автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина для двигателестроения

На правах рукописи

Новокрещенов Виктор Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ОСОБО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ИЗ СИЛУМИНА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Челябинск - 2014

005551488

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Ердаков Иван Николаевич.

Официальные оппоненты: Мысик Раиса Константиновна

Защита диссертации состоится 10 июня 2014 г., в 16.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.111.01, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», www.magtu.ru

Автореферат разослан «9 » 2014 года.

доктор технических наук, ФГАУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», профессор кафедры литейного производства н упрочняющих технологий,

Лащенко Дмитрий Дмитриевич кандидат технических наук, руководитель направления по металлургии ОАО "Линде Уралтехгаз" (г. Екатеринбург).

Ведущее предприятие

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г.Уфа.

Учёный секретарь диссертационного совета

Селиванов Валентин Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.

По объемам применения отливок из алюминиевых сплавов лидером является машиностроительная отрасль. Из силуминов отливают блоки цилиндров, головки блоков, поршни, корпуса, а в последнее время номенклатуру дополнили детали систем управления, ходовой части, отдельные элементы кузова машин. Коллекторы новых дизельных двигателей жидкостного охлаждения 4Т 371 и 6Т 370 на перспективные тракторы серии Т4 и Т6 для промышленности и сельского хозяйства также предполагается отливать из алюмокремниевого сплава. Такая востребованность алюминиевых сплавов с кремнием в качестве основного легирующего элемента объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик изготавливаемых деталей и хорошими литейными свойствами сплава такими как: низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая жидкотекучесть и минимальная усадочная пористость.

Однако эффективное производство алюминиевых отливок напрямую связано с высокими требованиями к качеству сплава, к размерной точности литых деталей, а также к их эксплуатационным и специальным свойствам. Высокие требования к качеству сплава определяют строгие ограничения по количеству возврата в используемой шихте и жесткий контроль химического состава сплава. Конфигурация отливки влияет на изменение линейных размеров при её затвердевании и на характер заполнения литейной полости. Получение плотной мелкозернистой структуры силумина с выделением избыточных фаз в компактной форме, особенно в условиях использования низкокачественной шихты (с повышенным содержанием железа), обеспечивает заданный уровень свойств алюминиевых изделий.

Одним из современных направлений повышения производительности труда и улучшения качества продукции является применение автоматизированных вычислений на стадии проектирования технологических процессов. Актуальным остается задача совместного использования прикладных программных пакетов и универсальных системам инженерного анализа. Среди последних ведущей является система РгоСАБТ, позволяющая моделировать все этапы литейного производства, за исключением процесса плавки металла, с максимально возможным количеством варьируемых технологических параметров. Отсутствие в системе деформационной модели для литейной формы сдерживает ее успешное использование для автоматической разработки литейной оснастки.

Перспективным способом повышения качества литейных сплавов является воздействие на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Впервые воздействие на различные вещества локальными полями высокой напряженности изучалось профессорами Кулаковым Б.А., Крымским В.В., Знаменским Л.Г. и Ри Хосеном. Со временем оформились три основных направления воздействия НЭМИ: на различные водные растворы, на жидкие углеводороды, на расплавы металлов и сплавов. В указанных направлениях неизученным остается вопрос влияния НЭМИ на кристаллизующиеся сплавы металлов.

В связи с вышесказанным, создание технологий литья алюминиевых сплавов, учитывающих низкое качество шихтовых материалов, сокращающих время на подготовку расплава и разработку технологической оснастки, а также обеспечивающих повышения качества литых изделий особо сложной конфигурации с применением внешнего физического воздействия на стадии кристаллизации сплава, является актуальной задачей литейного производства.

Работа выполнена при поддержке гранта компании ССНВС EURASIA для аспирантов и молодых ученых Южно-Уральского государственного университета и отмечена именной стипендией Президента РФ.

Цель и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа имела целью повысить качество литых алюминиевых коллекторов для двигателей внутреннего сгорания, а также разработать эффективную технологию литья отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевого сплава. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ известных способов литья алюминиевых сплавов, выявить особенности и недостатки технологий производства отливок из силумина особо сложной конфигурации;

- обеспечить сокращение времени на стадии подготовки расплава и разработки технологической оснастки;

- изучить гидродинамические и тепловые процессы формирования алюминиевых отливок особо сложной конфигурации типа «коллектор»;

- повысить качество литых коллекторов из силумина за счет изменения элементов литниково-питающей системы и воздействия на ход кристаллизации расплава наносекундными электромагнитными импульсами;

- провести промышленную апробацию разработанной технологии.

Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые технологические решения в производстве литых деталей особо сложной конфигурации из алюминие-вокремниевых сплавов при литье в холоднотвердеющие формы.

В том числе:

- получены новые данные по физико-механическим свойствам литейных стержней из a-set смеси в процессе их скоростного нагрева (термошок), позволяющие рассчитывать значения затрудненной усадки силумина в системе ProCAST с точностью ± 1,5%;

- выявлена закономерность формирования плотной мелкозернистой структуры силумина, содержащего железа до 1,0%, при воздействии на расплав НЭМИ;

- уточнена математическая модель расчета критического размера зародыша твердой фазы при кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Практическая ценность работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина в холоднотвердеющих формах, учитывающая повышенное содержание примеси железа в сплаве.

Компьютерные программы расчета оптимального состава шихты и данные деформационной модели стержня из a-set смеси для решателя термических напряже-

ний в системе ProCAST позволяют существенно сократить время при подготовке расплава и проектировании литейной технологической оснастки.

