УДК 621.74.043.2+621.7 (Белорусский национальный технический университет, г. Минск), ДЯТЛОВСКИЙ
advertisement
УДК 621.74.043.2+621.7 Канд. техн. наук, доц. МИХАЛЬЦОВ А.М., канд. техн. наук ПИВОВАРЧИК А.А., (Белорусский национальный технический университет, г. Минск), ДЯТЛОВСКИЙ С.К., (ОАО Минский механический завод им. С.И. Вавилова, управляющая компания холдинга БелОМО, г. Минск) МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ АЛЮНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Аннотация Ключевые слова: Разделительные покрытия, литье под давлением, пресс-форма, отливка, стержень, кремнийорганический полимер, алюминиевые сплавы Название статьи: Материалы разделительных покрытий пресс-форм литья алюминиевых сплавов под давлением / А.М. Михальцов, А.А. Пивоварчик, С.К. Дятловский // Литейное производство. – 2012. - № 7– С.38-40 В статье представлены результаты исследований разделяющей и смазывающей способностей материалов, ранее используемых при разработке составов смазок, а также новых веществ, представляющих интерес с точки зрения литья алюминиевых сплавов под давлением. Ил. 5. Библиогр.: 5 назв. Key words: Separating coating, die casting, mold, casting, the core, silicone polymer, aluminum alloys Title of the article: Proceedings of the dividing surfaces mold casting of aluminum alloys under pressure / А.М. Michalzov, A.A. Pivavarchyk, S.K. Dziatlovskij // Foundry. – 2012. – No. . − P. The paper presents results of research and separating the lubricating abilities of materials previously used in the development of formulations of lubricants, as well as new substances that are of interest in terms of casting aluminum alloy under pressure. Fig. 5. Ref. 5 titles. Введение. В настоящее время важнейшими задачами, стоящими перед металлургическими и машиностроительными отраслями промышленности, считаются повышение качества и создание конкурентоспособной продукции. При получении деталей автомобильной номенклатуры литьем под давлением (ЛПД), один из наиболее производительных способов получения точных литых деталей и заготовок с качественной поверхностью. Отливки, изготавливаемые методом ЛПД, имеют сложную конфигурацию и, как правило, содержат всевозможные внутренние полости и отверстия, которые выполняют с помощью металлических стержней. В момент извлечения отливки из прессформы в зоне контакта стержня и отливки возникают силы трения, обусловленные обжатием стержня затвердевающей отливки, которые приводят к образованию задиров на поверхности отливки. Для предотвращения образования задиров на теле отливки необходимым условием является использование разделительных покрытий (смазок), позволяющих беспрепятственно извлекать отливки из пресс-формы. Современные разделительные покрытия для пресс-форм ЛПД должны отвечать целому ряду требований, основными из которых являются высокая термическая стойкость и смазывающая способность. Поэтому до недавнего времени в качестве основного компонента разделительных покрытий для пресс-форм ЛПД использовали тяжелые минеральные масла [1]. Так как они имели высокую вязкость, для механизированного нанесения их на пресс-форму вначале использовались органические разбавители. Однако это существенно ухудшало санитарно-гигиенические условия труда на рабочем месте заливщика, приводило к регулярным пожарам вентиляционной системы цеха в результате конденсации и последующего возгорания органического разбавителя. Для устранения указанных недостатков был осуществлен вынужденный переход к использованию в качестве разбавителя воды. В силу того, что масла в воде не растворимы, приготавливались эмульсии с использованием поверхностно-активных веществ и специальных смесителей. Использование эмульсий взамен масел позволило механизировать и автоматизировать процесс нанесения разделительных покрытий на поверхность технологической оснастки, улучшило санитарно-гигиенические условия труда заливщика. Отрицательным моментом производственного использования эмульсий масел явилось существенное ухудшение разделяющей и смазывающей способности покрытий, обусловленное их низкой термической стойкостью. Специфика процесса ЛПД заключается в том, что отливка подвергается подпрессовке в момент затвердевания. В результате, затвердевающий металл, стремится заполнить все неровности на поверхности оснастки, обусловленные шероховатостью. При отсутствии разделительного покрытия так и происходит (рис. 1). Рис.1. Заполнение расплавом микронеровностей на поверхности стержня без разделительного покрытия, ×250 Поэтому, при изготовлении металлоемких отливок, когда температура пресс-формы достигает более высоких значений, на первый план выступает способность разделительных материалов сохранять свое