автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка технологии отливок из пористого алюминия

I ___- . На правах рукописи

ФИНКЕЛЪШТЕЙН Аркадий Борисович

•РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ПОРИСТОГО АЛШИНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук .

Еизтеривб.ург *< 1056

Работа выполнена на кафедре "Литейное производство" Уральского государственного технического университета-УПИ

доктор технических наук, профессор Фурман Е.Л.

доктор технических наук, профессор Чуркин Б.С/,

кандидат технических наук Хигер Б.С.

Ведущее предприятие - ГО "Ураятрансмаш" (г.Екатеринбург)

Защита состоится "_"_ 1996 г. в "_" часов

на заседании специализированного совета Д 063.14.01 при Уральском государственном техническом университете - УПИ по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Ыира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой" печатьк>7 просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, уд.Мира, 19.

Автореферат разослан""__"_. 1996 г.

** /»

Ученый се1фетарь специализированного совета Д 063.14.01

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Преодоление промышленностью России затяжного структурного кризиса должно быть основано прежде всего на применении высоких технологий. Такой подход позволяет наиболее полно использовать самое большое богатство российского народа - его интеллект.

Одной из наиболее прогрессивных, бурно развивающихся технологий в современной промышленности, является производство композиционных материалов. Композиционные материалы состоят из двух и более взаимопроникающих компонентов, имеющих внутреннюю макроструктуру. Пористые проницаемые материалы представляют собой двухкомпонентный композит, причем один из компонентов есть вещество окружающей среды.

Использование пористых проницаемых материалов чрезвычайно обширно. Они применяются в качестве глушителей выхлопа пневмо-агрегатов, шумогасителе'й, барбатеров, тепловых труб, легких и прочных конструкционных материалов, демпферов, разделителей сред, фильтроэлементов. С развитием техники область их применения будет постоянно расширяться. В настоящее время происходит кардинальное повышение планки требований к среде обитания человека, что не замедлит сказаться на выпуске пористых прони-идошх изделия,

Наиболее перспективным девевизны является изготовление пористых проницаемых отливок штедем тлтт расплава под давлением а эаоыпку иэ еяезлздэтпии экстрагируемого наполнителя.

На кафейрз "Литейнеэ производства" УГТУ-УШ накоплен некоторый огшт производства периезш отливок. Тшда опытное преиз-Еадетш етливек по сходней технологии вущещвч в США и Япония. Ноемотра на йривцшшальнуй йрозтоту, этот мэтод в западных страна не нааш шмре140Г0 вришеяия из-за крайм низкого ьи-%еда годного и нензетропнеетн зкейлуатациогшш: свойств. Причина этого ееетоят в отсутствии работ по теория формирования кошюшщиоижв отлшюк.

Даль„работу

- йаучениэ формирования литой пористой структуры для получений оМИвок о заранее ЭаДайяЬсмй сйсйстсами.

3

Так как практическое использование проницаемых пористых металлов всегда предусматривает фильтрацию жидкостей или газов через поровое пространство, поэтому особое внимание следует обратить на определение коэффициента проницаемости пористого литья.

— Выявление причин неизотропности свойств и разработка технологических принципов получения пористых и композиционных отливок с однородной структурой. Научная новизна Определены размеры воздушной манжеты, образующейся в месте контакта зерен наполнителя, в зависимости от:

- краевого угла смачивания расплавом наполнителя;

- поверхностного натяжения расплава;

- давления, приложенного на расплав, давления воздуха в воз-дуиной манжете, гидростатического давления расплава;

- фракции используемого порообразователя.

Выявлено, что пористость готового изделия зависит только от пористости засыпки. Разработана модель структур, обратных засыпкам ( пористые литые ). Эксперимент по определению проницаемости пористого литья выявил адекватность предлагаемой модели.

Приведена физико-математическая модель основной стадии формирования структуры пористой отливки - изотермической пропитки. Решение на компьютере позволило выявить причину неравномерности свойств отливки в направлении заливки. Показано, ' что относительная величина анизотропного участка отливки зависит только от соотношения вязкостей расплава и газа. Так, для системы воздух-алюминий брак по анизотропности составляв! 5-10Х от объема.отливки у прибыли, Предложены технологические способы снижения этого вида брака. На защиту выносятся

- технологические основы производства пористого литого материала;

- определение размеров воздушной манжеты в месте контакта зерен порообразователя;

- метод расчета проницаемости пористого литого материала;

- метод расчета давления на фронте движения расплава.

