автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Развитие представлений о механизме формирования усадочных дефектов в отливках в сырые песчано-глинистые формы и разработка методики расчета прибылей для чугунных отливок

со §

^ЮСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

* УНИВЕРСИТЕТ "МАМИ"

со I

На правах рукописи

ШАЕЕНОВ Канат Каиржанович

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЗШПВЖ ФОРМИРОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ В СЬИШ ПЕСЧАНЬГЛИНИСТЬЕ ФОРШ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРИБЫЛЕЙ ДЛЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете "МАШ"

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор А.П. Трухов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор B.C. Моисеев кандидат технических наук И.Н. Васильев

Ведущее предприятие: ШИТ "УГЛЕМАШ"

Защита состоится " 2S IMOU Л 1998г. в часов на заседании Специализированного Совета К 063.49.02 при Московском государственном техническом университете "МАМИ" в ауд. Б-301 / 105839, Москва, Б. Семеновская ул., 38 /

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять

по указанному адресу.

Автореферат разослан " 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в машиностроении расширяется производство отливок из высокопрочного чугуна и серого чугуна высоких марок, которые характеризуются пониженным углеродным эквивалентом и вследствие этого более широким интервалом кристаллизации, большей склонностью к формированию в отливках значительных по объему усадочных дефектов.

Вопросам формирования усадочных дефектов, расчета прибылей и получения плотных чугунных отливок посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей: Б.Б. Гуляева, Н.Г. Гир-шовича, Ю.А. Нехендзи, Б. В. Рабиновича, В.П. Чернобровкина, И. Пржибыла, H.F. Bishop, S. Engler, H.F. Johnson и др.

Однако, использование результатов их исследований для отливок из высокопрочного чугуна и серого чугуна высоких марок не всегда приводит к положительным результатам. Поэтому проблема получения плотных отливок из этих чугунов является актуальной. Важным, особенно для автомобильной промышленности, является также определение минимальных размеров и объема прибылей. Для решения этих задач необходимы развитие представлений о механизме формирования усадочных дефектов и разработка инженерной методики для расчета количества и объема прибылей.

Цель работы: получение плотных отливок из высокопрочного чугуна и серого чугуна высоких марок путем развития представлений о. механизме формирования усадочных дефектов и разработки инженерной методики для расчета количества и объема прибылей.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- проведение экспериментальных исследований влияния питания отливки из стояка (литниковой системы) на объем усадочных дефектов;

- проведение экспериментальных исследований по установлению зависимости объема усадочных дефектов от приведенного размера, массы и времени заливки отливок из эвтектического высокопрочного чугуна;

- проведение экспериментальных исследований дистанции питания отливок иа серого чугуна в зависимости от приведенного размера при заданной пористости и влияния на дистанцию питания времени выдержки между модифицированием и заливкой;

- развитие представлений о механизме формирования в отливках усадочных дефектов;

- разработка инженерной методики расчета количества и объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Развиты представления о механизме формирования усадочных дефектов в отливках, изготовляемых в сырых песчано-глинистых формах, с объяснением криволинейного характера зависимости объема прибыли от массы отливки. Во время заливки может происходить затвердевание и компенсация объемной усадки затвердевания за счет заливаемого в форму металла (питание "из ковша"). С увеличением массы отливок одного приведенного размера увеличивается время заливки и приведенный размер питателей и усиливается питание отливок из стояка (литниковой системы) до перемерзания питателей. Именно эти два процесса приводят к уменьшению объема прибыли и отклонению названной зависимости от прямолинейной. Кроме того, с увеличением массы происходит увеличение протяженности отливки, возрастает объем усадочных дефектов, некомпенсируемый из прибыли, из-за превышения протяженностью отливки дистанции питания прибыли, образуются утяжины. Объем прибыли не зависит от возникновения усадочной пористости в отливках, но на криволинейной зависимости можно выделить области, в которых в отливках образуется допустимая пористость из-за превышения протяженностью отливки дистанции питания.

2. Установлено, что с увеличением приведенного размера цилиндрической отливки с высотойравной диаметру; из алюминиевого сплава АК9М2, приведенного размера питателей и перегрева расплава питание из стояка (литниковой системы) усиливается. Объем усадочных дефектов в отливках за счет питания из стояка может уменьшиться до 53...62%.

3. Установлена степенная зависимость объемов усадочных дефектов в отливках из эвтектического высокопрочного чугуна от массы отливки, приведенного размера и времени заливки.

4. Установлена зависимость дистанции питания отливок из серого чугуна СЧ25 от приведенного размера при заданной пористости: с увеличением приведенного размера отливок дистанция питания уменьшается.

5. Выявлено влияние времени выдержки между модифицированием серого чугуна СЧ25 ферросилицием и заливкой на величину дистанции питания: с увеличением времени выдержки дистанция питания при заданной пористости уменьшается.

