Способ управления процессом производства заготовок поршней ДВС из заэвтектических алюминиевых сплавов
METHOD FOR CONTROLLING THE PROCESS OF PRODUCING WORKPIECES OF PISTONS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES FROM HYPEREUTECTIC ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к металлургическому производству и может быть использовано при изготовлении поршней ДВС из сплавов на основе алюминия с высоким содержанием кремния.
Известен способ изготовления поршневых заготовок из заэвтектического силумина, который предполагает получение заготовки путем заливки металла при температуре 750-780°С в форму, нагретую до температуры 250-280°С, и наложения давления на жидкий и кристаллизующийся металл по программе, включающей опрессовку на 5-7% под давлением до 100 МПа в течение 3 с, опрессовку до 11-12% под давлением от 100 МПа до 250 МПа в течение последующих 5-6 с и опрессовку до 13-13,5% под давлением до 400 МПа в течение последующих 50-60 с, при этом термообработку проводят по режиму, включающему охлаждение после раскрытия формы при температуре 400-420°С в воде, подогретой до 80-90°С, и естественное старение (патент RU №2692150, опубл. 21.06.2019).
Недостатком способа является отсутствие процесса вакуумирования пресс-формы до и во время заливки металла, что приводит к образованию литейных дефектов, снижению твердости, пластичности, снижение структурных свойств. Способ не рассчитан на получение качественных заготовок различного хим. состава. При использовании алюминиевого сплава с различным процентным содержанием легирующих веществ, необходимо изменять накладываемое давление и подбирать соответствующие режимы.
Наиболее близкий к предложенному является способ управления процессом кристаллизации при литье под давлением (патент № RU 2657668 С2), который включает в себя нагрев металла до температуры выше ликвидуса, заливку жидкого металла в вакуумируемую полость формы из заливочной чаши после подрыва стопора, наложение давления на жидкий кристаллизующийся металл, уплотнение металла и выдержку под давлением. Давление накладывают с повышением его до 500 МПа со скоростью 120-125 МПа/с и интервалами 0,5-0,1 с, а выдержку металла под давлением осуществляют до момента охлаждения сплава до 100-150°С. При этом, скорость наложения давления изменяют путем сравнения значения с датчика давления, которое должно превышать истенное на 20-25%.
К недостаткам способа относится неэффективное вакуумироавние полости формы, что объясняется расположением вакуумной системы на стыке двух полуформ. При такой конструкции на бандажах нарезаются венты (каналы естественной откачки воздуха и газов), которые соединяются через штуцер с системой вакуумирования. Во время опрессовки металла, венты заполняются кристаллизуемым металлом, и дальнейшее вакуумирование пресс-формы не предоставляется возможным, тем самым в отливке образуются литейные дефекты.
Еще одним недостатком вышеуказанного способа является низкое быстродействие системы регулирования давления в гидросистеме пресса. Указанные интервалы 0,5-0,1 с включения и отключения гидросистемы являются продолжительными для осуществления процесса управления кристаллизации металлов и сплавов. В перерывах между отключениями и включениями гидроагрегата пресса процессы формирования основных свойств металла успевают перейти в новые - твердые состояния, при которых сформировавшаяся кристаллическая решетка не поддается дальнейшему деформированию.
Задачей заявляемого изобретения является управление формированием механических и структурных свойств алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния, путем наложения высокого давления по заранее заданной программе управления.
Поставленная задача решается за счет того, что способ производства заготовок поршней ДВС из заэвтектических алюминиевых сплавов, включающий в себя приготовление алюминиевого расплава с содержанием кремния не менее 12%, перегрев указанного сплава на 150°С выше температуры плавления, заливку в вакуумированную пресс-форму, разогретую до 200°С и наложение давления на кристаллизующийся металл с повышением значения давления до 500 МПа, выдержку металла под давлением в течение 60 с, извлечение отливки из пресс-формы с последующим охлаждением заготовки в воде при 20°С.При этом поддержание давления в гидросистеме на заданном уровне, осуществляется с помощью встроенного в систему управления частотного преобразователя, информация на который поступает от термопары, вмонтированной в полость формы и контактирующей с жидким металлом.
