Geum.ru

Батышев Константин Александрович исследование

Вид материалаИсследование

Содержание


1, 2 – при достижении температур ликвидус и солидус соответственно
Уплотнение отливок при затвердевании.
Таблица 2. Относительное перемещение верхнего торца отливки в момент окончания затвердевания
Пуансонное прессование
ЛКД композиционных материалов
Таблица 3. ЛКД алюминия, некоторых алюминиевых сплавов и КМ
Изучена макро- и микроструктура «корок» (из силуминов)
При изучении структуры цилиндрических отливок
Т – переохлаждение расплава; dT
Формирование комбинированных структур в отливках
Подобный материал:
1   2   3   4   5
Рисунок 8. - Зависимость относительных потерь давления на внешнее трение от отношения высоты к диаметру отливки (а) и давления прессования (б):

^ 1, 2 – при достижении температур ликвидус и солидус соответственно


Определены значения s алюминиевых сплавов, используя экспериментальные данные по потерям давления на внешнее трение; они находятся в пределах 8…18 МПа, увеличиваясь при уменьшении высоты отливки и отношения H/D.

Проведено аналитическое исследование по определению усилия извлечения отливки из матрицы пресс-формы. Показано, что причиной, вызывающей эти усилия, являются упругие деформации матрицы пресс-формы в процессе прессования затвердевающей отливки. После снятия давления между отливкой и матрицей возникает контактное давление и соответствующая ему сила трения, преодоление которых требует значительных усилий. Выведены аналитические зависимости для расчета величины этих усилий Q:


Q = , (14)

где рн – номинальное давление прессования, МПа; f – коэффициент трения;  - коэффициент; Н – высота отливки, м; а, b – внутренний и наружный радиусы матрицы, м;  - коэффициент Пуассона.

Анализ зависимости (14) показывает, что при прочих равных условиях с увеличением давления прессования, коэффициента трения на границе «отливка-матрица» и высоты отливки усилие извлечения отливки из матрицы возрастает. Это вызывает необходимость применения оптимальные режимы ЛКД, смазывать матрицу пресс-формы перед каждой заливкой расплава и после подъема пуансона в исходное положение.

^ Уплотнение отливок при затвердевании. Выполнен расчет величины перемещения пуансона (верхнего торца затвердевающей под давлением цилиндрической отливки), которое косвенно характеризует величину уплотнения формирующейся отливки. При расчете принято положение о том, что перемещение пуансона во время уплотнения затвердевающей отливки прямо пропорционально усадке сплава в жидком состоянии, при затвердевании и в твердом состоянии. Кроме того, принято, что продвижение фронта затвердевания со стороны боковых поверхностей отливки подчиняется параболической зависимости (см. выражение (5)), а со стороны пуансона (для отливок типа фланца, у которого высота намного меньше диаметра). С учетом этих положений получены зависимости, позволившие рассчитать величину перемещения верхнего торца формирующейся при ЛКД отливки и затем учитывать результаты расчета при регулировании контролирующей аппаратуры, устанавливаемой на гидравлических прессах.

Для отливки типа фланца расчетом получена следующая математическая зависимость:

hз/H=ж(tзал - tлик) + , (13)

где hз – величина перемещения верхнего торца отливки под воздействием давления в момент окончания затвердевания, мм; Н – высота отливки, мм; tзал и tлик – температура заливки и ликвидус сплава, оС; ж и v – коэффициенты усадки сплава в жидком состоянии и при затвердевании; Кк – коэффициент затвердевания, мм/ с 0,5; з – время затвердевания отливки, с.

Экспериментальные данные и результаты их математической обработки подтверждают принятое при выполнении расчетов положение о прямо пропорциональной зависимости между перемещением верхнего торца отливки с момента приложения давления и объемной усадкой сплава в соответствующие периоды. В табл. 2 приведены расчетные (формула (13)) и опытные значения hз/H для отливки диаметром 50 мм и высотой 100 мм из алюминия А7 и сплава АК12 при номинальном давлении прессования 100, 200 и 300 МПа.

Однако величина перемещения верхнего торца отливки не позволяет предсказать, как происходит перемещение отдельных слоев (зон) по высоте, расположенных на разных уровнях от нижнего или верхнего торца.

Для изучения перемещения отдельных слоев затвердевающей под давлением отливки использована методика, разработанная в МГОУ и заключаю-

щаяся в том, что перед заливкой расплава на вертикальные стенки матрицы со стороны рабочей полости на фиксированных расстояниях от дна устанавливали небольшие постоянные магниты.


