Теоретичні і технологічні основи газодинамічного впливу на метал, що твердіє в ливарній формі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна

академія України

УДК 621.74.04:621.746.6

05.16.04 - Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ТЕОРЕТИЧНІ І ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ГАЗОДИНАМІЧНОГО ВПЛИВУ НА МЕТАЛ, ЩО ТВЕРДІЄ В ЛИВАРНІЙ ФОРМІ

Селівьорстов Вадим Юрійович

Дніпропетровськ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Дніпропетровськ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Хричиков Валерій Євгенович,Національна металургійна академія України,завідувач кафедри ливарного виробництва,м. Дніпропетровськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шинський Олег Йосипович,Фізико-технологічний інститут металів і сплавів Національної академії наук України,заступник директора, завідувач відділу фізико-хімії процесів формоутворення, м. Київ

доктор технічних наук, професор Могилатенко Володимир Геннадійович,Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,завідувач кафедри ливарного виробництва чорних і кольорових металів, м. Київ

доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович,Запорізький національний технічний університет,завідувач кафедри «Машини і технологія ливарного виробництва», м. Запоріжжя

Захист відбудеться «07» червня 2011 р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 у Національній металургійній академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

Автореферат розісланий «22» квітня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради Д 08.084.02 А.М. Должанський



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. По мірі загострення проблем, пов'язаних з необхідністю глобального енергозбереження, на тлі поступового вичерпування первинних ресурсів, а також зростаючої номенклатури і об'єму товарної продукції машинобудування, все більшу важливість набувають питання підвищення якості литих заготовок при одночасному зниженні метало- і енергоспоживання на їх виробництво.

Традиційно більше 90 % об'єму світового випуску виливків виготовляють способом гравітаційної заливки розплаву, що твердіє у ливарних формах під атмосферним тиском. Завдяки можливості отримання виливків з коефіцієнтом використання матеріалу (КВМ) до 0,9, забезпечуваного деякими спеціальними способами лиття, технологічні процеси заливки і формування виливків під силовим впливом, що не перевищує дію гравітації, набули найбільшого поширення. Проте, метал таких виливків має підвищену хімічну неоднорідність, крупне первинне зерно, макро- і мікрошпаристість, які знижують механічні властивості в порівнянні з поковками і прокатом. При цьому коефіцієнт використання матеріалу заготовок із деформованого металу в багатьох випадках складає менше 0,5, збільшується об'єм механічної обробки, що призводить до подорожчання широкої номенклатури виробів. Наближення механічних властивостей виливків до рівня деформованого металу дозволить скорочувати їх масу на 10 - 30 % за рахунок зменшення товщини стінок при збереженні необхідної конструктивної міцності, а також переводити виготовлення деталей із поковок і прокату з низьким КВМ (0,3 - 0,5) на точні литі заготовки з КВМ 0,8 - 0,9.

Одним із шляхів підвищення якості литого металу є використання тиску в процесі кристалізації. Відомо, що найбільш ефективною є передача наростаючого тиску в двофазну зону, особливо наприкінці періоду твердіння. При існуючих способах такого лиття більша частина навантажень, пов'язаних з використовуваним тиском, реалізується за рахунок міцності ливарної форми, або ємності, в якій вона знаходиться, що суттєво обмежує можливий діапазон тиску та масу виливків. Також негативним чином впливає на якість виливків неможливість передачі тиску рідкій фазі всередині виливка із-за наявності міцного поверхневого шару затверділого металу наприкінці поршневого пресування, або твердіння в автоклаві при герметизації форми разом з виливком. Вказані особливості свідчать про недостатність уваги щодо питань розробки та перспективність нових процесів, що забезпечують вплив тиском на розплав всередині виливка до повного його затвердіння, зокрема, за умов самогерметизації металу в ливарній формі.

Унеможливлює досягнення необхідного результату відсутність методу визначення режиму керованої зміни тиску (газодинамічного впливу) в системі виливок-пристрій для введення газу з урахуванням особливостей здійснення силового впливу на метал в процесі твердіння. Для реалізації такого процесу невиявленими є термочасові умови здійснення герметизації системи виливок-пристрій для введення газу, значущі характеристики виливка, ливарної форми та пристрою для введення газу, особливості структуроутворення сплавів при зміні швидкості нарощування та максимальних значень тиску.

Фактором, що ускладнює отримання необхідних розрахункових даних щодо визначення термочасових параметрів герметизації виливка в ливарній формі, є відсутність обґрунтованого вибору інженерного методу розрахунку температурних полів виливка за різних теплофізичних умов твердіння.

Відсутність вказаних відомостей не давала можливості розробки технологічного процесу керованого газодинамічного впливу на розплав всередині герметизованого виливка впродовж його твердіння та відповідного поліпшення якості литого металу при застосуванні технології.

Отже, робота, яка присвячена вирішенню важливої науково-практичної проблеми - розробці та подальшому розвитку теоретичних і технологічних основ процесу газодинамічного впливу на рідку фазу в герметизованій у ливарній формі системі виливок - пристрій для введення газу, що забезпечує підвищення якості литих виробів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (науково-дослідні роботи): «Теплофізичні процеси твердіння, кристалізації і формоутворення високоміцних чавунів» (ДР№ 0105U000704), «Наукові основи управління властивостями металів і сплавів з використанням принципів синергетики та системного моделювання» (ДР№ 0102U000871), «Наукові основи ресурсозберігаючої технології лиття жаростійких та корозійностійких чавунів» (ДР № 0108U001720), «Порангове дослідження експертної інформації та створення моделей уявлення знань при ідентифікації технологічних процесів, формоутворення фрактальних макро- і мікроструктур, технічних параметрів пластичної обробки матеріалів» (ДР № 0198U004469), «Розроблення нових економнолегованих зносостійких жароміцних сплавів та технологій виробництва прокатного інструменту високої продуктивності» (ДР № 0108U006267), «Розроблення конкурентоспроможних способів підвищення зносостійкості композитних прокатних валків з високохромистого чавуну для станів гарячої прокатки» (ДР № 0106U009051), «Розроблення нових функціональних матеріалів з нанокристалічною матрицею для потреб машинобудування» (ДР № 0106U010139), в яких автор був виконавцем, у відповідності до закону України «Про приоритетні напрями розвитку науки і техніки» від 11.07.2001 р. № 2623-III.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка теоретичних основ створення термочасових і силових умов реалізації змінюваного в часі наростаючого газового тиску (газодинамічного впливу) на рідку фазу до повного затвердіння виливка в герметизованій у ливарній формі системі виливок-пристрій для введення газу, а також технологічного забезпечення цього процесу відповідними режимами і конструкціями пристроїв.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі завдання:

встановити і обґрунтувати можливість застосування газодинамічного впливу при виготовленні виливків з урахуванням особливостей впливу підвищення тиску на процеси твердіння і структуроутворення, в тому числі за наявності неметалевих домішок в сплаві;

?сформулювати основні принципи здійснення газодинамічного впливу на розплав, що твердіє в ливарній формі, і розробити конструкції пристроїв для реалізації нових технологічних процесів;

?визначити термочасові параметри герметизації виливків із сталі і алюмінієвого сплаву, а також кінетику їх твердіння на основі результатів експериментальних термографічних досліджень в промислових умовах і моделювання методом скінчених елементів в системі комп'ютерного моделювання ливарних процесів (СКМ ЛП) «Полігон», а також інженерних методів розрахунку; герметизований ливарний газ тиск

?встановити найбільш значущі фізико-механічні, теплофізичні, термочасові характеристики форми і виливка, необхідні для розрахунку технологічних режимів газодинамічного впливу та врахування напружень, що виникають в затверділому поверхневому шарі під впливом гідростатичного тиску розплаву;

?розробити універсальну методику розрахунку режиму реалізації технологічного процесу газодинамічного впливу на метал, що твердіє в ливарній формі;

?дослідити особливості структуроутворення і фізико-механічні властивості виливків, одержаних із застосуванням технології газодинамічного впливу в промислових умовах;

?встановити вплив різних режимів газодинамічного впливу на розподіл сульфідних включень, їх кількість і розміри в сталі, що твердіє в кокілі;

?використати одержані експериментальні, розрахункові дані, технологічні розробки і оригінальне програмне забезпечення в промислових умовах, а також в навчальному процесі при підготовці бакалаврів і магістрів за спеціальністю «Ливарне виробництво».

Об'єкт дослідження. Процес затвердіння металу виливка в умовах впливу регульованого газового тиску, що передається через рідку фазу до фронту затвердіння.

Предмет дослідження. Закономірності процесу газодинамічного впливу на розплав, що твердіє у ливарній формі.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на положеннях теорії затвердіння, теорії формування виливка, теорії ливарних процесів, теорії обробки металів тиском. Лабораторні і промислові дослідження виконані з використанням сучасного устаткування і вимірювальної апаратури, яка пройшла метрологічний контроль. При проведенні комп'ютерного моделювання був використаний метод скінчених елементів, результати експериментів оброблені за допомогою методів математичної статистики.

Наукова новизна. Наукову новизну мають наведені нижче результати теоретичних і експериментальних досліджень.

1. Вперше визначені можливість і умови здійснення газодинамічного впливу на рідку фазу в системі виливок-пристрій для введення газу, герметизація яких реалізується за рахунок затвердіння шару металу.

Раніше дані умови реалізації впливу наростаючого газового тиску на процес кристалізації металевих систем відомі не були. Це дозволяє розробляти технологічні режими газодинамічного впливу для отримання литого металу з необхідним рівнем властивостей.

2. Вдосконалено аналітичне рішення задачі Стефана-Шварца побудови температурних полів з використанням методики розрахунку часу затвердіння виливка А.Й. Вейника і формули М.І. Хворінова для визначення коефіцієнту акумуляції тепла формою.

Воно відрізняється можливістю коректного врахування товщини і теплофізичних властивостей ливарної фарби на поверхні робочої порожнини кокілю і використовується для встановлення часу герметизації виливка.

3. Вперше проведений порівняльний аналіз результатів розрахунку методом скінчених елементів (СКМ ЛП «Полігон») і інженерним методом Стефана-Шварца розподілу температури у виливках основних типів (плита, циліндр, куля) з вуглецевої сталі і алюмінієвого сплаву, що твердіють в об'ємній піщаній формі, а також встановлено максимальне відносне відхилення результатів при затвердінні різних часток приведеної товщини виливків.

Раніше такий аналіз не проводився. Це дає можливість обґрунтованого використання інженерних методів розрахунку температурних полів для визначення термочасових параметрів герметизації системи виливок-пристрій для введення газу.

4. Вперше на основі результатів моделювання методом скінчених елементів встановлено вплив теплофізичних властивостей матеріалу теплоізоляційної вставки комбінованого зовнішнього холодильника, а також його розмірів на кінетику твердіння виливків циліндричної форми з вуглецевої та інструментальної штампової сталей в кокілі.

Раніше такі дослідження не проводилися. Це дозволяє виявити раціональні параметри теплообміну між холодильником і виливком, забезпечити процес герметизації та ефективність подальшого газодинамічного впливу.

5. Вперше розроблений метод розрахунку режимів газодинамічного впливу на рідку фазу сплаву в ливарній формі, заснований на відповідності динаміки збільшення створюваного тиску в системі виливок-пристрій для введення газу кінетиці наростання товщини затверділого шару виливка.

Раніше такий метод не був відомий. Це дозволяє визначати основні технологічні параметри процесу газодинамічного впливу, а також проводити їх корекцію при використанні вихідних експериментальних або розрахункових даних.

6. Вперше за умови самогерметизації виливка в ливарній формі встановлені особливості структуроутворення і фізико-механічні властивості вуглецевої, інструментальної штампової сталей, алюмінієвого сплаву системи Al-Si-Cu, що твердіють в кокілі, та швидкорізальної сталі, що твердіє в оболонковій формі лиття по витоплюваним моделям, при газодинамічному впливі.

Раніше такі дані не були відомі. Це дає можливість вибирати раціональні режими реалізації газодинамічного впливу в залежності від необхідного рівня властивостей металу виливка.

7. Вперше на основі статистичного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків темплетів виливків з вуглецевої сталі, що твердіють в кокілі, виявлені закономірності розподілу сульфідних включень при реалізації різних режимів газодинамічного впливу.

Раніше такі закономірності за умови самогерметизації виливків у ливарній формі виявлені не були. Це дозволяє одержувати аналітичні залежності для оцінки розмірів і кількості сульфідних включень в різних зонах перетину виливка і прогнозувати розподіл включень при заданому режимі газодинамічного впливу.

