Полный текст

Введение Повышение качества отливок является важной задачей, так как большое число заготовок в машиностроении, авиа- и ракетостроении, добывающей отрасли получают литьем. Соответственно, чем качественней и надежней заготовка, тем качественней и надежней будет полученная деталь, тем дольше она будет эксплуатироваться и тем конкурентоспособней будет собранное изделие. Помимо этого, нужно учитывать комплекс экономических и экологических выгод, связанных с отсутствием необходимости исправления дефектов и переплавки брака. Получение плотной мелкозернистой отливки Получение отливки с надлежащими эксплуатационными свойствами - задача комплексная. Зачастую требованиям качества будет удовлетворять плотная отливка с мелкозернистой структурой [1-3]. Методы получения таких отливок включают комплексное воздействие на структуру металла, например модифицированием, увеличением скорости охлаждения частей отливки и обеспечением питания на протяжении всего этапа затвердевания (рис. 1). Измельчение структуры за счет увеличения скорости охлаждения достигается благодаря полной или частичной замене материала формы на материал с большей теплопроводностью. Вместо песчаной формы могут использоваться металлические, как постоянные - кокили [4], так и разовые формы - магнитная формовка при литье по газифицируемым моделям [5]. Измельчение структуры, по сравнению с литьем в разовые песчаные формы, весьма значительное, например в работе Sonne, Frandsen, Hattel [6] получено увеличение количества углеродных включений в ковком чугуне с 17 до 159 на мм2. Однако сами кокили достаточно дороги, в полученных в них отливках возникают большие напряжения, по сравнению с песчаной формой [7]. Зачастую нецелесообразно выполнять форму полностью металлической, достаточно расположить небольшой теплоемкий элемент в нужной ее части [8], чтобы снять перегрев с расплава и ускорить его затвердевание. Такой элемент называют холодильником [9, 10]. Захолаживание можно произвести несколькими путями: установкой наружных холодильников - элементов формы [11], внутренних удаляемых холодильников (при последующей механической обработке при получении отверстия), внутренних расплавляемых холодильников и холодильников, армирующих отливку [12, 13]. Основными недостатками наружных холодильников являются: повышенная трудоемкость выбивки, связанная со сбором холодильников; возможность образования конденсата на них, что приведет к насыщению расплава газами; возможность применения таких холодильников только для охлаждения поверхности его контакта с отливкой, а не всего объема охлаждаемой части. Внутренние удаляемые холодильники повышают трудоемкость последующей механической обработки, также их использование для отверстий больших размеров нерентабельно. Плавкие холодильники требуется изготовить из того же материала, что и отливка, к тому же при их переплавке возможно образование оксидных плен и засоров, если холодильники не были должным образом подготовлены [9, 14]. Однако плавкие холодильники можно использовать как своего рода модификатор - при расплавлении материала холодильника Рис. 1. Способы получения плотной мелкозернистой отливки создаются дополнительные центры кристаллизации, и они потоком расплава распределяются по объему отливки [15, 16]. Измельчение структуры возможно также при помощи введения модификаторов [17] и инокуляторов [16]. Эти способы широко применяются, но далее в этой работе рассматриваться не будут. Плотную отливку можно получить только в случае полного вывода усадочной раковины в специальный технологический прилив, называемый прибыльной частью или просто прибылью. Для этого требуется, во-первых, технологично расположить отливку в форме (вышележащая часть отливки должна служить прибылью для нижележащей), установить прибыльные части в местах выхода усадочных раковин, обеспечить должный объем прибылей и достаточно долгое время их действия - прибыль должна остывать последней. Для расчета размеров прибылей существует ряд методик, основанных как на теоретических положениях, так и на практическом опыте; большинство