Реализация работы. Разработанная эффективная технология производства отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевых сплавов прошла промышленные испытания в цехе опытного производства ООО «ЧТЗ - Уралтрак» (г. Челябинск) и успешно внедрена с суммарным годовым экономическим эффектом 100 ООО руб.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были представлены на 68 -и межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» при Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова (2010 г.), 8-й Всероссийской научно-практической конференции (2010 г.) и 9-й Международной научно-практической конференции в Санкт-Петербурге (2012 г.) «Литейное производство сегодня и завтра», XXX Российской школе по проблемам науки и технологиям, посвященной 65-летию Великой Победы, при УрО РАН (2010 г., Екатеринбург), II Международном конгрессе «Цветные металлы - 2010» (г. Красноярск), 9th INTERNATIONAL CONGRESS "MACHINES, TECHNOLOGIES, MATERIALS" (2012, Bulgaria), Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов» при СибГИУ (2012 г., Новокузнецк), VII Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным проблемам науки «Научные основы совершенствования и создания новых технологий в промышленности и энергетики» (2012 г, Миасс), Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - Основа инновационного развития экономики России» ВИАМ (2012 г., Москва), Materialy IX mezinarodni vedecko - prakticka conference «Vedecky pokrok na prelomu tysyachalety - 2013» (Praha), 3, 4 и 5-й научной конференции аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета (2011, 2012 и 2013 г.), X и XI съезде литейщиков России (2011, 2013 гг.).

На защиту выносятся следующие положения:

- методика расчета оптимального состава компонентов металлической шихты с автоматическим подбором максимально допустимого количества возврата;

- температурные зависимости изменения коэффициентов деформационной модели стержня из a-set смеси;

- экспериментальные результаты влияния НЭМИ на кристаллизующийся сплав силумина;

- параметры математической модели кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности;

- способ формирования отливок особо сложной конфигурации из силумина с использованием физического воздействия на ход кристаллизации сплава.

Публикации. По теме диссертации получено одно свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, опубликовано 19 научных статей, из них одна в иностранном журнале с системой цитирования CAS и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и 4 приложений; содержит 221 страницу машинописного текста, 13 таблиц, 69 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование темы диссертации, её актуальности, представлена структура и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено современное состояние производства отливок из силумина в машиностроении методом гравитационного литья в формы из ХТС, разобраны особенности и специфика изготовления литых деталей из алюминиевых сплавов. Проведен анализ и выявлены недостатки существующих технологий литья алюминиевых отливок особо сложной конфигурации.

В частности состав сплава должен точно соответствовать требованиям ГОСТ, в конструкцию литниковой системы обязательно должны быть включены фильтры, а пористость в отливках чаще всего устраняется путем пропитки деталей герметиком. К тому же автоматизированный расчет термических напряжений в отливках не позволяет количественно рассчитывать значения литейной усадки, что требует производства пробной партии отливок с последующей корректировкой размеров модельной оснастки при разработке технологии литья. Все это несомненно удлиняет технологический цикл изготовления новых отливок и повышает его трудоемкость, что негативно сказывается на эффективности производства и снижает конкурентоспособность предприятия. Отмечено, что известными технологическими решениями невозможно обеспечить заданный уровень свойств отливок особо сложной конфигурации из силумина с повышенным содержанием Fe.

На основании этого обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе определены методы и методики исследования:

1. Метод решения оптимизационных задач (симплексный);

2. Метод физико-механических испытаний (INSTRON 5882);

3. Метод металлографического анализа (ПАК Thixomet);

4. Метод электронной микроскопии (РЭМ JOEL JSM-64600LV);

5. Метод рентгенофазового анализа (ДРОН-ЗМ);

6. Метод термометрирования процесса кристаллизации (ЭПР-09мз);

7. Метод компьютерного моделирования (САЕ-система ProCAST).

В лабораторных условиях была построена графическая зависимость, позволяющая задать среднюю температуру литейного стержня при нагреве его в муфельной печи методом «термошока», аналогичную той, на которую прогревается стержень при заливке формы алюминиевым расплавом, и провести исследования физико-механических свойств образцов при данной температуре на испытательной машине INSTRON 5882.

Специально была разработана лабораторная установка для исследования кристаллизационных процессов при затвердевании сплава силумина в электромагнитном поле высокой напряженности. Установка представляла литейную форму с установленными в неё излучателями импульсов в виде металлических или графитовых

электродов. В ходе экспериментов формировались контрольные и экспериментальные пробы в виде цилиндров или проб для определения усадки литейных сплавов.

Пористость коллекторов оценивалась отношением суммарного пористого объема отливки к общему объему изделия, выраженного в процентах. Для отливок составляли каталог и карты дефектов. Карту дефектов получали путем нанесения контуров технически значимых дефектов в масштабе и по месту их расположения на эскиз отливки.

В третьей главе изучались особенности состава шихтовых материалов для выплавки алюминиевых сплавов на опытном производстве челябинского тракторного завода, исследовались физико-механические свойства литейных стержней при нагреве методом «термошок», влияние импульсного электромагнитного поля на процесс кристаллизации и свойства алюминиевых сплавов марки АК7ч и АК12, а также закономерности формирования отливок особо сложной конфигурации типа «коллектор» из силумина.

Отличительной особенностью состава шихты является использование возврата собственного производства порядка 50...60% и применение алюминиевого лома с варьируемым содержанием железа. При этом в целях снижения сквозной пористости в отливках и достижения необходимых механических свойств сплавов по ТУ предприятия содержание железа в расплаве не должно превышать 0,6%.

Для снятий кривых разрушения (рис. 1а) стержни, изготовленные a-set процессом на связующем марки «карбектис» (d = 20 мм и h = 50 мм) нагревали методом «термошока» в программируемой муфельной печи фирмы Nabertherm Gmbh, а затем в течение 10 с устанавливали в испытательную машину INSTRON 5882. По специально построенной номограмме устанавливали соответствие кривой разрушения средней температуре нагретого стержня. Кривая изменения линейных размеров стержней (d = 5 мм, h = 10 мм), полученная на дилатометре фирмы PAULIK, представлена на рис. 1, б. По полученным кривым в дальнейшем определяли температурные зависимости изменения модуля Юнга и коэффициента термического линейного расширения стержня.

