автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические и технологические основы литья с кристаллизацией под давлением

/¿¿У

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР Лу?

ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ * 0

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи УДК 621.74.043.2 .-669.1/.7

БАТЫШЕВ Александр Иванович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЬЯ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1990

Работа выполнена во Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени заочном политехническом институте (ВЗПИ), Научно-исследовательском институте технологии машиностроения (г. Москва) и заводе «Большевик» (г. Ленинград).

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Борисов Г. П., доктор технических наук, профессор Постников Н. С., доктор технических наук, профессор Курдюмов А. В.

Ведущее предприятие: ВНИИМЕТМАШ им. академика А. И. Целикова

Защита состоится «_»_1990 г. в_часов

на заседании специализированного совета Д-053.08.01 при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Справки по телефону: 237-84-45.

Автореферат разослан «.__ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук,

профессор П. П. АРСЕНТЬЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ускорение темпов научно-технлчес-кого прогресса, появление эффективности я интенсификации промышленного производства, развитие машиностроительного комплекса требуют разработки и совершенствования технологических процессов литья, обеспечивающих получение отливок с заданными эксплуатационными характеристиками при высоком коэффициенте использования металла.

Оли;::,; из путей повышения качества отливок является использование физико-механических методов воздействия на кристаллизующийся в литейной форме расплав. К таким методам относится и воздействие давления.

Разработанный в СССР в конце ЗО-х годов способ литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД),. часто называемый жидкой штамповкой, штамповкой из яидкого металла или прессованием расплава при кристаллизации, - прогрессивный и экономически выгодный процесс изготовления отлшзок, совмещающий способы литья и прессования. Однако способ ЛКД не получил до последнего времени широкого распространения из-за отсутствия теории и научно-обоснованных правил его проектирования, учитывающих формирование отливок с учетом влияния не только массо-переноса, тепловых п гидравлических условий, но и давления, существенно изменяющего условия формоизменения отливки. Величина, характер воздействия и скорость роста давления на отдельных стадиях процесса ЛКД в значительной степени предопределяют качество отливок. Распространение способа ЛКД" сдерживается также и отсутствием специализированного прессового оборудования.

Выявление закономерностей комплексного влияния технологических реяимов ЛКД, включая давление, на условия затвердевания и качество литых заготовок является важной предпосылкой для разработки технологии ЛКД, обеспечивающей получение отливок с высокими физико-механическими свойствами и минимальными припусками m механическую обработку.

Анализ литературы показал, что способ ЛКД находится в стадии интенсивного исследования, отработки и внедрения как в СССР, тшс и за рубежом. Вместе с тем до настоящего времени не решены многие вопросы теории и технологии ЛКД. К числу

таких вопросов можно отнести следующие: тепловые и силовые условия формирования отливок, включая их интенсивность охлаждения и характер затвердевания, расчет величины давления прессования, эффективность воздействия давления на затвердевающую отливку, кинетику уплотнения, изменение объемной и линейной усадки отливок; особенности формообразования отливок при различных схемах прессования; изменение структуры и свойств в разных зонах по высоте отливки; разработка классификаций схем прессования при ЛКД.

Исследования процесса ЛКД выполнены в соответствии с темами 01.05 "Разработка научных основ процессов литья с кристаллизацией под давлением, в тот числе жидкой штамповки" и 01.06 "Разработка научных основ процессов литья с кристаллизацией под давлением" (головная организация ВЗПИ), включенными в Координационные планы научно-исследовательских работ • АН СССР на 1981-1985 и 1986-1990. года соответственно, по решению проблемы 2.25.1.5.

Цель таботы. Исследование закономерностей формирования -отливок, обоснование и разработка малоотходной технологии • ЛКД,' обеспечивающей получение' плотных- отливок без использова- . ния литниковых систем и прибылей.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

- комплексное исследование тепловых и силовых условий формирования отливок при-ЛКД для установления количественных закономерностей мезду давлением и характеристиками, обеспечивающими качество литых деталей;

- определение эффективности воздействия давления на затвердевающие отливки из сплавов с различным интерв-глом крис- -таллизации;

-исследование структур и механических свойств сплавов; выявление основных факторов, способствующих измельчению структуры отливок при ЛКД;

- исследование гидродинамических режимов форпообразова-ния отливок при и разработка рекомендаций по применению конкретных схем прессования для определенных групп сплавоз;

- разработка научно-обоснованных класспТи:эдий схем прессования при. ЛКД, а тагосе отливок, пресс-фор.: и основных узлов последних;

- создание специализированных гидравлических прессов и усовершенствование технологии ЛКД, внедрение их в производство.

Научная новизна. Разрабоааны математические модели, адекватно отражающие процесс формирования отливок при ЛКД, о помощью которых осуществлена теоретическая оценка и выявлены закономерности воздействия давления на затвердевающие отливки в определенных условиях их изготовления; сделало практическое подтверждение выявленного эффекта. Показано, что закономерности являются общими для всех исследованных металлов п сплавов. Их использование позволяет прогнозировать характер и время затвердевания, уплотнение при затвердевании, изменение линейных размеров, структуру и физико-механические свойства отливок. I

Выявлен характер изменения интенсивности охлаждения затвердевающей отливки при ЛКД и показано ее постоянство с момента достижения давлением номинального значения до окончания затвердевания отливки.

Подтверждено положение о прямо пропорциональной зависимости величины перемещения верхнего торца затвердевающей под давлением отливки от объемной усадки металла или сплава.

Обоснована необходимость учета контактных касательных напряжений на поверхности раздела "отливка - пресс-форда" и предела текучести сплава при высоких температурах при анализе напряженно-деформированного состояния металла при ЛКД. Выявлена зависимость относительных потерь давления на трение от номинального давления прессования.

Установлено определяющее влияние скорости охлаждения на измельчение структуры отливок при ЛКД:.( в области давлений до 300 МПа). Выявлена и объяснена анизотропность структуры, линейных размеров и механических свойств пс высоте отливки, указаны пути ее уменьшения и устранения.

Разработаны новые классификации схем прессования, отливок, пресс-форл и основных узлов последних. Даш рекомендации по выбору оптимальных схем прессования при ЖД, исходя из склонности металлов и сплавов к окислению в жидком состоянии.

Обобщены закономерности формообразования отливок и созданы сопоры технологии ЛКД, которые позволяют обоснованно

выбирать температурные и силовые параметр* процесса, рацио-нальше схемы прессования и конструкции пресс-форм и обеспечивают достижение высоких физикс-механических и служебных свойств, точности и надежности, уменьшения шероховатости поверхности отливок при одновременном снижении расхода металла и топливно-энергетических затрат на изготовление литых деталей ответственного назначения.

Созданы новые методики для комплексного исследования тепловых и силовых условий формирования отливок, эффективности воздействия давления, уплотнения отливок при затиирцевашш и запсдняемости пресс-форм.

Практическая значимость. На заводе "Большевик" (г. Ленинград) создан промышленный участок ЛКД, являющийся первым в СССР и в ¡.шре промышленным участком, на котором свыше 20 лет (с 1968 г.) работает специализированный четырехпозищюнный гидравлический пресс мод. П0638 и изготовляются отливки из медных и алюминиевых сплавов для деталей более 300 наименований.

Результаты работы внедрены на шести предприятиях М01.1.

Экономический эффект в народном хозяйстве на I тонне деталей из медных сплавов достигает 1500 руб., из алюминиевых сплавов - 4000 руб.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 25 Всесоюзных, отраслевых и международных конференциях, семинарах и совещаниях, а также на ежегодных (1970-1988 гг.) научно-технических конференциях ВЗШ.

Публикации. Результаты работы отражены в 85 публикациях, среди которых 3 монографии, б брошюр и лекций, 49 статей и 12 описаний авторских свидетельств.

Структура и объем диссертагош. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников из 236 наименовании и приложений. Она изложена на 315 страницах машинописного текста, включая ю7 рисунков и 26 таблиц.

исследмйеиз процесса затвердевши отливок при литье с кристАлшащиай под давлением

Сущность способа ЛКД заключается в том, что расплав преимущественно баз воздействия давления заливают в матрицу пресс-формы, в которой при помощи пуансона производят окончательное оформление контуров и последующее уплотнение затвердевающей отливки. Формирование отливок при ЛКД происходит в стальных пресс-формах в условиях интенсивного теплообмена, так как на рабочие поверхности матрицы л пуансона наносят тонкий слой смазки или краски.

В зависимости-от условий охла-кдения и состава сплав, залитый в матрицу, к моменту приложения давления гложет находиться в различном состоянии, а после приложения давления по разному воспринимать прилагаемые нагрузки.

Для исследования процесса затвердевания отливок использованы следующие методы: аналитические (расчет процесса и времени затвердевания) и экспериментальные (изучение изменения температур! расплава, затвердевающей отливки и пресс-формы; а также температурных полей в системе "отливка - пресс-форш").

