Получение отливок из алюминиевых сплавов литьем в податливую металлическую форму

Язык труда и переводы:
УДК:
621.74
Дата публикации:
20 мая 2022, 11:10
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Тимошкин Иван Юрьевич
Самарский государственный технический университет
Никитин Владимир Иванович
Самарский государственный технический университет
Никитин Константин Владимирович
Самарский государственный технический университет
Нуждин Григорий Сергеевич
ПАО «Гидроавтоматика»
Аннотация:
Проведен анализ открытых источников по получению отливок из цветных сплавов в металлические формы. Определены основные недостатки способа литья и варианты их устранения. Изготовлена податливая металлическая форма для получения образцов из алюминиевых сплавов. Исследовано влияние податливости формы на механические свойства образцов из алюминиевых сплавов. Показана эффективность податливости формы при получении отдельно отлитых образцов. Установлено, что для сплава АК6М2 оптимальной величиной зазора между пластинами является 0,2 мм, для сплава Al–6%Mg-0,3 мм.
Ключевые слова:
кокиль, алюминиевые сплавы, механические свойства, газопроницаемость, податливость металлической формы
Основной текст труда

Кокиль — металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил [1]. Рассматривая два подобных по способу заливки вида литья — литье в песчано-глинистые формы и литье в кокиль, следует отметить, что принципиальное отличие заключается в материале рабочих стенок литейной формы. Данное отличие и обуславливает характерные особенности кристаллизации и формирования отливок, области использования, достоинства и проблемные аспекты литья в металлические формы [2].

Литье в кокиль имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с литьем в песчаную форму [3]. Наиболее существенными недостатками способа являются неподатливость кокиля, которая приводит к появлению в отливках напряжений, а иногда и трещин и отсутствие газопроницаемости формы.

На данный момент получение отливок из алюминиевых сплавов литьем в кокиль занимает большую долю производства отливок, но, тем не менее, до сих пор не устранены  недостатки литья в кокиль. В работах А.И. Вейника [4] предложены оригинальные технические решения для устранения недостатков литья в кокиль. Данные решения позволяют исключить многие дефекты отливок при литье в кокиль. Авторы работы [5] предлагают обобщить предложенные решения понятием специальные виды кокилей. Кокили специальных видов предлагается применять при производстве особых отливок в мелкосерийном производстве. Для исключения недостатков кокилей предлагается идея расчленения стенки формы на элементы.

Использование кокилей с рабочей стенкой формы из составных элементов сохраняет важнейшие свойство компактных металлов, высокую прочность при наличии пластичности и высокую теплопроводность. В зависимости от степени сжатия пакета элементов они сохраняют податливость и возможность деформироваться, также они имеют высокую газопроницаемость [6].

При расчленении стенки кокиля стремятся сделать их универсальными и нормализованными. Такие элементы могут иметь в сечении квадрат, прямоугольник, треугольник, круг и т. д.

Литьем в кокиль из алюминиевых сплавов производят детали двигателей машин, корпуса для насосов и фильтров, детали для бытовой техники. Наибольшее распространение в промышленности имеют сплавы систем А1–Si и Al–Si–Mg, обладающие наилучшими литейными свойствами. Сплавы систем Al–Cu и Al–Mg имеют более низкие литейные свойства по сравнению со сплавами групп I и II — пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку (до 13 %), склонны к образованию трещин, рыхлот и пористости в отливках.

Чаще всего к образованию усадочных дефектов склонны широкоинтервальные сплавы. В связи с этим, в работе были выбраны сплавы двух систем — сплав АК6М2 системы Al–Si–Cu интервал кристаллизации 45 °С (узкоинтервальный сплав) и бинарный сплав Al–6%Mg системы Al–Mg интервал кристаллизации 170 °С (широкоинтервальный сплав). Сплав АК6М2 использовали готовый в чушковом виде, химический состав сплава соответствует ГОСТ 1583–93. Сплав Al–6%Mg готовили из следующих шихтовых материалов: алюминий чушковый А7, магний чушковый Мг90, лигатура AlBe3, флюс карналлитовый. Приготовление сплавов производилось в электрической печи сопротивления.

