Punch pressing of solidifying castings of silumins

Full Text

Литьем с кристаллизацией под давлением (ЛКД), используя схему пуансонного прессования [1…3], изготовляют втулки, отливки типа стакана, заготовки корпусных деталей и поршней. При пуансонной схеме прессования расплав 3 (рисунок 1) свободно заливают в матрицу 2, смонтированную на столе гидравлического пресса, и затем под действием выступающей части пуансона 1 выдавливают вверх до полного заполнения рабочей полости пресс-формы. Отливка 5 затвердевает под давлением прессующего пуансона. Рисунок 1. Схема пуансонного прессования при ЛКД: а - перед внедрением пуансона; б - выдержка под давлением; 1 - пуансон; 2 - матрица; 3 - расплав; 4 - затвердевшая корка; 5 - отливка Особенностью схемы пуансонного прессования является то, что пуансон своей выступающей частью вначале соприкасается с расплавом 3 и вытесняет его выше уровня заливки. Пуансон не соприкасается с вертикальной коркой 4, образовавшейся до его внедрения в незатвердевший сплав. Таким образом, формообразование (оформление контуров) отливки 5 частично происходит при заливке расплава в матрицу и выдержке в ней до подхода пуансона, а заканчивается после внедрения последнего в расплав. Опыты проводили на отливках типа стакана с наружным диаметром 60 мм, высотой 60 мм и толщиной стенки 5, 10, 15 и 20 мм, изготовляемых из алюминия А7, алюминиевых сплавов АК7ч (АЛ9), АК12 (АЛ2) и АК18. Температуру формирующихся отливок измеряли термопарами типа КТХА-С (ГОСТ 23847-79) с наружным диаметром стальной оболочки 1,5 мм и незащищенным спаем (ХА-проволока диаметром 0,2 мм). На рисунке 2 приведена схема установки термопар в полости пресс-формы при изготовлении отливки толщиной 15 мм. Термопары 7 закрепляли в пуансоне 6, а термопару 4 - в кольце съемника 2 таким образом, чтобы они измеряли температуру в поперечном сечении вертикальной стенки формирующейся отливки в точках, отстоящих от рабочей поверхности матрицы 2 на расстояниях 3, 6, 9 и 12 мм (рисунок 2, а), или на разных уровнях по высоте (рисунок 2, б), но на одинаковом расстоянии (9 мм) от рабочей поверхности матрицы. Показания всех термопар и датчика давления (тензометрической месдозы, смонтированной в прессующем пуансоне) записывали на ленте светолучевого осциллографа НО 43.1 или компьютера в координатах «измеряемый параметр - время». Рисунок 2. Схемы установки термопар в полости пресс-формы: а - по высоте стенки; б - по поперечному сечению стенки; 1 - нижняя плита; 2 - матрица; 3 - кольцо съемника; 4, 7 - термопары; 5 - промежуточное кольцо; 6 - пуансон; 8 - толкатель Алюминий и сплавы на его основе переплавляли в графитошамотных тиглях вместимостью 0,9 кг, не дегазировали и не рафинировали. Непосредственно из тигля расплавы заливали в матрицу пресс-формы, установленную и закрепленную на столе гидравлического пресса Д2430Б с номинальным усилием 1 МН. Были приняты следующие режимы литья и прессования: температура заливки на 60…80°С превышала температуру ликвидус (кристаллизации) сплава; температура матрицы 60…120°С; температура пуансона 20…40° С; время выдержки расплава в матрице до внедрения пуансона 3…4 с; давление прессования 150±10 МПа; время прессования (выдержки под давлением) 1,0…1,5 с на 1 мм толщины стенки. Рабочие поверхности матрицы и пуансона смазывали минеральным маслом. Отливки затвердевали под нарастающим давлением. Анализ графиков охлаждения показал, что по высоте стенки отливки из сплава АК12 во время затвердевания имеет место температурный перепад от 40…50°С (в момент затвердевания в зоне, расположенной на расстоянии 22 мм от верхнего торца), до 140…150°С (для аналогичного момента времени в зоне, расположенной на расстоянии 45 мм от верхнего торца). К моменту извлечения отливки из матрицы перепад температур по высоте стенки снижается до 85°С. Время затвердевания стенки увеличивается при переходе от верхнего торца (5 мм от торца) к зоне теплового центра (45 мм от верхнего торца). Следовательно, вертикальная стенка затвердевает с определенным интервалом по времени (для отливки с толщиной стенки 15 мм из сплава АК12 он составляет 3 с). Как было показано выше, тепловой центр смещается к наиболее массивной зоне отливки - месту перехода от вертикальной стенки ко дну. И не исключено, что определенном соотношении между толщинами дна и вертикальной стенки в тепловом центре могут образоваться дефекты усадочного происхождения (усадочная пористость); последнее наиболее вероятно при недостаточном давлении прессования и нерациональных тепловых режимах литья. Изучение изменения температуры по сечению вертикальной корки показало, что имеет место довольно большой температурный перепад и по толщине стенки. Если в момент окончания формообразования отливки его величина мало изменяется в зависимости от толщины стенки (Хот) и состава сплава, находясь в пределах 30…40°С, то в момент окончания затвердевания он