Практичне значення отриманих результатів. Виконані дослідження дозволили:

розробити технології виготовлення виливків з використанням газодинамічного впливу на процес кристалізації розплаву в ливарній формі та відповідні конструкції пристроїв для їх реалізації;

отримати достовірніші результати інженерного розрахунку процесу твердіння виливка, зокрема, з використанням розробленого програмного модуля «SBHeat» для розрахунку температурних полів виливка і форми по методу Стефана-Шварца;

здійснити вибір необхідних конструктивних параметрів герметизуючого холодильника, а також, у разі використання комбінованого холодильника, - матеріалу і розмірів теплоізоляційної вставки;

визначити основні температурні та часові параметри герметизації системи виливок-пристрій для введення газу і динаміку нарощування тиску у вказаній системі з урахуванням зміни маси та розмірів виливка і ливарної форми, а також їх теплофізичних властивостей в конкретних виробничих умовах;

розробити методику розрахунку режимів здійснення газодинамічного впливу і відповідну автоматизовану систему для її реалізації у вигляді комп'ютерної програми «GDICalc»;

кількісно оцінити розподіл сульфідних включень в литій вуглецевій сталі при різних режимах газодинамічного впливу за допомогою розробленого програмного комплексу «ASImprints», що дозволяє обробляти напівтонові та монохромні зображення цілих сірчаних відбитків і їх фрагментів.

?Теоретичні та експериментальні результати розробок, приведені в дисертації, використані в умовах: АТ «Дніпропетровський агрегатний завод» (акти від 17.10.2007 р. і 09.12.2009 р.); ЗАТ «Горизонт» (акт впровадження технології від 28.10.2008 р. і технологічна інструкція з виплавки алюмінієвих сплавів в індукційних тигельних печах для кокільного литва і литва з газодинамічним впливом на розплав від 16.12.2008 р.); ТОВ «ІТЛ ЛАССО» (акт від 14.12.2009 р.); ДП ВО «Південний машинобудівний завод» (акт від 02.12. 2010 р.). Розробки, виконані в дисертації, використовуються в навчальному процесі на кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України (акт від 20.12.2010 р.).

Технічна новизна і практичне значення роботи підтверджені вісьма патентами України на винахід та трьома свідоцтвами про реєстрацію авторського права на твір.

Особистий внесок здобувача. У дисертації не використані ідеї співавторів. Всі основні результати досліджень отримані й узагальнені автором самостійно. У теоретичних і практичних розробках автором особисто здійснений аналіз і узагальнення відомих даних щодо використання тиску, зокрема, газового, в спеціальних способах лиття, зроблено обґрунтування можливості, визначені умови і способи реалізації нового технологічного процесу газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі, розроблена методика розрахунку режимів здійснення процесу і відповідні конструкції пристроїв, вдосконалений відомий інженерний метод розрахунку температурних полів, сформульовані завдання для розрахунків за допомогою скінчено-елементної програми та проведений аналіз результатів. Автором особисто здійснена постановка лабораторних і промислових експериментів, оброблені та узагальнені результати досліджень. Автор брав безпосередню участь в організації і проведенні експериментів та впровадженні розробок у виробництво. Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві, наведено на с. 31.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: ХІ, ХІІ Міжнародних конференціях «Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах» (Запоріжжя, 19 - 22 вересня 2006 р., 22 - 25 вересня 2009 р.); ІІ - VI Міжнародних конференціях «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгарія, 2 - 9 червня 2006 р., 1 - 8 червня 2007 р., 30 травня - 06 червня 2008 р., 06 - 13 червня, 2009 р., 04 - 11 червня 2010 р.); II, IV - VI Міжнародних науково-практичних виставках-конференціях «Литье 2006, 2008, 2009, 2010» (Запоріжжя, 15 - 16 березня 2006 р., 25 - 27 березня 2008 р., 24 - 26 березня 2009 р., 21 - 23 квітня 2010 р.); I, II Міжнародних науково-технічних конференціях «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве» (Краматорськ, 09 - 12 вересня 2008 р., 7 - 11 вересня 2009 р.); Тhe 6th International Conference MMT-2010 «Matematical Modeling and Computer Simulation of Material Technologies» (Ізраїль, м. Арієль, 23 - 27 серпня 2010 р.); The 6th, 8th, 9th International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and Metallurgy» SHMD'2004, 2006, 2010 (Хорватія, 20 - 30 липня 2004 р., 30 червня - 2 липня 2006 р., 20 - 24 червня 2010 р.); Тhe 8th Israel-Russian Bi-National Workshop «The Optimization of the Composition, Structure and Properties of Metals, Oxides, Composites, Nano- and Amorphous Materials» (Ізраїль, м. Ієрусалім, 28 червня - 03 липня 2009 р.).

Публікації. Основні матеріали і результати дисертації викладені в 42 публікаціях. Серед них: 31 стаття у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України (зокрема, 11 - без співавторів), 8 деклараційних патентів України, 3 свідоцтва України про реєстрацію авторського права на твір.

Перераховані публікації не містять матеріалів кандидатської дисертації здобувача.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Робота складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків і додатків. Дисертація викладена на 306 сторінках, містить 188 рисунків, 65 таблиць, список використаних джерел з 285 найменувань та 9 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її мету і задачі, висвітлено наукове і практичне значення, особистий внесок здобувача, а також положення, що виносяться на захист.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел стосовно стану питання, що розглядається. У розробку теоретичних і технологічних основ лиття різних сплавів з використанням тиску під час кристалізації великий внесок внесли праці Д.К. Чернова, А.А. Бочвара, А.Г. Спасського, М.М. Белоусова, П.М. Бідулі, О.Ф. Асташова, Г.П. Борисова, А.К. Белопухова, Т.П. Ліпчина, В.В. Маркова, В.М. Пляцького, Г.І. Тімофєєва, В.О. Ефімова, А.С. Эльдарханова, О.І. Батишева та ін.

Показано, що у загальному випадку, початок процесу кристалізації співпадає з появою нових поверхонь розділу: центри кристалізації - рідина і зростанням їх площі. Збільшення переохолодження і тиску, що прикладається, призводить до зменшення роботи утворення зародків і, відповідно, до збільшення кількості центрів кристалізації. При цьому тиск, збільшуючи напруги в шарі твердіючого металу, що контактує з поверхнею анізоморфних і ізоморфних включень, сприяє формуванню в зоні їх контакту активного перехідного шару з кластерів, завдяки чому ці включення здатні виступати як додаткові активні центри при гетерогенній кристалізації.