Способ управления процессом формирования плотной структуры с прогнозируемыми механическими и эксплуатационными свойствами заэвтектических сплавов на основе алюминия при литье под давлением, основан на выявленной авторами закономерности влияния величины и интервалов накладываемого давления на количество и интенсивность выделения теплоты металлом на стыке "форма-жидкий металл" (см. фиг. 2).
При опрессовке металла для того, чтобы фиксировать значение теплоотдачи используется платинородий-платиновая термопара (ТПП), это позволяет повысить чувствительность до 14 мкВ/°С и увеличить скорость обработки сигнала для принятия решения управления на программном уровне.
Для управления процессом наложения давления (см. фиг. 1) используется электронно-вычислительная машина (1). С ЭВМ происходит подача сигнала на частотный преобразователь (ЧП), с которого выполняется стабилизация работы гидроагрегата. Гидроагрегат в свою очередь осуществляет забор гидравлического масла из бака (2). По магистралям масло попадает в гидравлические цилиндры (3). Управление работой гидроцилиндров осуществляется с помощью гидравлических клапанов (4). Фиксация значения, подаваемого давления гидравлического масла в гидроцилиндры, происходит с помощью, установленного на центральной магистрали датчика давления (ДД). За счет перемещения поршней в гидроцилиндрах, осуществляется перемещение прессующих плунжеров. Датчик положения (ДП) является средством контроля над этим перемещением. Для достижения максимальной величины и скорости наложения давления в гидросистему встроен гидроаккумулятор (5).
Перед заливкой металла включается бустерный насос для создания вакуума в пресс-форме. Удаление воздуха и газов происходит через штуцер (6). Такое расположение позволяет использовать проходной канал воздуха большего диаметра, что позволяет более эффективно вакуумирование пресс-формы. После создания требуемого уровня разрежения воздуха, расплавленный металл заливают через заливочное отверстие (7) и соосно расположенные прессующие плунжеры начинают движение друг навстречу другу обеспечивая объемную опрессовку кристаллизующегося металла под высоким давлением по заранее заданной программе. Показания с датчика температуры (8) поступают на программируемый логический контроллер (ПЛК) и фиксируются на ЭВМ. На программном уровне значения температуры сравниваются со значениями, установленными в программе (см. фиг. 2). В случае отклонения фактических показаний температуры металла от заданных происходит коррекция давления, создаваемого в гидросистеме. При увеличении давления, растет давление, создаваемое прессующими плунжерами на кристаллизующийся металл, что приводит к более интенсивной теплоотдачи.
Изменяя величину давления воздействия на кристаллизующийся металл, изменяется интенсивность теплоотдачи и, как следствие, изменяются условия формирования физико-механических свойств отливок. Таким образом, происходит управление формированием свойств кристаллизующегося металла.
в
Под цифрой 9 - график, характеризующий остывание металла без воздействия на него давления (см. фиг. 2). Характер изменения температуры отражает, что показания на уровне кристаллизации алюминиевого сплава ≈ 650°С держатся в интервале 17…40 с. Структура металла образуется с явновыраженными литейными дефектами (см. фиг. 3), а механические свойства соответствуют следующим значениям НВ=30; σ=270 МПа.
в
При тех же самых условиях, но при наложении давления 500 МПа, график под цифрой 10 (см. фиг. 2) характеризует, что та же температура сохраняется в интервале 10…25 с и интенсивность остывания металла увеличивается. Структура металла не имеет явновыраженных литейных дефектов (см. фиг. 4), а механические свойства при этом следующие: НВ=70; σ=520 МПа.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет управлять формированием механических и структурных свойств по заранее заданной программе управления. Положительный эффект при использовании такого способа достигается в виде: сокращения литейных дефектов; повышения уровня повторяемости механических и структурных свойств.