Практическая значимость ревультатов работы Результаты исследования позволили исключить эксперимен-4

■альную стадию при разработке технологии для каждого вида от-[ивок. Значительно снижен брак по изотропности изделий. Pas->аботанные рекомендации по оптимизации размеров используются [ри изготовлении изделий из пористого алюминия.

Получаемые по разработанной технологии глушители шума щевмоагрегатов превосходят зарубежные аналоги по степени •лушения. Они значительно дешевле и долговечней.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались га мелдународном симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы re внедрения на машиностроительных и металлургических предпри-гтиях Дальнего Востока"(Комсомольск-на-Амуре,199^ и конферен-ош "Технологии современного машиностроения"(Уфа, 1S94). Содержание диссертации изложено в двух публикациях в центральной грессе.

Объем и структура работы [иссертация состоит из введения, пяти глаз, обцих выводов, :писка литературы и приложений. Изложена на 130 страницах, ¡клвчая 81 страницу калинопиеного текста, 38 рисунков и б 'Зблад. В списке литературы 101 наименование.

-ССЙЕР2АЕИВ РАБОТЫ

Выбор способа производства и сырьевых материалов для гзготозления пористого проницаемого алюминия

Рассмотрены существующие способы изготовления пористых гроницаемых металлов - спекание и литье. Показано, что неЕсз-ioxeo получить спеченный алюминий кз-за образования на его по-¡ерхности плотной и тугоплавкой оксидной пленки.Но именно апо-иний является наиболее перспективны« материалом для изготов-:ения пористых проницаемых изделий благодаря легкости, деше-:изне, высокой коррозионной стойкости. Поэтому пористый прони-(аешй алюминий изготавливают литьем.

• Суть метода заклшаетса а гзливкэ расплава а засыпку из ¡последствии экспрзпфуешго наполнителя. Процесс производства юристах литых иэдеаий включает три основные стадии: нагрев юроообрззовате&я даа обеспечения достаточной жидкотекучести всплава, заливка расплава вод давлением и экстрагирование пенообразователя из тела отливка.Этот метод позволяет получать

5

пористые проницаемые материалы любых размеров и конфигурации, сочетающих пористую и монолитную часть. Еще одним доводом в пользу производства пористых металлов литьем является дешевизна процесса и сырьевых материалов по сравнению со спеканием.

Из зарубежных исследований в этом направлении наибольший интерес представляют работы японских ученых. Способ заливки, предложенный ими, сочетает в себе как спекание, гак и литье. Порообразующая засыпка подвергается спеканию в металлических формах, используемых одновременно для заливки. Так как при заливке используется давление порядка 30 атм, то конфигурация пор в готовом изделии является зеркальным отражением спеченного соляного каркаса, что дает возможность манипулировать размером пор путем изменения времени спекания. В ходе исследований были экспериментально изучены вопросы неизотерыической пропитки при больших давлениях. Показано, что целесообразно вести пропитку в изотермических условиях. Однако этот способ не нашел широкого применения ввиду короткого срока службы металлических форм и длительного производственного цикла.

Технология производства пористых материалов, разрабатываемая на кафедре "Литейное производство" УПИ,состоит в использовании для инициации пропитки вакуумированкя порообразухщей засыпки. Металлические формы используются только ,г.зя заливки, что значительно увеличивает .срок их службы и позволяет существенно сократить парк форм." Нагрев порообразователя производится не в формах, а'в камерных печах.

Вследствие приведенных осо-. бенаостей технологии, - поры представляют собой не точный зеркальный отпечаток соляного ' каркаса (рис.1). Зерна порооб- -разователя (1) имеют.точечный контакт между собой."Виновником" ■ проницаемости пористого литого материала становится воздушная манжета (3), образуемая из-за несмачивакия расплавом (2) материала порообразователя в месте контакта двух зе- Рис.1. Элемент структуры рек. Условия формирования воз- пористого литого алюминия-.

6

г—

/

душной манжеты определяют свойства готового изделия.

