автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование процессов получения отливок из магниевых сплавов в селективно-отверждаемых формах с целью изготолвения литых деталей ответственного назначения

На правах рукопвси

Цыновнвкова Юлия Павловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ В СЕЛЕКТИВНО-ОТВЕРЖДАЕМЫХ ФОРМАХ С ЦЕЛЬЮ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.16.04 —«Литейное производство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 С ДЕН 2010

Москва 2010

004617997

Диссертационная работа выполнена на кафедре Технологии литейных процессов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»,

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Колтыгин Андрей Вадимович

Официальные оппонепты: д.т.н. Зальцман Эдуард Семёнович.

к.т.н. Семёнов Владимир Анатольевич Ведущее предприятие: ФГУП «ММПП «Салют»

Защита состоится 23 декабря 2010 г. в 10:00 часов на заседании Диссертационного совета Д.212.132.02 при ФГОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» по адресу: 119049, Москва, Ленинский пр-т, д. 6, ауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Автореферат разослан «22» ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.132.02 доктор технических наук, профессор

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диссертация посвящена рассмотрению перспективного направления - исследованию особенностей получения магниевых отливок в формах, изготовленных методом трехмерной печати (селективного отверждения). Направление исследований связано с остро стоящей проблемой быстрого получения магниевых отливок для авиационной промышленности.

Основным методом производства таких отливок является литьё в кокиль с использованием песчано-смоляных стержней сложной конфигурации. Будучи широкоинтервальными, сплавы МЛ5 и МЛ 10 нуждаются в интенсивной скорости затвердевания во избежание типичного брака для этой группы сплавов — усадочной микрорыхлоты, или пористости. Литье в кокиль позволяет снизить риск брака по пористости до минимальных значений. Этот метод хорошо зарекомендовал себя для крупносерийного производства.

Однако при производстве мелкой партии сложных отливок и при разработке новых агрегатов метод литья в кокиль становится малоэффективным, поскольку при отработке технологии литья, особенно сложного, вносится большое количество исправлений в конструкцию литниковой системы, что ведет к изменению технологической оснастки. Выполнять новый кокиль под каждый вариант затруднительно как по временным, так и по материальным затратам. Идеальным решением задачи быстрого внесения изменений в технологию и изготовления формы может быть применение трехмерной печати. Этот метод производства форм и стержней уже внедрен на некоторых предприятиях, в частности, установка немецкой фирмы РгоМйа1 5-15 , позволяющая изготавливать формы и стержни из смеси, схожей с холоднотвердеющей. Однако для магниевых сплавов литье в формы из такого материала не является типичным.

Актуальность затронутой в диссертации проблемы вызвана затруднениями применения в условиях мелкого и опытного производства традиционных средств и способов изготовления отливок, сложившихся в серийном производстве. Затраты на дорогую и трудоёмкую кокильную оснастку, отнесенные к небольшим партиям деталей, многократно увеличивают себестоимость продукции, а её работоспособность используется в незначительной степени.

В условиях мелкосерийного производства должны применяться материалы и технологии, позволяющие снизить время и расходы на изготовление. Такие материалы должны обеспечивать снижение времени и расходов на изготовление отливок и, следовательно, на производство нового агрегата.

Цель работы. Исследование и совершенствование технологии изготовления отливок ответственного назначения из магниевых сплавов системы \lg-Al-Zn в формах, полученных методом селективного отверждения, и их применение в мелкосерийном и опытном производствах самолётостроения.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование технологических свойств селективно-отвержденной формовочной смеси в зависимости от параметров изготовления и хранения.

2. Изучение теплофизических свойств селективно-отвержденной формовочной смеси с целью успешного моделирования процессов заливки и затвердевания отливок из магниевых сплавов.

3. Изучение изменения технологических свойств селективно-отвержденной формовочной смеси во время заливки, а также выявление их влияния на качество получаемых отливок.

4. Уточнение оптимальных параметров литниково-питающих систем для магниевых отливок, изготовленных литьем в формы, полученных методом селективного отверждения.

5. Исследование возможности регенерации формовочной смеси, полученной методом селективного отверждения.

Научная новизна работы.

1. Установлена преимущественная роль вязкости газов, выделяемых при термодеструкции связующего материала форм, изготовленных методом селективного отверждения, в образовании газовых дефектов в отливках.

2. Уточнены температурные зависимости теплопроводности и теплоемкости материала форм, изготовленных методом трехмерной печати, при имеющейся неоднозначности числовых значений, необходимые для успешного моделирования процессов заливки и затвердевания отливок.

3. Уточнены предельные геометрические размеры цилиндрических прибылей для отливок из сплавов типа МЛ5 в комбинации с холодильниками, которые определяются из соотношения НпШп=2,9.

4. Показано, что отливки из магниевых сплавов системы используемые для авиастроения, могут быть изготовлены методом трехмерной печати, причем качество изделий соответствует требованиям отраслевого стандарта (ОСТ 1.41154-86).

Практическая значимость.

1. Разработаны рекомендации по хранению и подготовке к заливке форм, полученных методом селективного отверждения, к заливке на основании определения влияния внешних условий изготовления и хранения форм на качество получаемой отливки.

2. Выявлена линейная зависимость влияния длительности контакта жидкого металла с формой, полученной методом селективного отверждения, на технологические параметры: газопроницаемость, прочность на изгиб, степень термодеструкции связующего.

3. Разработана методика и технологическая инструкция оценки качества отливок с помощью бесконтактной оптической системы трёхмерной оцифровки.