^ Таблица 2. Относительное перемещение верхнего торца отливки в

момент окончания затвердевания

Металл,

сплав
tзал, оС
рн, МПа
hз/H

Расчет
Опыт


A7

720
100
0,098
0,096

200
0,109
0,104

300
0,111
0,106


AK12

680
100
0,062
0,063

200
0,064
0,066

300
0,065
0,068


Расплав заливали так, чтобы струя не смыла их. Разность между расстоянием каждого магнита от дна матрицы и расстоянием его от нижнего торца отливки после охлаждения последней до комнатной температуры соответствовала величине перемещения каждого магнита и соответствующего слоя отливки под воздействием давления.

Использование этой методики для алюминия и всех использованных промышленных сплавов позволило установить, что наибольшее перемещение слоев, следовательно, и лучшее уплотнение затвердевающей отливки имеет место в верхней зоне, прилегающей к пуансону и распространяющейся на расстояние 1/3 высоты отливки от него, тем самым подтверждены данные полученные ранее в МГОУ и НГТУ. По мере удаления от верхнего торца отливки (места приложения давления) перемещение слоев уменьшается по зависимости, близкой к параболической. Абсолютные значения величины перемещения каждого слоя зависит от давления прессования, объемной усадки и механических свойств сплава при высоких температурах.

^ Пуансонное прессование. Усилие Р в момент окончания затвердевания отливки, как и при поршневом прессовании, затрачивается на ее уплотнение (sF) и на преодоление сил трения между отливкой и вертикальными стенками матрицы (кDН), между отливкой и выступающей частью пуансона (кdh), между отливкой и торцовыми поверхностями пресс-формы (2кF):


Р = р F = s F + Ку [к ( DH +  dh)+ 2кF] (14)


где р – прикладываемое давление, МПа; F – площадь торцовой поверхности отливки, м2; s – предел текучести сплава при высоких температурах, МПа;

к – контактные напряжения на поверхностях трения, МПа; D, d – наружный и внутренний диаметры отливки, м; H, h – высота отливки и глубина ее внутренней полости; Ку – коэффициент уплотнения, зависящий от коэффициента формообразования отливки Кф.

Проведен анализ коэффициента Кф для отливок типа стакана высотой 60 мм и толщиной стенки 5; 10; 15 и 20 мм, имеющих наружный диаметр 60…200 мм и высоту 60 мм, и установлено, что наибольшее значения Кф характерны для тонкостенных отливок, следовательно, для них меньшими будут значения Ку. При постоянной толщине стенки отливки значения Кф тем больше, чем глубже ее внутренняя полость. Значит, при увеличении отношения Хдн/Хот (здесь Хдн – толщина донной части отливки; Хот – толщина вертикальных стенок) для получения качественной отливки необходимо приложить большее давление прессования, что вполне совпадает с результатами собственных опытов и литературных данных.

Рассчитаны относительные потери давления на внешнее трение по формуле

р/р=Крs/р (1+ 2/ (15)

и показано, что они, как и при поршневом прессовании, зависят от предела текучести сплава при высоких температурах s, наружных и внутренних размеров отливки, а также от коэффициента уплотнения Ку..

^ ЛКД композиционных материалов. Исследовано затвердевание и охлаждение отливок из композиционных материалов с матрицей из алюминия и алюминиевых сплавов АК12 и Al-4,5%Cu. В качестве упрочняющих добавок использованы карбид титана, карбид кремния и оксид алюминия. Установлено, что характер зависимостей, полученный ранее для алюминия и сплавов на его основе, сохраняется, изменяются только численные значения.


^ Таблица 3. ЛКД алюминия, некоторых алюминиевых сплавов и КМ

Металл, сплав, КМ
з, с
Ткр, оС
ро, МПа
(h/H)з

Алюминий А7
6,2
10
95
0,099

Al – 5%SiC
10,2
5
55
0,043

Al – 10%TiC
6,8
6
35
0,053

АК12
6,9
8
140
0,066

AK12 – 5%SiC
7,1
4
100
0,045

AK12 – 5%TiC
10,2
5
110
0,075

Al - 4,5%Cu
9,2
11
50
0,120

Al – 4,5%Cu – 2%Al2O3
13
8
140
0,108

Примечание. з – время затвердевания; Ткр – повышении температуры кристаллизации

(ликвидус) под воздействием давления; ро – давление, при котором начинается повышение

температуры кристаллизации металла (сплава); (h/H)з - относительное перемещение

верхнего торца отливки в момент окончания затвердевания


Следует отметить, что введение упрочняющих частиц в металлический расплав изменяет свойства сплавов и их склонность к уплотнению во время затвердевания (табл. 3). Отливки из композиционных материалов уплотняются в меньшей степени, чем отливки из традиционных алюминиевых сплавов.

