CC BY
11
-Ф-
-ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО-
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор В.Ю. Конкевич
УДК 621.74.04
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК ПРИ ЛВМ
А. Ф. Смыков, докт. техн. наук, В. С. Моисеев, докт. техн. наук (Национальный исследовательский университет «МАИ», e-mail: tlp_dsaf@mail.ru)
Рассмотрены вопросы, связанные с управлением процессами затвердевания и питания расплавом участков фасонных отливок, получаемых методом литья по выплавляемым моделям (ЛВМ). На основе применяемых в производстве технологических средств воздействия на затвердевание отливок из жаропрочных сплавов исследована их эффективность. Показано, что целесообразность применения конкретного технологического средства управления формированием отливки зависит от разных факторов и требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае.
Ключевые слова: литье по выплавляемым моделям; отливка; последовательное затвердевание; непрерывное питание; теплообмен; эффективность; технологические средства воздействия.
Effectiveness of Application of Engineering Means of Influence on Shaped Casting Solidification Process Control during Investment Casting. A.F. Smykov, V.S. Moiseyev.
Problems related to process control of solidification and melt delivery to sections of shaped castings produced via the investment casting technique are discussed. Effectiveness of application of engineering means used in manufacture to influence high-temperature alloy casting solidification has been investigated. It is shown that usefulness of application of a specific engineering mean for casting moulding control depends on various factors and requires specific approach in each particular case.
Key words: investment casting; casting; gradual solidification; continuous delivery; heat exchange; effectiveness; engineering means of influence.
Качество фасонных литых изделий в значительной степени зависит от управления процессами затвердевания отдельных частей отливок для создания условий направленного затвердевания и непрерывного питания. Поэтому при проектировании технологического процесса отливки расчеты средств воздействия на ее формирование являются обязательными. Условия воздействия, используемые для ускорения или замедления процесса затвердевания участков литых заготовок различны. Они зависят от многих
факторов, в том числе от условий литья, геометрии отливки, особенностей конкретного производства и др.
В качестве примера рассмотрим равноосное литье по выплавляемым моделям отливок из жаропрочных сплавов в вакууме. Известны следующие основные средства управления процессами затвердевания отливок при ЛВМ без опорного наполнителя:
- исходное неравномерное распределение температуры по высоте печи подогрева форм (рис. 1) (обеспечивается переменным
-Ф-
-Ф-
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Рй
ш
ш
Рй
Шош
Рис. 1. Общие схемы нагревательных устройств для подогрева оболочковых форм перед заливкой:
а - равномерный нагрев сопротивлением; б - неравномерный нагрев сопротивлением; в - индукционный нагрев стального кожуха и медный воохлаждаемый поддон; г - индукционный нагрев графитовых колец: 1 - нагреватель электросопротивления; 2 - индуктор; 3 - стальной нагреватель; 4 - водоохлаждаемый медный поддон; 5 -муфель из графитовых колец
шагом нагревателей электросопротивления, экраном переменной толщины при индукционном нагреве, водоохлаждаемым дном печи подогрева форм);
- применение разных схем тепловой изоляции (рис. 2) (достигается использованием разных схем тепловой изоляции из волокнистого материала - общий чехол, местное утепление, комбинированный вариант, а также изменением времени выдержки форм перед заливкой в термостате и без);
- повышение интенсивности охлаждения нижней части формы (решается применением охлаждающих подложек из разных материалов - металлической дроби, керамической крошки и т.д.);
- применение технологических напусков;
- оребрение поверхности теплового узла;
Рис. 2. Керамическая форма в теплоизоляционном чехле из волокнистого материала (а) с местным утеплением (б)
- изменение теплоаккумулирующей способности материала оболочковой формы (создание искусственной пористости в оболочке, в частности, методом выгораемых добавок, применение зазора между слоями оболочки, например, для прибыли).
Для подогрева блока форм до нужной температуры перед заливкой в плавильно-зали-вочных установках могут применяться несколько вариантов конструкции нагревательных устройств. В первых двух вариантах, представленных на рис. 1, используют нагреватели сопротивлением, например, из карбида кремния. Причем вариант а обеспечивает одинаковую температуру по всей высоте блока форм, а вариант б за счет переменного шага нагревателей позволяет поддерживать заданный перепад температуры по высоте камеры печи. В индукционных установках нагрев формы осуществляется теплоотдачей от стальных или графитовых муфелей, установленных в индукторе (см. рис. 1, в, г). Если муфель состоит из набора колец разной толщины г, то имеется возможность создания перепада температуры по высоте блока форм. Иногда для увеличения интенсивности охлаждения нижней части формы применяют водоохлаждаемый медный поддон (см. рис. 1, в).