методик основаны на вычислении предполагаемого объема усадочной раковины. Но наибольшее распространение на практике получил метод Пржыбыла [18-22], позволяющего определить как минимально необходимый объем прибылей, так и геометрические размеры прибыли. Кроме того, существуют методики, в основе которых лежит формула определения минимального объема прибыли Пржыбыла, но с отличными от нее соотношениями для определения геометрических размеров прибыли, например метод выкатываемых окружностей [23, 24]. Помимо этого, теоретически может быть рассчитан и профиль усадочной раковины, что может быть полезным при корректировке размеров прибылей [25, 26]. В литейном производстве затвердевание отливки возможно по одному из двух принципов - одновременного и направленного затвердевания. Одновременное затвердевание всех частей отливки позволяет снизить величину напряжений, возникающих в ней при затвердевании, также в этом случае не возникает концентрированной и ярко выраженной усадочной раковины, а наблюдается только рассеянная усадочная пористость. Такой принцип подходит для сплавов с незначительной усадкой или для сплавов с предусадочным расширением [27]. Плотную отливку, особенно из сплавов со значительной усадкой, можно получить только при направленном затвердевании - принципе, при котором затвердевание происходит последовательно, от тонких элементов к более толстым, что позволяет полностью питать отливку на протяжении всего периода затвердевания и полностью вывести усадочную раковину в прибыль [9, 18]. Проанализировав вышесказанное, можно сделать вывод, что установка холодильника в форму позволит реализовать сразу несколько способов улучшения качества отливки: направленное затвердевание, измельчение структуры, обеспечив большую скорость охлаждения. Важными частями отливки часто являются зоны вокруг отверстий, оформляемых стержнем. Установка дополнительного теплопоглощающего и теплоотводящего элемента в стержень может увеличить качество этой зоны. В работе [28] исследовано влияние такой вставки на время затвердевания цилиндрической отливки, однако не рассматривалась методика расчета требуемого объема. Материалы и методы исследования Исследование проводилось в программном комплексе ProCAST на кольцевой отливке из сплава АК12 (AlSi12a в стандартной базе материалов). Данный программный комплекс хорошо себя зарекомендовал как при моделировании технологических процессов, так и в лабораторных исследованиях. Модели системы приведены на рис. 2 и состоят из отливки в виде полого цилиндра 1, песчаной облицовки 2 и металлической вставки 3 (см. рис. 2, а), из отливки и цельного песчаного стержня 4 (см. рис. 2, б), отливки и полого оболочкового стержня (см. рис. 2, в). В скобках указан номер эксперимента. Для проведения исследований использовалась одна и та же 3D-модель при одинаковых условиях, но в каждом эксперименте задавались различные материалы центральной вставки и, соответственно, различные коэффициенты передачи тепла. Для того чтобы исключить влияние процесса заливки, форма принималась сразу полностью заполненной расплавом температурой 700 °С. Температура формы, стержней и окружающей среды была принята равной 20 °С. а б в Рис. 2. Схемы исследуемых систем: 1 - отливка; 2 - песчаный стержень-облицовка; 3 - металлическая вставка (I - чугун; II - медь); 4 - песчаный стержень (III); 5 - воздушная полость (IV) В работе [28] показана наибольшая эффективность чугунной вставки в стержень. Объем вставки, служащей для захолаживания отливки, может быть найден исходя из массы холодильников, необходимой для отвода теплоты перегрева. Для этого составляется уравнение теплового баланса [12]: где cо и cх - удельные теплоемкости теплового узла отливки и холодильника соответственно, кДж/(кг·°С); mо и mх - массы теплового узла отливки и холодильника соответственно, кг; Tзал, Tл - температуры заливки и ликвидуса сплава соответственно, °С; Tк.х, Tн.х - конечная и начальная температуры холодильника, °С; Sэф - эффективная теплота кристаллизации материала отливки, кДж/кг. Отсюда масса холодильника Для данной отливки cо = 838 кДж/(кг·°С); cх = 460 кДж/(кг·°С); Sэф = 393 кДж/кг; Tзал = 700 °С, Tл = 580 °С [29], Tк.