Исследование процесса литья под давлением цинковых сплавов
ART 970559
Авторы:
П.
В. Корепанов, И.
А. Савин
П.
В. Корепанов, И.
А. Савин Библиографическое описание статьи для цитирования:
Корепанов
П.
В.,
Савин
И.
А. Исследование процесса литья под давлением цинковых сплавов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
1161–1165. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970559.htm.
Аннотация. Рассматривается проблема эксплуатационной стойкости пресс-форм литья под давлением цинковых сплавов. Описаны исходные параметры эксперимента, влияющие на конечный показатель эксплуатационной стойкости. Выбраны факторы, позволяющие следить за процессами, происходящими в пресс-форме во время работы, а также указаны первые данные описанного эксперимента.
Ключевые слова:
износостойкость, пресс-форма, литье под давлением, эксплуатационная стойкость пресс-форм, формостойкость
Текст статьи
Савин Игорь Алексеевич,кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой конструирования и технологий машиностроительных производств ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ, г.Набережные Челны1705kzn@mail.ru
Корепанов Павел Владимирович,студенткафедры конструирования и технологий машиностроительных производств ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ, г.Набережные Челны1705kzn@mail.ru
Исследование процесса литья под давлением цинковых сплавов
Аннотация.Рассматривается проблема эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением цинковых сплавов. Описаны исходные параметры эксперимента, влияющие на конечный показатель эксплуатационной стойкости. Выбраны факторы, позволяющие следить за процессами, происходящими в прессформево время работы, а также указаны первые данные описанного эксперимента.Ключевые слова:прессформа, эксплуатационная стойкость прессформ, литье под давлением, износостойкость, формостойкость.
В условиях современной рыночной экономикиодной из основных задач машиностроения является обеспечение конкурентоспособности получаемых отливок. Это возможно при использовании наиболееэффективных способов литья, обеспечивающих наилучшиетехникоэкономическиепоказатели. Для изделий из цветных сплавов таким способом является литье под давлением. Однако, использование данного способа неприемлемо без учета вопроса возможной низкой эксплуатационной стойкости прессформ, когда количество запрессовок меньше, чем требует ГОСТ 1994674.На протяжении всего периода эксплуатации прессформы для литья под давлением происходят процессы, приводящие к выходу из строя формообразующих вкладышей. Поэтому изучениеданных процессов необходимо для повышения эксплуатационных показателей оснастки для литья под давлением. Все процессы проходящие в рабочей полости прессформы можно разделить на две составляющие: химическое и физическое взаимодействие металла отливок с материалом прессформы для литья под давлением.В результате химического взаимодействия металла отливок и прессформы происходят различные химические реакции, в результате которых образуются гидриды, нитриды и различные окислы. Данные соединения изменяют состав поверхностного слоя вкладышей, что приводит к увеличению хрупкости, а также к уменьшению пластичности и как следствие уменьшению показателя стойкости прессформы в целом. Уменьшение стойкости объясняется тем, что под действием струи расплавленного металла происходит выкрашивание образуемых хрупких соединений с поверхности вкладышей. Также важным является следующий момент, что скорость химических реакций увеличивается, с повышением температуры плавления сплавов. Именно этим можно объяснить малую стойкость прессформ, предназначенных для литья под давлением сплавов с высокой температурой плавления. Тем не менее, насыщением азотом поверхностного слоя стержней и вкладышей возможно замедлить скорость протекания химических реакций в рабочей полости прессформы, что подтверждается экспериментальными данными [1].Помимо химического воздействия со стороны расплавленного металла прессформа для литья под давлением испытывает неблагоприятные физические воздействия, проявляющиеся в виде диффузии, эрозии, кавитации, фазовых превращений, адсорбционноповерхностных эффектов, гидродинамического уноса, коррозионного растрескивания, коррозионной усталости. Диффузия в прессформах для литья под давлением, проявляется в виде налипания и приваривания расплавленного металла к рабочим поверхностям стержней и вкладышей. Сильнее всего данный эффект заметен при литье алюминиевых сплавов, согласно [2] алюминий в состоянии диффундировать на глубину до 7мм в тело формообразующих деталей. Основными мероприятиями по уменьшению диффузии являются нанесение покрытий (хромирование, фосфатирование, оксидирование), а также химикотермическая обработка поверхностного слоя (азотирование, сульфидирование, сульфоцианирование). Однако, данные мероприятия могут привести к уменьшению термостойкости прессформ.При выборе металлов для вкладышей следует обращать внимание на, то что аллотропические и фазовые превращения могут повышать временные и остаточные температурные напряжения.Нарушение сплошности потока расплавленной текущей жидкости проявляется в виде пузырьков, пустот и полостей описывается понятием кавитация. Она возникает в тех случаях, когда гидравлическое и гидродинамическое давления превышают определенные критические значения и приводит к нарушению целостности потока. Данные пустоты заполняются растворенными в жидкости газами или паром и образуют кавитационные полости. Двигаясь в потоке расплавленного металла кавитационные пустоты и пузыри попадают в области с давлением, превосходящим критические значения, где они сокращаются и пропадают. Сокращение кавитационных полостей протекает с большой скоростью исопровождается гидродинамическим ударом о рабочую поверхность. Множество подобных гидродинамическихударов приводит к разрушению рабочего слоя прессформы.[3]Явление кавитации наиболее всего выражено при использовании больших скоростей впуска и течения металла с большими удельными давлениями на участках, преграждающих движению потока расплавленного металла (стенка, стержень). В большинстве случаев разрушение прессформы происходят влокальных участках. Самым действенным способом по борьбе с кавитацией является применение малых скоростей впуска и небольших удельных давлений потока расплавленного металла. По виду разрушения поверхностного слоя схожим с кавитацией является процессэрозии металла. Однако, по поводу возникновения данного эффекта существует несколько мнений. Некоторые считают, что в результате трения абразивных частиц происходит поверхностное выкрашивание, что называют механической эрозией. Другие мнение состоит в том, чтоэрозия возникает под действием кавитации и называется псевдокавитацией. Еще одно объясняснение эрозии, как результат тренияжидкого металла о рабочие поверхности прессформ. Однако, разрушения от кавитации и эрозии носят локальный характер и различить их между собой крайне сложно. Тем не менее, при детальном рассмотрении возможно различить в местах эрозии выкрашивание металла прессформ и сетки разгара. Возможным нарушением поверхностного слоя в местах удара жидкой струи о стенки прессформы являются вымоины. Данный дефект объясняется гидродинамическим уносом или пластической деформацией. Разница между указанными явлениями в том, что при гидродинамическом ударе металл формообразующих деталей удаляется вместе со струей, а при пластической деформации возле вымоин образуется некоторая возвышенность, то есть металл перемещается на некоторое небольшое расстояние. [4]Основным параметром характеризующим гидродинамический унос является скоростной напор деленный на предел текучести:
При значениях Г1 возникает опасное состояние, при котором высока вероятность повреждения.
Напряжения и температурные воздействия могут привести к каогуляции отдельных фаз, что приводит к изменению механических свойств поверхностного слоя. При коагуляции происходитнарушение микроструктуры поверхностного слоя, образуются слои с различной степенью сфероидизации. Данные слои имеют повышенную твердость, но также повышенный показатель хрупкости, что уменьшает срок эксплуатации прессформы.Вследствие высокотемпературного воздействия на детали прессформы происходит упрочнение и разупрочнение материала прессформ, а также процессы рекристаллизации, возврата, дисперсионного твердения и старения. Все эти процессы приводят к изменению показателя твердости поверхностного слояформообразующих деталей, однакозначение твердости должно находиться строго в диапазоне 4348 HRCэ. Процесс упрочнения и разупрочнения является очень сложным и зависит от конкретных условий, но в общем случае при превышении значений 4348 HRCэ происходит разупрочнение, и соответственно, наоборот при малых значениях твердости происходит упрочнение. Важным является момент, что, чем выше температура рабочего сплава, тем интенсивнее происходит процесс упрочнения или разупрочнения. При первых запрессовках возможно появление трещин на рабочих поверхностях прессформы за счет адсорбционноповерхностных эффектов (эффект Ребиндера), возникающие при взаимодействии жидкого металла с твердым материалом прессформы. При совпадении неблагоприятных условий, по причине эффекта Ребиндера возможно разрушение прессформы за считанные минуты. Поэтому при запуске прессформы в эксплуатациюнеобходимо следить за рабочими показателями в течение, как минимум, первой сотни запрессовок. Под действием коррозионных сред, таких как: вода, воздух, газ, пар возможно появление трещин за счет коррозионного растрескивания. Также сам по себе материал прессформы обладает коррозионной усталостью. Уменьшение влияния данного эффекта возможно за счет применения поверхностной обработки рабочей полости прессформы.Таким образом разрушение прессформ происходит под действием следующих процессов: износ, формоизменение и термическая усталость. Уменьшение негативных воздействий от данных эффектов возможно различными способами, основными из них являются: нанесение различных покрытий, химикотермическая обработка поверхностного слоя формообразующих деталей, подбором оптимального состава материала прессформ, изменением конструкторскотехнологических параметров процесса литья под давлением [5]. Однако, в общем случае невозможно определить наиболее действенный метод по увеличению показателя стойкости прессформы, но при его выборе одним из самых важных условий является определение физикохимических воздействий на материал прессформ со стороны расплавленного металла отливки.
