Способ литья с кристаллизацией под давлением

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья металлов и сплавов с кристаллизацией под давлением. После нанесения смазывающего материала на пресс-форму заливают расплав в матрицу и производят опускание пуансона. Формируют отливку под высоким давлением. После остановки пуансона в его каналы подают хладагент в виде водовоздушной смеси. Перед отводом пуансона понижают давление прессования ниже предела текучести сплава при сжатии для высоких температур. Это необходимо для создания условий роста линейной усадки, отливки и пуансона. При этом образуется зазор между пуансоном и отливкой, достаточный для подъема пуансона без разрушения поверхности отливки. Время выдержки и охлаждения отливки и пуансона в закрытой пресс-форме определяют по формуле, в которой учитывается наибольшая высота неровностей пуансона. После отвода пуансона в матрицу по периметру отливки подают смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ). Время подачи СОЖ определяют по формуле, учитывающей наибольшую высоту неровностей поверхности матрицы. Извлечение отливки происходит свободно без надиров на поверхности и газовой пористости. Обеспечивается высокое качество поверхности отливки, повышение производительности процесса. 1 ил.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья металлов и сплавов с кристаллизацией под давлением.

Известны способы охлаждения пресс-форм для литья с кристаллизацией под давлением (ЛКД) водой с использованием каналов охлаждения.

Известно устройство - пресс-форма для литья с кристаллизацией под давлением, патент RU N 2043854, B 22 D 18/02, реализующее способ охлаждения водой центральной вставки в матрице пресс-формы ЛКД, которое позволяет получить отливки без надиров на боковой поверхности отверстия за счет разности усадок охлаждаемой центральной вставки матрицы и отливки.

Однако выполнение каналов охлаждения значительно ослабляет конструкцию матрицы пресс-формы, а при развитой поверхности и сложной геометрии вставок матрицы выполнить каналы охлаждения становится проблематично. Как показывает практика эксплуатации, внутренняя поверхность каналов охлаждения достаточно быстро покрывается слоем накипи, которая значительно снижает теплообмен при охлаждении водой, а максимальные температурные перепады, более 200^oC, наблюдаемые на стенках формообразующих поверхностей пресс-формы при циклических тепловых нагрузках, приводят к разрушению пресс-формы.

Известны способы ЛКД, в которых охлаждение пресс-форм производится напылением водой или нанесением водоэмульсионных смазочных материалов на рабочую поверхность. Они позволяют предохранить пресс-форму ЛКД от преждевременного разрушения за счет более мягкого режима охлаждения.

Известен также способ литья с кристаллизацией под давлением алюминиевых сплавов, патент SU N 1787066, B 22 D 18/02, который позволяет получать отливки без надиров на боковой поверхности, формируемой матрицей, за счет разности усадок охлаждаемой отливки и матрицы. Этот способ является наиболее близким аналогом.

В способе главное внимание обращено на время подачи смазочно-охлаждающей жидкости под давлением на поверхности отливки и матрицы после отвода пуансона, которое определяется из соотношения где - время, с; m - масса отливки, г; 0,6 - коэффициент.

Основным недостатком способа является то, что для отливок, получаемых ЛКД на заключительной стадии затвердевания, давление прессования больше предела текучести материала (сплава) при сжатии, т.е. согласно теории пластической деформации имеет место деформация твердой фазы и усадка не начнется, пока соблюдается это условие, что приводит к появлению надиров на поверхности, формируемых на отливке пуансоном.

Недостатком также является и то, что при литье с кристаллизацией под давлением на отливку действует давление порядка нескольких сотен миллионов Паскалей и при шероховатости формообразующих поверхностей пресс-формы 0,2 - 0,63 мкм имеет место выдавливание смазочного материала, образование надиров на наружных поверхностях отливки, которые являются результатом деформационного торможения материала отливки на поверхности пресс-формы во время отрыва пуансона и выталкивания отливки из матрицы.

Следующим недостатком указанного способа является то, что время подачи смазочного материала на охлаждение отливки в матрице после отвода пуансона не обеспечивает оптимальное соответствие между тепловым режимом отливки, величиной зазора и оптимальным количеством смазочного материала, наносимого на боковую поверхность матрицы при охлаждении. В этом соотношении время подачи смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) не связано ни с количеством СОЖ, ни с ее охлаждающей способностью, ни с величиной зазора между отливкой и матрицей, образующегося при охлаждении, ни с геометрическими размерами отливки.