Для исследования влияния податливости формы эксперименты проводили на податливом кокиле для получения отдельно отлитых образцов на механические испытания, изготовленном на АО «Гидроавтоматика» (рисунок 1, а). Кокиль состоит из двух половин с вертикальной плоскостью разъема и нижней плиты. Для формирования рабочей части образца в половинках кокиля предусмотрены вставки, которые крепятся с помощью болтов с торцевой стороны кокиля. Одна вставка цельнометаллическая, вторая составная и состоит из стальных пластин толщиной 3 мм (рисунок 1, б). Зазор между пластинами обеспечивали с помощью латунных пластин толщиной 0,1 мм (рисунок 1, в).

Для получения отливок подогрев формы осуществляли на борту печи. Перед началом литья рабочую поверхность кокиля окрашивали краской. В процессе заливки контролировали температуру формы и расплава. Температура расплава была постоянной и составляла для сплава АК6М2 720–730 °С, для сплава Al–6%Mg 690–700 °С. Температура формы изменялась от 60 до 170 °С.

На полученных образцах определяли механические свойства (предел прочности при растяжении (σв) и относительное удлинение (δ)).

При получении отливок из сплава АК6М2 в податливый кокиль было получено 100 % годных образцов (без трещин), при получении отливок в кокиль с цельнометаллической вставкой  было получено 90 % годных образцов, несколько отливок разрушилось до извлечения из формы.

При получении отливок в кокиль с податливой вставкой из пластин механические свойства во всех случаях выше, чем на образцах, полученных при литье в кокиль с цельнометаллической вставкой. Так, при величине зазора 0,2 мм предел прочности повышается на 23 %, а пластичность на 34 %, при величине зазора 0,3 мм предел прочности повысился на 11 %, пластичность на 30 %.

Аналогичные результаты по механическим свойствам получены на образцах из сплава Al–6 %Mg. При величине зазора 0,2 мм предел прочности повышается на 6 %, а пластичность на 18 %, при величине зазора 0,3 мм предел прочности повысился на 8 %, пластичность на 25 %.

Анализ полученных данных показал, что более значительное изменение механических свойств происходит на образцах из сплава АК6М2, хотя при этом сплав Al–6%Mg имеет более высокую линейную усадку. Изменение свойств подобного характера вероятнее всего связано с наличием в образцах из сплава Al–6%Mg внутренних дефектов металлургического характера. Тем не менее, во всех случаях свойства образцов, полученных в кокиль с податливой вставкой выше, чем свойства образцов, полученных в цельнометаллический кокиль.

Анализ литературы показал, что в связи со сложностью изготовления и ограниченности применения податливые металлические формы не получили промышленного распространения. Тем не менее, показана эффективность использования кокилей с податливыми вставками из унифицированных элементов для получения протяженных образцов малого сечения.

Обеспечение податливости и газопроницаемости кокилей предлагается обеспечивать вставками в форму из унифицированных элементов (прутки разного сечения, пластины, порошковые материалы).

Установили, что для сплава АК6М2 оптимальной величиной зазора между пластинами является 0,2 мм (σв выше на 23 %, δ на 34 %), для сплава Al–6%Mg оптимальной величиной зазора между пластинами является 0,3 мм (σв выше на 8 %, δ на 25 %). Для сплавов с низкой усадкой и склонность к образованию трещин (силумины) необходимо обеспечение меньшего зазора, чем для сплавов с высокой усадкой (магналии).

Литература
  1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. Москва, Машиностроение, 1990, 384 с.
  2. Казанцев С.П., Фурман Е.Л. Специальные виды литья. Часть 3. Литье в кокиль, классификация металлических форм, конструкции по признакам и разновидностям. Екатеринбург, 2017, 108 с. URL: https://study.urfu.ru/Aid/Publication/13634/1/Kazanzcev_Furman.pdf (дата обращения: 15.04.2022).
  3. Ефимова В.А. Специальные способы литья: справочник. Москва, Машиностроение, 1991, 736 с.
  4. Вейник А.И. Кокиль. Минск, Наука и техника, 1972, 352 с.
  5. Бураков С.Л., Вейник А.И., Дубинин Н.П., и др. Литье в кокиль. Москва, Машиностроение, 1980, 415 с.
  6. Вейник А.И., Волков Ю.А. Сборный податливый кокиль. А. с. 185464 СССР, 1966.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.