CC BY
12УДК 621.74.043:669.14.018.254:669.715
DOI: 10.12737/article_59353e29b360d5.65711638
Г.Ф. Мухаметзянова, М.С. Колесников, И.Р. Мухаметзянов,
А. С. Хабирова, А.В. Герасимова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ АЛЮМИНИЕВОГО ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НА ПРОЦЕСС РАЗРУШЕНИЯ СТАЛИ 4Х5МФС В РАСПЛАВЕ АК12М2
По результатам аналоговых испытаний на термомеханическую усталость и растворение (износ) стали 4Х5МФС в расплаве АК12М2 на основе симплексного метода планирования экспериментов получены регрессионные уравнения, устанавливающие влияние конкретных параметров эксплуатационного нагружения прессформ на закономер-
ности образования и роста трещин термомеханической усталости и износа (растворения) в литейном расплаве.
Ключевые слова: пресс-форма, гравюра, функционал работоспособности, износ, сталь, алюминиевый расплав, аналоговые испытания.
G.F. Mukhametzyanova, M.S. Kolesnikov, I.R. Mukhametzyanov,
A.S Khabirova, A.V. Gerasimova
IMPACT INVESTIGATION OF PRESS-MOLD OPERATION LOADING PARAMETERS FOR ALUMINUM CASTINGS UNDER PRESSURE UPON DESTRUCTION PROCESS OF STEEL 4Ch5MFS IN MELT AK12M2
On the basis of literature data and the analysis of the destruction phenomenological situation of press-molds for aluminum castings under pressure it is established that press-tool working capacity is defined by steel resistance to cracks of thermo-mechanical fatigue and abrasive wear in melts. For the investigation of regularities in development of thermo-mechanical fatigue crack and wear there is developed a physico-mathematical model of a working capacity functional taking into account the influence of definite parameters of a loading complex. According to the results of ana-
log tests on the basis of the simplex method of experiment planning there are obtained regressive equations defining dependences of the influence of the cyclic
viscosity criterion (K1C), a temperature gradient, the
engraving heating temperature of press-molds, melt displacement velocity upon kinetics of thermo-mechanical fatigue crack development and solubility of steel 4Ch5MFS in melt AK12M2.
Key words: press-mold, engraving, working capacity functional, wear, aluminum melt, analog tests.
Введение
Работоспособность пресс-форм для алюминиевого литья под давлением (АЛПД) определяется комплексом металлургических, технологических, конструкторских и эксплуатационных факторов, которые условно можно разделить на две группы: факторы, определяющие качество материалов, и факторы нагружающего комплекса. Качество материалов зависит от химического состава, структуры и технологии изготовления пресс-форм. Темпе-ратурно-силовое нагружение пресс-форм для АЛПД и условия взаимодействия с расплавом при эксплуатации определяют специфический характер напряженно-деформированного состояния рабочих поверхностей инструмента, в которых проте-
кают сложные метаморфозы в структуре материалов, проявляющиеся в различных видах разрушения материала.
Анализ феноменологической картины разрушения пресс-форм для АЛПД показал, что главными видами повреждаемости гравюры пресс-инструмента являются трещины термомеханической усталости (ТМУ) и абразивный износ гравюры (растворение) при взаимодействии с подвижными литейными расплавами [1].
Цель настоящей работы - установление влияния конкретных параметров нагружающего комплекса факторов на доминирующие виды разрушения пресс-форм для АЛПД.
Методика проведения исследований
Для установления влияния конкретных значений параметров нагружающего комплекса на доминирующие процессы разрушения материала пресс-форм для АЛПД разработана физико-
математическая модель функционала работоспособности пресс-форм для АЛПД на основе теоретических концепций линейной механики и структурно-энергетической теории разрушения материала [2].
Уравнение функционала работоспособности (Рп) для локальной зоны разрушения гравюры пресс-инструмента для АЛПД записывается в виде
Рп = IКс, К, Г, раЛГ,а>,т), (1)
где К1с - коэффициент концентрации напряжений у вершины трещин ТМУ крити-
3/
ческой величины, Н / м2; 1з - размер локальной зоны разрушения гравюры, м; Гп -температура поверхности прессформы, К; gradГ - градиент температуры от поверхности штампа в зоне разрушения материала, К/м; с - скорость перемещения расплава на поверхности пресс-формы, м/с; т - продолжительность контактирования материала пресс-формы с прессуемым жидким расплавом в течение цикла прессования, с.