Ширина зони затвердіння тим менше (рис. 1), чим більша швидкість охолоджування, менше інтервал затвердіння, теплоємність і прихована теплота кристалізації сплаву. При цьому вплив тиском рівноцінний скороченню інтервалу кристалізації. Створюються умови для ущільнення металу в двофазній зоні, що на мікрорівні проявляється також в частковому обламуванні гілок дендритів, що ростуть, їх переміщенні (мікроперемішування рідко-твердого сплаву) і недопущенні локалізації значних об'ємів рідини, що призводить, надалі, до утворення шпаристості у виливку.

Рис. 1. Схема областей і зон виливка, що твердіє

Проведений аналіз існуючих технологічних схем лиття з використанням тиску показав, що при їх реалізації тиск прикладається до загального об'єму металу виливка і ливарної форми. Прискорене твердіння зовнішньої частини виливка суттєво обмежує тривалість дії тиску безпосередньо на рідку фазу, або реалізується лише вузький діапазон ефективного тиску, що діє наприкінці процесу затвердіння. Особливістю нашої розробки є герметизація системи виливок-пристрій для введення газу за рахунок формування шару твердого металу необхідної міцності на поверхні виливка. Тільки після цього здійснюється регульований газодинамічний вплив на рідку фазу усередині виливка і передача тиску в двофазну зону протягом всього періоду твердіння.

На основі літературних даних та проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету дослідження та задачі, які необхідно вирішити для її досягнення.

У другому розділі викладені загальні методичні положення роботи.

Експериментальні дослідження процесу твердіння виливків із сталі в кокілі здійснювали термоелектричним методом в промислових умовах. Досліджували: хімічний, гранулометричний склад вихідних формувальних матеріалів і сумішей, їх теплопровідність, технологічні властивості; хімічний склад, макро- та мікроструктуру, фізико-механічні властивості вуглецевої та штампової інструментальної сталей; хімічний склад і фізико-механічні властивості швидкорізальної сталі та алюмінієвого сплаву системи Al-Si-Cu.

Для розрахунку технологічних параметрів розробленого процесу застосовували відомі та оригінальні розрахункові схеми і інформаційні технології (рис. 2).



Рис. 2. Схема, що ілюструє загальну методику визначення технологічних параметрів на прикладі сталевого виливка

Програмний модуль «SBHeat», що розроблений для розрахунку температурних полів виливка і ливарної форми по методу Стефана-Шварца, має інтуїтивно зрозумілий інтерфейс і може використовуватися в середовищі Windows. Проведене тестування модуля показало перспективність використання даного програмного продукту при визначенні раціональних технологічних режимів здійснення процесів лиття.

Визначена можливість використання відомого алгоритму простої рекурсивної заливки для кількісного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків темплетів виливків. Встановлено, що при модифікації алгоритму простої рекурсивної заливки шляхом введення лічильника кількості залитих пікселів, що входять в гранично-визначену область, визначається площа області зниженої яскравості (сульфідне включення), при заданому розрізненні зображення. Розроблений програмний комплекс (ПК) «ASImprints» забезпечує: проведення попередньої обробки зображення сірчаного відбитку шляхом перекладу з напівтонового в монохромне відповідно до заданого порогу бінаризації; визначення включень, які належать до певного діапазону і заливаються відповідним кольором відповідно до заданих діапазонів розмірів; отримання статистичних даних що до кількості включень певного розміру, причому розмір включень приводиться в пікселях і квадратних міліметрах.

У третьому розділі розглянуті питання, що пов'язані з визначенням термочасових параметрів герметизації виливка в ливарній формі, як необхідної передумови реалізації газодинамічного впливу.

Визначити час формування герметизуючого шару металу можна за допомогою експериментальних термоелектричних досліджень, систем комп'ютерного моделювання ливарних процесів (СКМ ЛП) та інженерних методів розрахунку температурного поля виливка. Зокрема, в результаті проведених натурних експериментів встановили, що тривалість затвердіння в кокілі осьової зони циліндричних виливків масою 160 кг із сталі 35Л складає більше 11 хв., а із сталі Х18Ф1Л - більше 15 хв. (рис.3). На поверхні виливка формується шар затверділого металу вже через 3 - 4 хвилини (сталь 35Л) і 5 - 6 хвилин (сталь Х18Ф1Л), що дозволяє здійснити процес герметизації системи виливок-пристрій для введення газу з подальшим газодинамічним впливом.



Рис. 3. Температурні поля виливків із сталі 35Л через 8 - 712 секунд (а) та із сталі Х18Ф1Л через 32 - 916 секунд (б) після закінчення заливки

Проведене порівняння результатів розрахунку процесу твердіння в об'ємній піщаній формі кулі та циліндра діаметром 200 мм, а також плити товщиною 200 мм з вуглецевої сталі та алюмінієвого евтектичного сплаву методом скінчених елементів і інженерним методом Стефана-Шварца. Значення максимального відносного відхилення розподілів температур (1), що отримані за результатами розрахунків різними методами (табл. 1), дають можливість обгрунтованого використання аналітичного рішення Стефана-Шварца для побудови температурного поля виливка.

(1)

де Ti1 - значення температури в i-тій точці, отримане із застосуванням інженерного розрахунку Стефана-Шварца за допомогою програмного модуля «SBHeat», Ti2 - значення температури в i-тій точці, отримане із застосуванням СКМ ЛП «Полігон».

Таблиця 1 - Порівняння результатів розрахунків твердіння виливків різної конфігурації інженерним методом і методом скінчених елементів

Матеріал виливка	Максимальне відносне відхилення (%) ізохрон при затвердінні часток приведеної товщини виливка	Відхилення часу затвердіння, %
	для виливка, х/Х	для форми, х/Х
	0,1	0,5	0,9	1	0,1	0,5	0,9	1
Куля
Алюмінієвий сплав	0,8	0,6	0,2	0,8	10,2	40,7	41,4	41,6	1,6
Вуглецева сталь	0,2	0,9	1,5	1,9	13,8	45,8	45,9	46,3	0,5
Циліндр
Алюмінієвий сплав	1,1	0,5	0,2	0,1	26,2	34,8	34,9	34,8	1,9
Вуглецева сталь	0,2	0,7	0,7	0,9	5,5	41,2	40,9	41,6	2,6
Плита
Алюмінієвий сплав	0,8	0,5	0,3	0,2	9,4	1,3	0,8	0,8	1,8
Вуглецева сталь	1,9	0,3	0,2	0,2	17,1	2,9	0,9	0,7	1,4

При литті в кокіль традиційна постановка задачі Стефана-Шварца не застосовна, оскільки шар фарби на поверхні форми може бути врахований тільки непрямим чином за рахунок коефіцієнту затвердіння і коефіцієнту акумуляції тепла формою, визначення яких при зміні товщини шару фарби можливе експериментальним шляхом, проте, на практиці, це представляє значні труднощі, що призводить до невиправданого ускладнення розрахунку і необхідності реалізації громіздких алгоритмів. Тому розроблена комбінована розрахункова схема, здійснювана таким чином. У відповідності до методики А.Й. Вейника проводиться розрахунок часу твердіння виливка в пофарбованому кокілі (2, 6), що дозволяє визначити коефіцієнт затвердіння (10) з урахуванням товщини шару фарби (3). Потім за формулою М.І. Хворінова розраховується коефіцієнт акумуляції тепла формою (11) та проводиться розрахунок температурних полів по методу Стефана-Шварца (12 - 15).