В настоящее время до 50% заготовок деталей, получаемых методом литья под давлением (ЛПД), изготавливаются из цинковых сплавов.Это обусловлено прежде всего низкими температурами их заливки в литейную форму380480°С, в зависимости от состава сплава, а также хорошими литейными свойствами, в частности, возможностью получения в литье тонких стенок толщиной менее 1мм, что позволяет изготавливать данным методом отливки с минимальными припусками на механическую обработку. Качество поверхности получаемых отливок позволяет в дальнейшем легко наносить на нее различные виды покрытий, таких как медные, хромовые, никелевые, кадмиевые. Эти и другие преимущества ЛПД цинковых сплавов в условиях рыночной экономики создают серьезные предпосылки для расширения применения этой технологии в условиях массового и крупносерийного производства. Однако этому препятствует отсутствие надежных методик прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ.Многочисленные исследователи указанной проблемы до сих пор основное внимание уделяли более высокотемпературным сплавам на основе меди и алюминия. Как следствие, прямое применение разработанных ими методик оценки ресурса прессформ ЛПД для цинковых сплавов без учета их специфики (свойств сплавов и особенностей технологии получения из них заготовок методом ЛПД) дает недостоверную информацию, не представляющую научной и практической ценности.Как показали результаты проведенного авторами данной работы информационноаналитического обзора, сейчас проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов на предприятиях попрежнему не решена.[6]В связи с этим работы, нацеленные на создание или оптимизацию расчетных методик оценки ресурса прессформ ЛПД для литья цинковых сплавов, вызывают интерес упроизводственников. Важной с теоретической точки зрения является работа [2], в которой описан экспериментальнорасчетная методика оценки эксплуатационной стойкости прессформ.В данной работе срок эксплуатации прессформы разбит на 2 периода: первый допоявления первых трещин, второй рост трещин до критических размеров или до момента разрушения. Длительность первого периода, в конечном счете, основана на определении силового критерия
где температурные напряжения, действующие на металл прессформы в области пластических деформаций ,
предел текучести материала.В зависимости от численного значения данного критерия определяется, каков характер повреждения. В случае возникает термоусталостное повреждение, приквазистатическое повреждение, если же возможно сложение термоусталостного и квазистатического повреждений. Силовой критерии дает возможность достаточно точно оценить зависимость поведения материала прессформы от воспринимаемых им напряжений.
Для термоусталостного разрушения:
(1)Для квазистатического повреждения:
(2)Для смешанного разрушения:
(3)В данных формулах величинаотносительной необратимой пластической деформации за цикл,
величина относительной накопленной деформации за цикл, предельная пластичность материала при температуре за цикл, тангенс наклона кривой температурадеформация для рассматриваемого материала.
Расчет периода развития трещин до критических размеров проводится по формуле:
где
текущая безразмерная мера повреждений, ,
коэффициент учитывающий скорость роста трещины на iом шаге нагружения,m коэффициент наклона кривой температурадеформация,
приведенный коэффициент асимметрии цикла на iом шаге нагружения,i шаг нагружения,
глубина трещины за каждый шаг нагружения.Таким образом, эксплуатационная стойкость будет определяться выражением
где количество циклов до появления первых трещин,
количество циклов до появления критических размеров трещин.Данная методика расчета с небольшими отклонениям подтвердилась практическими значениями. Однако, ее применение при использовании цинковых сплавов невозможно по следующим причинам: расчетпервого периода до появления первых трещин производится при малоцикловом нагружении, второйпериод роста трещин до критических размеров определяется на основе экспериментальных данных, полученных при использовании алюминиевых сплавов.[7]По мнению авторов данной работы, приведенная информация позволяет сделать однозначный вывод об актуальности проблемы, вынесенной в название, а также острой необходимости проведения теоретических и экспериментальных изысканий, направленных на ее разрешение.Эти исследования прежде всего должны опираться на результаты детального анализа технологического процесса ЛПД цинковых сплавов, краткие итоги которого приведены ниже.При ЛПД цинковых сплавов используются машины с горячей камерой прессования (рис.1). Основное достоинствотаких машин заключается в том,цинковыесплавы в них не входят во взаимодействие с металлом прессовой пары и металлопровода[1]. Это объясняетсятем, что в расплавленном состоянии цинк, по своим физикохимическим свойствам не входит во взаимодействие с поверхностным слоем деталей прессформы. При этом горячекамерное литье защищает получаемые отливки от газовых включений.
Рис.1 Схема литья под давлением на машинах с горячей камерой прессования [2]
При температуре подогрева прессформ 20400°С и перегреве жидкого металла на 0200°С, т.е. до уровня при работе без смазки температура контакта колеблется в пределах 250500°С, а температурный перепад в пределах 260100°С[3]. При этом общая деформация изменяется от 0,00012 до 0,00276 м, а температурные напряжения от 24,5 до 1000 МПа. Все это приводит к тому, что в рабочей полости прессформы возникают чередующиеся деформации сжатия и растяжения, и именно этоприводит к накоплению остаточной деформации и снижению запаса пластичности. Кроме того существенное влияние на образующиеся локальные области деформирования, в которых концентрируется пластическая деформация, оказывают возникающиенестационарные температурные поля, а цикличность температур дополнительно снижает способность материала сопротивляться разрушениюпри термоусталости [2]. Наиболее нагруженными деталями прессформы являются вкладыши и стержни. Стойкость этих деталей, в конечном счете и регламентирует стойкость прессформы в целом. Данные детали испытывают тепловые, гидродинамические и термомеханические нагрузки [3]. В свою очередь, наиболее нагруженными поверхностями матриц являются внутренние рабочие поверхности, галтельные переходы, зоны около каналов охлаждения[2]. Прессформа ЛПД (рис.2) работает в условиях температурносиловых циклических воздействий (ТСЦВ). Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев и гребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны.
Рис.2. Многоместная прессформа
Вкачестве фактора, влияющего на термостойкость, предлагается тепловая деформация, т.е. смятие формообразующих поверхностей прессформ. При эксплуатации данные деформации смятия суммируются, что приводит к появлению зазоров между стыковыми поверхностями прессформ и как следствие, образованию облоя на отливаемых изделиях. В рамках известной методики И.И. Горюнова в качестве критерия оценки термостойкости материалов предлагается коэффициент охрупчивания
материала прессформы за один цикл [3]. Физический смысл данного коэффициента заключается в том, что при циклировании запас прочности и пластичности металла прессформы понижается в зависимости от свойств материала и термических напряжений. Для случая, когдамаксимальные температурные напряжения меньше предела прочности формула расчета термостойкости имеет следующий вид:
(8)
где
коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.
