери металла на стружу. При рекении вопросов применения деталей в изделиях авиационной техники прежде всего должны быть обеспечены гарантированная конструкционная прочность и надежность, отсутствие случайных отклонений .от заданных технических условий. Литейное произволе.во самолетостроительных предприятий носит мелкосерийный, гчогономенклатурйый характер, а отливп значительно отличаются по конфигурации, габаритам и весу. По конфигурации силовые детали (качалки, .подвески, кронштейны) ха{шггвркзутагя. наличием проушин, длинномерных плоских стенок, сечен2$йкорз.йчатпй, и. П-образной формы. 1.Х, У- образного вида- сочленениям: стенок-: и: рейвр; резкими пе- .■ реходами от массивйых* частей к тонким: . Существующий, технологический процесс литья пот выплавляемым'моделям. (ЛВМ) характеризуется . плавкой стали в открыт® печах и заливкой" формы из ковша. Многофакторная зависимость^ свойств отлишж ЛВМ ог конструктивно-технологических параметров-и'мяогономенклатурныя характер производства приводят к нестабильности, технологических процессов, большим- потерям отливок. форм;, моделей, неоднородности структуры, и мехсвойств как в различных; час^Щ. так и в разных- партиях отливок. Получение тонкостенных, ст'алййй-' Деталей .с гарантированной, конструкционной' прочностью и надеянЬсТьв для силовых: конструкций самолетов, . работающих в условиях циклических нагрузок, потребовало' разработки- новых технологических- решений и методов оценки конструкционной-; прочности отливок. ' .

Цеэш> р£ба№,: Разработка технических решения и создание на их основе технологического. процесса литья по выплавляемый- моде- ' лям.'С кристаллизацией, под. давлением (ЛВЖЭД. обеспечивавшего получение тонкостенных отливок с заданной- конструкционной .прочностью. •

3;Шёчй пбаМЯ5вгйтя, 1. Изучение закономерностей. структуро-оСразования модельных композиций (Ш) с целью выбора оптимального материала и технологии, получения выплавляемых моделей (ВМ) тонкостенных отливок ответственного назначения. ' ..-•'•

2. Изучение механизма формообразования оболочковых многослойных Форм (ОФ) с цельй стабилизации технологического процесса и иссле-

дование гидравлической прочности ОФ в зависимости от способов их изготовления и формовки.

3. Изучение условий формирования стальных отливок по выплавляемым моделям с кристалдазацей пол, давлением: Определение, параметров литья, и разработка технологического процесса ЛВМКД.

4. Исследование конструкционной прочности отливок . из стали 08Х14Н5М2ДЛ (ЕНЛ-3), лолученных по методу ЛВМКД. '

' Научная новизна. Методологическую новизну работы определяет комплексный подход к проблеме получения и оценки качества на ' всех этапах формообразования тонкостенных отливок ЛВМКД. Теоретически обоснованы теплосиловые параметры процессов изготовления БМ. ОФ и отливок, обеспечивающие их конструкционную прочность. .

Установлено значительное увеличение • текучести МК под действием вибрации и экспериментально подтверждена возможность получения ВМ без расплавления МК методом вибропрессования. - .

Разработаны механизм формирования и метод гидроиспытаккй . ОФ. "Установлены зависимости прочности на изгиб и гидравлической ■прочности ОФ от способов изготовления, упрочнения, и формовки.

Разработаны технические решения, на основе которых создан новый • технологический процесс ЛВМКД. Установлены закономерности распределения температуры стали в металлоприемяике и зависимость, заполняемое™ тонких стенок от давления и расхода расплава на входе в форму.

Разработаны методы оценки л .получены количественные значения конструкционной прочности стаж БНЛ-3 при статических и цикли- ■ ческих нагрузках.

Практическая ценность. В результате , проведенных исследований решены проблемы -получения тонкостенных отливок с заданной конструкционной прочностью.

Разработан способ и чертежи установки изготовления.ВМ виб-' ропрессованием из твердых' МК.

Разработан и внедрен в производство способ обработки поверхности модельного - блока (МБ), перед нанесением суспензии в водном растворе ПАВ.

разработана установка приготовления суспензии и нанесения ее на КБ методом вакуумного всасывания.

.- Разработана установка индивидуального выплавления МБ под ' давлением пара.

Разработано и внедрено устройство термостатирования проб для определения значений "горячей" магнитной индукции стали 5НЛ-3.

Разработана и внедрена установка ЛВМКД. Разработан и внедрен новый технологический процесс ЛМКД. Экономический эффект от внедрения 190.0 тыс. руб. в ценах 1991 года.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференция НАПО, г. Новосибирск. 1986; Межотраслевом Экспертном Совете, г. Москва 1989; Межотраслевом совещании, г. Самара. 1991; Межрегиональной конференции, г. Хабаровск, 1991: Республиканском семинаре, г. Москва, 1992.

Публикации. Материалы работы опубликованы в 13 статьях и 5 описаниях авторских свидетельств.