Проведен расчет процесса затвердевания цилиндрической отливки (слитка) под постоянным давлением. При расчете было принято, что боковая и торцовые поверхности отливки охлаждаются за счет контактного теплообмена с пресс-формой, коэффициент теплообмена и начальная температура пресс-форглы являются постоянными. Рассматриваемый процесс описан дифференциальным уравнением при выборе системы координат с началом в центре отливки, приняты граничные условия Ш рода. Для решения использован метод конечных элементов. Создана вычислительная программа на языке БЕЙСИК и выполнены расчеты на ЭВМ.

Для определения времени затвердевания -цилиндрической отливки использована система уравнений теплопроводности для затвердевшей и незатвердевшей областей с учетом граничных условий I рода.Выбор таких граничных условий обусловлен тем,что, по данным И.И.Горшова, температура контакта отливки и пресс-форш при литье под давлением зависит только от начальных температур и коэффициентов теплоаккумулирующей способности

сплава и (Jop.ni. В результате для расчета времени затвердевания отливки использована следующая зависимость:

4- - У* ^ (Т)

где - объемная теплота кристаллизации;коэффициент теплопроводности материала отливки; Ткр, Тд -температура кристаллизации сплава и поверхности отливки соответственно; К - радиус отливки.

В формуле (I) неизвестной является температура поверхности отливки Тп в момент окончания затвердевания, а в уравнениях для расчета процесса затвердевания - коэффициент теплоотдачи о/р значения которых определяли при проведении опытов и обработке) экспериментальных данных.

Экспериментально температурные поля изучали в цилиндрически отливках (слитках) диаметром 50 мм и высотой 100-105 мм, которые изготовляли в пресс-Торгов, состоящей из матрицы с толщиной стенки 50 мм, основания толщиной 30 мм и пуансона (все указанные детали были изготовлены из стали марки 5ХШ.1). Три термопары закрепляли в основании и располагали в полости матрицы по сси, на расстояниях 6 и 12,5 ш от рабочей поверхности, а шесть термопар устанавливали в стенке матрицы на разных расстояниях от рабочей поверхности (по сечению и высоте). На ленте осциллографа мод. Н030А одновременно записывали показания всех термопар, а такие датчиков перемещения пуансона (верхнего торца формирующейся отливки) и давления.

В качестве материала для цилиндрических отливок использовали алюминий А7, медь ¡Я и цинк Ц1, являющиеся основами многих промышленных сплавов, используемых для изготовления отливок при ЛКД, сплавы двойных систем ЛС-Ы 1С 0,1; 5-7; 11,5-13; 17 и 25^5; - Мд (с 6; II и 17/1А'?), Л?-Г„ (с 3; 10; 15 и 30%Си ), промшилегеше сплавы на основе аляминия (ЛЛ2, АЛ9М, АЛ24П, 13АЛ8, МЛ12, Л.М37-3, Л.123-1 ,ЛЛ?,3-3 и др.) и моди (латунь *Ц39:.1цЗА, бронзы БрОЮ!', Бр^ЗО).

При проведении экспериментов и выполнэнип расчетов технологические ЖД изменяли в слоду:-тднх пределах:

номинальное дамэние прессования Ри =• 0,1-300 перегрел расплигл при з:«л:шке дТ,,3 = 00-150 II; ичч.пъкзл тс.:'; гу]-а прссс-форл« Т т - 2Э0-4',.:Ь К;вромя рчешгав.ч ;«

до приложения давления ^ = 3-15 с (при проведении расчетов -¿д- 0); время прессования (выдержки затвердевающей отливки под давлением) -I п- 25-30 с при использовании графитомасляной смазки и 150-180 с при использовании асбестового покрытия.

Анализ экспериментальных графиков охлаждения затвердевающих отливок показал, что при рп>100 МПа повышается температура ликвидуса (кристаллизации) исследованных сплавов. Следует отметить, что повышение температуры наблюдается не с момента приложения усилия прессования, а тогда, когда воздействующее давление доститает величины 50-60 Ша. Указанное повышение температуры ликвидуса сплавов может быть объяснено несколькими причинами: изменением термодинамического состояния системы (применением к ней закона Клаузиуса-^Клайперона), выделением теплоты при деформировании вертикальной корки под воздействием давления. Для алюминиевых сплавов с1Т/¿р = (3 т- 5)-КГ2 К/1Ша.

Использование принятых методов исследования позволило установить, что с повышением давления увеличиваются скорость отвода теплоты перегрева и кристаллизации V , градиенты температур в сечении отливки Я, ив стенке матрицы, снижается температура поверхности Тп и уменьшается время затвердевания £ отливки (табл.1).

Таблща I

Влияние давления на затвердевание отливок

Изучаемый параметр рн. Ша Металл, сплав Расчет г опыт

0,1 50 100 200

1Г,К/с 2,8 7.5 9 13 Все сплавы Опыт

Тп/Ткр 0,85 0,73 0,65 0,60 Все метал лы и спла - Опыт вы

а,к/мм 2 5 7 9,5 9 10,6 10,5 12,2 А7 ЛЦЗЭЦцЗА Опыт

с 22 10,3 8,4 5,9 4,8 5,3 4,5 А7 Расчет Опыт

■26 П.4 11,0 10,6 10,9 9,8 9,6 ЛЦЗЭМцЗА Расчет Опыт

л -10 -

Зависимость каждого изучаемого параметра от давления (табл.1) можно представить в виде:

у = у0 ±afp¿ , (2)

где у0- величина параметра при атмосферном давлении- коэффициент; р„ - номинальное давление прессования, Ш1а-

Для температуры поверхности отливки эта ¡зависимость имеет вид: ,—,

Тп = Ткр (0,85 - 0,018 NT7h) (3)

С использованием метода графического интегрирования рассчитаны значения коэффициента теплоотдачи ol{ между отлшзпой и пресс-фор/ой. Установлено, что при атмосферном давлении о^ непрерывно снижается и к моменту окончания затвердевания отливки достигает величины ~7500 Вт/(м^. К). Приложение давления приводит к повышению о/4 до определенной величины, характерной для каждого значения номинального давления, и затем остается практически постоянным (на достигнутом уровне) до окончания Затвердевания отливки: е/4яг 20000, -26000 и -27500 Вт/См2- К) при рн = 50, 100 и 200 МПа соответственно, когда рабочую поверхность пресс-формы смазывали графитомаоляко ii смазкой. При облицовке рабочей поверхности матрщы листовшл асбестом толщиной I мм 15000 ВтДм2« К) при Рн = 1э0 Ша.

Все изучаете характеристики (параметры) с увеличением давления изменяются по степенным зависимостям (формула (2)): наиболее существенное их изменение наблюдается в интервале Давлений от атмосферного (0,1 Ша) до 100 i,На и в меньшей степени при давлении свыше 100 Ш1а. Это объясняется тем, что в области давлений до 100 Ша корка плотно прижимается к стенкам пресс-форш, в результате чего устраняется зазор, образовавшийся. между формирующейся отливкой и формой, а следовательно, увеличиваются скорости отвода теплоты перегрева ;; кристаллизации стенками матрицу у пуансоном. Кроме того, под действием давления корка частично разрушается, а образовавшиеся обломки ее вытесняются в незатвэрдевшую область, способствуя охлаглонкя расплава перед фронтом кристаллизации и дополнительному повышению скорости охлзздения расплава в центральных: зонах. С ростом давлегая увеличиваются плотность и теплопроводность crviana. Однако последшю факторы (поломгл корта, уселпчзшю глогности

-lili теплопроводности) должны были бы привести к уменьшению градиента температур а сечении отливки, чего на практике не наблюдается (табл.I).

В области давлений, свыше 100 МПа происходит дальнейшее уменьшение зазора и увеличение поверхности охлаждения отливки за счет впрессовывания сплава в микрорельеф рабочей поверхности просс-форш, несколько большее разрушение растущей корки, рост плотности и теплопроводности сплава. В результате незначительно уменьшается время затвердевания отливки (по сравнению с его изменением в области давлений до 100 МПа). Следовательно, первая группа факторов (устранение зазора, повышение интенсивности охлаждения отливки) оказывают решающее влияние на условия затвердевания отливки при ЛКД.

Это, в свою очередь, приводит к последовательному затвердеванию отливок из сплавов с узким интервалом кристаллизации и к последовательно-объемному - из сплавов с широким интервалом кристаллизации. Подтвервдены данные Н.Н.Белоусова, свидетельствующие о том, что при затвердевании под давлением происходит сужение двухфазной зоны в отливках из сплавов с широким интервалом кристаллизации, уменьшается продолжительность ее существования. Так, при затвердевании отливок из сплава марки А1Л07—3 (интервал кристаллизации ~100 К) под атмосферным давлением стояние теглпературы ликвидуса в центральной зоне прекращается через 11,5 с после окончания заливки, а температура солидуса достигается через 25 с, т.е. двухфазная зона в тепловом центре отливки сохраняется в течение 13,5 с."При давлении 200 МПа указанные выше промежутки времени уменьшаются до 6,5 и II с соответственно, существование двухфазной зоны -до 4,5 с.

