автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка процессов получения точнолитых биметаллических деталей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЕСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ (ВТУЗ-ЗИЛ)

На правах рукописи УДК 621.74.046

Мохамад Ахмад Мохамад

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЧНОШШХ Ш МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА- 1991

Работа ьыполнена на кафедре "Машины и технология литейного производства" Одесского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Иванова Л.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор Медведев Я.И.

кандидат технические наук,

доцент Иванов В.Н.

Ведущее предприятие:

Завод "Центролит", г.Одесса.

Защита диссертации состоится на заседании специализированного совета / К 064.04.02 / на заводе - ВТУЗе при ЗИЛе по адресу: 109280, г.Москва, Автозаводская 16, МАСИ

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по вышеуказан-ноцу адресу. С диссертацией можно■ознакомиться в библиотеке инстиута.

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук, доцент j ' Максимов Б.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Биметаллические литые детали из композиции черный сплав - сплав на медной основе получили широкое распространение для подшипников скольжения и червячных колес.

На основе многочисленных исследований в области би-металлиэации опубликованы технические решения, направленые на улучшение качества формирующихся отливок и повышение их служебных характеристик. Большое внимание уделяется технологическим параметрам биметаллизации, выявлению качественного соединения металлов в процессе получения сложноре.чьеф-ных литых деталей. Основные параметры технологического цикла биметаллизации зависят от многочисленных факторов: состава металла, температуры, скорости диффузии и т.д..

В настоящее время проблеме формирования качественных биметаллических отливок уделяют все большее внимание. Разрабатывается и уточняется теория процесса взаимодействия металлов в широком диапазоне температур при формировании слоя бронзы на твердой основе из недифицитных чугунов. Малоизученными аспектами биметаллизации в настоящее время являются сложные физико-химические процессы, протекающие при литье биметаллов. Однако применяемые технологические процессы (литье в кокиль, центробежная металлизация с нагревом ТВЧ и наплавка) характеризуются сравнительно низким коэффициентом использования бронзы (КИБ), равным 0,35, и весьма трудоемки. В ряде случаев не обеспечивается достаточная прочность сцепления металлов. Для придания точной конфигурации биметаллической заготовке требуется большой объем механической обработки.

В этой связи представляет научно-практический интерес разработка новых технологических процессов биметаллизации, обеспечивающих улучшение качества биметаллических литых деталей.

В последнее время получают развитие специальные литейные процессы формирования биметаллических отливок, а также процессы, сочетающие электролитическое осаждение с литейной технологией.

Поэтому одним из перспективных путей улучшения качественных характеристик и повышения срока службы биметаллических отливок сложнорельефшзй конфигурации зубчатых колес, разнообраз-

ных втулок, шнеков, винтообразшх элементов является разработка экономичной технологии получения таких отливок с дифференцированными физико-механическими свойствами в шликер-ных керамических формах.

Целью настоящей диссертации является повышение качества сложных биметаллических отливок путем разработки и внедрения новых технологических процессов, включающих применение экономичных керамизнрованных литейных форм, а также современных средств воздействия на жидкий, кристаллизующийся и затвердевший металл.

Анализ существующих технологических решений в области эксплуатации ^биметаллических деталей, обобщение научно-теоретических положений при решении проблемы формирования высококачественных биметаллических изделий позволили сформулировать следующие задачи исследования: '

- разработка технологии на основе шликерного метода, обеспечивающей высокую геометрическую точность гладких и рельефных отливок;

- исследование свойств шликерных суспензий; определение факторов, влияющих на технологические характеристики шликерных керамических стержней;

- нахождение оптимальных условий нанесения тонких бронзовых покрытий на основу из черных сплавов и повышения их плотности;

- нахождение оптимальных условий покрытия шликерных форм порошками или фольгой с последующей заливкой;

- определение размерной точности биметаллических отливок и качества их поверхности;

- определение эксплуатационных характеристик тонких бронзовых покрытий, формирующих рельефные поверхности;

Научная новизна. Предложен механизм формирования сложно-рельефных биметаллических отливок в период контакта с беспористой шликерной керамикой.