4. Доказана возможность регенерации отработанной смеси с целью повторного использования песка. Определены общие режимы регенерации, которые могут быть использованы при подборе специализированного регенерационного оборудования.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены:

— на V международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии", Москва, НИТУ «МИСиС», 2009 г.;

— на научных семинарах кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС» (2008-2010 г.г.).

Результаты диссертационной работы отражены в 5 публикациях в виде статей и тезисов докладов конференций.

На защиту выносятся:

1. Уточненение числовых значений теплопроводности и теплоемкости материала форм, изготовленных методом селективного отверждения, необходимые для успешного моделирования процессов заливки и затвердевания отливок.

2. Практически доказанное преимущественное влияния динамической вязкости газов перед коэффициентом проницаемости материала формы, изготовленной методом селективного отверждения, на образование газовых дефектов в отливках.

3. Установленная целесообразность совместного использования холодильников и прибылей и их преимущество перед массивными прибылями для получения плотных бездефектных отливок в формах, полученных методом селективного отверждения.

Достоверность:

Достоверность полученных в работе результатов исследований обеспечивается применением комплекса современного оборудования и методик в лабораториях НИТУ МИСиС и АК «Рубин» (Московская обл. г. Балашиха), сравнением лабораторных испытаний с результатами производственных испытаний, а также использованием методов статистической обработки экспериментов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка из 78 источников. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 22 таблицы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика, обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи, показана научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, выносимые на защиту.

Первая глава является аналитическим обзором отечественной и зарубежной литературы и содержит сведения о технологиях изготовления магниевых отливок в серийном и мелкосерийном производствах. Отмечено, что применение традиционных технологий изготовления магниевых отливок в кокиль, используемых в серийном и массовом производстве, на этапе опытных образцов в мелкосерийном производстве является экономически нецелесообразным. Обозначен круг проблем, возникающих при литье магниевых сплавов и получении отливок из них.

Описан принцип работы установки по производству селективно-отверждаемых форм и стержней. Работа трехмерного принтера схожа с работой струйного принтера. Файлом печати служит трехмерная модель любой конфигурации, выполненная в системах автоматизированного проектирования. В установке S-15 используется технология InkJet: валиком наносится тонкий (около 0,1 мм) слой кварцевого песка, смешанного с катализатором, печатающая головка распыляет капли связующего (полимерная смола). Между смолой и катализатором происходит реакция полимеризации, отвердевшая смола склеивает песчинки, формируя таким образом одно сечение объекта. Далее наносится новый слой песка и операции повторяются. По окончании печати изделие извлекается из массы песка с неотвержденной смолой. Максимальный объем печати 1500x700x700 мм.

По результатам изучения литературных данных были сделаны следующие выводы:

1) Обзор литературных данных позволяет говорить о большом сходстве селективно-отверждаемых смесей с холодно твердеющими смесями (ХТС), в частности на карбомидофурановой смоле.

2) Метод производства форм селективным отверждением на установке S-15 характеризуется значительными финансовыми затратами, однако высокая скорость освоения технологии получения отливки является весомым преимуществом данного способа перед традиционными.

3) Производители рекомендуют использование селективно-отверждаемых форм для литья легких сплавов, в частности алюминиевых и магниевых.

4) Мало изучены свойства и влияние внешних условий на свойства селективно-отвержденных смесей, в том числе и теплофизические свойства, необходимые для успешного моделирования литейных процессов в специализированных пакетах программ.

5) Недостаточно исследованы особенности литья магниевых сплавов в селективно-отверждаемые формы.

Во второй главе изложено описание материалов и методики исследований. Объектами исследования являлась селективно-отвержденная формовочная смесь, состав компонентов которой приведен в таблицах.

Образцы для испытания технологических свойств формовочной смеси изготавливались на трехмерном принтере «S-15» ProMetal.

Прочность на растяжение определялась на образцах, выполненных в форме восьмёрки по ГОСТ 23409.7-78.

Испытания прочности на изгиб проводились по ГОСТ 23409.7-78 на установке PFG 3132 фирмы DIS А.

Сорбционная влагоемкость смеси при фиксированном значении влажности и температуры измерялась ускоренным сравнительным методом в соответствии с ГОСТ 23409.10-78.

Газопроницаемость при нормальной температуре определялась согласно ГОСТ 23409.6-78.

Для проведения металлографических исследований были использованы как цилиндрические пробы переменного сечения, представляющие собой три соосных цилиндра диаметром 10, 30 и 60 мм, залитые в исследуемую форму, так и пробы, вырезанные из тел отливок, полученных в селективно-отвержденных формах.

Металлографическое исследование фазового состава образцов проводилось на микроскопе NEOPHOT-21 при увеличениях от 100 до 500 крат без травления.

Механические свойства образцов (временное сопротивление, относительное удлинение), полученных при различных условиях проводились согласно ГОСТ 1497-84.

Истинные значения теплоемкости (при 100 °С) и теплопроводности (при 500 °С) находили по методикам, применяемым в учебном процессе. Графики изменения этих параметров от температуры были построены с применением принципа подобия с использованием зависимостей для материалов форм, сходных по свойствам с селективно-отверждаемыми.

Табл.1. Состав компонентов селективно-отверждённой формовочной смеси

Состав Плотность, г/см3 Вязкость динамическая при 25° С, мПа-с

Катализатор (Activator) Толуолсульфокислота 50,00-70,00 % Серная кислота 2,00 % 1,20-1,30 10-30

Связующее (Binder) Фур фур иловый спирт 75,00-90,00 % Изопропилидендиф енол 5,00-10,00% Дигидроксибензин 1,00-5,00% 1,00-1,15 30-50

Третья глава посвящена изучению технологических свойств формовочной смеси при нормальных условиях, а также в условиях, приближенных к процессу заливки.