Выбор порообразователя является важной составной частью разработки технологии производства пористых отливок. От него зависят все дальнейшие стадии технологического процесса. К материалу порообразователя предъявляются следующие требования:

1. Угол смачивания расплавом металла поверхности порообразователя должен превышать 90°. В случае невыполнения этого условия в месте контакта двух зерен.при небольших скоростях пропитки может не образоваться воздушная манжета (зерна порообразователя могут оказаться со всех сторон окруженными расплавом), что сделает отливку непроницаемой.

2. Температура плавления материала порообразователя должна быть выше температуры заливки металла .

3. Материал порообразователя должен хорошо экстрагироваться из тела отливки путем растворения в воде либо другими доступными способами.

4. Стоимость порообразователя должна быть по возможности невелика.

5. Предельно допустимые концентрации материала порообразователя в воде должны быть велики для уменьшения расхода воды во время вымывки.

Очевидно, что выбор материала порообразователя в значительной мере диктуется используемым расплавом.Наиболее полно удовлетворяют вышеперечисленным^требованиям соединения неорга-иичеаш КИСЛОТ с щелочными И щелочноземельными металла}« ( хлориды натри,т и калия, сульфат мапшя, фосфаты калия и натрия, карбонат натрия ). Краэснэ углы смзчиваиия расплавами указанных содой отсутствуй в справочной литература. Псзтему одной из задач исследования является ояредэлэниз углов смачивания используекш материалов.

Изучение расплавов, мэталлоа , и _с одп й

Изучение краевых углов смашшачия производилось а вакуумной печи в момент окончания растекания расплава по подлеске из плавленого порообразователя во избегшие протекания Твердо-фаэнш реакций на периметре смачивания я его деформации. Для опытоз с расплава».® алшшш и его сплззоз ¿авдгафевгшие проводилось до 0,1 Па. Результаты эксперимента представлены в табл,1.

Таблица 1

Смачизание расплавами металлов, взятыми при температур« плавления, порообразователей

Краевые углы смачивания, град

Сплав ВаО МазР04 К3РО4 МгБ04 ЫаС1 КС1 На2С0з 1

Ре 137

Ре+0,5ЯС (вес) 142

Ре-ИХС (вес) 147

Ре+ЗХС (вес) 159

Ге+4,3%С (вес) 167 138 129

Ре+3,5ХС, 165 142 137

0,53£1,0.3ХМп

(СЧ)

Си 128 115 111 121

2п 143 128 118 121 129 120 114 1:

РЬ 153 138 127 134 147 145 139 1:

Зп 163 145 140 129 144 135 148 1;

А1(99,99992) 135 116 110 112 140 132 121 1!

А1+0,5Х31 (вес) 135 115 110 111 140 134 120 1!

А1+1231 (вес) 131 114 109 109 139 129 118 1:

А1+5ХБ1 (вес) 130 112 109 109 138 125 117 1:

А1+10&51 (вес) 128 111 108 106 136 124 115 1'

А1+0,5ХМв (вес) 132 . ИЗ 109 110 138 125 116 11

А1+1ХМ? (вес) 128 109 . 105 107 135 121 109 1

А1+3%Мг (вес) 123 . 104 100 101 132 119 104 1

А1+5ХМг (вес). 119 98 94 95 128 117 98 11

А1+ЮЭДг (вес) 114 95 92 94 125 111 96 11

А1+1ХСи (вес) 136 115 111 110 140 135 120 1:

А1+22Си (вес) 135 114 108 109 140 139 119 1:

А1+4ХСи (вес) 131 110 106 105 142 138 117 1:

АНбХСи (вес) 129 108 104 101 144 136 115 1

АК7ч 154 120 108 115 144 138 125 1

АК9 149 127 119 124 138 134 131 1

АК21М2.5Н2.5 142 .. 111 104 108 131 129 120 1

АК7Ц9 142 121 115 120 134 130 128 1

АМГ5К 134 114 109 8 111 121 119 108 1

Влияние незначительных количеств некоторых поверхностно активных веществ практически не сказывается на результаты экспериментов. По-видимому, это связано с адекватным снижением межфззного натяжения как на границе расплав-газ, так и на границе расплав-порообразователь.

Из полученных данных можно видеть, что ни один из водо-растЕор1:мцх неорганических порообразователей не смачивается в изотермических условиях изученными расплавами ( 8 > 90°). Следовательно, все эти соединения могут использоваться в качестве порообразователя для получения пористых отливок.