Состояние вопроса по литературным данным. Используя принципы физико-химической механики дисперсных систем Лакеев A.C. (1986) заложил научные основы получения ЕМ и ОФ. Однако, выпускаемое оборудование и применяемые■техпроцессы не обеспечивают требуемого качества вм и ОФ в условиях мелкосерийного и многономенклатурного производства, а методы контроля и испытаний прочности ОФ не отражают реальных силовых воздействий жидкого металла. Специальные технологические процессы ЛПД, ЛНД, ЛВВ из-за низкой стойкости прессформ и контактирующей с жидким металлом оснасткой не нашли широкого применения, хотя для получения отдельных деталей из дорогостоящих сталей п сплавоз могут быть экономически эффективны [1]. Литье методом направленного затвердевания из-за дорогостоящей технологии ОФ. высоких энергозатрат и длительности технологического цикла притеняется в основном для получения лопаток ГТЛ. Анализ отечественных и зарубежных патентов показал отсутствие приемлемых технических решений и способов литья под давлением тонкостенных отливок любой сложности. Следует отметить, что мало исследован' вопрос конструкционной прочности отливок при циклических нагрузках, а отсутствие этих данных сдерживает применение литых деталей й изделиях авиакосмической техники.

Материал и кетодика исследований., Работа проводилась в условиях предприятий: Новосибирского авиационного завода. Института прикладной.физики. Новосибирского филиала НИАТ. институтов Горного дела, Математики. СО РАН, НИАТ. ЕМС, МАСИ. ЕИАМ з ракках научно-технического сотрудничества. В работе использовались как стандартные установки, оборудование и приборы, так и устройства и

установки, разработанные автором, а именно: устройство для исследования воздействия вибрации.на'модельный состав [8]. установка для исследований по гидравлической прочности форм {4]. устройство термоататирования проб для определения значений "горячей" магнитной индукции [2], установка ЛВМКД [3h Для высокотемпературных измерений использовались термопары погружения ПР 30/6. Для -записи замеров температуры, использовались модернизированные стандартные приборы КСП-3 с увеличенной скоростью вращения диска, что обеспечивает запись значений температур на диаграммах за короткие промежутки времени. Химический состав сталей определяли на квантог.зтрах ■ ДФС-36, содержание углерода на экспрессанализаторе АН-752Э, содержание 0 , Н , W , на установках РН-2 и ТС-136. Мехсвойства определялись на разрывной машине "Амслер" Юте и копре Шзрпи 15кгм. Теп-лофизические свойства стали ВНЛ-3 определяли в ИТФ СО FAH по методике и на установке д.т.н. A.C. Басина. Фазовый состав стали ВНЛ определяли на приборе МКЛ-3 конструкции ВИАМ. Определение механических свойств проводили на стандартных отдельно отлитых или отделено прилитых к отливкам образцах.. Заполняекость форм проверяли на технологических пробах. Усталостные испытания на долговечность производили на литых образцах-имитаторах [4,10,11.12].

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Выбор оптимального материала и технологии получения БМ тонкостенных отливок.

1.1: Выбор оптимальной марки МК. ЛВМКД предъявляет повышенные требования к ВМ по чистоте поверхности и прочности. В экспериментальных работах по изготовлению технологических проб из МК ПС 50-50 установлено их коробление - самопроизвольный прогиб при .толщинах менее 3 мм, а модели отливок толщиной менее 2 m коробятся от собственного веса при температуре выше 20°С. Выбранная МК ПДП^2-25-13 (МВС-ЗА). по прочности, теплоустойчивости и чистоте поверхности соответствует требованиям, предъявляемым к ВМ процессом ЛВМКД [7,183.

1.2. Особенности структурообразования ЫВС-ЗА и определение технологических параметров. Компоненты МВС-ЗА относятся к группе карбоцептных полимеров, на структурообразовакие которых сказывают влияние их фундаментальные, реологические и технологические свойства. По существующему-техпроцессу Ш при изготовлении ВМ и ОФ претерпевает температурноврейекные и силовые воздействия, которые влияют на ее фундаментальные свойства и формирование структуры ВМ.

Структурообразование МК при переходе из жидкого в твердое состояние характеризуется термографической кривой л происходит в температурном интервале, в котором МК находится в вязкопластичном состоянии. Особенность кристаллизации полимеров заключается в том. что пачки молекул складывайся в лепестки, которые объединяйся в ламели. В результате наслоения ламелей друг на друга образуется -монокристалл. Однако фактически МК не являюся кристаллическими веществами.. Различие в длинах макромолекул мешает образованию правильных кристаллов и происходит чередование упорядоченных участков . с аморфными. В твердом состоянии МК состоит из сферолитов, содержащих ламели одного, двух или трех компонентов, диспергированных в '. огчородной или неоднородной аморфной мас^.е. Технологические параметры изготовления ВМ и выплавления МБ из- ОФ можно определить теоретически: п а /Ц . i [hi .

