автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка ресурсосберегающей технологии получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом литья по газифицируемым моделям

На правах рукописи

(

Пономарева Кира Валерьевна

РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ЯМЗ 20!5

005557242

Новокузнецк - 2014

005557242

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение, литейное и сварочное производство» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк)

Научный руководитель Деев Владислав Борисович

доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник Инжинирингового центра «Литейные технологии и материалы» НИТУ «МИСиС» (г. Москва)

Официальные оппоненты: Батышев Константин Александрович

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Машины и технологии литейного производства» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» (г. Москва)

Ри Эрнст Хосенович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Литейное производство и технология металлов» ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» (г. Хабаровск)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный

авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» (г. Рыбинск)

Защита состоится 03 марта 2015 г. в Ю00 часов в аудитории ЗП на заседании диссертационного совета Д212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровская область, ул. Кирова, 42. Факс: (3843) 46-57-92. e-mail: d212_252_04@sibsiu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», а также на сайте «http://www.sibsiu.ru/dis/index.php?show=disert&id=45».

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайте ВАК и официальном сайте СибГИУ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан « » декабря 2014 г.

Ученый секретарь ///

диссертационного совета

д.х.н., профессор / Горюшкин Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) в настоящее время является одним из эффективных и перспективных способов получения высококачественных тонкостенных отливок, обладающих заданной размерной точностью, требуемой чистотой поверхности и другими свойствами. Все более широкое распространение данная технология находит при производстве изделий из алюминиевых сплавов.

Одним из путей снижения себестоимости производства литых изделий является применение ресурсосберегающих технологий. Для алюминиевого литья способом ЛГМ востребованы ресурсосберегающие технологии с использованием повышенного количества вторичных материалов в шихте. Между тем, преобладание при плавке вторичных материалов в шихте, даже при стабильном течении технологического процесса ЛГМ может приводить к пористости, спаям и другим видам литейных дефектов и брака, что значительно снижает механические и эксплуатационные свойства готовых изделий. Технология плавки в этом случае должна включать эффективные приемы обработки расплава — рациональные температурные перегревы, позволяющие снизить его микронеоднородность, и температурные параметры литья (заливки в форму).

Степень разработанности темы

В последние годы способ ЛГМ широко распространен в промышленных технологиях производства отливок из черных и цветных сплавов, исходя из высоких показателей точности, экономической эффективности, экологической безопасности, возможности использования при заливке любых сплавов и ресурсосбережения при многократном использовании формовочного песка. Наиболее обширные исследования в этом направлении проведены Озеровым В.А., Степановым Ю.А., Шуляком B.C., Дорошенко B.C., Шинским И.О., Бер-дыевым К.Х. и др., которыми и заложены теоретические и технологические основы процесса ЛГМ. Однако применительно к получению отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ недостаточно проработана связь температурных параметров плавки и литья с другими технологическими параметрами процесса, а также со свойствами получаемых изделий.

Цель работы. Разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ с использованием рациональных температур плавки и литья при повышенном содержании вторичных материалов в шихте.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать и исследовать технологический процесс получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ с использованием рациональных температурных параметров плавки и заливки в литейную форму и плотности пенополистироловых моделей.

2. Исследовать механические свойства, герметичность и качественные показатели тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ, при изменяющихся температурных параметрах плавки и литья, с использованием повышенного количества вторичных материалов в шихте.

3. Выполнить статистическую обработку экспериментальных данных с целью получения математических моделей для описания эффективных технологических режимов получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ.

4. Исследовать влияние параметров термоскоростной обработки (ТСО) расплава на механические свойства и герметичность тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ.

5. На основании проведенных исследований разработать и реализовать в производственных условиях ресурсосберегающую технологию получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ с преобладанием вторичных материалов (лом, отходы), включающую ТСО расплава.

Научная новизна

1. Впервые комплексно изучены и научно обоснованы рациональные температурные параметры плавки и заливки в литейную форму алюминиевых сплавов для тонкостенных отливок, полученных способом ЛГМ, при использовании ресурсосберегающей технологии с повышенным количеством вторичных материалов в шихте.

2. Установлено, что получение тонкостенных высококачественных отливок из алюминиевого сплава АК7 способом ЛГМ обеспечивается использованием пенополистирола с плотностью 0,022...0,024 г/см3.

3. Получены аналитические зависимости влияния выдержки расплава в плавильном агрегате и количества вторичных материалов в шихте на прочность и герметичность тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, изготовленных способом ЛГМ.

4. Получена статистическая модель, основанная на новом применении известного метода логистической регрессии, связывающая температурные параметры плавки, заливки расплава в литейную форму и время выдержки в плавильном агрегате, долю вторичных материалов в шихте и качественные бинарные показатели: чистоту поверхности, размерную точность, пористость отливок и прожигаемость пенополистироловых моделей.

5. Установлены новые закономерности влияния параметров ТСО расплава на уровень механических свойств и герметичности тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ, при использовании 85...90 % вторичных материалов в шихте.

