Батышев Константин Александрович исследование
| Вид материала | Исследование |
- Астрофизика Начало в 15. 15 в конф зале гаиш предс проф. Постнов Константин Александрович, 532.34kb.
- Константин Александрович телевизионные новости в массово-коммуникационном процессе:, 558.7kb.
- Киреев Константин Александрович, 235.13kb.
- Могилевский Константин Ильич, и сполнительный директор Фонда изучения наследия, 27.8kb.
- Михаил Михайлович Лаврентьев академик ран, президент Международного общественного фонда, 181.95kb.
- Новиков константин Александрович, 19.35kb.
- Бандин Артем Александрович Владимир Васильевич Макарчук Содержание курсовой работы:, 28.4kb.
- Беликов игорь Вячеславович, директор Российского института директоров гуляев, 206.79kb.
- Колесников Дмитрий Александрович исследование, 66.06kb.
- Программа для городов края кот и лиса, 32.65kb.
-
Зона отливки
рн, МПа
0,2, МПа
в, МПа
,%
Крупные кристаллы
150
117
173
19
300
143
182
27
Мелкие
кристаллы
150
122
208
27
300
144
214
28
(активные силы) и показано, что глубина проникновения этих зон внутрь отливки со стороны верхнего торца больше, чем со стороны нижнего, несмотря на то, что рост крупных кристаллов со стороны верхнего торца начинался на 4..5 с позже (из-за вынужденной выдержки между окончанием заливки и началом приложения давления). Способ защищен авторским свидетельством № 1588497 (СССР).
Таким образом, получены данные, свидетельствующие о возможности получения комбинированных структурных зонах в отливках с различными значениями механических свойств путем регулирования давления прессования, толщины теплоизоляционного покрытия и условий охлаждения отдельных частей (или зон) заготовки.
^ Пуансонное прессование. Металлографические исследования показали, что макроструктура отливок из алюминия А7 состоит из столбчатых кристаллов, вытянутых в направлении теплового потока – к внешней и внутренней сторонам стенки «стакана», разграниченных тепловым центром. При этом ширина кристаллов увеличивается с увеличением толщины стенки отливки (при прочих равных условиях).
Макроструктура отливок с Хот=10 и 15 мм из сплава АК7ч также характеризуется наличием столбчатых кристаллов, вытянутых к внешней и внутренней сторонам стенки «стакана», как и у алюминия А7. Тепловой центр в отливках с Хот=15 мм смещается к внутренней поверхности. В отливках с Хот=10 мм у внутренней поверхности стенки макрозерна в 3…4 раза тоньше, чем у внешней. В отливках с Хот=5 и 20 мм на всей высоте стенки в основном мелкие округлые макрозерна. Только в нижней части у внешней стенки отливки с Хот=5 мм наблюдаются крупные кристаллы, вытянутые в сторону матрицы. Тепловой центр в них располагается на равном расстоянии от вертикальных поверхностей. Во всех отливках из сплава АК7ч макроструктура донной части состоит в основном из крупных макрокристаллов.
В макроструктуру отливок из сплава АК12 со стороны внешних поверхностей просматривается корка, образовавшаяся до момента внедрения пуансона в расплав. Наибольшее влияние на равномерность структуры по сечению отливки оказывают температурные (tзал, tм) и временные (д) параметры. Так, при tм50оС и д3 с со стороны боковой поверхности и дна матрицы образуется корка значительной толщины ещё до момента внедрения пуансона в расплав, которая частично размывается расплавом, вытесняемым пуансоном.
В отливках из сплава АК18Н в макроструктуре также наблюдается корка с внешних и внутренних сторон стенки, лишь в отливке с Хот=20 мм она выражена нечетко. Структура центральной зоны однородна и мелкодисперсна, как и структура донной части отливки.
