Структура и механические свойства отливок из силуминов, полученных литьем с кристаллизацией под давлением

Литьем с кристаллизацией под давлением (ЛКД), используя схему пуансонного прессования [1], изготовляют втулки, отливки типа стакана, заготовки корпусных деталей и поршней.

Опыты проводили на отливках типа стакана с наружным диаметром 60 мм, высотой 60 мм и толщиной стенки 5, 10, 15 и 20 мм, изготовляемых из алюминия А7, алюминиевых сплавов АК7ч (АЛ9), АК12 (АЛ2) и АК18.

Алюминий и сплавы на его основе переплавляли в графитошамотных тиглях вместимостью 0,9 кг, не дегазировали и не рафинировали. Непосредственно из тигля расплавы заливали в матрицу пресс-формы, установленную и закрепленную на столе гидравлического пресса Д2430Б с номинальным усилием 1 МН [2]. Были приняты следующие режимы литья и прессования: температура заливки на 60…80 °С превышала температуру ликвидус (кристаллизации) сплава; температура матрицы 60…120 °С; температура пуансона 20…40 °С; время выдержки расплава в матрице до внедрения пуансона 3…4 с; давление прессования 150 ± 10 МПа; время прессования (выдержки под давлением) 1,0…1,5 с на 1 мм толщины стенки. Рабочие поверхности матрицы и пуансона смазывали минеральным маслом.

Исследование микроструктуры отливок показало, что она изменяется (для одного и того же сплава) при увеличении толщины стенки и по высоте стенки одной и той же толщины [3, 4]. Так, расстояние между осями дендритов второго порядка d_п возрастает от 30 до 40 мкм (сплав АК7ч) и от 25 до 32 мкм (сплав АК12) при увеличении толщины стенки от 5 до 20 мм, при этом величина d_п незначительно (на ~5 мкм) изменяется по толщине стенки (при переходе от наружной поверхности к внутренней). В верхних зонах стенки величина d_п, как правило, меньше, чем в нижних; это различие достигает 10…15 мкм. Например, в отливках с толщиной стенки 5 мм в верхних зонах величина d_п = 20 мкм, в нижних — 35 мкм (сплав АК7ч), а с толщиной стенки 20 мм — соответственно 25 и 40 мкм. В отливках из сплава АК12 это различие меньше: 25 мкм (верхние зоны) и 30 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 5 мм; 25 мкм (верхние зоны) и 35 мкм (нижние зоны) при толщине стенки 20 мм [5].

Твердость отливок находится в пределах: 70…100 НВ (сплав АК7ч), 70…120 НВ (сплав АК12) и 105…140 НВ (сплав АК18).

Прочностные и пластические характеристики отливок с толщиной стенки 10 мм определяли на нестандартных образцах, вырезанных из вертикальных стенок и  сохранивших с двух сторон литую поверхность; их размеры следующие: длина 55…60 мм, толщина 9…10 мм. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические свойства отливок с толщиной стенки 10 мм (литое состояние)

Проанализирована удаленность места разрушения разрывных образцов от нижнего торца отливки. Известно [1], что при пуансонном прессовании возможно образование спаев, распространяющихся от наружной поверхности в глубь стенки отливки по уровню заливки расплава в матрицу пресс-формы. В проведенных опытах для отливок с толщиной стенки 10 мм этот уровень соответствовал 38 ± 3 мм от дна матрицы (и, следовательно, от нижнего торца отливки), а толщина дна была 10 ± 3 мм. Разрыв образцов происходил на следующем расстоянии от нижнего торца отливки: 23 мм (сплав АК7ч), 13 мм (сплав АК12) и 21 мм (сплав АК18). Видно, что разрыв происходил не по уровню заливки расплава в матрицу, что косвенно свидетельствует об отсутствии в них спаев, указанных выше.

Выводы:

1.  установлены закономерности затвердевания отливок из силуминов при пуансонном прессовании. Показано, что с увеличением толщины стенки от 5 до 20 мм возрастает время затвердевания отливок, что приводит к незначительному укрупнению структуры в целом и отдельных ее составляющих;
2. даже при отсутствии дегазирующей и рафинирующей обработки расплава механические свойства отливок, прессованных при затвердевании, выше требований ГОСТ 1583–93.