Способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением Российский патент 2022 года по МПК B22D17/00 

Описание патента на изобретение RU2782190C1

Изобретение относится к литью с кристаллизацией под давлением и может быть использовано для управления процессом кристаллизации в условиях наложения давления с целью формирования заданных структуры и свойств алюминиевых сплавов.

Аналогом заявляемого изобретения является способ управления процессом производства заготовок поршней ДВС из заэвтектических алюминиевых сплавов (Решение о выдачи патента на изобретение от 23.03.2021 г. Заявка №2021107706), 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.

К недостаткам способа относится необходимость монтажа термопары непосредственно в отливку, что невозможно сделать без защитного кожуха. Кроме того, после извлечения отливки, часть защитного кожуха останется в отливки, поэтому при проектировании формы необходимо закладывать припуск на механическую обработку. Для реализации указанного способа также необходимо сделать на формах и бандажах паз под защитный кожух, чтобы при смыкании форм его не повредить. Все это приводит к удорожанию и рискам повреждения системы термометрирования.

Еще одним недостатком является расположение вакуумного канала, соединяющего полость формы и бустерный насос. Откачка воздух происходит из левой части формы, что неэффективно, потому, что во время движения левого прессующего плунжера канал перекрывается и эффективность процесса вакуумирования резко снижается, кроме этого, во время заливки металла и по мере повышения уровня металла в форме вакуумный канал будет перекрыт и процесс вакуумирования вовсе прекратится.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому изобретению является способ управления процессом кристаллизации при литье под давлением (патент №RU 2657668), 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 истинное на 20-25%.

К недостаткам способа относится неэффективное вакуумироавние полости формы, что объясняется расположением выходного вакуумного канала для крепления штуцера по плоскости разъема формы. При такой конструкции выходной канал, в процессе опрессовки металла, может захватить жидкий металл и забиться, что не обеспечит эффективное вакуумирование формы и, как следствие, приведет к образованию литейных дефектов в отливке.

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 эффективного управления процессами 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.

Экспериментально было установлено, что при литье силумина вакуумирование способствует снижению пористости, повышению прочности, твердости и пластичности, а также, что для управления формированием свойств литых деталей из алюминиевых сплавов в условиях кристаллизации под давлением необходимо величину вакуума в полости пресс-формы поддерживать на заданном уровне. В таблице 1 представлены значения вакуума и соответствующая им твердость деталей.

Были проведены структурные исследования образцов из чистого алюминия (Al 99), где фиг. 1 соответствует значению вакуума 0,2-0,3⋅10-2, фиг. 2 значению вакуума 0,8-0,9⋅10-2, фиг. 3 значению вакуума 0,8-0,9⋅10-3. Отсюда следует, чем выше степень разряжения в форме, тем плотнее структура металла.

Задачей заявляемого изобретения является эффективный контроль процесса вакуумирования формы в процессе литья с кристаллизацией под давлением, что обеспечивает формирование заданных структурных и механических свойств деталей из алюминиевых сплавов.

Поставленная задача решается за счет того, что способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением, включает в себя заливку в вакуумированную пресс-форму, разогретую до 200°С алюминиевого расплава, перегретого на 150°С выше температуры плавления и наложение давления на кристаллизующийся металл с повышением значения давления до 500 МПа, выдержку металла под давлением до полного завершения процесса кристаллизации, извлечение отливки из пресс-формы. При этом, поддержание значения разряжения в форме на заданном уровне осуществляется с помощью встроенного в вакуумный канал электромагнитного клапана, режим открывания-закрывания которого зависит от показаний датчика давления, установленного в вакуумную систему. Поддержание давления в вакуумном бустерном насосе осуществляется также на основе показаний встроенного датчика давления.

Способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением с возможностью формирования, заданных механических и структурных свойств отливок, основан на установленной авторами закономерности влияния значения разряжения в пресс-форме в процессе формирования отливки под давлением на ее структурные и механические свойства. Когда алюминий и его сплавы в процессе плавления и литья активно взаимодействуют с газами окружающей атмосферы, тогда газы, попадающие в металл или сплав, образуют химические соединения, растворы или суспензии. Молекулы газа коагулируют в пузырьки и находятся в металле (сплаве) во взвешенном состоянии. В процессе кристаллизации такого расплава на границе раздела твердой и жидкой фаз вследствие снижения растворимости возникает газовый зародыш; он удерживается там капиллярными силами и увеличивается в объеме за счет диффундирующих в него газов. При достижении определенного регулируемого краевым углом смачивания размера, когда силы отрыва газового пузырька становятся больше сил прилипания, он отрывается от твердой поверхности, стремясь вверх. Если газовые пузырьки в процессе кристаллизации не успевают подняться на поверхность расплава, то они остаются в нем, образуя в отливках газовую пористость, напрямую влияющую на основные свойства сплава.

