автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование особенностей затвердевания под давлением сплавов системы алюминий-кремний, совершенствование технологии литья с последующим упрочнением поверхностей деталей



,, с'.''. V--

9 У\ - 'Государственной ко:с;тст по виспой ц-коле Российской Фодорадлл

Московский ордена Трудового Красного Знамени зечернл2 металлургический институт

На правах рукописи

ЕА1ШЕВ Константин Александрович

Ш 621.74.043.2:669.715

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ШД ДАВЛЕНИЕМ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АШЛаИй-^ШЛ, СОВКНЕНСТВОВАНИЗ ТИПОЛОГИИ ЛИТЬЯ С ПОСЛЕ-ДЩШ УПРОЧНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

'Г

Работа выполнена в Экспериментальном научно-исследовательском институте металлорежущих станков и Московском вечернем металлургическом институте.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.МЛурсин

Научный консультант - кандидат технических наук, профессор Е.Г.Савченко

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Н.С.Постников кандидат технических наук, доцент В.Б.Лившиц

Ведущее предприятие - АО "Изолитэлектромаш"

Залита состоится " 44* ОнтйЬрй 1993 года в чао. на заседания специализированного Совета К 063.07.01 прв Московском ордена Трудового Краевого Знамена вечернем металлургическом институте по адресу: Ш250. г.Москва, Лефортовский вал, 26.

С диссертацией можно ознакомитьол в библиотеке ШШ.

Автореферат разослан сентября 1993 года.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

С.С.Васильева

I

г

ОКАЯ ХАРАКТЗИ1СТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Повышение качества отливок при одновременном снижении материальных и энергетических затрат на их производство монет быть достигнуто за счет разработки а освоения специальных методов внешних воздействий на жидкий металл и затвердевающую отливку, среди которых'давление занимает особое место по многообразию форм приложения и эффективности воздействий на различных этапах формирования .литой заготовки.

Разработанный з нашей стране (В.М.Шшцсий и др.) в середине тридцатых годов способ литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД) является одним из перспективных специальных способов литья. Имея очевидные пренмуцсст-ва (высокие значения выхода годного и коэффициента использования металла, высокие £>изико-механические и специальные свойства отливок) , способ ЛКД являлся объектом научных исследований и разработок в последующе года. Эти разработки относились преимущественно к конкретным группам промышленных- сплавов и отливок, выбору режимов литья и прессования на основе многочисленных опытов (без использования методов расчета), конструированию пресс-форм, обеспечивавши заданное качество отливок и экономическую э^фектав-ность их производства.

В последние 10...15 лет большое внимание уделялось изучения тепловых процессов в системе отливзга-форма при ЛКД, не математический расчеты выполнялись при допущениях и условиях, но характерных для рассматриваемого процесса, а эксперименты - на цилиндрических слитках о установкой одно Л тзр.гопары а тепловой центра заготовки доя фиксации главным образом времени затвердевания. При этом многие вопросы, з частности, влияние давления на количественные характеристики интенсивности теплообмена в системе отливка-форма, кинетика затвердевания отливок из сплавов системы алюминий-кремний при .различных схемах прессования и регулируемом времени наложения давления, недостаточно изучены. Выявлоние количественных зависимостей представляет теоретический и практический интерес. так как позволит уточнить математические расчета п оптимизировать технологические рвгтл'ч ЛКД.

Применение ЛКД для х готовлена* оглпвок яз алпянгаевых сплавов позволяет повысить общю свойства, а в ряде случаев использовать алзоминиевиз детали ззомеп чугунных и сталыых, что

1

1

способствует з&-.тстно;ду скггсшш шсси издзлия, уменьшению трудоемкости производства и 'обработки заготовок. Дяя повышения специальных свойств деталей из алюминиевых сплавов (например, износостойкости, электросопротивления и др.), заготовки для которых получены ЛХД, перспективной представляется возможность дополнительного поверхностного упрочнения изделия за счет создания окезишого слоя методом шкродугового оксидирования.

Работа является составной частью исследований по выполнению темы-задания 01.06.05 "Совершенствование технологических процессов латья в металлические Форш с использовшшеи давления" Координационного пиана научно-иеследоватолъских работ АН СССР на 1985-1990 гг. по решении научной проблеш 2.25.1.5 "Разработка теоретических основ управления формированием отливок с применением внешних воздействий".

Иель работы - исследование тепловых процессов в отливках из сплавов системы алшинай-кремкий, формирующихся в условиях поршневого и пуансонного прессования, и совершенствование на этоЗ основе техпзлогии ЛКД, а также изучение образования окевд-ного слоя на поверхностях деталей при мзкродуговом оксидировании.

Резались следувдиз задачи:

1) исследование тепловых процессов в системе отливка-фориа и продвижения фронта затвердевания в отлизках, формирующихся в условиях поршневого и. пуансонного прессования при различном времена наложения давления;

2) исследование уплотнения затвердевающих отливок под воздействием механического давления;

3) изучение структуры и свойств отливок из сплавов системы алюминий-кремний, полученных при различных схемах и режимах ЛКД;

4) исследование упрочнения поверхностей деталей из алюминиевых сплавов, подвергнутых иикродуговому оксидированию;

5) совершенствование технологии ЛКД (применительно к деталям приборостроения в электротехнической промышленности).

Научная новизна. Установлены закономерности затвердевания отливок из сплавов системы алюминий-кремний (0Д...25£5&) при порпневом н пуансонноы прессовании. Показано, что продвижение фронта затвердевания во времени как со стороны матрацы, так и со стороны пуансона выражается параболическими зависимостями с различными значениями коэффициента затвердевания а показателя степени параболы. Это связано с конфигурацией поверхности контакта в процессе теплообмена между формирующейся отливкой и фор-

мой и преминем приложения давления к затвердевающему расплаву. Эти зависимости следует использовать при назначении времена выдержки затвердевающей отливки под давлением, обеспечивающего получение заготовок без дефектов усадочного происхождения.