- t n4 ы ' 10C> ' 100 ' , g

- tr = O, at.* i te £ /'35- fto~c P& 2,67- PKi- г ,

где t =75-80 С - температура плавления МВС-ЗА. П, Ц. Пэв - содержание в КК парафина, церезина и полиэтиленового воска, . , температура их плавления соответственно

t =56-58 С - температура запрессовки МК в прессформу, 135-140 С -температура начала окисления парафина, t ¿=130 С - температура выплавления модельных блоков. Рк^- предельное динамическое напряжение сдвига при температуре'запрессовки. Давление запрессовки колеблется в широких пределах, Р=0.15-0,5 МПа, что связано с многообразием .конфигурации и веса отливок.. Экспериментально установлено, что для обеспечения концентрационного равновесия"шихту свежей МВС-ЗА следует вводить в количестве не более, 30% в-ванну "выплавления МБ,или подвергать переплаву [7,18]. ■

• 1.3. Исследование текучести МК при .вибропреисования. Рассмотрим поведение МК. находящейся: в цилиндре между ударником низкочастотного вибратора и поршнем [81. Скорость распространен^! продольных волн малой амплитуды - 'С и коэффициент их затухания с< - • могчт бнть пассчитаны: t //£*} ZT < ¡Г

7Г а ..

где j» - плотность. JN - дана волны, о - угол потерь. £ - комплексный модуль сдвига. Если H^tjo поле деформаций бужет "практически однородным и распределение смещений по длине независимо от свойств среды либо линейным, либо близким к линейному, т.е..для эйекткв-ного и управляемого воздействия на зесь объем МК в устройстве кэ-. обходимо применять низкочастотное вибрирование.- • При .этом снижение упруговязких .характеристик полимера будет наблюдаться >:о всему объему' МК. что приведет к увеличению срэднежтегральн;?. схсрсс~й

течения. Для. полной реализации эффекта возрастания среднеинтег-ральной скорости течения при наложении вибровоздзиствия необходимо так подобрать параметры, чтобы поле периодических деформаций по всему •объему формируемой МК было практически однородным, а периодические сдвиговые деформации носили необратимый характер. Первое условие достигается в том случае, когда gjj а второе-ПрИ продолжительности цикла колебаний, существенно превышавшей характерные времена релаксации полимера. Оба условия реализуются при использовании низкочастотных колебаний большой амплитуды. Интенсивное механическое воздействие приводит к изменению свойств МК - разрушении надмолекулярной структуры, деструкции молекулярных цепей - изменению М и ММР, повышению температуры, что улучазет реологические свойства Г.К и прочность ВМ. В экспериментах [8] по изучению поведения МК применяли низкочастотный вибровозбудитель, имеющий сле„у-ющке технические характеристики: вынужденная сила 1,5 кН, энергия удара 7 Дж, частота удара 20-40 Гц, давление воздуха в сети 0,2-0,8 МПа. После виброобработки под действием прессующего поршня МК сплошным потоком экструдируеся через отверстие Z 6мм в Основой стенке цилиндра и проникает в зазор мезду поршнем и цилиндром.. Таким образом, изготовление ВМ с заданными свойствами обеспечивается отсутствием воздуха в КК и возможностью управления параметрами вибропрессования к которым относятся продолнительнссть вибровоздействия и давление запрессовки МК в прессформу.

2. Механизм формообразования, совершенствование техпроцесса и исследование прочности ОФ.

Действующий техпроцесс предусматривал промывку ЫБ в ванне с растворителем, дистенсилднмакитовую суспензию, приготовленную раздельным методом, обсыпку злектрокорундом 16-20 1 и 2 слоев и 40-63 последующих слоев, выплавление МБ в расплаве КК'и не обеспечивал требований ЛВМКД из-за коробления (раздутия) :: прорыва ОФ расплавом, особенно при литье деталей с длинномерными' тонкими стенками. Был проведен ряд работ по совершенствован© сусествуздего техпроцесса и исследований прочности ОФ [4,9,10,14,15. IT:.

2.1. Требования к формообразованию ОФ. Топография многослойной ОФ долина обеспечивать ее заданные свойства. Суспензия 1-го слоя должна плотно и равномерно покрывать всю поверхность 1.3. а мелкозернистый обсыпочный материал (ОМ) должен внедряться на глубину 1/2 толщины суспензии. Недопустим пробой слоя суспензии зернами ОМ. Боковые грани зерен Ой должны плотно соприкасаться в каждом слое с тончайшей прослойкой суспензия. Последний слой обсыпки

производится мелкозернистым ОМ, и. наконец. снаружи МБ покрывают слоем суспензии без обсыпки.

2.2. Получение стабилизированной суспензии. Механизм формирования стабилизированной суспензии заключается в подготовке среды для прохождения процесса гидролиза этилсилликата с максимальной скоростью во всем объеме, для чего необходимо перемешать с максимальным диспергированием жидкую фазу с твердой, т.е. добиться снижения М и сузить интервал■ММР связующего, а кислоты ввести после* прохождения пика экзотермической реакции, причем сначала серную для нейтрализации железа, а затем соляную, регулирующую процесс коагуляции связующего. В результате экспериментальных работ-внесли с едующие изменения: число оборотов : эшалки увеличили с 1800 до 2800 об/мин. соотношение диаметра крыльчатки взяли 1:2 вместо 1:15 и высоту суспензии к диаметру крыльчатки приняли 1.3:1,0. Общеё время перемешивания изменилось с 45-60 мин. до 15-16 мин.