заметно повышается (таблица 1). При этом чем больше содержание кремния в силумине (при постоянной толщине стенки отливки) и толще стенка (при постоянном составе сплава), тем больше величина температурного перепада (dt) по толщине стенки. Поэтому при принятых режимах литья можно говорить о последовательном характере затвердевания отливок. Таблица 1 Температурные перепады (dt), время затвердевания (tз) отливок и значения коэффициентов затвердевания при росте корки со стороны матрицы и пуансона (К1, К2) Металл, сплав Хот, мм dt, °С tз, с К1/ К2, мм/с2 А7 10 110…118 5,0…5,2 0,205/ 1,033 АК7ч (АЛ9) 10 120…125 5,5…5,7 0,160/ 0,661 АК18 10 125…130 6,1…6,5 0,102/ 0,448 АК12 (АЛ2) 5 - - 0,625/ 0,625 10 120…125 5,7…6,0 0,170/ 0,580 15 130…135 6,7…7,1 0,170/ 0,420 20 150…153 8,0…8,3 0,170/ 0,320 С увеличением толщины стенки и содержания кремния в силуминах время затвердевания отливок возрастает (см. таблица 1), хотя и не очень значительно. Если увеличение времени затвердевания отливок с увеличением толщины стенки связано с общим ростом теплосодержания, то с повышением содержания кремния в силуминах происходит изменение теплофизических свойств сплава, главным образом, его теплоаккумулирующей способности. Кривые охлаждения позволили построить графики продвижения фронта затвердевания в формирующейся отливке как со стороны матрицы, так и со стороны пуансона. В общем случае это параболические зависимости типа: х = К t2 ; где: х - толщина корки, мм; К - коэффициент затвердевания, мм/с2, значения которого приведены в таблице 1; t - время, с. Из таблицы 1 видно, что значения коэффициента затвердевания при росте корки со стороны матрицы меньше, чем при росте ее со стороны пуансона. Изменение режимов литья и прессования (особенно температуры пресс-формы и температуры заливаемого расплава) может привести к некоторому изменению характера затвердевания отливки, включая перепады температур, время и коэффициент затвердевания отливки. Тепловой центр по сечению вертикальной стенки смещен к пуансону (при толщине стенки 10, 15 и 20 мм). У отливок с толщиной стенки 5 мм он расположен практически на одинаковом расстоянии от наружной и внутренней поверхностей. Исследование микроструктуры отливок показало, что 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) изменяется по толщине стенки (при переходе от наружной поверхности к внутренней). В верхних зонах стенки величина dп, как правило, меньше, чем в нижних; это различие достигает 10…15 мкм. Например, в отливках с толщиной стенки 5 мм в верхних зонах величина dп = 20 мкм, в нижних - 35 мкм (сплав АК7ч), а 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: 70…100 НВ (сплав АК7ч), 70…120 НВ (сплав АК12) и 105…140 НВ (сплав АК18). Прочностные и пластические характеристики отливок с толщиной стенки 10 мм 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 испытаний приведены в таблице 2. Таблица 2 Механические свойства отливок с толщиной стенки 10 мм (литое состояние) Сплав s0,2,МПа sв, МПа d, % АК7ч 55,2 183,4 8,6 АК12 50,6 206,7 4,5 АК18 67,0 165,1 1,4 Проанализирована удаленность места разрушения разрывных образцов от нижнего торца отливки. Известно [1], что при пуансоном прессовании возможно образование спаев, распространяющихся от наружной поверхности вглубь стенки отливки по уровню заливки расплава в матрицу пресс-формы. В проведенных опытах для отливок с толщиной стенки 10 мм этот уровень соответствовал 38±3 мм от дна матрицы (и, следовательно, от нижнего торца отливки), а толщина дна была 10±3 мм. Разрыв образцов происходил на следующем расстоянии от нижнего торца отливки: 23 мм (сплав АК7ч), 13 мм (сплав АК12) и 21 мм (сплав АК18). Видно, что разрыв происходил не по уровню заливки расплава в матрицу, что косвенно свидетельствует об отсутствии в них спаев, указанных выше. Выводы 1. Установлены закономерности затвердевания отливок из силуминов при пуансоном прессовании. Показано, что с увеличением толщины стенки от 5 до 20 мм возрастает время затвердевания отливок, что приводит к незначительному укрупнению структуры в целом и отдельных ее составляющих; 2. Даже при отсутствии дегазирующей и рафинирующей обработки расплава механические свойства отливок, прессованных при затвердевании, выше требований ГОСТ 1583-93.

About the authors

A. I Batyshev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Moscow

+7-495-683-9972

K. A Batyshev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Moscow

Email: konstbat@rambler.ru
konstbat@rambler.ru

L. Stancheck

Institute of materials and technology of the Slovak technical University, Bratislava, Slovak Republic

Email: ladislav.stancek@stuba.sk
ladislav.stancek@stuba.sk

A. A Smolkin

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Moscow

+7-495-683-9972

T. Y Shramko

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Moscow

+7-495-683-9972

References

Supplementary files