Недостатком является и то, что способ ЛКД предусматривает охлаждение и матрицы, и отливки, что приводит к снижению температуры боковых стенок матрицы, избытку и накоплению смазочного материала (СМ), которые являются причинами образования неслитин на боковой поверхности, раковин, газовой и усадочной пористости.

Надо отметить, что в наиболее тяжелых условиях при ЛКД находится пуансон, температура его теплонагруженных участков при естественном охлаждении составляет 470 - 500^oC, которую можно достигнуть за 8 - 10 циклов.

Техническая задача изобретения заключается в получении отливок со сложной геометрической конфигурацией, повышении производительности литейного процесса и улучшении качества наружной поверхности. Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе литья с кристаллизацией под давлением, включающем нанесение СМ на пресс-форму, заливку расплава в матрицу, формирование отливки под высоким давлением пуансона, отвод пуансона, подачу смазочно-охлаждающей жидкости на отливку в матрице и извлечение отливки из пресс-формы, осуществляют охлаждение отливки в процессе ее формирования путем подачи водовоздушной смеси в пуансон, перед отводом пуансона понижают давление прессования ниже предела текучести сплава при сжатии для высоких температур и охлаждают отливку и пуансон в закрытой пресс-форме в течение времени, определяемого из соотношения где R^п_max - наибольшая высота неровностей поверхности пуансона, м; R_п - радиус пуасона, м; H_п - высота пуансона, м; K_п - коэффициент охлаждения материала пуансона;
Q_в - количество воды, находящееся в секундном расходе сжатого воздуха, кг,
а подачу смазочно-охлаждающей жидкости после отвода пуансона осуществляют по периметру отливки в течение времени, определяемого из соотношения

где R^м_max - наибольшая высота неровностей поверхности матрицы, м;
R_о - радиус отливки, м;
m_о - масса отливки, кг;
К_о - коэффициент охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью материала отливки;
Q_вр - количество воды, находящееся в секундном расходе смазочно-охлаждающей жидкости распылителя, кг;
n_т - коэффициент фактического участия смазочно-охлаждающей жидкости в теплообмене, равный 0,5 - 0,6.

По сравнению с аналогом предложенный способ отличается наличием следующих операций:
- охлаждение кристаллизующейся отливки через вертикальные каналы в центральной части пуансона хладагентом;
- понижение давления прессования по окончании затвердевания отливки в закрытой форме ниже _s - предела текучести сплава при сжатии для высоких температур, что позволяет исключить деформационное торможение материала отливки с целью создания между отливкой и формообразующими поверхностями пресс-формы не разделяющей среды (смазочного материала), а условий роста линейной (тепловой) усадки отливки и пуансона, т.е. зазоров, в течение времени, определяемого из соотношения

т. о. данное соотношение устанавливает зависимость между максимальной высотой неровностей поверхности пунсона, геометрическими размерами пуансона, охлаждающей способностью хладагента (например, воды) и его количеством в носителе - сжатом воздухе;
- подачу смазочно-охлаждающей жидкости на отливку по ее периметру, не охлаждая матрицу, в течение времени, определяемого из соотношения

которое устанавливает зависимость между основными параметрами теплового обмена отливки при ее охлаждении СОЖ перед выталкиванием из матрицы, качеством боковой поверхности матрицы, массой отливки и ее характерным геометрическим размером, охлаждающей способностью СОЖ и количеством хладагента, участвующего в теплообмене.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого способа с другими известными авторам способами ЛКД позволяет сделать вывод о соответствии данного способа критерию "изобретательский уровень". Подтверждением этого является то, что заявляемый способ позволил разрешить техническое противоречие между необходимостью повышения производительности литейного процесса и ограниченными возможностями повышения качества наружных поверхностей отливок сложных геометрических конфигураций, получаемых методом ЛКД, за счет создания зазоров между пуансоном и отливкой, матрицей и отливкой, больших чем наибольшая высота шероховатости поверхностей пресс-формы, участвующих в формообразовании отливки, при одновременном повышении производительности литейного процесса.

На чертеже представлено устройство, реализующее заявляемый способ, которое состоит из пуансона 1 с основанием 2, соединенного с плитой 3, в центральной части пуансона 1 и основания 2 выполнены вертикальные каналы охлаждения 4, с системой охлаждения, состоящей из трубок 5, коллектора 6 и патрубков 7, подводящих хладагент; а также пресс-форма состоит из матрицы 8 с плитой 9, толкающей системой 10, отливкой 11 и распылителем 12.

