Получение качественного алюминиевого литья с использованием избыточного давлением
Шифр мероприятия - МК-44-90
Получение качественного алюминиевого литья с использованием избыточного давлением
А.Г. Меркушев, М.В. Быстров
ОАО “Уральский научно-исследовательский технологический институт”, Свердловская обл., г. Екатеринбург, Россия.
Технический прогресс в машиностроении выдвигает все более жесткие требования к качеству литых изделий. В ряде случаев эти требования оказываются настолько высокими, что обычные методы изготовления отливок путем заливки форм под действием силы тяжести при атмосферном давлении не в состоянии обеспечить получение отливок необходимого качества.
В настоящее время, проверено на практике и освоено множество прогрессивных методов литья, обеспечивающих получение отливок высокой точности.
Огромное значение имеет разработка и исследование методов литья с использованием физического воздействия на жидкий металл в процессе его заливки и формирования отливок в полости литейной формы.
ОАО “Урал НИТИ” с 1970 года занимается изучением и совершенствованием таких перспективных технологических процессов изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов как:
· Литье под низким давлением в атмосферных условиях;
· Литье под низким давлением в вакуумированную форму;
· Литье с противодавлением;
· Литье вакуумным всасыванием.
Все перечисленные технологические процессы являются родственными между собой, так как их объединяет наличие перепада давления, создаваемого воздухом или инертным газом, между поверхностью жидкого металла в тигле и полостью литейной формы. Вследствие этого, жидкий металл вытесняется из тигля и через металлопровод поднимается вверх, заполняя полость литейной формы.
Создание перепада давления значительно большего, чем требуется для заполнения формы, создает избыточное давление на поверхность жидкого металла в тигле, что позволяет значительно улучшить питание отливки во время ее кристаллизации. В конечном счете это приводит к повышению плотности отливок (1 балл по шкале ВИАМ) и улучшению их механических свойств.
Не смотря на общность этих способов литья все они отличаются друг от друга величиной избыточного давления, воздействующего на жидкий металл в период кристаллизации отливки.
1. Литье под низким давлением в атмосферных условиях.
Сущность процесса в том, что на жидкий металл, находящийся в герметичном тигле, воздействует избыточное давление, под воздействием которого металл по металлопроводу поднимается вверх и заполняет форму. После необходимого выдерживания для кристаллизации давление сбрасывается, жидкий расплав сливается обратно в тигель, производится раскрытие формы и извлекается отливка. При этом способе герметизируется только тигель с жидким металлом. Воздух из формы выходит через толкатели и по разъему формы. Схема процесса показана на рис.1.
Рис.1. Схема процесса литья под низким давлением.а). начало процесса, Р1=1атм.
б). заполнение формы, Р2>1атм. 1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя половина формы, 5- верхняя половина формы.
2. Литье под низким давлением в вакуумированную форму.
При этом способе, как форма, так и тигель с жидким металлом
загерметизированы. Сущность этого процесса в том, что перед заливкой формы металлом из полости кожуха, где находится литейная форма, и пространства над Рис.2. литье в вакуумированную форму.
а). начало литейного процесса, Р1<1атм.
б). заполнение формы, Р2-Р1, Р2<1атм
1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя половина, 5- верхняя половина формы, 6- кожух.
поверхностью жидкого металла отсасывается воздух и создается одинаковое разряжение. Затем над поверхностью металла создается избыточное давление и жидкий металл заполняет форму. Процесс аналогичен литью под низким давлением, но при литье в вакуумированную форму можно создать избыточное давление в период затвердевания отливки в пределах 1,2 – 1,6 атм. Схема представлена на рис. 2.
3. Литье с противодавлением.
Загерметизированы форма и тигель с жидким металлом. Сущность этого процесса в том, что в полости тигля, под уровнем жидкого металла, создается избыточное давление, под воздействием которого металл по металлопроводу поднимается в форму. После заполнения в полость тигля и кожух автоматически подается одинаковая величина избыточного давления, которое воздействует на отливку в период ее затвердевания.
Рис.3. Схема процесса литья с противодавлением.
а). начало литейного процесса, Р1=4-10атм.
б). Заполнение формы, 1<Р1-Р2>0, Р2>1атм.