Переменный по высоте градиент температур форм перед заливкой зачастую дает возможность исключить нижний подвод расплава к форме (актуально для тонкостенных отливок, например, рабочих лопаток ГТД с бандажными полками) и перейти только к верхней подаче расплава и тем самым суще-
а
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
ственно повысить коэффициент использования металла (КИМ).
Применение теплоизоляционного чехла для блока форм позволяет отказаться от печи их подогрева перед заливкой. Тепловую изоляцию обычно изготавливают из волокнистого минерального материала с низкой теплопроводностью, например, материал Kerlane содержит SiÜ2 и AI2O3 в соотношении примерно 1:1, имеет теплопроводность 0,22-0,31 Вт/(м • К) при 800-1000 °С. Тепловая изоляция воздействует на начальную температуру формы перед заливкой ее расплавом и снижает интенсивность теплоотвода с наружной поверхности формы в процессе затвердевания отливки. Начальная температура заданной формы зависит от температуры ее прокалки и времени охлаждения перед заливкой в окружающей среде.
С целью оценки влияния толщины тепловой изоляции формы dMg и начальной температуры формы ¿2н на продолжительность
т3, с 300
250 200 150 100
1
2
3
------
4
12
18 24
мм
700
800
900
/2н, °С
1000
Рис. 3. Зависимость времени затвердевания отливки от толщины тепловой изоляции (а) и от начальной температуры формы (б) при 5о/5! равном 1,0 (1), 1,2 (2), 1,5 (3), 2,0 (4)
затвердевания тонкостенного участка отливки из сплава ЖС6У в корундовой форме при разных значениях отношения толщин оболочки и отливки (8о/81) проведены исследования по методике, изложенной в работе [1] (рис. 3). Они проводились для отливок как при постоянной начальной температуре формы 950 °С, но с разной толщиной тепловой изоляции (см. рис. 3, а), так и при разных значениях t2н (см. рис. 3, б). Анализ полученных результатов (см. рис. 3, а) показывает, что при изменении 8о/81 существенно изменяется влияние толщины тепловой изоляции на продолжительность затвердевания тз исследуемого участка отливки. Так, при 5о/§1 = 1 увеличение толщины тепловой изоляции от 6 до 24 мм приводит к возрастанию времени затвердевания пера в 2,2 раза. При увеличении 5о/§1 в 2 раза и больше тепловая изоляция практически не оказывает влияния на тз, т.е. оболочка становится полуограниченной в тепловом отношении (не прогревается на всю глубину за время затвердевания тонкостенной отливки). Изменение t2н (см. рис. 3, б) оказывает значительное влияние на тз при всех значениях 8о/81. Например, при 8о/81 = 1 повышение t2н с 700 до 1000 °С приводит к увеличению времени затвердевания в 4,5 раза, а при 8о/81 = 2 значение т3 возрастает в 3 раза.
Проведенный анализ свидетельствует о том, что при ЛВМ начальная температура формы перед заливкой оказывает влияние в большей степени на время затвердевания тонкостенных участков фасонной отливки. Поэтому для обеспечения непрерывного питания и последовательного затвердевания таких участков по высоте эффективно применять в качестве технологических средств воздействия прежде всего те, которые позволяют регулировать начальную температуру отдельных участков формы.
Интересен также вариант по тепловому воздействию подложки при разных условиях на продолжительность затвердевания контактирующего с ней элемента отливки. Так, для отливок из сплава ЖС6У, изготавливаемых в корундовых формах с начальной температурой 1000 °С (Ь2 = 1180 Вт-с1/2/(м2- К) и установленных на засыпку из чугунной дроби (Ьоп = 3350 Вт • с 1/2/(м2 • К) получены гра-
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
» 0,6 -
800 1000
^01!.0 : °С
Рис. 4. Влияние начальной температуры охлаждающей подложки из чугунной дроби корундовой формы на тз.оп/тз отливок из сплава ЖС6У при 5о и Х1 соответственно, мм: 10 и 2,5 (1); 6 и 2,5 (2); 10 и 10 (3)
фические зависимости, представленные на рис. 4. Показано влияние начальной температуры охлаждающей подложки £оп.0 на относительное изменение времени затвердевания (тз.оп - с охлаждающей подложкой, тз -без подложки) отливок с приведенными размерами Х1 = 2,5 и 10 мм при толщине оболочки 8о = 10 и 6 мм и на относительное изменение коэффициента аккумуляции теплоты формы (Ьэф.оп - с охлаждающей подложкой, Ьэф - без подложки) для тех же отливок и оболочек (см. рис. 4). Установлено, что снижение ^п.о с 1000 до 20 °С увеличивает скорость затвердевания отливок в 2,5-5 раз при разном отношении 8о/Х1. С уменьшением этого отношения эффективность воздействия начальной температуры засыпки на скорость затвердевания отливки возрастает. Таким образом, основным способом управления скоростью затвердевания отливок с охлаждающей подложкой наряду с используемым материалом для подложки является изменение ее начальной температуры. Одновременно необходимо учитывать величину отношения 8о/Х1.
