Получение качественного алюминиевого литья с использованием избыточного давлением

    Шифр  мероприятия  -  МК-44-90

    Получение качественного алюминиевого литья с использованием избыточного давлением

    А.Г. Меркушев, М.В. Быстров

    ОАО “Уральский научно-исследовательский технологический институт”, Свердловская обл., г. Екатеринбург, Россия. 

    Технический прогресс в машиностроении выдвигает все более жесткие требования к качеству литых изделий. В ряде случаев эти требования оказываются настолько высокими, что обычные методы изготовления отливок путем заливки форм под действием силы тяжести при атмосферном давлении не в состоянии обеспечить получение отливок необходимого качества.

    В настоящее время, проверено на практике и освоено множество прогрессивных  методов литья, обеспечивающих получение  отливок высокой точности.

    Огромное  значение имеет разработка и исследование методов литья с использованием физического воздействия на жидкий металл в процессе его заливки и формирования отливок в полости литейной формы.

    ОАО “Урал НИТИ” с 1970 года занимается изучением и совершенствованием таких перспективных технологических процессов изготовления отливок из алюминиевых и магниевых сплавов как:

• Литье под низким давлением в атмосферных условиях;
• Литье под низким давлением в вакуумированную форму;
• Литье с противодавлением;
• Литье вакуумным всасыванием.

    Все перечисленные технологические процессы являются родственными между собой, так как их объединяет наличие перепада давления, создаваемого воздухом или инертным газом, между поверхностью жидкого металла в тигле и полостью литейной формы. Вследствие этого, жидкий металл вытесняется из тигля и через металлопровод поднимается вверх, заполняя полость литейной формы.

    Создание  перепада давления значительно большего, чем требуется для заполнения формы, создает избыточное давление на поверхность жидкого металла  в тигле, что позволяет значительно улучшить питание отливки во время ее кристаллизации. В конечном счете это приводит к повышению плотности отливок (1 балл по шкале ВИАМ) и улучшению их механических свойств.

    Не  смотря на общность этих способов литья  все они отличаются друг от друга величиной избыточного давления, воздействующего на жидкий металл в период кристаллизации отливки.

1. Литье под низким давлением в атмосферных условиях.

    Сущность  процесса в том, что на жидкий металл, находящийся в герметичном тигле, воздействует избыточное давление, под воздействием которого металл по металлопроводу поднимается вверх и заполняет форму. После необходимого выдерживания для кристаллизации давление сбрасывается, жидкий расплав сливается обратно в тигель, производится раскрытие формы и извлекается  отливка. При этом способе герметизируется только тигель с жидким металлом. Воздух из формы выходит через толкатели и по разъему формы. Схема процесса показана на рис.1.

Рис.1. Схема процесса литья под  низким давлением.

   

а). начало процесса, Р1=1атм.

  б). заполнение формы, Р2>1атм.  1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя половина формы, 5- верхняя половина формы. 
 

2. Литье под низким давлением  в вакуумированную  форму.

    При этом способе, как форма, так и  тигель с жидким металлом

загерметизированы. Сущность этого процесса в том, что перед заливкой формы металлом из полости кожуха, где находится литейная форма, и пространства над Рис.2. литье в вакуумированную форму. 

 

    а). начало литейного процесса, Р1<1атм.

    б). заполнение формы, Р2-Р1, Р2<1атм

1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя половина, 5- верхняя  половина формы, 6- кожух. 
 
 

поверхностью  жидкого металла отсасывается воздух и создается одинаковое разряжение. Затем над поверхностью металла  создается избыточное давление и жидкий металл заполняет форму. Процесс аналогичен литью под низким давлением, но при литье в вакуумированную форму можно создать избыточное давление в период  затвердевания отливки в пределах 1,2 – 1,6 атм. Схема представлена на рис. 2. 

3. Литье с противодавлением.

    Загерметизированы форма и тигель с жидким металлом. Сущность этого процесса в том, что в полости тигля, под уровнем жидкого металла, создается избыточное давление, под воздействием которого металл по металлопроводу поднимается в форму. После заполнения в полость тигля и кожух автоматически подается одинаковая величина избыточного давления, которое воздействует на отливку в период ее затвердевания.

    Рис.3. Схема процесса литья с  противодавлением. 

    а). начало литейного процесса, Р1=4-10атм.

    б). Заполнение формы, 1<Р1-Р2>0, Р2>1атм.

    1- тигель, 2- металлопровод, 3- станина, 4- нижняя  половина, 5- верхняя половина формы, 6- кожух. 
 

Перепад давления меньше чем при низком давлении. Но если отливка имеет утолщенные места сверху и снизу, соединенные между собой стенкой, которая быстро «перемерзает», то этот способ дает возможность создать избыточное давление на отливку в верхней части формы, необходимое для получения качественной отливки. Схема на рис.3. 

4. Литье методом вакуумного всасывания.

    При этом методе не требуется герметизация тигля, а требуется лишь герметизация кожуха (литейной формы).

      Сущность процесса в том, что в герметичном кожухе, в котором находится литейная форма, создается разрежение, за счет которого жидкий металл поднимается по металлопроводу вверх и заполняет полость литейной формы. Схема процесса приведена на рис. 4. 

      

    Рис.4. Схема литья методом вакуумного всасывания. 

    а). начало процесса, Р1=1атм.

    б). заполнение формы, Р1-Р2, Р2<1атм. 

    Не  смотря на то, что указанные способы литья позволяют полностью автоматизировать процесс изготовления отливок и дают возможность получать отливки повышенного качества, широкого распространения в нашей стране они не получили. Это связано, с одной стороны, с отсутствием оборудования, а с другой, обусловлено тем, что нет четких результатов о преимуществах того или иного способа с точки зрения получения качественных заготовок различной конфигурации.  

    Для проведения сравнительных испытаний последовательно изготавливались отливки в виде плиты 200х200х25мм. каждым из указанных способов. Исследование проводили на сплаве АК12, при одинаковых температурах расплава (680 град.) и формы (200 град.). Заполнение форм проводилось при одинаковых параметрах (перепад давления и скорость нарастания давления). Таким образом, разница в результатах получалась только за счет разницы в технологической схеме изготовления отливок. Для проведения экспериментов была использована литейная машина ВИД-13, на которой можно произвести все необходимые исследования. Результаты механических испытаний приведены в таблице №1.

    Таблица №1                                                            

 
 

    По результатам испытаний можно сделать следующие выводы:

• Избыточное давление 0,4 атм. приводит повышению механических свойств, при всех исследуемых способах литья;
• Самые высокие значения предела прочности получены при литье вакуумным всасыванием (24,6 кгс/мм²), при литье противодавлением, в вакуумированную форму и ЛНД соответственно 23,5; 23,3; 22,5 кгс/мм²;
• Значение предела текучести незначительно отличается для всех рассматриваемых видов литья и находится в пределах 15-16 кгс/мм²;
• Относительное удлинение для всех видов литья повышенное и находится в пределах 6,9-7,5%;
• При литье в вакуумированную форму и при литье вакуумным всасыванием заполняемость лучше, чем при литье под низким давлением и с противодавлением.