Способ литья с кристаллизацией под давлением осуществляется следующим образом: после подогрева пресс-формы газом или 3-4 порциями расплава, смазывания и обдувки сжатым воздухом с помощью распылителя 12 в матрицу 8 заливают мерную порцию расплава и по окончании заливки производят быстрое опускание пуансона 1 до момента смыкания с матрицей 8. При переходе на рабочий ход формируют отливку 11 в матрице 8 пуансоном 1.

После остановки пуансона 6 при подъеме его температуры выше заданного начального значения включается подача хладагента (например, сжатого воздуха или водовоздушной смеси) в каналы охлаждения 4.

По окончании полной кристаллизации отливки, перед отводом пуансона 1 сбрасывают давление прессования ниже _s -предела текучести сплава при сжатии для высоких температур (приблизительно 300 - 350^oC), для создания условий роста линейной (тепловой) усадки отливки 11 и пуансона 1 в закрытой пресс-форме. Данный режим необходим для создания зазоров между пуансоном и отливкой, т. к. при наличии давления выше указанной величины происходит деформация твердой фазы отливки и усадка не начнется, что в конечном итоге скажется на качестве поверхности отливки, образуемой пуансоном.

После этого устанавливают выдержку во времени для охлаждения отливки и пуансона в закрытой пресс-форме для того, чтобы между отливкой и пуансоном образовался зазор, необходимый и достаточный для свободного подъема пуансона, без нарушения поверхности отливки.

По истечении выдержки времени поднимают пуансон 1 и перед извлечением заготовки из матрицы 8 с помощью распылителя 12 охлаждают отливку 11 водовоздушной смесью смазочного материала по ее периметру, пока зазор не станет больше или равен наибольшей высоте неровностей на боковой поверхности матрицы, т.е. R^M_max.

После извлечения отливки 11 из матрицы 8 наносят смазочный материал на пуансон 1, матрицу 8, толкатели 10, обдувают водовоздушной смесью смазочного материала, потом сжатым воздухом, а при вхождении температуры пуансона 1 и заданный рабочий диапазон перед прессованием производят следующую заливку порции расплава металла.

Пример 1 (способ-аналог).

Изготавливали отливку "корпус статора" из алюминиевого сплава АК7ч размером 200х75, массой 2,7 кг пуансонно-поршневым прессованием на неспециализированном гидравлическом прессе ЭПР-34А с усилием прессования 2500 кН. Температура заливки 710 - 720^oC, температура формы 150 - 250^oC, время выдержки расплава в матрице до момента приложения давления не более 10 сек, время выдержки под давлением 60 сек.

Технология заключается в следующем: после нанесения СМ на пуансон и матрицу в течение 10 сек производили охлаждение пуансона и матрицы в течение 120 сек с помощью распылителя водорастворимой смазкой типа "Элитол" Э13М1С или Э77 со степенью разбавления 1:20; 1:25. В течение 70 сек производили заливку, прессование и кристаллизацию под давлением 80-100 МПа. После отвода пуансона охлаждали отливку с матрицей с помощью ручного распылителя водовоздушной смесью СОЖ в течение времени где m - масса отливки в граммах (для отливки массой m = 2700 г, = 31,2 сек). Затем производили выталкивание и съем отливки. Технологический цикл осуществлялся в течение 250 - 300 сек.

На отливках имелись литейные дефекты:
- надиры на боковых поверхностях, формируемых пуансоном и матрицей;
- неслитины, газовая пористость, узоры, связанные с избытком и неравномерным нанесением смазки;
- негерметичность обработанных деталей с процентом брака до 15% и выше.

Пример 2 (по заявляемому способу).

Изготавливали отливку "корпус статора" из алюминиевого сплава АК7ч размером 200х75, массой 2,7 кг пуансонно-поршневым прессованием на неспециализированном гидравлическом прессе ЭПР-34А с усилием прессования 2500 кН. Температура заливки 710 - 720^oC, температура 150 - 250^oC, время выдержки расплава в матрице до момента приложения давления не более 10 сек, время выдержки под давлением 60 сек.

После нанесения СМ на пуансон и матрицу в течение ~ 10 сек произвели охлаждение смесью СОЖ со степенью разбавления 1:150; 1:200 и обдув сжатым воздухом в течение ~ 20 сек. В течение 70 сек производили заливку расплава, прессование, кристаллизацию под давлением, затем в течение

(~ 15 сек) осуществляли выдержку без давления в закрытой форме, производили подъем пуансона ~ 5 сек и охлаждение отливки в матрице смесью СОЖ в течение

(~ 11 сек) выталкивание и съем отливки - 10 сек, нанесение противозадирной смазки на выталкиватели - 10 сек.