2.3. Подготовка поверхности МБ перед нанесением суспензии. Площадь поверхности МБ из-за шероховатости превышает видимую в 3040 раз и покрыта различного рода загрязнениями, частичками МК и молекулами^ оз духа. Продувка воздухом МБ и' окунание их в. растворитель не обеспечивают достаточной очистки. Предложен следующий способ, подготовки МБ С 9]. МБ устанавливают в рабочую камеру, в которой создают остаточное давление воздуха 0,01-0,05 МПа, а затем в камеру подается раствор ПАВ (метаупона) в дистиллированной воде. Концентрация ПАВ -взята 0,1 об. 55из соображений достижения состояния насыщения, которое определяется зависимостью адсорбции от концентрации ПАВ. После заполнения камеры раствором в ее днище подается воздух при давлении 0,15-0,2 МПа, в результате чего он переходит в интенсивное турбулентно-вихревое■движение и поверхность. очищается от. всех видов загрязнений и молекул воздуха,- а. их место ■ занимают молекулы ПАВ и воды. Продолжительность обработки МБ 5. .

■ сек. Таким образом, подготовка МБ перед нанесением суспензии заключается в очистке поверхности МБ от загрязнений- и.частиц МК, десорбции молекул воздуха с поверхности МБ и покрытии поверхности МБ молекулами ПАВ-до состояния насыщения. • ' - '

2.4. Формирование-1-го слоя покрытия МБ. Рассмотрим, условие равновесия капли жидкости, лежащей на-твердой'подложке.' Если капля левит на горизонтальной- плоскости, (рис. 1а) ■• её равновесие без учета гравитационных.сил определяется формулой Шга-Яэпре:'-

¿Tt-r- <¿#-TS + ¿„-r • Co-J & K-íáre-f f ,

• ' где К коэффициент скачивания, - ^гтри неполном смачиБании K-ccs & для рассматриваемых суспензий угол смачивания 20°. ,

Orí-P 8 То -Ж

é)

Рис. i Условия равновесия капли жидкости, а) на горизонтальной плоскости 5) на вертикальной стенке в) на потолке

Для выполнения условия равновесия капель, лежащих на вертикальной стенке (рис. 10) к на потолке (рис. 13) необходимо создание дополнительного внешнего давления, равного

р - JL^Y s1

где v - объем капли, S.- площадь капли. <Г - толщина капли, J3 - плотность суспензии. Таким образом за счет приложения внеш' него давления можно управлять формированием топо.рафии 1-го слоя суспензии. Большое дестабилизирующее влияние"на свойства суспензий оказывает воздух, который замешивается в нее при приготовлении. Мономолекулы воздуха, адсорбируясь на частичках твердой фазы, снижают их энергию активации, а объединяясь в пузырьки, создают разрывы в жидкой дисперсионной среде; снижая пластичность и прочность суспензии. Применяемое для удаления воздуха выстаивание суспензий приводит к их расслоению. Наиболее эффективным способом удаления воздуха из суспензии является ее вакуумирование при остаточком давлении 0,01-0,05 МПа. Для нанесения суспензии на МБ разработана установка [16], в которой осуществляется приготовление ¡: хранение стабилизированной суспензии, удаление из нее воздуха и Формирование топографии и требуемых структурно-механических свойств. При выплавлении МБ в расплаЕе МК происходит снижение структурно-механических. характеристик покрытия и случаи образования сплошных мак-, ротрещин. Для сохранения свойств сформированной ОФ выплавление М5 следует, производить в бойлерклавах. для чего разработана установка [14] для условий многоксменклатурного производства.

2.5. Стабилизация стуктурно-механических свойств ОФ упроч-

- и -

нением. Упрочнение ОФ производилось следующими составами: связующим. полученным из продуктов гидролиза щелочно-алюминнать'х раст-Еоров (ПГЩАР). негидролизованным этилсиликатом и его растворами. Упрочнение ОФ АХФС и связующим ПГЩАР производится после выплавления МБ, а негидролизованным ЭТС-40 и его растворами в ацетоне производится перед выплавлением МБ [10,131. В таблице 1 приведены значения прочности на изгиб для различных способов упрочнения. На все способы упрочнения разработаны серийные техпроцессы.

Таблица 1.

Прочность ОФ при различных способах упрочнения.

| Способ упрочнения I прочность на изгиб.I

| 1 КПа 1

,-1-1

I Без упрочнения I 3.6 I ¡Металлофосфатами (АХФС или связующим ПГЩАР) | 4,6 ! IНегидролизованным раствором ЭТС-4С-50% | 5,5 I \_1_|

2.5. Исследование гидравлической прочности ОФ. Данные механических испытаний ОФ не дают полного представления о гидравлической прочности ОФ. Проведены испытания гидравлической прочности ОФ путем подачи внутрь формы моделирующей жидкости - глицерина, вязкость которого близка к вязкости-жидкой стали. Данные испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Гидравлическая прочность ОФ при различных способах изготовления.

