Способ изготовления отливок литьем под давлением из легких сплавов и способ литья под давлением алюминиевого сплава

 

Изобретение относится к литью под давлением деталей из легких сплавов с использованием редкостных слитков. Сущность способа: для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания из легких сплавов металлический сплав в болванках, возможно содержащих керамические частицы, плавят и льют в полужидкой форме в слитки путем его подачи в процессе его затвердевания и в условиях ламинарного истечения через статический смеситель. Затем слитки разделяют, например, разрезают, на слитки меньшего размера, вес каждого из которых равен весу отливаемой детали, которые нагревают до пастообразной формы в печи внутри контейнера из нержавеющей стали пори температуре в интервале затвердевания этого сплава, после чего по одному направляют в индукционную камеру машины для литья под давлением, в которой в литейную форму впрыскивают полужидкий сплав, из которого состоит слиток. При литье под давлением алюминиевых сплавов, размеры литников в литейной форме на 100% превышают стандартные. 2 с.и 5 з.п., 4 ил.

Настоящее изобретение относится к способу литья под давлением в производстве деталей двигателя внутреннего сгорания из жидкого сплава, в частности, из алюминиевого сплава, в который добавлены керамические частицы.

В соответствии с итальянским патентом N 1119287, заявка на который была подана 20 июня 1979 г. озаглавленным "Способ приготовления смеси на основе металлического сплава, включающей в себя твердую и жидкую фазы и устройство для его осуществления", который в данном подробном описании упомянут лишь в качестве необходимой ссылки, предлагается статический смеситель, содержащий цилиндрический ротор, заключающий в себя ряд спиральных лопастей для литья и частичного затвердевания металлического сплава в процессе его подачи через этот смеситель при одновременном смешении вновь образующейся твердой фазы с оставшейся жидкой фазой. На выходе из смесителя образуется относительно низковязкая твердожидкая смесь, в которой твердая фаза сплава равномерно суспендирована в жидком сплаве.

Для того чтобы твердожидкая смесь оставалась остаточно долго стойкой для разливки ковшом ее следует готовить в постоянных динамических условиях текучей среды с точным быстрым регулированием физических и динамических параметров, которые участвуют в процессе литья (температура, скорость охлаждения сплава, скорость прохождения через смеситель и тому подобное). С этой целью авторы данной патентной заявки провели процесс литья полужидкого материала так, как это изложено в описании к итальянской патентной заявке N 67627-A/89, поданной 25.07.89 и озаглавленной "Способ литья полужидкого материала и печь", которая упомянута в данном подробном описании только в качестве необходимой ссылки. В соответствии с вышеуказанным способом статический смеситель соединяют с находящейся под давлением качающейся отражательной печью для литья в постоянных условиях и предусматривают в нем наличие барометрического столба, что позволяет его повторно заполнять, не прерывая и не оказывая воздействие на процесс постоянного истечения при литье.

Металлические сплавы, получаемые с использованием процессов полужидкого литья, которые описаны выше, носят название "реокастных": они обладают особенно хорошими микроструктурными характеристиками.

Недавно было установлено, что реокастные легкие сплавы в действительности характеризуются зернистой микроструктурой и противоположность традиционной дендрической, результатом чего являются улучшенные динамические характеристики текучей среды (температура внутри интервала затвердевания). Однако несмотря на вышеуказанные достоинства в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания, которые по стоимостным причинам обычно изготовляют литьем под давлением, до сих пор применяют известные способы полужидкого литья. Основной недостаток литья под давлением состоит в образовании раковин в отливках, обусловленных турбулентностью, которая возникает благодаря высоким скоростям истечения жидкого сплава во время инжекции. Другим недостатком является неизбежная усадка отливки по мере ее затвердевания, которая пропорциональна температуре инжекции сплава (для жидкого алюминиевого сплава она обычно составляет 700^oC). Несмотря на дешевизну производства, низкое качество современных деталей, выпускаемых литьем под давлением, обусловливает таким образом неосуществимость применения более высококачественных сплавов.