бв.—

о

2

4

0 200 400 600 800 1000 Т'С б

а

Рис. 1. Кривые разрушения стрежня (а), полученного a-set процессом, и его свободная термическая деформация (б)

Экспериментальная установка для исследования влияния импульсного электромагнитного поля на формирования отливки представлена на рис. 2. Установка собиралась следующим образом. В песчано-глинистую форму вертикально зафор-мовывались графитовые трубки с внутренним диаметром 60 мм. Внутрь графитовых устанавливались кварцевые трубки (внешний диаметр 17 мм) с металлическими электродами и термопарами. В верхней части трубки фиксировались асбестовой крышкой. В установке использовался генератор импульсов марки РГО-1есЬпо1о£у с параметрами генерируемых однополярных импульсов: длительность - 0,5 не, амплитуда — 10 кВ и частота повторения - 1000 Гц.

Глубина погружения в расплав медных электродов и протяженность графитовых трубок составляли 110 мм. После рафинирования флюсом (смесь ЫаС1 и КС1) расплав заливали в форму при температуре 700...800 °С и получали цилиндрические отливки.

Рис. 2. Экспериментальная установка для создания электромагнитного воздействия на кристаллизующийся алюминиевый сплав: 1 — песчано-глинистая форма; 2 — графитовая трубка; 3 - асбестовая крышка; 4 - генератор НЭМИ; 5 - кварцевая трубка; 6 — кварцевая втулка; 7, 9 — металлические электроды; 8 — термопара; 10 — мили-

вольтметр

Для проведения металлографического анализа литой структуры силумина из цилиндров вырезались пластины толщиной 10 мм вдоль оси установки кварцевой трубки. Полученные пластины разрезали на две части и маркировались: 1 - контрольный верхний; 2 - контрольный нижний; 3 - экспериментальный верхний; 4 -экспериментальный нижний.

Анализ макроструктуры выявил, что наибольшее уменьшение размера зерен, порядка 10... 12%, произошло в структуре образца №3. Кроме того в этом же образце отсутствовала пористость.

Растровой электронной микроскопией установлено отсутствие микропор в экспериментальных образцах, уменьшение значений среднего размера дендритных ячеек а-фазы (с1): в образце №3 с1 уменьшился на 15%, в образце №4 - на 9%. Микроструктуры образцов №1, 2, 3 и 4 из сплава АК7ч изображены на рис. 3.

Рис. 3. Микроструктуры образцов №1, 2, 3 и 4 из сплава АК7ч

В ходе исследования вопроса глубокой переработки сырья и повышения качества алюминиевых сплавов из низкосортных шихтовых материалов изучалось влияние наносекундного электромагнитного воздействия на кристаллизующийся сплав силумина с варьируемым содержанием железа 0,5... 1,5%.

Фотографии макропористости и микроструктур экспериментальных образцов №1, 2, 3 и 4 из сплава АК7ч с содержанием железа в количестве 1,5% представлены на рис. 4 и 5, соответственно.

!

•!

Рис. 4. Микроструктура образцов № 1, 2, 3 и 4 из сплава АК7ч с содержанием Бе 1,5%

| ----о"

Рис. 5. Макропористость в образцах № 1, 2, 3 и 4 из сплава АК7ч с содержанием Бе 1,5%

На фотографиях (см. рис. 4 и 5) видно, что рыхлая структура контрольных образцов устраняется, если сплав формируется в поле НЭМИ. При этом наличие плотной структуры в образце №3 свидетельствует об эффективном воздействии НЭМИ на объем расплава, находящийся между излучателями. Снижение среднего размера дендритных ячеек а-фазы в образцах №3 и №4 составило 12% и 5%, соответственно.

В условиях литейного цеха ООО «ЧТЗ-Уралтрак» с помощью заливки клиновидной пробы установили объем эффективного воздействия НЭМИ на свойства кристаллизующегося силумина, который составил 300...500 см3.

Результаты измерения физико-механических свойств сплава АК7ч в «эффективном» объеме клиновидной пробы представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Физико-механических свойств сплава АК7ч в «эффективном» _объеме клиновидной пробы _

Тип образца Тзм= 700°С Тзал= 740°С Тзал= 800°с

От, МПа <7в, МПа 8,% Ст, МПа <3в, МПа 8,% Ст, МПа Ов, МПа 8,%

контрольный 159 115 1,3 145 111 1,2 131 105 1,1

эксперимент 172 138 1,3 196 155 1,3 223 164 1,2

Таблица 2

Поверхностная твердость сплава АК7ч в «эффективном» ___объеме клиновидной пробы_

Тип образца* Поверхностная твердость в зависимости от расстояния от активного электрода, НВ

50 мм 100 мм 150 мм 200 мм 250 мм 300 мм

контрольный 84 81 79 80 81 83

эксперимент 97 95 94 92 93 95

* температура заливки сплава составляла 740 °С

Для исследования закономерности формирования алюминиевых отливок особо сложной конфигурации изучали вариант литья выпускного коллектора к новому тракторному дизельному двигателю марки 4Т 371. В ходе экспериментов расплав силумина марки АК7ч рафинировали хлористыми солями натрия и калия.

Анализ способа заполнения формы проводился в системе инженерного анализа литейных процессов РгоСАБТ с последующей заливкой форм в цехе. В ходе экспериментов варьировали конструкцию литниковой системы, установку прибылей и холодильников. Изучалось два варианта технологии. В первом случае литниковая система имела две ветви шлакоуловителя, подвод питателей осуществлялся к донной части отливки, а на протяженные боковые стенки устанавливались массивные внешние холодильники. Во втором случае использовали одну ветвь шлакоуловителя, питатели подводили к боковой стенке отливки и использовались внутренние холодильники.