Микроструктура отливок типа стакана из сплавов АК7ч и АК12 состоит из дендритов -фазы и эвтектики (+Si), из сплава АК18Н – из КПК и эвтектики. Она изменяется (для одного и того же сплава) при увеличении толщины стенки и по высоте стенки одной и той же толщины. Так, расстояние между осями дендритов второго порядка dП возрастает от 30 до 40 мкм (сплав АК7ч) и от 25 до 32 мкм (сплав АК12) при увеличении толщины стенки от 5 до 20 мм, при этом величина dП незначительно (на 5 мкм) уменьшается по толщине стенки (при переходе от наружной к внутренней поверхности). В верхних зонах стенки величина dП, как правило, меньше, чем в нижних; это различие достигает 10…15 мкм. Например, в верхних зонах отливок с толщиной стенки 5 мм величина dП=20 мкм и в нижних – 35 мкм (сплав АК7ч), с толщиной стенки 20 мм – соответственно 25 и 40 мкм. В отливках из сплава АК12 это различие меньше: 25 мкм (верхние зоны) и 30 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 5 мм; 25 мкм (верхние зоны) и 35 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 20 мм.
Твердость отливок находится в пределах: НВ 70…100 (сплав АК7ч), 70…120 (сплав АК12), 105…140 (сплав АК18Н), 111...121 (сплав АК8М3ч), 111…126 (сплав ВАЛ10).
^ Таблица 5. Механические свойства отливок типа стакана, изготовленных
ЛКД при рн=150 (литое состояние)
| Металл, сплав | Хот, мм | 0,2, МПа | в, МПа | , % | Место разрыва образца, мм |
| А7 | 5 | 39,0 | 63,5 | 30,2 | 24 |
| 10 | 40,0 | 68,5 | 35,5 | 25 | |
| 20 | 47,0 | 65,0 | 35,6 | 29 | |
| АК7ч | 5 | 106,5 | 217,5 | 7,5 | 25 |
| 10 | 53,5 | 210 | 2,0 | 28 | |
| 15 | 86 | 200 | 2,6 | 25 | |
| 20 | 63 | 180 | 2,8 | 43 | |
| ГОСТ 1583 | - | 150 | 0,5 | - | |
| АК12 | 5 | 54,0 | 197,8 | 2,95 | 28 |
| 10 | 102,5 | 215,0 | 5,0 | 28 | |
| 15 | 65,5 | 220,0 | 9,0 | 26 | |
| 20 | 111,0 | 213,0 | 7,3 | 27 | |
| ГОСТ 1583 | - | 160 | 2,0 | - | |
| АК18Н | 5 | 47,5 | 145,5 | 4,0 | 21 |
| 10 | 114,5 | 170 | 0,6 | 21 |
Прочностные и пластические характеристики отливок определяли на нестандартных образцах, вырезанных из вертикальных стенок, и сохранивших с двух сторон литую поверхность; их размеры следующие: длина 55…60 мм, толщина 9…10 мм. Результаты их испытаний приведены в табл. 5.
Проанализирована удаленность места разрушения (разрыва) разрывных образцов от нижнего торца отливки. Выше отмечалось, что при пуансонном прессовании возможно образование спаев, распространяющихся от наружной поверхности в глубь стенки по уровню заливки расплава в матрицу. В проведенных опытах для отливок с толщиной стенки 10 мм этот уровень
соответствовал 382 мм от дна матрицы (и, следовательно, от нижнего торца отливки), толщина дна была 103 мм. Разрыв образцов происходил на следующем расстоянии от нижнего торца отливки: 24…29 (алюминий А7), 25…48 мм (сплав АК7ч), 26…28 мм (сплав АК12) и 21 мм (сплав АК18Н). Видно, что разрыв происходил не по уровню заливки расплава в матрицу, а ниже, что косвенно свидетельствует об отсутствии в них спаев, указанных выше.
Изучена эффективность теплосилового и модифицирующего (фосфоросодержащей лигатурой) воздействия на затвердевание, структуру и свойства отливок типа стакана из заэвтектического силумина А390. Установлено, что размеры кристаллов первичного кремния (КПК), которые формируются при ЛКД не модифицированных и модифицированных заэвтектических силуминов, существенно различаются и соответственно находятся в пределах 50…90 и 10…12 мкм.
Влияние теплосилового воздействия на прочностные свойства модифицированного заэвтектического силумина А390 представлено в табл. 6.
^ Таблица 6. - Прочность сплава А390 в отливках «стакан» в зависимости
от давления прессования и толщины стенки отливки
-
Хот, мм
в, МПа, при рн, МПа
90
180
260
5
184
220
195
10
169
212
209
15
158
186
225
При повышении давления прессования с 90 до 260 МПа в возрастает со 158…184 до 195…225 МПа. Однако, если при давлениях до 180 МПа с увеличением толщины стенки отливки в снижается, то при давлении 260 МПа он, наоборот, повышается. Такой характер изменения в обусловлен, вероятно, тем, что при рн180 МПа проявляется эффект теплосилового воздействия на интенсивность затвердевания в большей степени, чем увеличение толщины стенки отливки. При рн=260 МПа влияние скорости затвердевания на структурные параметры достигает предельного уровня и полнее проявляется эффект «пропрессовывания» затвердевающей отливки с большей толщиной стенки; они получаются более плотными и более прочными.
