Повышение качества автомобильных колес из алюминиевых сплавов при литье под низким давлением путем применения новых разделительных покрытий

Литье под низким давлением – один из наиболее автоматизированных и вы- сокопроизводительных способов получения крупносерийных фасонных изделий из легких сплавов. Однако при имеющейся высокой геометрической точности от- ливок по-прежнему актуальной остается задача повышения качества их поверхно- сти.
Для автомобильных колес, отлитых под низким давлением, характерными являются поверхностные и подповерхностные дефекты (неслитины, пористость и другие). Их возникновение обусловлено наличием в кристаллизующемся расплаве двухфазной области, в которой одновременно существуют твердая и жидкая фа- зы. Ширина этой переходной области, играющей ключевую роль в формировании структуры колеса, прямо пропорционально зависит от величины температурного интервала кристаллизации сплава и обратно пропорционально от интенсивности отвода теплоты к пресс-форме.
Одним из решений по регулированию теплоотвода, не требующих больших экономических затрат, является применение разделительных покрытий, создаю- щих на поверхности пресс-форм защитный слой с заданными теплофизическими свойствами. Однако данная область исследований практически не освещена в научных изданиях.
В то же время покрытия, выпускаемые в России и странах СНГ, в не полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, часто уступают зару- бежным аналогам по уровню свойств. В связи с этим отечественные производите- ли фасонной продукции из легких сплавов вынуждены закупать их за рубежом (Великобритания, Германия, Италия, США и др.).
Поэтому целью работы является разработка комплекса технологических решений, направленных на повышение качества автомобильных колес при литье
1 Диссертация выполнена при научной консультации канд. техн. наук Т.А. Богдановой
6
под низким давлением за счет предотвращения образования подповерхностных дефектов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие за- дачи:
 выполнить анализ существующей литейной технологии, включая процесс подготовки пресс-форм и свойства используемых зарубежных покрытий;
 предложить составы импортозамещающих разделительных покрытий и экспериментально обосновать возможность их применения при литье автомо- бильных колес под низким давлением из силумина АК12;
 исследовать с использованием программного пакета ProCAST® процесс формирования качества поверхности колес под низким давлением при различных теплофизических свойствах разделительного слоя в системе «расплав – раздели- тельное покрытие – пресс-форма»;
 внедрить разработанные покрытия на ООО «КиК» и в учебный процесс ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет».
Для решения поставленных задач были применены методы: лазерной гра- нулометрии; дифференциально-термического анализа, оптической плотности га- зов, лазерной вспышки; метод измерения формозаполняемости расплава по спи- ральной металлической пробе; оптической микроскопии; контроля уровня меха- нических свойств; ресурсных испытаний автомобильных колес, что обеспечило достоверность полученных результатов, при обработке которых использовались стандартные компьютерные программы.
Научную значимость имеют следующие результаты:
1. Установлено влияние содержания связующего (жидкого стекла) на тех- нологические свойства водорастворимых разделительных покрытий пресс-форм для литья под низким давлением, что позволило определить его оптимальное со- держание, равное 44–65 % при соотношениях наполнителя и связующего близких к 1:1,1–1,2 и среднем размере частиц минеральных и оксидных наполнителей от 0,2 до 25 мкм.

7
2. На основании проведенных исследований и анализа кинетики газовыде- ления установлено, что уменьшение газотворности разработанных покрытий при их нагреве до 690–720 °C позволяет снизить на 20 % количество газовых дефектов колес при литье под низким давлением.
3. Путем компьютерного моделирования кристаллизации отливок при литье под низким давлением установлено, что разработанное теплопроводящее покры- тие в процессе теплообмена в системе «расплав – разделительное покрытие – пресс-форма» ускоряет кристаллизацию колеса на 2,1 с, а теплоизоляционное за- медляет на 1,3 с, что позволяет выравнивать кристаллизацию отливки и повышать ее качество.
4. Изучено совместное влияние профиля поверхности покрытия и его теп- лопроводности и установлено, что впадины профиля способствуют формирова- нию воздушных зазоров, в которых прослойки воздуха выступают в роли тепло- вых микроизоляторов и ослабляют теплопередачу, нивелируя влияние коэффици- ента теплопроводности разделительного слоя, в то же время острые выступы на поверхности покрытия стягивают окисные плены к краям потока металла, пре- одолевающего окрашенный участок формы, тем самым очищая его и повышая выход годного литья до 10 % в зависимости от модели колеса.
Практическую значимость имеют следующие результаты:
1. Предложено технологическое решение по снижению брака легкосплав- ных колес по термическим, газовым и усадочным дефектам, заключающееся в применении разделительных покрытий с заданными свойствами. Суммарное сни- жение по данным группам дефектов в среднем составило 30 %.
2. Предложен состав теплопроводящего покрытия (КПТ110), обладающий следующими свойствами в сравнении с зарубежными аналогами: седиментацион- ная устойчивость увеличена на 20 %, приведенная прочность – в 4,5 раза, на 50 % снижена газотворность, средний прирост формозаполняемости сплава АК12 по окрашенной спиральной пробе составляет 9 см. На данный состав получен патент No 2604163 «Разделительное покрытие для литейных пресс-форм».

8
3. Разработаны рекомендации по технологии приготовления и нанесения теплоизолирующего покрытия (Ж163), содержащего наполнитель и связующее в соотношении 1:1,2 и обладающего плотностью 1110 кг/м3, седиментационной устойчивостью (через 3 ч) 40–45 %, приведенной прочностью 130 кг/мм, на 25 % меньшей газотворностью в сравнении с зарубежными аналогами.
4. Предложенные покрытия внедрены на ООО «КиК», что позволило увели- чить выход годных отливок на 1,5–10,0 % в зависимости от модели колеса. Эко- номический эффект от внедрения разработанных покрытий на предприятии со- ставляет 850 000 руб./год.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Способ повышения эффективности технологии производства легкосплав- ных автомобильных колес, реализуемый через нанесение на пресс-формы покры- тий с различными теплофизическими свойствами, позволяющими регулировать условия кристаллизации подповерхностных слоев отливок.
2. Новые составы разделительных покрытий пресс-форм, выполненные на основе полидисперсных наполнителей с повышенным содержанием связующего, технология нанесения которых не отличается от заводской.
3. Экспериментальные закономерности, подтверждающие повышение каче- ства отливок из алюминиевых сплавов при литье под низким давлением за счет управления теплообменом между расплавом и пресс-формой.
4. Результаты компьютерного моделирования, позволяющие оценивать снижение риска возникновения дефектов легкосплавных колес за счет регулиро- вания теплообмена в системе «расплав – разделительное покрытие – пресс- форма».
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографи- ческого списка, содержащего 137 источников, и 6 приложений. Основной матери- ал изложен на 107 страницах, включая 20 таблиц и 57 рисунков.
Автор работы выражает благодарность за большую помощь в области ме- талловедения канд. техн. наук Богдановой Татьяне Александровне, начальнику металлургического отдела ООО «КиК».