Помимо того факта, что они не могут быть использованы для литья под давлением, вышеуказанные причина относятся также и к различным недавно появившимся на мировом рынке сплавам, армированным керамическими частицами, механическая прочность которых на 20-30% превышает механическую прочность неармированных сплавов того же типа. Действительно, если даже допустить, что армирующие частицы, которые, являясь керамическими, плавятся при значительно более высокой температуре, чем легкие сплавы, могли бы быть равномерно диспергированы с расплавленном сплаве, например, путем его перемешивания, все еще остается проблема, с которой связана попытка предотвратить отделение этих частиц от сплава и их скопление в одной части отливки за счет силы тяжести и в еще большей степени вследствие динамического осевого давления, которое воздействует на частицы, когда расплавленный сплав подается в данном случае в условиях турбелентного истечения через литник.

Целью настоящего изобретения является разработка способа дешевого изготовления литьем под давлением металлических сплавов отливок, практически не имеющих дефектов, с использованием высококачественных металлических сплавов, возможно также содержащих равномерно диспергированные керамические армирующие элементы.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ изготовления отливок литьем под давлением, в частности деталей двигателей внутреннего сгорания из легких сплавов, характеризующийся тем фактом, что при его осуществлении предусмотрены стадии: плавления металлического сплава до его полного перехода в жидкое состояние: литья указанного металлического сплава в полужидкой форме путем его подачи в процессе его затвердевания в условиях ламинарного истечения через статический смеситель для равномерного смешения этого жидкого сплава с твердой фазой, которая отделяется от жидкого сплава, с образованием временно устойчивой твердожидкой суспензии на выходе из смесителя; затвердевания упомянутой твердожидкой суспензии в виде реокастных слитков, в которых металлический сплав характеризуется микрографической структурой; разделения указанных реокастных слитков на ряд слитков заданного веса; нагревания указанных слитков до температуры, находящейся в интервале затвердевания упомянутого металлического сплава для конверсии металлического сплава зернистой структуры в пастообразную форму; подачи упомянутых слитков по одному в инжекционную камеру машины для литья под давлением и впрыскивания указанного сплава зернистой структуры, нагретого до температуры в интервале затвердевания этого сплава в литейную форму.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ литья под давлением алюминиевого сплава характеризующийся тем, что он состоит в нагревании слитка, полученного литьем указанного сплава в полужидкой форме с приготовлением сплава зернистой микрографической структуры, до температуры в интервале затвердевания этого сплава и таким образом, что при этом образуется сплав в высоковязкой полужидкой форме и в последующем воздействии на этот слиток механического давления.

Неограничивающий вариант воплощения настоящего изобретения в дальнейшем описан в качестве примера со ссылкой на прилагаемые рисунки, где: на рис. 1 и 2 схематически проиллюстрированы различные стадии осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением: а на фиг. 3 и 4 представлены соответственно изображения микрофотографий одного и того же металлического сплава до и после осуществления некоторых стадий способа, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с представленными на рис. 1 и 2 изображениями болванки 1 из металлического сплава, представляющего собой в показанном примере легкий алюминиевый сплав в форме слитков UN1 3600/UN1 кодированное обозначение/, вначале плавят как обычно в тигельной печи 2 известного типа. В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения используют исходный сплав А356, то есть литейный сплав, выпускаемый и поставляемый на рынок фирмой "АЛКАН" из Сан-Диего /шт. Калифорния США/, который характеризуется номинальной основой 93% алюминия и 7% кремния с равномерно диспергированной в ней керамической фазой, в данном случае состоящей из частиц карбида кремния /SiC/. Этот последний, объемометрическое процентное содержание которого составляет в данном случае 20% обеспечивает приблизительно 30%-ное улучшение механических характеристик сплава, в частности, примерно 35%-ное уменьшение коэффициента термического расширения, который, таким образом, становится аналогичным коэффициенту термического расширения стали. В этом случае печь 2 оборудована смесителем 3 обычной конструкции или другими известными средствами, которые для простоты на рисунках не показаны, что позволяет поддерживать частицы карбида кремния равномерно диспергированными в расплавленном сплаве.