Теоретическая и практическая значимость работы

Результаты работы расширяют представление о технологическом процессе получения тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ с использованием рациональных температурных параметров плавки и заливки расплава в литейную форму. Установлено, что за счет определенных температур перегрева и литья повышаются герметичность и механические свойства, а также качественные показатели отливок, полученных по газифицируемым моделям.

Создана компьютерная модель для расчета плотности полистироловых моделей на основе данных натурного эксперимента (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2014617027).

Разработана и реализована в производственных условиях ресурсосберегающая технология получения высококачественных тонкостенных герметичных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ, с преобладанием вторичных материалов в шихте (до 85...90 %), включающая ТСО расплава.

Реализация результатов работы

Результаты работы апробированы и внедрены на ООО «НПП Вектор машиностроения» (г. Новокузнецк) с экономическим эффектом — 15 тыс. руб. на тонну годного литья, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (г. Новокузнецк) при подготовке бакалавров по направлению 150400.62 Металлургия, профиль «Технология литейных процессов».

Методология и методы исследования

Работа выполнена с применением современных методов исследования химического состава, герметичности и механических свойств сплавов; математического моделирования поставленных задач.

Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей влияния температурных параметров плавки и заливки в литейную форму на герметичность, механические и качественные показатели тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ, при преобладании вторичных материалов в шихте.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования влияния температурных параметров плавки и заливки расплавов на качественные показатели, содержание неметаллических включений, герметичность и механические свойства тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ, с использованием вторичных материалов в шихте.

2. Результаты исследования влияния плотности пенополистирола на качество поверхности, жесткость, прожигаемость газифицируемых моделей и появление литейных дефектов при получении тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов.

3. Результаты исследования влияния параметров ТСО расплава на механические свойства и герметичность тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ.

4. Результаты промышленной реализации разработанной ресурсосберегающей технологии получения герметичных тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ, включающей ТСО расплава, с преобладанием вторичных материалов в шихте.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность экспериментальных данных, выводов и рекомендаций основывается на использовании современных методов и методик исследования металлических сплавов, применении аппарата математической статистики для обработки полученных результатов, эффективности предлагаемой технологии, подтвержденной результатами промышленных испытаний и их внедрением в производство. Текст диссертации и автореферата проверен на отсутствие плагиата с помощью программы «Антиплагиат.РГБ».

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены: на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (г. Новокузнецк, 2012 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2012, 2013 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации,

качество» (г.Новокузнецк, 2013, 2014 г.г.); VII Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (г. Москва, 2013 г.); XI Съезде литейщиков России (г. Екатеринбург, 2013 г.); X Международном конгрессе «Машины, технологии, материалы» (Варна, Болгария, 2013 г.); 10-й Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2014 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 19 печатных работах, в том числе, в 3 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, в 1 свидетельстве о государственной регистрации компьютерных программ для ЭВМ.

Личный вклад автора

Автору принадлежит научная постановка задач исследования, проведение опытных плавок, исследование технологического процесса получения отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ с определением рациональных температурных параметров плавки и заливки в литейную форму, изучение герметичности и механических свойств алюминиевых сплавов и тонкостенных отливок из них, обработка и анализ полученных результатов, формулирование выводов.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пункту 3 «Исследование влияния обычных, наномоди-фицирующих, электрических, магнитных, механических и других видов обработки на свойства расплавов, отливок и литейных форм» и пункту 11 «Ресурсосбережение в литейном производстве» паспорта специальности 05.16.04 — Литейное производство (технические науки).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Изложена на 120 страницах, содержит 13 таблиц, 25 рисунков. Список литературы составляет 133 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные особенности технологического процесса литья по газифицируемым моделям; показаны перспективность и эффективность этого метода, а также сложности и недостатки получения отливок из черных и цветных сплавов. Отмечено, что отсутствуют сведения о влиянии температурной обработки расплава (высокотемпературный перегрев, термовременная обработка, термоскоростная обработка и др.) на свойства тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, получаемых способом ЛГМ.

Проанализированы основные пути ресурсосбережения в современном производстве при получении тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов. Показано, что одним из простых и эффективных приемов является регулирование температурных параметров плавки, которое позволяет решить вопросы ресурсосбережения, связанные с использованием повышенного количества вторичных материалов. Однако из-за недостаточной изученности процесса, использование таких ресурсосберегающих технологий для отливок из алюминиевых сплавов, получаемых способом ЛГМ, требует обоснования их применения и подбора рациональных параметров плавки и литья.

На основании анализа литературных данных сделаны выводы, поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе приведена методика проведения исследований. Объектами исследований были промышленные алюминиевые сплавы двух основных систем: Al-Si-Mg (сплав АК7, АК12) и Al-Si-Cu (сплав АК9М2). Все сплавы по химическому составу соответствовали ГОСТ 1583-93. Для их приготовления использовали чушковые алюминиевые сплавы, вторичные материалы этих же сплавов — лом деталей, отходы литейного и механического цехов. Вторичные материалы во всех вариантах содержали по объему: 50...55 % — мелкого лома и отходов сплавов, 45...50 % — брикетированной стружки соответствующих сплавов. Все отходы были предварительно очищены и обработаны в соответствии с существующими требованиями.