, (2) , (3)

, (4) , (5)

, (6) , (7)

, (8) , (9)

де фпер - час відводу теплоти перегріву, с; в - умовний коефіцієнт тепловідводу від виливка до форми крізь зазор, Вт/м2К; Тґ2ср - середнє значення температури по перетину стінки кокілю за даний проміжок часу, К; - середнє значення температури по перетину стінки кокілю в кінці стадії відведення теплоти перегріву розплаву, К; фзатв - час затвердіння виливка, с; Т"2ср - середнє значення температури по перетину стінки кокілю впродовж затвердіння виливка, К; - середнє значення температури по перетину стінки кокілю в кінці стадії затвердіння виливка, К; сеф - ефективна теплоємність матеріалу виливка, Дж/кг К; L - теплота кристалізації сплаву, Дж/кг; ?Ткр - температурний інтервал кристалізації, К; V - об'єм, м3; F - площа поверхні, м2; с - щільність, кг/м3. Індекси 1 та 2 означають, що величини відносяться відповідно до виливка або кокілю.

, (10) , (11)

(12) (13)

(14) (15)

де К - коефіцієнт затвердіння, м/с0,5; ТС - температура в точці зіткнення виливка і форми, К; а - температуропровідність, м2/с; bF - коефіцієнт акумуляції тепла формою, Вт с0,5/м2 К. Індекси S та L означають, що величини відносяться відповідно до твердої або рідкої частини виливка, F - до форми.

Результати розрахунків часу затвердіння в кокілі фасонного виливка «Опорний наконечник стійки конвеєра» масою 1,1 кг із сплаву АК5М (рис. 4) методом скінчених елементів (МСЕ) і методом Стефана-Шварца, показали необхідність врахування шару ливарної фарби та ефективність розробленої комбінованої схеми (табл. 2).

Таблиця 2 - Розрахунковий час затвердіння виливка

Частка приведеної товщини, x/X	Час затвердіння, с
	по Стефану-Шварцу	МСЕ
	без врахування шару фарби	з врахуванням шару фарби
0,1	0,3	6,1	7
0,3	0,6	13,8	16
0,5	1,8	38,3	40
1,0	7,3	153,1	157



Рис. 4. Схема виливка «Опорний наконечник стійки конвеєра»

Була здійснена оцінка придатності конструкції блоку ЛВМ для заготовок ріжучого інструменту циліндричної форми із сталі Р18Л за діючою технологією, а також розробка раціональної конструкції блоку для здійснення газодинамічного впливу. При реалізації традиційної технології до моменту формування затверділого шару на поверхні стояка виливки опиняються повністю затверділими (рис. 6, а).

При діючій конструкції блоку ЛВМ можна використовувати тільки міцність самої ливарної форми і реалізація технології можлива в діапазоні тиску, переважно, не більше 0,3 МПа. Зближення температурних кривих, одержаних у варіанті зміненої конструкції блоку, показує, що на різних ділянках поверхні блоку герметизуюча скоринка формується практично одночасно, що дозволяє реалізувати газодинамічний вплив, заснований на відповідності товщини затверділого шару створюваному тиску в системі виливок-пристрій для введення газу.

Процес герметизації є найбільш ефективним в тому випадку, якщо на момент подачі газу в систему виливок-пристрій для введення газу на внутрішній поверхні холодильника, що закриває дзеркало металу, намерзає мінімальна його кількість. Разом з тим, час твердіння розплаву в зазорі між холодильником і бічною поверхнею робочої порожнини ливарної форми повинен бути мінімальним. Особливістю конструкції холодильників (що виготовляються, зазвичай, з того ж матеріалу, що і виливок) є наявність або відсутність вставки із теплоізоляційного матеріалу (рис. 6).

Рис. 6. Схема цільнометалевого холодильника (а), корпусного холодильника з утеплювальною вставкою (б) та розташування термопар №№ 1 - 3

Результати розрахунків, проведених для виливків із сталей 356Л та Х18Ф1Л, що твердіють в умовах тієї ж ливарної форми, процес твердіння в якій досліджувався раніше термоелектричним методом, показали, що при використанні цільнометалевого холодильника спостерігається мінімальний розрив між кривими охолоджування на рівні температури солідус, що свідчить про несприятливе протікання процесу твердіння, на відміну від використання комбінованого холодильника більшого діаметру з утеплювачем (рис. 7). Встановлено збільшення часу твердіння розплаву безпосередньо під холодильником у разі використання в якості утеплювача формувальної суміші на основі золовідходів Придніпровської ТЕС з низьким коефіцієнтом теплопровідності (0,35 Вт/мК). Це дозволяє не тільки знизити непродуктивні втрати металу із-за намерзання на поверхні холодильника, але і поліпшити режим живлення при твердінні виливка і здійсненні газодинамічного впливу.

Рис. 7. Результати розрахунку процесу твердіння виливків з зовнішнім цільнометалевим (а, в) і комбінованим (б, г) холодильником з утеплювачем із формувальної суміші на основі золовідходів Придніпровської ТЕС в місцях розташування термопар №№ 1 - 3

У четвертому розділі приведені основні засади розрахунку режимів здійснення технології, а також особливості конструкції та роботи пристроїв для газодинамічного впливу на метал, що твердіє в ливарній формі.

