автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные исследования процессов заполнения металлических форм алюминиевыми сплавами с целью оптимизации параметров литниково-питающих систем

Яи ОД

-О ti.ii На правах рукописи

Курочкина Татьяна Николаевна

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗАПОЛНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ФОРМ АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮШИХ СИСТЕМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.16.04 - ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РЫБИНСК- 1998 г.

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Научный руководитель - к.т.н., доцент А.А.Шатульский

Научный консультант - к.т.н., ст. преподаватель В.А.Изотов

Официальные оппоненты - д.т.н., профессор В.С.Моисеев,

к.т.н., доцент В.А.Токарев

Ведущая организация - ОАО "Тутаевские моторы"

Защита состоится 23 сентября 1998 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета К 064.42.02 в Рыбинской государственной авиационной технологической академии по адресу: 152934 г .Рыбинск Ярославской обл., ул.Пушкина, д.53, РГАТА.Тел. (0855) 520290.Факс (0855)528688.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан 17 августа 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета / Ю.Н. Иванов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость повышения качества и снижения себестоимости широкой номенклатуры тонкостенных кокильных отливок из алюминиевых сплавов, применяемых в машиностроении, требуют совершенствования технологической подготовки производства. В этих условиях важнейшее значение приобретает широкое использование систем автоматизированного проектирования технологических процессов литья, основанных на индивидуальных методах расчета процессов заполнения полостей литейных форм.

Однако разработка и внедрение таких систем в настоящее время сдерживается из-за отсутствия надежных методов расчета размеров литни-ково-питающих систем (ЛПС), пригодных для любой отливки с учетом ее индивидуальности. Особенно остро стоит проблема оптимизации режимов заполнения металлических форм расплавом, что объясняется большой сложностью задачи и высокими требованиями к точности ее решения.

Таким образом, изучение особенностей заполнения полостей литейных форм и, прежде всего, кокилей легкими сплавами и разработка на этой основе новых методов расчета процесса заполнения и оптимальных размеров ЛПС является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение качества и сокращения брака тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов, изготавливаемых литьем в кокиль.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие основные задачи:

- теоретически и экспериментально обосновать значение предельно-допустимых скоростей заполнения ко кит ей алюминиевыми сплавами, позволяющих получить отливку без традиционных литейных дефектов;

- оценить возможность применения критериев параметрического типа для определения сложности полости литейной формы при заполнении кокилей алюминиевыми сплавами;

- исследовать влияние краски на интенсивность теплоотвода от фронта потока к поверхности металлической формы;

- разработать методику определения значения коэффициента теплоотдачи при течении расплава в полости окрашенной и неокрашенной металлической формы;

- исследовать влияние конфигурации полости металлической формы на изменение температуры фронта потока;

- разработать методики расчета оптимальных размеров сифонной и вертикально-щелевой литниковых систем при литье алюминиевых сплавов в металлическую форму.

Научная новизна. Доказано существование для литья в металлическую форму области технологичных и нетехнологичных значений параметров заливки, границы которых могут быть определены системой критериев качества отливки.

Установлено, что предельно-допустимые скорости заполнения полости металлической формы алюминиевыми сплавами, при которых не происходит образование вторичных шлаковых включений, могут быть в 22,5 раза выше, чем при литье в песчаные формы.

Экспериментально и теоретически доказано, что геометрическую сложность полости металлической формы необходимо оценивать критериями параметрического типа, что позволяет выбрать оптимальные области заполнения.

Разработана математическая модель заполнения металлических форм расплавом, учитывающая ее конфигурацию и влияние наносимой на поверхность краски, адекватность которой подтверждена экспериментально и в производственных условиях.

Предложены методики расчета оптимальных размеров сифонной и вертикально-щелевой литниковых систем, позволяющих получить отливку без видов брака, возникающих на стадии заполнения.

Практическая ценность работы. Предложена инженерная конструкция вертикально-щелевой литниковой системы. Созданы методики расчета и проектирования сифонной и вертикально-щелевой литниковых систем, позволяющие определить оптимальные режимы заливки металлических форм.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на научно-технических конференциях г.Москвы, г.Санкт-Петербурга, г.Запорожья и г.Рыбинска.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных статей и получено А_С. № 2010664.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 52 рисунка и состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы.

2.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Заполнение полости формы перегретым расплавом - сложный физический процесс, описываемый большим числом факторов, основными из которых являются конфигурация полости формы и особенности течения расплава в ней, физические свойства сплава, материала формы и покрытия. Используемые в настоящее время методы расчета ЛПС для кокильных отливок не учитывают влияния в совокупности всех этих факторов, условно их можно разделить на три группы.