Изучен процесс образования переходных структур при заливке черными сплавами сплошной или диспергированной бронзы.

Выявлены условия получения прочных, плотных электролитических покрытий на отливках из черных сплавов.

Практическая значимость работы. Разработана технология изготовления биметаллических отливок электролитическим покры-

тием чугунной либо стальной основы бронзой с последующим оплавлением слоя покрытия во флюсе.

Предложен состав электролита для бронзового покрытия черных сплавов.

Разработана технология изготовления биметаллических отливок заливкой черных сплавов в шликерную форму, покрытую слоем бронзового порошка или фольгой.

Построена номограмма для определения оптимального соотношения геометрических параметров биметаллической отливки.

Построена номограмма для определения оптимальной толщины слоя керамики в керамизированных шликером песчалых формах.

Автор защищает. Способ повышения геометрической точности рельефных отливок путем применения шликерных керамичес-. ких форм.

Результаты комплексных исследований процессов, происходящих, при контакте черного сплава с шликерной керамикой, а также с керамикой, облицованной слоем бронзовой фольги или порошка.

Параметры технологического процесса получения биметаллически?: деталей "отливка - электролитическое покрытие".

Параметры технологического процесса получения биметаллических деталей "вставка из фольги - отливка" и "вставка из порошка - отливка".

Оригинальные методики исследований.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на республиканских конференциях "Пути повышения экономичности и качества отливок" (г.Одесса, 1990 г., 1991 г.), на семинарах "Молодые исследователи" (г.Одесса, 1990 г., г.Москва, 1991 г.), на научно-практической конфереи-' ции, посвященной 40-летию НПО "НШСЛ" (г.Одесса, 1991 г.). Оцубликованы 3 статьи и получено одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, .пяти глав, выводов, списка литературы и приложений, содержит 127 страниц машинописного текста, в том числе 27 иллюстраций и 19 таблиц.

Во введении показана актуальность разработки технологии изготовления биметаллических отливок.

В первой главе проведен-анализ литературных

даншх и показана целесообразность совершенствования существующих и разработки новых способов изготовления биметаллических отливок. Показана целесообразность и перспективность применения шликеркых суспензий при изготовлении рельефных биметаллических отливок. Определена цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе описаны исходные материалы и методические исследования; методика исследования процессов изготовления шликерной керамики; методика исследования способов биыеталлиэации; методика исследования качества соединения слоев биметаллической отливки; методика испытания биметаллический отливок.

В третьей главе исследованы физико-химические свойства шликерных суспензий и выявлено их влияние на повышение геометрической точности рельефных биметаллических отливок. Представлены результаты исследования факторов, влияющих на технологические характеристики суспензий.

В четвертой главе приведена математическая модель теплообмена в литейной форме, позволяющая рассчитать условия растворения покрытий из бронзы в расплаве. Приведены результаты испытаний на одном образце.из биметаллических отливок.

В пятой главе представлены технологические процессы получения биметаллических отливок и экономическая эффективность работы.

Основное содержание работы.

I. Исследование процесса изготовления кераыизированных форм.

Главным условием получения качественных биметаллических отливок при любой технологии их изготовления является применение литейных форм с качественной гладкой либо рельефной поверхностью, низкой газотворностью, высокой газопроницаемостью, механической и термической стойкостью. В качестве такой формы в работе применили песчано-жидкостекольную основу, облицованную шликерной керамикой.

Основной технологией изготовления керамиэированных форм с шликерным рабочим слоем является получение опорного слоя формы и заполнение под давлением зазора между опорным слоем и моделью шликерной суспензией. Таким образом, шликерная еус-

пензия в процессе заполнения зазора течет между песчаной основой и моделью. Последняя может быть пористой гидрофильной (гипс) либо влагонепроницаемой (металл). Главное противоречие процесса: шликерная технология предусматривает отверждение пликера путем отбора влаги, что препятствует течению суспензий по каналу. Для оптимизации условий заполнения шли-керной суспензией .канала заданной толщины изучили влияние на этот процесс следующих технологических параметров:

- со стороны шликера: состав; условия приготовления; условия хранения;

- со- стороны "канала": материал опорного слоя; материал модели;

- со стороны внешних воздействий: давление.