После полного ожижения исходного сплава, исключая все суспендированные частицы карбида кремния, которые плавятся при температуре, которая значительно превышает температуру сплава, образовавшуюся жидкую фазу 4, возможно также содержащую твердые частицы карбида кремния, направляют в находящуюся под давлением печь с наклоняющей ванной 6, как это изложено в описании к итальянской заявке на патент N 6767-A/89, поданной владельцем данной патентной заявки 25 июля 1989 г. которая в данном описании упомянута в качестве необходимой ссылки. Эта печь 6 солединена со статическим смесителем 7, как это изложено в описании к итальянскому патенту N 1119287, заявка на которой была подана 20 июня 1979 г. и который в данном подробном описании упомянут только в качестве необходимой ссылки.

Затем жидкую фазу 4 разливают так, как это изложено в описаниях к вышеуказанным патентам, причем смеситель 7 охлаждают таким образом, что при этом обеспечивается выделение из жидкой фазы 4 по мере ее прохождения через смеситель 7 твердой фазы /на рисунках не показана/, которая постепенно увеличивается по мере охлаждения сплава при его прохождении через смеситель и которая равномерно смешивается с жидкой фазой 4, образуя временно устойчивую твердожидкую суспензию 8 на выходе из смесителя 7.

На этой стадии твердые частицы карбида кремния в исходном сплаве также непрерывно смешиваются с жидкой фазой 4 в смесителе 7 с образованием цельной части суспензии 8, причем при этом отсутствует какой либо риск сегрегации частиц.

Суспензию 8 разливают, например, в изложницы 10, в результате чего получают слитки 11, которые состоят из исходного металлического сплава и, возможно, содержат также диспергированные в нем частицы карбида кремния, но которые из-за того, что их отливают из металла в полужидкой форме, характеризуются совершенно другой кристаллической структурой. В слитке 1, отлитом, например, из сплава UN1 3600, этот сплав характеризуется дендрической структурой, как это продемонстрировано на рис. 3, в то время как в случае процесса реокаста, то есть литья в полужидкой форме через смеситель 7, и затвердевания тот же самый сплав характеризуется зернистой структурой, которая продемонстрирована на рис. 4.

Затем слиток 11 разделяют, например, путем механической резки с помощью известных средств, в частности, дисковой пилы на ряд более мелких слитков 12, каждый из которых, включая сюда прибыль и литниковый материал, приблизительно равен по весу отливаемой детали и который направляют в контейнеры из нержавеющей стали 13 /см. рис. 2/ в электропечь сопротивления 14, предпочтительнее в специально сконструированную и оборудованную с помощью роботов для автоматического осуществления манипуляций 15, где они подвергаются нагреванию / в течение 50-60 мин/ до температуры в интервале затвердевания исходного металлического сплава. Реокастная зернистая структура сплава слитков 12 совместно или без равномерно диспергированных частиц карбида кремния предполагает, таким образом, полужидкое состояние, которое в показанном примере, говорит об объемном процентном содержании жидкой фазы приблизительно 50 об. то есть практически таком же, что и на стадии полужидкого литья через смеситель 7.

Однако, в случае литья через смеситель 7 благодаря этому смесителю 7 вязкость сплава составляет самое большое несколько пуаз, тогда как в слитке 12, который был изготовлен путем соответствующего выбора химического состава и температуры нагревания в интервале затвердевания исходного сплава /приблизительно 580^oC для алюминиевых сплавов/, тот же самый полужидкий сплав, но с зернистой структурой и нагретый до указанной температуры в интервале затвердевания, как это было установлено, практически псевдопластическими реологическими свойствами и вязкостью в состоянии покоя приблизительно 10⁷ Пз. Таким образом, на выходе из печи 14 сплав слитков 12 характеризуется пастообразной, пуддингоподобной консистенцией, которая предотвращает сегрегацию любых керамических частиц, остающихся, следовательно, равномерно диспергированными в сплаве, позволяя слиткам 12 сохранять свою форму.