Обработка данных, полученных в результате расчета процесса затвердевания и экспериментально, позволила установить следующую зависимость изменения толщины корки формирующейся отливки во времени:

сс^ , (4)

где лг - толщина корки, мм; К - коэффициент затвердевания; ± - время с момента окончания заливки (опыт) или о момента приложения давления (расчет), с; п- показатель степени, ве-

-12 -

личина которого 2 ( по результатам обработки экспериментальных данных) и п- 0,5- 2 (на основе расчета процесса затвердевания).

ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОШХ УСЛОВИИ Ф0ШР0ВШ1Я ОТЛИВОК ПРИ ЛИТЬЕ С КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ ГОД ДАВЛЕНИЕ.",!

Одно из назначений давления при ЛКД - получение отливок без усадочных раковин и пор, так как при рассматриваемом способе литья, как правило, отсутствуют литниковые системы и прибыли.

Как указывалось выше, при ЛКД характер затвердевания отливки является последовательным или последовательно-объемным, поэтому давление воздействует на вертикальную корку, образующуюся вдоль стенок матрицы. Трение на контактных поверхностях "деформируемое тело - оснастка" присуще практически всем технологическим операциям обработки металлов с использованием давления. Усилия трения и развиваемые ими на контактных поверхностях касательные напряжения зависят от многих факторов. Большинство исследователей для решения практических задач по определению напряженно-деформированного состояния металла при различных технологических процессах принимают касательные напряжения, по абсолютной величине равные максимальным. Это, по мнению Е.П.Унксова и др., обеспечивает наиболее математически строгое решение технологических задач независимо от метода расчета. Подобное положение принято и при выполнении расчетов в данной работе.

При исследовании силовых условий формирования отливок при ЛКД использованы аналитические (расчет давления прессования и относительных потерь его на трение в системе "отливка -пресс-форма", расчет перемещения верхнего торца формирующейся под воздействием давления отливки) и экспериментальные методы ( изучение изменения давления и относительных потерь его на трение, перемещения верхнего торца затвердевающей отливки, усадочных процессов и качества отливок, изготовленных при использовании различных схем прессования).

" Процесс уплотнения отливки под воздействием давления . при последовательном" зотлзрдоглнаа мо:::но рассматривать как

осадку труби и контейнере. На основании предположения о том, что перемещение прессующего пуансона, обеспечивающего постоянный контакт между торцом его и верхним торцом вертикальной ttop.cn, образовавшейся у стенок матрицу, пропорционально объемной усадке сплава, определено давление, воздействующее на указанную 1С11рку:

Л = Т^ТПх^ ' (5)

где р - давление; 2 - координата фронта затвердевания; Я - радиус отливки.

Из зависимости (5) следует, что до окончания затвердевания отливки рк>р. Проанализировано влияние характера роста корки и времени набора давления до номинального значения (р = рн) па изменешш _рк и показано, что большее различив в поличинах рк и р, когда р< р1}, наблюдается в том /случае, когда в первые моменты времени после заливки корка растет мо,дленное (показатель степени л?2в формуле (4) и когда моцьшв время набора давления до номинального значения рд. Поэтому все пути, способствующие уменьшению скорости роста корки (повышение начальной температуры пресс-форыы, увеличение толщины теплоизоляционного покрытия) и'улучшению ее деформации (повышение давления, уменьшение времени набора давления до номинального значения и времени выдержки расплава в матрице до начала прессования), позволяют повысить рк и улучшать качество отливок.

Ввиду того, что усадочные раковины и поры могут образоваться в отливке на последней стадии затвердевания, когда усилия (и давления) являются недостаточными для деформации образовавшейся корки, рассмотрен баланс сил, действующих на отливку в этот момент времени и определено давление, необходимое для уплотнения затвердевающей заготовки типа сплошного цилиндра (слитка):

р + £ (1+^) . (в)

где - предел текучести сплава при высоких температурах, Ша; Н ,Ъ - высота, и диаметр отливки, м.

Относительные потери давления на внешнее трение можно определить из выражения:

Т - ( 1 (7)

Из анализа выражения (7) вытекает практический вывод о Необходимости уменьшения отношения НФ (пр1 постоянном ) с целью получения отливок более высокого качества.

Значения 6/ определяли по табличным данным, зная температурное поле отливки в момент окончания затвердевания.~Результаты расчета относительных потерь давления на трение и экспериментов близки между собой (табл.2; алюминий А7).

Таблица 2

Относительные потери давления на трение и перемещение верхнего тоща отливки в момент окончания затвердевания

Исследуемый параметр Р„, Ша Металл, сплав . Примечание

50 100 200

лр/р " 0,50 0,80 0,55 0,60 0,30 0,35 А7 Расчет Опыт

ор/р 0,62 0,62 0,62 0,60 0,62 0,55 АМ07-3 Расчет Опыт

0,085 0,048 0,098 0,088 0,099 0,098 ЛЦЗЭМцЗА Расчет Опыт.

При давлении до 80 МПа менее 40% его затрачивается на уплотнение затвердевающей отливки, а остальная часть - на внешнее трение. Этил может быть объяснено образование усадочных раковин и пор в тепловом центре отливки при небольшом (50 Ша) давлении.

Исследовано распределение давления по высоте цилиндрической отливки, изготовляемой из сплава с широким интервалом кристаллизации, с учетом следующих предположений: усилие прессования напраглено перпендикулярно поверхности соприкосновения с расплавом, а силы трения - навстречу движению пуансона; боковое давление пропорционально давлению прессования; коэффициент внутреннего трения больше коэффициента внешнего трения, а послоднпй - величина постоянная. В результате получено следующее выражение .для давления на расстоянии г от

- 15 -

моста приложения усилия прессовашш (от торца пуансона):

-

P^Pde.~ е г , (8)

где р0 - давление, воздействующее на затвердевающий расплав; /( - коэффициент Пуассона; £ - коэффициент; £ - радиус отливки. Из зависимости (G) следует, что давлешш по высоте уплотняемой при затвердевании отливки распределяется неравномерно, уменьшаясь при переходе от верхнего торт к нижнему.

Эффективность воздействия давления оценивали по относительным потерям его на трение:

_ i±Lku

% = I - * к < (9)

Экспериментальные данные (табл.2; сплав марки АМ07-3) удовлетворительно совпадают с результатами расчета, выполненными при /w = 0,4 и £ = 0,3, в области давлений до-100 Ша. С повышением давления характер затвердевания отливок из сплавов с широким интервалом кристаллизации становится последовательно-объемным, поэтому результаты расчета и опытов различаются при давлении 200 МПа, хотя и не столь значительно. .

Уплотнение отливок при затвердевании. Уплотнение затвердевающей отливки начинается с момента приложения давления. При проведении расчетов принято положение о прямо пропорциональной зависимости мезду перемещением верхнего торца отливки и объемной усадкой сплава в соответствующие периоды: в жид- • ком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии?

Полагая, что изменение текущего объема усадочной раковины соответствует зависимостям, предложенным А.И.Вейником, и что усадочная раковина устраняется под воздействием давления, получено следующее выражение для расчета величины относительного перемещения верхнего торца отлизки к моменту окончания затвердевания:

где ot , vtT - коэффициенты усадки сплава в жидком и твердом состояниях; Т1н, Ткр, Тп, Тф - температура расплава после окончания заливки, кристаллизации, поверхности отливки и фор_ мы соответственно; о^- коэффициент теплоотдачи; ^ - теплота

- 16 -

кристаллизации; ^, - плотность сплава в жидком и твердом состояниях; Р1- р! ; £ - радиус отливки; II - высота отливки; Кд - коэффициент, учитывающий деформацию кор'д под воздействием давления; время затвердевания отливки;

- время выдержки расплава в матрще до приложения давления.

В выражении (10) первое слагаемое в правой части характеризует перемещение верхнего торца формирующейся отливки за счет объемной усадки сплава в жидком состоянии, второе - за счет усадки при затвердевании, третье - за счет устранения зазора между отливкой и пресс-форлой.

Экспериментальные данные и результаты их математической обработки подтверждают принятое при выполнении расчетов положение о прямо пропорциональной зависимости можду перемещением верхнего торца отливки с момента приложения давления и объемной усадкой сплава в соответствующие периоды. В табл. 2 приведены данные о величине относительного поромсшония верхнего тоща отливки в момент окончания затвердевания для латуни ЛЦЗЭМцЗА, свидетельствующее о хорошем совпадении результатов расчета и экспериментов при давлении свыше 100 Ша. Давление в 50 Ша является недостаточным для хорошего уплотнения отливки: как указывалось выше,-в тепловом центре таких отли-вох сохранялись усадочные раковины и поры.