присутствие на поверхности оснастки, образуя разделительный слой определенной толщины. Именно благодаря величине этого слоя и происходит разъединение без задиров отливки и оснастки. В наиболее тяжелых условиях при этом работают стержни. Для повышения термической устойчивости водоэмульсионных смазок в их составе взамен тяжелых минеральных масел начали использовать кремнийорганические жидкости [2]. Их вязкость, а, следовательно, и несущая способность пленок на их основе, с повышением температуры уменьшается незначительно [3]. Однако по смазывающей способности кремнийорганические жидкости уступают минеральным маслам на основе нефтепродуктов [4]. При этом отмечается, что растительные масла и животные жиры, использованные в процессах ЛПД, обладают более высоким смазывающим действием, чем нефтепродукты. Цель проводимых исследований. В связи с вышеизложенным целью настоящей работы является исследование разделяющей и смазывающей способности материалов, представляющих определенный интерес с точки зрения ЛПД. Исследование прошли следующие материалы: побочные продукты, образующиеся при переработке растительных масел и жиров: соапсток, фус, жирные кислоты (ТУ РБ 190239501.034 – 2002) [5]. Они содержат в своем составе целый комплекс веществ, преимущественно это предельные и непредельные жирные кислоты, а также фосфолипиды. Наряду с названными материалами исследованию подвергались гидрофобизатор калийный ГФК-1; растительное масло и кремнийорганическая жидкость ПМС 300. Методика проведения экспериментов. Разделяющая способность материалов оценивалась по отношению глубины микронеровности, покрытой смазкой, к радиусу микронеровности заполненной затвердевающей отливкой (рис.2). Чем меньше это отношение, тем выше экранирующее и разделяющее действие исследуемого материала. Методика проведения экспериментов состояла в следующем: в специальную пресс-форму, имеющую гнезда для установки сменных металлических стержней и установленную на машине литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования модели 71107 заливали сплав АК12М2. Температура заливаемого металла составляла 620 ±10 °С. Разогрев пресс-формы до рабочей температуры, производился посредством 15–20 запрессовок. Время выдержки отливки в форме во всех случаях составляло 10 секунд. В ходе проведения экспериментов использовались сменные стальные стержни диаметром 10 мм и длиной 35 мм с шероховатостью 0,32 Ra. Перед заливкой расплава стержни устанавливали в специальное отверстие в матрице пресс-формы, так чтобы рабочая поверхность стержня выступала наружу. После запрессовки и затвердевания металла, стержень с обжимающей его отливкой удаляли из полости пресс-формы. Затем перпендикулярно поверхности контакта отливки и стержня производили разрез. Вырезанные образцы устанавливали в оправку и заливали пластиком для более качественного изготовления шлифов. Шлифы изготавливали на установке импортного производства FORCIPOL 1V (Grinder-polisher). Шлифы образцов для изучения опорных профилей отливки и стержня показаны на рис. 3. Изучение полученных профилей контакта отливки выполняли с применением сканирующего электронного микроскопа VEGA II LMU. Рис. 2. Заполнение расплавом микронеровностей на поверхности стержня при использовании в качестве разделительного материала соапстока, ×250 Рис. 3. Шлифы образцов для изучения опорных профилей отливки и стержня Результаты исследований разделяющей способности исследуемых материалов представлены на рис. 4. Не менее важной характеристикой разделительных покрытий является их смазывающая способность, обеспечивающая возможность проскальзывания микронеровностей образовавшейся поверхности отливки относительно микронеровностей поверхности оснастки. Смазывающую способность материалов оценивали по усилию извлечения металлического стержня из отливки. Экспериментальный стержень с технологическим уклоном 1° и шероховатостью поверхности 0,32 Rа, прогретый в сушиле до температуры 220 °С, что соответствует рабочей температуре пресс-формы после нанесения на него слоя материала, устанавливался в специально изготовленный и закрепленный на станине металлический кокиль, после чего производилась заливка расплавленного сплава АК12М2. Время выдержки отливки в кокиле составляло 15 секунд. После этого, стержень извлекался вместе с обжимающей его отливкой и устанавливался в разрывной пресс. На шкале пресса фиксировалось усилие, затраченное на извлечение стержня из кокильной отливки. При определении усилия извлечения стержня из отливки Pизв удобнее пользоваться относительной величиной f, которая определяется из соотношения: f = Pизв / Pизв. max (1) где Pизв – величина определяемая по шкале разрывного пресса при смазывании стержня; Pизв. max – тоже без смазывания стержня. Результаты исследований смазывающей способности материалов представлены на рис. 5. Результаты исследований и их обсуждение. Можно видеть (рис.4), что использование практически всех материалов в несколько раз снижает отношение a / R , свидетельствуя о сглаживании поверхности литейной оснастки, контактирующей с отливкой. Это позволяет перемещать отливку относительно технологической оснастки без разрушения поверхности отливки в начальный момент. Чем меньше отношение a / R , тем меньше вероятность непосредственного контакта отливки и пресс-формы, и тем выше разделяющая способность исследуемого материала. Рис. 4. Разделяющая способность исследуемых материалов, представляющих практический интерес для ЛПД: 1 – без смазки, 2 – ГФК-1, 3 – фус, 4 – жирные кислоты, 5 – растительное масло, 6 – соапсток, 7 – ПМС300 Как и предполагалось, лучший результат, достигнут при использовании в качестве разделяющего материала полиметилсилоксановой жидкости ПМС300. Остальные материалы по указанному показателю заметно уступают ПМС300. Ближе всех к ПМС300 по разделяющей способности стоят фус и соапсток. При обычных условиях они имеют более высокую вязкость, чем комплекс жирных кислот. Очевидно, это обусловлено тем, что в составе фуса и соапстока содержатся жирные кислоты с более высокой молекулярной массой. Рис. 5. Смазывающая способность материалов, используемых в составах разделительных покрытий для пресс-форм ЛПД алюминиевых сплавов: 1 – без смазки, 2 – ГФК-1, 3 – фус, 4 – жирные кислоты, 5 – растительное масло, 6 – соапсток, 7 – ПМС300 Как следует из приведенных на рис. 5 данных, кремнийорганическая жидкость ПМС300 имеет более низкую смазывающую способность, чем большая часть материалов растительного и животного происхождения. Самую высокую смазывающую способность в условиях воздействия высоких температур показал фус. Приведенные данные свидетельствуют о том, что в составе разделительных покрытий наряду с материалами, обладающими хорошими разделительными свойствами, обусловленными их высокой термостойкостью, должны содержаться материалы, имеющие высокую смазывающую способность при тех же условиях. Это позволит создать разделительное покрытие, наиболее полно отвечающее современным требованиям, предъявляемым к смазкам ЛПД. Выводы 1. Установлено, что использование разделительных материалов позволяет снизить величину заполнения расплавом микронеровностей на поверхности литейной оснастки, при этом изменяется соотношение глубины затекания расплава к радиусу внедрения в меньшую сторону, что создает благоприятные условия для пластического оттеснения, а не срезания микронеровностей отливки микровыступами на поверхности стержня. 2. Показано, что использование более термостойких веществ (полиметилсилоксановая жидкость ПМС300) увеличивает разделяющую способность в 2,0−2,7 раза по сравнению с нефтепродуктами и продуктами растительного происхождения в зависимости от вида исследуемого материала. 3. Установлено, что наилучшими смазывающими свойствами из исследуемых материалов обладают продукты растительного и животного происхождения, а именно: фус, растительное масло и соапсток. Использование данных компонентов позволяет повысить смазывающую способность разделительных покрытий почти в 5 раз. Список литературы 1. Беккер М.Б., Заславский М.Л., Игнатенко Ю.Ф. Литьё под давлением. М.: Машиностроение, 1990. – С. 72…73. 2. Graff James L, Paul Hibner, Paula Pachllke-Dumont, Thomas Schulte, Holder Schwarz, Michael Woodcock / Pulver-Trennmittel als Trennstoffe fur das nachte Jartaysend / Giesserei –Erfahrungsaustausch. – 1999. – 43. – № 7. . – Р. 361…363. 3. Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения. Из-во Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 318 с. 4. Крыжановский В.К. Технические свойства полимерных материалов: учеб. справ. пособие; 2-е изд., испр. и доп. – СПб.: Профессия, 2005. – 248 с. 5. Соапсток: ТУ РБ 190239501.034–2002. − Введ. 10.02.03. − Мн: Белорусский государственный комитет по стандартизации РБ, 2003. – 17 с. Название научно-технической программы в рамках которой выполнена работа. Государственная программа научных исследований «Функциональные и машиностроительные материалы и технологии, наноматериалы и нанотехнологии в современной технике» («Функциональные и машиностроительные материалы, наноматериалы»), подпрограмма «Разработка научных и технологических основ создания и обработки новых материалов для промышленности» («Материалы в технике») на 2011−2015 годы № 4.3.04, номер государственной регистрации ГБ 20110701, название темы «Разработать высокоэффективные разделительные покрытия на основе новых материалов для пресс-форм литья под давлением».