Далее слитки 12, полученные согласно вышеизложенному, по одному направляют в машину для литья под давлением 18 /подробно не описана/, снабженную теми же самыми литейными формами, что и обычно применяемые для жидких сплавов, за исключением литников, толщина которых увеличивается от 0,8:1 до 2: 2,5 мм, что содействует росту пропускной способности в отношении полужидкого сплава. Полужидкие слитки 12 направляют в инжекционную камеру 20 известной конструкции машины 18? где посредством поршня 21 на них оказывается заданное механическое давление, равное давлению, которое обычно создают при переработке жидких сплавов под давлением, составляющее, например 650 кг/кв. см, и впрыскивают в литейную форму 22, в которой сплав затвердевает, образуя готовую отливку 25, которая представляет собой, например, деталь двигателя внутреннего сгорания, в частности, инжекционный коллектор.

Однако, благодаря своей полужидкой форме, в которой его вводят в камеру 20, такой сплав в отличие от жидкого сплава того же состава характеризуется значительно более высокой вязкостью и, следовательно, очень малым числом Рейнольдса, вследствие чего обеспечивается возможность инжекции в ламинарных условиях истечения в отличие от турбулентных условий истечения, типичных для известных способов литья под давлением жидких сплавов.

Высокая вязкость в спокойном состоянии в сочетании с инжекцией с ламинарным истечением для такого сплава позволяет, с одной стороны, предотвратить попадание пузырьков воздуха и образование раковин в готовой отливке, а с другой стороны предотвратить сегрегацию каких-либо твердых керамических частиц, содержащихся в полужидком сплаве, направляемом в машину 18, благодаря чему эти частицы остаются равномерно диспергированными как в полужидком сплаве, инжектируемом в литейную форму 22, так и в готовой отливке 25. 0на стадии литья под давлением высокая вязкость в спокойном состоянии полужидкого зернистого сплава не создает никакого препятствия, поскольку вязкость сплава, являющегося псевдопластическим, под влиянием давления, оказываемого поршнем 21, снижается до несколько десятков пауз, что вполне соответствует низким энергетическим затратам машины 18.

Формула изобретения

1. Способ изготовления отливок литьем под давлением из легких сплавов, в частности деталей двигателя внутреннего сгорания, включающий полное расплавление сплава, пропускание сплава в процеccе затвердевания через смеситель для однородного смешивания жидкой и твердой фаз и образования временно устойчивой твердожидкой суспензии на выходе из смесителя, разливку сплава в полужидком состоянии в реокастные слитки, характеризующиеся зернистой микрографической структурой, нагревание слитков до температуры, находящейся в интервале затвердевания сплава для перевода их в пастообразное состояние, подачу слитка в литейную форму и инжекцию слитка в литейную форму, отличающийся тем, что при получении твердожидкой суспензии сплав пропускают через смеситель в условиях ламинарного истечения, реокастные слитки механически разделяют на множество слитков, вес каждого из которых равен весу отливки, а нагрев каждого отрезанного слитка проводят внутри соответствующего контейнера из нержавеющей стали.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что слитки подают в заранее нагретую печь, где их нагревают до температуры, находящейся в интервале затвердевания сплава.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что температуру нагрева слитков зернистой структуры в интервале температур затвердевания сплава и его химический состав выбирают из условия обеспечения псевдопластических реологических свойств и вязкости, в состоянии покоя равной примерно 10⁷ Пз.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что на стадии инжекции количество твердой фазы в сплаве составляет по меньшей мере 50% 5. Способ по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что для плавления используют болванки алюминиевого сплава, содержащие заданный процент мелкодисперсного керамического материала, при этом плавление осуществляют в тигельной печи, оснащенной смесителем.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве керамического материала используют частицы карбида кремния.

7. Способ литья под давлением алюминиевого сплава, включающий нагрев слитка, полученного разливкой сплава в полужидком состоянии с образованием зернистой микрографической структуры, до температуры, находящейся в интервале затвердевания сплава, для перевода его в пастообразное состояние, и последующую инжекцию слитка в литейную форму, отличающийся тем, что используют литейные формы с литниками, размеры которых по меньшей мере на 100% превышают стандартные, при этом алюминиевый сплав содержит равномерно диспергированную керамическую фазу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4