Толщину облицовки выбирали, исходя из того, что она должна быть не больше, чем заданная глубина проникновения тепла 9 форму.к моменту полного затвердевания отливки. В этом случго ресчаная часть формы играла роль только опоры и являлась золой фильтрации газов, образующих при контакте расплава с кэрп-{лтческой частью.

Термическая конечно-разностная задача процесса сводилась Я отысканию такой толщины шликерного слоя , при которой ц моменту затвердевания отливки температура поверхности на Границе между рабочим и опорным слоями формы не превышала бы заданную температуру в последней итерации.

Коэффициент теплоаккумулирующий способности, входящий в расчетные формулы задачи, определяли для исследуемых составов щликеров опытным путем методом заливки.

Результаты расчета для отливок из различных сплавов, залитых в формы, керамизированные шликерами разных составов показывает, что в момент полного затвердевания отливки глубина прогретого слоя в форме меньше или равна толщине отливки, поэтоку применение керамических облицовок более половины толщины отливки является нерациональным.

Оптимальная толщина керамической облицовки может быть определена по номограмме, полученной в результате расчета максимальной температуры слоя к моменту отвода теплоты перегрева, (рис. I).

Два процесса происходящие во время заполнения зазора 5кс-периментальной пробы, вязкое течение и впитывание жидкой сос-

K2 'vi

/8 /6 /4 /2 iO 8 6

г

8-Ю3

, м

Рис. I. Номограмма для расчета толщины керамической облицовки формы

тавлявщей, были рассмотрены как условно взаимонезависимые. В результате получено выражение

АР =

et

2дУ

'(/-¿У

S-cosoL • Т- & 21

(D

'связывающее давление запрессовки суспензии Р с глубиной впитывания жидкой составляющей в поры основы (гипсовой модели)£ и времени заполнения зазора СС.

В уравнении (.1 ) с - коэффициент; V- эффективный радиус капилляров; £ - коэффициент вязкости; Ь- поверхностное натяжение суспензии; аС- краевой угол смачивания.

Так как величина Р является единственным управляемы« параметром в процессе заполнения зазора, толщина которого К определена из термических условий, оптимальное значение РопТ-

искали как *lar*f(A) . Для этого задавались L= 0,005 м, а зависимость TfAj определяли экспериментально для различных материалов стенок зазора. С учетом ( I ) О^г' f.fr (ь)).

Для реальной детали, геометрическая форма которой, отличается от пробы, пользовались переводным коэффициентов времени Kv , который получали отношением времени заполнения реаль-

ного зазора между моделью и гидрофобной оперной частью литейной формы ко времени заполнения пробы.

~ (2)

При этом считали, что отношение аналогичных значений времени для песчано-гкидкостекольной и гипсовой проб также равно

Л'г '

Регулирование вязкости шликерной суспензии можно производить иснусствено, вводя порошкообразные добавки. В настоящей работе для изменения текучести шликера использовали добавку флюса АШ-6.

2. Исследование изготовления биметаллических отливок

. электрохимическим способом. Исследования процесса изготовления'биметаллических отливок электрохимическим способом позволили разработать новый способ, защищенный авторским свидетельством.

Технология предусматривает осаждение на поверхность отливки тонкого слоя из бронзы электролитическгал способом и оплавление слоя во флюсе. При этом йа поверхности отливки формируется рабочий слой, свойства которого можно изменять в широких пределах в зависимости от свойств электролита. Рекомен-. дован электролит следующего состава:

Си30^5Нг0: ЮО г/л; Н3В0у- 30 г/л;

400 г/л;

Кг ($пъуна0: 50 г/л; /Уаг£е<% : 0,002 г/л.

Особенностью процесса оплавления сформировавшихся оболочек является создание условий диффузии компонентов бронзы в поверхностные слои стальной основы с образованием диффузионного переходного слоя.

Для нагрева чугунных заготовок до ПбЗ К применяли легкоплавкий флюс состава:

Мг - 22; КгО- 35; Щ0- 35; СаО- 5; №,¿¡0,-3. Более тугоплавкий флюс состава: Щ- 25; КгО - Ю; На^В^О, - 7.

