Исследование тепловых и силовых условий литья с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов с целью производства высококачественных отливок ответственного назначения (23.11.2009)

Автор: Батышев Константин Александрович

Изучено влияние масштабного фактора (приведенного размера) на время затвердевания цилиндрических отливок при давлении 50…200 МПа и установлено, что с увеличением приведенного радиуса Rпр (при постоянном диаметре) это время возрастает по линейной зависимости:

(з=КпрRпр, (2)

где Кпр – коэффициент, с/мм. При этом время существования двухфазной зоны возрастает с увеличением приведенного размера отливки.

Продвижение фронта затвердевания от боковой поверхности к центральной зоне (рис. 3) математически можно выразить в виде:

х/Rо=К (n, (3)

где х – корка, растущая от стороны боковой поверхности матрицы, мм; R – радиус отливки, мм; Ко – коэффициент, 1/сn; ( - время с момента окончания заливки расплава в матрицу, с..

Для отливок из сплавов системы Al-Si зависимость (3) имеет вид (при рн=200 МПа):

х/R = 0, 0261(1,78 при коэффициенте корреляции 0,994 (сплав АК12);

х/R = 0,0253 (1,88 при коэффициенте корреляции 0,998 (cплав Аl-7%Si);

х/R = 0,0264 (1,76 при коэффициенте корреляции 0,993 (сплав Al-25%Si);

х/R = 0,0257 (1,93 при коэффициенте корреляции 0,997 (алюминий А7).

Видно, что коэффициент Ко зависит от состава сплава и давления прессования: Ко увеличивается с уменьшением степени легированности сплава и повышением давления прессования. Следует отметить, что давление выравнивает значения коэффициента Кб отливки из сплавов разного состава

Для алюминия А7 и всех исследованных сплавов зависимость (3) с достаточной степенью достоверности можно представить в виде:

х/R = К (2 (4)

Формулу (4) можно записать в виде (5) и использовать для расчетов:

х = К(2 (5)

С увеличением давления прессования сокращается время существования двухфазной зоны (см. рис. 3), что приводит к последовательному затвердеванию отливок из сплавов с узким интервалом кристаллизации и к последовательно-объемному – из сплавов с широким интервалом кристаллизации. Так, при затвердевании отливок из сплава Al-6%Si (узкий интервал кристаллизации) под атмосферным давлением стояние температуры ликвидус в центральной зоне прекращается через 14 с после окончания заливки, а температуры солидус (эвтектики) - через 35 с, т.е. двухфазная зона в отливки сохраняется в течение 21 с. При давлении 300 МПа указанные временные промежутки уменьшаются соответственно до 6 и 12 с (двухфазная зона в отливке существует в течение 6 с). Для отливок из сплава Al-25%Si (интервал кристаллизации (30оС), затвердевающих в условиях атмосферного давления, время охлаждения теплового центра до температуры ликвидус составляет 10 с и до температуры солидус (эвтектики) – 40 с, время существования двухфазной зоны – 30 с, а в условиях механического давления в 300 МПа – соответственно 5 и 10 с (время существования двухфазной зоны – 5 с).

Модифицирование силуминов, содержащих 11…17%Si, лигатурой AlTi5B1 (для воздействия на (-фазу) приводит к повышению коэффициента К и уменьшению времени затвердевания отливки. Так, для отливок из сплава Al-17%Si, затвердевающих под атмосферным давлением, коэффициент К=0,011 мм/с2 (без модифицирования) и 0,2 и 0,277 мм/с2 при введении 0,2 и 0,5%Тi, а при затвердевании под давлением 160 МПа - К=0,152; 0,211 и 0,277 мм/с2 соответственно. Аналогичная картина наблюдается и при сравнении затвердевания отливок из сплавов АК7ч и А356.2, отличающихся друг от друга главным образом содержанием модификатора (стронция).