Экспериментальные плавки проводили в производственных условиях в печах ИСТ-0,06, ИСТ-0,16. В плавках варьировали температуры перегрева и заливки расплава в литейные формы, а также время выдержки при температуре перегрева. Заливку в литейные формы осуществляли через стеклосетку фильтровальную марки ССФ-0,6.

Для формовки применялся кварцевый песок 2Ki0302. При изготовлении газифицируемых моделей использовался полистирол фирмы STYROCHEM. Для вспенивания полистирола и получения моделей применяли автоклав ГК-100-ЗМ. Готовые пенополистироловые модели обрабатывали покрытием PolytopAL2. Модельные блоки помещали вертикально в подвешенном состоянии в опоку размером 700x700x700. Засыпку песка в опоку проводили одновременно с ее вибрацией (частота ~ 36 Гц), которую осуществляли на опоке посредством закрепленных на ней 2-х электрических вибраторов (3000 об/мин). Затем опоку накрывали пленкой, размещали заливочное устройство, вакуумировали литейную форму и производили заливку расплава. После охлаждения осуществляли выбивку отливок, опиловку, пескоструйную зачистку. Для выявления качественных показателей литья оценивали чистоту поверхности и размерную точность отливок. Исследования в работе проводили на тонкостенных отливках (с толщиной стенки 5... 10 мм), входящих в номенклатуру ООО «НПП Вектор машиностроения» (г. Новокузнецк).

Контроль химического состава сплавов и содержания неметаллических включений осуществляли на рентгенофлуоресцентном волнодисперсионном спектрометре последовательного действия XRF-1800 (Shimadzu, Япония). Металлографические исследования проводилось с помощью инвертированного металлографического микроскопа OLIMPUS GX-51.

Механические свойства и пористость определяли на стандартных образцах согласно ГОСТ 1583-93, полученных ЛГМ. Герметичность исследовали по критерию гидропрочности на специальной установке на пробах-стаканчиках с толщиной стенки 4 мм, полученных способом ЛГМ.

Полученные результаты обрабатывались с использованием стандартного пакета прикладных программ Microsoft Excel, при помощи пакета программ Statistika 6.0 и SPSS 13.0, а также с помощью специально разработанного в среде визуального программирования Delphi 2007 for Win32 incl UPDATE 1 программного приложения.

В третьей главе представлены результаты исследований герметичности и механических свойств алюминиевого сплава АК7 и тонкостенных отливок «Крышка корпуса газоанализатора», полученных способом ЛГМ в условиях ООО «НПГТ Вектор машиностроения», при изменяющихся температурных параметрах плавки и литья, с использованием повышенного количества вторичных материалов в шихте (50...55 % лома и отходов). Также приведены результаты исследования влияния различной плотности пенополистироловых моделей на качество литья и определены эффективные технологические режимы производства отливок способом ЛГМ.

Требования, предъявляемые к отливке «Крышка корпуса газоанализатора» — чистота поверхности, размерная точность, герметичность, прочность; к микроструктуре требования не предъявляются.

Анализ дефектов данных отливок показал, что существует необходимость выбора рациональных температурных параметров плавки и заливки расплава в литейную форму. Для обеспечения минимизации затрат на производство изделий целесообразно использовать повышенное количество вторичных материалов в шихте, при этом следует уделять внимание температуре перегрева, времени выдержки расплава, температуре заливки в литейную форму.

При плавках в печах ИСТ-0,06 варьировали температуру перегрева 7"пеР расплава от 800 до 1000 °С с шагом ~ 50 °С. Температура заливки ТЗАЛ расплава в зависимости от варианта плавки варьировалась от ~ 800 до ~ 900 °С.

Если в одной серии в 4 «кустах» из 32 отливок (рисунок 1, а) более 3 отливок суммарно или по отдельности не удовлетворяли тому или иному требуемому показателю, то вариант перегрева и заливки считался «неэффективным» для данной технологии. Если в каком-либо варианте в любой серии наблюдалась недостаточная прожигаемость пенополистирольного модельного блока в любой его части, то вариант технологии относили к «неэффективным». Кроме того, если в каком-либо варианте в любой серии из случайной выборки 10 годных отливок хотя бы 1 отливка имела по пористости балл выше 3-го (определенный согласно ГОСТ 1583-93), то этот вариант технологии также считался «неэффективным».

а б в

Рисунок 1 - Отливка «Крышка корпуса газоанализатора» и пенополистироловые модели для нее с разной плотностью: а — «кусты» готовых отливок; б — модель с плотностью 0,017 г/см3; в - модель с плотностью 0,024 г/см3

Влияние температуры перегрева (Ггшр) и заливки (ТЗАЛ) расплава на качественные показатели отливок в ходе проведения нескольких серий производственной апробации показано в таблице 1.