Исходя из положения о том, что перемещение зерхнего торца отллбш под воздействием механического давления прямо пропорционально усадке сплава в соответствующие периода (в птдком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии), и используя установленные параболические зависимости продвижения фронта затвердевания во времени, выполнен расчет осадки при затвердевании под давлением. Полученные математические зависимости -подтверждены экспериментально, их рекомендуется использовать при разработке системы контроля технологии ЛКД, включая датчики перемещения, устанавливаемые на гидравлическом прессе,

Выявлены особенности образования оксидного упрочненного слоя на поверхностях деталей из алюминиевых сплавов, заготовки дяя которых получены способом ЖД. Разработана классификация оксидных покрытий на деталях из алюминиевых сплавов с указанием основного назначения и областей применения покрытия.

Разработаны новые методики исследования тепловых процессов в системе отливка-форма и затвердевания отливок, позволившие выявить закономерности продвижения фронта затвердевания в заготовках при различных схемах прессования и времени наложения давления.

Практическая пепность. Показана возможность использования в шихте 50...100,"? отходов собственного производства при ЖД, а талзе лома деталей, заготовки-дая которых получены способом ЖД. При этом свойства отливок находятся на уровне свойств заготовок, произведенных с использованием шихты первичной плавки.

Разработаны классификации деталей и отливок приборостроения и электротехнической промышленности, предназначенные для ЛКД, а также типовые конструкции пресс-форл. Установлены оптимальные режимы ЖД и микродугового оксидирования.

Результаты разработок по ЖД использованы Государственным малым научно-производственным предприятием "Гидротат" при создании промышленного участка ЛКД дяя изготовления отливок из медистых силуминов.

Опытные партии деталей из алюминиевых сплавов, подвергнутых микродуговому оксидированию, испытаны на Шилутском заводе "Гидропривод". Показано, что износ распределительной поверхности

1 i

элементов гэдромотора после микродугового оксидирования по сравнению с обычным опорным диском значительно меньше (после испытаний в течение 2000 ч).

Испытания деталей с оксидным покрытием б Специальном копе- . трукторском бюро "Ротор" подтвердили эффективность использования подобных деталей, что позволило улучшить рад эксплуатационных характеристик: увеличить плотность монтажа электронной аппаратура в 1,5 раза, повисать кадеглость на 100 %, уменьшить габариты и массу изделия.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсу-лщены на следующих конференциях и семинарах: "Новые производительные технологические процессы, высококачественные сплавы а оборудование в литейном производстве" (Минск, 1990 г.), "Наследственность в сплавах и отливках" (Самара, 1990 г.), "Прогрессивная технология и автоматизация литья под давлением" (Москва, 1991 г.), " ЭАс frnatienai Sci*"tific COnftr-tnCt Сл "tAe occasion " (ЧСФР, Кошице, 1992 г.).

Публикации. Результаты работы отражены в 0 публикациях, среди которых 4 брожда и I авторское свидетельство на изобретение.

Ойъем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и приложения. Ее содержание изложено на 103 страницах, она содержит 64 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 123 источников.

основное содаишшз работы

В первой главе представлен критический анализ выевдихся в технической литературе теоретических и экспериментальных данных по ЛКД, выполненных преимущественно в последние 20 лет.

Большое внимание уделено работам по затвердевания и уплотнению формирующихся отлпвок при ЛКД. Отмечено, что результаты расчетов затвердевания отливок позволили выявить характер охлаждения отдельных зон отливок, распределение температуры по сечению, изменение термического сопротивления на границе раздела отлизка-форма. Однако одни расчеты не подтверждены собственными экспериментальными данными (а.Ф.Асташов, Н.В.Этогорова), другие -имеют совпадение только по времени затвердевания отливки, а не по математической зависимости продвижения фронта затвердевания

jUl.H.Захаров). В нехоторых работах (Yjlishcdül Н, iriotsulora ) результаты расчета сопоставлены с собственными экспериментальными данными, но расхоздеиие по получении результатам достигает 30*.

Многие исследователи процесса „Е<Д (Т.П.Лшппи, ГГ.А.Быков, О.М.:,Следов, АЛ.Das , 5. САо¿¿es-jee и др.) для экспериментального изучения затвердевания отливок использовали метод терлтеско-го анализа, устанавливая только одну термопару з тепловом центра цилиндрического слитка при поршневом прессовании или з донной части отливки типа стакана при пуансонном прессовании. Этс не позволяю определить величину температурного перепада в отливке и продвижение фронта затвердевания.

Температурное поле цилиндрических слитков исследовали H.H.Белоусов на сплавах АЛ8 и АЛ2, В.К.Безпалько на доэвтектичес-ких силуминах, К.Н.Бвллавина на сплаве АЛ24М, японские исследователи на чистом алшияип. Расчеты осадки формирующейся зтлизки под воздействием давления выполнены только для чистого алюминия и латуни.

Отсутствуют данные о затвердевании отливок из заэвтектачес-ких силуминов, о распределении температуры и характере затвердевания вертикальных стенок отливок.типа стакана при пуаясонном прессовании, об уплотнении затвердевающих отливок из сплавов системы алюшнлй-кремний, о структуре и свойствах сплавов и отливок, яолучен;шх в условиях различного времени приложения давления после окончания заливки расплава в матрицу пресс-фэрлы.