Химические соединения газов с металлами являются источниками образования в сплавах твердых неметаллических включений. Газовые включения (под газовыми включениями понимаются и химические соединения металлов с газами) в металлах (сплавах) располагаются преимущественно по границам зерен, нарушая связь между ними и понижая прочность изделий. Растворение газов в металлах или сплавах является следствием диффузии, когда газы в зависимости от их химического сродства с металлами образуют суспензии, твердые растворы или химические соединения.

Распространенными методами снижения содержания газов в алюминиевых сплавах являются продувка хлором, рафинирование. Хлор может неожиданным образом выходить в атмосферу в процессе механической обработки отливок, что по критерию ПДК является недопустимым.

Из других методов, например, О2-процесс, вакуумное литье, электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав и другие, наиболее привлекательным для использования при производстве фасонных отливок является вакуумирование в процессе заполнения формы и опрессовки металла.

Для определения значений вакуума в системе и давления в вакуумном бустерном насосе используются цифровые датчики давления с высокой чувствительностью, исполнительным устройством является электромагнитный клапан с высоким быстродействием. Высокое быстродействие клапана необходимо для оперативного реагирования системы управления на отклонения значений разряжения от заданных в режиме реального времени.

Очевидно, в процессе заливки металла объем газов резко возрастает. В этот момент необходимо осуществить ваккумирование и обеспечить откачку избыточных газов, но откачать необходимо ровно то количество, которое образовалась в данный момент времени. По мере движения прессующих плунжеров друг навстречу другу объем полости формы будет уменьшаться, соответственно, будет увеличиваться объем газов. Ставится задача привести в соответствие изменение объема формы с интенсивностью вакуумирования формы. Если просто взять и включить вакуум, тогда металл начнет быстро охлаждаться, что не обеспечит контролируемый процесс кристаллизации.

Для управления процессом вакуумирования в процессе опрессовки кристаллизующегося металла используется компьютерная система управления, включающая персональный компьютер с предустановленным программным обеспечением, контрольно-измерительную систему и средства автоматизации. С компьютера (ПК) (фиг. 4) запускается вакуумный бустерный насос (БВН), в котором создается необходимое значение разряжения, формы (1,5) смыкаются, после этого металл заливается в заливочную чашу (6), далее открывается электромагнитный клапан (КП) и через вакуумный канал (3) в форме (4) создается заданное разряжение, после этого клапан закрывается, подрывается стопор (7) и металл через заливочное отверстие (8) начинает заполнять форму. По мере заполнения формы значения разряжения начинают меняться, что фиксируется датчиком давления (ДД2). Информация с датчика давления поступает на контроллер (ПЛК) и фиксируются на ПК. Фактические значения разряжения сравнивается с заданными и, в случае рассогласования, подается сигнал на открытие клапана, который открывается и приводит в соответствие значения фактического разряжения с заданным. После стабилизации значений разряжения в форме включаются прессующие плунжеры (2,9), которые двигаясь друг навстречу другу опессовывают кристаллизующийся металл. Во время движения плунжеров значения разряжения в форме начинают изменяться по мере подъема уровня металла. Указанные изменения также фиксируются и с помощью компьютерной системы управления приводятся в соответствие с заданными значениями по указанному выше алгоритму работы СУ. На вакуумном бустерном насосе также установлен датчик давления (ДД1), информация с которого необходима для поддержания в насосе постоянной величины разряжения. Регулятор давления (РД) обеспечивает поддержание в гидросистеме пресса заданного уровня давления.

Экспериментально установлено, что изменяя и поддерживая значения разряжения в форме за счет открытия или закрытия клапана можно целенаправленно изменять условия формирования кристаллизующегося металла, что неизбежно ведет к изменениям физико-механических свойств. Таким образом, осуществляется управление формированием свойств литых деталей.