Практическая ценность:

- предложена технологическая проба для определения дистанции питания отливок в зависимости от приведенного размера и пористости;

- экспериментальные результаты по дистанции питания отливок из серого чугуна используются при расчете количества прибылей;

- разработана инженерная методика расчета количества и объема прибылей для отливок из эвтектического высокопрочного и серого чугунов с учетом дистанции питания при заданной пористости.

Реализация результатов работы. Инженерная методика расчета количества и объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов используется в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливки.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на международной научно-технической конференции "100 лет Российскому автомобилю" (г. Москва, 1996 год), на заседаниях кафедры "Машины и технология литейного производства" МГТУ "МАШ".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, общи выводов, списка литературы из 70. наименований и приложений яа страницах машинописного текста, рисунков, Ю таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Из физических представлений объем прибыли должен прямолинейно зависеть от объема отливки или питаемого узла. Экспериментальные же зависимости многих авторов имеют криволинейный характер -с увеличением массы отливок, имеющих одинаковый приведенный размер, увеличение ,объема прибыли замедляется.

Основная задача развития представлений о механизме формирования усадочных, дефектов заключалась в объяснении криволинейного характера зависимости объема прибылей от массы отливок.

Предположили, что в известных экспериментальных исследованиях не принимали во внимание 2 фактора. Во-первых, в экспериментах при увеличении массы отливки одновременно увеличивалась площадь сечения питателей, а, следовательно, изменялись условия питания "из ковша" и из литниковой системы. Во-вторых, протяженность отливки не сравнивалась с дистанцией питания. Поэтому были проведены экспериментальные исследования названных факторов.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПИТАНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ СТОЯКА (ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ)

О питании отливки из литниковой системы известно, однако количественные зависимости отсутствуют. Поэтому были проведены специальные исследования с применением алюминиевого сплава АК9М2 и эвтектического высокопрочного чугуна.

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПИТАНИЯ ИЗ СТОЯКА НА ОБЪЕМ УСАДОЧНЫХ РАКОВИН В ОТЛИВКАХ ИЗ АЛШИНИЕВОГО СПЛАВА АК9М2

В экспериментах использовали алюминиевый сплав марки АК9М2, имеющий значительную объемную усадку.

Изготавливали цилиндрические отливки с высотой,равной диаметру с приведенными размерами 1,1 см и 1,3 см и массой, соответственно, 0,7 кг и 1,1 кг. Твердость сырых песчано-глинистых форм составляла не менее 70 ед. по твердомеру

371. Площадь сечения питателей (а*Ь) изменяли от 4,4 до 0,7 см2, i приведенный размер питателей от 0,53 до 0,2 см.

Для определения влияния питания из стояка на объем усадочных эаковин одновременно изготавливали и заливали две формы, в одной 13 которых после заполнения питатели отсекали с помощью стального тина, предварительно установленного в форме над питателем, что юключало питание затвердевающих в этой форме отливок из стояка.

Количественные значения влияния питания из стояка на объем осадочных дефектов рассчитывали по разности объема усадочных ра-совин в отливках, изготовленных с отсечкой и без отсечки одинако-$ых питателей. Объем усадочных дефектов определяли гидростатическим взвешиванием отливок. Исследования влияния приведенных разме-юв отливки и питателей проводили при температуре перегрева расп-1ава 50...60° и 100...110°. При этом температура заливки сос-:авляла, соответственно, 650...660°С и 700.. .710°С.

Анализ результатов экспериментов показал, что объем усадоч-1ых дефектов в отливках, изготовленных без отсечки питателей за :чет питания из стояка меньше, чем с отсечкой и составляет от 53 (о 62% объема дефектов с отсечкой для приведенного размера питателя 0,53 см и 92. ..947. для приведенного размера питателя 0,2 см. 1ожно отметить, что в последнем случае питание из стояка слабое, •.е. питатель практически сразу же после заливки перемерзает [затвердевает). Что касается толстого питателя (RnHX=0,53 см), то [ри его использовании объем прибыли может быть уменьшен на й...47%. Следовательно, питание из стояка (литниковой системы) [вляется одной из основных причин криволинейной зависимости объема прибылей от массы отливки.

Регрессионный анализ экспериментальных данных позволил полу-шть следующее уравнение для определения разности объемов усадоч-[ых дефектов в отливках с отсечкой и без отсечки питателей:

ДУу.д = 33J3xR02>Z6-xRntIT1>93x(ÜTnep/TJ1)0-35 [см33, (1)

де 1,1 см < Rnirr < 1,3 см - приведенный размер отливки;

0,2 см < !?пит < 0,53 см - приведенный размер питателей;

60° С < ДТпер < 110° С - перегрев расплава;

Тл - температура ликвидус сплава, "С.