Проанализированы методы изменения свойств поверхностей алк>-миниевых деталей: оксидирование, анодирование, нанесение залетных покрытий. Обращено внимание па образовании оксидного слоя методом микродугового оксидирования. Отмечено, что п технической литературе отсутствуют сведения о том, какие способы литья наиболее перспективны для изготовление литых заготовок, используемых для упрочнения макродуговнм оксидированием. Отливки, изготовленные ЛХД, но использовались для деталей, упрочняемых у казаком способом.

Выделены главные факторы, влияющие на качество отливок и деталей, названы приоритеты, определяйте выбор основных направлений исследований. Сформулированы цель и задачи настоящей работы.

ffo второй главд рассмотрены методики исследований. Указаны сплавы, выбранные для проведения работы, описаны методики экспериментальных исследований тепловых условиЦ форлированяч и уплот-

в

нон'ля отливок при ЛКЛ, структуры и свойств отлизок различной конфигурации, образования оксидных покрытий на деталях из алюминиевых сплавов прк кшсродуговом оксидировании.

Для исследования вибраны двойные сплавы системы алюминий-кремний с содержанием 0,1...25^-5*, промышленные сплавы ыарок Ш2 и АХ5М2 (ГОСТ 1583-89). АЛ9:,5. •

Ала:.'лшь; и сплавы на его основе плавили в графитоиамотных тиглях вместимостью ЗСО г (по аллашил) в пахтних электрических печах сопротивления типа СШОЛ-1-1. Температуру расплава в тигле измеряли хромель-алшелевой тер.юпарой с незащищенным спаем и регистрировали переносным милливольтметром типа ¡.Ш-254. Лпаыетр электродов составлял 0,3 ми, а точность измерения температуры заливки - ± Ю°С. Расплаз из тигля заливали в матрицу пресс-формы, смонтированную на столе гидравлического просса модели Д2430Б с номинальны!/- усилием I Ш.

Опыты проводили при следующих технологических режимах: температура заливки Тзал = Тдик + (50...100)°С, где Т^ - температура ликвидуса (кристаллизации) сплава; температура пресс-формы Тп,т, = 18...200°С; номинальное давление прессования рд до 300 Ша; время выдеряки расплава в матрице до приложения давле;шя £"д * 0...5 е и йорллруэдойся .отливки под давлением £*д » 5...40 с» В качестве объектов исследований были выбраны: I) корка (порпневое прессование), образующаяся со стороны торца пуансона после соприкосновения его с расплавом в отрываемая от незатвер-девшего остатка при обратном ходе пуансона после определенной выдериски расплава под давлением; 2) отливка типа стакана с наружным диаметром 60 мм, высотой 60 мм и толщиной стенки 15 им (пуая-сошзоо прессование); 3) цилиндрический слиток диаметром 50 мм и высотой 100...105 мм Споршневое прессование).

Для измерения температуры в опытных заготовках использовали термопада тала 5СШ.С (ГОСТ 23847-79) о незащищенным спаем в стальной оболочкой, шеадей наружный диаметр 1,5 им. Диаметр хромель-алшелевах алектродов составлял 0,2 ш, Териопсхы устанавливали в трех-четырзх гонах во сечению заготовка для установления характера распределения температуры. Точность измерения температуры -+

Измерение давления прессования осуществляли с помощью тензо-метричоских масдоз, а перемещения прессующего пуансона и соответственно верхнего торца фондирующейся отливки - с помощью реохорд-ных датчиков. Точность измерения давления - £ 10 Ша, перемещения

пуансона - * 0,1 мм.

На ллейфовом осциллографе модели НОЗОА одновременно записывали показания всех термопар, месдозы п датчика перемещения.

С использованием штангенциркуля измеряла размори слитков и отливок, затем рассчитшзала величину линейной усадки заготовок.

Механические свойства сплавов и отливок определяли стандартны!/. методом испытаний ГОСТ 1437-84) на образцах, вырезанных из слитков, отливок типа стакана и корок. Металлографические исследования проводили на микроскопе ЫеоЪЬ -21..

Описана методика образования оксидного слоя на поверхностях деталей из алюмиппезых сплавов. Во время работы установки на поверхности детали, погруженной в ванну с электролитом (нидкое стекло с небольшими добавками щелочи), возникала электрическая дуга, которая и формировала на поверхности изделия слой оксида алюминия за счет высокотемпературного локального окисления основы сплава - алюминия. При проведении опытов варьировали состав алюминиевого сплава, способ изгото&чзния заготовки, состав электролита, напряжение, силу тока и время образования покрутил. Толщину и качество оксидного слоя оценивали после разрезки образцов и деталей и.выявления макроструктуры. Толщину слоя покрытия определяли на инструментальном микроскопе.

В третьей удаве приведены данные об исследовании кинетики роста корки со стороны пуансона с момента приложения давления и .тепловых процессов, протекающих в затвердевающих отливках щи поршневом и пуансонном прессовании.

Для исследования роста корки при затвердевании металлов и сплавов под атмосферным давлением и наблюдений за поверхностью раздела на границе корка-расплав часто используют метод выливания жидкого остатка после выдержи расплава в течение • определенного промежутка времени в изложнице или литейной форле. Для ЛКД этот метод не может быть использован.

Разработана и использована при проведении экспериментов методика, основанная на отрыве корки, образовавшейся со стороны торца пуансона, от незатвердевшего сплава, остающегося в матрице. В матрицу пресс-формы, изолированную со стороны рабочей поверхности слоем теплоизоляционного покрытия (листовым асбестом толщиной 8 мм), препятствующим быотрому росту корки со стороны .дна и стенок матрицы, заливали расплав, на который воздействовали прессуицим пуансоном, торед которого не был защищен теплоизо-

ляцпошшм покрытием. Поело видереки под давление:.! з точение заданного прсме^'тка времени пуансон поднимали в исходное положение, вглссте с ним извлекли и корку металла, образовавшеюся со сторон;: его торца и оторзавсупся от неэатвердовыого остатка, расположенного в :.атр:щв.