Характеристика ОФ и способы формовки

Давление разрушения. МПа

ОФ. серийных техпроцесс

То же с противодавлением с Енепней

стороны формы

То же с сухим опорным наполнителем То же с ¡шдкоподвикным наполнителем ОФ. серийный техпроцесс с ■ упрочнением ' металлофосфатами ОФ. серийный техпроцесс с упрочнением. ЭТС-40

0.06-0.08 0. 08-0.14

0.5-0,14 1,0-1,2 0.03-0.10

' 0,10-0,12

3. Условия формирования стальных отливок ЛВМКД. Определение параметров литья и разработка технологического процесса:

. 3.1. Теоретические основы ЛВМКД. Современной теорией доказаны тесная генетическая

Рис. к Темп выпадения твердой фазы стали ВЕЯ - 3

Ю ¿0 ЗР

связь структуры и свойств металла в жидком и твердом состоянии и влияние предкристаллизаци-онной подготовки расплава на механизм зарождения и роста кристаллов твердой фазы в области кристаллизующегося ■ Силаева [5]. С позиций физико-химической механики металл б двухфазной зоне представляет собой дисперсную

систему, состоящую из дисперсной ' среды - жидкого металла, и'дисперсной фазы - твердого металла и является вязкояластическик -веществом, т.е. уравнение-его течения имеет вид Р = Р„ + {».¿^.Скорость течения металла в двухфазной зоне п§д действием внешнего давления . Р будет зависеть от вязкости и статического пределы-: ^го напряжения сдвига Рс. Текучесть суспензий величина обратная вязкости и зависит от процента наполнения суспензии твердой фазой. Для сталей доля твердой фазы Б определяется по .формуле

-где г,, - температура ликвидус, ь с - солкдус, текущая

температура. . Для стали ВНЛ-3 п=1/4. На рис. 2 показан темп выпадения твердой фазы стали ВНЛ-3. Темп выпадения твердой фазы определяет характер затвердевания и морфологическое строение двухфазной зоны. Текучесть стали в двухфазной зоне сохраняется до температуры нулевой аидкотекучести, что послужило основанием для создания нового технологического процесса литья стали без перегрева расплава выше температуры ликвидус [15].

3.2. Стабилизация механических свойств стали ВНЛ-3. По серийному техпроцессу сталь ВНЛ-3 плавили в печи ИСТ-016 с магнези-

тозой футеровкой. Термообработку проводили по инструкции ВИАМ ПИ 1.2.262-84. Перед выпуском металла из печи контролируется содержание аустенита и наличие <5" - феррита путем измерения значений магнитной индукции холодной и "горячей"-проб на приборе кКЛ. Несмотря на выполнение всех требований ОСТ 1.90090-79 и рекомендаций ЕИАМ при плавке и термообработке. ■ -показатели мехсвойств стали ЕН.П-3 отличались нестабильностью и низкими значениями предела прочности, и ударной вязкости (согласовывались с КБ 1220 МЛа вместо 1250 и КСЦ 3.5 КДзк / смгвместо 4!. были случаи поломок деталей в изделиях при эксплуатации. На основании изучения опыта родственных предприятий, экспериментальных и теоретических работ ВИАМ было установлено. что снижение прочности и хрупкое, разрушение стали ВНЛ-3 связано с наличием в ее структуре гГ - феррита и содержанием азота N¿0.07.2. С 1985 по 198Э г.г. провели комплекс экспериментальных исследований, направленных на исключение в структуре ста^л еГ- Феррита и вредного влияния повышенного содержания азота, что позволило исключить поломки деталей в изделиях при эксплуатации. повысить уровень и стабильность механических свойств. Измени- ' ли состав Футеровки. Вместо магнезитовой внедрили футеровку из ппинельных порошков • по технологии института "ВОСТОГНЕУПОР". Для получения достоверна: дачных о наличии •• (Г - феррита разработали методику и устройство [2] для термоЬтатарования "горячих" проб магнитной индукции з масляном баке с встроенным нагревателем. Б. А. Еаум и др. ;:э?4) установили на основании анализа магнитных свойств железа, что при содержании кислорода'менее 0,02% железо крис-талл!зуется непосредственно в <Г - фазу, минуя £ - фазу, и наоборот, при содержании кислорода более 0,02 % реализуется ближний порядок на основе о.ц.к.- упаковки, которая устойчива от 1800° С до температуры кристаллизации. Для снижения содержания кислорода изменили режим раскисления - уменьшили присадку адшиния с 0.1 % до 0,05 вместо МЦ40 применили лигатуру гсЗОРЗИЗО с уменьшением количества церия с'0.15 % до 0,1.г. что позволило снизить содержание кислорода с 0,019-0,024 % до 0,003-0,012 % [5,6]. Внедрили поплавочный анализ азота. Провел! экспериментальные работы по определению оптимальной температуры старения при содержании азота вблизи значений 0.07 я. Эксперименты проводили без изменения режимов гомогенизации 1100°С, 1 час. воздух; отпуска 650°С. 1 час, воздух: закалки 970°с, 1 час воздух.' Температуру старения изменяли от 460 С (БКАМ) до 650°С. Установили оптимальный режим старения -500°с, 1 час, воздух и оптимальный расчетный химсостав' в пределах ОСТ [7].. '

3.3. Схема технологического процесса ЛВМКД. Литье стали при температуре ликвидус или в интервале двухфазной зоны можно реализовать по схеме, приведенной на рис. 3, где 1 - ОФ, 2 - пуансон, 3 -расплав, 4 - металлопри-емнйк [15,17]. Под действием давления Р расплав из металлоприемника через заливочное отверстие в' пуансоне заполняет форму. Давление на расплав сохраняется до конца затвердевания. Температура формы, металлоприемника и пуансон*- находится в

пределах до 200°С. Выдержка под давлением составляет 1.5 - 3 мин. [11]. ЛВМКД обеспечивает постоянство условий формирования отливок за счет управления параметрами процесса на входе в форму, к которым относятся температура стали, давление и скорость заливки [15].