температурные напряжения;
общая тепловая деформация;
предел прочности материала прессформы;Однако данные, приводимыев этом же источнике для стали 3Х2В8Ф, показывают, что выведенная формула не дает возможности достаточно точно спрогнозировать стойкость прессформы для ЛПД цинковых сплавов.[8]По мнению авторовданной работы,велика вероятность того, что наибольшее влияние на коэффициент термостойкости будут оказывать концентраторы напряжений и чистота рабочих поверхностей матриц, поскольку данные факторы определяют характер взаимодействия потока расплавленного металла с материалом прессформы. Это предположение и является базовым для разработки новой, усовершенствованной методики прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов.В случае однозначного определения зависимости коэффициента термостойкости от указанных факторов появляется возможность не только достаточно точно и адекватно прогнозировать величину эксплуатационного ресурса прессформы, но и создать теоретические предпосылки для управления его величиной. Это, в свою очередь, позволит выработатьпрактические рекомендации по выбору конструкции и материала прессформ для литья под давлением цинковых сплавов для повышения эксплуатационной стойкости наиболее нагруженных деталей технологической оснастки. [9]Процесс литья под давлением имеет более чем вековую историю. Главными его преимуществами являются возможность получения заготовок сминимальными припусками на механическую обработку или без нее и минимальной шероховатостью необрабатываемых поверхностей, обеспечение высокой производительности и низкой трудоемкости деталей [2].Для литья под давлением наиболее широко используют цинковые, алюминиевые, медные и магниевые сплавы. Выпуск литья под давлением из цинковых сплавов в разных странах колеблется от 50 до 70% от общего выпуска отливок, получаемых этим способом [2]. Хорошие литейные свойства цинковых сплавов позволяют получать самые сложные отливки со стенками толщиной менее 1мм. Кроме того, цинковые сплавы не взаимодействуют с металлом прессформы и деталей камеры прессования, что позволяет применять высокопроизводительные автоматические машины с горячей камерой прессования. Еще одним существенным преимуществом этих сплавов является возможность нанесения декоративных, антикоррозионных и упрочняющих покрытий практически всех видов, т.е. производить меднение, никелирование, кадмирование, хромирование без предварительной отделки поверхности отливок [3].Однако, наряду с указанными преимуществами эффективность литья под давлением цинка и его сплавов в ряде случаев недостаточна по причине низкой эксплуатационной стойкости прессформ, когда не обеспечивается требуемое количество запрессовок N≥50000. Поэтому достаточно остро стоит проблема повышения эксплуатационной стойкости прессформ. Решение данного вопроса можно искать в трех направлениях: технологический процесс, оснастка (прессформа), оборудование. В настоящее время рекомендации по выбору параметров технологического процесса и оборудования достаточно широко изложены в научнотехнической литературе, поэтому наиболее рациональным будет рассмотреть взаимосвязи эффективности и рентабельности литья под давления с конструкцией прессформы [2].Анализ разрушения формообразующих матриц прессформ показал, что основным разрушающим фактором является температурносиловое циклическое воздействие (ТСЦВ), обусловленное цикличностью режимов работы прессформы. Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев и гребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны [4]. Таким образом, повышение термостойкости прессформы является одним из возможных направлений в данном вопросе.Критерием оценки термостойкости материалов является обычно число циклов теплосмен Nт или, что то же самое. Количество запрессовок жидкого металла в прессформу до появления трещин на поверхности матрицы [3].Для оценки термостойкости материалов существует много различных критериев и показателей, но не все они применимы при расчете термостойкости прессформ [3]. Термостойкость материала можно определить по формуле:
где
запас прочности и пластичности;
величина охрупчивания материала вкладыша прессформы за один цикл;Физический смысл этой формулы заключается в том, что при циклировании запас пластичности и прочности снижается. И как только температурные напряжения превзойдут прочность материала рабочей поверхности возникнут трещины. Значения и можно определить опытным путем, либо приближенно определить по формуле:
где
расчетное сопротивление разрыву, которую можно принять как:
После подстановки в формулу значения получим
где
общая тепловая деформация;
коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.Общая тепловая деформация выражается отношением приращения длины к ее начальному значению и при одноосном нагружении равна:
При двухосном нагружении с учетом продольной и поперечной деформации общая тепловая деформация
где
коэффициент линейногорасширения;
температура контакта или максимальная температура нагрева рабочей поверхности прессформы;
температура прессформы;
коэффициент Пуассона;После подстановки , и , для простого одноосного нагружения, получаем
а для двухосного
Из формулы видно, что термостойкость прессформы увеличивается с увеличением коэффициента термостойкости, запаса пластичности, прочности материала и с уменьшением температурных напряжений и общейдеформации.Данная формула применима только для случаев, когда температурные напряжения превосходят предел прочности материала прессформ, обладающего пластичностью.Помимо термостойкости, важным фактором, влияющим на эксплуатационную стойкость является износостойкость. Под износом в широком смысле следует понимать изменение частоты рабочей полости и соответственно чистоты поверхности получаемых отливок [3]. Существует много различных теорий износа: механическая, физическая и химикофизическая, химикомеханическая, молекулярная и др. Износ рабочей полости прессформ и металлопроводов по сравнению с обычным износом явление более сложное, так как трение здесь происходит при соприкосновенииих с жидким металлом при больших скоростях, гидродинамических ударах и при высоком конечном удельном давлении. Кроме того действуют и другие факторы.С увеличением числа циклов теплосмен величина шероховатости поверхности возрастает и при какомто цикле она превысит уровень технических требований на отливку. Это число циклов теплосмен и является износостойкостью прессформы.Чистота поверхности изменяется в зависимости от материалов, применяемых для изготовленияотливок. Так, с повышением температуры плавления сплавов чистота поверхности снижается. Снижение чистоты поверхности рабочей полости прессформ и отливок тем интенсивнее,чем выше температура плавления материала отливок.Истирание (трение, смятие), химическое воздействие (коррозия, химические реакции), диффузия, дислокации, вакансии и т.д. имеют место на всей рабочей поверхности, а кавитация, эрозия, гидродинамический унос, пластическое течение металла наблюдаются только в отдельных местах [4]. Износу трением, приводящему к задирам на трущихся поверхностях, особенно сильно подвержены пары: наконечникстакан и стерженьотливка. При износе от действия струи жидкого металла, содержащего твердые частицы металла, также возникают задиры на рабочей полости прессформ. Химическое воздействие металлов вкладыша и отливок проявляется в виде различных химических реакций с образованием окислов, нитридов и других химических соединений, приводящих к изменению состава стали вкладышей прессформ на ее рабочей поверхности иизменению механических свойств и стойкости. Образующиеся химические соединения в большинстве случаев являются хрупкими и под действием струи жидкого металла выкрашиваются, образуя поры на рабочей поверхности вкладыша и повышенную шероховатость на поверхности отливок. Так, при изготовлении отливок из цинковых сплавов цинк с железом материала вкладыша будет образовывать соединения типа FZ, которое под действием струи жидкого металла выкрашивается [5].В результате химического взаимодействия металлов вкладышей прессформ и отливки снижается их износостойкость изза снижения чистоты поверхности рабочей полости вкладышей.Физическое взаимодействие жидкого металла отливки с материалом вкладыша прессформ появляется в виде диффузии, фазовых превращений, эрозии, кавитации, гидродинамического уноса, адсорбционноповерхностных эффектов и др.[6]В качестве основных мероприятий по уменьшению налипания и приваривания применяются покрытия (хромирование, никелирование, фосфатирование и др.), а также химикотермическая обработка (азотирование, сульфоцианирование и др.). Однако покрытия и химикотермическая обработка могут снижать термостойкость прессформ [6].Явление кавитации жидкого металла наблюдается в прессформах для литья под давлением. Это явление особенно заметно выражено в местах удара струи жидкого металла о преграду (стержень, стенка и т.д.) при применении больших скоростей впуска и течения жидкого металла с высокими удельными давлениями. В большинстве случаев разрушение от кавитации носит локальный характер, чаще всего это разрушение сопровождается повышенной пористостью и другими видами износа рабочей поверхности [4].В местах падения струи жидкого металла и в местах ее удара о преграду часто наблюдаются вымоины, причиной появления которых могут являться пластическая деформация или гидродинамический износ металла. Образование вымоин по причине пластической деформации отличается от гидродинамического уноса тем, что при пластической деформации металл только перемещается на некоторое расстояние и остается, образуя около вымоин возвышенность. При гидродинамическом уносе металл удаляется вместе со струей.Циклическое воздействие температуры и напряжений в пограничном слое приводит к изменению строения металла за счет возникающих процессов сфероидизации и коагуляции отдельных фаз. Это приводит к изменению механических свойств металла [7].Разупрочнение и упрочнение материала деталей прессформ в пограничном слое происходят тем интенсивнее, чем выше температура контакта. Разупрочнение и упрочнение происходят вследствиетеплового воздействия, вызывающего рекристаллизацию, возврат, старение, полигонизацию и другие процессы [8].Появление трещин на поверхности рабочей полости прессформ при первых запрессовках возможно за счет возникновения адсорбционноповерхностных эффектов (эффект Ребиндера), возникающих при взаимодействии жидких металлов или газов с твердым металлом. Особенностями эффекта Ребиндера являются резкое снижение механических свойств материала поверхности и быстрота взаимодействия, вызывающая разрушение за минуты и даже секунды. Хрупкость под действием жидких металлов хорошо изучена применительно ко многим условиям работы материалов, но применительно к работе прессформ этот вопрос еще не изучен. Поэтому при быстром разрушении прессформ и анализе его причин необходимо иметь в виду и эффект Ребиндера[4].По причине износа возникает много различных дефектов, но наиболее широкое распространение при литье под давлением цинковых сплавов из них имеет приваривание расплава на рабочие поверхности прессформ [9].