Твердость отливок из сплава А390 слабо зависит от толщины стенки, но последовательно возрастает на 2 и 6% (до НВ 148) при увеличении давления с 90 до 180 и 260 МПа соответственно.
Таким образом, усиленное внешнее теплосиловое воздействие на жидкий и кристаллизующийся заэвтектический силумин является эффективным фактором измельчения структуры и повышения механических свойств. Высокий уровень показателей структуры и свойств заэвтектических силуминов достигается при комплексной обработке, которая включает, наряду с усиленным теплосиловым воздействием, модифицирование фосфором.
Изучена возможность получения тиксотропной (сфероидизированной) структуры в отливках типа стакана и показана ее зависимость от интенсивности движения расплава в полости пресс-формы, которая, в свою очередь, зависит от конфигурации и размеров отливки.
^ Пуасонно-поршневое прессование. ЛКД позволяет получать высококачественные отливки. Однако в некоторых из них (особенно в отливках сложной конфигурации) возникают местные дефекты, влияющие на свойства литых деталей. Исследовано качество отливок типа стакана с ребрами и выступами во внутренней полости, полученных в условиях пуансонного прессования (наружная стенка) и пуансонно-поршневого прессования (внутренняя полость с ребрами и приливами) из алюминиевого сплава АК7ч. Расплав при температуре 7005С заливали в матрицу пресс-формы, имеющую температуру 150…180С и установленную на столе гидравлического пресса модели Д2430Б. Остальные параметры ЛКД были следующими: время выдержки расплава в матрице до приложения давления составляло 3…4 с и формирующейся отливки под давлением – 60…80 с; давление - 150 и 200 МПа.
Анализ полученных данных показал, что имеет место разброс свойств образцов, вырезанных из различных зон приливов. Установлено, что в изломе образцов, имеющих низкую прочность, выявлены дефекты газоусадочного происхождения довольно крупных размеров. Эти дефекты были двух типов: с блестящей поверхностью и со светлой незначительно шероховатой поверхностью (последние дефекты встречались чаще). На поверхности дефектов первого типа, когда на темном фоне оксида алюминия выявлены светлые области, микрохимический анализ позволил выявить широкий спектр элементов, не содержащихся в сплаве. Этот дефект являлся газовой раковиной экзогенного характера, образовавшейся во время вытеснения не затвердевшего сплава прессующим пуансоном (в его рабочую полость) при окончательном формообразовании отливки, так как в пуансоне не были предусмотрены газоотводные каналы.
Шероховатость поверхностей дефектов второго типа может быть объяснена присутствием преждевременно обнаженных дендритов. Одна часть поверхности раковины состоит только из дендритов -твердого раствора, вторая – из дендритов -твердого раствора, между которыми находятся тонкие пластинки эвтектического кремния. По-видимому, дефект возник из-за недостатка жидкого сплава во время затвердевания этой зоны отливки.
На некоторых поверхностях изломов образцов обнаружены кристаллы первичного кремния, что нехарактерно для доэвтектических силуминов. Это очень хрупкая структурная составляющая, разрушающаяся расщеплением еще перед разрушением самого образца, в результате чего снижается прочность сплава. Возникновение кристаллов первичного кремния, по-видимому, связано с возникновением местных зон высокого давления, вызванного явлениями кавитации, что приводит к сдвигу эвтектической точки в сторону кремния.
Способ ЛКД, несмотря на целый ряд преимуществ перед другими специальными способами литья, требует тщательного анализа структуры и механических свойств отливок, и особенно в тех случаях, когда имеются заметные различия в показателях механических свойств одной и той же отливки в различных зонах. Это в большей степени относится к отливкам, формирование которых происходит в условиях пуансонного и пуансонно-поршневого прессования, когда имеет место перемещение значительных масс не затвердевшего сплава прессующим пуансоном. Газовые раковины, образовавшиеся после захвата воздуха перемещаемым сплавом, не выделяются из формирующейся отливки и остаются в ее стенках. Любые способы вентиляции пресс-форм не способствуют полному устранению таких раковин, но выполнение газоотводных каналов является обязательным (особенно при пуансонно-поршневом прессовании).