Одновременно на той же установке методом лежащей капли исследовалось поверхностное натяжение литейных алюминиевых сплавов. . Согласно ГОСТ 1583-89 в промышленных сплавах

может быть нерегламентированных примесей от 0,1 до 2,8 7., в том числе и поверхностно активных веществ , оказывающих заметное влияние на поверхностное натяжение расплавов. В целях учета случайных ошибок в определении поверхностного натяжения для катдого сплаЕа проводилось 10 плавок. Ееличина поверхностного натяжения одного и того же сплава может меняться на 152 в зависимости от плавки. В работе использовались средние значения поверхностного натяжения различных сплавов из табл.2.

Таблица 2

Поверхностное натяжение литейных алюминиевых сплавов Сплаз . Поверхностное натяжение, мДж/м2 номер плавка

. 1 2 3 4. 5 б • 7 8 9 10 среднее

МС7Ч 910 931 871 859 916 853 930 904 844 862 888

&К9 880 841 870 863 831 885 811 . 838 846 873 854

У-15У 857 795 841 819 784 831 822 813 798 761 812

Ш5 832 852 794 812 851 795 778 824 809 828 817

У£г5К 719 713 644 669 698 741 650 710 671 648 686

«С7Ц9 810 621 811 741 732 825 703 814 703 794 783

Ш2 890 843 871 812 897 9 811 844 823 827 894 855

г

Разработка технологии изготовления пористых отливок с заранее заданными свойствами

Одной из наиболее важных инженерных задач является разработка технологий, позволяющих получать материалы с заранее заданными свойствами.' Технология изготовления пористых металлов литьем позволяет не только получать йатериалы с уникальными свойствами и прогнозировать их, но и регулировать эти свойства изменением некоторых параметров заливки.

Благодаря несмачиванию расплавом материала порообразовате-ля (угол смачивания в > 90 ) в месте контакта двух зерен засыпки формируется воздушная манжета (рис.1)-

В модели синусоидальных пор, часто используемой при описании пористых сред приняты такие понятия, как минимальный и максимальный радиус пор. В пористом литом материале максшальным радиусом пор, очевидно, является радиус зерна порообразо-вателя И, а минимальным радиусом лор является один из радиусов кривизны воздушной манжеты г, расположенный в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей центры зерен.

Рассмотрим глобулярную модель порообразующей засыпки. Такая модель хорошо аппроксимирует реальную пористую структуру. Из уравнения Лапласа для ловерхности раздела расплав - воздушная манжета и геометрических соотношений следует зависимость минимального радиуса пор в готовом изделии от технологических условий^заливки - давления над зеркалом расплава Р2н. остаточного давления в воздушной манжете Рост-, гидростатического давления расплава Рарх» фракционного состава порообразователя, краевого угла смачивания расплавом порообразователя, поверхностного натяжения расплава б

- Эб + \/96^-в(Рвн-Р^т1-Рдру)Кбсоз9' М

Г = гСРвн-Рост-^Рар*)

Поверхностное латяженке" монет существенно влиять на величину воздушной манжеты лишь в случае приложения на расплав перепада давлений, близкого капиллярному. Однако в реальных производственных условиях перепад давлений много больше капиллярного. Вследствие этого различие в величинах поверхностного натяжения алюминиевых сплавов слабо сказывается на радиус воздушной манжеты. Также слабо сказывается различие в величинах угла смачивания из-за их небольшой дифференциации у алюминиевых сплавов.

Выявлено влияние фракционного состава порообразоватёля (НаС1) и величины избыточного давления Ри (Ри=Рвн-Рост+Рарх) на радиус воздушной манжеты для алюминиевых сплавов (рис.2). При перепаде давлений в пределах 1 атм наиболее эффективно регулирование г для крупных фракций порообразоватёля. Из формулы (1) следует возможность эффективного управления минимальным радиусом пор пористого литого материала. В отличие от спеченных, где минимальный радиус пор определялся размером зерна и пористостью, у пористых литых материалов он вообще не зависит от пористости и может быть одинаковым при различных размерах зерна порообразоватёля.