Следует отметить, чтб величина перемещения верхнего торца отливки не позволяет■предсказать, как происходит перемещение отдельных слоев (или зон), расположенных на разных уровнях по высоте (например, от нижнего торца). Для определения перемощения отдельных слоев затвердевающей отливки (или степени ее уплотнения) разработан способ (а.с. й 839579), заключающийся в том, что перед заливкой расплава на вертикальные стенки матрицы со стороны рабочей полости на фиксированных расстояниях от дна устанавливали небольшие магниты. Расплав заливали так, чгсбы струя не смыла их. Разность гле~ду расстоянием каждого магнита от дна матрицы и расстоянием его от нижнего торца отливки поело "охландения до ко:.'.н 1тнсл температуры соответствует величине перемещения г/ягчпта и соответствующего слоя отливки под воздействием дагл-энпл.

Использование этой методики позволило установить, что

наибольшее перемещение слоев, а следовательно, и лучшее уплотнение затвердевающей отливки имеет место в верхней зоне, прилегающей к пуансону и распространяющейся на расстояние 1/3 высоты отливки от него. По мере удаления от верхнего торца отливки (места приложения.давления) перемещение отдельных слоев уменьшается по зависимости, близкой к параболической. Абсолютные значения величины перемещения каждого слоя.зависят от давления прессования, объемной усадки и механических свойств сплава при высоких температурах.

Усадочные процессы и качество отливок. Механическое давление оказывает существенное влияние на протекание усадочных процессов в затвердевающих отливках. В тех случаях, когда пуансон сразу же воздействует на корку, образовавшуюся до момента приложения" давления (поршневое и пуансонно-поршневое прессование), он вызывает ее деформацию. При деформации сдвига происходит перемещение отдельных кристаллов (или их обломков) по направлению к тепловому центру. Жидкая фаза под воздействием давления питает зоны, претерпевающие объемную усадку. Для получения качественной огливки достаточным является давление, обеспечивающее достижение в каждом вышележащем слое более высокой плотности по сравнению с нижележащими.

Если в кокильных отливках плотность металла уменьшается при перехода от нижнего торца к верхнему, то в отливках, изготовленных ЛКД, при давлении 60-80 МПа она выравнивается по высоте, а при давлении свыше 100 МПа в верхних зонах становится более высокой, чем в нижней. Анализ темплетов опытных отливок показал, что при 100 МПа усадочные дефекты отстутствуют (алюминиевые сплавы, латуни), хотя при рентгеновском просвечивании в них наблюдали небольшую зону пористости в тепловом центре, расположенном на расстоянии 0,3-0,5 высоты от нижнего торца. При давлении 200 МПа отливки получаются плотными. Для отливок из медных сплавов с широким интервалом кристаллизации (оловянные и свинцовые бронзы) необходимо давление до 250 МПа. Таким образом, для большинства промышленных сплавов на основе алюминия, меда и цинка давление должно быть в пределах 150-250 МПа (поршневое и пуансонно-поршневое прессование).

При пуансонном прессовании усадочные раковины и поры в отливках устраняются при 100-150 МПа. Это объясняется тем,

- 18 -

что во время окончательного оформления контуров отливки поре грев расплава частично снимается, а давление затвердизающпй отливке передается не только со стороны верхнего торга, но п со стороны внутренней полости боковыми поверхностями выступающей части пуансона. Как и при поршневом прессовании, при давлении свыше 60 МПа плотность металла в верхних зонах отливки выше, чем в нижних.

Линейная усадка отливок, изготовленных ЛКД, зависит от состава сплава, схемы приложения и величины давления, температурных режимов литья и времени выдержки под давлением. Она в 1,5-3 раза меньше усадки отливок, полученных в тех же формах без воздействия давления.

Выявлено различие з величине линейных размеров на разных уровнях по высоте отливки. Показано, что наибольшие размеры (например, диаметр) у верхнего торца отливки, прилегающего к пуансону, несколько меньшие - у нижнего торца, прилегающего к дну матрицы, и наименьшие - на расстоянии 0,3-0,5 высоты от нижнего торца. Такой характер изменения размеров по высоте отливки, а следовательно, и величины линейной усадки характерен для всех заготовок при ЛКД и практически мало зависит от схемы прессования, конфигурации отливки, технологических режимов литья и состава сплава. Установлено, что прогиб наружной поверхности обусловлен условиями затвердевания расплава под давлением, способствующими образованию теплового центра ва расстоянии 0,3-0,5 высоты от нижнего торца.

Анализ экспериментальных данных позволил рекомендовать следующие пути уменьшения величины прогиба на наружной поверхности отливки н повышения точности ее размеров: изменение кон-стд'кщш отливки; увеличение давления п времени прессования; уменьшение перепада температур-по высоте заготовки; увеличение припуска на механическую обработку.

Чем больше свободная линейная усадка сплава, тем больше и линейная усадка отливки, изготовленной ЛКД. Установлены математические зависимости между ними, позволяйте прогнозировать величину линейной усадки отливок при :'спол:.поваппп новых сплавов, обоснованно назначать размеры рабочих полосто!: пресс-формы и повшгать рагмерпую точность отливок. Так, для щилш-

m u'ioouiix отливок при поршневом прессовании величину линейной ywiUMi можно назначать, исходя из зависимости:

£ -~€е . .(II)

i'.Mu^V - нолп'пша линейной усадаи сплава, %\ - величина, у«штш>и..ин тоцкноняе усадки под воздействием давления и численно ровная 0,5 и 0,7/ó при рн = 100 и 200 Ша соответственно.

Вследствие затрудненной усадки при затвердевании под давлением в отливках возникают большие внутренние напряжения(до 170 МПа, сталь марки ЮН8Н9ТЛ, пуансонно-поршневоэ прессование). Поэтому отливки, изготовленные ЛКД, можно и даже необходимо подвергать термической обработке.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОНДООБРАЗОВАНИЯ I ОТЛИВОК

При норлневом прессовании форлообразование отливки практически полностью заканчивается при свободной заливке расплава в матрицу, a при пуансонном и пуансонно-поршневом - после выдавливания определенного объема незатвердевшего сплава в рабочие полости пресс-формы,. расположенные выше уровня заливки расплава в матрицу.

Характер течения расплава в полости пресс-формы при окончательном оформлении контуров отливки изучали с использованием еле,дующих методов: ЛКД сплавов на основе алюминия, меди, никеля и железа; расчета скорости течения расплава в полости пресс-форлы при внедрении пуансона и давления; исследования перемещения пуансона при формообразовании отливок разной конфигурации и типоразмера с использованием реохордных датчиков; моделирования (с использованием модельных составов) с последующим анализом макроструктуры темплетов отливок.

На основе уравнений нерзрывности струи и Бернулли проанализированы скорости течения расплава в полости пресс-формы и давление. Показано,'что скорость внедрения пуансона в затвердевающий расплав зависит от используемого гидравлического пресса и, как правило, равна скорости опускания его ползуна. Скорость течения расплава в полости пресс-форлы под воздействием прессующего пуансона, названная скоростью формообразования отливки , пропорциональна скорости ¿2T и размерам

отливки. Это позволило построить номограммы для определенных групп и типоразмеров заготовок, которые можно использовать для определения г^ , зная габаритные размер; и толщину стенки отливки, а также скорость опускания пуансона t^.

Изучена заполняемость тошсих сечений отливок, расположенных выше уровня заливки расплава в матрицу и оформляемых пуансоном. Показано, что она зависит от величины давления на входе в указанные сечения, расположения каждого тонкого канала относительно образующей поверхности массивного элемента технологической пробы и схемы прессования при ЛКД. Чем дальше расположено тонкое сечение отливки от указанной образующей поверхности, тем лучше оно заполняется расплавом. Двухстадайность процесса формообразования отливки (пуансонное и пуансонно-поршневое прессование) приводит к ухудшению заполняеиости тонких сечений.

На основании использования метода планирования эксперимента, при котором в качестве независимых переменных были выбраны давление, перегрев расплава при заливке, температура пресс-форлы, время выдержки расплава в матрице до приложения давления и содержание кремния (сплавы системы атюминий -кремний), a в качестве зависимой переменной - длина заполненной расплавом частя каналов диаметром 1,5 мм, получены-математические модели, показывающие, что заполняемость их зависит главным образом от самих факторов, а не от их взаимодействия. При этом давление влияет линейно на заполняемость просс-формы, остальные факторы - нелинейно. С увеличением давления, повышением температуры пресс-форлы и уменьшением времени выдержки расплава в матрице до давления заполняемость тонких каналов улучшается. •

Зависимости типа "состав - заполняемость" при ЛКД аналогичны зависимостям "состав - жидкотекучесть" при обычных условиях литья.