В четвертой главе приведены результаты исследования структуры и свойств «корок» и отливок, изготовленных с использованием основных схем прессования.

^ Изучена макро- и микроструктура «корок» (из силуминов), растущих со стороны пуансона, и показано, что на поверхности отрыва «корки» от не затвердевшего остатка выявлены светлые и темные области, не имеющие принципиального отличия в строении. В этих областях обнаружены «веточки» эвтектического кремния (сплав АК12), растущие горизонтально – вдоль дендритов -твердого раствора. Количество выступающих дендритов, растущих быстрее эвтектики, - незначительно. В отдельных местах выявлены участки сферической формы, ограниченные светлой полосой, структура которых не отличается от структуры близлежащих участков и состоит из дендритов -твердого раствора и эвтектики. На отдельных участках поверхности «корки» выявлены элементы, имеющие форму удлиненной капли, по-видимому, образовавшиеся после отрыва «корки» от не затвердевшего остатка за счет вытеснения жидкой фазы из междендритных промежутков или за счет действия сил, возникших на границе «расплав - фронт затвердевания» при отрыве «корки».

Микроструктура «корок» в сечении имеет направленный характер (в соответствии с теплоотводом) – от пуансона к поверхности отрыва ее от не затвердевшего остатка. При этом переходе размер дендритной ячейки увеличивается прямо пропорционально расстоянию от наружной поверхности (по линейной зависимости).

Механические свойства «корок» следующие (литое состояние; ось разрывных образцов перпендикулярна приложенному усилию прессования):

в=175…180 МПа; =11,4…12,0 % (сплав АК12);

в=202…209 МПа; =14,2…18,0 % (сплав АК7ч).

^ При изучении структуры цилиндрических отливок подтверждены данные других исследователей, проводивших исследование структуры сплавов цветных металлов на разной основе, что в условиях ЛКД структура отливок измельчается. Этому способствуют повышенная скорость охлаждения и воздействие давления как на условия возникновения центров кристаллизации, так и на растущие кристаллы.

Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с известной теоретической зависимостью:

r= (16)

где r - радиус критического зародыша;  - поверхностное натяжение на границе «зародыш-расплав»; ^ Т – переохлаждение расплава; dT – изменение температуры кристаллизации сплава, обусловленное изменением давления на величину dp; V2, V1 – объемы жидкой и твердой фаз соответственно. Из выражения (16) видно, что уменьшение размера критического зародыша и измельчение структуры сплава в отливках при ЛКД происходит не только за счет увеличения переохлаждения, но и за счет повышения давления прессования.

Наиболее существенное измельчение структуры (в 2…3 раза) наблюдается в области давлений от атмосферного до 100 МПа; последующее повышение давления до 300…400 МПа также приводит к уменьшению размеров зерен, но в значительно меньшей степени, чем в первой области давлений.

Структура отливок из доэвтектических силуминов характеризуется наличием дендритов -твердого раствора и эвтектики (+Si). В структуре отливок из сплава Al-13%Si, затвердевших под атмосферным давлением, содержатся кристаллы первичного кремния (КПК) и эвтектика. При ЛКД размеры КПК уменьшаются с увеличением давления (рис. 10), уменьшается также и площадь, занятая ими, что указывает на сдвиг эвтектической точки вправо - к кремнию. В отливках из заэвтектического силумина (с 25%Si) с повышением давления при кристаллизации КПК также измельчаются (дробятся); если при литье в кокиль их размеры находились в пределах 70…75 мкм, то при рн=320 МПа – 20…23 мкм; конфигурация (форма) КПК при этом не изменяется (рис.9).

Смещение эвтектической точки вправо, измельчение эвтектики, увеличение растворимости кремния в алюминии и наблюдаемое устранение усадочной пористости в формирующихся при ЛКД отливках приводит к повышению их механических свойств. Одновременное повышение прочностных (в, НВ) и пластических () характеристик силуминов при ЛКД можно объяснить измельчением дендритов -твердого раствора, КПК и составляющих эвтектики, а также физическими свойствами последней.