Типовые крпвио роста кора в зависгаоети от времени воздействия давления пртаедоны на рис Л. Мх математическая обработал позволила установить, что зависимость толданы корки от времени прессования :.га~ет быть выгачена "законом квадратного корня":

где - толщина корта, мм; ¡^ - коэффициент затвердевания, величина которого находится в пределах 5...8 :.'.:/(Р,0 (при этом наибольшие значения Кк харастерны для ашоминая А7, меньше - для сплава АХ12, что связано с различием их топлофизических характеристик);^ - время воздействия давления (прессования), с.

Для одного и того не сплава значения коэффициента затвердевания Кк том больше, чем больше давление прессования.

Анализ кривых охлавдения корок (по показаниям термопар, ус-тановлешшх на расстояниях I; 5 и 1С ш от торца пуансона) показал, что с повшением давления улучшается контакт между торцом пуансона я коркой, в результате чего 'температура поверхностного слоя (I мм) корки рззко снижается и стабилизируется на уровне 540...530°С (рн = 10 МПа, сплав АК12) и 475...450°С (рн = 200 Ша), а градиент температур по толщине корки при указанных выше значениях давления равен 7 и 15°С/ш соответственно.Это отрекается на формировании структура корки. При постоянном давлении прессования по море увеличения толщины корки градиент температур по ее сечению уменьшается, а расстояние между ветвями девдритов первого и второго порядков по мере удаления от поверхности контакта корка с пуансоном увеличивается.

Исследование тепловых условий формирования отливок типа стакана при пуансонном прессовании показало, что затвердевание вер-твдшльннх стенок происходит при наличии большого температурного перепада по высоте. Время затвердевания отливки увеличивается при переходе от ее верхнего торца к нижнему, а тепловой цетр смещается к зоне сопряжения вертикальной стенки а донной части отливки. Это следует учитывать при разработке конструкции отливки и элементов пресс-формы с целью получения качественных литых деталей.

(I)

Изучение изменения температура б поперечном сечснлп вертикальной стопки, разноудаленном от торцов, позволило выявить наличие большого температурного перепада в указанной зоне, величина которого составляет 4С...50°С в момент оконча;пя формообразования отливки и К0...150°С в момент окончания затвердевания теплового центра (Рд = 150 ¿Па, сплаз AICI2). Это свидетельствует

0 последовательном характере затвердевания вергшсаслюй стенки.

Продвижение фронта затвердевания в вертикальных стенках отливок типа статна ми втулки мотаю выразить в виде параболы (рис.2):

X . К • Г2 , (2)

где X - величина продвижения фронта затвердевания со стороны

~ Г)

матрицы или пуанссяа, мм; К - коэф1ицяп:гг затвердовакля, мм/с"; t - время с момента окончания заливки (£" для кривой I) и с момента окончания фондообразования отливки (Гв для кривой 2).

Значения коэффициента затвордозания не одинаковы для кривых

1 и 2 (рис.2), что, по—видимому, объяспяотся различной кривизна!! образующей поверхности матрицы и пуансона, а такле различной интенсивность» охлаждения ка границах раздача отливка-штрица и отливка-пуансон. При прочих равных условиях значения коэффициента затвердевания К зависят от тепйофизаческис свойств сплава и режимов литья (главным образом от давления прессования).

Для сплава AKI2 при Рд =150 .МПа коэффициент К = 0,14...0,16 (для расчета величины продвижения фронта затвердевания со стороны наруяной поверхности - со стороны матрицы) и К ■= 0,45... 0,50 мм/с2 (со стороны внутренней полости - со стороны пуансона).

iojMyjiy (2) рекомендуется использовать дал расчета временя затвердевания, а следовательно, и врем да выдержи затвердевающей отливки под давлением з условиях пуансонного прсссосания.

Анализ кривых охлаждения слитков,показал,-что при ЛСД Армирование заготовок протекает при большем перепаде температур, чем при атмосферном давлении (при прочих ровных условиях). Обоб.дешшс зависимости изменения некоторых исслодованных параметров от номи-миналыюго давления приведены на рис.3. С увеличением рн уменьшаются время затвердевания слитка (а) и величина перепада температур на границе раздала слиток-матрица пресс-$ор.щ (в), а увеличивается перепад температур по сечении слитка (б). Все зависимости даны в виде областей, так как внутри этих зон находятся экспериментальные данные для всех исследованных сплавов систем» алшини й-кремний.

4 6*«? ^fi

Рис.1. Зависимость толщины корки от времени прессования

.затвердевающего расплава: I - AI-Q,I5?St; 2 - AI-G55 -Si; 3 - Al-I3% Si (рн = 150 1Ша)

Рис.2. Кривые продвижения фронта затвердевания со стороны наружной (I) в внутренней (2) поверхностей отливки типа стакана из сплава AKI2 (рн ■ 150 Ша)

1

Наибольшее изменение исследованных параметров наблддаотсл в области давлений от атмосферного до 100 :.Па, при дослсдул-Г" повышении номинального давления прессования парадjtjk лроцие.п такяе изменяются, но в меньшей степени. Более заметное яз:л;:!.лп:з времени затвердевания и перепадов температур в области даБ.;зп::й до 100 Ша объясняется плотным прижатием наружной поверхности слитка к 'стенкам матрицы, уменьшением (и дале устранением) зазора на границе раздела слиток-матрпца пресс-формы и увеличением за счет этого поверхности охлатдашя, в результате чего повивается скорости отвода теплоты перегрева и кристаллизации стенками матрицы. При давлении свыше 100 ¿На происходит.дальнейшее уменьшение величины зазора и увеличение поверхности охлаждения слипса за счет впрессовывания металла в микрорельеф рабочей поверхности матрицы. Но прирост поверхности охлаждения при этом намного меньше, чем в-области давления до 100 ;.Яа, поэтому и мг.ньше влияние номинального давления на исследованные параметры.