При заливке отливок возможно их затвердевание и питание "из

ковша". Однако, питание "из ковша" не оказывает влияния на полученные результаты, являясь для обоих случаев одинаковой систематической погрешностью. Вопрос литания в процессе заливки будет обсужден ниже в п{2 и в п.З.

Полученные результаты находятся в соответствии с известными физическими представлениями: чем больше питание отливки из литниковой системы, тем меньше объем усадочной раковины: а также с практикой литейного производства; тонкостенные отливки небольшой массы часто изготавливают без прибылей.

Следует обратить внимание на то, что объем усадочных дефектов в соответствии с уравнением (1) зависит от перегрева заливаемого металла. При изготовлении отливок в сырых песчадо-глинистых формах перепад температур по толщине стенки отливки мал, процессы отвода теплоты перегрева и затвердевания практически не накладываются друг на друга. Поэтому объем усадочных дефектов связан не с объемной усадкой отливки в жидком состоянии, а о тем, что в эти периоды происходит, как показано проф. Труховым А.П., термическое расширение образующейся сухой корки, которая вызывает предусадочное расширение затвердевающей корки, опускание уровня жидкого расплава и увеличение объема усадочных дефектов.

1.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОБЪЕМА

УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ ОТ ПРИВЕДЕННОГО РАЗМЕРА, МАССЫ И ВРЕМЕНИ

ЗАЛИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА

После установления количественных данных о влиянии питания из стояка на объем усадочных раковин в отливках из алюминиевого сплава по химическому составу,близкому к эвтектическому,было проведено аналогичное исследование на отливках из высокопрочного чугуна ВЧ50 эвтектического состава, модифицируемого в форме комплексным модификатором ФСМг-5.Исследования проводили в производственных условиях Литейного завода АО "КАМАЗ".

Твердость сырых песчано-глинистых форм составила не менее 75 ед. по твердомеру TYP LTW Nr2787. Температура заливки сплава соответствовала 1400...1440° С. Масса отливок с приведенными размерами 0,5...1,0 см находилась в пределах от 3,8 до 60,2 кг, время заливки составляло от 10 до 30 с.

Изготавливали отливки с прибылями и прибыли без отливок. Изготовленные отливки и прибыли отделяли от литниковой системы и очищали в дробеметных барабанах от пригара.Тепловые узлы отливок, питаемых из прибыли, разрезали и контролировали наличие в них усадочных дефектов, отсутствие которых свидетельствовало о достаточном объеме прибылей. Объем усадочных дефектов в прибылях определяли методом гидростатического взвешивания.

Как известно, объем усадочной раковины в прибыли, питающей отливку, пропорционален суммарному объему отливки и прибыли. В первом приближении приняли, что объем усадочной раковины, относящийся собственно к отливке, можно определить по разности объема усадочной раковины в прибыли с отливкой и объема усадочной раковины, образующейся в отдельно отлитой прибыли.

Анализ результатов экспериментальных исследований и расчеты показали,что у отливок с приведенным размером 1,0 см с увеличением Мо от 7,6 до 60,2 кг (с увеличением времени заливки с 10 до 30 с) объем усадочной раковины в отливке увеличился от 34 до 65 см3.

Существенно меньшие по объему усадочные раковины возникали у отливок с меньшей приведенной толщиной. При равном 0,6 см, у отливок с массой 6,2 кг и 13,2 кг (с временем зашивки 10 с и 15 с) объем усадочной раковины составил 11,5 см3 и 15 см3. У отливок с приведенным размером 0,5 см и массой 3,8 кг и 9,8 кг объем усадочной раковины составил 7 см3 и 9,5 см3.

В результате статистической обработки и регрессионного анализа результатов экспериментов было получено следующее уравнение для определения объема усадочной раковины в отливках из эвтекти- ■ ческого высокопрочного чугуна:

Уу.р - 21,5 х Мо0'317 х Но2'29 х ^ал-0'009 Сем3]; (2)

3,8 кг < Мо < 60,2 кг; 0,5 см < йо < 1,0 см.

Если в полученное уравнение (2) подставить вместо времени заливки известное уравнение 1эал =3,7 * Мо0*38, то показатель степени у массы Мо в уравнении (2) изменится на -0,003. Следовательно, время заливки, характеризующее питание "из ковша", практически не влияет на объем усадочных дефектов.

Окончательно уравнение (2) примет вид:

Vy.p = 21,5xMo0' 31W- 29 Есм33 . (3)

У используемого в экспериментах эвтектического высокопрочного чугуна дистанция питания велика, поэтому криволинейный характер зависимости объема усадочных дефектов от массы отливки при одном приведенном размере связан только с питанием из литниковой системы (стояка).

Z. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСТАНЦИИ ПИТАНИЯ

Как известно, дистанция питания зависит от приведенного размера и требуемой пористости. Многие авторы в экспериментах использовали отливки в виде цилиндров, брусков и плит. На плитах и, возможно, брусках могли образовываться утяжины, искажающие полученные результаты. Поэтому провели специальное исследование по выбору технологической пробы.