Проведен анализ компонентов, составляющих исследуемую формовочную смесь. Рассмотрен химизм процесса упрочнения. Свойства исходных материалов оценивались по следующим параметрам: кварцевый песок - массовая доля глинистой составляющей, фракционный состав, влажность; активатор (смола) - вязкость, плотность, состав.

Изучение селективно-отвержденной смеси заключалось в исследовании технологических свойств при нормальных условиях по следующим параметрам: прочность на разрыв, прочность на изгиб, газопроницаемость, осыпаемость.

■ Время выдержки Зчзса

а Время выдержки 24 часа

В Время выдержки3 часа

■ Время выдержки 24 часа

а)

б)

Рис. 1. Изменение показателей прочности на изгиб (а) и массы образцов (б), напечатанных вдоль горизонтали (X) и вдоль вертикали (У) от времени выдержки

Было рассмотрено влияние времени использования расходных материалов оборудования, атмосферы цеха формовочного производства и времени хранения форм на такие технологические свойства, как газопроницаемость, прочность на изгиб и изменение массы (рис.1).

0,30

та С 0,25

2

® 0,20

<0

та 0,15

X

А

6 0,10

О

X

т

о о. 0,05

с

у (для образцов Х)= 1,3Шх + 238,85

* *i

у (для образцов У) = -1,4286х + 237,69

I Образцы X I Образцы У

25 50 75 100

Относительная влажность воздуха, %

а)

Прочность на изгиб, МПа _о о о о о о о "¡о К> о СЛ О О! О 1Л о у (для образцов Х)= 1,4835х + 238,45 НтМ^ЩЦ у (для образцов У)= -2,9121х+ 251,15 " 0бразцы Х В Образцы У

0 10 15 20 25 Температура, 'С

б)

Рис. 2. Изменение показателей прочности на изгиб и массы образцов от относительной влажности воздуха (а) и от средней температуры (б)

Выявлена зависимость изменения показателей газопроницаемости и массы в зависимости от времени выдержки образцов. (Рис. 3) Измерение газопроницаемости и массы проводились на пронумерованных образцах в течение полугода. Из графиков видно, что спустя 4 месяца хранения, газопроницаемость образцов несколько улучшается. Однако, как видно из зависимостей, изображенных на рисунке 2, одновременно с эти происходит некоторое разупрочнение формовочной смеси.

а)

б)

Рис. 3. Изменение показателей газопроницаемости (а) и массы образцов (б): 1) Выдержка сутки в песке, час на воздухе (Относительная влажность воздуха при замере 38 %); 2) 24 часа на воздухе Относительная влажность воздуха при замере 24 %); 3) 48 часов на воздухе (Относительная влажность воздуха при замере 30 %); 4) 5 суток на воздухе (Относительная влажность воздуха при замере 28 %); 5) 1

месяц на воздухе (Относительная влажность воздуха при замере 40 %); 6) 2 месяца (Относительная влажность воздуха при замере 29 %); 7) 3 месяца (Относительная влажность воздуха при замере 31 %); 8)4 месяца (Относительная влажность воздуха при замере 35 %); 9) 5 месяцев (Относительная влажность воздуха при замере 27 %)

Определена сорбционная влагоемкость смеси и оценена гигроскопичность по изменению показателей прочности на разрыв (рис. 4).

Необходимо отметить, что влагонасыщение смеси 8-15 происходит каппилярно, а так же насыщением влагой, обусловлено присутствием в составе смеси серной кислоты, являющейся гигроскопичным веществом.

С

о Ъ а.

га х

о

X X

о а с

О 15 30 45 60 Время, мин

Прочность

образцов

из ХТС с

похожим

составом

Прочность

образцов

5-15

Рис. 4. Изменение прочности на разрыв от влагонасыщения

э-15

хтс

Песчано-глинистая смесь

Рис. 5. Сравнение показателей средней газопроницаемости

Исследовалось изменение газопроницаемости и массы по мере выгорания связующего при термодеструкции в условиях, сходных с существующими в процессе заливки и охлаждения отливки. Была выявлена динамика выгорания связующего из смеси, изменение газопроницаемости, прочности и массы (рис. 6,7).

30 Л

К 8

е * 2

у=0,1023х+1,1232

100 150

время, с

250

Рис. 6. Динамика выгорания связующего из формовочной смеси

Была установлена зависимость газопроницаемости каждого образца до нагрева и после. Так же фиксировалось измерение массы образца. Приведенные на рис. 8 графики демонстрируют изменение показателей газопроницаемости в зависимости от времени

соприкосновения с горячей поверхностью. Видно, что с увеличением времени соприкосновения с горячей поверхностью газопроницаемость несколько снижается, так же снижается и масса образца (рис. 8; а, б). Ухудшение показателей газопроницаемости обуславливается тем, что при термодеструкции смолы вязкие газы закупоривают промежутки между песчинками, затрудняя фильтрацию воздуха через них.