Кривые продвижения фронта затвердевания в слитках (рис. 4) аналогичны кривым перемещения фронта затвердевшая в отливках типа стакана (ci¿.pie.¡2). Полученные зависимости независимо ст состава сплава и величины давления прессования математически могут быть выражены формулой (2) практически при тех же значог-ниях коэффициента затвердевания К (табл.Т),. Последний зависит

Таблица I Значения коэффициента затвердевания

Сплав к, ад/с*4, при давлении , !Ша

0,1 150 300

AI-0,15? Si 0,034 0,242 0,293

AI-I3/5 Si 0,017 0,155 0,232

AI-25^ Si . 0,008 0,134 0,225

'от состава сплава и давления прессования. Его величина увеличивается с уменьшением содержания кремния в сплаве и повышением давления прессования. Давление в значительной мере уменьшает различие в значениях коэффициента затвердевания отливок из сплавов различного состава.

Таким образом, с увеличением давления прессования характер зависимости (2) не изменяется, но сокращается время существования двухфазной области (уменьшается расстояние кэ-.цу кривыми продвижения изоликвидуса и изосолидуса сплава, рис.4). Сто ста-

АО го о

ЬТ0,г 200

О

400 200 о

х/Л О 75 0,50 0,25 О

сс/Я 0,75 0,50 0,25 О

'а.

¿222

^Утт

сГГ7

8)

8)

100 200 рн.МПа

Рис.3. Зависимость от давления времени затвердевания (а), перепада температур по сечению отливки (б) и на границе раздала отливка-матрица просс-формы (в)

4 «/ ......, / У г/

/ / / / /

! * / и/

Ту яе- ■б%вг .......

10

20

30 Г,с.

34 'У К !

// /

„_„--

10

го

50

50 г, с

Рис.4. Кривые продвижения изоликвидуса (1,3) и изосолидуса (2,4) в слитках, изготовленных в условиях атмосферного давления (1,2) и ЖД (3,4; р„ = 300 МПа)

детельствуот о том, что характер зят*>рпо:за1п:я сплп^г', •:••;•:■••: г: интервал кристаллизация, поменяется от о5:-.с-лэ-послслзг-:т>ч:,.г!'.го к последовательному. Ооркулу (2) рзк." сдуется -.гсягг.аг/'гь для расчета времени затвердевагшя, а сдодожтлшю, :: рг^-т-ввдерпки под давленном фор/лруадахся слптков и гпсопгй-х при разработке технологического процесса ЛСД силу:.г,п:ов.

Э четвертой главе издояенц резу.чьтатн лсслодогигл*: ел:: давления на уплотнение при затвердевании, усадку, структуру а свойства отливок.

Выполнен расчет величины перемещения верхнего тогг. згтг."р-девающего под давлением цилиндрического слитка". У;:азг.н::ое мещенпе косвенно характеризует г.елглпиу ул-готненпя '.эгглгу •> т:,-ся заготовки. Исхода из имеющихся литературных дашшх :: с • „¡ст'о::-ных экспершентов, при расчете принято поло'»он:;о з том, что перемещение пуансона во вро:.и уплотнения затпердепаидеЛ от.-; шкг. прягго пропорционально усадке сплава в -»доком соето.тп:;, при злт-верцевании и в твердом состоянии. Кроме того, принято, что поI — ыещенае фронта затвердепания со стороны боковой нонерхностп елг.т-ка подчиняется параболической зависимости (2), а со стороны пуансона (для отливок типа фланца, у которого высота намного кега-ше диаметра) - зависимости (I).

С учетом этих положений получены формулы, позволяющие рассчитать величину перемещения верхнего торца формирующейся при ЛХд отливки л учитывать результаты расчета при регулировании контролирующей аппаратуры, устанавливаемой на гидравлическом прессе.

Для отливок типа фланца расчетом получена следующая математическая зависимость:

а 3 /й (Тзал - ттак) + , (3)

где в алачина перемещения верхнего торца отливки под воздеЛ-•ствлем давления к моменту окончания затвердевания отливки, мм; Н - высота отливки, мм; Тзад, Тлпк - температуры заливки и ликвидуса сплава,°С; £ж, £м - коэффициенты усадки сплава в жидком состоянии и при затвердевании; К^ - коэффициент затвердевания, мм/с®'^; 2"3- время затвердевания отливки, с.

Результаты расчета и опытов по определении в сличит; относительного перемещения верхнего торца отливки к моменту окончания затвердевания последней получены близкими. Так, для отливок из сплава ЛК12 величина Л3/Н = 0,060 (расчет) и 0.СС2 (опкт) при Р •= 100 МЯа.

1С

Ц.\ ос:ю::с сбработк1 экспериментальных данных установлено, что а точная у сада отливок зависит от состава сплава (содержания крс-шгш в силу,иглах), давления прессования и размеров заготовки; она уменьшится с увеличением давления и уменьшением высоты от-ли.тки (црц прочих равных условиях). Средняя величина линейной у сод.:;: ушо-люняю: при затзордовании отливок в 1,5,...2,5 раза мош/::о усодки отлииок, формировавшихся под атмосферным давлением

(например, при литье б К01шль). Это следует учитывать при разработке кокструэди: отливок и проектировании прссс-2;ор.1 для ЛКД.