2.1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОБЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСТАНЦИИ

ПИТАНИЯ

При выборе технологической пробы для определения дистанции питания изготавливали отливки цилиндров и плит из оловянной бронзы (6Z Sп) с приведенными толщинами 10 мм и длиной 515 мм и 500 мм.Основанием для использования данного сплава послужила высокая склонность к формированию усадочной пористости при затвердевании отливок из бронзы с широким интервалом затвердевания.

Отливки изготавливали в сырые песчано-глинистые формы при одинаковых технологических условиях,с подводом металла с одного из торцов. После обработки отливок было выявлено, что при одном и том же расстоянии от прибыли и от торца балл пористости (по ГОСТ 1583-89) у плит меньше, чем у цилиндров, а дистанция питания при одном балле пористости на 15...43% больше. Полученные результаты качественно совпадают с встречающимися в литературе данными о большей в 2 раза величине дистанции питания плиты по отношению к цилиндру.

С целью определения причин вышеизложенного замеряли толщину отливок. В результате замеров у плит обнаружили утяжины с наибольшей глубиной О,5...О,? мм на расстоянии 300...350 мм от прибыли. У цилиндрических отливок утяжин не обнаружено.

Образование утяжин только на плитах, вероятно, обусловлено меньшей по сравнению с цилиндрами толщиной затвердевшей корки в каждый данный момент времени и меньшей конструктивной жесткостью. Именно поэтому атмосферное давление деформирует твердую корку на отливках плит, а твердая корка на цилиндрах его выдерживает.

В связи с образованием утяжин результаты испытаний на пробах-плитах искажаются. Поэтому исследование дистанции питания лучше производить с использованием цилиндрических отливок. При этом предлагается длину отливок принимать равной 500...600 мм, а приведенную толщину от 5 до 15 мм, что характерно для отливок автомобильной промышленности.

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСТАНЦИИ ПИТАНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА СЧ25

2.2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ДИСТАНЦИЮ ПИТАНИЯ ОТЛИВОК ИЗ

ЧУГУНА СЧ25 ПРИВЕДЕННОГО РАЗМЕРА ПРИ ЗАДАННОЙ ПОРИСТОСТИ

Исследовали цилиндрические отливки с приведенными размерами 5; 7,5; 15мм (диаметром 20; 30; 60мм) и длиной 503; 510; 510мм. Твердость сырых песчано-глинистых форм была не менее 70 ед. по твердомеру 071. Модифицирование чугуна осуществляли в ковше модификатором ФС-75 в количестве 0,5% от массы металла. Температуру заливки приняли равной 1340...1370°0. Время выдержки tEun между модифицированием и заливкой составило 20...40с.

Отливки после выбивки из форм отделяли от литниковой системы и от прибыли, очищали от пригара и разрезали.Отсутствие усадочных дефектов в тепловых узлах, питаемых из прибыли, свидетельствовало о достаточном объеме установленных прибылей.Разрезку отливок осуществляли по плоскостям, перпендикулярным продольной оси.Плоскости разрезки шлифовали до Ra < 1,6 мкм.Шероховатость обработанных поверхностей контролировали с помощью прибора "Калибр-201". Балл пористости шлифованных и травленных ацетоном образцов определяли по ГОСТ 1583-89 на площади 1 см2 у оси отливок под микроскопом

модели ММУ-ЗУ4,2 при увеличении х50.

При определении плотности образцов, вырезанных- из отливок, использовали метод гидростатического взвешивания.

Исследования показали, что у отливок с приведенными размерами 5; 7,5; 15 мм пористость, равная одному баллу, обнаружена, соответственно, на расстоянии 257; 112; 81 мм от прибыли и 121*, 33; 11 мм от торца. Пористость, равная двум баллам, наблюдалась в отливках с приведенными размерами 7,5 мм и 15 мм на удалении, соответственно, 278 мм и 200 мм от прибыли и 98 мм и 34 мм от торца. Пористость, равная трем баллам, наблюдалась у отливок с приведенной толщиной 15 мм на расстоянии 350 мм от прибыли и 80 мм от торца.

Затухание питающей способности прибыли и влияния торцового эффекта с увеличением расстояния от прибыли и от торца, а также их уменьшение при заданной пористости с увеличением приведенного размера отливки подтвердились при гидростатическом взвешивании образцов, вырезанных из отливок.

В результате регрессионного анализа результатов экспериментальных исследований были получены следующие уравнения для расчета дистанции питания прибылью Lni и дистанции влияния торцового эффекта Lxi в зависимости от приведенного размера отливки Ro и балла пористости Р0:

Lni = (4,27xRo2 -97,93xRo+028,22)xPo2+(0,87xRo2-22,16x

xRo+195,24)xPo+0,27xRoz-5,77xRo+27,95 Смм]; (4)

LTi = (2,89xRoz-67,8xRo+375,81)xPoz+(0,343xRo2-7,89x

xR0+42,71)xP0 [мм]; (5)

5 мм < Rq< 15 MM; 0 < P0 < 3 баллов.