100 -|

01 90 -

.0 80 -

и О 70 -

2 01 60 -

:т 50 -

X 40 -

О о. 30 -

с о 20 -

га 10

0

*-f-*-

--

у = 4.0119х +71,411

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Время соприкосновения с горячей поверхностью ("500 С), мин

а. х

0 х 2 8 В §

1 I

4

а> сх

5 §

100

99,9

99.8

99,7

99,6 -

99,5

99,4

99,3

99,2 -

99,1

а)

у= 100-0,1116*

0123456789 Время соприкосновения с горячей поверхностью (- 500 С), мин

6)

Рис. 7. Изменение показателей газопроницаемости (а) и массы (б) в зависимости от времени соприкосновения с горячей поверхностью

Приблизительная вязкость смеси газов была подсчитана по формуле (1). Для упрощения расчетов приняли, что превалирующий объем газов при термодеструкции связующего 8-15 будут составлять следующие газы: СН|, СО, Нг, СОг.

где г] - кинематическая вязкость газа;

Ы - объемные доли газовых компонентов;

I//- кинематическая вязкость индивидуальных газов.

Табл. 2. Характеристики выделяемых газов при 600° С

Объемное содержание газа при 1 = 600 °С, % Динамическая вязкость газа ц при 1 = 600 °С, [см-1-сек"'х 10"'] Вязкость в объеме, [см"1-сек",*10"7]

сн4 16 2500 672

со 17 3600 1904

нг 22 1600 2464

со2 20 3500 2240

Вязкость смеси газов, выделяемых вследствие термодеструкции связующего 8-15 при 600°С спустя минуту соприкосновения формы с металлом, составляет примерно 7280 см'1,сек"1х10"7. Вязкость же воздуха при нормальных условиях составляет 1708 см'1-сек' 1 х 10'7, что в 4,3 раза меньше. Таким образом, значение, полученное при определении газопроницаемости при нормальных условиях, будет значительно отличаться от реальных условий при заливке формы металлом.

Были проведены расчёты и получены значения следующих коэффициентов: коэффициент прогрева формы т = 0,8 см-мин'"2; удельный коэффициент газовыделения а = 20,4 см-мин'"2; абсолютный коэффициент газовыделения А = 400 см,-мин'1/2см,-мин"1/2 Доказано, что значение, полученное при определении газопроницаемости при нормальных условиях, будет значительно отличаться от реальных условий при заливке формы металлом.

Четвертая глава посвящена особенностям моделирования процессов затвердевания магниевых сплавов в формах, изготовленных методом селективного отверждения, с использованием пакета программ РгоСай.

Программа РгоСаэ! позволяет осуществлять моделирование процессов заливки и кристаллизации отливок, используя их математическую модель. В качестве задаваемых параметров в алгоритме программы используются характеристики сплава, параметры заливки и свойства формы. Для успешного моделирования отливок в форме Б-15 экспериментально были найдены коэффициенты теплоемкости и теплопроводности рассматриваемого материала. Теплопроводность X = 0,9 Вт/мК (при 500 °С), теплоемкость с = 1,0 кДж/кгК (при 100 °С), По принципу подобия и согласно данным о смесях, используемых в базе данных РгоСаэ! , сходных по свойствам с селективно-отвержденной, сделали допущение, что кривые зависимостей теплоёмкости и теплопроводности от температуры для исследуемой смеси будут подобны приведенным в базе данных РгоСай!. Таким образом, при моделировании использовались скорректированные зависимости от температуры теплоемкости и теплопроводности (рис. 8, 9).

1,6 V!

В

§ Д4 н

0,2-----------

0-1----------

О 100 2Х 300 400 500 630 800 900 1000

Температура, С —»- Песчано-смолжная смесь (ХТС) Смесь 3-15

Рис. 8. Температурная зависимость теплоёмкости селективно-отверждённой формовочной

смеси

Темпер атура,"С

Песчано-смоляная смесь (ХТС) -е- Смесь ¡>-15

Рис. 9. Температурная зависимость теплопроводности селективно-отверждённой формовочной смеси

Можно сделать вывод о низкой теплопроводности исследуемой формовочной смеси, и, следовательно, о низкой скорости затвердевания металла в такой форме. Для магниевых отливок это грозит появлением усадочной микрорыхлоты. На основании полученных данных был проведен ряд моделирований опытных отливок. Результаты моделирования сравнивались с результатами рентген-анализа. Итогом работы стало нахождение таких параметров моделирования, использование которых позволяет получить ту же картину микропористости, что и в реальной отливке по результатом рентген-анализа.

Таким образом, были определены параметры для успешного моделирования заливки и кристаллизации магниевых отливок в формах, полученных методом трехмерной печати. Эти возможности были использованы для моделирования заливок реальных отливок сложной конфигурации. Результаты моделирования совпадали с рентген-анализом (рис. 10). Был проведен анализ сходимости результатов моделирования с дефектами реальных отливок, который показал, что удалось добиться высокой точности совпадения моделирования.

С помощь программы была определена эффективность использования массивных прибылей для удаления пористости в отливках из магниевых сплавов. В литературных источниках рекомендуются различные размеры прибылей для питания тепловых узлов в отливках из магниевых сплавов. Было проведено моделирование заливок с

использованием уточненных параметров теплопроводности и теплоемкости, результатом которых стал вывод о том, что высота цилиндрической прибыли (Н„), устанавливаемой на горизонтальную бобышку для отливки из сплава МЛ5, выбираемого из соотношения Н„/В„=2,9 (где 0„ - диаметр прибыли), является предельной для рассматриваемых форм. Дальнейшее увеличение высоты прибыли нецелесообразно. Это ведет к разогреву формы и снижению скорости кристаллизации отливки и, как следствие, образованию значительной доли пористости.

