CC BY
49
УДК 620.1.002
Г. Г. Крушенко, С. Н. Решетникова
ВЛИЯНИЕ ЛИТНИКОВО-ПИТАЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИТЫ1Х ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ
Установлено, что расположение отливки в полости литейной формы и конструкция литниково-питающей системы влияют на уровень механических свойств литых деталей.
При получении литьем деталей двигателей, несущих высокие эксплуатационные нагрузки, в случае невозможности оценки уровня их механических свойств либо на прилитых, либо на вырезанных из тела отливок образцах, эти испытания проводят на отлитых одновременно с заливаемой деталью испытательных образцах-свидетелях. Однако на одних предприятиях эти образцы заливают горизонтально, на других - вертикально, как предусмотрено соответствующей заводской технической документацией.
Данное исследование проведено в производственных условиях на широко распространенном в двигателестроении для производства различных транспортных средств конструкционном алюминиевом литейном сплаве АК7ч с целью определения влияния горизонтального и вертикального положения образцов с диаметром рабочей части 12,0 мм в литейной форме на уровень их механических свойств. Образцы обоих типов испытывали без обточки поверхности. Литая поверхность зачищалась только в месте отрезки питателей. После испытаний механических свойств образцов обоих типов из их головок диаметром 18,0 мм вырезали гагаринские образцы с диаметром рабочей части 6,0 мм и также подвергали их испытанию, перед которым их плотность определяли методом гидростатического взвешивания.
Анализ результатов испытаний показал, что временное сопротивление Ов вертикально отлитых образцов диаметром 12,0 мм в среднем составляет 238 МПа, а горизонтально отлитых - 225 МПа, относительное удлинение 5 оказалось больше у горизонтально отлитых образцов -соответственно 3,30 и 6,19 %.
Изучение геометрии литниково-питающих систем (ЛПС) кокилей обоих типов показало их существенное различие. Так, в горизонтальном кокиле располагается один образец массой 0,125 кг, заливка образца и его питание в период кристаллизации осуществляется с помощью конической прибыли массой 0,675 кг с подводом металла в каждую головку вертикальным щелевидным питателем с площадью сечения, равной 7,57-10-4 м2 (суммарная площадь 15,14-10-4 м2) и в рабочую часть - питателем с площадью сечения 4,0-10-4 м2. В вертикальном кокиле располагается два образца с массой каждого по 0,165 кг. Металл подводится к обеим головкам с помощью щелевидных вертикальных питателей с площадью сечения каждого 2,52-10-4 м2 (суммарная площадь 5,04-10-4 м2) от двух щелевидных вертикальных металлопроводов. Масса ЛПС составляет 0,85 кг. Длина горизонтальных образцов составляет 200 мм, что соответствует требуемому конечному размеру, длина вертикального образца - 300 мм - за счет большей длины верхней головки, которая обеспечивает питание кристаллизующегося образца.
Механические свойства образцов испытывали в термически обработанном состоянии (режим Т5). Твердость
измеряли по Бринеллю при диаметре шарика 10 мм, нагрузке 1 000 кг и длительности 30 с.
Анализ результатов испытаний образцов диаметром 6,0 мм, вырезанных из головок диаметром 18,0 мм испытанных образцов диаметром 12,0 мм, показал, что механические свойства у горизонтального варианта отличаются меньше, чем у вертикального. Так, Ов образцов из головок горизонтальных образцов отличается всего на 1,7 %, тогда как для вертикальных - на 2,7 % (больше в 1,58 раза Ов из нижних головок), а 5 - на 0,4 и 10,0 % (разница в 25 раз), твердость НВ (диаметр шарика 5,0 мм, нагрузка - 250 кг, длительность действия нагрузки - 30 с) - на 0,7 и на 2,7 % (разница в 3,85 раза). Для вертикально отлитых образцов все характеристики механических свойств образцов, вырезанных из нижних головок, более высокие, чем из верхних.