Такимобразом, из анализа литературных и производственных данных, следует, что повышение эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением является актуальной проблемой. Основным повреждающим фактором является циклическое температурносиловое воздействие. Наиболее эффективным направлением в решении этой проблемы является оптимизация конструктивных параметров и своевременное проведение восстановительной термической обработки прессформ. Проведя обзор состояния вопроса эксплуатационной стойкости прессформ для литья цветных металлов, возникла необходимость проведения многофакторного эксперимента по выявлению зависимости эксплуатационной стойкости от таких факторов как: шероховатость формообразующих поверхностей, марка стали формообразующих вкладышей, радиусы переходов сопрягаемых поверхностей, вид обработки формообразующих поверхностей.Программа экспериментов состоит из нескольких этапов и заключается в том, что для детали Планка запорная отливаемой из ЦАМа (ГОСТ 2143775) изготавливается прессформа со вставками в подвижном и неподвижном вкладышах для возможности изучения поведения прессформ в различных условиях эксплуатации.Общее количество вставок в каждом из вкладышей 6 единиц. Одна из них является исходной, то есть с конечным показателем стойкости данной вставки будут сравниваться значения стойкости остальных. Рабочие показатели исходной вставки: шероховатость формообразующих поверхностей R 0,2 мкм, марка стали4Х5МФС ГОСТ 595073, вид поверхностной обработки азотирование глубиной h0,080,12мм, неуказанные радиусные переходы 0,2 мм. Остальные вставки, согласно теории факторного эксперимента [2], отличаются от исходной одним из указанных показателей. Таким образом, момент ввода в эксплуатацию у всех вставок будет общим, также факторы, которые меняются с каждой новой партией изготовления деталей (температура и состав сплава, состав смазки, температура охлаждения прессформы, настройка плоскости смыкания при установке прессформы), будут одинаковыми для всех вставок, и по окончанию экспериментаможно будет однозначно сказать какой из исследуемых факторов в большей степени влияет на конечный показатель эксплуатационной стойкости.Шероховатость или чистота формообразующих поверхностей прямым образом влияет на качество поверхности получаемых отливок. Другими словами, чистота рабочей поверхности это прямой показатель износа пресс формы, т.е. чем больше величина шероховатости формообразующих поверхностей, тем больше износ. Критической величиной для данного показателя будет являться максимально допустимая шероховатость получаемых отливок.Таким образом, повышение чистоты рабочих поверхностей, несмотря на увеличение стоимости изготовления, может существенно увеличить период эксплуатационной стойкости прессформ. Поэтому в одной из вставок данный показатель составляетR 0,08 мкм.Состав материала формообразующих деталей определяет способность оснастки сопротивляться процессам, приводящим к выходу прессформы из строя, таким как: термическая усталость, износ, формоизменение [3]. В настоящее время существует огромное количество сплавов для изготовления оснастки для литья под давлением, однако их все можно разделить на несколько групп: хромовольфрамованадиевые стали, хромомолибденованадиевые стали, гораздо реже используются сплавы на основе тугоплавких металлов, меди, железа, никеля и кобальта. В зависимости от состава материала (марки стали) рабочих деталей, выбирается конкретный метод термической обработки, которая в конечном счете будет влиять на показатели: износостойкости, формостойкости, термостойкости. Данные показатели рассматриваются в комплексе, так как повышение одного из них может негативно сказаться на другом, и, в конечном счете не возыметь никакого эффекта для конечного значения стойкости прессформы. Поэтому при выборе конкретной марки сталистоит отталкиваться от следующих моментов: температура рабочего сплава, марка отливаемого материала, наличие охлаждения прессформы, стоимость материала и т.д. Материал исходной вставки 4Х5МФС относится к хромомолибденованадиевым сталям. Данная сталь обладает достаточно большим запасом пластичности Pт510 МПа, что определяет хорошую термостойкость [3]. Температура закалки Т100020 ºС, нагрев под закалку производится в печи с нейтральной атмосферой до 650750 ºС медленно, а после до 1000 ºС быстро. Окончательная твердость определяется температурой отпуска, для исходной вставки она составляет Тотп.640 ºС. Особый интерес представляет изменение механических свойств данной стали при вводе в эксплуатацию (первая тысяча циклов). В качестве сравнения, одна из вставок изготовлена из зарубежного аналога стали 4Х5МФС стали ohlr W300 Iobloc IN 17350. Данная сталь содержит минимальное количество неметаллических включений, данное свойство, по заявлениям производителя, обеспечивается специальными мерами при плавке. Также, к достоинствам стоит отнести повышенную устойчивость к появлению трещин разгара, высокие показатели ударной вязкости и теплопроводности. Однако, при всех своих неоспоримых достоинствах, стоимость данной стали в несколько раз больше стоимости стали4Х5МФС, что обозначает необходимость проведения также экономического сравнения данных сталей между собой.Радиусные (галтельные) переходы сопрягаемых поверхностей или концентраторы напряжений являются наиболее нагруженными участками формообразующих поверхностей. Значения напряжений в данных участках весьма высоки и локализованы в малом объеме [4]. Поскольку величина напряжений галтельных переходов в зависимости от объема данного участка описывается нелинейным законом, то незначительное увеличение радиуса перехода, даст ощутимое снижение величины напряжения на данном участке. Единственным ограничивающим фактором для повышения данного показателя является требование размеров у получаемой отливки. В нашем случае возможно увеличение неуказанных радиусов с 0,2мм до 0,3мм, что и было реализовано на одной из вставок.Разрушение прессформ начинается с рабочих поверхностей, так как именно они испытывают влияние всех негативных факторов (высокая температура, химическая активность жидкого отливаемого сплава, напряжения, деформации). Однако, поверхностной обработкой формообразующих поверхностей (нанесением покрытий, насыщением поверхностного слоя определенным элементом)можно уменьшить влияние практически любого негативного фактора. Также к положительным моментам следуетотнести то, что чистота до и после обработки остается неизменной, т.е. не требуется дополнительной механической обработки поверхности. Следует знать,что некоторые способы поверхностной обработки могут нести и отрицательные эффекты, например, используемоев исходной вставке азотирование увеличивает износостойкость формообразующих поверхностей, однако при этом уменьшаетсяпластичность материала, что в свою очередь уменьшает сопротивление термической усталости и сетка разгара на такой поверхности может появиться гораздо быстрее, чем на не азотированной [4]. Поэтому для выбора покрытия необходимо определить условия работы прессформы. Учитывая материал исследуемой детали, (ЦАМ) можно сказать, что температура жидкого сплава относительно невысока 380ºС, поэтому наиболее важными параметрами являются износостойкость и формостойкость. Данным требованиям соответствует многослойное покрытие на основе молибдена, нанесенное методом катодноионной бомбардировки [5].
Поскольку конечным результатом любой технологии является получаемая деталь, то в эксперименте именно получаемая отливка являлась главным критерием годности или негодности прессформы к эксплуатации. Для выявления закономерностей развития какихлибо дефектов также регистрировались значения шероховатости, геометрических размеров, целостности формообразующих поверхностей. результате описанного эксперимента (50000 деталей) выявлена разница между испытываемыми вставками (разница рабочих параметров составляет 1012%). Кроме того, с увеличением количества циклов разница станет более заметной, что позволит сделать выводы, на основе которых можно будет дать конкретные рекомендации по повышению эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением цинковых сплавов.
Ссылки на источники 1.Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Исследование механизма разрушения прессформ с защитным покрытием для литья под давлением цинковых сплавов//Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №8. С.382.Гавариев Р.В., Савин И.А., Леушин И.О. Оптимизация теплового балансапрессформ при литье под давлением Zсплавов под давлением Zсплавов//"Литейное производство" М.2014 № 7. с.26293.Савин И.А.,Гавариев Р.В.Особенности проектирования технологической оснастки для получения отливок сплавов цветных металлов//Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.2012.Т. 4. № 2. С. 414.Гавариев Р.В., Савин И. А., Леушин И. О. Влияние функциональных покрытий на эксплуатационную стойкость прессформ литья под давлением для цинковых сплавов. // Цветные металлы.М. 2016. №1. С.6670DOI10.17580/tsm.2016.01.115.Садиков И.Р.,Гавариев Р.В. О литье под давлением цинковых сплавовНаучнометодический электронный журнал Концепт. 2016. Т. 15. С. 10661070.6.Gavariev R.V., Savin I.A., Savina A.I. To a question of forecasting of firmness of foundry equipment [Текст] // Mor chic choloi. 2015. № 6 р.5861[Electronic journal]. URL: http://technology.snauka.ru/en/2015/06/5795р.58617.Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали хомут/ Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития/Сборник научных трудов 5ой Международной научнопрактической конференции. Курск, 2015. С. 212214.8.Шапарев А.В., Савина А.И. Технологическое и экономическое сравнение резки материалов плазмой и СО2лазерами// Наука и современность. 2016 №3(9) с.181189 DOI: 10.17117/ns.2016.03.1819.Pankratov,D.L.Gavariev, R.V.Gavarieva, K.N.Influence of multilayer coatings on the operational stability of molds for injection molding. (2016)IOP Conference Series: Materials Science and EngineeringVolume 134, Issue 1, 8 July 2016, Article number012031DOI:10.1088/1757899X/134/1/01203110.Шапарев А.В. Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали хомут/Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития/Сборник научных трудов 5ой Международной научнопрактической конференции. Курск, 2015. С. 21221411.Гавариев Р.В.Повышение эксплуатационной стойкости прессформ для литья под давлением на основе анализа термостойкости//Гавариев Р.В., Загуменов А.В.// В сборнике:Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновацииСборник научных трудов XIIой Международной научнопрактической конференции.. Курск, 2015. С. 278282.12.Гавариев Р.В. Взаимодействие расплава с прессформой для литья под давлением цинковых сплавов/ Гавариев Р.В., Гавариева К.Н., Каюмов А.Ф.// В сборнике:Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов/Сборник научных трудов Международной научнотехнической конференции. Курск. 2015. С. 6871.13.Шапарев А.В. Особенности изнашивания механизмов машин в зазоре пары трения/ Шапарев А.В., Галямов А.А.// Молодой ученый. 2015.№121(92). С. 9497.14.