Одной из важнейших характеристик пористого металла является 'пористость. Очевидно, что в пористом литом металле объем пор складывается из объема порообразующей засыпки и объема воздушных макеет , сформировавшихся в месте контакта двух зерен. При геометрическом моделировании пористой литой структуры было показано, что объем воздупных манжет не дает существенного вклзда ( не более чем 3% ) и пористость можно регулировать только уплотнением порообразующей засыпки.

Проницаемость является основным эксплуатационным свойством пористого изделия, заключающимся в пропускании через себя жидкости зига газа под действием приложенного градиента давлений. Она характеризуется коэффициентом проницаемости к б уравнении Дарси

<31 к , „ (2)

Рис.2. Влияние избыточного давления на радиус воздушной манжеты:

1- 1?г0,1 ММ; 2- Н=0,4 мм; 3- !Ь0,7 т

й-с

гла р .

Обычно используемая для расчета проницаемости модель Козе-яи-Кармана включает понятие гидравлического радиуса, что возможно ' в условиях засыпок, сеток с небольшой дифференциацией

ТТ

минимального и максимального радиуса пор. Очевидно, что пористые литые материалы имеют два четко определяемых радиуса пор. Ни один из них не может быть назван гидравлическим, также необоснованно применение в этом качестве их среднего арифметического.

Пористый литой материал не сходен по своей структуре с материалами, для которых существует модель проницаемости в изученной литературе. Он является структурой, обратной фиктивному грунту. На основе этого положения необходимо разработать модель проницаемости, адекватную такой структуре.

Поскольку радиус воздушной манжеты , образуемой в процессе пропитки, намного меньше радиуса гранулы порообразователя при используемом перепаде давлений (рис.2), то можно считать ее основным сопротивлением потоку фильтрующейся среды. Моделируя минимальный радиус пор отверстием в тонкой стенке, получим , что коэффициент проницаемости к для пористых отливок равен

к =

N (1-П) гэ 6 Л 1?

(3)

где N - координационное число", П - пористость засыпки. На рис.3 приведена расчет-

ная зависимость 'коэффициента проницаемости пористых отливок от избыточного давления и размера зерна порообразователя.' Остаточное давление оказывает большое влияние на коэффициент проницаемости готового литого изделия. Например,•при.размере зерна порообразователя 0,6 мм при изменении избыточного давления с .0,1 до 0,р атм пористость изменяется на 1а проницаемость с 1,26«10~10 до 8,2»10"10 . Давление воздуха, запертого■расплавом в воздушной манжете, таким образом, определяет радиус воздушной манжеты, а следовательно, и проницаемость Давление

Ркс.З. Влияние избыточного давления на проницаемость пористого литого материала: 1- К=0,1 мм; 2- Йг0,4 мм; 3- 12*0,7 ММ

пористого литого материала.

в воздушной манжете соответствует давлению на фронте 12

движения расплава и меняется от давления, при котором начинается процесс пропитки, до давления ресивера. Поэтому задачей для дальнейшего исследования является определение характера изменения давления на фронте движения расплава.

Исследование' кинетики формирования структуры пористой отливки

Кинетика формирования структуры пористой отливки, как показывает опыт, оказывает определяющее влияние на.проницаемость готового изделия. Захваченный расплавом воздух в воздушной манжете находится под разным давлением, что приводит к неравномерности проницаемости готовой отливки по направлению заливки.

При производстве отливок было отмечено, что пропитка начинается при давлении, существенно отличающимся от капиллярного. Это связано с образованием на поверхности расплава оксидной пленки.

Известно, что при комнатной температуре поверхность алюминия покрывается оксидной пленкой толщиной порядка 20 X. При температуре плавления алюминия толщина оксидной пленки может достигать 1000' А . Естественная оксидная пленка на алюминии прозрачна, компактна, обладает хорошими адгезионными свойствами и высокой прочностью, так как имеет мелкокристаллическую структуру шпинельного типа . Температура плавления, оксидной

пленки 2319,7 К .

Для определения влияния оксидных пленок, присутствующих на 'поверхности большинства цветных металлов, на давление проникновения расплавов в' капиллярные зазоры, порообразователя были проведены эксперименты, результаты которых (рис.4) представляют собой начальное. условие для задачи изотермической пропитки.• ■ .

Как уже говорилось ранее, для инициации пропитки на границу расплав-порообразователь нужно приложить давление, рав-

Р,Ю Па

■ * 2 3 4 8,10'А Рис.4. Зависимость давления проникновения для сплава АЕО (3,4) и АЫгБК (1,2) на воздухе (2,4) и в вакууме (1,3).