Определенный интерес представляет применение оболочковых форм с повышенной пористостью, получаемых методом выгорающих добавок, и оболочек с зазором между ее слоями. В таблице приведены результаты
исследований плотности и теплопроводности корундосиллиманитовых и кремнеземистых форм при разной их пористости [2].
Коэффициент теплопроводности определяли методом заливки в вакууме 50 Па. В исследуемые формы заливали алюминий, медь и никель, что позволило получить разные средние температуры форм, к которым были отнесены найденные значения коэффициентов теплопроводности. Экспериментальные исследования, проведенные автором работы [2], процессов затвердевания турбинных лопаток из сплава ЖС6У в корундосиллиманитовых формах с разной пористостью оболочек показывают, что при повышении пористости формы с 36 до 46 % продолжительность затвердевания пера и замка лопатки возрастает примерно в 1,5 раза: пера с приведенной толщиной 2,4 мм - со 145 до 215 с и замка толщиной 18 мм - с 404 до 600 с (раз-
Плотность и коэффициент теплопроводности пористых форм
Форма Общая пористость, % Плотность, кг/м3 Средняя температура формы, °С Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); вакуум 50 Па
35,8 2330 630 990 1270 0,52 0,62 0,73
Корундо-силлима-нитовая 46,2 1930 610 985 1260 0,28 0,44 0,52
55,1 1600 615 960 1230 0,16 0,29 0,36
27,0 1910 615 970 1250 0,28 0,46 0,61
Кремнеземистая 34,9 1730 610 955 1220 0,25 0,35 0,50
43,8 1510 625 950 1230 0,16 0,19 0,28
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Рис. 5. Схема технологических ребер с распределением температуры в массиве между ними:
<7р - тепловой поток в ребро
мер макрозерна не изменился). При этом в формах с пористостью 46 % перепад температуры между замком и пером в период затвердевания последнего увеличивается на 20-30%. Вследствие этого повышается направленность затвердевания пера и продолжительность фильтрации жидкого сплава из замка в перо, что способствует увеличению плотности сплава (снижению микропористости).
Для ускорения затвердевания массива отливки на его поверхности могут быть выполнены технологические ребра, служащие дополнительными стоками теплоты из массива. Это достигается для отливок из сплавов с интервалом кристаллизации Дtкр > 0,1 ?кр.
Увеличение числа ребер и их толщины приводит к уменьшению поверхности контакта массива с формой и, соответственно, отвода теплоты в форму. Если это уменьшение отвода не компенсируется стоком теплоты в ребра, то ускорения затвердевания массива не происходит, а, наоборот, время его затвердевания увеличивается. Стоки теплоты в ребра незначительны в отливках из сплавов с узким интервалом кристаллизации, поэтому применение технологических ребер в этом случае неэффективно. Малое расстояние между ребрами приводит также к снижению интенсивности стока теплоты в них вследствие взаимного теплового влияния ребер. Для исключения этого явления необходимо, чтобы расстояние между ребрами соответствовало условию И 1 48д (рис. 5), где 8д - толщина ребра.
Таким образом, эффективность применения технологических средств воздействия на формирование отливки различна и требует индивидуального подхода. Поэтому в каждом конкретном случае нужно правильно выбрать средство управления затвердеванием участка отливки, задать его параметры и затем моделировать процесс кристаллизации в системе компьютерного моделирования, проверяя каждый раз правильность принятого решения. Кроме этого, если имеется программное обеспечение, позволяющее оптимизировать в автоматическом режиме параметры выбранных технологических средств, то надежность проектных решений значительно повысится, а затраты времени на проектирование понизятся.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неуструев А.А., Моисеев В.С., Смыков А.Ф.
Разработка САПР технологических процессов литья. - М.: ЭКОМЕТ. 2005. - 216 с.
2. Колодкин В.М, Шихирин А.Н., Маурина А.С., Кропоткин В.В. САПР технологии литья по выплавляемым моделям. Конструирование отливки (программное обеспечение) // Литейное производство. 1987. № 10. С.16-18.