а) Отливка 60 * 80 * 80 мм, полученная в б) Рентген-анализ отливки, полученной в селективно-отвержденной форме селективно-отвержденной форме.

Выделена область, поражённая микропористостью

в) Результат моделирования с использованием уточненных параметров теплоемкости и теплопроводности

Рис. 10. Сравнение результатов моделирования в программном обеспечении РгоСаз!

Для получения отливок ответственного назначения, использование холодильников наравне с прибылями необходимо, поскольку использование только прибылей не

позволяет полностью избавиться от газоусадочной пористости в отливках из сплавов типа МЛ 5.

Общие закономерности, выявленные в процессе моделирования, подтверждаются практическими наблюдениями на основании анализа многочисленных реальных отливок из сплавов МЛ5пч и МЛ10.

Сочетание методики быстрого прототипирования и моделирования процесса кристаллизации и образования дефектов позволяет не только повысить выход годного, но и значительно ускорить процесс освоения технологии производства новых наименований отливок.

Пятая глава посвящена рассмотрению особенностей литья магниевых сплавов в формы, изготовленные методом селективного отверждения.

Было обработано большое количество производственных данных о качестве отпечатка отливок, полученных в форме 8-15 и металлических формах с песчаными стержнями. Сравнение было основано на отраслевом стандарте для отливок с классами точности 4,5,6,7. Видно, что в формах в-15 можно получать отливки тех же классов точности, что и в кокиль (табл. 3).

Табл. 3. Сравнение качества отпечатка отливок, полученных в форме 8-15, с аналогичными, полученными в металлической форме

Класс точности отливок по ОСТ 1.4115486 5-15 Кокиль (меньше 1000 съемов) Песчано-глинистая смесь

Д Т м Д Т М Д

ЛТ4 ±0,6 ±0,6 ±0,7 ЛТ4 ±0,6 ±0,6 ±0,7 ЛТ4 ±0,6

ЛТ5 ±0,9 ±0,9 ±1,0 ЛТ5 ±0,9 ±0,9 ±1,0 ЛТ5 ±0,9

ЛТ6 - - - ЛТ6 - - - ЛТ6 -

ЛТ7 - - - ЛТ7 - - - ЛТ7 -

Д - Все линейные размеры (длин, диаметров и т.п.) за исключением толщин тел и размеров между необрабатываемыми поверхностями и обработанными

Т - Все толщины стенок, ребер, фланцев и т.п. не подвергающиеся механической обработке.

М - Все линейные размеры между необрабатываемыми поверхностями и обработанными, а так же радиусы ушек и бобышек с просверленными отверстиями.

Проведено сравнение отливок и деталей по допуску массы отливок. Выявлено, что при использовании технологии 8-15 можно получать детали, попадающие в номинал по массе (табл.3). Сравнивалась так же шероховатость поверхностей. По этому показателю кокиль опять же уступает 8-15, так как использование песчаного стержня несколько повышает уровень шероховатости внутренней поверхности (табл.4).

Качество отпечатка отливок в форме 8-15 в сравнении с кокилем исследовано с помощью возможностей бесконтактной оптической оцифровки АТ08. Предложена методика оценки качества отливок с помощью бесконтактной оптической системы трёхмерной оцифровки, основанная на коэффициентах отклонения различных поверхностей от номинала. Методика внедрена в качестве технологической инструкции и используется на предприятии.

Табл. 4. Допуски массы отливки, %

Интервал номинал, размеров, мм 5-15 Кокиль (меньше 1000 съемов) Песчано-тлиннстая смесь

Отливка без л.-п.с. Деталь Отливка без Л.-П.С. Отливка без л.-п.с. Деталь

100...400 1,6-2 0,5-1 6,4-8 100...400 1,6-2 0,5-1

400. ..1000 1,2-1,6 0,5-1 5-6,4 400...1000 1,2-1,6 0,5-1

1000...10000 1,0-1,2 0,5-1 - 1000..10000 1,0-1,2 0,5-1

Табл. 5. Сравнение шероховатости поверхностей отливок, полученных разными способами

Габаритные размеры отливки Б-15 Кокиль (меньше 1000 съемов) Песчано-глинистая смесь

Внешняя поверхность 1^40 ИгЮО

Внутренняя поверхность Яг40 ЯгбО ЛгИО

Проанализированы фазовые составляющие структуры сплава МЛ5, полученные при литье в форму 5-15 под гравитационным давление, под низким давлением. На рис. 9 и представлены структуры образцов, вырезанных из отливок с толщиной стенки 10 мм.

а) Материал формы 8-15, б) Материал формы 8-15, в) Отливка, полученная литьё под гравитационным литьё под низким в металлической форме

давлением давлением

Рис. 11. Типичные микроструктуры сплава МЛ5 полученные при кристаллизации в различных типах форм и условиях заливки, увеличение х 150

На основании анализа собранного практического материала была рассмотрена зависимость толщины стенки отливки на возникновение микрорыхлот. Выявлено, что при увеличении толщины стенки с 5 до 15 мм при идентичных условиях заливки значение микрорыхлоты возрастает со слабой до сильной степени по методике ВИАМ (ОСТ 1.90248-77).

Исследовано влияние формы 8-15 на литейные свойства сплава МЛ5, такие как жидкотекучесть. Результат сравнен с показателем жидкотекучести сплава МЛ5, полученным при заливке в песчано-глинистую форму. Оказалось, что по этому показателю 8-15 сравнима с песчано-глинистой смесью и жидкотекучесть, определенная по стандартной методике заливки спирали составила 140 мм. Если учесть, что теплофизические свойства этих материалов заведомо отличны друг от друга, следует вывод, что на жидкотекучесть сплава МЛ5 в данном случае влияют не обозначенные свойства, а исключительно состав самого сплава и условия заливки.