2.2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НА ДИСТАНЦИЮ ПИТАНИЯ ВРЕМЕНИ

ВЫДЕРЖКИ МЕЖДУ МОДИФИЦИРОВАНИЕМ И ЗАЛИВКОЙ ЧУГУНА СЧ25

Исследовали дистанцию питания отливок при времени выдержки tBbm между модифицированием и заливкой, равной 5...7 минутам.

Исследования проводили в условиях действующего производства на Литейном заводе "КАМАЗ". Отливки имели приведенные размеры

4,9; 6,8,• 8,5мм и, соответственно, длины питаемых участков 298; 248; 240мм.

Модифицирование чугуна СЧ25 производилось в ковше ферросилицием ФС-75 в количестве 0,5% от массы сплава. Заливка форм осуществлялась при температуре 1340...1370'С. Твердость сырых песча-но-глиниотых форм составляла не менее 85 ед. по твердомеру ТУР ьта Мг 2787.

Обработку отливок и исследование пористости производили аналогично вышераосмотренным исследованиям отливок из серого чугуна.

Следует отметить, что в связи о особенностями конфигурации отливок исследования дистанции влияния торцового эффекта не проводили.

Исследованиями было установлено, что у отливок с приведенными размерами 4,9; 6,8; 8,5 мм пористость, равная одному баллу, наблюдалась, соответственно, на расстоянии 217; 107; 49 мм от прибыли. Пористость, равная двум баллам, обнаружена у отливок с приведенными размерами 6,8 мм и 8,5 мм на удалении, соответственно, 248 мм и 103 мм от прибыли. У отливок с приведенной толшяной 8,5 мм пористость, равная трем баллам, наблюдалась на расстоянии 164 мм и четырем баллам - на расстоянии 240 мм от прибыли. При измерении толщин стенок отливок утяжин не обнаружено, что исключает их влияние на дистанцию питания.

При сравнении результатов исследований дистанции питания при ^ыд <7 мин с вышеописанными результатами при 1Вцд<40 с установлено, что при 1ввд<7 мин дистанция питания на 22...34% меньше.

Следовательно, установлено, что с увеличением времени выдержки между модифицированием ферросилицием и заливкой чугуна СЧ25 величина дистанции питания отливок при заданной пористости уменьшается. Данный факт можно связывать с затуханием графитизи-рующего свойства модификатора: с увеличением времени выдержки снижается степень графитизации чугуна при затвердевании, увеличивается объем усадочных дефектов. При существенном снижении графи-тиэирующего эффекта возникает опасность образования в отливке отбеленной структуры и усадочных дефектов, характерных для белого чугуна.

На основе результатов экспериментальных исследований и их регрессионного анализа получены уравнения для расчета дистанции питания прибылью отливок из чугуна СЧ25 при 1Ввд < 7 мин в зави-

симости от приведенного размера К0 при заданном балле пористости:

ЬП2 = (-О,Б69хН02-14,276хН0+165,641)хР02+(4,703хйэ2-

-83,478хРго2+415,959)хРо-0,258хНо2+4)588х1?о-20,149 [мм]; (6)

4,9 мм < Ио < 8,5 мм; О < Р0 < 4 баллов.

Как уже отмечалось, исследования дистанции влияния торцового эффекта не проводились. Поэтому, при допущении, что дистанция питания прямопропорциональна времени выдержки, предложено уравнение для приближенного расчета дистанции влияния торцового эффекта Ьтг при 1Вад < 7 мин с использованием уравнений (4), (5) и (6) для расчета дистанции питания:

Ьг2 - (Ьг1/1-п1)х1п2 ЕммЗ; (7)

5 мм < < 8,5 мм; О С Р0 < 3 баллов,

где ЬП1 и 1~пв ~ дистанция питания прибылью, соответственно, при ЬВыд<40 о и при Ьвш<7 мин; 1~т1 - дистанция влияния торцового эффекта при 1выд<40 с.

При расчете количества прибылей для реальных отливок, которые заливаются из одного ковша в течение времени до 7 мин, очевидно необходимо использовать уравнения (6) и (7). При этом дистанция питания получается наименьшей, а количество прибылей наибольшим, что гарантирует получение отливок о заданной пористостью.

3. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МШШИЗМЕ ФОРМИРОВАНИЯ

В ОТЛИВКАХ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

Известные данные из литературы, а также полученные экспериментальные результаты позволяют объяснить криволинейный характер зависимости объема прибылей от объема (массы) отливки.

Выше рассматривали зависимости объема усадочных раковин от массы отливок. Можно легко показать, что объем прибыли должен быть пропорционален объему усадочных дефектов.