а) б)

Рисунок 9. – Микроструктура отливок из сплава Al-25%Si, затвердевших под

атмосферным давлением (а) и давлением 320 МПа (б)


Изучение микроструктуры силуминов с 13…25%Si показало, что КПК имеют разное строение и располагаются на фоне -твердого раствора, но это не отражается кардинально на изменении механических свойств; главное здесь – не строение КПК, а их размеры, изменяющиеся под воздействием давления на затвердевающую отливку. Давление приводит к измельчению КПК, но не оказывает существенного влияние на их конфигурацию (рис. 10).




Рисунок 10. – Форма кристаллов первичного кремния в отливках из сплава Al-17%Si,

затвердевших под давлением 160…320 МПа


Применены методы планирования экспериментов с использованием планов Рехтшафнера (для двойных сплавов системы Al-Si) и Хартли (для высокопрочных сплавов системы Al-Si-Cu). Получены уравнения регрессии и графические зависимости, связывающие значения прочности и пластичности сплавов в отливках с основными параметрами ЛКД.

Микроструктура сплавов систем Al-Cu и Al-Mg при кристаллизации под давлением также претерпевает существенные изменения, приводящая к изменению параметров затвердевания, уплотнения и механических свойств отливок. Так, в сплавах системы Al-Cu при кристаллизации под давлением наблюдается резкое измельчение -твердого раствора и фазы Сu-Al2. У сплавов, близких к эвтектическому составу и кристаллизующихся в типично дендритной форме, выявлено заметное уменьшение размеров дендритных ячеек, по которым рассчитана скорость охлаждения, эквивалентная действующему давлению.

Повышение давления при кристаллизации приводит к измельчению структуры отливок из сплавов системы Al-Zn-Mg (например, сплава АЛ24П) как в литом состоянии, так и после термообработки по режиму Т6. Микроструктура отливок из них в литом состоянии характеризуется наличием дендритов -твердого раствора и различных фаз, число и объем которых заметно изменяется и по сечению, и по высоте заготовки. С увеличением давления расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается, а количество фазы MgZn2 увеличивается в верхней зоне. В средней зоне по высоте с увеличением давления не только уменьшается расстояние между осями дендритов второго порядка, но и наблюдается изменение в расположении фазы MgZn2 и T-фазы (Al2Mg3Zn3).

В литом состоянии при увеличении давления прочностные характеристики сплава непрерывно повышаются (в от 96,3 до 275,3 МПа), а после термообработки по режиму Т6 их «скачок» наблюдается только при переходе от атмосферного давления к механическому (в от 430 до 450 МПа, 0,2 от 360 до 375 МПа). Пластические характеристики повышаются как в литом состоянии – от 2,1 до 11,3 %, так и после термообработки по режиму Т6 – от 4,9 до 9,0 %).

Таким образом, с повышением давления механические свойства отливок из всех исследованных сплавов заметно возрастают, особенно пластические характеристики.

^ Формирование комбинированных структур в отливках. Исследовано формирование отливок в частично теплоизолированных формах при ЛКД алюминиевых сплавов. Деформируемый сплав, близкий по составу к чистому алюминию, заливали в матрицу пресс-формы, изолированную со стороны рабочей полости листовым асбестом толщиной 1…5 мм. В асбесте почти на всю высоту матрицы были выполнены прорези (щели) шириной 1…8 мм для контакта расплава непосредственно со стенками матрицы. Типичные макроструктуры поперечных сечений цилиндрических отливок (D=50 мм, Н100 мм) приведены на рис. 11.



а) б)

Рисунок 11. - Макроструктура цилиндрических отливок (диаметр 50 мм),

изготовленных в условиях атмосферного давления (а) и ЛКД

при рн=150 МПа (б)


Видно, что конфигурация зоны крупных кристаллов, растущих сто стороны неизолированных поверхностей матрицы, приближаются к окружности; при этом в отливках, затвердевших под атмосферным давлением, они намного меньше (рис. 10,а), чем в отливках, затвердевших под поршневым давлением (рис. 10,б). С увеличением ширины зоны контакта расплава с матрицей увеличиваются и размеры (ширина) зон крупных кристаллов. Наличие разных зон отражается на механических свойствах отливок (табл. 4).

Рассмотрено формирование зон крупных кристаллов от круговых прорезей в асбесте со стороны дна матрицы (реактивные силы) и торца пуансона