Первая группа - эмпирические и полуэмпирические. К их преимуществам относится простота в применении, а к недостаткам - невозможность учета конфигурации отливки и условий теплообмена между отливкой и поверхностью литейной формы.

Вторая группа - теоретические модели, разработанные на основе использования в качестве исходной модели течение расплава в пробах на жидкотекучесть. Основным их недостатком является то, что значение коэффициента теплоотдачи необходимо находить в каждом конкретном случае экспериментально.

Третья группа методов позволяет определять размеры ЛПС с учетом вероятности образования дефектов, возникающих на стадии заполнения. Их суть заключается в том. что выделяется область гарантированной заполняемое™, позволяющая получить качественную отливку, но детально они разработаны только для песчаной формы.' Таким образом, разработка надежных методов расчета процесса заполнения полости металлической формы расплавом и размеров ЛПС может быть осуществлена только на

основе проведения комплексных теоретических и экспериментальных исследований протекающих тепловых и гидродинамических процессов.

2.2 ВТОРИЧНОЕ ШЛАКООБРАЗОВАНИЕ В КОКИЛЕ Склонность сплава к образованию шлака оценивается по величине критерия шлакообразования (Кш). Считается, что вспенивания расплава не происходит, если расчетный критерий шлакообразования Кш=1о2а?р/уоН меньше критического КШ1р,/где 10 - приведенный размер отливки, м; р -плотность расплава, кг/м3; со - скорость заполнения полости формы расплавом, м/с; V- кинематическая вязкость, м2/с; а - поверхностное натяжение, Н/м; И - толщина оксидной пленки, м). На процесс образования вторичных шлаков существенное влияние оказывает характер и значение скорости течения расплава, которые во многом определяются конфигурацией внутренней полости литейной формы. До настоящего времени геометрическая сложность полости формы определялась субъективно, хотя для песчаной формы такая оценка проводилась по методике, в основу которой положены критерии параметрического типа кв=Ьв /8\ ку1 =ку /¿>; ку2=иу /1У, (где 3 - толщина канала, м; /г„ - высота выступа, м; 1У - ширина углубления, м; ку - высота углубления, м). Данная методика позволяет классифицировать полость литейной формы по трем группам: сложная, средней сложности, простая и выбрать оптимально возможную скорость заполнения. Для решения вопроса о возможности применения данной методики при литье алюминиевых сплавов в кокиль провели серию экспериментальных заливок, при этом качество получаемых отливок оценивали методом рентгено-дефектоскопии по степени их загрязненности (1). Результаты представлены на рис.1 и 2, показывают,что критерии параметрического типа и методику определения максимально-допустимых скоростей можно использовать для оценки сложности полости металлической формы, при этом значения максимально допустимых скоростей могут быть в 2-2,5 раза выше, чем для литья в песчаную форму, при условии получения качественной отливки.

Т

1 i / * т /

[ 1 / к

1 \ / У №

= ; -<1 Ц

ЕГ Т ■ \ \ 3

к^ю'-

Рис. 1. Зависимость загрязненности отливок разной конфигурации от критерия шлакообразования

1 - отливка

сложной конфигурации (— = 1,3;— «От;

^'а! 'яг '

а]

14

I

2 - отливка средней сложности •

3 - отливка простой конфигурации.

«0,6;-

-=0,3 ;

глтл СУЛ а

т

1 ■ / 1

ь 11 /

11 / ✓-

ЛшЮ'"

Рис.2. Зависимость загрязненности отливок средней сложности, полученных в песчаную форму и кокиль от критерия шлакообразования 1 - песчаная форма; 2 - металлическая форма.

2.3 ОХЛАЖДЕНИЕ ФРОНТА ПОТОКА ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОРМЫ АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ

Для снижения интенсивности теплового взаимодействия между потоком расплава и кокилем с целью повышения его эксплуатационных характеристик на рабочую поверхность наносят специальные защитные покрытия (краски). При расчете заполняемое™ кокилей легкими сплавами влияние краски обычно учитывается коэффициентом тепловой проводимости где е - толщина слоя краски (обычно 6=0,2..,1мм), а X - ее теплопроводность (Я=0,1...0,6Вт/(м-К)). Однако, для определения величины коэффициента тепловой проводимости краски необходимо знать ее толщину, что сложно сделать в условиях производства из-за неравномерного ее нанесения и частичного смыва в процессе эксплуатации кокиля, что в свою очередь приводит к ошибкам при выборе режимов заливки и увеличению количества брака. Оценку влияния краски на процесс теплообмена между металлом и формой проводили экспериментально, используя металлическую пробу на жидкотекучесть (ГОСТ 16438-70). Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что на стадии заполнения полости металлической формы легкими сплавами более существенное влияние оказывает не толщина слоя краски, а ее теплофизические характеристики и, прежде всего, теплопроводность.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи (а) при литье алюминиевых сплавов в кокиль проведена серия экспериментальных заливок в окрашенный и неокрашенный кокиль. Толщина и теплопроводность слоя краски изменялись в упомянутых выше пределах. Полученное уравнение подобия для неокрашенного кокиля имеет вид№.1=0,033Ре0'6, адекватность которого оценивалась критерием Фишера с принятой вероятностью 0,95. Для оценки влияния теплопроводности слоя краски на коэффициент теплоотдачи провели сравнительный анализ значений жидкотекучести, полученных экспериментально в окрашенную и неокрашенную металлическую форму (рис.3).