По результатам исследований видно, что получить плотную бездефектную отливку из широкоинтервального сплава МЛ5 в формах, изготовленных методом трехмерной печати можно при тщательном подборе питающей или охлаждающей системы. Проведен анализ брака отливок по микропористости. Рассматривалась эффективность использования на одинаковых отливках массивных прибылей и сочетания прибыли и чугунных холодильников. Выявлено значительное преимущество использования сочетания холодильника и прибыли средних размеров холодильников перед использованием массивных прибылей, которые способствуют нежелательному разогреву формы.

Исследовались зависимости механических свойств сплава МЛ5, полученных при литье в форму 8-15 под гравитационным давлением в сравнении с механическими

свойствами сплава, полученными при литье в кокиль. Исследованы зависимости механических свойств сплавов МЛ5 и МЛ 10 в зависимости от способа литья в форму Б-15 (табл. 6).

Табл. 6. Механические свойства образцов, полученных при различных условиях

Сплав ов, кгс/мм2 5, %

Литьё в кокиль Литьё в 8-15 Литьё в кокиль

МЛ5пч 24 19 МЛ5пч 24

МЛ10 24 19 МЛ10 24

Исследовано влияние способа подготовки форм к заливке, а так же зависимость условий хранения формы и подготовки её к заливке на механические свойства сплава МЛ5, а так же их микроструктуру (рис. 10, 11).

1. Выдержка 2. Выдержка 3. Прогрев 4. Прогрев 5. Прогрев 6.

Ючэсов 17 часов 60'С, 2 чага 120"С, 30 120', 2 часа Нормальные

минут условия

Рис. 11. Зависимость предела прочности ав от параметров хранения форм, МПа

5 7.............................................................................................................................................................................................................................................

4» 2,5 ~ ..... 2....................~ 1 №|||||||

х 2 -111111-НВ-Шшш-шШШ-11И1---

I 1 III III

0 111118 ШИШ , ЩИ! ...........1111111......................шш$ш........ ЙШЯ

1. Выдержка 2. Выдержка 3. Прогрев 4. Прогрев 5. Прогрев 6.

Ючасоа 17 часов 60*С, 2 часа 120*С, 30 120', 2 часа Нормальные

минут условия

Рис.12. Зависимость относительного удлинения от параметров хранения форм, %

Были рассмотрены изломы образцов. Можно отметить окисленность образцов, залитых в формы, выдержанные на влажном воздухе (рис. 13).

1.

Площадь поражения микропористостью ~ 45%

2.

Площадь поражения микропористостью ~ 45%

3.

Площадь поражения микропорис-тостъю - 20%

4.

Площадь поражения микропористостью ~ 20%

5.

Площадь поражения микропористостью ~ 20%

6.

Площадь поражения микропористостью - 20%

Рис. 13. Изломы образцов, полученных при различных условиях хранения и подготовки

форм к заливке

Режимы: 1) Тестовый образец (н.у.); 2) 10 часов выдержки на открытом воздухе при температуре +5°С, атмосферной влажностью 85%; 3) 17 часов выдержки на открытом воздухе при температуре +5С, атмосферной влажностью 85%; 4) Сушка при 60°С, 2 часа; 5) Сушка при 120° С, 0,5 часа; 6) Сушка при 120° С, 2 часа.

Было рассмотрено изменение величины микрозерна (модифцирование и рафинирование сплава производились гексахлорэтаном (С2С]«), термообработка осуществлялась по режиму Т4) и изменение расстояния между осями дендритов в зависимости от условий хранения и подготовки форм. Значительных изменений этих параметров не выявлено. Однако установлены характерные величины данных параметров для отливок из сплава МЛ5, полученных литьём под гравитационным давлением в форму, изготовленную методом трехмерной печати. В среднем они составляют: величина микрозерна (после термообработки по режиму Т4) - 180-300 мкм, расстояние между осями дендритов 2-го порядка — 20-30 мкм.

На основании полученных данных определен оптимальный вариант хранения и подготовки форм к заливке. Рекомендованный режим подготовки формы: конвективная сушка 60 "С 2часа. Он рекомендован и используется на предприятии.

В пятой главе исследована возможность регенерации отработанной смеси 8-15, как с полимеризованной смолой, так и с присутствием неактивированного катализатора. Также рассмотрена естественная регенерация смеси.

Эта проблема остро стоит на предприятиях, использующих технологию трехмерной печати. Габаритные размеры камеры печати составляют 750x1500x750 мм. Загрузка по высоте составляет в среднем 500мм. Средний объем типового комплекта форм составляет примерно 45 тыс. кубических сантиметров. В год вырабатывается 28м' песка. Отходами являются как собственно формы после заливки, так и песок, смешанный с катализатором, но не задействованный при печати. Соотношение объемов этих двух видов отходов составляет примерно 3\1.

Предложены критерии оценки пригодности регенерированного песка для повторного использования. Этими критериями может служить зерновой состав песка, а так же кислотность песка. Были определены зерновой состав и кислотность песка из полимеризованной и неактивированной смеси после нескольких способов регенерации. Способы регенерации выбирались таким образом, чтобы была возможность внедрения их на предприятии. На основании полученных данных определены оптимальные режимы регенерации.

Для полимеризованной смеси: механическое дробление + термообработка (2ч; 400°С) + перетирание, обеспыливание.