использовали д;;а обработки стальных биметаллических заготовок

при температуре 1273 - 1423 К.

Одновременно имеет место оплавление рыхлого слоя из бронзы и повышение•его плотности.

Установлено влияние режима оплавления на процесс формирования диффузионного слоя. Низкая температура формирования диффузионного слоя обеспечивает низкую растворимость железа в рабочем слое бронзы, отсутствие контакта бронзы с атмосферой воздуха подавляет окислительные процессы в бронзе. Снижение температуры процесса оплавления ниже 1163 К , которая примерно соответствует температуре кристаллизации бронзы Бр05Ц5С5 существенно замедляет процесс образования диффузионного слоя. Резко понижается прочность покрытия также при сокращении продолжительности погружения во флюс. Повышение .температуры до 1423 К и выше благоприятно влияет на скорость формирования диффузионного переходного слоя и его прочность.

3. Исследование изготовления биметаллических отливок.

Вторая технология получения слоя из бронзы на поверхности стальной отливки включает изготовление оболочки из бронзовой фольги, установку ее в полость формы, и'заливку матричного металла. При этом на поверхности отливки формируется биметаллический слой.

Оболочки толщиной 0,003 и устанавливали в форму и заливали матричной сталью при^температуре 1870 - 1680 К. При заливке составляющие оболочки взаимодействуют с матричным металлом с образование«на поверхности отливки тонкого слоя из бронзы.

Стендовые испытания подтвердили высокую стойкость против износа биметаллических подшипников скольяения, полученных по описанной технологии.

Предложены физическая и математическая модели процесса теплообмена в■многослойной системе "форма-фольга-расплав". Термическую задачу решали методом конечных разностей. Исследовано изменение температуры вблизи границы отливки. Расчеты, выполненные на ЭШ, позволили рекомендовать температуру заливки чугуна 1650 - 1700 К. В результате расчетов построена номограмма (рис. 2), позволяющая расчитать оптимальное соотношение толщин отливки и фольги.

Показателем качетсва растворения покрытия является отношение глубины прогрева оболочки и стерся до температуры

1193 К (начала смачивания чугунном покрытия) к толщине оболочки -

При значении отношения меньше единицы происходит лишь частичное растворение оболочки (зона III), а больше 2,6 - ее полное растворение (зона I).

Кривые 1-3 относятся к заливке чугуна при температурах 1583, 1653 и 1723 К соответственно. При известном отношении R/t можно определить температуру заливки чугуна, обеспечивающую качественную растворимость оболочки. (зона II).

3. Исследование изготовления биметаллических отли-■вок заливкой бронзового порошка.

Технологию получения биметаллических отливок, включающую операцию покрытия шликерной керамизированной формы бронзовым порошком и вакуумирование формы для удержания порошка до заливки, применяли для рельефных деталей, покрытие поверхности которых фольгой затруднено.

При этом установлений, что термические условия систем "(форма-порошок-расплав" близки к условиям системы "форма-фольга-расплав", описанной выше. Для определения технологических параметров биметаллизации заливкой металлических порошков мо'дно пользоваться правилами, установленными для заливки фольги и номограммой(рис. 2).

4. Практическая реализация результатов работы.

На основании результатов приведенных выше исследований разработаны технологические процессы изготовления биметаллических отливок, отличающиеся последовательностью основных операций.

В первом техпроцессе предварительно получают основу от-

Рис.2. Номограмма для определения технологических параметров получения качественных биметаллических отливок

ливки из черных сплавов, которую в дальнейшем покрывают электролитическим способом слоем бронзы. По такой технологии изготовляли отливку "червячное колесо".

Во втором техпроцессе последовательность главных операций обратная: вначале формируют бронзовое покрытие, а затем заливают металл основы. Этот техпроцесс имеет две разновидности. При использовании бронзовой фольги изготовляли отливку "втулка" с гладкой поверхностью, а для отливки "зубчатое колесо" применяли порошок бронзы.