А 3-

К 2' ■

О-

10 15 20 25 30 25 40 45 Вт/(м к)10"г55

X ->

Рис.З.Изменение значения К„ от теплопроводности краски X 1 - окрашенный кокиль; 2 - неокрашенный кокиль.

Это позволило получить следующее уравнение подобия для окрашенного кокиля:

№=1/Кп-0,033Ре°'6,

где Кп=а/а,ср, а и акр - коэффициенты теплоотдачи при течении расплава в полости неокрашенной и окрашенной формы.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать математическую модель процесса охлаждения фронта потока расплава. При разработке математической модели были приняты следующие допущения:

1) процесс протекает в две стадии;

2) в условиях малого эффекта продольного теплопереноса пренебрегаем этой величиной; ,

3) физические свойства расплава на первой стадии заполнения считаем постоянными;

4) скорость потока принимаем постоянной по сечению канала формы.

Предполагаем, что для первой стадии температура расплава Т„ на

границе "фронт потока - поверхность формы" превышает температуру ликвидуса сплава Тд. Средняя по сечению температура ядра потока Т; больше Т„, в конце периода Т\=ТЯ. Во время второй стадии в ядре потока происходит выделение твердой фазы и он останавливается при достижении температуры остановки потока Т0.

\т

N \т

• 2

I Г+ п 4- 4-

\ — - 1 —т—

Т"1 I I--Г I ! Т I "Г I Г- |-Г П -ГТТ-Г- ТТЛ--1111—П I I--г

1 стадия:

5х

, л

9(у) - а (ТМ-и, = 0; | = Т = сопб^

1 = 0

1

№ = -¿-0,033Ре0-6, Ре<120.

2 стадия:

со] с + т\

4«

Т - Т

6т,

8%

гу

д(у) = а'(Г3(у)-Тв); . = 0;

Щ 5х

*=0

1

. ' =</а^, №<120.

Условия "склеивания" решений уравнений Т1&)=Т/У2),

где х - направление теплоотвода, м; у1 и уг -длины первого и второго участка формы, м; а и а'- коэффициенты теплоотдачи во время первой и второй стадий процесса, Вт/м^К; сср==(ст+сж)/2, Хср~(Хт+Хж)/2, Рср ~ (Рт+Рж)/2 - средние удельные теплоемкость, теплопроводность и плотность сплава в твердожидком состоянии, Дж/кг-К, Вт/м-К, кг/м3; с^Ф=сСр+т-(цкр/АТщ) - эффективная теплоемкость сплава, Дж/кг-К; аэф=Лс/(сср+дКрРСр/( Тл-Тс)) - эффективная температуропроводность

сплава, м2/с; т - доля твердой фазы, определяемая для сплава по диаграМ'

ме состояния; ст и Сж - удельные теплоемкости сплава в твердом и жидком состоянии, Дж/кг-К; Ят и ),ж - теплопроводность сплава в твердом и жидком состояниях, Вт/м-К; рт и рж - плотности сплава в твердом и жидком состояниях, кг/м3; цкр - скрытая теплота кристаллизации, Дж/кг; со -скорость течения металла в канале литейной формы, м/с; 1 о - приведенный размер, м. Данная математическая модель решена относительно температуры фронта потока, что позволяет оценивать возможность заполнения формы без дефектов типа "спаи" и "неслитины". Экспериментачьная проверка показала, что данная математическая модель адекватно отображает реальный процесс заполнения кокилей.

Проведена оценка влияния конфигурации полости формы на охлаждение фронта потока. В реальных условиях имеющиеся в отливках ребра, расширения и т.п. обеспечивают массообмен между охлажденным расплавом фронта потока и глубинным металлом. Для количественной оценки этого процесса провели экспериментальные исследования заполнения полости литейной формы сложной конфигурации. Установлена зависимость относительного изменения температуры расплава в расширении от соот-

Проведенные исследования позволили разработать методики расчета заполняемое™ кокилей алюминиевыми сплавами, которая основана на получении отливок, не имеющих видов брака, возникающих на стадии заполнения и оптимальных размеров сифонной литниковой системы. Сущность последней методики заключается в том, что- по значению максимально возможной скорости заполнения определяется расход металла в полости металлической формы соответствующий расходу в литниковой системе; По

л 0,004

ношения толщины кармана к толщине отливки: г = т

значению расхода рассчитывается площадь узкого сечения сифонной литниковой системы. Проверка предложенных методик расчета проведена на отливках, изготавливаемых в условиях производства. Она показала их хорошую сходимость.