Такой песок может быть использован для установок по производству стержней из

ХТС.

Для неполимеризованной смеси: сепарация+гидрорегенерация.

Выводы

1. Определено влияние параметров изготовления и хранения форм, полученных методом селективного отверждения, на качество получаемой отливки, в рамках которого оптимизированы условия подготовки формы к заливке, в том числе режим сушки.

2. Уточнены значения теплофизических свойств, необходимых для успешного моделирования заливки и затвердевания магниевых отливок в формах, полученных методом селективного отверждения.

3. Доказано преимущество комплексного использования прибыли и холодильника для получения плотной бездефектной отливки перед использованием массивной прибыли. Определены пропорции прибылей, позволяющие получать наиболее эффективный результат.

4. Уточнены предельные геометрические размеры прибылей на отливках для сплавов типа МЛ5 в комбинации с холодильниками.

5. Выявлена зависимость влияния длительности контакта формы, изготовленной методом селективного отверждения, с металлом на её технологические параметры. Определена толщина слоя формы, подверженная наибольшей деструкции при заливке, что позволило назначить нижний предел толщины стенки формы, обеспечивающий надежную заливку без растрескивания формы.

6. Доказана возможность регенерации отходов формовочной смеси, изготовленной на установке 8-15, как с полимеризованной смолой, так и неактивированной.

Основные результаты работы представлены в публикациях:

1. Колтыгин A.B., Цыновникова Ю.П., Митева Л.В. Измерение теплофизических свойств форм, изготовленных методом трехмерного прототипирования. // Литейное производство, 2009, № 6. с. 12-14

2. Колтыгин A.B., Цыновникова Ю.П., Иштокина О.В. Особенности моделирования усадочной микропористости. // Труды VII международного научно-технического симпозиума «Наследственность в литейных процессах». Сам ГТУ, Самара, 2008 г., с. 144-150

3. Цыновникова Ю.П., Колтыгин A.B., Блишун С.А. Особенности использования форм и стержней, получаемых методом трехмерной печати на установке S-15 в производственных условиях. // Литейное производство, 2010, №6. с. 8-11

4. Цыновникова Ю.П., Колтыгин A.B., Блишун С.А. Особенности производственного использования форм и стержней, получаемых методом трехмерной печати на установке S-15 в производственных условиях. // Литейщик России, 2010 № 8, с.

5, Колтыгин A.B., Цыновникова Ю.П., Плисецкая ИВ. О дефектах в магниевых отливках, получаемых в песчаных формах, изготовленных методом трехмерной печати. // Литейное производство, 2010 № 11, с. 6-9.

32-34.

Содержание.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Магниевые сплавы.

1.1.1 Область применения в литейном производстве.

1.1.2 Особенности плавки, заливки и кристаллизации (сплав МЛ5).

1.1.3 Характерные виды брака отливок из магниевых сплавов системы М£-А1^п.

1.2 Метод быстрого прототипирования при изготовлении форм и стержней и его применение.

1.2.1 Цели и задачи, решаемые технологией быстрого прототипирования в литейном производстве.

1.3 Изготовление литейных форм на установке 8-15 и особенности их применения.

1.3.1 Принцип работы.

1.4 Выводы и цели исследования.

Глава 2. Методики исследований и оборудование.

2.1 Определение свойств формовочной смеси, полученной методом селективного отверждения.

2.1.1 Определение зернового состава песка.

2.1.2 Определение прочности смеси на изгиб.

2.1.3 Определение прочности смеси на растяжение.

2.1.4 Определение газопроницаемости смеси.

2.1.5 Определение гигроскопичности смеси.

2.1.6 Оценка влияния прочности температуры и влажности окружающей среды на прочность смеси на изгиб.

2.1.7 Оценка влияния длительности выдержки в нормальных условиях на газопроницаемость смеси и на изменение массы образцов.

2.1.8 Определение газопроницаемости смеси по мере выгорания связующего в условиях, приближенных к реальным условиям литья

2.2 Определение теплофизических свойств селективно-отвержденных форм.

2.2.1 Определение теплопроводности.

2.2.2 Определение теплоемкости.

2.3 Оценка влияния условий хранения селективно-отвержденных форм на свойства и структуру полученных в них отливок, а так же на выбиваемость формы.

2.3.1 Конструирование литейной формы для комплексной оценки свойств смеси, использующейся в методе быстрого прототипирования моделей и форм.

2.3.3 Плавка и заливка сплава МЛ5пч.

2.4 Анализ фазовых составляющих микроструктуры сплава МЛ5пч и МЛ10.

2.4.1 Определение механических свойств сплава МЛ5пч на вырезанных образцах.

2.4.2 Анализ микроструктуры сплава МЛ5пч.

2.4.3 Оценка влияния условий хранения и термообработки форм на выбиваемость смеси.

Глава 3. Исследование материала формы, изготовленной методом трехмерной печати на установке 8-15.

3.1 Исследование характеристик и свойств компонентов селективно-отвержденной формовочной смеси.

3.1.1 Формовочные материалы: основные свойства, требования, предъявляемые к формовочным материалам.

3.2 Технологические свойства материала формы.

3.2.1 Механические свойства смеси.

3.2.1.5 Изменение гигроскопичности образцов смеси.

3.3 Свойства смеси при повышенных температурах и в условиях, приближенных к взаимодействию с металлом.

Глава 4. Особенности моделирования процессов затвердевания магниевых сплавов в формах, изготовленных методом селективной печати, с использованием пакета программ РгоСаБ!.