3.4. Определение температурных парамегров_ литья. В практической работе постоянную температуру металла на входе в форму легче всего поддерживать и контролировать в плавильной печи перед выпуском в ковш. Для стали ВНЛ-3 экспериментально установили, что разница температуры в заливочном отверстии пуансона и температуры металла при выпуске из печи составляет 120110<>С. На рис. 4 показано распределение температуры стали ВНЛ-3 в металлоприемнике. рассчитанное на ЭВМ .ЕС-1061 по программе "ЛВМ-З", выполненной в УдГУ (г.Ижевск).' а на рис.5 приведены экспериментальные данные термог-рафирования расплава на дне металлоприемника и в заливочном от-, верстии пуансона [15,18].

М-1-1 СП-и

Рис.3 Схема технологического процесса ЛВМКД. 1 - ОФ. 2 - пуансон 3 - расплав. 4 - металлоприемник

Чо 60 ¿о ¡оо я «*

а)

2о УО йс> 80 (Оо Я„„

20 Чо № £/ии

Рис.4. Распределение температуры.в верхнем (а), среднем (б) и никнем (в) слое стали 'по сечению металлоприемника при его высоте: 1-30 км; 2-60 мм; 3-90 мм: 4-120 мм

Рис.5. Изменение температура стали в точках 1 и 2 металлоприемника

а

• - 16 -

• 3.5. Определение скорости литья. Скорость литья определяли по весовому расходу стали в заливочном отверстии пуансона, т.е. на входе в форму. При заполнении ОФ с большими скоростями входа стали в форму возможен прорыв корок. Провели эксперименты по заполнению технологических проб пластин толщиной 1 мм, 2 мм и деталей с местными значениями толщин 0.8 и 1,5 мм. При весовых расходах - жидкой стали в заливочном отверстии пуансона 1,5 , 1,6 .- 2. 3, 4, 5, 6 и 7 кг/сек. При расходах менее 2 кг/сек- наблюдается недолив проб и тонких стальных дь»алей, а при расходах от о кг/сек и выше происходит разрушение - прорывы ОФ [15].

3.6. Определение величины давления на металл. В качестве технологического параметра приняли давление расплава в, металлопри-емнике в процессе кристаллизации. Из условий заполнения тонких стенок при температуре ликвидус и обеспечения фильтрационного питания для получения плотных отливок экспериментально определили .нижний предел величины давления равный 0,3 Ша. Верхнее значение величины давления 0,5 МПа принято по результатам испытаний гидравлической прочности ОФ [4,15].

Рис.6 Заполняемость тонких стенок. - .1 - ЛВД , 2- ЛВМКД.

в

-' 17 -

3/7. Исследование заполняемое™ тонких стенок при ЛВМКД. На рис.6 приведены результата экспериментальных исследований за-полняемости технологических проб при литье по выплавляемым моделям по серийному техпроцессу и ЛЕМКД [4], которые могут быть'использованы в качестве рекомендаций по конструирован!!»- отливок. В результате проведенных исследований создан технологический процесс ЛВМКД [15,18].

4. Исследование конструкционной прочности отливок из стали ВНЛ-3, полученных по методу ЛВМКД.

4.1. Методы., оценки конструкционной прочности отливок из стали ЗНЛ-З. Наряду со стандартными испытаниями мехсвойств и качества металла отливок, были разработаны специальные методы испыта-' кия мехсвойств и исследования образцов-имитаторов при циклических нагрузках и проведены натурные испытания отливки "кронштейн" в эк«-сплуатааконном ренине [4.11,12].

4.2. Результаты испытаний механических.свойств при статических и циклических нагрузках. Механические свойства стали ВНЛ-3 приведены в таблице 3. Результаты усталостных испытаний стали 5НЛ-3 при 2-х уровнях напряжений приведены на рис.7.

Таблица 3..

Кехсзсйства стали БйЛ-3 б литом состоянии и после термообработки

1 1 Метод литья 1 Предел прочнеет:;, КП- 1 Относит. удлинение % .....1 Откосит! сужение! % | -...........- 1, Ударная Еяз-! кость, 1 ШЗя/см^ ! ;

1 Литое состояние: 1 Гравитационная 1 заливка 1 ЛЕ'-ХД на сОоаг-1 пах 1160 1250 13 13 42 | 45 I I 12.0 ! ! 15,0 1 1

1 Полная термосб-I работка: 1 Гравитационная 1200 17 48 I ! 13.0 !

1 ЛВМКД на образ-1 цах 1 Г.ВМКД кз отливок ! 1 | 1350 1320 20 17 1 52 | 50 | ......... 1 15,0 | 13.0 1

Д--¿ра&иТациеИ.

¿аяа в к» сгйШ'Ъ

■в-—

ЛЬМК&сгШ-!

I .

(

л?»

J

Долговечность л/, цисл

Рис.7 Долговечность стали ВНЛ-3 при циклических нагрузках.