Принимая в качестве разрешающих характеристик функционала работоспособности пресс-форм для АЛПД размер трещин ТМУ (Нср) и величину износа поверхности за счёт абразивного изнашивания (растворения) (Дй), имеющие размерность длины Ь, и подставляя в уравнение (1) размерности всех физических величин, получаем выражение
Рп = /(ы • Ь1,с • Ь"1,с1,Ь • Г-1,И, (2)
где Ь, Ы, Г и С - независимые размерности длины, массы, времени и температуры соответственно.
Исследование закономерностей развития трещин ТМУ и абразивного износа
Рис. Принципиальная схема способа исследования образцов на ТМУ при контакте с расплавом: 1 - образец; 2 - опоры; 3 -ванна с охладителем; 4 - литник; 5 - подвижная полуформа; 6 - камера прессования; 7 - пуансон; 8 - копильник; Р - усилие под-гружения образца; «а - б» - зона контакта расплава АК12М2 с образцом
(растворения) для стали 4Х5МФС в расплаве АК12М2 выполнено аналоговым способом [3], обеспечивающим подобие эксплуатационному нагружению материала по локальному напряженно-деформированному состоянию и условиям взаимодействия с прессуемым расплавом.
Принципиальная схема установки приведена на рисунке. При испытании применялись образцы со следующими размерами: длина - 85 мм, высота - 12 мм, толщина - 2 мм.
Для ранжирования факторов Рп
уравнения (2) применялся оптимальный симплексный план первого порядка (табл. 1), который включает к +1 опыт, поставленный в каждой вершине к-мерного симплекса (к - число факторов) [4].
Интервалы варьирования факторов (х1, х2, ... х6) симплекс-плана первого порядка (табл. 1), приведенные в табл. 2, определялись расчетно-экспериментальными методами [5 - 9].
Таблица 1
Симплекс-план первого порядка и результаты опытов_
Код Результаты экспериментов на базе
№ Х0 Х1 Х2 хз х4 х5 х6 8500 циклов
опыта Нср, мм Дк, мм
1 1 - 1 - 1 0,65 - 0,59 1 0,14 0,27 0,095
2 1 - 1 0,65 - 0,59 1 0,14 - 1 0,16 0,618
3 1 0,65 - 0,59 1 0,14 - 1 - 1 0,33 0,268
4 1 - 0,59 1 0,14 - 1 - 1 0,65 0,18 0,045
5 1 1 0,14 - 1 - 1 0,65 - 0,59 0,35 0,240
6 1 0,14 - 1 - 1 0,65 - 0,59 1 0,47 0,750
7 1 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,96 0,830
Таблица 2
Уровни факторов и интервалы их варьирования_
Факторы К1С, Н / м32 1 з , м ^аёТ, К/м Тп К а, м/с т, с
Код х1 х2 х3 х4 х5 х6
Основной уровень 1 000 0,012 170-103 943 24 6
Интервалы варьирования 500 0,006 170-103 30 24 3
- 1 500 0,006 0 913 0 3
- а 700 0,017 68-103 924 21,8 4,2
а 1070 0,0128 194-103 947 27,3 6,4
а 1325 0,0156 280-103 967 39,5 7,5
а 1400 0,0168 306-103 967 43 8,4
1 1500 0,018 340-103 973 48 9
Обсуждение результатов аналоговых исс.
Варьирование фактора х1
( К1С = ж • ¡з ) обеспечивалось путем
дополнительного подгружения образца изгибом по типу балки. Образование трещин ТМУ определялось
люминесцентным методом [7]. Размеры критических трещин (¡з) измерялись металлографическим методом на шлифах, приготовленных из центральных участков образцов. Кинетика развития трещин ТМУ изучалась на базе 8500 циклов прессования по типовому режиму испытаний: температура расплава АК12М2 - 6600С, время активного контактирования материала образца с заливающимся жидким и затвердевшим силумином - 3 с, давление в камере прессования расплава -120 МПа.