Таблица 1 — Влияние температуры перегрева и заливки расплава на качество отливок (по 3 сериям каждого варианта технологии плавки и заливки)

Вариант Тпер, °С 7"зал, °С Качественные показатели отливок Пористость Прожига-емость1 Заключение по технологии2

Чистота поверхности1 Размерная точность1

1 990..1000 870... 880 - + есть + -

2 820... 830 + + есть + -

3 780...790 - - есть - -

4 940... 950 870... 880 + - есть + -

5 820..830 + + нет + +

6 780...790 - - есть - -

7 880... 890 870...880 + + есть + -

8 820...830 + + нет + +

9 780...790 - - есть - _

10 830...840 820. .830 + + есть + -

11 780... 790 - - есть + -

12 790... 800 780... 790 - - есть + -

1 «+» - удовлетворительная; «-» - неудовлетворительная; 2 «+» - эффективная; «-» - неэффективная

Экспериментальные результаты показывают (таблица 1), что из 12 вариантов технологии плавки и заливки расплава эффективными являются варианты 5 и 8. Следует отметить, что варианты 2 и 7 по показателям размерной точности и чистоте поверхности отливок удовлетворяют необходимым требованиям, но не соответствуют по пористости. Это объясняется тем, что достаточно высокие температуры плавки и заливки положительно влияют на изменение уровня микронеоднородности расплава, но приводят к повышению содержанию неметаллических включений и не позволяют реализовать эффективные существующие способы рафинирования флюсами. А применяемая технология рафинирования расплава через ССФ-0,6 не обеспечивает необходимой очистки от неметаллических включений и газов, что и приводит к пористости выше 3-го балла.

Что касается варианта 10, то следует отметить, что, несмотря на удовлетворительные показатели по размерной точности и чистоте поверхности отливок, также наблюдается повышенная пористость исследуемых образцов. Очевидно, это связано с тем, что в этом варианте технологии применяется недостаточная высокая температура перегрева расплава, которая не позволяет нивелировать нежелательное влияние на качество литья повышенного количества используемых при плавке вторичных материалов.

Таким образом, наиболее рациональным вариантом в данных технологических условиях является вариант 8, при котором Гпер составляет ~ 880. ..890 °С, а ГЗАЛ составляет ~ 820...830 °С. Вариант 5, при тех же положи-

тельных показателях качества литья, имеет большую температуру перегрева расплава по сравнению с вариантом 8, что будет экономически более затратно.

На рисунке 2 приведены результаты исследования влияния температурных режимов плавки и заливки сплава АК7 на содержание неметаллических включений (у-А1203) в исследуемых тонкостенных отливках. Содержание неметаллических включений определяли на специально подготовленных образцах (из залитых проб). По каждому варианту технологии плавки и заливки отрабатывали 3 серии. Таким образом, содержание неметаллических включений (у-А120з) по конкретному варианту определяли как среднее арифметическое из 96 проб.

Приведенные результаты показывают (рисунок 2), что из реализованных 12 вариантов технологии плавки и заливки расплава наиболее эффективными с точки зрения минимизации содержания неметаллических включений (у-А12Оэ) в сплаве АК7 также являются варианты 5 и 8, которые обеспечивают требуемое снижение уровня микронеоднородности, но не приводят к повышенному содержанию неметаллических включений. Это объясняется рациональной величиной температуры перегрева и заливки расплава в литейную форму.

Температура заливки ■ - 870...880'С □ - 820...830 °С 0 -780...790'С

Рисунок 2 — Влияние температуры перегрева и заливки расплава на содержание неметаллических включений (у-А12Оъ) в тонкостенных отливках из сплава АК7,

полученных способом ЛГМ

Кроме того, существенное влияние на качество отливок может оказывать время выдержки расплава при температуре перегрева. На основе полученных экспериментальных данных о влиянии времени выдержки расплава (т) и количества вторичных материалов в составе шихты (% вт) на прочность (св) и герметичность (Г) тонкостенных отливок «Крышка корпуса газоанализатора», полученных способом ЛГМ, была проведена статистическая обработка выявленных зависимостей с целью математического описания наблюдаемых результатов.

Изменение прочности и герметичности сплава в зависимости от времени выдержки расплава (т) и состава шихты (% в/71) описываются регрессионными уравнениями в виде полинома второй степени вида:

ств = 192,9 + 3,55 ■ т - 0,20094 ■ т2 — 0,429 • % еда + 0,0025 • % вт2 (1)

(Fp = 45,3 > FT№ = 3,49; р=0,01; Д2=0,941; 0< т < 13; 0 <% вт < 80).

Г = 11,9 + 0,42 • т - 0,02466 ■ т2 - 0,03 • %ети + 0,00011 -%вт2 (2)

(F, = 75,8 > Ftab = 3,49; /т=0,01; Л2=0,903; 0< т < 13; 0 < % вт < 80).

На рисунке 3 приведены результаты расчета по (1), (2) и эксперимента по исследованию влияния состава шихты и времени выдержки расплава при 7*Шр = 880...890 °С и ГЗАЛ = 820...830 °С на прочность и герметичность тонкостенных отливок «Крышка корпуса газоанализатора» из сплава АК7. Согласно рисунку 3, при всех вариантах состава шихты и времени выдержки расплава в печи около 9 мин прочность и герметичность отливок имеют точку перегиба регрессионной кривой — точку максимума изучаемых свойств, что объясняется равномерной мелкозернистой структурой отливок и связано с более однородным состоянием расплава перед кристаллизацией. Полученные результаты также подтверждались микроструктурными исследованиями. Время выдержки расплава т < 5 мин не оказывает значительного влияния на уровень прочности и герметичности отливок, т > 10 мин, - приводит к повышенному содержанию газов в расплаве, что способствует образованию пористости при кристаллизации и некоторому снижению прочности и герметичности отливок.