В первом варианте технологии литья коллекторов выявлена наибольшая интенсивность перемешивания расплава в каналах литниковой системы, определена область захвата воздуха и зафиксировано отсутствие направленности затвердевания отливки, рис. 6 а, в, д.

Второй вариант подвода металла к отливке существенно снижает образование оксидных плен, обеспечивает плавное заполнение полости литейной формы и направленность затвердевания сплава, позволяя максимально снизить образование сквозной пористости во всем объеме отливкн за исключением зоны в верхней части коллектора, рис. 6 б, г, е.

д е

Рис. 6. Результат компьютерного моделирования процесса литья отливки «коллектор» в РгоСАБТ: заполнение литниковой системы, захват воздуха и остывание отливки в базовом (а) и экспериментальном (б) вариантах

Таблица 3

Результаты измерения пористости экспериментальных коллекторов

Вариант технологии* Пористость отливки «коллектор», %

верхняя часть поверхности отливки боковые части поверхности отливки нижняя часть поверхности отливки

базовый 43 18 4

экспериментальный 23 12 0

температура заливки сплава во всех вариантах составляла 730...750"С

В дальнейших исследованиях к экспериментальному варианту технологии литья коллекторов через систему выпоров расплав обрабатывали импульсным электромагнитным полем. Схема подключения электродов при импульсной электромагнитной обработке показана рис. 7.

> I /Мк

Рис. 7. Схема подключения электродов при импульсной электромагнитной обработке затвердевающей отливки «коллектор»: П-пассивный электрод; А-активный электрод

(три варианта подключения)

Меняли только место подвода активного (А) электрода. Место установки пассивного (П) электрода было фиксированным. Результаты измерения пористости коллектора, сформированного в импульсном электромагнитном поле, представлены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты измерения пористости коллектора, сформированного в импульсном электромагнитном поле

Пористость отливки «коллектор», %

Вариант верхняя часть боковые части нижняя часть

установки излучателей* поверхности поверхности поверхности

отливки отливки отливки

контрольный 26 8 0

вариант-А1 5 2 0

вариант - А2 11 2 0

вариант - АЗ 18 3 0

температура заливки сплава во всех вариантах составляла 730 ...750°С

Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что направленным импульсным физическим воздействием на кристаллизующийся силумин можно существенно снизить пористость в отливке.

В четвертой главе предложена методика формирования симплекс-таблиц с поиском максимально допустимого количества возврата, создана деформационная модель литейного стержня из a-set смеси, определены закономерности затвердевания силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Отличительной особенностью в предложенной методике формирования симплекс-таблиц является последовательный поиск минимальной стоимости шихты при определенном количестве возврата вплоть до полного перебора от 0 до 100%. Из всех найденных оптимальных решений лучшим считается то, в котором значение целевой функции минимально. Даная методика реализована в блок-схему решения оптимизационной задачи.

В результате анализа экспериментальных данных получены параметры деформационной линейно-упругой модели стержня из a-set смеси. В базу материалов системы ProCAST были введены температурные зависимости изменения модуля Юнга, коэффициента термического линейного расширения и коэффициента Пуассона, после чего произведен расчет затрудненной усадки силумина для технологической пробы (рис. 8).

Е. МПа 400 -

200 -

300

1000 Т. 'С

Рис. 8. Параметры деформационной модели литейной формы, полученной a-set процессом: а — данные изменения модуля Юнга; б - данные изменения KTJIP; в — данные изменения коэффициента Пуассона; г — расчет затрудненной усадки сплава в ProCAST

Моделирование термических напряжений и перемещений для сплава АК7ч и формы из a-set смеси показал абсолютное совпадение расчетных линейных размеров технологической пробы с фактическими.

Для изучения закономерности затвердевания силумина в поле НЭМИ был проведен рентгенофазовый анализ экспериментальных образцов и термометрирование процесса кристаллизации сплавов (рис. 9).

Анализ экспериментальных данных показывает, что затвердевание силумина под действием импульсного электрического поля протекает в условиях переохлаждения сплава с замедленным выделением эвтектического кремния и выделением железистой фазы в компактной форме. В направлении к активному электроду формируется плотная мелкозернистая структура сплава. Повышение температуры заливки с 700 до 800 °С приводит к увеличению физико-механических свойств кристаллизующегося в электромагнитном поле сплава.

а

б

Рис. 9. Результаты термометрирования образцов из сплава АК7ч: а - Тзал=700°С; б - Т11Л=800°С; к- контрольный расплав; э- экспериментальный расплав

Рассматриваемое физическое воздействие «разрыхляет» расплав, уменьшает размеры кластеров, приводит к снижению температуры кристаллизации, и поляризует двойной электрический слой на поверхности первоначально образовавшихся зародышей. Образующиеся вследствие этого диполи расплава своим полем снижают потенциальную энергию электронов, зарождающихся твердых частиц в ближайших объемах расплава и уменьшают работу выхода электронов из зародыша. В итоге уменьшается контактная разность потенциалов на границе фаз, критический размер зародыша становится меньше. Это приводит к массовому росту центров кристаллизации и измельчению зерна.

На основании установленной закономерности уточнена математическая модель расчета критического размера зародыша твердой фазы кристаллизующегося в поле НЭМИ силумина.

Р

Р - ср УД Ьэд /* - / -Д-Р

'ар-'КР Л31 УД ¿^ж-тв =

AT' = к2 Руд + ДТ pLAT*

В модели использованы следующие обозначения: Рср - средняя мощность излучения; L„ - расстояние между электродами; Руд - средняя мощность излучения; tKp - интервал кристаллизации; Aip - контактная разность потенциалов на границе фаз; ЛТ - степень переохлаждения расплава; То - температура фазового перехода расплава; р - плотность сплава; L - теплота фазового перехода расплава; С, kIt к:, к3 - эмпирически подобранные константы, зависящие от типа сплава.