ное капиллярному, или, в. случае образования оксидной пленки, давление ее разрыва. Для-этого нами применялось вакуумиро-вание порообразующей засыпки путем предварительного отсоса воздуха из ресивера и дальнейшего соединения его с формой с порообразователем. '

Для определения начальных условий в газовой среде при пропитке необходимо решить задачу о нестационарной фильтрации воздуха в порообразующей засыпке. Процесс неустановившегося движения газа в пористой среде описывает уравнение Л.С.Лейбен-зона

_ Ji_ dlv Erad р2 (4)

Qx ~ 2Пцг

Уравнение (4) является нелинейным уравнением параболического типа. Для случая одноразмерной фильтрации воздуха пр> температуре ликвидус расплава ( поскольку температура воздухг практически мгновенно достигнет температуры подогрева порооб-разователя ) уравнение (4) примет вид

ЗР к (5)

^t = 2Пцг '

Рассмотрим форму с пористым материалом постоянного сечени и конечной длины. Начальные условия определяются заданием дав ления Р в объеме засыпки в начальный момент времени ( х -0)

Р{ x,t «£> bconst. (5)

Для границы ресивер-порообраэователь задается постоянное дai ление, равное давлению ресивера

Р( хеО, х )=const . (7)

Для границы расплав-порообрааователь скорость фильтрации га равна нулю, следовательно

dp/dxi XsL, X )=0 . (8)

Таким образом, расчет неустановившейся фильтрации гага форме эквивалентен математической задаче интегрирования оди родного уравнения Фурье (5) при указанных выше начальном граничных условиях (б)-(8).

Задача состоит.в том, чтобы определить расход потока направлении, параллельном стенкам формы в каждый момент Bpei ни. .

Уравнение (5) как нелинейное не может быть решено анали' чески.В настоящей работе принято за основу решение , предст

ляющее собой явную схему метода конечных разностей.

Распределение давления по координате засыпки.в момент достижения давления проникновения на границе расплав-порообразо-ватель является начальным условием для задачи совместного движения жидкости и газа в пористой среде.

Для расчета давления на фронте пропитки надо решить систему из уравнения Лейбензона для газа и уравнения Дарси для жидкости в условиях переменной области интегрирования. В работе предлагается методика, в которой пограничный слой газа V толщиной Н условно рассматривается как изменяющий свою толщину Н для расчета движения фронта расплава. Однако для расчета фильтрации газа во внешнюю среду толщина слоя Н принимается постоянной. Учет уменьшения размера засыпки по мере заполнения ее расплавом производится аннулированием пограничного слоя при его полном заполнении. При этих допущениях было выведено уравнение для пограничного слоя воздуха на фронте движения расплава гР /к р ¿1

Эг =\2ПцГ н их • (9)

Физический скисл уравнения (9) состоит в том, что давление в пограничном слое за счет вытеснения .расплавом воздуха увеличивается на велнчину, пропорциональную перемещения расплава.

Начальные условия для жидкости: 1 = Ь при г 0. Граничное условие РВк=1 атм.

Расчет изменения -давления на фронте пропитки производится решением системы уравнений (2), (5) и (9) в граничных условиях (7)-(8) с одинаковым сагом по времени. Толщина пограничного слоя принималась рзвнойшагу по координате.

Пр:а:еняемсе решение' включает уыэныпениэ количества узлов порообразующен засыпга по мере'заполнения засыпки расплавом. Оставлять количество узлоз неизменны).-!, то есть производить пересчет давлений по координате, шага по координате и шага по времени нецелесообразно из-за погрешности аппроксимации . 'Результаты расчетов по измекэнга давления на Фронте пропитки-при длине пропитываемого образца 0,2 м приведены на рис.5.Отмечена хорошая сходимость теоретических и экспериментальных данных по изменению проницаемости отл'пеки з направлении заливки (рис.6).