4.1 Теплофизические свойства материала формы.

4.1.1 Определение теплоёмкости.

4.1.2 Определение теплопроводности.

4.2 Сравнение итогов моделирования и реальных результатов заливок.

4.3 Аналитическое исследование эффективности прибылей для решения проблемы появления газоусадочной микропористости в магниевых отливках.

Глава 5. Особенности литья магниевых сплавов в формы, изготовленные методом трехмерной печати.

5.1 Сравнительный анализ качества отливок, полученных в различных формах.

5.1.1 Точность геометрии.

5.2 Сравнительный анализ жидкотекучести сплава МЛ5.

5.3 Сравнение механических свойств отливок из сплава МЛ5, полученных в селективно- отвержденную форму и кокиль.

5.4 Сравнение фазового состава структур сплава МЛ5 отливок, полученных в селективно-отвержденную форму и кокиль.

5.5 Влияние условий хранения форм на их свойства, а так же на качество поверхности, механические свойства и микроструктуру получаемых литых заготовок из сплава МЛ5.

5.5.1 Заливка и выбивка форм, подверженных различным способам подготовки. Характерные моменты.

5.5.2 Механические свойства образцов, полученных в формах подверженных различным методам подготовки к заливке.

5.5.3 Сравнительный анализ изломов металлических образцов.

5.3.4. Сравнительный анализ микроструктур.

5.3.5 Выбивка форм и газопроницаемость после заливки.

Глава 6. Исследование возможности регенерации отработанной смеси 8-15.

6.1 Обозначение проблемы.

6.2 Классификация процессов регенерации.

6.3 Поиск способа регенерации песка, использованного при построении форм на установке 8-15.

6.4 Результаты исследования.

Диссертация посвящена рассмотрению перспективного направления -исследованию особенностей получения магниевых отливок в формах, изготовленных методом трехмерной печати (селективного отверждения). Направление исследований связано с остро стоящей проблемой быстрого получения магниевых отливок для авиационной промышленности.

Основным методом производства таких отливок является литьё в кокиль с использованием песчано-смоляных стержней сложной конфигурации. Будучи широкоинтервальными, сплавы МЛ5 и МЛ 10 нуждаются в интенсивной скорости затвердевания во избежание типичного брака для этой группы сплавов - усадочной микрорыхлоты, или пористости. Литье в кокиль позволяет свести риск брака по пористости к минимуму. Этот метод хорошо зарекомендовал себя для крупносерийного производства.

Однако при производстве мелкой партии сложных отливок и, особенно, при разработке новых агрегатов, метод литья в кокиль становится малоэффективным, поскольку при отработке технологии литья, особенно сложного, вносится большое количество исправлений в конструкцию литниковой системы, что ведет к изменению технологической оснастки. Естественно, что» выполнять новый кокиль под каждый вариант затруднительно, в основном по временным затратам, но также по материальным. Идеальным решением задачи быстрого внесения изменений в технологию и быстрого изготовления формы могло бы стать применение трехмерной печати. Этот метод производства форм и стержней уже внедрен на некоторых предприятиях. В частности установка немецкой фирмы РгоМе1а1 8-15 , позволяющая изготавливать формы и стержни из смеси, похожей на холоднотвердеющую. Однако для магниевых сплавов литье в формы из такого материала не является типичным.

Актуальность затронутой в диссертации проблемы вызвана затруднениями применения в условиях мелкого и опытного производства традиционных средств и способов изготовления отливок, сложившихся в серийном производстве. Затраты на дорогую и трудоёмкую кокильную оснастку, отнесенные к небольшим партиям деталей, во много раз увеличивает себестоимость продукции, а их работоспособность используется в незначительной степени.

В условиях мелкосерийного производства должны применяться материалы и технологии, позволяющие снизить время и расходы на изготовление. Такие материалы должны обеспечивать снижение времени и расходов на изготовление отливок и, следовательно, на производство нового летательного аппарата.

Основные результаты и выводы

1. Установлена преимущественная роль вязкости газов, выделяемых при термодеструкции связующего материала форм, изготовленных методом селективного отверждения, в образовании газовых дефектов в отливках.

2. Уточнены температурные зависимости теплопроводности и теплоемкости материала форм, изготовленных методом трехмерной печати, при имеющейся неоднозначности числовых значений, необходимые для успешного моделирования процессов заливки и затвердевания отливок.

3. Уточнены предельные геометрические размеры цилиндрических прибылей для отливок из сплавов типа МЛ5 в комбинации с холодильниками, которые определяются из соотношения НПЛ1)П=2,9.

4. Показано, что отливки из магниевых сплавов системы ]У^-А1-2п, используемые для авиастроения, могут быть изготовлены методом трехмерной печати, причем качество изделий соответствует требованиям отраслевого стандарта (ОСТ 1.41154 - 86).

5. Разработаны рекомендации по хранению и подготовке к заливке форм, полученных методом селективного отверждения, к заливке на основании определения влияния внешних условий изготовления и хранения форм на качество получаемой отливки.

6. Выявлена линейная зависимость влияния длительности контакта жидкого металла с формой, полученной методом селективного отверждения, на технологические параметры: газопроницаемость, прочность на изгиб, степень термодеструкции связующего.

7. Разработана методика и технологическая инструкция оценки качества отливок с помощью бесконтактной оптической системы трёхмерной оцифровки.

8. Доказана возможность регенерации отработанной смеси с целью повторного использования песка. Определены общие режимы регенерации, которые могут быть использованы при подборе специализированного регенерационного оборудования.