С использованием теории контактного теплообмена и метода графического интегрирования рассчитаны значения коэффициента теплоотдачи (1 между формирующейся отливкой и пресс-формой. К моменту окончания заливки расплава в матрицу (1=30000…32000 Вт/(м2 К). Если формирование отливки в дальнейшем происходит в условиях атмосферного давления, то коэффициент (1 непрерывно снижается, чему способствует образование зазора между отливкой и формой (матрицей пресс-формы), в результате чего к моменту окончания затвердевания отливки величина (1 достигает 7500…7700 Вт/(м2 К). В момент приложения давления снижение (1 прекращается и затем (пропорционально росту давления) повышается до определенной величины, характерной для каждого номинального давления рн, после чего практически остается без изменения на достигнутом уровне до окончания затвердевания отливки. Изменение величины коэффициента (1 для отливок (рн=200 МПа) из алюминия А7, сплавов АК7ч, АК12 и АК18Н во время затвердевания приведено на рис. 4, где по оси абсцисс отложено относительное время затвердевания - (/(з. Видно, что отливки из сплавов АК18Н (кривая 1) и АК12 (кривая 2) более длительное время затвердевают в условиях повышенной интенсивности охлаждения, чем отливки из алюминия А7 (кривая 4) и сплава АК7ч (кривая 3), так как они имеют разные теплофизические характеристики. Величина критерия Био для отливок из указанных сплавов находится в пределах Вi = 1,7…9 при заливке с перегревом над температурой кристаллизации (ликвидус) 80…100оС и повышении давления от атмосферного до 300 МПа.

Рисунок 3. - Изменение коэффициента теплоотдачи во время затвердевания

отливок:1, 2, 3, 4 – сплавы АК18Н, АК12, АК7ч и алюминий А7 соответственно (рн=200 МПа); 5 – все сплавы (атмосферное давление)

Для изучения процесса затвердевания отливки со стороны пуансона разработана и впервые использована методика, основанная на отрыве растущей корки, образовавшейся со стороны торца пуансона, от не затвердевшего сплава, остающегося в матрице. В матрицу пресс-формы, изолированную со стороны рабочей полости слоем теплоизоляционного покрытия (листовым асбестом толщиной 3…5 мм), препятствующим быстрому росту корки со стороны дна и стенок матрицы, заливали расплав, на который воздействовали прессующим пуансоном, торец которого не был защищен теплоизоляционным покрытием. После выдержки под давлением в течение заданного промежутка времени пуансон поднимали в исходное положение, вместе с ним извлекали и твердую «корку», образовавшуюся со стороны его торца и оторвавшуюся от не затвердевшего остатка, остававшегося в полости матрицы. После охлаждения до комнатной температуры толщину «корки» измеряли штангенциркулем в нескольких местах по периметру.

Математическая обработка (метод наименьших квадратов) полученных при этом кривых роста «корки» (рис. 4,а) позволила установить следующую зависимость толщины корки хк от времени прессования (п, которую часто называют «законом квадратного корня»:

где Кк – коэффициент затвердевания, величина которого находится в пределах 5…8 мм/с0,5 (при этом наибольшие значения Кк характерны для алюминия А7, а наименьшие – для сплава АК12, что связано с различием их теплофизических характеристик). Для одного и того же сплава значения коэффициента затвердевания тем больше, чем больше давление прессования.

Рисунок 4. - Характер роста корки во времени:

а – алюминий А7 (1), сплавы АК7ч (2) и АК12 (3) при рн=150 МПа;

б – сплав АК12 при рн=200 (4), 150 (5), 100 (6) и 10 МПа (7)

Анализ кривых охлаждения «корок» (по показаниям термопар, установленных на расстояниях 1; 5 и 10 мм от торца пуансона), показал, что с повышением давления прессования улучшается контакт между торцом пуансона и «коркой», в результате чего температура поверхностного слоя корки (на глубине 1 мм) резко снижается и стабилизируется на уровне 540…530(С (давление 10 МПа, сплав АК12) и 475…450(С (давление 200 МПа), градиент температур по толщине корки при указанных выше значениях давления составляет 7 и 15(С/мм. Время затвердевания слоев на глубине 1; 5 и 10 мм уменьшается от 1,3…1,5; 5…6 и 10…12 с (давление 10 МПа) до 0,5…0,6; 2.2…3 и 5,5…6 с (давление 200 МПа) соответственно. Зависимость между временем затвердевания «корки» и давлением преимущественно линейная. Изменение толщины «корки» во времени представлен на рис. 4,б, а значения коэффициента затвердевания находятся в пределах К = 3,5…4,5 мм/с0,5