Во время вцдеряки в матрице до соприкосновения с пуансоном расплав окисляется, растет корка в условиях атмосг.орного давления. При внедрении в затвердевающий расплав гтуаясон прорывает поверхностную пленку (корку), застанляя перемещаться выдавливает«; расплав в полость ысл-ду г.:птр;;:юл и пугнеоном

вше уровня заливки. Рассмотрен механизм течения потока расплава и установлено, что по уровню заливки расплава в матрицу в отливке монет образоваться дефект типа спая, который не устраняется при последующем воздействия давления. Изучены условия образования указанного дефекта при пуансонном и пуан-сонно-поршневом прессовании и показано, что по уменьшению протяженности спаев в отливках исследованные сплавы можно расположить в последовательности (по группам сплавов):

- стали : ЮХГ8НЭТЛ, 10Х16Н4БЛ, 20Х13Л, ЗОЛ, 40Л, 45Л; . - медные сплавы: БрОГОФ, БрА9Н4, ЛЦЗЭМцЗА, ЛЦ38МцЭС2;

- алюминиевые сплавы: ЛЛ23-1, АШ7-3, АЛ9М, АЛ4, АЛ2, А7.

•Чем меньше время выдержки расплава в матрице до приложения давления и больше толщина стенки, тем меньше протяженность спаев (при прочих равных условиях)..

Образование оксидной плоны на зеркале расплава по уровню заливки приводит к уменьшению площади поперечного сечения, через которое выдавливается пуансоном незатвердеьший сплав, и' увеличению скорости Л,. При этом происходит частичное раздробленно поверхностной плены (корки) и перемещение ее частичек вверх и вниз по отношению к уровню заливки расплава в матрицу. Частички плены остаются в отливко, что приводит к ослаблению отдельных ее сечений, снижению физико-механичебких свойств и герлетичности литой детали. Поэтому отливки ответственного назначения из сплавов, склонных к окислению, не ре-, комендуется изготовлять с использованием схем пуансонного и пуансонно-поршевого прессования. Для подобных отливок следует использовать поршневое прессование, обращая внимание на плавность заливки расплава в матрицу пресс-форлы.

Интенсивное течение расплава в полости пресс-форлы при формообразовании отливки приводит к повышению газонасшденно-сти сплава, изменению макро- и микроструктуры детали.

На основании всего комплекса исследований по формообразованию отливок при пуансонном и пуансонно-поршневом прессовании рекомендуются ег^ = 0,15-0,20 м/с и минимальное время выдержи расплава в матрице до приложения давления.

ИССЛЕДОВАНИЕ СГРШУШ И свойств отливок

С увеличением давления при кристаллизации структуха отливок измельчается. Наиболее существенное измельчение структура (в 2-3 раза) наблюдается в области давлений до 100 МПа. Последующее повышение давления также приводит к уменьшению размеров зерен, но в значительно меньшей степени, чем в области давлений 0,1-100 Ша. Зависимость размеров зерен от давления является степенной, аналогичной зависимости (I).

Изучены факторы, способствующие измельчению структуры отливок при ЛКД,. и показано, что оно вызывается не одним, а несколькими факторами, первопричиной которых является давление, воздействующей на кристаллизующийся металл или сплав. Но характеру воздг" .вия эти факторы условно разделены на тепловые, кристаллизационные и механические.

Из рассмотрения I .¿яния тепловых факторов сделан вывод, что при давлении до 300 МПа определяющим является увеличение скорости охлаждения, а следовательно, и уменьшение времени затвердевания отливки. Между степенью измельчения структуры а(здесь д^, а! - размеры макрозерен в структуре отливок, изготовленных в условиях атмосферного давления и ЖД соответственно) и отношением времени затвердевания отливки в кокиле ко времени затвердевания отливки при ЖД, т.е. , существует, зависимость:

¿0/и = Кс *0/£ , (12)

где К. - коэффициент, зависящий от свойств сплава.

С»

Вывод об определяющем влиянии скорости охлаждения на измельчение структуры отливок при ЖД подтверждается данными, свидетельствующими об укрупнении макроструктуры заготовок при увеличении температуры заливки расплава и масштабного фактора (размеров), хотя в этих случаях зазор можду формирующейся отливкой и пресс-форлой при ЛКД устраняется.

Как и в обычных условиях литья, при ЛКД роль переохлаждения является ведущей в процессе зарождения и роста новой фазы. При воздействии прессующего пуансона растущие кристаллы мо 17т разрушаться, а их обломки перемещаться в нижележащие зоны отливки.' К результате могут образоваться дополни-

- 23 -

гсячпю центри кристаллизации. Этим в значительно" степени метко объяснить образование зоны мелких равнооскнх кристаллов в проме.гуто'шой и центральной областях отливки при низкой температура заливки расплава. Механический излом кристаллов происходит преимущественно в зоне наибольшего перемещения слоев затвердевающей отливки - вблизи пуансона.

Выявлено аномальное■изменение структуры по высоте отливки. Так, зона столбчатых кристаллов является наибольшей в верхней области, прилегающей к пуансону, наименьшей - в средней зоне (на расстоянии 0,3-0,5 высоты от нижнего торца) и средней - в нижней области, прилегающей к дну матрицы. Изменяется1' и конунг/нация столбчатой зоны по высоте отливки. В верхней области столбчатые кристаллы изогнуты и наклонены к наружной поверхности отливки, величина наклона зависит от режимов ЛКД и размеров отливки. По море приближения к нижнему торцу изогнутость кристаллов уменьшается, вблизи нижнего торца кристаллы растут перпендикулярно к наружной поверхности. Такой характер изменения зоны столбчатых кристаллов наблюдается только при ЛКД. Эта аномальность связана с различной величиной давления, воздействующего на указанные.области отливки, а следовательно, и с их перемещением относительно друг друга при кристаллизации под давлением.

Существенно по высоте отливки изменяются и размеры мак-розорон: ширина столбчатых кристаллов и размори равноосных , кристаллов е центральной зоно. В верхней области отливка они наименьшие, а саше крупные - на расстоянии 0,3-0,5 высоты от ни:;:него торца. Зависимости между размерами столбчатых и равноосных кристаллов в отливках при ЛКД близки к зависимостям, установленным Г.Ф.Баландиным, Б.Б.Гуляевым и др. для отливок при традициоших способах литья.

Устранение газоусадочной пористости и измельчение структуры приводит к повышению Лизшсо-мехлническлх свойств сплавов и отливок. При этом указанное повышение наиболее существенно в области давлений до 100 ¡Ша: предел прочности при растяжение повышается на 15-30.^> относительное удлинение - в 2-4 раза. Между показателе мсхагпиюскис свойств и давлением при крис-. тачизал;п в::явло;та стопснппя зависимость (I).

- 24 -

Практически у всех исследованных металлов и сплавое, уплотненных при кристаллизации, с повышением прочности увеличивается и пластичность (зависимость имеет линейный характер). Исследования на электронном сканирующем микроскопе позволили выявить вязкий характер излома образцов, вырезанных из отливок, изготовленных ЛКД,

Несмотря на общее повышение механических свойств может иметь место и их неравномерность по сечению кал: тонкостенных, тик и массивных отливок. Использование метода планирования эксперимента и ЭВМ (для обработки полученных данных) позволило получить следующие зависимости, между показателями свойств и основными параметрами ЛВД (в натуральном масштабе) для сплава марки АЛ23-1 после термической обработки по режиму Т6 (отливки - пластина размером 110x110x15 мм): в поверхностг зонах -

6* = 323-0,00?6рн-0,014Т3+0,00036Гпф-0,442 ^-0,255 (13)

<Г = 2,56-0,00964рн-0,00967Т3+0,0687Тпф+0,0345 ^+0,1892^,(14)

в центральных зонах -е, = 223+0,286рн+0,0053Т3+0,142^-0,262^ -0,5^, (15)

£ =-8,52+0,0816р)1-0,00483Т3+0,064Тпф-0,91 ^+0,213. (16)

где рн - номинальное давление прессования, МПа; Т3 - температура заливки, К; Тдф - температура пресс-формы, К; ¿д, ¿п -время выдержки расплава в матрице до приложения давления и затвердевающей отливки под давлением, с. Для выражений (13)-(16) критерий Р соответственно равен 1,08; 1,26; 1,7 и 2,15 при табличном значении 3,0.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что механические свойства сплава марки АЛ23-1 в поверхностных зонах тонкостенных отливок зависят главуым образом от Т3, и ¿"п, .увеличение которых является нежелательным. Свойства в центральных зонах отливки тем больше, чем больше рн, и ¿п; это можно объяснить тем, что с повышением ТПф медленнее растет корка до приложения давления, поэтому большая часть отливки • затвердевает в условиях давления, а увеличение рн и ¿п способствует лучшему уплотнению затвердевающей отливки.

- 25 -

Обоснована необходимость пршенения термической обработки для отливок из алюминиевых сплавов, сталей и некоторых сплавов на основе меди (последние часто используются без термической обработки). Применение оптимального режима термической обработки позволяет существенно повысить механические свойства сплавов и отливок (табл.3).