За счет ускорения процесса затвердевания сплава значительно сокращается выделение водорода при распадении комплексов (Al203).vH или ((А1203)лИ20)>'Н. Последние образуются при недостаточно качественном рафинировании силумина в значительной степени насыщаемого окислами возврата, а также в момент интенсивного перемешивания расплава на стадии заполнения формы.

В пятой главе написана компьютерная программа расчета оптимального состава компонентов металлической шихты и осуществлена корректировка температурной зависимости изменения модуля Юнга для литейного стержня из a-set смеси. Точность расчета затрудненной усадки для алюминиевых отливок новых тракторных двигателей составила ±1,5%. За счет снижения брака, устранения сквозной пористости, уменьшение расхода анаэробного герметика для пропитки отливок, сокращения времени на подготовку шихты и проектирование литейной оснастки суммарный годовой экономический эффект при внедрении разработанной технологии на опытном производстве ООО «ЧТЗ-Уралтрак» составил 100 ООО руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика формирования симплекс-таблиц с последовательным поиском минимальной стоимости шихты при максимально возможном количестве возврата. Согласно методике последовательно задается процент возврата, определяется область допустимых решений и решается оптимизационная задача. Из всех найденных решений оптимальным считается то, в котором стоимость шихты минимальна. По методике составлена блок-схема и написана компьютерная программа «Расчет оптимального состава компонентов металлической шихты». Программа предоставляет технологу возможность использовать готовую базу данных компонентов шихты, а также пополнять ее новыми материалами.

2. В результате экспериментальных исследований получены температурные зависимости коэффициентов деформационной лннейно-упругой модели литейного стержня из a-set смеси. Для базы материалов системы ProCAST получена деформационная модель ХТС-смеси, позволяющая рассчитывать значения литейной усадки отливок из силумина любой конфигурации с точностью ±1,5%.

3. В ходе исследований зафиксировано влияние наносекундных электромагнитных импульсов на ход кристаллизации алюмокремниевого сплава. Кристаллизация силумина в поле НЭМИ (длительность импульса 0,5 не, амплитуда импульса 10 кВ, частота следования импульсов 1000 Гц) в интервале температуры заливки от 700 до 800°С приводит к измельчению зерна на 10... 15%, снижению пористости в 2...3 раза, повышению предела прочности на 5...8 % и твердости на 7... 12%. Установлено, что обработка кристаллизующегося сплава импульсным электромагнитным полем позволяет повысить герметичность отливок из сплава АК7ч и полностью устранить в них сквозную пористость при содержании железа в сплаве до 1% включительно.

4. Инженерным анализом в системе ProCAST и фактическими заливками форм в цехе опытного литья ЧТЗ-Уралтрак установлена рациональная конструкция лнт-никово-питающей системы, позволяющая существенно сократить и локализовать пористость в алюминиевых отливках особо сложной конфигурации типа «коллектор». Устранение образования сквозной пористости в проблемной зоне коллектора при переплаве низкокачественной шихты, содержащей железо до 1 %, достигнуто воздействием НЭМИ на расплав через систему выпоров.

5. Рассматриваемое физическое поле «разрыхляет» расплав, уменьшает размеры кластеров, приводит к снижению температуры кристаллизации, и поляризует двойной электрический слой на поверхности первоначально образовавшихся зародышей. Своим полем диполи расплава снижают работу выхода электрона из зародыша н потенциальную энергию электронов, зарождающихся твердых частиц в ближайших объемах расплава. В итоге уменьшается контактная разность потенциалов на границе фаз, критический размер зародыша становится меньше. Это приводит к образованию большого числа центров кристаллизации и сокращению времени кристаллизации. Вследствие этого зерно силумина измельчается.

6. В интерметаллиде AlxSiFe ионы А1 и Si несут избыточный положительный заряд, а ионы Fe - отрицательный заряд. При обработке сплава НЭМИ на железистую фазу действуют разнонаправленные силы, которые препятствуют образованию её кристаллической решетки и способствуют росту кристалла в компактной форме.

Сокращение интервала кристаллизации предотвращает выделения водорода, образующегося при распадении гидрокомплексов (А1203)лН или ((A120j)-yI120)vII. Последние формируются в ходе некачественного рафинирования сплава и в момент его интенсивного перемешивания на стадии заполнения формы. Мелкозернистая структура, компактная форма железистой фазы и отсутствие пористости в металле обеспечивает рост значений прочности и твердости сформированного в поле НЭМИ сплава.

7. В результате внедрения в опытное производство ООО «ЧТЗ-Уралтрак» разработанной технологии достигнут годовой экономический эффект в размере 100000 руб. Эффективность новой технологии достигается сокращением времени на расчет шихты и разработку технологической оснастки, снижением пористости отливок и сведением к минимуму операции пропитки отливок, подвергающихся по ТУ гидроиспытаниям.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Ердаков, И.Н. Применение генератора наносекундных электромагнитных импульсов в технологическом процессе изготовления отливок / И.Н. Ердаков, В.В. Но-вокрещенов // Литейные процессы: межрег. сб. научн. тр. под ред

B.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 123-125.

2. Ердаков, И.Н. Контроль технологических параметров электронмпульспого процесса формирования отливки / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство сегодня и завтра: тезисы докладов 8-й Всероссийской научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - С. 148 - 152.

3. Ердаков, И.Н. Влияние импульсного электрического воздействия на кристаллизацию силумина (АК7ч) и стали (20ГЛ) / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейные процессы: межрег. сб. научн. тр. под ред В.М. Колокольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Вып. 9,- С. 54-57.