Можно разделить пропитку нз два этапа. На первом ско-15

Р, ю* Па 7

1.,см

Рис.5а. Изменение давления на фронте пропитки при различном давлении ресивера:

1- Ррес=0,7 атм;

2- РРес=0.5 атм;

3- Ррво=0,3 атм

Р, <0* Па

< г з ч 5 е 7 1-,£м Рис.Бв. Изменение давления на фронте пропитки при различном соотношении вязкости газовой и жидкой фаз (газ-воздух)Г

1- 11*=0,0023 Па-с (А1);

2- ^0,0012 Па-с (Бп);

3- (1^=0,0006 Па-с (НгО)

Рис.56. Изменение давления на фронте пропитки при различной величине порообразухлцей засыпки:

1- Ь=1 м; 2- Ь=0,2 м

- к,Л4

<254567 и,сн

■ Рис.6.Зависимость проницаемости пористого литого материала от расстояния от прибыли для фракции порообразователя 0,6 мм: 1^-РРвс=0.7 атм;

3?-Ррвс=0.3 атм

рооть движения расплава лимитируется отсосом воздуха из поро-образуюпей засыпки. Его относительная величина зависит только от соотношения вязкости газовой и жидкой фаз. На втором этапе давление на фронте пропитки стабилизируется на уровне давления ресивера и скорость движения расплава определяется его вязким сопротивлением. Из рис.5 видно, что при подстановке полученных значений давления на начальном этапе пропитки в уравнение Дзр-си будет наблюдаться практически прямая зависимость координаты от времени, что и отмечено в работах многих авторов. 3 данной работе для вынужденной пропитки представлено объяснение этого факта, состоящее в учете сопротивления газа течению жидкости.

Очевидно, что изменение давления на первом этапе пропитки' приводит к.неравномерности проницаемости по высоте литой заго-товки.Часть отливки с переменной проницаемостью не соответствует предъявляемым требованиям и удаляется в процессе механической обработки. Для уменьшения удаляемой части отливки можно применять специальные методы литья:

1. Насыпание между порообразующей засыпкой и расплавом слоя более мелкодисперсного порообразователя. До начала пропитки а основном порообразователе успевает установиться давление ресивера.

2. Пропитка порообразователя под давлением в герметичной заливочной камере с использованием предварительного вакуумиро-вания как порообразователя, так и заливочной камеры. В таком случае остаточное давление а воздушной маотете близко нулю по всему объему отливки.

Пористые литые алюминиевые глушители шума .

Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение комфортных условий труда. Существующее на производстве оборудование не позволяет выполнить эту задачу. Многие машины и механизмы работают на сжатом воздухе, следовательно, неизбежны выхлопы,по интенсивности достигавшие 120 да.

Снизить интенсивность звука можво уманыгением скорости сброса воздуха. Однако на практике осуществить это трудно ввиду ограниченности по времени цикла пнэвмоагрегата. Пористый глупитель устанавливается на выхлопное отверстие и снижает интенсивность звука благодаря умэныгэнкэ линейной скорости воздуха засчет увеличения площади сброса.

Однако значительное увеличение размеров глушителя приво дит к турбулизации- потока во внутреннем объеме глушителя, глушения шума не происходит. Размеры глушителя должны быть та ковы, чтобы обеспечивать как качественное глушение шума, так сброс давления в выхлопной камере за время рабочего цикла.

Для оптимизации размеров глушителя необходимо определит зависимость времени сброса давления через него как от характе ристик самого глушителя, так и от параметров пневмоагрегата Проведенное моделирование процесса сброса воздуха через глуши тель позволило рассчитывать их размеры для получения макси мального эффекта. Изготавливаемые глушители прошли испытания заменили на АО ВАЗ Глушители американских и немецких фирм.

Нами был разработан глушитель шума коробчатого типа для Еысоконагруженных прессов . Сброс давления в нем осуществляет ся при течении воздуха по сквозным каналам с пористыми стенка ми. Таким образом,существует возможность увеличить площад сброса давления без увеличения внутреннего объема глушителя что позволяет глушить выхлопы очень мощных пневмоагрегатов Падение звукового давления составило для глушителя этого тип Ш да, ЧТО намного превосходит характеристики ранее использо еавшихея керамических глушителей, это позволило снизить уро венъ шума до санитарных норм, Яреме того, перистый алюминий н разрушас-тея в процессе §кеплуатации, как керамика, и из-з большого пористого объема обладает высокой грй&еемкоетыо, чт позволяет значительно увеличить срок работы до очистки, Иорис tí к1 литым адамшдаеь» глушители вума коробчатого типа применя ютея H-'t ШО "Пневмоапнарат", .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В представленной работе разработана технология Производства перистых проницаемых литых алюминиевых изделий методом ааливки металла вакуумным 'всасыванием в порообраэуодй наполнитель о его последующим экстрагированием, В отличие от традиционно ярименяешх изделий, изготовленных методами порошковой металлургии, пористое литье позволяет получать изделия лйбых размеров и конфигураций из металлов, недоступных для других методов, сочетающие пористую и монолитную части. Кроме того, производство пористых изделий иэ алюминия литьем