Величина ликеикои усадки одной и той же отливки из сплавов системы адл:.:книи-кре:.шнй но является одинаковой по высоте, что подтверждает данные других исследователей. Ока наплетшая у верхнего торца отливки, пр:;логадазго к пуансону, несколько большая -у нлгшого торца, прилегающего к дну матрицы, и наибольшая - на расстоянии 0,3...0,4 высоты отливки от нижнего торца. Увеличение высоты отливки и давления прессования не влияет на характер изменения величины линейной усадки по высоте заготовки, а влияет только на абсолютные значения величины усадки. Максимальная величина линейной у садки (по высоте) соответствует уровню теплового центра отливки, затвердевающего последам. Наличие такого рас-предслшшя усадки по высоте отливки вызывает необходимость установления припуска на подобной образующей поверхности заготовки, если доталь в процессе работы должна плотно-соприкасаться с другой деталью. _

Отливки, изготовленные ЛКД, не имеют литниковых систем и прибылей. Во всех случаях уплотнение их при затвердевании достигается только за счет механического давления, которое способствует движению жидкого и полужидкого сплава для обеспечения питания. Можно предположить, что давление вызывет течение затвердевшего епдава, когда его температура находится вблизи солидуса , а предел текучести егшава меньше- величин^ давления прессования; при этом заполняются уже сформировавшиеся усадочные пода. Эффективность воздействия давления зависит от характера затвердевания отливки. При ЛКД сплавов с узким интервалом кристаллизации давление способствует подаче жидкого металла в места образования концентрированной усадочной раковины на последней стадии затвердевания. При ЛКД сплавов с широким интервалом кристаллизации резкий темлоратур:шй градиент, возникающий при воздействии механического давления, сокращает ширину двухфазной зоны, уменьшая тем самим длину участка пути для жидкого и полужидкого сплава, необходимого для компенсации усадки в зоне затвердевания.

Анализ продольных темплетов слитков а от.:::пз;: пог.-.-з-что при использовашш сплавов с узким интерпалом (AKI2, AI-0,I^5t ,AI-I3;J Si и др.) усадоч:по jxu;or.;::n: " порч устраняются при давлзшш свыщо 200 .'.Па, поэтому пр:: .ТлЛ "'-с сплавов величина давления д'ол.тла бить но м;пое 200 .'.Г.'а. Пр:: ЛХ; силуглинов с широким интервалом кристаллизации (AIC5M2, \I-6.'>Si, к!~2Ъ% St и др.) усадочные раковины к поры лпкв:1дпру:отсл при давлении свыше 150 МПа.

В условиях кристаллизации под механически::: давлением cTjyr.-тура сплавов и отливок измельчается. Этому способствуют позленная скорость охлаждения отливок и воздействие давления на р:сту-щие кристаллы.

В отливках из доэвтектичеекпх силуминов измельчаются де:!др;<-ты ct-твердого раствора, увеличивается количество последнего в структуре с увеличением давления прессования.

В структуре сплава hl-13%Si , закристаллизованного под атмосферным давлением, выявлены первичные кристаллы кремния п эвтектика. При давлении свыше 100 МПа количество кристаллов кремния уменьшается, а при кристаллизации под давлением свыше 300 МПа первичные кристаллы кремния в структуре не обнаружены, вся структура состоит из эвтектики. Это свидетельствует о смещении эвтектической точки в сторону сплавов, более богатых кремнием.

В заэвтектическом сплаве А1-25^ 5 i происходит раздробление кристаллов первичного кремния с увеличением давления прессования. Так, при кристаллизации под атмосферным давлением их размеры составляют ТО...75 мкм, а при кристаллизации под давлением 320 !Л1а - 20...22 мкм; увеличивается и общее количество эвтектической составляющей.

Смещение эвтектической точки, измельчение строения эвтектики, первичных дендритов А-твердого раствора и кристаллов кремния, на-.блюдаемое устранение усадочной пористости приводят к повышению механических свойств сплавов системы алюминий-кремний (табл.2). Одновременное повышение прочностных и пластических характеристик сплавов объясняется измельчением дендритов А -твердого раствора (в доэвтектических сплавах) и кристаллов первичного кремния (в за-евтектических сплавах), а также строения эвтектики. Известно, что прочность Л-твердого раствора меньше, чем эвтектики, относительное удлинение вше. Вследствие такого различия в свойствах составляющих силуминов, фактические свойства определяются соотношением указанных составляющих в структуре сплава. Отрицательное

;ип!яп"с не прочность повиаоиного количества с< -твердого раствора в структур:; отливок при ЛКД перекрывается повышенном прочности эгтектики. Соблюдаемое при ЛКД значительное повышение относительного удлинения связано как с увеличением количества et-твердого раствора, таг. и с измельчением кристаллов кремния (Первичных и в составе эвтектики).

Изучено влияние неоднократного последовательного переплава и к ;здеИствпя давления (ри - 250 ЫЯа) на механические свойства слитков с Н/D -I из сплава AKI2. Показано, что и после третьего цикла (переплав + давление) механические свойства слятков вше свойств чехэдвше заготовок, полученных литьем в обычную пеочано-глг.пкетуэ vTcw, и щше требований ГОСТ 1583-89 для литья в ко-кглт, - п о СГр па 27%, по $ - в 4,5 раза. Это указывает на то, что г. ¡.:ихте возможно использование 50...100.1 отходов собственного производства без ухудшения свойств литых деталей при ЛКД.