Первым фактором, который вызывает отклонение от прямолинейной зависимости (прямая 1, рис.1) объема прибылей от массы отливки, является влияние площади сечения питателей (их приведенного размера), или времени заливки (питание затвердевающей отливки "из ковша"). Для оценки влияния этого фактора были выполнены расчеты по Вейнику А.И. - Баландину Г.Ф. времен отвода теплоты перегрева и затвердевания отливок в сырые песчано-глинистые формы из алюминиевого сплава АК9М2 и серого чугуна.

В экспериментах отливки из алюминиевого сплава с приведенной толщиной 1,1 см и 1,3 см заливали через питатели с Кпит=0.2-•-0,53 см в течение 8...2,5 о. Время отвода теплоты перегрева (ДТ=50°С) от отливок с Но, равным 1,1 см и 1,3 см, составляет, соответственно, 2,8 с и 3,7 с. Следовательно, при времени заливки 2,5 с питание "из ковша" не наблюдается, так как за это время отводится только теплота перегрева. Однако, при времени заливки 8 с оно, по всей вероятности, происходит.

—о-О

сТт

С увеличением температуры перегрева (ДТ=100°) время отвода теплоты перегрева в отливках с приведенной толщиной 1,1 см и 1,3 см увеличивается, соответственно, до 9 с и 12 с, что превышает время заливки, и питание отливок "из ковша" практически не происходит.

Аналогично можно объяснить слабое (или практически никакое) влияние времени заливки для отливок из эвтектического высокопрочного чугуна. Перегрев чугуна составляет около 300", и время отвода теплоты перегрева для отливки с приведенной толщиной 1,0 см составляло примерно 42 с, что значительно больше, чем время заливки (10...30 с).

На основании вышеизложенного можно заключить, что питание "иэ ковша" происходит при изготовлении отливок с малой приведенной толщиной, малых перегревах и медленной заливке. Если питание "из ковша" происходит, то оно приводит к уменьшению объема усадочных дефектов, уменьшению объема прибылей и отклонению от прямолинейной зависимости объема прибылей от массы отливки.

Существенно большее влияние (до 38...47%) на объем прибыли оказывает питание отливки из стояка (литниковой системы) после заливки. С увеличением гшэдзди сечения (с увеличением приведенного размера) питателей увеличиваются время затвердевания питателей и время питания иэ стояка отливок одной приведенной толщины относительно их времени затвердевания. В реальных условиях площадь сечения (приведенный размер) питателей увеличивается с увеличением массы отливок. Следовательно, питанием отливки из стояка (литниковой системы, в частности, например, центробежного шлакоуловителя) можно также объяснить существенное отклонение от прямолинейной зависимости объема усадочных дефектов и объема прибыли от массы отливки, что наглядно показывает уравнение (3), полученное на отливках из эвтектического высокопрочного чугуна.

Выше описаны эксперименты, проведенные на практически эвтектических сплавах. При заливке отливок из сплавов, затвердевающих в интервале температур, питание затрудняется образующейся двухфазной зоной, и в отливках возникает усадочная пористость.

В экспериментальных зависимостях объема прибылей от массы отливок, как правило, не учитывается дистанция питания. Поэтому возможно, что протяженность отливки превышает дистанцию питания. В этих отливках образуется усадочная пористость, не влияющая на

объем прибыли, а, следовательно, на характер зависимости объема прибылей от массы (объема) отливки. Поэтому на графиках экспериментальных зависимостей объема прибылей от массы (объема) отливок следует в соответствии с уравнениями (4), (5), (6), (7) выделить области отливок с допустимой пористостью. Например, на рис.1 эти области указаны для одного приведенного размера.

Участку АВ принадлежат отливки небольшой протяженности, свободно пропитываемые "из ковша", из литниковой системы и из прибыли и имеющие в объеме минимальную пористость (Р0 < 1 балла).

Отливки с протяженностью, превышающей дистанцию питания при допустимой пористости 1<Р0<3 балла, расположены на участке ВС.

К участку СБ относятся протяженные отливки с допустимой пористостью Р0>3 баллов.

Следует отметить, что использование большего объема прибылей (например, соответствующего прямой 1) не приведет к уменьшению количества отливок, в которых образуется соответствующая пористость .

В соответствии с результатами экспериментальных исследований дистанции питания отливок из чугуна СЧ25 при 1Вцд < 7 мин к участку АВ кривой 2 при 1?о=5 мм можно отнести отливки плит о массой до 6,9 кг, к участку ВС - отливки с массой от 6,9 до 215 кг, при Мэ > 215 кг отливки принадлежат участку СБ. При К0=8 мм отливки плиты с массой до 0,7 кг относятся к участку АВ, отливки о массой от 0,7 до 19,3 кг - к участку ВС, отливки с массой более 19,3 кг расположены на участке СБ.