Проведены сравнительные испытания на долговечность при циклических нагрузках образцов-имитаторов, изготовленных аз стали ВНС-5 методом горячей штамповки, и отливок из стали ВНЛ-3. полученных различными способами литья. Результаты испытаний приведены на рис. 8. 110,11,12].

4.3. обсуждение результатов и выводы. Отливки, полученные ЛВМКД, имеют хорошую чистоту поверхности; четкие отпечатки кромок,, отсутствует характерный для гравитационного способа заливки повер- ' хностный дефект "питтинг". Сравнительный фрактографический анализ изломов образцов показал, наличие пористости в рабочей зоне образцов, полученных ЛВМ. Морфологические отличия микроструктуры стали ВНЛ-3, сформированной'при ЛВМ и ЛВМКД не обнаруживается после гомогенизации и последующей. закалки и старения. Анализ микрошлифов подтверждает предположение, что избыточное давление при кристалли-.зации препятствует образованию осевой пористости в плоских стенках' •и. массивных толстых частях отливок. Проведенные исследования пока-• ззли эффективность избыточного давления прг формировании структуры стабильных свойств отливок ЛВМКД [4,7 Л2].

ю-

0й

Т>алыёечна<;тб и/ цикл.

/О'

Рис.8. Функции распределения долговечности при циклических нагрузках сталей ЗНЛ - 3 и ЕНС - 5.

- 20 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Комплексный подход к проблеме получения тонкостенных стальных отливок- с заданной конструкционной прочностью на основе теоретического изучения строения материалов, влияния теплосиловых воздействий на их свойства, математического моделирования, экспериментов и статистической обработки данных, позволил найти оригинальные технические решения на всех этапах формообразования ВМ. ОФ и отливок, большин'тво из которых уже внедрены в производство. При этом особое внимание уделялось контроля и разработке методов оценки функциональных свойств ВМ, ОФ и конструкционной прочности отливок.

1. На основе изучения фундаментальных свойств и экспериментальных работ по улучшению реологических и технологических характеристик впервые в самолетостроительной промышленности внедрена теплостойкая, высокопрочная Ш МВС-ЗА (ПЦЛ 62-25-13).

2. Разработан способ изготовления ВЫ вибр'опрес. :ованием. Изготовлена экспериментальная установка для изучения текучести твердых МК под воздействием вибрации. Разработаны чертежи опытной промышленной установки для изготовления ВМ вибропрессованием.-

3. Основываясь на принципах физико-химической механики и химической термодинамики дисперсных систем разработаны технологические основы изготовления ОФ. при этом: а) разработан. способ подготовки модельных блоков перед нанесением огнеупорного покрытия, б) разработана и внедрена в производство технология приготовления стабилизированной дистенснллиманитовой суспензии по методу А. С. Лакеева, в) разработана установка для приготовления стабилизированной суспензии и нанесения ее на МБ методом вакуумного всасывания с последующим воздействием внешнего давления, г) разработана установка для выплавления моделей . в бойлерклавах' вертикального типа.

4. Проведены .экспериментальные работы по стабилизации свойств. ОФ упрочнением металлофосфатами (АХФС и связующим ПГЩАР) и негидролизованньми растворами ЭТС-40 в ацетоне. Определены технологические параметры, разработаны технологические • процессы упрочнения.

5. Разработан способ определения гидравлической прочности ОФ. Изготовлена установка. Проведены исследования гидравлической прочности" форм после прокалки и охлаздениа:- а), без наполнителя, б)

• без наполнителя с созданием внешнего давления газа, в) заформован-ных ОФ с сухим и жидкоподвижным наполнителем.

- 21 -

6. Проведены исследования по стабилизации свойств стали ВНЛ-3 и внедрены в производство следующие технические решения:

а) магнезитовая'футеровка сталеплавильных печей заменена на футеровку из шпинельных порошков;

б) изменен режим раскисления с применением лигатуры ФСЗОРЗМЗО;

в) разработана методика и установка термостатирования "горячих" проб магнитной индукции для контроля . - феррита в.процессе плавки;

г-) внедрен поплавочный контроль азота и изменена температура ста, рения отливок после закалки.

7. разработаны способ литья, установка ЛЕМКД и технологическая оснастка. Разработан технологический 'процесс' изготовления мета^чопрлекников и луансоноз. Определены технологические параметры ЛВМКД для получения тонкостенных отливок ответственного назна- ' 'чения любой сложности. Начато промышленное внедрение, т.е. постановка отливок ЛВМКД на изделия. Разработан технологический процесс ЛВМКД.

8. Исследована конструкционная -прочность стали ЗНЛ-З- ■ при статических и циклических нагрузках. Проведены сравнительные натурные испытания деталей "кронштейн" в эксплуатационном режиме, полученных ЛВМ и ЛВ.'.ЖД. Экспериментальные данные о конструкционной прочности стали ВНЛ-3 при статических и циклических нагрузках, а также натурные испытания отливок ЛВМ и-ЛВМКД позволяют принимать решения о переводе проката, штамповок и сварных узлоз на литье.