Таблица 2

Моханичсснио свойства сплавов системы алптаний-креший (литое состояние)

Сплав Заготовка Рн,МПп Гв,Ша Л * HB

Al-O.IfSS* Слиток 0,1 50 . 40,6. -

100 82 41,6 -

300 SO 43,1 35

Л:-6 %Si Слиток 0,1 130 ' 9,4 44

100 165 16,2 50

300 170 20,5 49

№-13% Si Слиток 0,1 165 3,8 58

100 205 ' 4,4 69

* 300 215 4,8 75

№-25% Si Слиток 0,1 80 - - 65

• 100 160 0,6 89

■ 300 -170 0,8 90

AI-3% Si Ко pica 150 210 14,0" -

AKI2 Корка 150 174 14,4 -

ЛК12 Стакан 150 182 12,2 72

В пятой главе содержатся результаты исследования влияния мшеродугового оксидирования (ВДЭ) на качество поверхности и свойства деталей из алюминиевых сплавов.

Ус£ановлено, что слой покрытия при МДЭ быстро наращивается в первые момонты времени после начала обработки, затем скорость

образования моя заметно уменьшается. Это объясняется тем, что вначале электролит соприкасается непосредственно с мотал. :ом детали, а с увеличением времени обработки реакции идут через : • -лотеплопроводную оболочку уже образованного моя.

Зависимость толцанц слоя керамического покрытия от ар ;мени обработки выражается параболой

= коб"^об »

где- толщина Образованного керамического слоя, мм; Ко0 - коэффициент, зависящий от состава и физико-моханичеекпх свойств сплава, мм/ч0,5; - время обработки, ч.

В зависимости от состава алюминиевого сплава изменяются толщина образованного керамического моя, его поверхностная твердость и цвет. На деталях из технического алюминия толщина слоя достигает 100 мкм, из сплавов ЛК12 и АЛ5М - 85...30 мк.1.

Исследования образованного моя показали, что он состоит из (¿-АЬ^Од. Выявлены четкие границы менду основным сплавом и поверхностным моем из А^Од, мелду рабочим и внешним пористым слоем А^Од; помедашй поме окончания процесса '.'ЛО удаляется механической обработкой - шгафованием.

Время обработки при ВДО не оказывает заметного влияния на механические свойства деталейоДостигнуты следующие значения триботехнических характеристик деталей пооле ЦЦО: коэффициент трения покоя оксидного моя с металлами в 1,5.. Л,7 раза меньше, чем у этих же металлов с чугуном; при повышении скорости скольжения коэффициент трения снижается и при скорости 700 мин-* становится меньше 0,04.

3 работе указаны области применения способа МДО и классификация оксидных керамических покрытий, образованных с использованием метода ОД).

3 шостой главе приведены результаты.разработки и совершен-, ствования технологии ЖД сплавов системы алшиний-кремниЛ и "деталей из алюминиевых сплавов»

Проведены аналиа и выбор номенклатуры отливок для ЛКД, разработаны классификации выбранных деталей и отливок и основы технологии ЛКД для типовых отливок с использованием поршневого и пуансонного прессования. Даны рекомендации по конструкциям пресс-форм для типовых отливок.

Рекотлендованы следую^е решай ЛКД для сплавал систам;; ато-микий-кремний: Тзет = Тлпк + (80...Ю0)°С; Т^ = 150...2С0°С; Рн > 200 Ша (поршневое прессование) л р р 150 ;.Яа (пуг¡то::—

гас нрос.'сюкяе); до 5 с; ~ 0,5*..0,8 с на I толщшы

А и

Изучены у словил ¿ор.шрования отливок "корпус" из сплава АЛО..! и условии:: пуансошюго прессования и рокомондованы сле-дую-шо ро.-имы ЯСД при :гх изготовлении: Тзая - 730...740°С; ТпА -• 1с0...180°С; рн - 150*10 ..Па; - 3.\.4 с; = 15...16 с. 0п{:тио-прэ"^г;с1п!ая партия отливок "корпус" проала стендовые ис-ПьТ-шкя, технология ЛКД рог.омондована к внодрогсш в производство.

Результаты работы использованы при создании промышленных участков ЛСД на Государственном калом научно-производственном предприятии "Гидромаи" и малом предприятии "Композит".

Для промышленного производства деталей с оксидированным поверхностным слоем предлагаются следующие реюаш ?,0): сила тока - 3...12 Л; напряжение - 320±20 В; время обработки - до I ч.

Опытные партии деталей из алюминиевых сплавов, подвергнутых !.!Д0, испытаны на Шилутском заводе "Гидропривод". Установлено, что износ распределительной поверхности элементов гидромоторов после МДО (тощий слоя 150 мкм) по сравнению с нормальным опорным диском значительно меньше (после испытаний в течение 2000 ч).

Исдитии я деталей с оксидным покрытием в Специальном кон-структордком бюро "Ротор" подтвердили эффективность' использования подобных деталей: плотность монтажа.электронной аппаратуры увеличена в 1,5 раза; уменьшены габариты и масса изделия. •

ОБЩЕ ШВДЕУ

1. Проведены комплексные исследования тепловых процессов формирования отливок из сплавов системы алшиний-кремний при ЩЦ, на основании которых можно утверадать, что основные закономерности затвердевания отливок при поршневом и пуансонном прессовании одинаковы.,

2. Механическое давление способствует устранении зазора между формирующейся отливкой и формой, в результата чего в 4...5 раз интенсифицируется теплообмен на границе отливка-форма. Это приводит к уменьшению в 3...4 раза времени затвердевания отливок из сплавов системы алюминий-кремний и перепада температур на границе раздела между отливкой и формой, к увеличению перепада и градиента температур по поперечному ."сечению я высоте отливки. ;

3. Продвя~ениз фронта затвердевания во вром:;1л г-нратаотсл параболической зависимостью, показатель степени которой

ся от 0,5 до 2 и зависят от конфигурации поверхности контакт.; мезду отливкой я форлой. Схема проссования (пораневое, пут-сонное прессование) при ЛЮТ не оказывает заметного влллнил на характер указанной параболической зависимости.