Таблица 3

Мэхшптческие свойства отливок, изготовленных ЛКД

Отливка Прессование рн, Ша Металл, сплав Состояние ег„ МПа %

Слиток (Д=50 ш, Н=Ю0 им) Поршневое 200 А7 Литое 50 45

АЛ2 Литое 205 9

АЛШ . Литое 175 7

Т6 350 7.5

ш Литое 220 34

ЛЦЗЭМцЗА Литое 605 20,5

БрА9Ж4 Литое 630 30

Ерогог Литое 450 22

Пластина (ЮОхЮОх х15 и:) Поршневоо 150 ЛЛ23-1 Литое 220 5

Тб 328 30

¿лакец (Д-165 ш) Пуансонко-порппсвое 100 10Н8Н91 Л Литое 597 53

Закалка: 1323 К, I ч.вода 382 57

Закалка: 1423 К, I ч.вода 642 62

Втулка (,;-7с ил, Х0Т=Ю г-0 Пуачсонное 120 ЛЦЗеМцЗА Литое 600 16,5

После отжига 596. 20

СОВЕШЕНСТВОВАНИЗ И ШЕДШИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ С КРИСТАЛЛИЗАЩЕЙ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Характер приложения давления предопределяет выбор усилий прессования для получения отливок без раковин и пор и сплавов для отливок, достижение высоких физико-механических и технологических свойств и т.п. В связи с этим разработана новая классификация схем прессования,которую рекомендуется использовать при разработке технологического процесса ЛКД. В зави- ■ симости от конфигурации отливки, условий ее формообразования, а следовательно, и конфигурации прессующей части пуансона предлагается различать следующие четыре схемы прессования: поршневое, пуансоыгае, пуансонно-поришевое и через литникл-питатели.

В качеств^ основных критериев для характеристики каждой схемы прессования испот.зованы характер воздействия пуансона на образовавшуюся до приложения давления вертикальную корку и отношение объема расплава, вытесняемого пуансоном во время формообразования отливки, ко всему объему последней. При поршневом и пуансонно-поршневом прессовании пуансон вначале действует на корку, образовавшуюся у стенок матрицы, а затем на , незатвердезший сплав. При пуаноонном прессовании и прессовании через литники-питатели пуансон вначале соприкасается с расплавом, перемещает его в рабочие полости пресс-формы дом окончательного оформления контуров отливки (выше уровня задив-ки) и не имеет непосредственного контакта с вертикальной коркой, образовавшейся.до момента приложения давления.

Совершенствование технологии ЛКД проводили в следующих направлениях: выбор рациональной конструкции отливки и схемы ее прессования при затвердевании; создание рациональных конструкций пресс-форл; создание и модернизация специализирован-' них гидравлических прессов; оптимизация режимов ЛКД.

На основании собственных исследований и анализа работ других авторов разработаны:

~ - классификация отливок, в которой для каждой группы и подгруппы приведет основные характеристики и эскизы, указаны рекомендуемые схемы прессования;

- 27 -

- классификации пресс-форм (по конструкции матрицц), прессующих узлов, стершей, съемников отливок с пуансона и выталкивателей, использование которых позволяет обоснованно выбирать тип пресс-фор.ы и конструкции ее типовых узлов;

- конструкции пресс-форм (конструкции пресс-форм защищены 8 авторскими свидетельствами•СССР);

- специализированные гидравлические прессы для ЛКД: одно-позпционный четырехколонный пресс мод. Д0437С1 с максимальным усилием 5 МН и регулируемой скоростью холостого хода ползуна вниз в пределах 0,03-0,20 м/с; четнрехпозиционный трехколонный пресс мод. П0638 с максшдальним усилием 6,3 МН, скоростью холостого хода ползуна вниз 0,03-0,20 м/с и скоростью поворота стола 0,2 м/с. Эти прессы использованы для создания опытно-промышленного и промышленного участков ЖД соответственно. Проведена их модернизация с учетом результатов, полученных в данной работе.

Наряду со специализированными рекомендуется использовать для ЛКД и неспециализированные гидравлические прессы. Рекомендации основаны на результатах опытов по уплотнению затвердевающих отливок, которые показали, что з первые моменты времени после приложения давления скорость опускания верхнего торца отливки находится в пределах (1,0-^1,5)• 10"^ м/с (алюминий к алхминиевые сплавы) и (0,8-^1,2)-10 м/с (медь и медные сплавы, стали и никелевые сплавы). Скорость рабочего хода большинства гидравлических прессов, используемых для ЛКД (например, прессов серии ДБ), находится в пределах (2-т4)-10~^ м/с и является достаточной, чтобы пуансон во время уплотнения затвердевающей отливки постоянно воздействовал не ее верхний торец.

Результаты исследования тепловых и силовых процессов в системе "отливка - пресс-форма", особенностей формообразования отливок позволили уточнить технологические релсиш ЛКД, обеспечивающие получение качественных отливок без использования литниковых систем и прибылей. Рекомендуемые режимы ЛКД приведены в табл.4.

Разработана нотграмла для определения времени затвердевания шишндргаоскнх отливок при ЛКД, а следовательно, я ми- . нимзлыюй продолжительности ее ввдерташ под давлением, исходя

Таблица 4 Технологические режимы ЖД

Параметры процесса ЖД Рекомендуемые режимы По литературным данным

Номинальное давление прессования, рд, МПа 150-2501/ 30-300

то-шг/ 50-100

Перегрев расплава при заливке, ¿.Тпз, К до 80 50-100 •

Начальная температура пресс-формы, ТПф, К 420-470 • 330-5.70

Время выдержки расплава в матрицы до давления, с до 5 до 20

Относительное время прессования, ^ПД0Т 3/ 0,3-0,5 1,0-1,2

0,5-1 ,1,0-1,2

Скорость опускания пуадсона, м/с 0,08-0,10 • .0,01-0,50

Скорость формообразования отливки , 1^,м/с 0,15-0,20 *

Примечания: I/ поршневое и пуансонно-пориневое прессование; 2/ пуансонное прессование; 3/ при использовании смазки; 4/ при использовании .теплоизоляционного покрытия; Хот -.толщина стенки отливки; радиус цилиндрической отливки (слитка).

- 29 -

пз размеров (диаметр, высота) заготовки и величины критерия

давления Кд, равного

*-тяг ■ , (17)

где р - даатение, Ма; Н - высота отливки, м;^ - плотность расплава, кг/м^; ^ - ускорение силы тяжести, м/с2.'

Технологический процесс ЖД внедрен в производство. На заводе "Большевик" (г.Ленинград) создан промышленный участок, на котором изготовляются отливки из медных и алюминиевых сплавов. Участок оснащен гидравлическими прессами, плавильно-раздаточными печами, пресс-формами и их сменными умами, позволяйте.™ получать отливки для деталей более 300 наименований. Этот участок является первым в СССР и в миро участком, на котором свыше 20 лет (с 1968 г.) работает специализированный четырохпозтщпонный гидравлический пресс мод. П0638.

Экономический эффект от внедрения процесса ЛКД достигает • 1500 руб. на I тонне деталей из медных сплавов и 4000руб. -из алюминиевых сплавов.

основные шюда

1. Исследованиями процесса теплообмена между затвердевающим расплавом и пресс-фор,гаи установлены основные закономерности формирования отливок при литье с кристаллизацией под давлением (ЛКД). С момента достижения номинального давления расплав затвердевает практически при постоянной интенсивности охлаждения, значения которой определяется величиной давления прессования. С повышением номинального давления по степенной зависимости увеличиваются коэффициент теплоотдачи между формирующейся отливкой и пресс-форлой, интенсивность и скорость охлаждения отливки, уменьшается время ее затвердевания.

2. Для всех исследованных металлов и сплавов характерна параболическая зависимость мезду изменением толщины корки

и временем как при атмосферном давлении, так и при ЛКД; различие наблюдается только в коэффициентах затвердевания. -

3. Па основании рассмотрения силовых параметров процесса ЛКД обоснована необходимость создания- таких условий охлаждения

- 30 -

и затвердевания расплава, при которых до приложения давления образовавшаяся вертикальная корхса имела бы минимальную толщину. Это обеспечивается уменьшением времени выдержки расплава в матрице до приложения давления- и скорости его охлаждения .за счет регулирования теплового режима пресс-форлц.

4. Перемещение верхнего торца формирующейся отливки

при ЛКД прямо пропорционально объемной усадке сплава. Под воздействием давления' вертикальная корка, соприкасающаяся со стен-каш матрицы, сжимается, а расплав непрерывно поступает в зону затвердевания, устраняя в ней дефицит питания. С повышеш1ем давления и скорости его набора до номинального значения, с уменьшением предела текучести сплава при высоких температурах условия питания и уплотнения затвердевающей отливки улучшаются,

5. Эффективность уплотнения затвердевающего расплава при ЛКД зависит от пргерь давления на трепне в системе "отливка -пресс-форма". Относительные потери давления на трение уменьшаются с увеличением ус^шя прессования, достигая величин 0,8-0,9 и 0,60-0,65 при давлении 50 МПа и 0,2-0,3 и 0,50-0,55 при давлении 200 МПа для сплавов с узким и широким интервалом кристаллизации соответственно. Поэтому при малом давлении прессования необходимо создавать условия для уменьшения сил трения на поверхности раздала "отливка - пресс-фор,и".