Панкратов Д.Л. Применение дифференцированного нагрева деталей в процессе их восстановления/ Панкратов Д.Л., Пирогова А.А., Хайруллин А.В./В сборнике:Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов//Сборникнаучных трудов Международной научнотехнической конференции. Ответственный редактор Чевычелов С.А. 2015. С. 28328815.Панкратов Д.Л. Проектирование технологических процессов холодной объемной штамповки/Панкратов Д.Л., Владимирова С.Г..Курск: Университетская книга. 2016г. 167с
Корепанов Павел Владимирович,студенткафедры конструирования и технологий машиностроительных производств ФГБОУ ВО Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.ТуполеваКАИ, г.Набережные Челны1705kzn@mail.ru
Исследование процесса литья под давлением цинковых сплавов
Аннотация.Рассматривается проблема эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением цинковых сплавов. Описаны исходные параметры эксперимента, влияющие на конечный показатель эксплуатационной стойкости. Выбраны факторы, позволяющие следить за процессами, происходящими в прессформево время работы, а также указаны первые данные описанного эксперимента.Ключевые слова:прессформа, эксплуатационная стойкость прессформ, литье под давлением, износостойкость, формостойкость.
В условиях современной рыночной экономикиодной из основных задач машиностроения является обеспечение конкурентоспособности получаемых отливок. Это возможно при использовании наиболееэффективных способов литья, обеспечивающих наилучшиетехникоэкономическиепоказатели. Для изделий из цветных сплавов таким способом является литье под давлением. Однако, использование данного способа неприемлемо без учета вопроса возможной низкой эксплуатационной стойкости прессформ, когда количество запрессовок меньше, чем требует ГОСТ 1994674.На протяжении всего периода эксплуатации прессформы для литья под давлением происходят процессы, приводящие к выходу из строя формообразующих вкладышей. Поэтому изучениеданных процессов необходимо для повышения эксплуатационных показателей оснастки для литья под давлением. Все процессы проходящие в рабочей полости прессформы можно разделить на две составляющие: химическое и физическое взаимодействие металла отливок с материалом прессформы для литья под давлением.В результате химического взаимодействия металла отливок и прессформы происходят различные химические реакции, в результате которых образуются гидриды, нитриды и различные окислы. Данные соединения изменяют состав поверхностного слоя вкладышей, что приводит к увеличению хрупкости, а также к уменьшению пластичности и как следствие уменьшению показателя стойкости прессформы в целом. Уменьшение стойкости объясняется тем, что под действием струи расплавленного металла происходит выкрашивание образуемых хрупких соединений с поверхности вкладышей. Также важным является следующий момент, что скорость химических реакций увеличивается, с повышением температуры плавления сплавов. Именно этим можно объяснить малую стойкость прессформ, предназначенных для литья под давлением сплавов с высокой температурой плавления. Тем не менее, насыщением азотом поверхностного слоя стержней и вкладышей возможно замедлить скорость протекания химических реакций в рабочей полости прессформы, что подтверждается экспериментальными данными [1].Помимо химического воздействия со стороны расплавленного металла прессформа для литья под давлением испытывает неблагоприятные физические воздействия, проявляющиеся в виде диффузии, эрозии, кавитации, фазовых превращений, адсорбционноповерхностных эффектов, гидродинамического уноса, коррозионного растрескивания, коррозионной усталости. Диффузия в прессформах для литья под давлением, проявляется в виде налипания и приваривания расплавленного металла к рабочим поверхностям стержней и вкладышей. Сильнее всего данный эффект заметен при литье алюминиевых сплавов, согласно [2] алюминий в состоянии диффундировать на глубину до 7мм в тело формообразующих деталей. Основными мероприятиями по уменьшению диффузии являются нанесение покрытий (хромирование, фосфатирование, оксидирование), а также химикотермическая обработка поверхностного слоя (азотирование, сульфидирование, сульфоцианирование). Однако, данные мероприятия могут привести к уменьшению термостойкости прессформ.При выборе металлов для вкладышей следует обращать внимание на, то что аллотропические и фазовые превращения могут повышать временные и остаточные температурные напряжения.Нарушение сплошности потока расплавленной текущей жидкости проявляется в виде пузырьков, пустот и полостей описывается понятием кавитация. Она возникает в тех случаях, когда гидравлическое и гидродинамическое давления превышают определенные критические значения и приводит к нарушению целостности потока. Данные пустоты заполняются растворенными в жидкости газами или паром и образуют кавитационные полости. Двигаясь в потоке расплавленного металла кавитационные пустоты и пузыри попадают в области с давлением, превосходящим критические значения, где они сокращаются и пропадают. Сокращение кавитационных полостей протекает с большой скоростью исопровождается гидродинамическим ударом о рабочую поверхность. Множество подобных гидродинамическихударов приводит к разрушению рабочего слоя прессформы.[3]Явление кавитации наиболее всего выражено при использовании больших скоростей впуска и течения металла с большими удельными давлениями на участках, преграждающих движению потока расплавленного металла (стенка, стержень). В большинстве случаев разрушение прессформы происходят влокальных участках. Самым действенным способом по борьбе с кавитацией является применение малых скоростей впуска и небольших удельных давлений потока расплавленного металла. По виду разрушения поверхностного слоя схожим с кавитацией является процессэрозии металла. Однако, по поводу возникновения данного эффекта существует несколько мнений. Некоторые считают, что в результате трения абразивных частиц происходит поверхностное выкрашивание, что называют механической эрозией. Другие мнение состоит в том, чтоэрозия возникает под действием кавитации и называется псевдокавитацией. Еще одно объясняснение эрозии, как результат тренияжидкого металла о рабочие поверхности прессформ. Однако, разрушения от кавитации и эрозии носят локальный характер и различить их между собой крайне сложно. Тем не менее, при детальном рассмотрении возможно различить в местах эрозии выкрашивание металла прессформ и сетки разгара. Возможным нарушением поверхностного слоя в местах удара жидкой струи о стенки прессформы являются вымоины. Данный дефект объясняется гидродинамическим уносом или пластической деформацией. Разница между указанными явлениями в том, что при гидродинамическом ударе металл формообразующих деталей удаляется вместе со струей, а при пластической деформации возле вымоин образуется некоторая возвышенность, то есть металл перемещается на некоторое небольшое расстояние. [4]Основным параметром характеризующим гидродинамический унос является скоростной напор деленный на предел текучести:
При значениях Г1 возникает опасное состояние, при котором высока вероятность повреждения.
Напряжения и температурные воздействия могут привести к каогуляции отдельных фаз, что приводит к изменению механических свойств поверхностного слоя. При коагуляции происходитнарушение микроструктуры поверхностного слоя, образуются слои с различной степенью сфероидизации. Данные слои имеют повышенную твердость, но также повышенный показатель хрупкости, что уменьшает срок эксплуатации прессформы.Вследствие высокотемпературного воздействия на детали прессформы происходит упрочнение и разупрочнение материала прессформ, а также процессы рекристаллизации, возврата, дисперсионного твердения и старения. Все эти процессы приводят к изменению показателя твердости поверхностного слояформообразующих деталей, однакозначение твердости должно находиться строго в диапазоне 4348 HRCэ. Процесс упрочнения и разупрочнения является очень сложным и зависит от конкретных условий, но в общем случае при превышении значений 4348 HRCэ происходит разупрочнение, и соответственно, наоборот при малых значениях твердости происходит упрочнение. Важным является момент, что, чем выше температура рабочего сплава, тем интенсивнее происходит процесс упрочнения или разупрочнения. При первых запрессовках возможно появление трещин на рабочих поверхностях прессформы за счет адсорбционноповерхностных эффектов (эффект Ребиндера), возникающие при взаимодействии жидкого металла с твердым материалом прессформы. При совпадении неблагоприятных условий, по причине эффекта Ребиндера возможно разрушение прессформы за считанные минуты. Поэтому при запуске прессформы в эксплуатациюнеобходимо следить за рабочими показателями в течение, как минимум, первой сотни запрессовок. Под действием коррозионных сред, таких как: вода, воздух, газ, пар возможно появление трещин за счет коррозионного растрескивания. Также сам по себе материал прессформы обладает коррозионной усталостью. Уменьшение влияния данного эффекта возможно за счет применения поверхностной обработки рабочей полости прессформы.Таким образом разрушение прессформ происходит под действием следующих процессов: износ, формоизменение и термическая усталость. Уменьшение негативных воздействий от данных эффектов возможно различными способами, основными из них являются: нанесение различных покрытий, химикотермическая обработка поверхностного слоя формообразующих деталей, подбором оптимального состава материала прессформ, изменением конструкторскотехнологических параметров процесса литья под давлением [5]. Однако, в общем случае невозможно определить наиболее действенный метод по увеличению показателя стойкости прессформы, но при его выборе одним из самых важных условий является определение физикохимических воздействий на материал прессформ со стороны расплавленного металла отливки.