Таким образом, криволинейный характер зависимости объема прибыли от массы отливок одного приведенного размера может определяться влиянием питания "из ковша" (при малых перегревах расплава, малых приведенных размерах отливки и медленной заливке), питанием отливки из стояка (литниковой системы) и превышением протяженностью отливки дистанции питания.

4. ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА И ОБЪЕМА

ПРИБЫЛЕЙ ДЛЯ ОТЛИВОК ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО И СЕРОГО ЧУГУНОВ

В настоящее время довольно широко распространены трехмерные пакеты для моделирования процессов затвердевания отливок для

оценки правильности определения количества и объема прибылей. Однако, при разработке технологии отливки необходимо анать количество и объем прибылей. Поэтому была разработана методика расчета прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов.

Предложенная на основе развития представлений и результатов экспериментальных исследований, инженерная методика для расчета количества и объема прибылей отливок из высокопрочного и серого чугунов состоит из следующих известных этапов:

- определение количества прибылей в соответствии с количеством тепловых узлов отливки и проверочный расчет количества прибылей отливки по дистанции питания, зависящей от приведенного размера при заданной пористости;

- расчет объема прибыли с учетом объемной усадки сплава, приведенного размера и массы отливки или питаемого узла, способа изготовления форм и метода модифицирования чугуна.

Число прибылей принимается равным количеству тепловых узлов отливки.

Проверочный расчет количества прибылей производится после выбора мест установки прибыли. Рассчитывается длина питаемого участка Ьу, равная расстоянию от места установки прибыли до торца отливки. Количество прибылей "п" уточняется по выражению:

п=(Ьу - 2хЬг)/2хЬп,

где Ьп - дистанция питания прибылью;

Ьт - дистанция влияния торцового эффекта.

При проверке количества прибылей на участке между тепловыми узлами величина Ьу принимается равной расстоянию между узлами. При этом значение "п" рассчитывается по уравнению:

п = Ьу / 2хЬп.

Данное уравнение применяется и при определении количества прибылей отливок колец, труб, гильз. В атом случае величина 1_у равна:

Ьу = я х (Ш-сЗ)/2, где Б, с! - внешний и внутренний диаметры отливок.

Значение "п" следует округлять до ближайшего большего целого числа.

Расчеты дистанции питания прибылью и дистанции влияния торцового эффекта отливок из серого чугуна в зависимости от приведенного размера при заданном балле пористости необходимо осущест-

влять по уравнениям (6...7).

На основании экспериментальных данных и развития представлений об образовании усадочных дефектов можно использовать вид уравнения (3) для расчета объема прибыли в зависимости от массы отливки, приведенного размера и времени заливки. Поскольку время заливки при значительном перегреве, который, как правило, используется в автомобильной промышленности, практически не влияет на объем усадочных дефектов, то его можно не включать в расчетное уравнение. В него необходимо ввести объемную усадку чугуна, которую можно рассчитывать по уравнениям Н.Г. Гиршовича.

Следовательно, уравнение для расчета объема прибыли для чугунных отливок может быть в следующем виде:

Уп = А х £ус х р>02 х МоЬ [см3]. (8)

где А - коэффициент пропорциональности.

Для определения коэффициентов А и Ь в уравнении (8) обрабатывали собственные экспериментальные данные, а также известные зависимости Уп от Мо и йо отливок из белого чугуна проф. Б. В, Рабиновича с помощью регрессионного анализа.

Уравнение для расчета объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов выглядит следующим образом:

V,, = 53 х еус(ж-э) * Р-о2 * Мо0'31 [см3], (9)

где гус(ж-э) ~ объемная усадка (%) чугуна с учетом температуры заливки, т.е. объемная усадка в жидком состоянии и усадка затвердевания.

Через объемную усадку сплава в жидком состоянии, зависящую от температуры перегрева (температуры заливки), было решено учесть влияние перегрева на неподдающееся в настоящее время аналитическому расчету лредусадочное расширение и, следовательно, объем усадочных дефектов и объем прибыли.

Как известно, объемная усадка в отливке определяется взаимодействием отливки и формы и зависит от жесткости формы. По данным

H.Г. Гиршовича с уменьшением твердости формы объем усадочной раковины в отливках из высокопрочного и серого чугунов увеличивается. При переходе от поточно-механизированного с твердостью формы 70...75 ед. к автоматизированному процессу производства с твердостью формы 80...90 ед. уменьшение объема прибылей принято в

I,25 раз.

В соответствии с результатами исследований Е.А. Шибеева при

модифицировании чугуна в ковше объем образующихся усадочных дефектов на 30...40% превышает объем дефектов в отливках из чугуна, модифицированного внутриформенно. Поэтому для отливок из высокопрочного чугуна, модифицированного в форме, объем прибылей также в 1,25 раза принимается меньшим, чем модифицированного в ковше.