Нужно отметить, что физика явлений, связанных с вакуумированием и дегазацией, достаточно сложная, а управление процессом необходимо осуществлять в режимах, когда случайное изменение одного из параметров процесса может привести к потере устойчивости. Это тот самый случай, когда система управления должна обладать избыточностью с точки зрения информационного обеспечения для накопления и производства знаний о самом процессе, что реализуется с помощью базы данных (БД).

Реализация заявленного способа решает все поставленные авторами задачи.

Похожие патенты RU2782190C1

название год авторы номер документа
Способ управления процессом производства заготовок поршней ДВС из заэвтектических алюминиевых сплавов 2021
  • Денисов Максим Сергеевич
  • Котов Георгий Александрович
RU2771078C1
Способ управления процессом кристаллизации в условиях двухстороннего сжатия 2024
  • Денисов Максим Сергеевич
  • Чеботарев Петр Александрович
RU2823407C1
Способ управления формированием физико-механических свойств алюминиевых сплавов в условиях наложения давления до начала кристаллизации 2021
  • Денисов Максим Сергеевич
RU2780671C1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2011
  • Коростылев Владимир Федорович
  • Хромова Людмила Потаповна
RU2516210C2
Способ управления процессом кристаллизации алюминиевых сплавов при литье под давлением 2016
  • Коростелев Владимир Федорович
  • Денисов Максим Сергеевич
  • Большаков Александр Евгеньевич
RU2657668C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Малышев Владимир Иванович
RU2353469C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Малышев Владимир Иванович
RU2361696C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
  • Малышев Владимир Иванович
RU2404879C2
Способ получения отливок 1980
  • Котлярский Франк Марьянович
  • Борисов Георгий Павлович
  • Семенченко Анатолий Иванович
SU910349A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ПОРШНЯ 2009
  • Малышев Владимир Иванович
RU2418651C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 782 190 C1

Реферат патента 2022 года Способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при литье с кристаллизацией под давлением. Способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением включает заливку алюминиевого сплава, перегретого на 150°С выше температуры плавления, в вакуумированную пресс-форму, разогретую до 200°С. На кристаллизующийся металл накладывают давление с повышением значения давления до 500 МПа, выдерживают металл под давлением до полного завершения процесса кристаллизации и извлекают отливку из пресс-формы. Управление процессом кристаллизации осуществляют за счет поддержания значения разрежения в форме на заданном уровне с помощью встроенного в вакуумный канал электромагнитного клапана, режим открывания-закрывания которого зависит от показаний датчика давления, установленного в вакуумную систему. Поддержание давления в вакуумном бустерном насосе осуществляют также на основе показаний встроенного датчика давления. Обеспечивается контроль процесса вакуумирования формы в процессе литья с кристаллизацией под давлением и формирование заданных структурных и механических свойств деталей. 4 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 782 190 C1

Способ управления процессом литья алюминиевых сплавов с кристаллизацией под давлением, включающий заливку алюминиевого сплава, перегретого на 150°С выше температуры плавления, 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 до полного завершения процесса кристаллизации и извлечение отливки из пресс-формы, отличающийся тем, что управление процессом кристаллизации осуществляют за счет поддержания значения разрежения в форме на заданном уровне с помощью встроенного в вакуумный канал электромагнитного клапана, режим открывания-закрывания которого зависит от показаний датчика давления, установленного в вакуумную систему, поддержание давления в вакуумном бустерном насосе осуществляют также на основе показаний встроенного датчика давления.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2782190C1

Способ управления процессом кристаллизации алюминиевых сплавов при литье под давлением 2016
  • Коростелев Владимир Федорович
  • Денисов Максим Сергеевич
  • Большаков Александр Евгеньевич
RU2657668C2
Способ изготовления поршневой заготовки из заэвтектического силумина 2018
  • Коростелев Владимир Федорович
  • Денисов Максим Сергеевич
  • Котов Георгий Александрович
RU2692150C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1999
  • Кайбышев О.А.
  • Трифонов В.Г.
RU2176943C2
JP 2005088033 A, 07.04.2005
US 5346381 A1, 13.09.1994
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2011
  • Коростылев Владимир Федорович
  • Хромова Людмила Потаповна
RU2516210C2

RU 2 782 190 C1

Авторы

Денисов Максим Сергеевич

Петрешин Дмитрий Иванович

Чеботарев Петр Александрович

Даты

2022-10-24Публикация

2022-05-18Подача