Визначення режимів газодинамічного впливу базується на відповідності створюваного газового тиску кінетиці зростання затверділого шару металу. За можливий максимальний рівень тиску газу в певний момент часу прийнято значення, близьке значенню тимчасового опору металу в затверділому шарі (уВ) з урахуванням напружень розтягування, що викликані гідростатичним тиском розплаву всередині виливка. Даний варіант реалізації технології може призвести до деформації виливка із-за наявності у сплаву пластичних властивостей. За умови стабільності геометричних розмірів виливка, за вказаний параметр використали опір деформації матеріалу виливка (у) в діапазоні робочих температур, що розраховувався з мінімальними значеннями швидкісного та ступеневого коефіцієнтів (16):

у = у о.д. kt kе ku при kе ku >min, (16)

де у о.д. - базисне значення опору деформації, кг/мм2; kt - температурний коефіцієнт; kе - ступеневий коефіцієнт; ku- швидкісний коефіцієнт.

Загальна методика розрахунку технологічних параметрів включає етапи попередньої обробки і отримання вихідних даних, безпосереднього виконання розрахункового алгоритму і подальшого аналізу результатів (рис. 8). Початковим етапом є попередня обробка даних. Вона полягає у визначенні кінетики твердіння виливка Х(ф) і зміни температури його поверхні ТК(ф). Для цього необхідно побудувати температурне поле виливка на основі результатів термографічних досліджень, або розрахунків. Вихідними даними також є залежності від температури тимчасового опору і опору деформації, а також щільність матеріалу виливка та його геометричні характеристики (для виливка циліндричної форми - висота і радіус).

На наступному етапі (алгоритм розрахунку) обчислювали динаміку наростання максимального робочого тиску Рmax(ф) і динаміку наростання робочого тиску Р(ф). В процесі твердіння виливка змінюється середня температура затверділого шару Тср(ф), відповідно величини уВ та у, що дозволяє розраховувати динаміку зміни робочого тиску. Величина і динаміка зміни максимального робочого тиску розраховувалася як різниця значень тимчасового опору і величини розтягуючих напружень (уГ) в затверділому шарі металу, відповідно для робочого тиску - це різниця між значеннями опору деформації та величиною розтягуючих напружень. Розрахунки режимів газодинамічного впливу, що проведені для виливків різних розмірів, маси та із різних сплавів, показали значну різницю результуючих величин максимального робочого тиску і робочого тиску (рис. 9)

Для автоматизованого визначення режиму газодинамічного впливу була розроблена комп'ютерна програма «GDICalc» (Gas-Dynamic Influence Calculation), яка захищена відповідним свідоцтвом про право інтелектуальної власності.

Всі варіанти розроблених конструкцій пристроїв для здійснення технології передбачають наявність таких основних елементів, як газопровід, холодильник і система регулювання подачі стисненого газу.



Рис. 8. Методика розрахунку режимів газодинамічного впливу

На рис. 10 представлена схема пристрою з цільнометалевим холодильником у формі диска. Після заливки форми занурювали герметизуючий холодильник під рівень розплаву, проводили витримку протягом часу, необхідного для герметизації системи виливок-пристрій для введення газу. Потім подавали газ і одночасно відстежували по манометру динаміку збільшення тиску в системі. Необхідно відзначити, що однією з переваг використання зовнішнього джерела газу, на відміну від технологічних схем, що передбачають фіксовану кількість газоутворюючої речовини, є можливість здійснення процесу навіть у разі часткової розгерметизації системи в процесі роботи при прориві газом герметизуючого шару металу.

Рис. 10. Схема установки (а) та етапи здійснення технологічного процесу: прогрів кокілю і герметизуючого холодильника (б), герметизація системи виливок-пристрій для введення газу (в)

Функцію герметизуючого холодильника у ряді випадків може виконувати тільки газопостачальний патрубок. Так, конструкція пристрою для газодинамічного впливу при виробництві дрібних виливків способом лиття по витоплюваним моделям, а також лиття в кокіль, може не включати холодильник, як окремий елемент (рис. 11).

При литті крупних виливків або злитків з високою тривалістю твердіння особливо необхідно максимально повно використовувати резерв перегріву розплаву в надливній зоні. Конструкція холодильника, при цьому, повинна не тільки забезпечувати герметизацію системи виливок-пристрій для введення газу, але й утеплення

Рис. 11. Схема пристрою для газодинамічного впливу на метал, що твердіє в керамічній оболонковій формі (а), схема розташування газопостачального патрубку в формі (б) та фрагмент дослідно-промислових випробувань розробленої технології - заливка оболонок і герметизація системи газопостачальний патрубок-виливок (в): 1 - балон з аргоном; 2 - редуктор; 3 - манометр; 4 - вентиль; 5 - клапан; 6 - газопровід; 7 - ливарна форма

максимально можливого об'єму металу в надливі. Цим умовам відповідає холодильник у вигляді металевого корпусу зі вставкою із вогнетривкого матеріалу. Він може занурюватися в надливну частину виливка після закінчення заливки (рис. 12) або діяти за принципом надливної вставки, що плаває (рис. 13), зокрема, при здійсненні комбінованої технології газодинамічного впливу та електрошлакового обігріву металу в надливній зоні (КТГВ - ЕШО) (рис. 14). Відповідно, функцію надливу виконуватиме тільки той об'єм металу, який знаходиться усередині даної вставки під шаром утеплюючої засипки і розплавленого електропровідного флюсу. Вставки можуть бути виконані з різних матеріалів, що призведе до зміни розмірів вставки (перш за все, товщини стінки) і, відповідно, до зміни розмірів надливу. В результаті проведених розрахунків побудовані номограми для визначення висоти надливу () по його діаметру () і масі () сталевих виливків циліндричної форми при різному співвідношенні () діаметру виливка і надливу (рис 15).

Рис. 12. Схема конструкції (а) та загальний вигляд (б) герметизуючого холодильника, а також фрагмент занурення пристрою для введення газу в надливну частину злитка після закінчення заливки (в)

Рис. 13. Схема конструкції ливарної форми з вставкою із вогнетривкого матеріалу, що плаває: 1 - ливарна форма; 2 - металевий корпус; 3 - вставка із вогнетривкого матеріалу; 4 - газопровід; 5 - газопостачальний патрубок; 6 - отвори; 7 - газопрониклива пробка; 8 - цапфи; 9 - піддон; 10 - муфта



Рис. 14. Пристрій для здійснення комбінованої технології газодинамічного впливу та електрошлакового обігріву (а) і схема його розташування в процесі (б) та після закінчення (в) заливки форми: 1 - металевий корпус; 2 - графітові електроди; 3 - контактні елементи; 4 - токопровідні стрижні; 5, 7 - шайби; 6 - електронепровідні прокладки; 8 - гайки; 9 - насадки з електронепровідного вогнетривкого матеріалу; 10 - вставка з електронепровідного вогнетривкого матеріалу; 11 - вкладиш із флюсу; 12 - фіксатори; 13 - газопостачальний патрубок; 14 - муфта; 15 газопровід; 16 - газопрониклива пробка

Рис. 15. Номограми для визначення висоти надливу за його діаметром і масі виливків із сталі 35Л

У п'ятому розділі представлений аналіз ефективності роботи корпусного холодильника зі вставками із різних вогнетривких матеріалів, а також процесу твердіння каландрового вала із високоміцного чавуну масою 12 тон та злитка вуглецевої сталі масою 2,7 тони при газодинамічному впливі, за результатами комп'ютерного моделювання в СКМ ЛП «Полігон».