Подпитка отдельных элементов отливок при ЛКД осуществляется за счет механического давления. Поэтому наличие усадочных раковин и пор в отдельных зонах отливок свидетельствует о том, что в этих зонах давление было недостаточным или неэффективным. Это вызывает необходимость изменения конструкции отливки или использования другой схемы прессования.
При прочих равных условиях, чем больше давление прессования, тем выше механические свойства отливок, полученных при пуансоном и пуансонно-поршневом прессовании.
В пятой главе рассмотрены вопросы, относящиеся к наследственности алюминиевых сплавов при ЛКД и разработке технологических процессов ЛКД для конкретных литых заготовок из высокопрочных, антифрикционных и деформируемых алюминиевых сплавов.
^ Наследственность алюминиевых сплавов. Изучено влияние трех последовательных циклов «переплав – затвердевание под давлением» при ЛКД силуминов (отливки – цилиндрические заготовки D=50 мм, Н=60…70 мм). Установлено, что после первого цикла достигнуты следующие показатели механических свойств (литое состояние): в=254,1 МПа и =16% (сплав АК12, рн=150 МПа); после второго цикла обработки механические свойства незначительно снизились (в=242,3 МПа; =10%), а после третьего цикла достигли в=226,4 МПа; =9%. Следовательно, неоднократное использование трех последовательных циклов, шихты их 100%-ного лома и отсутствия внепечной обработки расплава приводит к некоторому снижению механических свойств заготовок, полученных ЛКД. Это может быть объяснено загрязнением расплава при неоднократном переплаве без внепечной обработки и, как следствие. Несмотря на это даже после третьего цикла обработки механические свойства отливок были выше требований ГОСТ 1583-93 (в 150 МПа; 2%). Освежение шихты на 50% сплавом, не подвергшимся ЛКД, практические не отражается на прочностных характеристиках (в=240,7…241,5 МПа), но приводит к снижению пластичности от 10,8 до 5,8%.
Применение трех последовательных циклов «переплав – затвердевание под давлением» при пуансоном прессовании отливок типа стакана (D=60 мм, Н=60 мм, Хот=15 мм, рн=150 МПа) показало, что при переходе от цикла I к циклу III механические свойства изменяются следующим образом (литое состояние): в от 206,7 до 211,7 МПа (сплав АК7ч); от 183,4 до 199,1 МПа (сплав АК12); от 165, до 153,3 МПа (сплав АК18Н); а соответственно по сплавам – от 8,6 до 5,4; от 4,5 до 7,1 и от 1,4 до 0,7%. Выявлено заметное измельчение кристаллов первичного кремния в отливках из сплава АК18Н после третьего цикла обработки, при этом число крупных кристаллов первичного кремния уменьшилось почти в 2 раза.
^ ЛКД высокопрочных алюминиевых сплавов. Разработана и исследована технология ЛКД высокопрочных алюминиевых сплавов АЛ24П и АЛ9М применительно к литым деталям специального назначения. Разработаны конструкции пресс-форм и отработана технология изготовления ЛКД тонкостенных отливок «Колпак» и «Поршень». Определены рациональные технологические режимы ЛКД. Отливки «Колпак» имели следующие механические свойства (после термообработки по режиму Т7): 0,2=265…295 МПа; в=310…410 МПа; =4,6…12,6%, а отливки «Поршень» - 0,2=300…318 МПа; в=390…435 МПа; =10,6…16,3%. Опытно-промышленная партия этих отливок, изготовленных ЛКД, успешно выдержала стендовые и полевые испытания.
^ ЛКД деформируемых сплавов. Исследованы закономерности формирования отливок при ЛКД деформируемого алюминиевого сплава, близкого по составу к чистому алюминию и содержащему небольшие добавки никеля, титана и железа и используемого для деталей, изготовляемых листовой штамповкой. В качестве опытных отливок были выбраны заготовки типа небольшого сплошного цилиндра и стакана. Для изготовления отливок была спроектирована и изготовлена пресс-форма с неразъемной матрицей, чаще всего используемая в производственных условиях. Отработаны технологические режимы ЛКД деформируемого низколегированного алюминиевого сплава, обеспечивающие получение равноосной мелкозернистой структуры отливок, используемых в дальнейшем для изготовления деталей методом холодного выдавливания.