В настоящее время до 50% заготовок деталей, получаемых методом литья под давлением (ЛПД), изготавливаются из цинковых сплавов.Это обусловлено прежде всего низкими температурами их заливки в литейную форму380480°С, в зависимости от состава сплава, а также хорошими литейными свойствами, в частности, возможностью получения в литье тонких стенок толщиной менее 1мм, что позволяет изготавливать данным методом отливки с минимальными припусками на механическую обработку. Качество поверхности получаемых отливок позволяет в дальнейшем легко наносить на нее различные виды покрытий, таких как медные, хромовые, никелевые, кадмиевые. Эти и другие преимущества ЛПД цинковых сплавов в условиях рыночной экономики создают серьезные предпосылки для расширения применения этой технологии в условиях массового и крупносерийного производства. Однако этому препятствует отсутствие надежных методик прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ.Многочисленные исследователи указанной проблемы до сих пор основное внимание уделяли более высокотемпературным сплавам на основе меди и алюминия. Как следствие, прямое применение разработанных ими методик оценки ресурса прессформ ЛПД для цинковых сплавов без учета их специфики (свойств сплавов и особенностей технологии получения из них заготовок методом ЛПД) дает недостоверную информацию, не представляющую научной и практической ценности.Как показали результаты проведенного авторами данной работы информационноаналитического обзора, сейчас проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов на предприятиях попрежнему не решена.[6]В связи с этим работы, нацеленные на создание или оптимизацию расчетных методик оценки ресурса прессформ ЛПД для литья цинковых сплавов, вызывают интерес упроизводственников. Важной с теоретической точки зрения является работа [2], в которой описан экспериментальнорасчетная методика оценки эксплуатационной стойкости прессформ.В данной работе срок эксплуатации прессформы разбит на 2 периода: первый допоявления первых трещин, второй рост трещин до критических размеров или до момента разрушения. Длительность первого периода, в конечном счете, основана на определении силового критерия
где температурные напряжения, действующие на металл прессформы в области пластических деформаций ,
предел текучести материала.В зависимости от численного значения данного критерия определяется, каков характер повреждения. В случае возникает термоусталостное повреждение, приквазистатическое повреждение, если же возможно сложение термоусталостного и квазистатического повреждений. Силовой критерии дает возможность достаточно точно оценить зависимость поведения материала прессформы от воспринимаемых им напряжений.
Для термоусталостного разрушения:
(1)Для квазистатического повреждения:
(2)Для смешанного разрушения:
(3)В данных формулах величинаотносительной необратимой пластической деформации за цикл,
величина относительной накопленной деформации за цикл, предельная пластичность материала при температуре за цикл, тангенс наклона кривой температурадеформация для рассматриваемого материала.
Расчет периода развития трещин до критических размеров проводится по формуле:
где
текущая безразмерная мера повреждений, ,
коэффициент учитывающий скорость роста трещины на iом шаге нагружения,m коэффициент наклона кривой температурадеформация,
приведенный коэффициент асимметрии цикла на iом шаге нагружения,i шаг нагружения,
глубина трещины за каждый шаг нагружения.Таким образом, эксплуатационная стойкость будет определяться выражением
где количество циклов до появления первых трещин,
количество циклов до появления критических размеров трещин.Данная методика расчета с небольшими отклонениям подтвердилась практическими значениями. Однако, ее применение при использовании цинковых сплавов невозможно по следующим причинам: расчетпервого периода до появления первых трещин производится при малоцикловом нагружении, второйпериод роста трещин до критических размеров определяется на основе экспериментальных данных, полученных при использовании алюминиевых сплавов.[7]По мнению авторов данной работы, приведенная информация позволяет сделать однозначный вывод об актуальности проблемы, вынесенной в название, а также острой необходимости проведения теоретических и экспериментальных изысканий, направленных на ее разрешение.Эти исследования прежде всего должны опираться на результаты детального анализа технологического процесса ЛПД цинковых сплавов, краткие итоги которого приведены ниже.При ЛПД цинковых сплавов используются машины с горячей камерой прессования (рис.1). Основное достоинствотаких машин заключается в том,цинковыесплавы в них не входят во взаимодействие с металлом прессовой пары и металлопровода[1]. Это объясняетсятем, что в расплавленном состоянии цинк, по своим физикохимическим свойствам не входит во взаимодействие с поверхностным слоем деталей прессформы. При этом горячекамерное литье защищает получаемые отливки от газовых включений.
Рис.1 Схема литья под давлением на машинах с горячей камерой прессования [2]
При температуре подогрева прессформ 20400°С и перегреве жидкого металла на 0200°С, т.е. до уровня при работе без смазки температура контакта колеблется в пределах 250500°С, а температурный перепад в пределах 260100°С[3]. При этом общая деформация изменяется от 0,00012 до 0,00276 м, а температурные напряжения от 24,5 до 1000 МПа. Все это приводит к тому, что в рабочей полости прессформы возникают чередующиеся деформации сжатия и растяжения, и именно этоприводит к накоплению остаточной деформации и снижению запаса пластичности. Кроме того существенное влияние на образующиеся локальные области деформирования, в которых концентрируется пластическая деформация, оказывают возникающиенестационарные температурные поля, а цикличность температур дополнительно снижает способность материала сопротивляться разрушениюпри термоусталости [2]. Наиболее нагруженными деталями прессформы являются вкладыши и стержни. Стойкость этих деталей, в конечном счете и регламентирует стойкость прессформы в целом. Данные детали испытывают тепловые, гидродинамические и термомеханические нагрузки [3]. В свою очередь, наиболее нагруженными поверхностями матриц являются внутренние рабочие поверхности, галтельные переходы, зоны около каналов охлаждения[2]. Прессформа ЛПД (рис.2) работает в условиях температурносиловых циклических воздействий (ТСЦВ). Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев и гребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны.
Рис.2. Многоместная прессформа
Вкачестве фактора, влияющего на термостойкость, предлагается тепловая деформация, т.е. смятие формообразующих поверхностей прессформ. При эксплуатации данные деформации смятия суммируются, что приводит к появлению зазоров между стыковыми поверхностями прессформ и как следствие, образованию облоя на отливаемых изделиях. В рамках известной методики И.И. Горюнова в качестве критерия оценки термостойкости материалов предлагается коэффициент охрупчивания
материала прессформы за один цикл [3]. Физический смысл данного коэффициента заключается в том, что при циклировании запас прочности и пластичности металла прессформы понижается в зависимости от свойств материала и термических напряжений. Для случая, когдамаксимальные температурные напряжения меньше предела прочности формула расчета термостойкости имеет следующий вид:
(8)
где
коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.
температурные напряжения;
общая тепловая деформация;
предел прочности материала прессформы;Однако данные, приводимыев этом же источнике для стали 3Х2В8Ф, показывают, что выведенная формула не дает возможности достаточно точно спрогнозировать стойкость прессформы для ЛПД цинковых сплавов.[8]По мнению авторовданной работы,велика вероятность того, что наибольшее влияние на коэффициент термостойкости будут оказывать концентраторы напряжений и чистота рабочих поверхностей матриц, поскольку данные факторы определяют характер взаимодействия потока расплавленного металла с материалом прессформы. Это предположение и является базовым для разработки новой, усовершенствованной методики прогнозирования эксплуатационного ресурса прессформ ЛПД цинковых сплавов.В случае однозначного определения зависимости коэффициента термостойкости от указанных факторов появляется возможность не только достаточно точно и адекватно прогнозировать величину эксплуатационного ресурса прессформы, но и создать теоретические предпосылки для управления его величиной. Это, в свою очередь, позволит выработатьпрактические рекомендации по выбору конструкции и материала прессформ для литья под давлением цинковых сплавов для повышения эксплуатационной стойкости наиболее нагруженных деталей технологической оснастки. [9]Процесс литья под давлением имеет более чем вековую историю. Главными его преимуществами являются возможность получения заготовок сминимальными припусками на механическую обработку или без нее и минимальной шероховатостью необрабатываемых поверхностей, обеспечение высокой производительности и низкой трудоемкости деталей [2].Для литья под давлением наиболее широко используют цинковые, алюминиевые, медные и магниевые сплавы. Выпуск литья под давлением из цинковых сплавов в разных странах колеблется от 50 до 70% от общего выпуска отливок, получаемых этим способом [2]. Хорошие литейные свойства цинковых сплавов позволяют получать самые сложные отливки со стенками толщиной менее 1мм. Кроме того, цинковые сплавы не взаимодействуют с металлом прессформы и деталей камеры прессования, что позволяет применять высокопроизводительные автоматические машины с горячей камерой прессования. Еще одним существенным преимуществом этих сплавов является возможность нанесения декоративных, антикоррозионных и упрочняющих покрытий практически всех видов, т.е. производить меднение, никелирование, кадмирование, хромирование без предварительной отделки поверхности отливок [3].Однако, наряду с указанными преимуществами эффективность литья под давлением цинка и его сплавов в ряде случаев недостаточна по причине низкой эксплуатационной стойкости прессформ, когда не обеспечивается требуемое количество запрессовок N≥50000. Поэтому достаточно остро стоит проблема повышения эксплуатационной стойкости прессформ. Решение данного вопроса можно искать в трех направлениях: технологический процесс, оснастка (прессформа), оборудование. В настоящее время рекомендации по выбору параметров технологического процесса и оборудования достаточно широко изложены в научнотехнической литературе, поэтому наиболее рациональным будет рассмотреть взаимосвязи эффективности и рентабельности литья под давления с конструкцией прессформы [2].Анализ разрушения формообразующих матриц прессформ показал, что основным разрушающим фактором является температурносиловое циклическое воздействие (ТСЦВ), обусловленное цикличностью режимов работы прессформы. Следствием этого воздействия является термическая усталость, которая и приводит к образованию трещин на поверхности матриц с одной стороны и отпечатков в виде заусенцев и гребешков на поверхности получаемых отливок с другой стороны [4]. Таким образом, повышение термостойкости прессформы является одним из возможных направлений в данном вопросе.Критерием оценки термостойкости материалов является обычно число циклов теплосмен Nт или, что то же самое. Количество запрессовок жидкого металла в прессформу до появления трещин на поверхности матрицы [3].Для оценки термостойкости материалов существует много различных критериев и показателей, но не все они применимы при расчете термостойкости прессформ [3]. Термостойкость материала можно определить по формуле:
где
запас прочности и пластичности;
величина охрупчивания материала вкладыша прессформы за один цикл;Физический смысл этой формулы заключается в том, что при циклировании запас пластичности и прочности снижается. И как только температурные напряжения превзойдут прочность материала рабочей поверхности возникнут трещины. Значения и можно определить опытным путем, либо приближенно определить по формуле:
где
расчетное сопротивление разрыву, которую можно принять как:
После подстановки в формулу значения получим
где
общая тепловая деформация;
коэффициент термостойкости, который зависит от чистоты рабочей поверхности прессформы, чувствительности материала к концентраторам напряжений, остроты надрезов (концентраторов), веса и размеров отливок и др.Общая тепловая деформация выражается отношением приращения длины к ее начальному значению и при одноосном нагружении равна:
При двухосном нагружении с учетом продольной и поперечной деформации общая тепловая деформация
где
коэффициент линейногорасширения;
температура контакта или максимальная температура нагрева рабочей поверхности прессформы;
температура прессформы;
коэффициент Пуассона;После подстановки , и , для простого одноосного нагружения, получаем
а для двухосного
Из формулы видно, что термостойкость прессформы увеличивается с увеличением коэффициента термостойкости, запаса пластичности, прочности материала и с уменьшением температурных напряжений и общейдеформации.Данная формула применима только для случаев, когда температурные напряжения превосходят предел прочности материала прессформ, обладающего пластичностью.Помимо термостойкости, важным фактором, влияющим на эксплуатационную стойкость является износостойкость. Под износом в широком смысле следует понимать изменение частоты рабочей полости и соответственно чистоты поверхности получаемых отливок [3]. Существует много различных теорий износа: механическая, физическая и химикофизическая, химикомеханическая, молекулярная и др. Износ рабочей полости прессформ и металлопроводов по сравнению с обычным износом явление более сложное, так как трение здесь происходит при соприкосновенииих с жидким металлом при больших скоростях, гидродинамических ударах и при высоком конечном удельном давлении. Кроме того действуют и другие факторы.С увеличением числа циклов теплосмен величина шероховатости поверхности возрастает и при какомто цикле она превысит уровень технических требований на отливку. Это число циклов теплосмен и является износостойкостью прессформы.Чистота поверхности изменяется в зависимости от материалов, применяемых для изготовленияотливок. Так, с повышением температуры плавления сплавов чистота поверхности снижается. Снижение чистоты поверхности рабочей полости прессформ и отливок тем интенсивнее,чем выше температура плавления материала отливок.Истирание (трение, смятие), химическое воздействие (коррозия, химические реакции), диффузия, дислокации, вакансии и т.д. имеют место на всей рабочей поверхности, а кавитация, эрозия, гидродинамический унос, пластическое течение металла наблюдаются только в отдельных местах [4]. Износу трением, приводящему к задирам на трущихся поверхностях, особенно сильно подвержены пары: наконечникстакан и стерженьотливка. При износе от действия струи жидкого металла, содержащего твердые частицы металла, также возникают задиры на рабочей полости прессформ. Химическое воздействие металлов вкладыша и отливок проявляется в виде различных химических реакций с образованием окислов, нитридов и других химических соединений, приводящих к изменению состава стали вкладышей прессформ на ее рабочей поверхности иизменению механических свойств и стойкости. Образующиеся химические соединения в большинстве случаев являются хрупкими и под действием струи жидкого металла выкрашиваются, образуя поры на рабочей поверхности вкладыша и повышенную шероховатость на поверхности отливок. Так, при изготовлении отливок из цинковых сплавов цинк с железом материала вкладыша будет образовывать соединения типа FZ, которое под действием струи жидкого металла выкрашивается [5].В результате химического взаимодействия металлов вкладышей прессформ и отливки снижается их износостойкость изза снижения чистоты поверхности рабочей полости вкладышей.Физическое взаимодействие жидкого металла отливки с материалом вкладыша прессформ появляется в виде диффузии, фазовых превращений, эрозии, кавитации, гидродинамического уноса, адсорбционноповерхностных эффектов и др.[6]В качестве основных мероприятий по уменьшению налипания и приваривания применяются покрытия (хромирование, никелирование, фосфатирование и др.), а также химикотермическая обработка (азотирование, сульфоцианирование и др.). Однако покрытия и химикотермическая обработка могут снижать термостойкость прессформ [6].Явление кавитации жидкого металла наблюдается в прессформах для литья под давлением. Это явление особенно заметно выражено в местах удара струи жидкого металла о преграду (стержень, стенка и т.д.) при применении больших скоростей впуска и течения жидкого металла с высокими удельными давлениями. В большинстве случаев разрушение от кавитации носит локальный характер, чаще всего это разрушение сопровождается повышенной пористостью и другими видами износа рабочей поверхности [4].В местах падения струи жидкого металла и в местах ее удара о преграду часто наблюдаются вымоины, причиной появления которых могут являться пластическая деформация или гидродинамический износ металла. Образование вымоин по причине пластической деформации отличается от гидродинамического уноса тем, что при пластической деформации металл только перемещается на некоторое расстояние и остается, образуя около вымоин возвышенность. При гидродинамическом уносе металл удаляется вместе со струей.Циклическое воздействие температуры и напряжений в пограничном слое приводит к изменению строения металла за счет возникающих процессов сфероидизации и коагуляции отдельных фаз. Это приводит к изменению механических свойств металла [7].Разупрочнение и упрочнение материала деталей прессформ в пограничном слое происходят тем интенсивнее, чем выше температура контакта. Разупрочнение и упрочнение происходят вследствиетеплового воздействия, вызывающего рекристаллизацию, возврат, старение, полигонизацию и другие процессы [8].Появление трещин на поверхности рабочей полости прессформ при первых запрессовках возможно за счет возникновения адсорбционноповерхностных эффектов (эффект Ребиндера), возникающих при взаимодействии жидких металлов или газов с твердым металлом. Особенностями эффекта Ребиндера являются резкое снижение механических свойств материала поверхности и быстрота взаимодействия, вызывающая разрушение за минуты и даже секунды. Хрупкость под действием жидких металлов хорошо изучена применительно ко многим условиям работы материалов, но применительно к работе прессформ этот вопрос еще не изучен. Поэтому при быстром разрушении прессформ и анализе его причин необходимо иметь в виду и эффект Ребиндера[4].По причине износа возникает много различных дефектов, но наиболее широкое распространение при литье под давлением цинковых сплавов из них имеет приваривание расплава на рабочие поверхности прессформ [9].Такимобразом, из анализа литературных и производственных данных, следует, что повышение эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением является актуальной проблемой. Основным повреждающим фактором является циклическое температурносиловое воздействие. Наиболее эффективным направлением в решении этой проблемы является оптимизация конструктивных параметров и своевременное проведение восстановительной термической обработки прессформ. Проведя обзор состояния вопроса эксплуатационной стойкости прессформ для литья цветных металлов, возникла необходимость проведения многофакторного эксперимента по выявлению зависимости эксплуатационной стойкости от таких факторов как: шероховатость формообразующих поверхностей, марка стали формообразующих вкладышей, радиусы переходов сопрягаемых поверхностей, вид обработки формообразующих поверхностей.Программа экспериментов состоит из нескольких этапов и заключается в том, что для детали Планка запорная отливаемой из ЦАМа (ГОСТ 2143775) изготавливается прессформа со вставками в подвижном и неподвижном вкладышах для возможности изучения поведения прессформ в различных условиях эксплуатации.