6. На основе теоретического анализа влияния давления на размер критического зародыша при кристаллизации и экспериментального изучения-структур отливок, изготовленных 'ЛКД, объяснен механизм измельчения структуры литых заготовок. Установлено, что измельчение структуры отливок вызывается повышением скорости охлаждения и затвердевания расплава под давлением (основной фактор), изменением параметров кристаллизации и изломом кристаллов с последующим перемещением их обломков в зону перед фронтом затвердевания. Между степенью измельчения структуры и отношением времени затвердевания отливок при атмосферном давлении и ЛКД существует прямо пропорциональная линейная зависимость: степень измельчения структуры том больше, чем больше указанное отношение.

- 31 -

7. Выявлено аномальное изменение структуры, механических-сеойстб и линейных (горизонтальных) размеров по высоте отливки, характеризующееся наличием на расстоянии 0,3-0,5 высоты от шсшего торца зоны с наиболее крупной структурой, поншсен-¡гц'.та механическими свойствами и минимальными наружными линейными размерим. Указанная аномальность связана со смещением теплового центра отливки к этой зоне. Для уменьшения аномальности необходимо выравнивать распределение температур по сечению н высоте отливки и использовать для ЛКД отливки с отношением высоты к диаметру Н/2>< 2.

8. Установлены степенные зависимости теплофизических и механических свойств сплавов, структурных характеристик и линейной усащси отливок от давления прессовагаш, согласно которым наиболее существенное изменение указанных характеристик наблюдается при повышении давления от атмосферного до 100 Ша и в меньшой степени при давлении свыше 100 Ша. Повышение давления свыше 200-250 Ша представляется нецелесообразным с точки зрения улучшения качества отливок из большинства промышленных сплавов.

9. Предложен, защищенный авторским свидетельством

5 83Э-379,' способ определения степени уплотнения затвердевающей отливки при ЛКД, основанный на использовании стерганей-магни-тов, устанавливаемых на вертикальную рабрчута поверхность матрицы пресс-формы поред заливкой расплава и сдвигаемых с фиксируемых участков совместно с вертикальной коркой при воздействии давления. Применение способа позволило установить, что наибольшее перемещение слоев затвердевающего под давлением сплава тлеет место на расстояния 1/3 высоты от верхнего тоща ' отливки - места приложения давления.

10. Разработана ковал классификация схем прессования при ЛКД по характеру воздействия пуансона на расплав, залитый в матрицу пресс-формы, и относительному количеству вытесненного незатвердев'пего сплава при окончательном оформлении контуров отливки. Согласно классификации следует различать поршневое, пуансонпоз и пуаксонно-поргшевое прессование, а тагсхз прессование через литники-питатели.

11. Отливки ответственного назначения из легкоокисшшщих-ся сплавов не рекомендуется изготовлять с использованием схем пуансонного и пуансонно-поршневого прессования, так как оксидная плена, образовавшаяся на зеркале залитого в матрицу расплава, после оформления контуров отливки остается в ее стенке, образуя дефект типа спая. Для подобных отливок следует применять поршневое прессование. Для отливок из сплавов, не склонных к окислению, можно использовать любую схему прессования.

12. Созданы специализированные гидравлические прессы, модернизация которсс с учетом выявленных закономерностей и длительная эксплуатация в условиях опытно-промышленного (пресс мод. Д0437С1) и промышленного (пресс мод.П0638) производств подтвердили правильность залаженных в них конструктивных решений и надежное?! в работе.

13. Палучеицмв результаты в сочетании с их промышленной проверкой позволили обосновать технологию изготовления высококачественных отливок пй< ЛКД без использования литниковых систем и прибылей. Хорошая поверхность, отсутствие усадочных дефектов и высокие механические свойства отливок достигаются при следующих технологических режимах ЛКД: давление прессования до 200-250 Ш1а, перегрев расплава пр1 заливке до 80 К, начальная температура пресс-формы - 420-470 К, время выдержки расплава до приложения давления - минимальное (до 5 с), время прессования - 0,3-0,5 с на I мм толщины стенки при использовании смазки для рабочих поверхностей пресс-формы.

14. Созданы основы теории и технологии ЛКД, которые позволяют обоснованно выбирать температурные и силовые параметры процесса, рациональные схеш прессовздди и конструкции пресс-форм, получать отливки со свойствами, соизмеримыми со свойствами проката, снизить расход металла в 1,2-3 раза и трудоем-' кость механической обработки на 30-50^.

Экономический эффект от внедрения процесса ЛКД достигает 1500 руб. на I тонне деталей из медных сплавов и 4000 руб,-из алюминиевых сплавов.

- 33 -

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Монографии и брошюры

1. Гатышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. - I.I.: Металлургия.-1977.- 151 с.

2. Штамповка жидкого металла: Литье с кристаллизацией под давлением /Батншев А,И..Базилевскпй Е.М..Бобров В.И. и др. Под ред. А.И.Батишева. - Í.I.: ¡Лашиностроение. - 1979; - 200 с.

3. Батшюв А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением.- 2-ое изд. перер. и доп.- М.: Металлургия.-1990т

4. Батшев А.И. Созмещешше способы литья и прессования: Обзор, информ. (Серия С-Х-2. Технология литейного производства)/ ШП1малг.-М. ,1971. - 48 с.

5. Батшлев А.И..Святкин Б.К.,Налетов А.С. Перспективы внедрения штамповки жидкого металла на предприятиях отрасли: Обзор, информ. /ЩПИТЭШегпищемаш.- М., 1973.- 43 с.

6. Батншев А.И. Формирование отливок под воздействием давления, вибрации, ультразвука и электромагнитных сил: Обзор. ишТори. (Серия С-3. Кузнечно-прессовое магаиностроение)/НК11мад1.

- L!., 1977. - 54 с.

7. Батытев А.И. Новые процессы в литейном производстве: Лекция.- i,1.: ВЗПИ. 1981.- 40 с.

8. Батишев А.И., Безпалыш В.И. Литье с кристаллизацией под давлением сплавов цветных металлов: Обзор.инфорг,1. (Серия ТС-9. Экономика и технология приборостроишя. Вып.З)/ ЦНИИТЭ'Лприборостроения.- i.l. ,1935,- 48 с.

9. Батышев А.И..Безпалъко В.И. .Любавин А.С.,Батышев К.А. Литье с кристаллизацией под давлением: Обзор.информ. (Серия "Технология и оборудовализ литейного производства".Вып.1)/ ВН!1ИГЭ;,1Р.- ¡.I. ,1989. - 55 с.

Статьи и авторские свидетельства

1. Бобров В.Н. .Гатцдев А.И.,Бтдуля Л.Н. Изготовление стальных отливок прессованием во грпмп кристаллизации // Ли— точнее производство. - 12)7.- .'.' 4.- С.3-5. ■

2. Зцбор стало;: и епдз'гоз для литья под давлением /Батьиев А,Л. .Гассоль K.ÍI. .Лзхтсрсп и. J. и др. //Литейное производство.

- ¡'971. 2. - С.30-31.

3. Изготовление втулок из медных сплавов методом литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И..Базилевский Е.Ы. Евстратов D.A. и др. // Оптимизация металлургических процессов. Вып. 5. - 1,1.: Металлургия. - 1971,- C.II3-II8.

4.Получение втулок литьем с кристаллизацией под давлением поршня и жидкой штамповкой /Батышев А.И. .Базилевский E.I.L, "Евстратов Ю.А. и др. //Литейное производство. -1972.-й 2,-С.37-38.

5. Литье медных сплавов с кристаллизацией под давлением поршня /Батышев А.И..Бобров В.И..Базилевский Е.М. к др. // Литейное производство.-1972.-Is .6. - C.9-II.

6. Прессы для литья с кристаллизацией под давлением/ Батышев А.И. .Бобров 3.И. .Мартынов Ф.А. и др. //Лнтейное про:.зьод-ство.- 1972.- !' 9. - С.7-8.

7. Батышев л.И. .Базилевский Е.Г.1. .Кантеник С.К. Усадка отливок, прессованных при кристаллизации //Литейное производство. - 1974. й. 4.- С.28-29.

8. Батышев А.И..Мамедов Ф.М. .Михайлов A.M. Опыт гсидкой штамповки наконечников кислородных фурм дая конвертеров // Литейное производство. -1975.-№'10. -С.32.

9. Жидкоштампованные наконечники кислородно-конверторных фурм /Мамедов Ф.М..Батышев А.И..Михайлов A.M. и др. //Сталь.-1975.- й II. -С.995-996.

10*. Батышев А.И. .Базилевский Е.М. Литье с кристаллизацией под давлением массивных заготовок из бронзы БрА£9-4 //Литейное производство.- 1976.-й I.-С.23-24.

11. Батышев А.И. Формирование структуры слитков при кристаллизации под давлением /Об актуальных вопросах металлургии. -М..В31Ш.-1976.-С.156-161 (Тр. ВЗПИ,1£ 98).