Встановлено зменшення зони шпаристості в сталевому злитку при використанні надливної вставки, що плаває, із формувальної суміші на основі золовідходів Придніпровської ТЕС в порівнянні зі стаціонарною надливною вставкою (рис.16, табл. 3).

Рис. 16. Схема розташування точок-індикато-рів шпаристості в сталевому злитку



Таблиця 3 - Розподіл шпаристості (%) по вісі злитка сталі Fe - 0,3% С при зміні матеріалу надливної вставки для заводської технології та з використанням надливної вставки, що плаває, при атмосферному тиску

№ точки	Відстань до точки - індикатора шпаристості, мм	Стаціонарна надливна вставка	Надливна вставка, що плаває
		матеріал вставки з товщиною стінки 25 мм
		Формувальна суміш на основі золовідходів	Вогнетривке волокно МКРВЦ - 1	Шамот	Формувальна суміш на основі золовідходів	Вогнетривке Волокно МКРВЦ - 1	Шамот
1	0	100	100	100	100	100	100
2	30	100	100	100	100	100	100
3	80	100	100	100	100	100	100
4	130	100	100	100	100	100	100
5	180	100	100	100	67	70	72
6	230	75	75	77	0	0	0
7	280	31	31	28	0	0	0
8	330	17	20	24	0	0	0
9	380	1	1	1	0	0	0
10	430	1	1	1	0	0	0
11	480	1	1	1	0	0	0
12	530	1	1	1	0	0	0
13	580	0	0	1	0	0	0
14	630	0	0	0	0	0	0

Моделювання процесу твердіння з урахуванням тиску здійснювали поетапно. На першому етапі визначали час герметизації системи виливок-пристрій для введення газу. Потім проводили моделювання процесу твердіння в умовах атмосферного тиску протягом часу герметизації. Температурні поля і поля усадки, одержані в результаті другого етапу моделювання, були початковими даними для проведення подальшого моделювання з урахуванням тиску.

Використання газодинамічного впливу (ГДВ) дозволяє зменшити протяжність зони двофазного стану у вісьовій зоні виливків, що розглядалися, але не дозволяє мінімізувати головну обрізь із-за явно вираженої конусоподібної форми концентрованої усадкової раковини, що викликано недостачею теплоти перегріву розплаву в надливній зоні та підвищеним тепловідводом в бічній частині цієї зони. Збереження резерву перегріву розплаву в надливній зоні може бути досягнуто за рахунок обігріву металу при КТГВ-ЕШО. Застосування в сталевому злитку і каландровому валу з високоміцного чавуну цієї технології дозволило зменшити висоту залягання усадкової раковини на 30 - 40% (табл. 4, 5).

Таблиця 4 - Розподіл шпаристості в сталевому злитку при різних варіантах реалізації розробленої технології

№ точки (див. рис. 16)	Шпаристість (%) при
	ГДВ	КТГВ-ЕШО
1	100	100
2	100	100
3	100	100
4	100	100
5	100	91
6	100	0
7	100	0
8	89	0
9	0	0
10	0	0
11	0	0
12	0	0
13	0	0
14	0	0



Таблиця 5 - Розподіл шпаристості в каландровому валу із високоміцного чавуну за різних умов затвердіння

Відстань від верха каландрового валу до точки-індикатора шпаристості, мм	Шпаристість (%) при
	Атмосферному тиску	ГДВ	КТГВ-ЕШО
0	100	100	100
100	100	100	100
300	100	100	100
400	100	100	100
500	100	100	2
600	100	100	2
700	97	100	2
800	50	2	1
900	16	1	1
1000	12	2	1
1100	8	2	1
1200	8	2	1
1300	8	2	1
1400	7	2	1
1500	5	2	1
1600	5	2	1
1700	2	1	1
1800	2	1	1

У шостому розділі представлені результати досліджень газодинамічного впливу на структуроутворення та фізико-механічні властивості металу виливків із вуглецевої, інструментальної штампової, швидкорізальної сталей та алюмінієвого сплаву.

Металографічні дослідження зразків сталі 35Л, одержаної з використанням ГДВ до 3 МПа показали, що ферито-перлітна структура сталі стає більш наближеною до рівноважної (рис. 17), відповідає 3 - 4 балам в порівнянні з металом, одержаним за традиційною технологією лиття в кокіль (5 - 6 бал).



Рис. 17. Мікроструктура сталі 35Л х 0,13

Мікротвердість структурних складових зразків сталі майже не змінюється після ГДВ для феритної складової, і дещо збільшується для перлітної складової: з 1400 - 2000 МПа для перліту і 1500 - 1600 МПа для фериту, до 1500 - 2000 МПа для перліту та 1500 - 1800 МПа для фериту.

Після ГДВ тимчасовий опір сталі підвищується з 600 - 700 МПа до 710 - 750 МПа, твердість підвищується з 207 - 217 НВ до 219 - 247 НВ, відносне подовження литого металу збільшується з 8,5 - 11 % до 13 - 15 %, щільність з 7778 - 7780 кг/м3 до 7820 - 7826 кг/м3.

При проведенні статистичного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків темплетів виливків із сталі 35Л, одержаної за традиційною технологією лиття в кокіль і при різних режимах ГДВ (середній швидкості нарощування тиску в системі виливок-пристрій для введення газу (Vр) та максимальному тиску (P) аргону), зображення умовно розділили на зони відповідно до кінетики твердіння виливка (рис. 18) та обробляли за допомогою спеціально розробленої комп'ютерної програми «ASImprints». Аналіз показав, що зі збільшенням тиску до 3 МПа кількість сульфідних включень зростає, а середній розмір включення зменшується: у вісьовій зоні виливка в ~ 6,5 разів, в радіальній - в ~ 20,6 разів, в периферійній - в ~ 1,2 рази (рис. 19). Аналіз функції щільності вірогідності степеневого розподілу, одержаної для кожного з фрагментів вибраних зон, показав статистичну однорідність фрагментів, що належать одній зоні, що дає можливість аналізу всієї зони по її фрагменту.