Плотность образцов из обеих головок горизонтальных образцов оказалась практически одинаковой, тогда как для вертикального варианта она на 0,31 % больше для образцов из нижних головок. Известно [1], что плотность алюминиевых сплавов той же системы, что и сплав АК7ч (АІ^і) отражает наличие в отливках несплошностей газового, усадочного и газово-усадочного происхождения, и ее величина коррелирует с уровнем механических свойств, что и имеет место в данном случае. Так, изучение продольного осевого сечения испытательных образцов диаметром 12,0 мм выявило наличие в верхней головке вертикально отлитых образцов концентрированнойю усадочной раковины глубиной 10,5 мм, на 7,0 мм ниже которой располагается зона усадочной рассеянной пористости, описываемая эллипсовидным контуром высотой 12,0 и шириной 9,0 мм. В целом верхняя головка поражена усадочными дефектами на глубину до 30 мм, что составляет 21,4 % от высоты головки (до механической обработки). В рабочей части образца усадочные и другие дефекты отсутствовали.
Измерение твердости по высоте вертикального образца показало, что ее значения остаются постоянными (688 МПа) по всей высоте нижней головки и по рабочей части вплоть до высоты образца, равной 196 мм (на 68 мм ниже эллипсовидного контура усадочной пористости). Затем твердость непрерывно снижается и доходит до 595 мм в точке, отстоящей на 10 мм от нижней границы проявления усадочной пористости (в зоне усадочных дефектов твердость не измеряли). В то же время твердость по всей длине горизонтально отлитых образцов оказалась одинаковой (724 МПа).
Результаты испытаний механических свойств образцов, отлитых вертикально и горизонтально, существенно отличаются: последние обладают более высокими и стабильными характеристиками по всей длине, что позволяет рекомендовать методику горизонтальной заливки для оцен-
ки механических свойств, не только литейных алюминиевых сплавов, но и сплавов других систем.
Более высокий уровень свойств горизонтальных образцов объясняется спецификой заполнения полости литейной формы и лучшими условиями питания в процессе кристаллизации металла, что подтверждается более высокими значениями плотности
Влияние ЛПС на качество отливок подтвердилось при литье поршня двигателя внутреннего сгорания. В процессе эксплуатации поршень работает в экстремальных условиях, испытывая сложное температурно-силовое воздействие: воспринимает усилия от давления газов и сил инерции, передает боковое давление от нормальной силы на стенку цилиндра, обеспечивает герметичность внутрици-линдрового пространства с целью его уплотнения от прорыва газов из цилиндра в картер и ограничения доступа в него масла и воздуха, обеспечивает отвод тепла во избежание перегрева двигателя. Вследствие высоких значений максимального давления газов и частоты рабочих циклов, особенно в многооборотных двигателях, характер нагрузки на поршень близок к ударному. Силы инерции в многооборотных двигателях по величине незначительно уступают силам давления газов, а иногда и превышают их.
Мощность, долговечность, надежность и экономичность двигателя, угар масла, токсичность выхлопных газов, шум и другие эксплуатационные параметры в значительной степени зависят от качества поршней, которое определяется используемыми для их изготовления материалами и технологиями.
Поршень представляет собой деталь типа стакан, причем его размеры и отношение высоты к диаметру определяются требуемой для каждого конкретного двигателя мощностью.
В настоящее время поршни изготовливают в основном из алюминиево-кремниевых сплавов эвтектического (от 11.. .13 до 17_25 % Si) состава. При массовом про-
изводстве на автозаводах поршни обычно получают литьем в металлические формы (кокиль) с вертикальным разъемом при расположении детали донышком вниз. Внутренняя поверхность поршня обычно оформляется разъемным выемным стержнем. Заливка и питание отливки в процессе кристаллизации осуществляется с помощью вертикальной щелевой ЛПС при подводе металла по боковой цилиндрической поверхности стенки поршня, причем ее масса доходит до 50 % от массы отливки.
Оснастка и технология литья была отработана на поршнях одной из модификаций автомобиля «Икарус» (высота поршня 60 мм, диаметр = 76,5 мм, толщина донышка 6,3 мм), для чего была изготовлена специальная оснастка. Для оформления наружной поверхности поршня изготавливается неразъемный кокиль в виде цилиндра с дном (вытряхной кокиль) и стержневой ящик, состоящий из двух половинок с вертикальным разъемом между ними. Этот ящик предназначен для изготовления разового песчаного стержня, служащего для оформления внутренней поверхности поршня, включая бобышки с отверстиями в них под палец, в котором устроена верхняя литниково-питающая система, не соприкасающаяся со стенкой кокиля, что усиливает ее питающие характеристики. Стержневой ящик изготовляется из вышедшего из строя поршня путем его разрезки в вертикальной плоскости на две симметричные по-
ловины, в каждой из которой находится бобышка, и помещения между ними при формовке стержня фигурной пластинки, служащей для компенсации уменьшения диаметра на толщину разреза поршня.