4. Ердаков, И.Н. Кристаллизация алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Цветные металлы: сб. докладов второго международного конгресса. - Красноярск: ООО «Версо», 2010. -

C.670-672.

5. Знаменский, Л.Г. Электроимпульсная обработка кристаллизующихся расплавов в литейных процессах / Л.Г. Знаменский, И.Н. Ердаков, В.В. Ерофеев, В.В. Новокрещенов // Наука и производство: сборник научных трудов / под. ред. В.В. Ерофеева. Челябинск: ЧРО РАЕН, 2010. - С. 17-22.

6. Ердаков, И.Н. Импульсное электромагнитное воздействие на кристаллизационный процесс силумина (АК7ч) / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейщик России. - 2011. - № 7. - С. 22 - 23.

7. Ердаков, И.Н. Влияние температуры заливки на кристаллизацию алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Труды X съезда литейщиков России, Казань, Изд-во РАЛ, 2011г. - С. 216-219.

8. Ердаков, И.Н. О кристаллизации алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство - 2012. - № 2. - С. 34-35.

9. Ердаков, И.Н. Методика формирования литой структуры металлического сплава в электромагнитном поле высокой напряженности / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. -№3.-С. 7-10.

10. Ердаков, И.Н. Специфика формирования отливки при электроимиульс-иом воздействии / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Литейное производство - 2012. - № 10. - С. 21-22.

11. Особенности затвердевания силумина, находящегося в импульсном электромагнитном поле / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов, В.Ю. Усанов и др. // сб. фундаментальных и прикладных проблем науки: материалы VII Международного симпозиума, М: РАН, 2012,- С. 83-90.

12. Новокрещенов, В.В. Математическая модель кристаллизации металлического сплава в импульсном электромагнитном поле / В.В. Новокрещенов, И.Н. Ердаков // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр./ под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та, 2012.-Вып. 12.-С. 169-173.

13. Ердаков, И.Н. Технология производства высококачественных литых деталей из алюминиевых сплавов / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Теория и технология металлургического производства: межрегион, сб. науч. тр./ под ред. В.М. Колокольцева. - Магнитогорск: изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та, 2012. - Вып. 12 - С.97—

14. Новокрещенов, В.В. Локальная электроимпульсная обработка кристаллизующегося алюминиевого сплава / В.В. Новокрещенов // Вестник Южио-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». - 2012. -№39. - С. 134-136.

15. Erdakov I.N., Novokreshchenov V.V. A principal approaching design of re-sourse-seving casting technologies. Mashines, technologies, materials, 2013, n. 2, pp.

16. Современный подход к повышению эффективности технологии изготовления отливки / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов, Д.А. Кольцо, А.О. Оводов // Теория и практика литейных процессов: труды всероссийской научно-практической конференции / Под ред. И.Ф. Селянина, В.Б. Деева. - Новокузнецк: Издат. центр СибГИУ, 2012.-С. 143-144.

17. Новокрещенов, В.В. Производство высококачественных литых деталей из алюминиевых сплавов / В.В. Новокрещенов // Вестник Южпо-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». - 2013. - Т.13. - №1. -С. 208-210.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ -2013611738. Расчет оптимального состава компонентов металлической шихты / М.А. Иванов, В.В. Новокрещенов; Южно-Уральский государственный университет. -№2012661366; Заяв. 19.12.2012; Зарег. 04.02.2013.

19. Ердаков, И.Н. Технология литья коллекторов в условиях опытного производства челябинского тракторного завода / И.Н. Ердаков, В.В. Новокрещенов // Труды XI съезда литейщиков России, Екатеринбург, Изд-во РАЛ, 2013. - С. 105-109.

100.

13-15.

Новокрещенов Виктор Владимирович

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ОСОБО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ИЗ СИЛУМИНА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 03.04.2014. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 100 экз. Заказ 83/247.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НОВОКРЕЩЕНОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ОСОБО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ИЗ СИЛУМИНА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 — «Литейное производство»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201459380

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Ердаков Иван Николаевич

Челябинск - 2014г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК

ГРАВИТАЦИОННЫМ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ..............................................................8

1.1. Общие представления об алюмокремниевых сплавах, их структуре и свойствах.........8

1.2. Литниково-питающие системы для литья силуминов..........................................20

1.3. Способы воздействия на структуру и свойства металлических сплавов......................25

1.4. Влияние НЭМИ на свойства чистых металлов и сплавов....................................33

1.5. Компьютерное моделирование литейных процессов..................................................39

1.6. Определение цели и задачей исследования.................................................................44

Выводы к главе 1.............................................................................................................48

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

ЛИТЬЯ ОТЛИВОК ИЗ СИЛУМИНА.........................................................................50

2.1. Симплекс-метод решения оптимизационных задач.............................................50

2.2. Метод физико-механических испытаний...............................................................52

2.3. Метод металлографического анализа.....................................................................52

2.4. Метод рентгенофазового анализа...........................................................................53

2.5. Метод термометрирования процесса кристаллизации.........................................53

2.6. Метод компьютерного моделирования..................................................................54

2.7. Методика оценки дефектности коллекторов.........................................................56

2.7.1. Подготовка отливки к определению дефектности........................................58

2.7.2. Получение каталога и карты дефектов...........................................................59

2.7.3. Итоговая таблица и анализ результатов измерений......................................60

2.8. Методика измерения физико-механических свойств литейных стержней........61

2.9. Методика обработки кристаллизующегося сплава НЭМИ..................................68

2.9.1. Экспериментальная установка с диэлектрическим материалом между электродами..............................................................................................................68

2.9.2. Установка работы генератора импульсов без диэлектрика.........................71

Выводы к главе 2.............................................................................................................74