2.4 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ При разработке методики расчета исполняемых размеров вертикально-щелевой литниковой системы, приняли схему поперечного растекания, создаваемого данной литниковой системой при заполнении тонкостенных алюминиевых отливок, которая показана на рис.4.

Рис.4. Схема поперечного растекания

Согласно принятой схеме заполнения, охлаждение фронта потока связано с теплоотводом и в форму, и в застойную зону. Суммарный коэффициент теплоотдачи в форму и в застойную зону определяли экспериментально по изменению температуры фронта потока. Обработку экспериментальных данных проводили в числах подобия, что позволило получить следующее уравнение подобия для неокрашенного кокиля: Ми==0,004Ре1,ь. Оценка влияния краски на охлаждение фронта потока при поперечном растекании расплава полностью подтвердила полученные ранее результаты,

поэтому уравнение подобия для окрашенного кокиля имеет вид: Ыи=(1/Кп) 0,004Ре1,25. Учитывая принятую схему и проведенные исследования разработали математическую модель процесса заполнения тонкостенных кокильных отливок вертикально-щелевой литниковой системой:

дТ . й>Р ср~— = Л н дг

(дгТ а2ТЛ + ——

&

г> 0:

У

Чх,у 00 = а{Тг -Тп\ Км = -5-0,004Ре1'15-

Л п

¿г ас

х=0 %

= 0;

у=о

Г1г=0 = Тпр 3 СОШ>

где сор - скорость растекания, м/с; с - теплоемкость сплава, Дж/кг-К; р -плотность сплава, кг/м3; X - теплопроводность сплава, Вт/м-К; Тпр - температура металла на выходе из протока (колодца), К; Т3 - температура на поверхности застойной зоны, К; а - суммарный коэффициент теплоотдачи в форму и в застойную зону, Вт/м2К. Данная математическая модель решена относительно длины поперечного растекания 1Р. Анализ математической модели показал, что если 1Р не более 1,2 10Ш (/отя - длина отливки), то заполнение полости литейной формы будет происходить без образования дефекта типа "спаи" и "неслитины".

Для разработки методики расчета исполняемых размеров вертикально-щелевой литниковой системы провели гидромоделирование с целью определения толщины щелевого питателя, создающего режим последовательного заполнения. Установили, что только при толщине щелевого пита-теля(5щ) не более 0,7 толщины отливки(8отл) создается упомянутый выше режим. При невозможности выполнения данного условия, т.е. при литье тонкостенных отливок (6ОТЛ210мм) была предложена новая конструкция вертикально-щелевой литниковой системы, отличительной особенностью которой является дополнительное гидравлическое сопротивление в виде "порожка". Наличие "порожка" позволяет создать режим последовательного заполнения полости литейной формы даже при толщине щелевого питателя равной толщине отливки. Гидромоделирование показало, что коэффициент расхода и линейно уменьшается на 15-20% по мере заполнения по-

лости литейной формы, что необходимо учесть при определении действительной скорости фронта потока.

Проведенные исследования тепловых и гидродинамических процессов, происходящих при вертикально-щелевом заполнении металлической формы расплавом, позволили разработать методику расчета исполняемых размеров вертикально-щелевой литниковой системы. Достоверность разработанной методики расчета оптимальных размеров вертикально-щелевой литниковой системы подтверждена пробными заливками на реальных отливках.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено существование области технологичных значений параметров заливки (Тф.„., Т3ал., со и т.д.) или области заполняемости, в которой отливка гарантировано может быть получена без литейных дефектов, возникающих на стадии заполнения полости формы расплавом. Левая граница которой определяется критерием литейной сварки потоков или потока и застойной зоны, а правая - критерием шлакообразования.

2. Доказано, что допустимая скорость потока расплава в металлической форме, позволяющая получить отливку без образования в ней вторичных шлаковых включений, может быть в 2-2,5 раза выше, чем при литье в песчаную форму, что объясняется ее низкой газотворной способностью и газопроницаемостью.

3. Установлено, что параметрические критерии для определения сложности полости песчаной формы можно использовать и для оценки сложности металлической формы, что позволяет классифицировать полость литейной формы по трем группам:

1) к„ = 0; кУ1 < 0,2; ку2« 0 - полость простой конфигурации;

2) ке < 2; кУ! < 6,0; ку2< 0 - полость конфигурации средней сложности;

3) кв > 0,2 ; кУ2 > 6,0; ку2> 1,0 - полость формы сложной конфигурации.