9. Решена проблема получения стальных тонкостенных отливок' любой сложности с гарантированной конструкционной прочностью, что открывает широкие возможности перед конструкторами автомобильной и авиакосмической"техники по применению литых узлов с целью уменьшения' веса, повышения ресурса и надежности изделий. •

Основные работы автора по теме. • 1. Чернов Н.М.. Гасеель К.Н.. .[Пильняков Н.В., „Шкатов В.И.. Литье под давлением в вакууме стали Х18Н9ТЛ и сплава ХН77ТЮ. / В сб. Литейное производство, металловедение и обработка металлов давлением. Труды КИЦМ, вып. 4 - Красноярск, 1970 - с.45-47.

2..Чернов Н.М.- Термостат- для горячих проб магнитной.индукции.. Передовой пр.-техн. опыт. Меготр. реф. сб. / Литейное производство. Серия ТЗ. вып. 1 - Москва, 1991 - с.11-13.

3. Чернов Н.М. Установка для литья по выплавляемым моделям с . кристаллизацией под давлением (ЛВМКД). ИЛМ'20-90, ИНГИ, Еовоси- , бирск, 1990 - Зс. '-''."•

-.4. Чернов Н.М., Пахомейко И.Д., Гречко В.Н.. Караник-В.А.. - Фор- .'..

■ - 22 -мировайие свойств стальных отливок при литье по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением'./ В сб. Методы контроля и -исследований в производстве.'отливок по выплавляемым'моделям. Материалы семинара- И: ЦРДЗ. 1992 - с. 105-108.'.,.'

5. Чернов Н.М.. Дормашева" И; В.'/.- Крушенко Г'.Г. Влияние способов.. выплавки стали на качество отливок'. / Литейное'производство. -1958. -/V? 11. - С. 26.

6. Чернов Н.М. Технологический процесс- изготовления отливок по выплавляемым моделям. ИЛ//г89-91, ЦКТИ. Новосибирск.. 1991 - Зс,-

7. Чернов Н.М.-. Пахоменко М. Д.Гречко В.Н.. Караник Ю. А. Формирование стальных отливок по выплавллемым.,моделям с кристаллизацией под давлением.. / Литейное производство. - 1S93

8. A.c. 1555044 СССР. - МКИ В22С7/02. Устройство для запрессовки модельной массы в прессформу: / К. Г. Мухин, В.И. Томилов,. Н.М. Чернов и др. // 07.04.90 - Бюл/^ЙЗ - Зс.

9. A.c. 1632611 СССР,- МКИ Б22С9/04. Способ обработки, модельных 'блоков. / В.И. Томилов, Н.М. Чернов и A.A. Криворотов // 07.03.91-Бюл^Э - 2с.

10.,Технологический процесс литья по выплавляемым моделям с кристаллизацией год давлением в формы, упрочненные отходами ванн травления алюминиевых ■ изделий. / В.И. Томилов, E.H. Гречко,

Н.М. Чернов и др. //- Научно-технические достижения: Межотр. научн. -техн. .сб. /. ВШЖ, .1090, вып 3. .1-39, с. 3-5.

•11. Формирование структуры и свойств стальных отливок при литье по выплавляемым .моделям с кристаллизацией под .. давлением, /р.Н.Гречко. - K.M. Чернов, В.П. Тульский и'др.//Технология. Межотраслевой сб. ■ / ВИМИ. Материалы, оборудование процессы, вып.. 1. Москва - 1991 - е.114-117.

12. Глотов Е.Б.. Гречко В.Н., Томилов В.И., Тульский В.П.,. Чернов Н. М., Семухин Г.П.. Технологические способы повышения конструкционной прочности литых деталей из стали ВНЛ-З. Вопросы.авиа-' циокной науки и техники. Научн.-Техн. сб. / Серия Авиационная технология - Выпуск 3120} - Москва - 1992 с. 46-48.

13: Литье по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением в формы, упрочнешше отходами ванн травления алюминиевых деталей./В.Н. Гречко," Н.М. Чернов, Е.Б. Глотов и др./ Авиационная Промышленность. - 1992 - 8 - с.44-46.

14. Положительное решение на заявку 4644875/02 (Q19004).. Ус. тановка выплавления моделей. / В.И. Томилов, A.A. Криворотов. Н.М.

Чернов.'Принято 12.11.91.

15. Положительное решение на . заявку 4767121/02 (147991). Способ литья по'выплавляемым моделям..'/В. И. Томилов, Н.М. Чернов. В."

- 23 -

А. Карают. в.Н. Гречко. Принято 28.03.91.

16. A.c. 1636110 СССР ffiffl В22С9/04 / В.И. Тонилов. Н.М. Чернов и А. А. Криворотов." Установка лля нанесения суспензии. на модельные блоки. 23.03.91 - Бюл, л/»11 ,3с.

17. Изготовление фасонных стальных отливок по выплавляемым моделям с кристаллизацией под давлением (ЛВМКД)./ В.И. Томилов, Н.М. Чернов. В.П.-Тульский и др. / Вопросы авиационной

науки и техники.. Научн.'-техн. сб. / Серия Авиационная технология. Выпуск 3(20).- Москва - 1992. с.40-42.

18. Чернов Н.М.,.'Бусовиков В.М.. Ткач И.С. Технологический процесс литья по рщавляемнм моделям (ЛВМКД). ЦНТИ, Новосибирск -1993 - 3C. 5" -93