Общее количество вставок в каждом из вкладышей 6 единиц. Одна из них является исходной, то есть с конечным показателем стойкости данной вставки будут сравниваться значения стойкости остальных. Рабочие показатели исходной вставки: шероховатость формообразующих поверхностей R 0,2 мкм, марка стали4Х5МФС ГОСТ 595073, вид поверхностной обработки азотирование глубиной h0,080,12мм, неуказанные радиусные переходы 0,2 мм. Остальные вставки, согласно теории факторного эксперимента [2], отличаются от исходной одним из указанных показателей. Таким образом, момент ввода в эксплуатацию у всех вставок будет общим, также факторы, которые меняются с каждой новой партией изготовления деталей (температура и состав сплава, состав смазки, температура охлаждения прессформы, настройка плоскости смыкания при установке прессформы), будут одинаковыми для всех вставок, и по окончанию экспериментаможно будет однозначно сказать какой из исследуемых факторов в большей степени влияет на конечный показатель эксплуатационной стойкости.Шероховатость или чистота формообразующих поверхностей прямым образом влияет на качество поверхности получаемых отливок. Другими словами, чистота рабочей поверхности это прямой показатель износа пресс формы, т.е. чем больше величина шероховатости формообразующих поверхностей, тем больше износ. Критической величиной для данного показателя будет являться максимально допустимая шероховатость получаемых отливок.Таким образом, повышение чистоты рабочих поверхностей, несмотря на увеличение стоимости изготовления, может существенно увеличить период эксплуатационной стойкости прессформ. Поэтому в одной из вставок данный показатель составляетR 0,08 мкм.Состав материала формообразующих деталей определяет способность оснастки сопротивляться процессам, приводящим к выходу прессформы из строя, таким как: термическая усталость, износ, формоизменение [3]. В настоящее время существует огромное количество сплавов для изготовления оснастки для литья под давлением, однако их все можно разделить на несколько групп: хромовольфрамованадиевые стали, хромомолибденованадиевые стали, гораздо реже используются сплавы на основе тугоплавких металлов, меди, железа, никеля и кобальта. В зависимости от состава материала (марки стали) рабочих деталей, выбирается конкретный метод термической обработки, которая в конечном счете будет влиять на показатели: износостойкости, формостойкости, термостойкости. Данные показатели рассматриваются в комплексе, так как повышение одного из них может негативно сказаться на другом, и, в конечном счете не возыметь никакого эффекта для конечного значения стойкости прессформы. Поэтому при выборе конкретной марки сталистоит отталкиваться от следующих моментов: температура рабочего сплава, марка отливаемого материала, наличие охлаждения прессформы, стоимость материала и т.д. Материал исходной вставки 4Х5МФС относится к хромомолибденованадиевым сталям. Данная сталь обладает достаточно большим запасом пластичности Pт510 МПа, что определяет хорошую термостойкость [3]. Температура закалки Т100020 ºС, нагрев под закалку производится в печи с нейтральной атмосферой до 650750 ºС медленно, а после до 1000 ºС быстро. Окончательная твердость определяется температурой отпуска, для исходной вставки она составляет Тотп.640 ºС. Особый интерес представляет изменение механических свойств данной стали при вводе в эксплуатацию (первая тысяча циклов). В качестве сравнения, одна из вставок изготовлена из зарубежного аналога стали 4Х5МФС стали ohlr W300 Iobloc IN 17350. Данная сталь содержит минимальное количество неметаллических включений, данное свойство, по заявлениям производителя, обеспечивается специальными мерами при плавке. Также, к достоинствам стоит отнести повышенную устойчивость к появлению трещин разгара, высокие показатели ударной вязкости и теплопроводности. Однако, при всех своих неоспоримых достоинствах, стоимость данной стали в несколько раз больше стоимости стали4Х5МФС, что обозначает необходимость проведения также экономического сравнения данных сталей между собой.Радиусные (галтельные) переходы сопрягаемых поверхностей или концентраторы напряжений являются наиболее нагруженными участками формообразующих поверхностей. Значения напряжений в данных участках весьма высоки и локализованы в малом объеме [4]. Поскольку величина напряжений галтельных переходов в зависимости от объема данного участка описывается нелинейным законом, то незначительное увеличение радиуса перехода, даст ощутимое снижение величины напряжения на данном участке. Единственным ограничивающим фактором для повышения данного показателя является требование размеров у получаемой отливки. В нашем случае возможно увеличение неуказанных радиусов с 0,2мм до 0,3мм, что и было реализовано на одной из вставок.Разрушение прессформ начинается с рабочих поверхностей, так как именно они испытывают влияние всех негативных факторов (высокая температура, химическая активность жидкого отливаемого сплава, напряжения, деформации). Однако, поверхностной обработкой формообразующих поверхностей (нанесением покрытий, насыщением поверхностного слоя определенным элементом)можно уменьшить влияние практически любого негативного фактора. Также к положительным моментам следуетотнести то, что чистота до и после обработки остается неизменной, т.е. не требуется дополнительной механической обработки поверхности. Следует знать,что некоторые способы поверхностной обработки могут нести и отрицательные эффекты, например, используемоев исходной вставке азотирование увеличивает износостойкость формообразующих поверхностей, однако при этом уменьшаетсяпластичность материала, что в свою очередь уменьшает сопротивление термической усталости и сетка разгара на такой поверхности может появиться гораздо быстрее, чем на не азотированной [4]. Поэтому для выбора покрытия необходимо определить условия работы прессформы. Учитывая материал исследуемой детали, (ЦАМ) можно сказать, что температура жидкого сплава относительно невысока 380ºС, поэтому наиболее важными параметрами являются износостойкость и формостойкость. Данным требованиям соответствует многослойное покрытие на основе молибдена, нанесенное методом катодноионной бомбардировки [5].
Поскольку конечным результатом любой технологии является получаемая деталь, то в эксперименте именно получаемая отливка являлась главным критерием годности или негодности прессформы к эксплуатации. Для выявления закономерностей развития какихлибо дефектов также регистрировались значения шероховатости, геометрических размеров, целостности формообразующих поверхностей. результате описанного эксперимента (50000 деталей) выявлена разница между испытываемыми вставками (разница рабочих параметров составляет 1012%). Кроме того, с увеличением количества циклов разница станет более заметной, что позволит сделать выводы, на основе которых можно будет дать конкретные рекомендации по повышению эксплуатационной стойкости прессформ литья под давлением цинковых сплавов.
Ссылки на источники 1.Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Исследование механизма разрушения прессформ с защитным покрытием для литья под давлением цинковых сплавов//Заготовительные производства в машиностроении. М. 2016. №8. С.382.Гавариев Р.В., Савин И.А., Леушин И.О. Оптимизация теплового балансапрессформ при литье под давлением Zсплавов под давлением Zсплавов//"Литейное производство" М.2014 № 7. с.26293.Савин И.А.,Гавариев Р.В.Особенности проектирования технологической оснастки для получения отливок сплавов цветных металлов//Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.2012.Т. 4. № 2. С. 414.Гавариев Р.В., Савин И. А., Леушин И. О. Влияние функциональных покрытий на эксплуатационную стойкость прессформ литья под давлением для цинковых сплавов. // Цветные металлы.М. 2016. №1. С.6670DOI10.17580/tsm.2016.01.115.Садиков И.Р.,Гавариев Р.В. О литье под давлением цинковых сплавовНаучнометодический электронный журнал Концепт. 2016. Т. 15. С. 10661070.6.Gavariev R.V., Savin I.A., Savina A.I. To a question of forecasting of firmness of foundry equipment [Текст] // Mor chic choloi. 2015. № 6 р.5861[Electronic journal]. URL: http://technology.snauka.ru/en/2015/06/5795р.58617.Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали хомут/ Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития/Сборник научных трудов 5ой Международной научнопрактической конференции. Курск, 2015. С. 212214.8.Шапарев А.В., Савина А.И. Технологическое и экономическое сравнение резки материалов плазмой и СО2лазерами// Наука и современность. 2016 №3(9) с.181189 DOI: 10.17117/ns.2016.03.1819.Pankratov,D.L.Gavariev, R.V.Gavarieva, K.N.Influence of multilayer coatings on the operational stability of molds for injection molding. (2016)IOP Conference Series: Materials Science and EngineeringVolume 134, Issue 1, 8 July 2016, Article number012031DOI:10.1088/1757899X/134/1/01203110.Шапарев А.В. Повышение эффективности технологии холодной штамповки при изготовлении детали хомут/Шапарев А.В., Миназов Р.М., Савина А.И.// В сборнике:Техника и технологии: пути инновационного развития/Сборник научных трудов 5ой Международной научнопрактической конференции. Курск, 2015. С. 21221411.Гавариев Р.В.Повышение эксплуатационной стойкости прессформ для литья под давлением на основе анализа термостойкости//Гавариев Р.В., Загуменов А.В.// В сборнике:Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновацииСборник научных трудов XIIой Международной научнопрактической конференции.. Курск, 2015. С. 278282.12.Гавариев Р.В. Взаимодействие расплава с прессформой для литья под давлением цинковых сплавов/ Гавариев Р.В., Гавариева К.Н., Каюмов А.Ф.// В сборнике:Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов/Сборник научных трудов Международной научнотехнической конференции. Курск. 2015. С. 6871.13.Шапарев А.В. Особенности изнашивания механизмов машин в зазоре пары трения/ Шапарев А.В., Галямов А.А.// Молодой ученый. 2015.№121(92). С. 9497.14.
Панкратов Д.Л. Применение дифференцированного нагрева деталей в процессе их восстановления/ Панкратов Д.Л., Пирогова А.А., Хайруллин А.В./В сборнике:Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов//Сборникнаучных трудов Международной научнотехнической конференции. Ответственный редактор Чевычелов С.А. 2015. С. 28328815.Панкратов Д.Л. Проектирование технологических процессов холодной объемной штамповки/Панкратов Д.Л., Владимирова С.Г..Курск: Университетская книга. 2016г. 167с