4. Установлено, что в исследованном интервале температур формы и заливки, видов алюминиевых сплавов и краски, наносимой на рабочую поверхность металлической формы, на охлаждение фронта потока, ввиду малого времени контакта, существенное влияние оказывает не толщина слоя краски, ее теплопроводность, что можно учесть введением критерия

Кп=а/акр, где а, акр - коэффициенты теплоотдачи при течении расплава в полости неокрашенной и окрашенной формы соответственно.

5. Разработана математическая модель процесса заполнения металлических форм алюминиевыми сплавами, описывающая изменение температуры фронта потока.

6. Установлено, что щелевой питатель обеспечивает режим поперечного растекания и последовательное заполнение полости литейной формы только при условии 0.78отл, в противном случае литниковая система работает как сифонная.

7. Разработаны принципиально новые методики расчета оптимальных размеров сифонной и вертикально-щелевой литниковых систем, позволяющие получить отливку без традиционных для стадии заполнения полости формы расплавом дефектов и обеспечивающие максимальный коэффициент использования металла.

9. Предложена новая конструкция вертикально-щелевой литниковой системы (A.C. № 2010664), позволяющая получить качественную тонкостенную отливку, для которых из-за перемерзания щелевого питателя невозможно выполнить условие 5Щ< 0.78отл.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Курочкина Т.Н. Математическая модель и программа для расчета на ЭВМ температуры потока// Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок: Тез. докл. зон. научн. техн. конф.-Рыбинск, 1987.-С.37.

2. Изотов В.А., Курочкина Т.Н. Расчет вертикально-щелевой литниковой системы для отливок из легких сплавов// Оптимизация технологических процессов и управления качеством при производстве фасонных отливок: Тез.докл.научн.техн. конф.-Рыбинск, 1993.-С.18-19.

3. Чистяков В.В., Изотов В.А., Курочкина Т.Н. Оптимизация режимов литья с использованием теории теплообмена и гидродинамики расплавов// Вестник машиностроения.-l 993 ,-№6.-С. 10-11.

4. Чистяков В.В., Курочкина Т.Н. Расчет коэффициента теплопередачи при турбулентном движении расплава// Прогрессивные технологические процессы и высокачественные материалы в литейном производст-ве:Тез.докл.научн,техн. конф.-Рыбинск, 1996.-С.21.

5. Изотов В.А., Шатульский A.A., Курочкина Т.Н. Исследование влияния параметров вертикально-щелевой литниковой системы на коэффициент расхода //Новые материалы и технологии:Тез.докл.науч.техн.конф.-Москва,1997.-С.8-9. -

6. Шатульский A.A., Изотов В.А., Курочкина Т.Н. Определение оптимальных скоростей заполнения// Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Тез.докл.научн.техн.конф.-Запорожье,1997.-С.15-16.

7. Чистяков В.В., Токарев В.А., Изотов В.А., Курочкина Т.Н., Разработка методов автоматизированного проектирования и интенсификация технологических процессов авиационного литья из легких сплавов/ Отчет по теме 965-83 № Гос. регистрации 624.74.045.-Андропов, 1985.-98с.

8. Изотов В.А., Шатульский А.А, Курочкина Т.Н. Совершенствование конструкции вертикально-щелевой литниковой системы. Информ. лист. №15796,Ярославль:ЦНТИ,1996.-2с.

9. Курочкина Т.Н., Изотов В.А., Шатульский A.A. Расчет заполняемое™ кокилей легкими сплавами//Литейное производство.-1997.-№1 .-С.20.

10. Шатульский A.A., Изотов В.А., Курочкина Т.Н. Теоретические и экспериментальные исследования процессов литья в'металлические формы с целью их оптимизации, разработки программных комплексов и повышение качества отливок: Отчет о НИР (заключ.) № Гос. регистрации 01.9.60012418.-Рыбинск,1998.-50с.

11. Изотов В.А., Шатульский A.A., Курочкина Т.Н. Математическая модель расчета заполняемое™ металлических форм легкими сплавами// Вестник Верхневолжского отделения академии технических наук Российской Феде-рации.Сб.научн.тр ./Рыбинск, 1998.-Вып.З.-С.8-12.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

курочкина татьяна николаевна

теоретические и экспериментальные исследования процессов члполнтшя металлических

форм алюминиевыми сплавами с целью оптимизации параметров литниково- питающих

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05 16 04- ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

На правах рукописи

систем

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -к.т.н., доцент А.А.ШАТУЛЬСКИЙ

научный консультант -

к.т.н., ст.преподаватель в.а.изотов

РЫБИНСК - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Условия заполнения полости литейной формы жидким металлом.....................................................7

1.2. Критериальная оценка дефектов, возникающих на стадии заполнения полости формы.................................... 14