1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя половина, 5- верхняя половина формы, 6- кожух.
Перепад давления меньше чем при низком давлении. Но если отливка имеет утолщенные места сверху и снизу, соединенные между собой стенкой, которая быстро «перемерзает», то этот способ дает возможность создать избыточное давление на отливку в верхней части формы, необходимое для получения качественной отливки. Схема на рис.3.
4. Литье методом вакуумного всасывания.
При этом методе не требуется герметизация тигля, а требуется лишь герметизация кожуха (литейной формы).
Сущность процесса в том, что в герметичном кожухе, в котором находится литейная форма, создается разрежение, за счет которого жидкий металл поднимается по металлопроводу вверх и заполняет полость литейной формы. Схема процесса приведена на рис. 4.
Рис.4. Схема литья методом вакуумного всасывания.
а). начало процесса, Р1=1атм.
б). заполнение формы, Р1-Р2, Р2<1атм.
Не смотря на то, что указанные способы литья позволяют полностью автоматизировать процесс изготовления отливок и дают возможность получать отливки повышенного качества, широкого распространения в нашей стране они не получили. Это связано, с одной стороны, с отсутствием оборудования, а с другой, обусловлено тем, что нет четких результатов о преимуществах того или иного способа с точки зрения получения качественных заготовок различной конфигурации.
Для проведения сравнительных испытаний последовательно изготавливались отливки в виде плиты 200х200х25мм. каждым из указанных способов. Исследование проводили на сплаве АК12, при одинаковых температурах расплава (680 град.) и формы (200 град.). Заполнение форм проводилось при одинаковых параметрах (перепад давления и скорость нарастания давления). Таким образом, разница в результатах получалась только за счет разницы в технологической схеме изготовления отливок. Для проведения экспериментов была использована литейная машина ВИД-13, на которой можно произвести все необходимые исследования. Результаты механических испытаний приведены в таблице №1.
Таблица №1
| Способ литья | Номер образца | Предел прочности на разрыв, кгс/мм2 | Предел текучести, кгс/мм2 | Относительное удлинение, % | |
| Значения | Среднее | ||||
| Низкое давление | 11 | 22,9 | 22,2 | 15 | 7,5 |
| 12 | 21,2 | ||||
| 13 | 22,4 | ||||
| 14 | 22,3 | ||||
| Низкое давление с избыт. 0,4 атм | 21 | 23,7 | 22,05 | 15,8 | 7 |
| 22 | 21,1 | ||||
| 23 | 20,8 | ||||
| 24 | 22,6 | ||||
| Противодавлением | 31 | 24,5 | 23,5 | 15,5 | 7,3 |
| 32 | 22,2 | ||||
| 33 | 24,3 | ||||
| 34 | 22,9 | ||||
| Вакуумированная форма | 41 | 25 | 23,3 | 16 | 6,9 |
| 42 | 22,5 | ||||
| 43 | 23,8 | ||||
| 44 | 22 | ||||
| Ваккумное всасывание с избыт. 0,4 атм. | 51 | 26 | 24,6 | 15,3 | 7,2 |
| 52 | 23,5 | ||||
| 53 | 24,7 | ||||
| 54 | 24 | ||||
| Вакуумное всасывание | 61 | 24,4 | 23,1 | 15,2 | 7,1 |
| 62 | 22,7 | ||||
| 63 | 23 | ||||
| 64 | 22,4 | ||||
По результатам испытаний можно сделать следующие выводы:
· Избыточное давление 0,4 атм. приводит повышению механических свойств, при всех исследуемых способах литья;
· Самые высокие значения предела прочности получены при литье вакуумным всасыванием (24,6 кгс/мм2), при литье противодавлением, в вакуумированную форму и ЛНД соответственно 23,5; 23,3; 22,5 кгс/мм2;
· Значение предела текучести незначительно отличается для всех рассматриваемых видов литья и находится в пределах 15-16 кгс/мм2;
· Относительное удлинение для всех видов литья повышенное и находится в пределах 6,9-7,5%;
· При литье в вакуумированную форму и при литье вакуумным всасыванием заполняемость лучше, чем при литье под низким давлением и с противодавлением.