Рис. 18. Кінетика твердіння виливка із сталі 35Л та схема розташування досліджуваних зон

Одержані аналітичні залежності дозволяють інтерполювати значення параметрів степеневого розподілу і прогнозувати розподіл сульфідних включень у вибраних зонах поперечного перетину даного циліндричного виливка, що твердіє в неохолоджуваному кокілі при заданому режимі газодинамічного впливу.



Рис. 19. Фрагменти сірчаних відбитків темплетів виливків із сталі 35Л плавок №№ 1 - 4 х 1,8

Основними структурними складовими інструментальної штампової сталі Х18Ф1Л після газодинамічного впливу є ферит і карбіди (рис. 20).



Рис. 20. Мікроструктура сталі Х18Ф1Л, що тверділа в кокілі при атмосферному тиску (а) та при ГДВ за різними режимами: б - Vp = 0,002 МПа/с, P = 2 МПа; в - Vp = 0,0045 МПа/с, P = 4 МПа; г - Vp = 0,007 МПа/с, P = 6 МПа; х 100 х 0,13

Після ГДВ дендрити первинного фериту більш розгалужуються і збільшується диференціювання евтектики Ф + (Fe,Cr)7C3. Мінімальна величина перетину дендритних вісей фериту спостерігається на зразках, що вирізані як із периферійної частини темплету, так і з середньої частини. Зменшується міжпластинчаста відстань. З підвищенням тиску до 4 МПа кількість хрому і легуючих елементів в карбідній евтектиці росте, а ступінь ліквації зменшується, за винятком ванадію і кремнію. При підвищенні тиску до 6 МПа вміст хрому в фериті та в карбідній евтектиці зменшується, а заліза збільшується, що призводить до формування карбідної евтектики на базі карбідів Cr23C6 і легованого (Cr,Fe)7C3. В сталі у вихідному стані окрім фериту і карбіду Cr7C3 присутні оксидні фази (Fe2O3), що відсутні після ГДВ. Твердість сплаву з підвищенням тиску при ГДВ до 4 МПа росте, а при подальшому підвищенні тиску до 6 МПа - повертається до початкових значень. Після ГДВ і термообробки тимчасовий опір сталі збільшується з 120 - 125 МПа до 151 - 158 МПа, ударна в'язкість - з 20 - 22 Дж/см2 до 31 - 36 Дж/см2. Щільність сталі після ГДВ підвищується з 7216 - 7360 кг/м3 до 7698 - 7711 кг/м3.

Результати механічних випробувань зразків сталі Р18Л, що твердіє в формі ЛВМ при ГДВ і диверсифікації режимів здійснення технології, показали підвищення механічних властивостей металу при використанні діапазону тиску від низького (0,1 - 0,3 МПа) до більш високого (0,1 - 3 МПа): тимчасовий опір збільшується з 1697 - 1750 МПа до 1926 - 2040 МПа, твердість після гартування та відпуску - з 52 - 54 НRC до 57 - 61 НRC, відносне подовження - з 2,47 - 2,49% до 3,13 - 3,15% , а також збільшується щільність з 8743 - 8750 кг/м3 до 8777 - 8901 кг/м3. У мікроструктурі литої швидкорізальної сталі в результаті газодинамічного впливу структурна неоднорідність має вид тоншої сітки евтектики по границях зерен, на відміну від грубої сітки евтектичних і вторинних карбідів по границях зерен металевої основи зразків литого сплаву, одержаного за традиційною технологією.

Встановлено підвищення механічних властивостей «Опорний наконечник стійки конвеєра» масою 1,1 кг із сплаву АК5М (див. рис. 4), що твердіє в кокілі при газодинамічному впливі, у порівнянні з традиційною технологією (ТТ) (табл. 6).

Таблиця 6 - Механічні властивості виливків із сплаву АК5М

№ зразка	МПа		%
	ТТ	ГДВ	ТТ	ГДВ	ТТ	ГДВ
1	162,2	185,2	70	73	1,0	1,27
2	161,8	184,8	68	72	0,9	1,26
3	162,1	185,3	68	73	0,9	1,27

Впровадження розробленої технології в умовах ЗАТ «Горизонт» дозволило скоротити кількість браку по шпаристості та газовим раковинам на 28 % (акт від 28.10.2008 р.).



ВИСНОВКИ

В дисертації приведено теоретичне узагальнення і рішення науково-практичної проблеми, яка полягає в розробці та подальшому розвитку теоретичних і технологічних основ процесу газодинамічного впливу на рідку фазу в герметизованій у ливарній формі системі виливок-пристрій для введення газу, що забезпечує підвищення якості литих виробів.

1. Огляд літературних джерел показав, що найбільш ефективною є передача тиску з мінімальними втратами через рідку фазу до фронту твердіння впродовж всього процесу кристалізації. Більшість розглянутих спеціальних видів лиття характеризуються низьким ступенем універсальності, мають достатньо вузький діапазон тиску, що передається безпосередньо рідкій фазі в кінці періоду твердіння, що, в свою чергу, істотно обмежує можливості підвищення якості виливків. Це призводить до необхідності додаткового зміцнення ливарних форм, ускладнення конструкції відповідного устаткування, збільшення кількості технологічних операцій, обслуговуючого персоналу, допоміжних матеріалів, і т.п., що, у свою чергу, негативним чином впливає на економічну ефективність технологій і робить розглянуту в роботі проблему актуальною.

2. Вперше визначена можливість і умови здійснення газодинамічного впливу на рідку фазу в системі виливок-пристрій для введення газу, що герметизована за рахунок шару затверділого металу. Визначено, що завдяки протяжності в часі процесу твердіння, що дозволяє здійснювати необхідні технологічні операції, а також різниці фізико-механічних властивостей металу в рідкому та твердому стані, можлива реалізація регульованого газодинамічного впливу на рідку фазу всередині виливка. Встановлено, що необхідною умовою здійснення газодинамічного впливу є можливість герметизації системи виливок-пристрій для введення газу при атмосферному тиску до початку реалізації основного процесу та формування протягом твердіння виливка під тиском шару твердого металу відповідної товщини, яка забезпечує за своїми міцністними характеристиками герметичність системи виливок-пристрій для введення газу.