аВ( мпа 100% чуш. материалов г,мпа сгв, мпа 30% вт.+70% чуш. материалов г, мпа

• у • - - —. \ N

// о

a

11 210

12 190

--------

•у У

б

Т, мин

g8j мпа 50% em.+50% чуш. материалов г.мпа as мпа 80% вт.+20% чуш. материалов г, мпа

г в

170

v

г г

0 3 6 9

X, мин

- расчет; • - эксперимент --расчет; 0 — эксперимент

о 3 6 9 12 15

т, мин

прочность (а,), МПа:-

герметичность (Г), МПа:

Рисунок 3 - Влияние времени выдержки расплава (т) при температуре перегрева (Тпер) на прочность и герметичность тонкостенных отливок «Крышка корпуса газоанализатора», полученных способом ЛГМ

Одной из проблем при ЛГМ является качество газифицируемых моделей. Было проведено исследование влияния плотности пенополистирола на качество поверхности, жесткость, прожигаемость газифицируемых моделей и образование литейных дефектов в герметичных тонкостенных отливках «Крышка корпуса газоанализатора» из сплава АК7, полученных по варианту 8 согласно таблицы 1. Шихта содержала 50...55 % вторичных материалов.

Плотность моделей определяли на основе данных натурного эксперимента (свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2014617027). Соответственно, исследовали влияние на качество отливок следующих значений плотности моделей: 0,017; 0,019; 0,022; 0,024; 0,026 г/см3. Если в одной серии в 4 «кустах» из 32 отливок более 3 отливок суммарно или по отдельности имели по одному или нескольким литейным дефектам, то последние фиксировали и при этом считали, что исследуемая плотность пенополистироловой модели приводит к дефектному литью.

Экспериментальные результаты показывают (таблица 2), что при плотности 0,022...0,024 г/см3 обеспечивается удовлетворительное качество поверхности, жесткость, прожигаемость моделей расплавом и, как следствие, получение отливок без литейных дефектов. Это объясняется наиболее полным протеканием процесса деструкции пенополистироловой модели данной плотности в литейной форме при рациональной температуре заливки расплава (820...830 °С).

Таблица 2 - Влияние плотности пенополистирола на характеристики газифицируемых моделей и качество отливок

Плотность пенополистирола1, г/см3 Характеристика модели Дефекты в отливках

Качество поверхности2 Жесткость2 Прожигаемость2

0,017 - - + 1) Несоответствие по геометрическим размерам 2) Неудовлетворительная литейная поверхность (не читается литой текст)

0,019 + - + Несоответствие по геометрическим размерам

0,022 + + + Литейных дефектов нет

0,024 + + + Литейных дефектов нет

0,026 + + - 1) Спай 2) Недолив

1 среднее значение по 128 моделям (4 плавок каждого варианта) * «+» - удовлетворительная; «-» - неудовлетворительная

На рисунке 1 показаны готовые пенополистироловые модели для отливок «Крышка корпуса газоанализатора» с плотностью 0,017 г/см3 (рисунок 1, б) и 0,024 г/см3 (рисунок 1, в). Можно наблюдать, что недостаточная плотность модели приводит к ее «зернистости» (рисунок 1, б).

На основе экспериментальных данных для сплава АК7 была выполнена статистическая обработка и получены расчетные коэффициенты бинарной логистической регрессии, связывающие параметры плавки и заливки расплава в литейную форму, время выдержки в печи, а также долю вторичных материалов в

составе шихты и качественные бинарные показатели: чистоту поверхности размерную точность (г2), пористость отливок (г3) и прожигаемость моделей (г4).

Для получения качественной отливки способом ЛГМ необходимо выполнение следующего условия:

1

J ^-0,014 ГПЕР-0,049 ГЗЛЛ-0,016 г+0,011%«м+43,816

>0,5;

1 + е

Ч),015ТПЕр-0,014Тзлл-0,200-г+0>020-%вт+23,212 >

1

J + eO,001-rnFp-0,011-r3AJI+0,443-r+0,067-%em-4,310 1

1 + е

-0,0024ТПЕР-0,129-Гзлл-0,054-г+0,044-%вт+98,849

>0,5 >0,5.

(3)

Все полученные регрессионные модели адекватны (Fp = 47,81 > FTAE = 3,49): осуществляют прогноз с точностью более 80 %.

На основании полученных бинарных логистических моделей средствами Delphi с помощью метода последовательного перебора с установленными ограничениями был выполнен комплекс расчетов, который позволил сформировать базу данных технологических режимов, обеспечивающих получение качественных тонкостенных отливок.

Для выделения компактных, удаленных друг от друга вариантов эффективных технологических режимов литья и разбиения совокупности на области их скопления был использован кластерный анализ. Количество кластеров определяли на основе квадрата евклидового расстояния, определенного с использованием стандартизованных значений. В таблице 3 приведены центры выявленных кластеров, что соответствует наиболее схожим между собой внутри каждой из групп вариантам технологических режимов получения качественных отливок способом ЛГМ.