значительно дешевле. В диссертации изложены некоторые аспекты технологии:

1. В качестве сырья для производства пористого литого металла целесообразно использовать соединения неорганических кислот с щелочными и . щелочноземельными металлами. Они в полной мере удовлетворяют теплофизическим, физико-химическим и экологическим требованиям, предъявляемым к материалу порообра-зователя. Наиболее удобно применение ИаС1.

2. Изучено влияние легирующих добавок и примесей на краевые углы смачивания расплавами порообразующих материалов, В целях уточнения справочных данных изучено влияние легирующих компонентов на поверхностное натяжение ряда промышленных литейных алюминиевых сплавов. Так как отмечено влияние на величину поверхностного натяжения нерегламентируемых примесей, то предложено пользоваться для расчетов средним значением, полученным по результатам 10 произвольно взятых плавок.

3. Установлена возможность технологическими условиями заливки (приложенным на расплав давлением, фракционным составом порообразователя ) управлять геометрическими параметрами воздушной манжеты, образующейся в месте контакта двух зерен порообразователя, и невозможность регулирования пористости пористого литого металла в пироких пределах путем изменения прилагаемого на расплав давления.

4. Экспериментально проверенный метод расчета коэффициента проницаемости позволил исключить стадия изготовления опытных образцов при анализе возможности применения изделии из пористого алюминия. Изготовление пористого металла литьем позволяет получать изделия с широким диапазоном эксплуатационных характеристик из порообразователя любого фракционного состава.

5. Невозможно получение пористых отливок на воздухе при давлении вакуумирования, близком капиллярному, для атшшя. образующего плотную и тугоплавкую оксидную пленку. Необхсдяшй перепад давления при заливке додеен достигать примерно

0,2 аты как минимум либо превышать капиллярное ( для фракций порообразователя пеньте 0,2 мм )„

6. Выявлена причина возникновения брака пористых литых изделий по изотропности свойств. При изготовлении отливок традиционным способом этого вида брага невозможно избежать. Он занимает 5-10Х объема отливка у прибыли и зависит только от со: т9

отношения вязкостен расплава и газа. Для уменьшения объема отливки с браком можно применять специальные технологические приемы.

7. Испытания в лабораторных и производственных условиях показали возможность замены пористым литым алюминием большинства используемых в настоящее время пористых металлических изделий. Разработаны зависимости, позволяющие рассчитать оптимальный размер глушителя в зависимости от паспортных данных оборудования. Разработана конструкция глушителя для мощного кузнечно-прессового оборудования. Глушители, изготовленные по представленной технологии, внедрены на ТОО "Уралполимер".

По материалам диссертации опубликованы работы:. -

1. Фурман Е.Л., Финкельштейн А.Б. .Чечулин» A.B. Литье под регулируемым давлением пористых изделий // Литейное производство. 1995. N4-5. С.50-51.

2. Поверхностное натяжение литейных алюминиевых сплавов и смачивание ими неорганических порообразующих наполнителей > Фурман Е.Л., Чечулин A.B., Финкельштейн А.Б., Казанцев С.П. /> Известия вузов. Расплавы. 1995. N3-4. С.27-31.

3. Финкельштейн А.Б.,Чечулин A.B. Изучеяиз технологических параметров получэния поркешх литых изделий // Технология и обо-рудоваиио современного машиностроения. Уфа: УГАТУ, 1S94, С.90-91.

Подписано в дочать 27.03.S6 . Форшт 60x84 I/I6

Бумага типографская " Плоская печать Усл.п.я, 1,16 Уч.-нздия. 1»П Тарса: 100. Заказ 140 Босежшю

Рсйакдйошго-йздатальокий отдел ШУ ' 620002, Екатеринбург,, Ifepa, 19 Ротапринт УПУ. 620002, Екатеринбург, Шра, 19