1.3. Методы расчета процесса заполнения литейных форм .... 18 Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материалы для исследования .........................33

2.2. Физическое моделирование процесса заполнения полости формы металлом............................................34

2.3. Методика измерения температур......................35

2.4. Методика радиационного контроля....................36

2.5. Определение жидкотекучести.........................36

2.6. Математическая обработка результатов экспериментов ... 37

2.7. Методика измерения толщины слоя краски.............39

Глава 3. ВТОРИЧНОЕ ШЛАКООБРАЗОВАНИЕ В КОКИЛЕ

3.1. Выбор максимально допустимых скоростей заполнения ... 41

Глава 4. ОХЛАЖДЕНИЕ ФРОНТА ПОТОКА ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОРМЫ АЛЮМИНИЕВЫМИ СПЛАВАМИ

4.1. Оценка влияния покрытия на теплообмен между фронтом потока и формой...........................................54

4.2. Определение коэффициента теплоотдачи при литье алюминиевых сплавов в кокиль.....................................51

4.3. Математическая модель процесса охлаждения фронта потока расплава при литье в кокиль................................68

4.4. Влияние конфигурации полости формы на охлаждение фронта потока............................................ . 79

4.5. Методика расчета сифонной литниковой системы . ......95

Глава 5, РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ • ВЕРТИКАЛЬНО-ЩЕЛЕВОЙ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ЛИТЬЕ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ В КОКИЛЬ

5.1. Определение коэффициента теплоотдачи а при поперечном растекании.................................................98

5.2. Моделирование вертикально-щелевой литниковой системы с целью определения толщины щелевого питателя, создающего последовательное натекание металла................................ 108

5.3. Проверка адекватности результатов гидромоделирования 117

5.4. Моделирование вертикально-щелевой литниковой системы с целью определения коэффициента расхода..................... 125

5.5. Методика расчета оптимальных размеров вертикально-

щелевой литниковой системы................................131

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................... 134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................149

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в общей структуре производства заготовки, полученные методом литья, составляют более 60%. Высокая стоимость исходных материалов, сложность и энергоемкость технологического процесса и значительный уровень брака приводят к тому, что себестоимость отливок также очень высока. В условиях расширения номенклатуры литых изделий, повышения их эксплуатационных и технологических свойств снижение себестоимости требует совершенствования всего комплекса работ по технологической подготовке производства, начиная от выбора исходных материалов и необходимого технологического оборудования, режимов технологического процесса изготовления форм, способа и места подвода металла и компановки формы и заканчивая проведением всех необходимых технологических расчетов, включающих определение размеров подводящих и питающих элементов Л ПС, времени и условий кристаллизации отливки. Практически эти расчеты не могут быть выполнены без использования аппарата математического моделирования и ЭВМ.

В последнее время значительно активизировалась работа промышленных предприятий по применению ЭВМ для проектирования литейной технологии. Однако, САПР ТП литейного производства находится сейчас пока еще в самом начале своего развития. Согласно высказыванию профессора Г.Ф.Баландина "...чтобы литейная технология вышла на уровень высших достижений цивилизации, необходимо научиться использовать качественные математические методы и ЭВМ. Применение ЭВМ в литейном производстве - национальная задача, решение которой определяет темпы ускорения научно-технического прогресса и технологии отечественного машиностроения." Выполнение этой задачи предполагает, прежде всего, разработку математических моделей, причем, форма последних должна быть пригодной для ввода в ЭВМ. К сожалению, следует констатиро-

вать тот факт, что многие литейные процессы еще не изучены на уровне, позволяющем описать их математически даже в виде хорошей "карикатуры", но даже в тех случаях, когда процесс описан дифференциальными уравнением или системой дифференциальных уравнений и сформулированы граничные условия однозначности - решение для конкретного единичного явления не всегда возможно, ввиду неразвитости специальных разделов математики. Не менее важной задачей является определение оптимальных параметров технологического процесса изготовления отливки. Для ее решения используют два подхода:

- первый, при котором исследуемый объект представляется в виде "черного ящика", опирается на аппарат математической статистики, теории распознавания образов и кибернетики. При этом необязательно подробно проанализировать процессы, происходящие в отливке, а достаточно установить корреляционные связи между управляющими параметрами на входе в систему и выходе из нее

- второй, активный подход к проблеме оптимизации основан на тщательном изучении процессов, происходящих на всех стадиях формирования отливки, моделировании их с использованием физических моделей и ЭВМ. При этом можно сформулировать различные критерии, которые могут быть мерой оптимальности конкретных физических процессов, определяющих качество отливки.