Таблица 3 - Варианты эффективных технологических режимов получения качественных тонкостенных отливок

Технологические показатели Вариант технологического режима

1 2 3

Тпер, °С 1021 838 917

Тзал, °С 825 795 830

т, мин 9 0 7

%вт 76 3 44

Затраты, руб

Электроэнергия на плавку 1 т сплава 3403 2898 3038

Шихтовые материалы 50360 78830 62840

Е 53766 81728 65878

Результаты расчета по моделям (3), приведенные в таблице 3, показали хорошее соответствие с экспериментально определенными технологическими показателями: составом шихты, временем выдержки, температурными параметрами плавки и литья. Кроме того, расчет экономических показателей и их

анализ в сочетании с технологическими показывает, что при существующих ценах на шихту и электроэнергию оптимальным с точки зрения затрат является вариант 1, а в условиях изменяющегося рынка и в случае изменения цен можно без потерь перейти на вариант 3.

Таким образом, анализ экспериментальных и теоретических результатов показал, что при применении данной ресурсосберегающей технологии (50...55 % вторичных материалов в шихте) получения высококачественных тонкостенных отливок способом ЛГМ должны соблюдаться рациональные температурные параметры плавки и литья: Тш? ~ 880...890 °С с т ~ 8...10 мин и ?зал ~ 820...830 °С, а необходимая плотность пенополистироловых моделей составлять ~ 0,022...0,024 г/см3. При использовании повышенного количества вторичных материалов в шихте (свыше 55 %) необходимо корректировать температурные параметры плавки, увеличивая степень перегрева расплава.

В четвертой главе рассмотрена разработанная ресурсосберегающая технология получения тонкостенных герметичных отливок из алюминиевых сплавов АК7, АК12, АК9М2 (ГОСТ 1583-93) способом ЛГМ, включающая ТСО расплава, с преобладанием вторичных материалов в шихте (85...90 %); а также результаты реализации этой технологии в производственных условиях ООО «НПП Вектор машиностроения».

В промышленных технологиях литья известно, что высокотемпературный тип структуры ближнего порядка расплава (эффект перегрева) можно зафиксировать его быстрым охлаждением перед заливкой путем термоскоростной обработки (ТСО). Эффект ТСО связан с тем, что скорость структурных превращений в жидкой фазе достаточно низкая, несмотря на сравнительно большие скорости процессов диффузии, поэтому быстрое охлаждение расплава может в значительной степени подавлять трансформацию кластеров. ТСО расплава оказывает эффективное модифицирующее влияние на алюминиевые сплавы - позволяет получить мелкозернистую структуру и повышенные механические свойства отливок.

Быстрое охлаждение расплава достигается добавками твердой шихты, соответствующими получаемому сплаву по химическому составу (это могут быть добавки чушкового сплава, кокильный лом и т.д.). Данные добавки создают модифицирующий эффект, внося микронеоднородности меньших масштабов и активированные нерастворимые примеси, являющиеся потенциальными центрами кристаллизации.

Комплексное исследование влияния температурно-временных параметров плавки при реализации ТСО на качественные показатели тонкостенных отливок (чистоту поверхности, размерную точность, пористость) из алюминиевых сплавов АК7, АК12, АК9М2 показало, что при данном составе шихты (85...90 % вторичных материалов) рациональным является ГПЕр ~ 990... 1000 °С, а время выдержки при Гпер ~ 5... 10 мин.

Во всех экспериментах ТЗАЛ, до которой расплав охлаждали введением предварительно измельченного чушкового сплава (10... 15 %), составляла 820...830 °С. Рафинирование осуществляли через ССФ-0,6 при заливке в литейную форму.

Результаты влияния данной ресурсосберегающей технологии получения алюминиевых сплавов АК7, АК12, АК9М2 на механические свойства и герме-

тичность тонкостенных отливок показано в таблице 4. Также приведены механические свойства отливок, полученных по существующей на предприятии технологии плавки (с содержанием в шихте не более 35...40 % вторичных материалов), которая заключалась в том, что высокотемпературный перегрев не проводили, а нагревали расплавы только до 880...890 °С, при этом до ТЗАЛ (820. ..830 °С) расплав охлаждался вместе с печью.

Таблица 4 - Влияние ТСО (Гпер = 990... 1000 °С, т = 5... 10 мин) расплава на качество отливок из алюминиевых сплавов, полученных способом ЛГМ

Сплав Тонкостенная отливка Технология плавки Свойства отливок

Пористость, балл Чистота поверхности2 Размерная точность2 ств, МПа 5, % Герметичность, МПа

АК7 Корпус Существующая1 4-5 - + 174... 185 2,2... 2,6 11,0

ТСО 3 + + 203...210 3,3...3,5 12,3

АК12 Корпус Существующая' 4-5 - + 181...190 4,1...4,5 12,2

ТСО 3 + + 214...220 6,7...7,2 14,0

АК9М2 Вкладыш Существующая1 3-4 + - 200...207 1,5...1,8 13,3

ТСО 2-3 + + 227... 233 2,1...2,3 15,2

1 Перегрев до 880...890 °С; до температуры заливки расплав охлаждался вместе с печью; шихта содержала 35...40 % вторичных материалов. 2 «+» - удовлетворительная; «-» - неудовлетворительная.