4. Коэффициент затвердевания сплавов системы алпмглптП-крсм-ний (ОД...25$ ) зависит главным образом от состава сплава и давления прессования. Его величина увеличивается с уианкзижгл содержания кремния в сплаве и повышением давления прессования. Давление в значительной мере уменьшает различие в значения:: коэффициента затвердевания отливок из сплавов различного состава.

5. Давление способствует !?ормт:розан:« в отливке плоского фронта затвердевания и переходу характера затвердевания от объемного к объемно-последовательному при использовании сплавов с широмш интервалом кристаллизации. При этом сокращается вр?:.-л существования и ширина двухфазной зоны в отливке.

6. Уплотнение форлируккцейся под механически" давлением отливки'зависит от характера затвердевания, прочностных характеристик образовавшейся корки и усадки сплава в соответствующие периоды - в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии. Про прочих равных условий чем больше давление, тем на большую величину -перемещается верхний торец отливки и тем лучше уплотняется сама затвердевающая отливка.

7. Давление свыше 100 'На, воздействующее на крпсталлпзук>-щийся сплав, приводит к измельчению первичных кристаллов *<-твер-дого раствора в доэвтектических силуминах в 2,0...2,5 раза п первичных кристаллов кремния в сплавах заэвтектпческого состава в 3...4 раза, а также составляющих эвтектики. Оно способствует увеличении количества Л-твердого раствора в структуре сплавов до-, и эвтектического составов и .следовательно, приводит к сдвигу эвтектической точки в сторону кремния.

8. Измельчение структура и устрашение усадочяоГ; пористости способствуют повышению механических свойств отливок, изготовленных ЖД из сплавов системы алюминий-кремнпй. При прочих разных условиях вследствие измельчения первичных кристаллов кремния прочностные и пластические характеристики отливок из сплавов за-эвтектического состава (25$S¿) увеличиваются практически в 2 раза (при Pjj свыше 100 Ша). Прочностные свойства двойных сплавов до- и эвтектического составов возрастают на 30...40$, пластические - в 1,5...2 раза.

9. Использование в шихте до 100* отходов собственного производства практически не отраглется на механических свойствах отливок, изготовленных ЛКД.

1С. Для повышения износостойкости и обеспечения специальных свойств деталей из сплавов системы алюминий-кремний рекомендуется использовать микродуговое оксидирование, позволяющее образовать на поверхности изделия керамический слой толщиной 85...150 мкм. Зависимость нарастания толщины слоя во времени тлеет параболический характер с показателем степени п = 0,5. Время обработки при микродуговом оксидировании не должно превышать 1ч.

II. Опытно-промышленные партии отливок, изготовленных ЛКД, и деталей с керамическим слоем испытаны в производственных условиях. Результаты работы положены в основу создания промышленных участков ЛКД и 1.1Д0. .

Основное содержите диссертации отражено в следующие публикациях:

1. Батишев А.И..Безпалько В.И.,Лпбавин А.С.,Батышев К.А. Литьо с кристаллизацией под давлением: Обзор.информ.-М.,1989.-' 56 с. (Машиностроительное производство.Серия "Технология и оборудование литейного производства" /ШИИТЭМР, Вып.1).

2. Батыщев А.И.,Батышов К.А. Отливки и? композиционных материалов: Обзор, информ.- М.,1990.-41 с. (Машиностроительное производство.Серия "Технология и оборудование литейного йроиз-водства/ ВШПТГЭМР. Вып.4),

3. Любавин А.С.,Баткаов К.А, , Безпалько В.И. йсслвдова-ние затвердевания отливок при наложении механического давления /Прогрессивная технология и автоматизация литья под .давлением: Материалы семинара.-Ы. ,ЦЩТ11.-1991.-С Л42-143.- *

4. Батшпов А.И., Батышев К.А. бордировапие отливок в условиях внешних воздействий: Обзор. информ.-i.i., I99I.-64 с, (Машиностроительное производство. Серия "Технология и оборудование литейного произвоцства/БШПГШР. Вып.1).

5. Батышев К.А.,Еатышов А.И. Отливки из алюминиевых евлавов: Обзор.информ.-М., 1992.-54 с. (Машиностроительное про;13водство. Сорил "Технология к оборудование литейного пропзводстваи/Я1ИИТЭМР. 3;;т!.1 • ) -

6. Батшзов К.Л., Самсонов B.II., Арефьев Л.П. "пкродуговоэ оксидирование деталей из алюминиевых сплавов //Литсйкоо производство .-1992.-JS 5.- С. 19-21.

7. Вatysev К.Л., 8espaïko V.l., Luèavm 4$. Vp/yv mec t'a-mckeho tlaku no procès tuhnutla cJliatku (¿ezy летела-tu) / Pokr*ok * FOZ vûj / xlievQrenskgch ma'ter'jci !ov a -technologil . — Hosice . -I922.-S.I7.

8. A.c. të 1588497 (СССР). Способ определения скорости кристаллизации сплавов при литье с кристаллизацией под давление;.: / Батышев Х.А. и др. - Б.И., 1990.- !Ь 32.

Типограф,, МЭИ, Краснок«]арчгнняя. 13