Результаты производственных испытаний перечисленных отливок подтвердили их высокие эксплуатационные характеристики.

Выводы. Выполненный анализ методов биметаллизации выявил технико-экономические преимущества электролитических и литейных процессов формообразования биметаллов.

1. Показана, что перспективные процессы биметаллизации рельефных отливок основаны на применении шликерных форм и стержней.

2. Предложены технологические методы управления процессом формирования качественных биметаллических отлйвок. Установлено, что глубина вакуумирования керамической шликерной формы при биметаллизации на основе применения дисперс ной металлизированной среды биметаллической фольги на уровне 0,5 - 0,6МПа интенсифицирует процессы диффузии и формирования диффузионной связи слоев чугун-бронза.

3. Аналитическим-расчетным методом на ЭВМ определена продолжительность контакта металлизированной фольги с расплавом чугуна при температуре активной диффузии и предложена номограмма для выбора основных технологических параметров процесса биметаллизации.

4. Показано, что для шликерных суспензий на основе плавленного кварца, и маршалита при введении флюса на основе АМ-6 в количестве 4 - 5 % период отверждения сокращается в 3-5 раз, что обеспечивает регулирование технологического цикла формирования керамических форм и стержней в широком пределе.

5. Определены оптимальнее параметры формирования шликерных облицовок.при гидрофобных и гидрофильных контактных поверхностях. Получены номограммы для нахождения толщины формируемой облицовки.

6. Установлено, что в диапазоне температуры 300-350 К

значение коэффициента трения биметаллической отливки системы "чугун-бронза составляет 0,033-0,015. При изменении окружной скорости коэффициент трения возрастает и при V = = 2 м/с величина коэффициента трения составляет соответственно 0,104 и 0,017.

7. Рекомендовано при биметаллизации чугунных отливок для качественного осаждения бронзы применение электролиза на основе СцЩ-5Н2о; К^ А, О-,, Н3в03; Кг (6пР8) ¿е03

Осавденный слой оловянистой бронзы оплавляется методом погружения ао флюс 3(0г; КгО; темпе-

ратуре 1275-1425 К. '

8. Разработанны технологические процессы изготовления биметаллических отливок при заливке матричного металла на фольгу Бр05Ц5С5.

9. Предложен териологический процесс изготовления биметаллических отливок на основе формирования поверхностного слоя из порошкообразного бронзового состава при непрерывном вакуумировании.

10. Передан для промышленной апробации новый технологический процесс биметаллизации отливок с двухэтапным осаждением и последующим оплавлением электролитического слоя, защищенным авторским свидетельством.

11. Предварительный экономический эффект от внедрения разработанных технологических процессов получения биметаллических отливок составляет 152 тыс.рублей.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на: республиканских конференциях "Пути повышения экономичности и качетсва отливок", г.Одесса, 1990, 1991; на семинарах "Молодые исследователи", г.Одесса, 1990, г.Москва, 1991; научно-практической конференции, посвященной 40-летию НПО "НИИСЛ".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Малых В.П., Мохамад М. Исследование процесса'формирования тонкослойных покрытий из оловянистой бронзы // Пути повышения качества и экономичности литейных процессов.-Одесса, 1990.-С.49.

2. Иванова Л.А,, Мохамад М» Применение шликерной вероники

при изготовлении рельефных биметаллических отливок // Новые процессы формообразования.-Одесса,I99I-C.76-77

A.C. положительное решение от 26.03.90 (СССР) Способ получения полых биметаллических изделий / Одесский политехнический институт. Авт.изобретение Иванова Л.А., В.П.Малых, Н.И.Котларова, Мохамад М. М.-заяв. 09.01.89 № 4653976 / 31-021 005587. МКИ 0322Д 19/02 УДК 621.746.046 / 088.8/

МОХАМАД АХМАД МОХАМАД

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ТОЧНОЛИТЧХ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

(Автореферат)

Подписано к печати 25.II.91г. Формат 60x90 I/I6 1,0 п л Уч изд л 0,8 Тираж 100 Заказ 454

Ротапринт МАШ'(ВТУЗ-ЗИЛ), 109280, Москва, Автозаводская Ifi