Фактор х3 (^аёТ) регулировался изменением уровня подвода охлаждающей воды к основанию образца, а фактор х4 (Тп, К) - изменением температуры прессуемого сплава.
Скорость перемещения расплава х5 (а, м/с) определялась по закону непрерывности струи и регулировалась размерами литниковой щели или постоянной скорости перемещения пуансона.
Продолжительность контактирования жидкого расплава АК12М2 с материалом образца х6 (т, с) варьировалась путем изменения объема силумина, заливаемого в камеру прессования.
Уравнение регрессии для функционала работоспособности Рп представляется в виде следующего
полинома:
Pn
Расчет коэффициентов данной модели проводился по следующим формулам:
: Ьо + Ых1 + Ь2х2 + Ъ3х3 + Ъ4x4 4-^x5 + Ь6х6.
N
Ь0 = —; Ъ = 0 N '
8 Е XV
/ , 1иУ и и= 1_
N
где I = 1, 2. к.
Дисперсия коэффициентов оценивалась из выражений
-2 82*2
>Ъ0
^ • 5 2
N'5ы
Уравнение регрессии для
функционала работоспособности Рп по
N
критерию трещин ТМУ (Нср) представляется следующей функцией:
Р = 0,393 + 0,186*, + 0,025х„ + 0,07х + 0,104х„ + 0,091х< + 0,122хй
„2 ,
Для проверки статистической значимости коэффициентов в уравнении регрессии (3) определены их дисперсии -
5
Ъ0
0,013; ^ = 0,017
ы = - и доверительные
интервалы при значимости а = 0,05 -АЪ0 = 0,036 мм; АЪг = 0,04 мм.
Как видно из уравнения (3), коэффициент для фактора х2 не является статистически значимым. Следовательно, размер исследуемой зоны образца (в пределах выбранного интервала контактирования с расплавом) не влияет на показатель Нср.
Результаты ранжирования показали, что кинетика развития трещин ТМУ определяется главным образом фактором х1 ( К1с ), т. е. уровнем критических напряжений.
Очевидно, что при интенсивности нагружения образцов из стали 4Х5МФС ниже критического уровня напряжений в локальном объеме трещины ТМУ не возникают, а работоспособность пресс-форм для АЛПД определяется другими видами повреждаемости (растворение).
мм. (3)
Результаты аналоговых исследований стали 4Х5МФС по абразивному износу (растворению) в расплаве АК12М2 представлены в виде следующего уравнения регрессии:
Р
: 0,407 + 0,063- + 0,020х2 + 0,004х3 +
4)
+0,219 х4 + 0,033 х5 + 0,060х6, мм.
При значениях дисперсий 5Ъ0 = 0,011; = 0,015 видно, что коэффициенты в уравнении регрессии (4)
не являются
для факторов х2 и значимыми (доверительные интервалы при значимости а = 0,05 - АЪ0 = 0,026 мм;
АЪг = 0,028 мм).
Следовательно, изменение размеров зоны контактирования образца с расплавом и градиент температуры по высоте образца в исследованных интервалах варьирования практически не оказывают влияния на растворимость стали 4Х5МФС в расплаве АК12М2.
Заключение
Полученные результаты аналоговых исследований по установлению доминирующих видов разрушения стали 4Х5МФС в расплаве АК12М2 в зависимости от различных условий взаимодействия с литейным расплавом и параметров температур-но-силового нагружения, характерных для
пресс-форм для алюминиевого литья под давлением, являются основой для разработки программ поиска оптимальных решений по созданию высокостойких элементов пресс-инструмента для АЛПД (детали литниковой системы, стержневая группа, формообразующие вставки и т.п.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мухаметзянова, Г.Ф. Материалы и технологии производства литого пресс-инструмента / Г.Ф. Мухаметзянова, М.С. Колесников. - LAMBERT Academic Publishing, 2015. - 264 с.
2. Иванова, В.С. Разрушение металлов / В.С. Иванова. - М.: Металлургия, 1979. - 168 с.