Материалом для песчаного стерженя, формирующего внутреннюю полость поршня, являлась химико-тверде-ющая смесь. Рабочий сплав готовили в электрической печи сопротивления по стандартной для литейных алюминиевых сплавов системы Al-Si доэвтектического. После проведения требуемых металлургических операций и достижения необходимой температуры сплав заливали в заранее собранную литейную форму - кокиль с установленным в нем песчаным стержнем. После затвердевания металла и удаления отливки из кокиля из поршней удаляли песчаные стержни. Термическую обработку поршней производили по режиму Т6 (нагрев под закалку до температуры 515 ± 5 °С, выдержка 6 ч, охлаждение в воде; последующее старение в течение 4 ч при температуре 200 ± 5 °С/ (473 ± 5 К), охлаждение на воздухе).
Измерение твердости по донышку термообработанных поршней показало среднюю величину НВэксп = 1 210 МПа, что на 27,0 % больше требований ГОСТ 1583-89 для сплава-аналога АК9М2. Расчетное значение временного сопротивления о составило 248 МПа (о = НВ : К =
А в. расч 4 в.расч эксп
1 210 : 4,87 = 428 МПа), что на 27,2 % больше требований ГОСТ 1583-89 для сплава-аналога АК9М2.
При осмотре обработанных поверхностей было установлено полное отсутствие на них, а следовательно, и в объеме отливки газовой пористости. Известно, что при поражении пористостью отливок из алюминиевых сплавов снижаются их механические свойства, а в случае работы под давлением снижается и герметичность. Излом стенки и донышка поршней показал типичную для специально обработанного натрийсодержащим модификатором сплава картину вязкого разрушения, а угол изгиба фрагмента стенки поршня до его разрушения составил 65°, что свидетельствует о достаточно высокой вязкости разрушения и пластичности, связанной с высокой степени измельчения эвтектики. Последнее при изучении микроструктуры подтвердилось.
Высокая плотность сплава, полученного из переплава вышедших из строя поршней, и высокая степень его модифицирования подтвердили предположение авторов
о том, что в данном случае можно избежать операций рафинирования и модифицирования.
В отличие от классической ЛПС, обычно применяющейся при литье поршней, при которой щелевой питатель располагается вертикально по всей высоте боковой поверхности детали и масса которого составляет до 50 % массы собственно отливки, в разработанной авторами технологии ЛПС практически отсутствует, а заливка металла производится через «юбку» поршня. При этом черновая масса литого поршня вместе с ЛПС, литейными допусками и припусками на механическую обработку (0,13 кг) всего на 11 % превышает массу детали в механически обработанном состоянии (0,28 кг). Исключение щелевого подвода металла существенно уменьшает трудоемкость механической обработки отливки, так как исключается операция отрезания щелевого подвода с одной поршня и такой же щели с его противоположной стороны.
Влияние конструкции ЛПС было изучено при литье ротора. Для изготовления из труднообрабатываемых жа-
ропрочных сплавов высокоточных деталей сложной геометрии, сочетающей массивные и тончайшие элементы, которые в процессе эксплуатации в составе мощных энергетических устройств работают в экстремальных силовых и температурных режимах, применяют единственно возможный в этом случае способ - литье по выплавляемым моделям (ЛВМ). При этом вследствие исключительно высоких требований к качеству таких отливок (требуется практически полное отсутствие любых литейных дефектов) они подвергаются целому ряду отсеивающих контрольных процедур, в результате проведения которых из-за выявления различных дефектов бракуется большое количество деталей (в отдельных плавках - почти 100 %).
Такая же ситуация возникла и при ЛВМ из жаропрочных сплавов высокоточной фасонной отливки - деталях типа ротор, представляющей собой деталь в форме диска.