Согласно таблице 4, механические свойства отливок после ТСО, по сравнению с отливками, полученными по существующей технологии, повысились (в среднем): для отливок «Корпус» из сплава АК7 временное сопротивление разрыву ав - на 13,5...16,7%, относительное удлинение ô - на 35...50%; герметичность — на 11,8 %; для отливок «Корпус» из сплава АК12 ств - на 15,8...18,2 %, 5- на 60...63 %; герметичность - на 14,8 %; для отливок «Вкладыш» из сплава АК9М2 ав - на 12,6... 13,5 %, 5-на 28...40 %; герметичность - на 14,3 %.

Внедрение ресурсосберегающей технологии в условиях ООО «НПП Вектор машиностроения» при выплавке сплавов АК7, АК12, АК9М2 с применением ТСО и изготовлении высококачественных тонкостенных герметичных отливок способом ЛГМ позволило получить за счет увеличения (до 85...90% в шихте) количества вторичных материалов экономический эффект ~ 15 тыс. руб. на тонну годного литья.

В Приложении приведены справки об использовании результатов работы в производственной и учебной деятельности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты работы расширяют представления о технологическом процессе получения алюминиевых отливок способом ЛГМ с использованием рациональных температурных параметров плавки и заливки расплавов в литейную

форму. Установлено, что за счет определенных температур перегрева и литья повышаются герметичность и механические свойства, а также качественные показатели отливок, полученных по газифицируемым моделям.

2. Показано, что при использовании в шихте повышенного количества вторичных материалов (50...55 %) температурные параметры плавки и заливки алюминиевых сплавов (ГпеР = 880...890 °С при т = 8...10 мин; ГЗАл = 820...830°С) в литейную форму обеспечивают минимальное содержание неметаллических включений (у-А1203) и требуемые показатели прочности и герметичности у тонкостенных отливок из сплава АК7, полученных способом ЛГМ. Получены аналитические зависимости, связывающие прочность и герметичность отливок, с выдержкой расплава в плавильном агрегате и количеством вторичных материалов в шихте.

3. Установлено, что использование пенополистироловых моделей с плотностью 0,022...0,024 г/см3, обладающих требуемыми качеством поверхности, жесткостью и прожигаемостью, способствует минимизации литейных дефектов и получению из алюминиевых сплавов тонкостенных отливок с заданными свойствами.

4. Получены расчетные коэффициенты статистической модели, построенной с применением методов логистической регрессии и связывающей параметры плавки и заливки расплава в литейную форму, время выдержки в плавильном агрегате, долю вторичных материалов в шихте и качественные бинарные показатели: чистоту поверхности, размерную точность, пористость отливок и прожигаемость моделей. На основе коэффициентов рассчитаны 3 варианта эффективных технологических режимов получения качественных тонкостенных отливок из сплава АК7 способом JITM, с содержанием вторичных материалов в шихте 3, 44 и 76 %. Выбор того или иного варианта обуславливается рыночной ценой на шихтовые материалы и электроэнергию, обеспечивая минимальную себестоимость годного литья.

5. Определены рациональные параметры ТСО расплавов (ТпЕР = 990...1000 °С, х = 5...10мин) при получении тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов способом ЛГМ. Использование ТСО (при 85...90 % вторичных материалов в шихте) обеспечивало у отливок требуемую чистоту поверхности и размерную точность, минимальную пористость, повышенный уровень механических свойств и герметичности.

6. В производственных условиях разработана и внедрена ресурсосберегающая технология получения тонкостенных герметичных отливок из алюминиевых сплавов АК7, АК12, АК9М2 способом ЛГМ с преобладанием вторичных материалов в шихте (до 85...90 %), включающая ТСО расплава. Технология способствовала повышению уровня свойств отливок (в среднем): у сплава АК7 временное сопротивление разрыву ав - на 13,5...16,7 %, относительное удлинение 5-на 35...50 %; герметичность - на 11,8 %; у сплава АК12 ств-на 15,8... 18,2 %, 5 - на 60...63 %; герметичность - на 14,8%; у сплава АК9М2 ств - на 12,6...13,5 %, 5 - на 28...40 %; герметичность - на 14,3 %. Экономический эффект от внедрения технологии составил ~ 15 тыс. руб. на тонну годного литья.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Деев, В.Б. Содержание неметаллических включений в алюминиевых сплавах при изменяющихся температурных режимах плавки и заливки /

B.Б. Деев, A.B. Прохоренко, К.В. Пономарева // Известия вузов. Черная металлургия. - 2014.-№ 2. - С. 68-69.

2. Деев, В.Б. Температурные режимы плавки и заливки AL-сплавов при литье по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин [и др.] // Литейное производство. - 2014. - № 3. - С. 25-27.

