Влияние режимов уплотнения воскообразных порошков на напряженно-деформированное состояние прессовок, применяемых в точном литье

Введение

Современной особенностью функционирования промышленных предприятий, специализирующихся на выпуске изделий, предназначенных для нужд авто-, авиа- и судостроения является высокий спрос на металлы и рост объемов производства качественных литых изделий с требуемым набором характеристик, обуславливаемый применением энерго- и материалоэффективных технологий [1 – 4].

В отмеченных отраслях важным представляется сокращение издержек на всех этапах технологического цикла формирования литья деталей повышенной точности и сложной конфигурации из широкой номенклатуры сплавов [5].

Одним из востребованных методов получения точных литых заготовок из широкой номенклатуры конструкционных сталей и сплавов является литье по выплавляемым моделям (ЛВМ), получение сложной конфигурации изделий в котором обеспечивается возможностью объединения отдельных деталей в цельнолитые узлы [6; 7]. Универсальность такого метода обеспечивает его использование как для получения тонкостенных отливок относительно небольшой массы, так и для литых изделий с линейными размерами до 500 мм [8 – 10].

Поверхность такой отливки может быть выполнена с шероховатостью до R_a = 1,25 мкм, соответствовать 11 – 16 квалитетам при допусках на размеры рабочей полости пресс-формы не более 8 – 9 квалитетов согласно ГОСТ 25347–82 «Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки».

Как и любая технологическая последовательность, ЛВМ имеет свои недостатки, во многом обусловленные большим числом операций, характеризующеся определенной долей неисправимого брака, который в сумме приводит к росту стоимости конечного продукта, сложности расчета и моделирования результатов реализации процессов ЛВМ [11].

Наибольшее распространение в процессах ЛВМ получила следующая последовательность операций [12]:

– изготовление выплавляемых моделей и элементов литниково-питающей системы запрессовкой расплава (или пасты) модельной композиции в соответствующую пресс-форму с последующей сборкой всех элементов в модельные блоки;

– послойное нанесение на модельный блок и сушка керамической оболочки;

– выплавление материала модельного блока из керамической оболочковой формы с дальнейшей ее прокалкой и заливкой расплавом металла.

Существенную проблему представляет негативное влияние теплофизических явлений, представляющих изменение объема материалов в результате их теплового расширения или усадки, сопровождающих значительную часть отмеченных выше технологических операций. Борьба с усадочными дефектами, характерными для процессов ЛВМ, проявляющимися как в сплавах тела отливки [13; 14], так и на стадии получения восковой выплавляемой модели [15; 16], определяет ряд технологических проблем, решение которых преимущественно сводится к обеспечению узкого интервала температуры заливки и контроля условий затвердевания как жидкого металла, так и расплава модельной массы.

Так, на этапе охлаждения восковой массы при формировании выплавляемой модели величина объемной усадки может достигать 14 % и проявляться на поверхности в виде раковин, складок, волнистости, что требует затрат на исправление такого рода дефектов [17]. Предотвратить появление подобных дефектов удается лишь отчасти за счет оптимизации процессов на стадии проектирования, строго контроля температуры запрессовки модельных масс и улучшения их составов, что позволяет снизить значение коэффициента термического расширения [18 – 21]. Нарушение геометрии литья возможно также ввиду низкой смачиваемости поверхности выплавляемой модели материалами формирующейся керамической оболочки [22]. Тепловое расширение нагреваемого во время выплавления модельного материала из оболочки также является причиной нарушения целостности последней [23]. Проблему низкой стойкости керамики к образованию трещин иногда удается решить путем ее армирования различными материалами и вставками [24]. После формирования требуемой толщины керамики оболочковые формы нередко подвергают процедуре депарафинизации, осуществляемой посредством их помещения в автоклав. Эта операция также несет определенные риски повреждения внутренних слоев ввиду теплового расширения модельного материала, проникающего в поры керамики на стадии выплавления [25]. Остатки воскового материала в слоях керамики могут повлиять на формирование структуры и свойств поверхности отливки. Отмеченные проблемы приводят к необходимости увеличения припусков на механическую обработку, провоцируя повышенный расход металла.