К сожалению, в настоящее время далеко не всегда возможно применение второго подхода из-за неразвитости теории литья и математических методов решения задач, поэтому в современных условиях теоретико-экспериментальное изучение литейных процессов с использованием теории подобия и размерностей является одним из средств познания глубоких физических процессов, происходящих при движении металла, его взаимодействия с формой и окружающей средой под влиянием большого числа факторов.

При литье алюминиевых сплавов основными причинами, препятствующими внедрению автоматизированного проектирования техпроцесса являются:

- малоизученность процессов образования спаев, неслитин и вторичных шлаков при заполнении полости формы расплавом;

- отсутствие ясного физического и технологического обоснования выбора времени заполнения формы;

- малая надежность предлагаемых в литературе рекомендаций по проектированию литниковых систем.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Условия заполнения по л о сти литвиной формы жидким металлом

Заполнение полости формы перегретым расплавом - весьма сложный физический процесс, от которого зависит характер протекания следующих стадий формирования структуры, качества и свойств отливки. Режим движения расплава в полости формы определяет механизм ее заполнения и температурное поле отливки [1].

Систематические исследования процессов заполнения начали проводится только в последние годы. Ранее преобладали качественные наблюдения и отдельные замечания, особенно это относится к кокильному литью [2,3].

Характер движения расплава при заполнении форм весьма сложен и зависит от конфигурации полости формы, ее размеров, способа подвода металла, гидростатического нанора и других технологических факторов [4-11].

Как правило, в форме возникают отдельные потоки, завихрения; сечения, находящиеся на одном уровне, заполняются в разное время. Методом физического моделирования процесса заполнения форм тонкостенных отливок алюминиевыми сплавами авторами работы [12] установлено, что частичное объемное затвердевание металла, происходящие на стадии заполнения, приводит к образованию проточного течения расплава. Особенно характерно образование проточной зоны при литье легких сплавов в металлические формы [13,14].

В результате исследований, проведенных Рабиновичем А.Р. и другими [15-18], установлено, что заполнение вертикальных щелевых полостей при нижнем подводе металла происходит за счет проточно-поперечного течения расплава. Более детальное экспериментальное ис-

следование и моделирование на металлах данного процесса дано в работах [12,19-22].

Сравнение механизма заполнения форм крупногабаритных тонкостенных отливок и проб на жидкотекучесть [23,24] показало их существенное отличие, что позволило сделать вывод о невозможности использования жидкотекучести для оценки способности сплава к заполнению реальных форм.

При литье в кокиль чаще всего применяют вертикально-щелевую литниковую систему. Исследования заполнения литейных форм с помощью данной литниковой системы приведены в работах [25,26] и показали, что поступающий из питателя расплав образует треугольник растекания, осью которого является не проток (как в случае проточно-поперечного течения), а сам питатель. Заполнение формы в данном случае происходит только за счет поперечного течения расплава (рис. 1.1).

Методика расчета поперечного течения, предложенная авторами, не связана с конструктивными расчетами параметров самой вертикально-щелевой литниковой системы, что нередко приводит к заполнению полости литейной формы снизу - сифоном.

Таким образом, на качество отливки, полученной в условиях поперечного течения металла в полости формы, существенное влияние оказывает конструкция и размеры литниковой системы.

Характер заполнения полости формы оказывает значительное влияние и на свойства металла отливки [15,17]. Так, прочность на разрыв образцов, полученных при литье в песчаные формы и вырезанных из проточных зон, в среднем на 7-10% ниже, чем в застойных зонах. А для сплавов, залитых в кокиль, эта разница составляет даже 15-25% [15]. Рентгенопросвечиванием отливок типа тонкостенных плит в местах проточного течения установлено, что типичным видом брака яв-

Схема полости формы

Фронт потока

Г-, и

Рис. 1.1.

ляется возникновение рыхлоты вследствии поперечного течения [2729]. Устранить этот дефект можно применением управляемых многоярусных и вертикально-щелевых литниковых систем, что также способствует формированию более плотной структуры отливок вследствие неравномерного затвердевания [30-32].

Повышению механических свойств отливок из легких сплавов способствуют также использование оптимальных скоростей заполнения литейных форм расплавом и применение рассредоточенного подвода металла в полость формы [33-36].

Совершенно иной характер заполнения имеет место при получении тонкостенных горизонтальных полостей форм. В этом случае преобладает неупорядоченное движение расплава даже при щелевом подводе металла по всей ширине полости [5,16,37]. В начальный момент времени конфигурация фронта потока искажается, и вследствие возникающих пульсаций скоростей расплав течет отдельными языками - выступами. В результате лимитирующим звеном заполнения является процесс слияния потоков без образования в отливках дефектов типа спаев и неслитин.

Влияние скорости заполнения, температуры заливки расплава на механические свойства горизонтальных отливок подробно изучено в работе [5].