На качество литых изделий влияет значительное количество факторов и одним из эффективных средств количественной оценки этого влияния является метод экспертных оценок [2], основанный на априорном выявлении значения отдельных факторов на возникновение того или иного дефекта. С этой целью была разработана анкета экспертных оценок, в которой были приведены выявляемые на детали дефекты (8 видов на отливках из обоих сплавов) и которые были приняты за функции (суммарный брак по ним достигал почти 100 %). В качестве независимых факторов, ставших возможными причинами появления этих дефектов, были взяты отмеченные в технологии параметры литья (21 параметр для отливок из сплава № 1 и 19 - для отливок из сплава № 2). Все число экспертов было разделено на 5 групп по служебному признаку:
1 - научные сотрудники, 2 - специалисты отдела главного металлурга предприятия, 3 - технологи, 4 - мастера и 5 - администрация литейного цеха. Каждый эксперт, полагаясь на свой опыт, внес в анкету соответствующие числовые ранги в графах, показывающих, с его точки зрения, связь рассматриваемого фактора с каким-либо дефектом. При заполнении анкет не допускалось повторение числовых рангов по виду дефекта, за исключением случаев, когда группе факторов (от 2 до 11) присваивался соответствующий средний ранг, который вычислялся как среднее арифметическое группы по формуле
_ Xап
П=Хк
а. =-----к----.
( хр - хк-1)
В случаях когда эксперты какой-либо группы в целом по группе оценивали какое-то число факторов, но у отдельных экспертов некоторые из этих факторов не отмечались как значащие, анкета заполнялась средними рангами для всей группы неоцененных факторов, вычисленных для равнозначных факторов. В результате проведения соответствующей математической обработки анкет
было построено 96 гистограмм ранговой оценки влияния учитываемых факторов на появление конкретных дефектов как по каждой группе экспертов, так и по обобщенному коллективу. Конечный анализ показал, что большую часть дефектов основная группа экспертов отнесла на счет конструкции ЛПС отливки. Действительно, проведенное, казалось бы несущественное, изменение некоторых ее элементов и связанная с этим небольшая корректировка технологического процесса обеспечили сто процентную годность отливок по рентгеновскому просвечиванию, а также в 2,5.. .3,0 раза уменьшили отсев деталей другими методами контроля. Кроме того, в результате изменения конструкции ЛПС расход дорогостоящих сплавов уменьшился на 20.25 %.
В результате проведения описанных и других мероприятий улучшилось качество цельнолитых роторов и выход годного повысился до 90 %.
Наконец, существенное влияние устройства ЛПС на качество ответственной отливки летательного аппарата - детали типа кронштейн, отливаемой на двух разных предприятиях из сплава АК7 в кокиль, подтвердилось еще в одном случае. По технологии 1 была принята щелевая ЛПС, подводящая металл в нижнюю часть отливки через наклонный стояк в вертикальный цилиндрический металлоприемник посредством вертикальной щели. Кокиль в процессе заливки находился в стационарном состоянии. При литье детали по технологии 2 кокиль кантовали на30.45° и заливку производили в стояк, подводящий металл в верхнюю часть отливки. В обоих случаях массивные узлы отливки подпитывали прибылями. Сплав готовили по стандартной технологии.
Испытание механических свойств отливок производили после термообработки по режиму Т6 на вырезанных из них образцах (по 100 шт. от деталей, отлитых по разным технологиям). Анализ результатов испытаний показал, что детали, отлитые по технологии 2, показали более высокий уровень механических свойств (о = 305 МПа, 5 = 5,5 %), чем
в. ср ср
детали, отлитые по технологии 1 (ов ср=275 МПа; 5ср=2,5 %).
Изучение всех факторов, которые могли бы оказать влияние на механические свойства отливок, показало, что главным из них является устройство ЛПС. Направленная кристаллизация металла, осуществляемая по технологии 2, обеспечивает получение отливок с меньшим количеством усадочных дефектов.
Библиографический список
1. Крушенко, Г. Г. Плотность и механические свойства силуминов, термически обработанных в жидком состоянии / Г. Г. Крушенко, З. А. Василенко // Расплавы. 1988. Т. 2. Вып. 6. С. 67-69.
2. Элти, Дж. Экспертные системы: концепции и примеры / Дж. Элти, М. Кумбс. М.: Финансы и статистика, 1987. 191 с.
G. G. Krushenko, S. N. Reshetnikova
INFLUENCE OF GATIN G-SUPPLY SYSTEM ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF ENGINE MOULDED PIECES
It s established that the location of castings in cavity of mould and the construction of gating system both influence on the level of mechanical properties of cast particles