3. А.с. 252690 СССР. Способ исследования термомеханической усталости материалов / Б.Ф. Трахтенберг, Г.А. Котельников, М.С. Колесников [и др.] (СССР). - № 1249903/25-28; заявл.
24.06.68; опубл. 29.09.69, Бюл. № 29.
4. Новик, Ф.С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов / Ф.С. Новик, Я.Б. Арсов. - М.: Машиностроение, 1980. - 304 с.
1. Mukhametzyanova, G.F. Materials and Techniques of Cast Press-Tool Production / G.F. Mukhametzyanova, М.Б. Kolesnikov. - LAMBERT Academic Publishing, 2015. - pp. 264.
2. Ivanova, V.S. Metal Destruction / V.S. Ivanova. -М.: Metallurgy, 1979. - pp. 168.
3. A.C. 252690 the USSR. Method for Investigation of Material Thermo-mechanical Fatigue / B.F. Trachtenberg, G.A. Kotelnikov, М^. Kolesnikov [et al.] (USSR). - № 1249903/25-28; applied. 24.06.68; published 29.09.69, Bull. № 29.
4. Novik, F.S. Optimization of Metal Technology Processes by Methods of Experiment Planning / F.S. Novik, Ya.B. Arsov. - М.: Mechanical Engineering, 1980. - pp. 304.
5. Абрамов, В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах / В.В. Абрамов. - М.: Машгиз, 1963. - 350 с.
6. Ильюшин, А.А. Сопротивление материалов / А. А. Ильюшин, В.С. Ленский. - М.: Физматгиз, 1956. - 476 с.
7. Шлезингер, М.А. Люминесцентный анализ / М.А. Шлезингер. - М.: Физматлит, 1961. - 401 с.
8. Махмутов, Н.А. Структурно-механические факторы прочности и долговечности конструкций / Н.А. Махмутов, А.Н. Романов // МиТОМ. -1977. - С. 23-28.
9. Малкин, Я.Ф. Влияние параметров нагружения на кинетику усталости металлов / Я.Ф. Малкин // ПИМ. - 1938. - № 11. - 184 с.
5. Abramov, V.V. Residual Stresses and Deformations in Metals / V.V. Abramov. - М.: Machgiz, 1963. - pp. 350.
6. Iliyushin, А.А. Material Resistance / А.А. Iliyu-shin, V.S. Lensky. - М.: Physmathgiz, 1956. - pp. 476.
7. Schlesinger, М.А. Luminescence Analysis / М.А. Schlesinger. - М.: Physmathlit, 1961. - pp. 401.
8. Makhmutov, NA. Structural Mechanical Factors of Structure Strength and Life / NA. Makhmutov, А.М Romanov // МПОМ. - 1977. - pp. 23-28.
9. Malkin, Ya.F. Loading Parameter Impact upon Kinetics of Metal Fatigue / Ya.F. Malkin // PIM. -1938. - № 11. - pp. 184.
Статья поступила в редколлегию 28.12.16. Рецензент: д.т.н., профессор Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета
Астащенко В.И.
Сведения об авторах:
Мухаметзянова Гульнара Фагимовна, к.т.н., доцент кафедры материалов, технологий и качества Набережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета, тел.: 8(8552)51-01-07, е-шаП: gulnara-ineka@mail.ru. Колесников Михаил Семенович, д.т.н., профессор кафедры машиностроения Набережночелнин-ского института Казанского (Приволжского) федерального университета, тел.: 8(8552)58-95-58, е-mail:kolesnikov kfu@mail.ru.
Мухаметзянов Ильнар Ринатович, магистрант кафедры материалов, технологий и качества На-бережночелнинского института Казанского (Приволжского) федерального университета, тел.: 8(8552)51-01-07, е^П: ilnarr116m@gmail.com. Хабирова Айгуль Сафуатовна, инженер-технолог ПАО «КАМАЗ», тел.: 8(8552)37-35-91, е^И: a habirova91@mail.ru.
Герасимова Аэлита Владимировна, инженер-технолог ПАО «КАМАЗ», тел.: 8(8552)37-35-91, е-mail: Aelitachkaaa@mail.ru.