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ОТЛИВОК ОСОБО СЛОЖНОЙ

КОНФИГУРАЦИИ ИЗ СИЛУМИНА....................................................................76

3.1. Анализ процесса получения литейных сплавов в условиях опытного

производства ООО «ЧТЗ-Уралтрак»..........................................................................76

3.2. Измерение физико-механических свойств литейных стержней..................................79

3.3. Анализ конструкции литниково-питающей системы для производства коллекторов из сплава АК7ч...................................................................................87

3.3.1. Анализ базовой технологии литья........................................................................88

3.3.2. Анализ разработанной технологии литья......................................................90

3.4. Результаты исследования влияния импульсного электромагнитного поля на

структуру и свойства сплавов АК12 и АК7ч...............................................................93

3.4.1 Результаты металлографических исследований.............................................98

3.4.2 Результаты термометрирования кристаллизационных процессов...............104

3.4.3 Результаты физико-механических испытаний полученных образцов........108

3.5. Применение электроимпульсной обработки алюминиевого сплава

при литье отливки «коллектор»..................................................................................112

Выводы к главе 3.............................................................................................................114

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................116

4.1. Разработка блок-схемы программы расчета оптимального состава шихты......116

4.2. Обработка результатов измерения деформационных параметров формовочной смеси и их применение в СКМ ЛП «ProCAST»...........................119

4.3 Жидкостно - кластерная модель..............................................................................131

4.4 Механизм влияния НЭМИ на кристаллизацию силумина.....................................135

4.4.1 Математическая модель исследуемой системы.............................................141

4.5 Программная реализация математической модели................................................143

Выводы к главе 4.............................................................................................................147

5. ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ.....................149

5. 1. Программа расчета оптимального состава шихты...............................................149

5.2. Корректировка деформационной модели литейного стержня для

решателя «ProCAST».................................................................................................150

5. 3. Расчет экономических параметров производства сложнопрофильных отливок

при внедрении разработанной технологии...........................................................152

Выводы к главе 5.............................................................................................................160

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................................161

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................................171

ВВЕДЕНИЕ

Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.

По объемам применения отливок из алюминиевых сплавов лидером является машиностроительная отрасль. Из силуминов отливают блоки цилиндров, головки блоков, поршни, корпуса, а в последнее время номенклатуру дополнили детали систем управления, ходовой части, отдельные элементы кузова машин. Коллекторы новых дизельных двигателей жидкостного охлаждения 4Т 371 и 6Т 370 на перспективные тракторы серии Т4 и Т6 для промышленности и сельского хозяйства также предполагается отливать из алюмокремниевого сплава. Такая востребованность алюминиевых сплавов с кремнием в качестве основного легирующего элемента объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик изготавливаемых деталей и хорошими литейными свойствами сплава такими как: низкая склонность к образованию горячих трещин, хорошая жидкотекучесть и минимальная усадочная пористость.

Однако эффективное производство алюминиевых отливок напрямую связано с высокими требованиями к качеству сплава, к размерной точности литых деталей, а также к их эксплуатационным и специальным свойствам. Высокие требования к качеству сплава определяют строгие ограничения по количеству возврата в используемой шихте и жесткий контроль химического состава сплава. Конфигурация отливки влияет на изменение линейных размеров при её затвердевании и на характер заполнения литейной полости. Получение плотной мелкозернистой структуры силумина с выделением избыточных фаз в компактной форме, особенно в условиях использования низкокачественной шихты (с повышенным содержанием железа), обеспечивает заданный уровень свойств алюминиевых изделий.

Одним из современных направлений повышения производительности труда и улучшения качества продукции является применение автоматизированных вычислений на стадии проектирования технологических процессов. Актуальным остается задача совместного использования прикладных программных пакетов и универсальных системам инженерного анализа. Среди последних ведущей является система ProCAST, позволяющая моделировать все этапы литейного производства, за исключением процесса плавки металла, с максимально возможным количеством варьируемых технологических параметров. Отсутствие в системе деформационной модели для литейной формы сдерживает ее успешное использование для автоматической разработки литейной оснастки.

Перспективным способом повышения качества литейных сплавов является воздействие на расплав наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). Впервые воздействие на различные вещества локальными полями высокой напряженности изучалось профессорами Кулаковым Б.А., Крымским В.В., Знаменским Л.Г. и Ри Хосеном. Со временем оформились три основных направления воздействия НЭМИ: на различные водные растворы, на жидкие углеводороды, на расплавы металлов и сплавов. В указанных направлениях неизученным остается вопрос влияния НЭМИ на кристаллизующиеся сплавы металлов.

В связи с вышесказанным, создание технологий литья алюминиевых сплавов, учитывающих низкое качество шихтовых материалов, сокращающих время на подготовку расплава и разработку технологической оснастки, а также обеспечивающих повышения качества литых изделий особо сложной конфигурации с применением внешнего физического воздействия на стадии кристаллизации сплава, является актуальной задачей литейного производства.

Работа выполнена при поддержке гранта компании ССНВС EURASIA для аспирантов и молодых ученых Южно-Уральского государственного университета и отмечена именной стипендией Президента РФ.

Научная новизна. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, обеспечивающих новые

технологические решения в производстве литых деталей особо сложной конфигурации из алюминиевокремниевых сплавов при литье в холоднотвердеющие формы.

В том числе:

- получены новые данные по физико-механическим свойствам литейных стержней из a-set смеси в процессе их скоростного нагрева (термошок), позволяющие рассчитывать значения затрудненной усадки силумина в системе ProCAST с точностью ± 1,5%;

- выявлена закономерность кристаллизации силумина при воздействии на расплав НЭМИ, обеспечивающая формирование плотной мелкозернистой структуры отливок с содержанием в сплаве железа до 1,0%;

- уточнена математическая модель расчета критического размера зародыша твердой фазы при кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Практическую ценность работы На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология производства отливок особо сложной конфигурации из силумина в холоднотвердеющих формах, учитывающая повышенное содержание примеси железа в сплаве.