12. Батышев А.И..Кантеник С.К..Базилевский Е.М. Структура

и свойства отливок, кристаллизующихся под пуансонным давлением /Об актуальных- вопросах металлургии.-1,1. .ВЗПИ.-1976,-С.149-155 (Тр.ВЗПИ,№ 98).

13. Батшзев А.И. .Мамедов Ф.М. .Михайлов A.M. Особенности формирования заготовок из чистой меди при литье с кристаллизацией под давлением //Литейное производство.-1977.-is 2.~

С.28-30.

14. Еаткшеп А.И. Современное и перспективное прэссовое оборудование при литье с кристаллизацией под даЕлеш1ем (жидкой щта.товке)/'й1та'.шоЕка жидкого металла.-Пермь.-1977.-С. 10-12.

1Ь. Батышев А.И..Базилевский Е.М. Изготовление отливок из модных сплавов на специализированном гидравлическом прессе мод. НОоЗВ/^тамповка жидкого металла.-Перль.-1977.-С.32-33.

16. Батшев А.И. .шмодов Ф.Ы. .¡Лихайлов A.M. Особенности фор-мировашя отливок из чистой меди при литье с кристаллизацией под давлением /Штамповка жидкого металла.-Поря».-1977.-С.29-31.

17. дпдкая штамповка отливок из алюминиевых сплавов/ Батышев А.И..Мартынов Ф.А. и др. /Штамповка жидкого металла.-Перль.-1977.- С.13-15. "

18. Баталов А.И. Обеспечение качества отливок при жидкой штамповке // Литейное производство.-1979.-й 10.-С.20-21.

19. Батышев А.И. Современное состояние и перспективы развития литья с кристаллизацией под механическим давлением //Технология производства,научная организация труда'и управления.-1979.-

Je 12.-С.3-6 (Шймаш).

20. Батышев А.И.,Гудзий А.Е..Лившиц В.Б. Изготовление биметаллических заготовог. литьем с кристаллизацией под давлением // литейное производство.-1979.-Jfc 12.- С.16-17.

21. Оор.ты для литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И. ,Еаз:июзский S.U. .Кудрявцев Э.Е. и др. //Литейное производство.-1979.- J3 II.- С.21-23.

22. Батышев А.И. Классификация схем прессования и форд при литье с кристаллизацией под давлением //Литейное производство.-1980,- Л' 10.- С. 16-18.

23. Батькев А.И. Классификация схем прессования, отливок и пресс-шорл при литье с.кристаллизацией.под давлением /Литье и кристаллизация магниевых и алюминиевых сплавов под давлением.-nep.Tb.-I£8vj.- С.89-Э5.

24. Батышев А.И. Литье с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов/ Литье и кристаллизация магниевых и алюминиевых сплавов под давлением.-Лер:.:ь.-1980.- С.28-30.

25. Бативев А.И..Безпааько В.й. Исследование формирования отлшгок из сплава АЛ2 при лить о с кристаллизацией под давлением/ Ярогроссяпгл тзхгспса и технология лптолиого производства.-Пенза.-i^j.-iJ.jj-oo.

26. Батшев Л.И. Теплосиловые условия формирования отливок при литве с кристаллизацией под дашюнием //Литейное производство. -1982. -Je 4.-С.20-22.

27. Фрикционные характеристики алюминиевых сплавов, прессованных при кристаллизации/ Батшев л.И..Кантеник С.К..Любавин A.C. и др.// Вестник машиностроения.-1982.-Ji 6.-С.62-оЗ.

28. Безпалько В.И..Кантеник O.K..Батишев Л.И. Формирование; отливок из сплавов Л С - 5V при литье с кристаллизацией под давлением //Литейное производство,-1982.10.-С.24-25.

29. Исследование заполняомости форм при литье с кристаллизацией под давлением силуминов /Безпалько 3.П.,Батшев'Л.И. .Кантеник С.К. и др.//Литейное производство.-1983.-й 3. - 0.21-23.

30. Батышев А.И..Любавин A.C..Безпалько Б.И. Опыт литья с кристаллизацией под давлением /Автоматизация и прогрессивная технология литья под давлением.-!Л. .ЦИН'Ш.-1984.-С.122-126.

31. 2>ciiys<rb е с?" Я-?. Gießen, rnii £zti.a.lzUMg <~/nio2 Ъ-гиск // GU/be^itecb,! ¿¿г .-1985.-Ii 9.-¿".281-286.

32. Батышев А.И. .Люе^ин A.C. 0 потерях давления на трение при литье с кристаллизацией под давлением //Литейное производство. -1985.■-Jfe I.-C.24.

33. Батышев А.И..Безпалько В.И. Структура-и физико-механические свойства силуминов, отлитых с кристаллизациой под давлением // Литейное производство.-1986¿-й 7.-С.8-9.

34. Безпалько В.И..Батышев А.И. Заполняемость фор! при пуансонном, и'пуансонно-поршневом прессовании //Литейное производство.- 1986.-й 9.- С.19-20.

35. Влияние давления и интенсивности контактного теплообмена на макроструктуру отливок /Батышев А.И..Безпалько В.И,, Любавин A.C. и др. // Литейное производство.-I9&9.-Ü 8.-С.19-20.

36. A.c. й 320337. Дресс-форла дая литья с кристаллизацией под давлением /Прокофьев Ю.Я..Батышев А.И..Мартынов Ф.А.-

Б.И.-1971.-й 34.

37. A.c. J& 348289. Пуансон /Батышев А.И. .Базилевский Ü.M. и др. - Б.И.-1972.-№ 25.

38. A.c. & 406634. йяогопозиционная установи для литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И.,Бобров В.И. и др.-Б.И.-1973.- & 46.

- 37 -

39. Л.с. И 499965. Дресс-форла для литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И.,Базилевский Е.М. и др.-Б.И.-1976.-Я 3.. ,

40. A.c. JS 5S9386. Штамп для штамповки из жидкого металла/ Базилевский E.3.I.'.Батышев А.И. и др.-Б.И.-1977.-й 31.

41. A.c. № 648340. Пресс-форма для литья с кристаллизацией . под давлением /Батышев А.И..Базилевский З.М. и др. - Б.И.-

1979.- & 7.

42. A.c. J,! 705194. Пресс-форма для литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И. .Базилевский Е.М. и др.- Б.И.-

1980.- & 48.

43. A.c. fö 768552. Пресс-форда для литья с кристаллизацией под давлением /Батышев А.И. .Базилевский K.M. и др. - БЛ1.-1980.- й 37.

44. A.c. й 839579. Способ определения степени уплотнения отливки при литье с кристаллизацией под давлением' /Батышев А.И..Базилевский Е.М. и др. - Б.И.- I93I.-Jp 23.

45. A.c. й 839684. Пресс-фюрла для штамповки жидкого металла/ Батышев А.И..Лобозов В.П. и др.- Б.И.-1981.-Й 23.

46. A.c. ¡в II35543. Постоянная литейная форма /Батышев А.И., Кудрявцев Э.Е.- Б.И.-1985.- Ji3. .

Материалы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: "Прессование стальных отливок при кристаллизации" (Москва,1966 г.); "Совершенствование методов выплавки А литья стали" (Ленинград,1969 г.), "Современные достижения в производстве цветного литья" (Ленинград, 1969 г.); "Литье с кристаллизацией под давлением" (Москва, 1970 г.); "Геометрическая точность отливок" (Ленинград, 1972 г.); "Штамповка жидкого металла при изготовлении деталей из цветных сплавов" (Ленинград, 1974 г.); "Применение новых алюминиевых сплавов л вопросы экономии цветных металлов в. литерном производстве" (Винница, 1977 г.); "Штамповка жидкого металла" (Пермь, 1973 и 1979 гг.); "Прогрессивная технология и погпшенпэ качества отливок из цветных сплавов" (Киев, 1978 г.);

"Перспективы развития методов литья под регулируемым давлением" (Киев, 1979 и .1931 гг.); "машинные способы формообразования" (Горький, 1980 г.); "Прогрессивная техника и технология литейного производства" (Пенза, 1980 г.);-"Пути рационального ис-.пользования и экономии металла в литейном производстве" (Барнаул, 1981 г.); "Повышение качества отливок и улучшение условий труда в литейных цехах" (Ленинград, 1976 г.); "Литье с кристаллизацией под давлением" (Москва, 1982 г.); "Применение новых конструкционных материалов и сверхпластичности сплавов в промышленности" (Гомель, 1981 г.); "Материаловедение материалов, полученных в условиях литья с газовым противодавлением" (НРБ, Варна, 1982 г.); "Технология изготовления литья специальными -способами" 'Челябинск, 1984 г.); "Автоматизация и прогрессивная технология литья под давлением" (Москва, 1984 г.); "Жидкая штамповка алю:.- „левых сплавов" (Новополоцк, 1988 г.); . "Развитие методов литья под регулируемым давлением" (Киев, 1986 и 1989 гг.).

Схемы прессования, использованные при выполнении диссертационной работы*