х = 570 °С, Tн.х = 20 °С; mо = 0,407 кг. Масса чугунного холодильника получается равной 0,162 кг. Исходя из полученных массовых характеристик в качестве захолаживающего элемента применяется чугунный стержень диаметром 24 мм и высотой 50 мм. Расчет медной вставки проводится аналогично. Объем и масса песчаного стержня, как правило, не рассчитываются с точки зрения теплоаккумулирующей способности. Размеры и конфигурация песчаных стержней определяются конфигурацией отверстия в отливке и регламентируются ГОСТ 3213-92 [12]. Толщина стенок полых стержней определяется их конструктивной прочностью [30]. Результаты исследования и обсуждение Рассмотрим процесс затвердевания получившейся системы. Затвердевание системы со стержнем с чугунной вставкой показан на рис. 3. Тепло эффективно поглощается на всем протяжении затвердевания. С помощью цветовой шкалы (см. рис. 3, а) можно проследить, что при 24 % твердой фазы в расплаве металлическая вставка все еще холодная (см. рис. 3, б), прогревается до 200-300 °С при 80 % твердой фазы (см. рис. 3, в) и температура вставки немного превышает 300 °С при полном затвердевании отливки (см. рис. 3, г). У песчаной оболочки сильно прогрета только часть, непосредственно контактирующая с отливкой. Песчаный стержень прогревается значительно сильнее. С помощью цветовой шкалы (рис. 4, а) можно проследить, что при 24 % твердой фазы стержень прогрет, температура в центре свыше 100 °С (рис. 4, б), при 80 % температура в центре 380-420 °С (рис. 4, в) и при полном затвердевании внутренняя часть стержня прогрета свыше 400 °С, а поверхность, контактирующая с отливкой, имеет температуру последней свыше 500 °С. При сравнении видно, что песчаный стержень прогрет сильнее, чем стержень с металлической вставкой; также поля температур у внешней поверхности стержня обладают меньшей кривизной и меньшим шагом при использовании чугунной вставки. а б в г Рис. 3. Распределение температур в модели системы со стержнем с чугунной вставкой: а - цветовая шкала, °С; б - 24 % твердой фазы; в - 80 % твердой фазы; г - 100 % твердой фазы а б в г Рис. 4. Распределение температур в модели системы с песчаным стержнем: а - цветовая шкала, °С; б - 24 % твердой фазы; в - 80 % твердой фазы; г - 100 % твердой фазы Результаты моделирования скорости охлаждения Номер эксперимента Материал вставки (название в базе ProCAST) Коэффициент теплообмена, Вт/(м2·К) Время затвердевания, с I Чугун (cast iron stress) 3000 411,94 II Медь (cooper chill) 3000 427,33 III Песок (sand silica) 300 467,93 IV Воздух (air) 20 495,03 Результаты моделирования времени затвердевания сведены в таблицу, также приведены материалы вставки с их названиями в стандартной базе программного комплекса ProCAST и условия теплообмена на границе облицовка-вставка для каждого эксперимента. Выводы Применение металлической (чугунной) вставки в стержне позволило сократить время затвердевания на 16,78 % по сравнению с полым стержнем, на 11,97 % по сравнению с цельным песчаным стержнем, что может положительно сказаться на структуре металла и поспособствовать созданию направленного затвердевания в отливке. Степень и глубина прогрева стержня при использовании металлической вставки значительно меньше. Использование металлической вставки в стержень позволит воздействовать на кинетику кристаллизации и поможет добиться направленного затвердевания. Определить требуемую массу металлической вставки, достаточную для отвода теплоты перегрева, можно с использованием уравнения теплового баланса.

Об авторах

К. В Шаров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. В Богомягков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Д. О Пустовалов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. А Шумков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Л. М Меркушева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Н. Е Никитин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 34

PDF (Russian) - 8

Ссылки

• Ссылки не определены.