Пример 3 расчета времени охлаждения отливки и пуансона по формуле
_п= R^п_maxR_пH_пK_п/Q_в
Расчетная формула для времени охлаждения отливки и пуансона перед его отводом в закрытой пресс-форме получена из решения системы уравнений теплового баланса формы, линейной (тепловой) усадки пуансона и отливки при условии отсутствия деформационного торможения во время отрыва пуансона, когда наибольшие высоты неровностей формы и отливки не касаются друг друга, т.е. зазор R^п_max.
K_п - коэффициент охлаждения материала пуансона, для взаимодействующих веществ (сталь-вода) - величина постоянная и безразмерная, т.к. включает только теплофизические характеристики этих материалов, равен 680000.

Так, время охлаждения отливки и пуансона перед его отводом в закрытой форме после сброса давления для формы, в которой изготовляется отливка весом 2,7 кг при наибольшей высоте неровностей R^п_max - 0,0001 м, радиусе пуансона, R_п - 0,02 м, высоте пуансона H_п - 0,04 м, коэффициенте охлаждения материала пуансона влажным воздухом с секундным расходом воды в нем Q_в - 0,01 кг составит

Пример 4 расчета времени подачи СОЖ на отливку после отвода пуансона по формуле
_o= R^п_maxm_oK/R_oQ_врn_т.
Расчетная формула времени для подачи СОЖ на отливку в матрице после отвода пуансона определяется также из системы уравнений теплового баланса отливки, линейной (тепловой) усадки отливки и матрицы при условии отсутствия деформационного торможения материала отливки во время ее выталкивания, когда наибольшие высоты неровностей боковой поверхности матрицы и отливки не касаются друг друга, т.е. зазор R^п_max.
К_о - коэффициент охлаждения материала отливки СОЖ, для взаимодействующих веществ (AL - сплав-вода) - величина постоянная и безразмерная, т.к. включает только теплофизические характеристики этих материалов, равен 26. Так, при изготовлении отливки, например, массой m_о - 2,7 кг, с радиусом отливок R_о - 0,1 м при наибольшей высоте неровностей матрицы. R^M_max/ - 0,0001 м, коэффициенте охлаждения СОЖ материала отливки из сплава АК7ч К_о = 26 и секундном расходе СОЖ Q_вр - 0,01 кг, коэффициенте n_т- 0,5 время для подачи СОЖ на отливку в матрице после отвода пуансона составит

Качество полученных отливок
- отсутствие надиров на всех поверхностях;
- отсутствие газовой пористости на боковой поверхности;
- отсутствие дефектов, обусловленных избытком и неравномерностью нанесения смазочного материала;
- шероховатость отливки 0,63-2 мкм.

Способ позволяет получать отливки с высоким качеством поверхности. Использование для этой цели принудительного, управляемого охлаждения позволяет увеличить производительность процесса за счет уменьшения периода затвердевания и охлаждения отливки перед ее извлечением из формы более чем на 40%.

Формула изобретения

Способ литья с кристаллизацией под давлением, включающий нанесение смазывающего материала на пресс-форму, заливку расплава в матрицу, формирование отливки под высоким давлением пуансона, отвод пуансона, подачу смазочно-охлаждающей жидкости на отливку в матрице и извлечение отливки из пресс-формы, отличающийся тем, что в процессе формирования отливки осуществляют ее охлаждение путем подачи водовоздушной смеси в пуансон, перед отводом пуансона понижают давление прессования ниже предела текучести сплава при сжатии для высоких температур и охлаждают отливку и пуансон в закрытой пресс-форме в течение времени, определяемого из соотношения
_п= R^п_maxR_пH_пK_п/Q_в,
где R^п_max - наибольшая высота неровностей поверхности пуансона, м;
R_п - радиус пуансона, м;
Н_п - высота пуансона, м;
K_п - коэффициент охлаждения материала пуансона;
Q_в - количество воды, находящееся в секундном расходе сжатого воздуха, кг,
а подачу смазочно-охлаждающей жидкости после отвода пуансона осуществляют по периметру отливки в течение времени, определяемого из соотношения
_o= R^М_maxm_oK_o/R_oQ_врn_т,
где R^M_max - наибольшая высота неровностей поверхности матрицы, м;
R_о - радиус отливки, м;
m_о - масса отливки, кг;
K_о - коэффициент охлаждения смазочно-охлаждающей жидкостью материала отливки;
Q_вр - количество воды, находящееся в секундном расходе смазочно-охлаждающей жидкости распылителя, кг;
n_т - коэффициент фактического участия смазочно-охлаждающей жидкости в теплообмене, равный 0,5-0,6.

РИСУНКИ

Рисунок 1