Для тепловых процессов, протекающих при формировании «корки» (плоская стенка), толщину корки определяют из следующего выражения:

где (м, Lм, см – плотность, теплота кристаллизации и теплоёмкость твёрдого металла соответственно, tкр – температура кристаллизации металла;

tп – температура поверхности корки; ( - время.

Расчет Кр по формуле (7) позволил получить следующие его значения – 3,8…7,6 мм/с0,5 (сплав АК12), которые близки к результатам опытов (3,8…6,6 мм/с0,5), рассмотренных выше; при этом небольшое различие в значениях расчетного Кр и экспериментального Кк коэффициентов затвердевания наблюдается при высоких давлениях.

Пуансонное прессование (рис. 1,б). При пуансонном прессовании дозу расплава заливают в матрицу пресс-формы и затем выступающей частью пуансона выдавливают вверх до полного заполнения рабочей полости пресс-формы. Особенностью этой схемы ЛКД является то, что пуансон вначале соприкасается с расплавом, удаленным от вертикальных стенок матрицы, и вытесняет его выше уровня заливки, заполняя рабочую полость, оформляемую матрицей и выступающей частью пуансона. При этом коэффициент формообразования Кф, являющийся отношением объема расплава Vф, вытесненного пуансоном во время формообразования отливки, ко всему объему отливки Vот, может изменять в следующих пределах Кф=0,1…0,9.

После окончания формообразования давление пуансоном передается либо только на внутреннюю поверхность отливки, либо на внутреннюю поверхность и верхний торец отливки, либо на внутреннюю поверхность и не на весь верхний торец отливки. Последняя схема (рис. 1,б) была принята при проведении опытов.

Проанализированы гидродинамические режимы ЛКД с учетом неразрывности струи и установлено, что скорость движения расплава в рабочей полости пресс-формы подчиняется следующей закономерности:

vф=vп/[(D-d)2 - 1], (8)

где vп – скорость внедрения пуансона в расплав.

Ее анализ показал, что увеличение толщины стенки (при постоянном наружном диаметре) от 5 до 20 мм (в 4 раза) приводит к снижению скорости vф в 10 раз. Это отражается на качестве отливок. Небольшая скорость опускания пуансона в полости пресс-формы удлиняет время формообразования отливки и иногда приводит к недоливам (особенно при температуре матрицы ниже 50оС и толщине стенки отливки мене 5 мм). Кроме того, при низкой температуре пресс-формы возможно образование спая, распространяющегося в глубь стенки на уровне заливки расплава в матрицу, что наиболее вероятно в тонкостенных отливках.

Впервые проведенные исследования тепловых условий формирования отливок типа стакана (наружный диаметр 60 мм, высота 60 мм, толщина стенки 5; 10; 15 и 20 мм) с установкой термопар в различных точках по высоте и толщине вертикальной стенки, показали, что затвердевание протекает при наличии определенного температурного перепада по высоте, связанного как с тепловыми, так и силовыми условиями формирования отливки. Время затвердевания зон отливки увеличивается при переходе от верхнего торца к нижнему, при этом тепловой центр смещается к зоне сопряжения вертикальной стенки и донной части отливки. Это следует учитывать при разработке конструкции отливки и деталей пресс-формы с целью получения качественных заготовок (без усадочных раковин и пор).

Изучение изменения температуры в поперечном сечении вертикальной стенки, равноудаленном от торцов, позволило выявить наличие определенного температурного перепада в указанном сечении, величина которого составляет 25…85(С в момент окончания формообразования отливки и 60…150(С – в момент окончания затвердевания теплового центра. Это свидетельствует о последовательном (иногда последовательно-объемном) характере затвердевания вертикальной стенки. Тепловой центр отливки смещается к прессующему пуансону (при прочих равных условиях).


загрузка...