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Разработанная инженерная методика расчета количества и объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов в сырые песчано-глинистые формы используется в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливок.

Разработана и использована при проведении экспериментальных работ технологическая проба для определения дистанции питания отливок. Проба показала высокую чувствительность к формированию усадочной пористости и позволила установить зависимость дистанции питания от приведенного размера при заданной пористости отливок и выявить влияние временного интервала между модифицированием и заливкой чугуна на величину дистанции питания.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

1. Развиты представления о механизме формирования усадочных дефектов в отливках, изготовляемых в сырых песчано-глинистых формах, с объяснением криволинейного характера зависимости объема прибыли от массы отливки. Во время заливки может происходить затвердевание и компенсация объемной усадки затвердевания за счет заливаемого в форму металла (питание "из ковша"). С увеличением массы отливок одного приведенного размера увеличивается время заливки и приведенный размер питателей и усиливается питание отливок из стояка (литниковой системы) до перемерзания питателей. Именно эти два процесса приводят к уменьшению объема прибыли и отклонению названной зависимости от прямолинейной. Кроме того, с увеличением массы происходит увеличение протяженности отливки,

возрастает объем усадочных дефектов, некомпенсируемый из прибыли, из-за превышения протяженностью отливки дистанции питания прибыли, образуются утяжины. Объем прибыли не зависит от возникновения усадочной пористости в отливках, но на криволинейной зависимости можно выделить области, в которых в отливках образуется допустимая пористость из-за превышения протяженностью отливки дистанции питания.

2. Установлено, что питание отливки из сплава АК9М2 из стояка (литниковой системы) зависит от приведенного размера цилиндрической отливки с высотой, равной диаметру, приведенного размера питателей и перегрева расплава. Объем усадочных дефектов в отливках, изготовленных без отсечки питателей, за счет питания из стояка меньше, чем с их отсечкой и может составлять 53...62% объема усадочных дефектов,с отсечкой. Поэтому питание из стояка (литниковой системы) является основной причиной криволинейной зависимости объема прибылей от массы (объема) отливки.

3. Установлена степенная зависимость объема усадочных дефектов в отливках из эвтектического чугуна ВЧ50, модифицируемого в форме, от приведенного размера отливки с показателем степени 2,0...2,2 и массы с показателем степени 0,3.,,0,35.

4. Установлена зависимость дистанции питания отливок из серого чугуна марки СЧ25 от приведенного размера при заданной пористости: с увеличением приведенного размера отливок дистанция питания уменьшается.

5. Выявлено влияние времени выдержки между модифицированием чугуна СЧ25 ферросилицием и заливкой на величину дистанции питания. С увеличением времени выдержки с 40 секунд до 7 минут дистанция питания при заданной пористости уменьшается на 22...34%, что связано с затуханием графитизирующего эффекта модификатора и увеличением склонности чугуна к большей объемной усадке.

6. Установлено эмпирическое уравнение для расчета объема прибыли отливок из высокопрочного и серого чугунов путем обработки собственных экспериментальных и литературных данных.

7. Разработана инженерная методика расчета количества и объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов с учетом дистанции питания при заданной пористости.

8. Разработана технологическая проба для определения дистанции питания отливок в зависимости от приведенного размера и пористости отливки.

9. Разработанная инженерная методика расчета количества и объема прибылей для отливок из высокопрочного и серого чугунов используется в АО "Литаформ" при разработке САПР технологии отливок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Трухов А.П., Шабенов К. К. 0 выборе количества и объема прибылей для питания отливок.// Сборник научных трудов межвузовской научно-технической программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения". МГААТМ. Москва. 1995г.

2. Трухов А.П., Шабенов К. К. Влияние времени заливки на объем усадочных дефектов в отливках из алюминия А7 и дистанция питания для чугуна СЧ25. //Сборник научных трудов межвузовской научно-технической программы "Ресурсосберегающие технологии машиностроения". МГААТМ. Москва. 1996г.

3. Шабенов К.К. Вазиев И.К. Дистанция питания отливок из чугуна с графитом.// Литейное производство. 1998г., N2.

4. Трухов А.П., Шабенов К. К. 0 взаимосвязи объема прибылей, массы отливок и их протяженности.// Литейное производство. 1998г., N2.

Шабенов Канат Каиржанович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук.

"РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМЕ ФОРМИРОВАНИЯ УСАДОЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ОТЛИВКАХ В СЫРЫЕ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ФОРМЫ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРИБЫЛЕЙ ДЛЯ ЧУГУННЫХ ОТЛИВОК ".

Лицензия ЛР №021209 от 17 апреля 1997 г. Подписано в печать 19.05.98 Заказ 128-98 Тираж 70 Бумага типографская_Формат 60x90/16_

МГТУ "МАМИ", Москва, 105839 Б. Семеновская ул., 38