Авторами работ [38-44] доказано, что механизм заполнения полости формы крупногабаритной тонкостенной отливки и механизм остановки потока расплава в ней зависит от особенностей кристаллизации сплава. Для эвтектик и металлов высокой чистоты, кристаллизующихся при постоянной температуре, характерно намерзание твердых корочек на стенки канала [45-56]. Так, при литье алюминия (чистота 99, 99%) в песчаные формы при всех перегревах на поверхности формы образуется корка твердого металла [46]; при перегреве

менее ЗЗЗК она продолжает расти, от ЗЗЗК до 373К - расплавляется частично, свыше 373К - расплавляется полностью.

В условиях интенсивного охлаждения потока наряду с намораживанием твердой корочки, развивается процесс накопления твердой фазы в головной части потока [48].

Добавка к чистому алюминию незначительных количеств примесей или лигирующих элементов (порядка 0,09%) приводит к образованию сплава, кристаллизирующегося в интервале температур и поток останавливается быстрее (вследствие увеличения скорости роста ден-дритов) [45,49]. У сплавов, затвердевающих в интервале температур, поток останавливается за счет накопления твердой фазы в его головной части [ 24,39,40,50 и др.]. По Флемингу [51] для остановки потока достаточно 15- 20 % твердой фазы. Однако, критическое количество твердой фазы зависит от свойств сплава, интенсивности теплоотвода и условий литья [40,42,45,50].

По данным Г.Ф. Баландина [52,53], при охлаждении потока расплава ниже температуры ликвидуса появляется твердая фаза и возникает соответствующая структура его головной части. Поток останавливается, когда предел прочности образовавшейся структуры станет равным напору [54]. Возможен также последовательный характер затвердевания сплавов с широким интервалом температур кристаллизации при наличии местных сопротивлений, которые способствуют прилипанию кристаллов к стенкам канала и росту корочки [54]. Ряд исследователей [6,39,46-57] связывают механизм остановки потока с образованием твердой корочки в его головной' части, способной выдержать гидростатический напор расплава. Процесс носит пульсирующий характер, так как одновременно происходит намораживание корочки так и ее частичное расплавление. По-видимому, возможен также механизм остановки, обнаруженный методом моделирования [58], который

заключается в том, что взвешенные кристаллы, образовавшиеся в расплаве при его охлаждении, закупоривают узкое сечение, возникающее на стенках канала при намерзании на нем корочки металла.

Все данные о причинах остановки потока были получены на основе исследования проб на жидкотекучесть, когда заполнение полости формы происходит одномерным потоком без существенного мас-сообмена. Механизм остановки потока в условиях одномерного течения можно представить следующим образом [5,42,59,60]. В начальный момент заполнения полости формы в потоке расплава возникает перепад температур. При достижении поверхностью потока температуры ликвидуса на стенках формы начинает кристаллизоваться твердая фаза. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава и меньше интенсивность теплоотвода, тем меньше вероятность намораживания твердой корки. При таких условиях на границе раздела металл-форма выделяются отдельные твердые частицы, которые образуют подвижную оболочку из твердожидкой смеси. Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем меньше размер твердых частиц (при одинаковых условиях охлаждения), тем легче они будут увлекаться потоком, концентрируясь в его головной части. Это приводит к быстрому охлаждению носика потока до температуры, при которой затвердевание начинает развиваться по всему объему. Остановка потока происходит в момент достижения фронтом потока температуры нулевой жидк отеку чести. Если условия заполнения благоприятствуют образованию твердой корки на стенках канала, то после достижения поверхностью потока температуры кристаллизации расплав течет в твердой оболочке. Образовавшаяся твердая корочка частично оплавляется и разрушается за счет механического воздействия движущегося потока [42,46,56], в результате чего скорость роста корки уменьшается, а в потоке появляются обломки твердой фазы. В этих условиях остановка

потока может произоити в результате перемерзания канала намороженными корочками или же накопления твердой фазы в его головной части.

А.И.Вейником [59] предложен критерий для определения механизма остановки потока расплава

А Т Т -Т к = —= —^—(1.1) 5Т Т -Т

1 1 к 1 п

где ТЬ,Т$- температуры ликвидуса и солидуса сплава соответственно, К;

д]-Т- перепад температуры по сечению потока, К; Т1ц, Т1п - температуры в центре и на поверхности потока соответственно, К. Остановка потока происходит:

- при к«1 за счет перехвата канала намерзающими корочками;

- при к»1 за счет накопления твердой фазы в носике потока;

- при к&1 - вероятность обеих причин примерно одинакова.

Для улучшения заполняемости металлических форм используют различные покрытия (краски), наносимые на рабочую поверхность формы. Обсуждение возможного влияния покрытия на механизм затвердевания было проведено в работах [60,61], где установлено, что покрытие увеличивает заполняемость только тогда, когда спл