3. Деев, В.Б. Термоскоростная обработка алюминиевых сплавов при литье по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, К.В. Пономарева [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. — 2014. - № 4. - С. 38^10.

Научные статьи, опубликованные в периодических изданиях и труды научно-практических конференций:

4. Деев, В.Б. Физические воздействия на расплавы и качество получаемых алюминиевых сплавов / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.B. Прохоренко [и др.] // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всеросс. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Новокузнецк: СибГИУ, 2012. - Вып. 16. Ч. II. Естественные и технические науки. — С. 80—83.

5. Деев, В.Б. Особенности использования лома и отходов при получении качественных литейных алюминиевых сплавов / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин,

C.А. Цецорина., К.В. Пономарева [и др.] // Теория и практика литейных процессов: Труды Всеросс. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2012.-С. 83-87.

6. Деев, В.Б. Эффективная технология получения алюминиевого литья по газифицируемым моделям с термоскоростной обработкой расплава / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин [и др.] // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: Труды XVII Всеросс. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013. - С. 178-181.

7. Деев, В.Б. Получение алюминиевого литья по газифицируемым моделям с регламентированными температурными режимами плавки / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин [и др.] // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: Труды XVII Всеросс. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013.-С. 187-191.

8. Деев, В.Б. Ресурсосберегающая технология получения отливок из алюминиевых сплавов при литье по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин [и др.] // Ползуновский альманах. - 2013. - № 2. - С. 43^46.

9. Деев, В.Б. Технология плавки алюминиевых сплавов при литье по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, A.C. Юдин, К.В. Пономарева [и др.] // Прогрессивные литейные технологии: Труды VII Междунар. науч.-практ. конф. - М.: НИТУ МИСиС. Лаборатория рекламы и печати, 2013. - С. 153-156.

10.Деев, В.Б. Термоскоростная обработка расплава в ресурсосберегающих технологиях литья / В.Б. Деев, С.А. Цецорина, И.Ф. Селянин, A.C. Юдин, К.В. Пономарева // Труды одиннадцатого Съезда литейщиков России. - Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. - С. 109-112.

П.Деев, В.Б. Повышение чистоты поверхности и размерной точности отливок из алюминиевых сплавов, полученных по газифицируемым моделям /

B.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин [и др.] // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: труды Всеросс. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Сиб. гос. ун-т; Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013. - Вып. 17. - Ч. И. Технические науки. - С. 107-110.

12.Деев, В.Б. Содержание неметаллических включений в алюминиевых сплавах при литье по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, К.В. Пономарева,

C.А. Цецорина [и др.] // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. - 2014. -№ 32 - С. 76-78.

13. Деев, В.Б. Исследование влияния термоскоростной обработки расплава на механические свойства алюминиевых сплавов, изготовленных методом ЛГМ / В.Б. Деев, И.Ф. Селянин, К.В. Пономарева [и др.] // Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. -2014. —№ 32 - С. 89-93.

14. Деев, В.Б. Исследование влияния плотности полистироловых моделей на качество отливок из сплава АК7 / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, A.C. Юдин // Литейное производство сегодня и завтра: Труды 10-й Междунар. науч.-практ. конф. - СПб.: Изд-во Культ-информ-пресс, 2014. - С. 313-319.

15.Деев, В.Б. Влияние времени выдержки при оптимальной температуре перегрева расплава на прочность, герметичность и содержание неметаллических включений в тонкостенных отливках их сплава АК7, полученных способом ЛГМ / В.Б. Деев, К.В. Пономарева, А.И. Куценко [и др.] // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: Труды XVIII Всеросс. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2014. - С. 140-145.

16. Деев, В.Б. Определение оптимальных технологических режимов производства отливок способом литья по газифицируемым моделям / В.Б. Деев, А.И. Куценко, К.В. Пономарева [и др.] // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: Труды XVIII Всеросс. науч.-практ. конф. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2014. - С. 145-150.

Научные статьи, опубликованные в зарубежных изданиях:

17. Deev, V. Applying of thermo-speed treatment of the alloy in industry casting technologies / V. Deev, S. Tsetsorina, A. Yudin, K. Ponomareva, V. Alkhimov // 10th International congress "Machines, technologies, materials" (18-20 September 2013 Varna, Bulgaria). - 2013. - Volume 2 - P. 30-31.

18. Deev, V.B. / Fast cooling of aluminum alloys in casting with a gasifying core / V.B. Deev, I.F. Selyanin, K.V. Ponomareva, A.S. Yudin, S.A. Tsetsorina // Steel in translation. - 2014. T44. - № 4. - P. 253-254.

Свидетельства на официальную регистрацию программ для ЭВМ в государственном реестре:

19. Свид. РФ о гос. per. прогр. для ЭВМ № 2014617027. Расчет оптимальной плотности пенополистироловых моделей / В.Б. Деев, С.А. Цецорина, К.В. Пономарева, A.C. Юдин // Заявка № 2014612497. Приоритет 19.03.2014 г. Опубл. 20.08.2014 г.

Подписано в печать 25.12.14 г.

Формат бумаги 60x80 1/16. Бумага офисная. Печать цифровая Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,30. Тираж 100 экз. Заказ 785 654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