Компьютерные программы расчета оптимального состава шихты и данные деформационной модели стержня из a-set смеси для решателя термических напряжений в системе ProCAST позволяют существенно сократить время при подготовке расплава и проектировании литейной технологической оснастки.

Разработанная эффективная технология производства отливок особо сложной конфигурации из алюмокремниевых сплавов прошла промышленные испытания в цехе опытного производства ООО «ЧТЗ - Уралтрак» (г. Челябинск) и успешно внедрена с суммарным годовым экономическим эффектом 100 ООО руб.

На защиту выносятся следующие положения: - методика расчета оптимального состава компонентов металлической шихты с автоматическим подбором максимально допустимого количества возврата;

- температурные зависимости изменения коэффициентов деформационной модели стержня из a-set смеси;

- экспериментальные результаты влияния НЭМИ на кристаллизующийся сплав силумина;

- параметры математической модели кристаллизации силумина в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности;

- способ формирования отливок особо сложной конфигурации из силумина с использованием физического воздействия на ход кристаллизации сплава.

Публикации. По теме диссертации получено одно свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ, опубликованы 19 научных статей, из них одна в иностранном журнале с системой цитирования CAS и 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 110 наименований и 5 приложений; содержит 221 страницу машинописного текста, 13 таблиц, 69 рисунков.

Автор выражает свою глубокую признательность за консультации, поддержку и творческое участие при выполнении работы кандидату технических наук, доценту Ердакову Ивану Николаевичу.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК ГРАВИТАЦИОННЫМ СПОСОБОМ ЛИТЬЯ

1.1. Общие представления об алюмокремниевых сплавах, их структуре и свойствах

Широкое распространение алюмокремниевых сплавов для изготовления различных деталей, а также увеличение спроса на данный вид продукции в последние 10-15 лет требуют постоянного совершенствования технологии плавки и литья алюминиевых сплавов.

По объемам применения фасонных отливок из обозначенных сплавов несомненным лидером является автомобильная промышленность, причем с каждым годом объемы потребления заметно растут под влиянием активно развивающегося рынка автомобилей. Из алюминиевых сплавов отливают блок цилиндров, головку блока, поршни, корпуса, детали интерьера, а в последнее время номенклатуру алюминиевого литья дополнили детали систем управления, ходовой части и отдельные элементы кузова. Такая «популярность» алюминиевых сплавов, большую часть которых составляют силумины, с кремнием в качестве основного легирующего элемента (более 4 масс. %), объясняется высоким уровнем эксплуатационных характеристик и хорошей технологичностью при литье. Последнее означает низкую склонность к образованию горячих трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, относительно низкую трудоемкость производства и др. При этом силумины уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем Al-Cu, Al-Zn-Mg—Cu, по жаропрочности - сплавам Al-Cu-Mn, по коррозионной стойкости - сплавам А1-Mg и Al-Zn-Mg, но все эти сплавы с хорошими эксплуатационными характеристиками имеют низкие литейные свойства, вследствие чего, более 90% фасонного алюминиевого литья делается из силуминов.

Доэвтектические силумины типа АК7 содержат от 6 до 8% кремния. Основными структурными составляющими являются дендриты алюминиевого твердого раствора (Al) и алюмокремниевая эвтектика, которая из-за примеси

железа содержит значительное количество пластинчатых кристаллов Р-фазы. Эти кристаллы имеют относительно небольшую длину (в пределах колонии), что делает их менее опасными по сравнению с частицами, сформировавшимися по двойной эвтектической реакции Ь—>(А1)+Р, образование которой возможно при концентрации железа выше 0,6 масс.%. Во избежание наличия включений подобной фазы в конечном изделии при производстве ответственных отливок используют сплав АК7ч, имеющий строгую регламентацию содержания железа и выплавляемый из первичных материалов. Сплав имеет удовлетворительные механические и высокие литейные свойства, хорошую коррозионную стойкость. Применяется для литья тонкостенных сложнопрофильных деталей средней нагруженности [1-6].

Эвтектический силумин АК12 содержит в качестве легирующего элемента только кремний, его основная структурная составляющая — алюминиевокремниевая эвтектика. В структуре данного сплава может наблюдаться небольшое количество первичных дендритов (А1) и первичные кристаллы кремния в виде компактных полиэдров. С ростом концентрации примеси железа в этом сплаве увеличивается число иглообразных сечений пластинчатых кристаллов Р-фазы, что значительно снижает эксплуатационные свойства сплава и негативно отражается на герметичности отливок. Сплав АК12 как правило получают из первичных материалов. Он имеет невысокие прочностные характеристики, однако, в сравнении со сплавом АК7ч, его литейные свойства и коррозионная стойкость намного выше. Одним из главных достоинств этого сплава является образование концентрированной усадочной раковины при литье слитков или массивных узлов во время кристаллизации сплава и малая склонность к образованию рассеянной пористости, вследствие чего данный сплав используют для литья герметичных отливок сложной конфигурации, работающих при температуре не выше 200°С [1,4,7].

В диссертационной работе исследовались технологические процессы изготовления литых деталей из алюминиевых сплавов марки АК7ч и АК12.

Важнейшими характеристиками силуминов, определяющими их технологичность и область применения, являются механические, коррозионные и литейные свойства. Все они определяются химическим составом и структурой сплава. Структура, в свою очередь, формируется в зависимости от условий плавки, вида литья, кристаллизации и последующей термической обработки, если таковая применяется.

Силумины по своей природе являются гетерофазными сплавами, содержания кремния в алюминиевой матрице, как правило, находится в пределах 1—1,5 %, а больш