^ ЛКД антифрикционных сплавов. Разработана и исследована технология ЛКД антифрикционных алюминиевых сплавов АО3-7 и АК6М7 (последний без добавок и с добавками 1…10%Pb), используемых для изготовления литых деталей шестеренных насосов. Вначале на цилиндрических отливках диаметром 50 мм и высотой 40…105 мм были исследованы тепловые и силовые условия ЛКД, обеспечивающие получение плотных отливок с высокими механическими и служебными свойствами, включая коэффициент трения скольжения в системе «вал – втулка».
Изучены ликвационные процессы в отливках и показано, что при ЛКД и олово, и свинец, содержащиеся в алюминиевых сплавах, склонны к обратной ликвации и к ликвации по плотности. Оптимизированы составы сплавов по содержанию свинца. Заливка расплава при температуре 750оС приводит к получению неравномерной структуры по высоте отливки. Поэтому при поршневом прессовании рекомендуется иметь tзал=720…740оС, а остальные режимы ЛКД поддерживать в следующих пределах: tм=200…220оС; рн=150…200 МПа; д=3.
^ ЛКД «втулок». Втулки шестеренного насоса типа НШ-32У изготовляются из антифрикционного алюминиевого сплава АО3-7 ГОСТ 14113-78. Этот сплав предназначен для монометаллических подшипников скольжения (втулки, вкладыши и др.), работающих на трение в условиях смазки. К сплаву АО3-7 предъявляются следующие требования по механическим свойствам: в170 МПа и НВ 75…117; при этом в определяют на специально отлитых образцах, а твердость – на широком торце втулки после термообработки по режиму Т1.
Разработаны чертежи отливок «Втулка» для ЛКД в одноместной и двухместной пресс-формах. Для исследования технологии ЛКД использованы пуансонно-поршневое и поршневое прессование. Отливки изготовляли при следующих режимах ЛКД: tзал=680…980оС; tм=100…220оС; рн=100…220 МПа; д=2…6 с; п=10…12 с.
При пуансонно-поршневом прессовании окончательное формообразование отливки при внедрении прессующего пуансона в расплав, когда часть незатвердевшего сплава вытесняется пуансоном выше уровня заливки в полость, образованную пуансоном и стержнем, выполняющим отверстие в отливке. В большинстве отливок, изготовленных с использованием этой схемы прессования, в той или иной степени развития обнаружены обратная ликвация неоднородность строения по сечению отливки. В тонкой части, оформляемой вытесненным при формообразовании отливки расплавом, выявлена зональная ликвация. Основной составляющей ликвата являлись оксидные плены типа Al2O3 и более сложного состава, а также олово. Изменение рн, tзал и tм в исследованных пределах не позволили добиться полного устранения неоднородности строения по высоте втулки, но дало возможность наметить пути локализации и снижения ликвации. Это снижение tзал и повышение tм.
При использовании поршневого прессования тонкая часть отливки «Втулка» располагалась внизу и могла затвердеть до начала приложение давления, поэтому стремились проводить опыты при д до 3…4 с. Опыты проводили при следующих режимах ЛКД: tзал=720…850оС; tм=120…220оС; рн=150…200 МПа; д=3…4 с; п=10…12 с.
Изучение макроструктуры отливок показало, что зональная ликвация отсутствовала, а структура отливок укрупнялась с повышением температуры заливки. Заливка расплава при температуре 750оС приводила к получению неравномерной структуры по высоте отливки. Поэтому при поршневом прессовании рекомендуется иметь tзал=720…740оС, а остальные режимы ЛКД поддерживать в следующих пределах: tм=200…220оС; рн=150…200 МПа; д=3…4 с; п=10 с. Процесс ЛКД внедрен в производство ОАО «Гидромаш» (Московская обл.)..
Сравнительные данные о расходе алюминиевого сплава АО3-7 на «Втулку» при литье в кокиль и ЛКД приведены в табл. 1. Ее анализ показывает, что переход с литья в кокиль на ЛКД позволяет уменьшить массу отливки (при ЛКД в одноместную пресс-форму) на 0,055 кг, полностью устранить литники и прибыли и сэкономить на одной заготовке еще 0,11 кг.