Сотрудниками лаборатории проблем создания и обработки материалов и изделий Хабаровского Федерального исследовательского центра Дальневосточного отделения РАН предлагается комплексное решение отмеченных выше проблем, связанных с тепловым расширением модельных материалов. Оно заключается в формировании выплавляемых моделей целиком или их поверхности (при получении выплавляемых моделей биметаллических отливок, когда ее поверхность формируется напрессовкой порошка модельного состава на стальной каркас) путем холодного прессования фракций воскообразных модельных материалов. Это позволяет получить структуру прессовки с пористостью до 12 %, конфигурация наружной поверхности которой соответствует формообразующей полости пресс-формы [26; 27].

Такой вариант формирования выплавляемых моделей обеспечивает возможность проникновения модельного материала в сложные формообразующие полости пресс-матрицы и требуемую плотность участков прессовки [28; 29]. Прессованные выплавляемые модели отличает отсутствие таких литейных дефектов, как усадка, волнистость, нарушение геометрии. На стадии выплавления из керамики такие модели не деформируют оболочку, модельный материал не проникает в ее структуру, обеспечивая трещиностойкость последней. Отсутствие модельного материала в порах керамики обеспечивает прогнозируемые структуру и свойства поверхности итоговой отливки.

Недостатком представленного процесса является вероятность изменения размеров прессовки, обусловленная разгрузкой модельного материала и высвобождением воздуха, стесненного в ходе уплотнения. Величина упругого отклика материала прессовки после снятия нагрузки в направлении оси прессования может достигать 0,7 – 1,2 %, а в поперечном направлении 0,4 – 0,5 %, что безусловно существенно меньше значений объемной усадки и требует разработки специального подхода к устранению этого явления [30]. Механическая прочность пористых прессованных выплавляемых моделей уступает традиционным, но компенсируется более высокой теплоустойчивостью.

Величина упругой разгрузки уплотняемого материала во многом зависит от его реологических характеристик: упругости, пластичности, прочности, вязкости и т. д. При уплотнении пластичного порошкового тела без внешних источников тепла в локальных участках материала прессовки происходит повышение температуры, следовательно снижение значений упругой разгрузки материала зависит как от скорости его уплотнения, так и от времени релаксации напряжений [31; 32]. В связи с отмеченным выше, получение прессованных выплавляемых моделей или их элементов с прогнозируемыми размерами и минимальными искажениями геометрии относительно полости пресс-матрицы представляется актуальной задачей при прессовании порошков воскообразных модельных материалов.

В предшествующих работах [33; 34] рассматривались варианты решения ряда вопросов, связанных с режимами формирования прессовок, обеспечивающими достижение релаксации напряжений в них и, как следствие, меньшую величину упругого последействия уплотненного материала. Рассмотрение комплексного влияния скоростных режимов уплотнения воскообразных порошковых материалов в закрытой пресс-матрице на напряженно-деформированное состояние прессовок, а также на итоговую прочность прессовок и характер их разрушения предлагается впервые.

Таким образом, целью настоящей работы является определение влияния скорости перемещения пресс-пуансона при деформировании порошковых тел, состоящих из воскообразных модельных материалов, на напряженно-деформированное состояние прессовок, формируемых в закрытой матрице.

В рамках поставленной цели в работе решались следующие задачи:

– экспериментальное определение зависимостей напряжений, сопровождающих стадии уплотнения и разгрузки прессовок с пористостью 0 – 10 % от времени при различных скоростях перемещения пресс-пуансона и фракций порошковых воскообразных материалов;

– экспериментальное получение зависимостей пределов прочности на сжатие от пористости образцов, сформированных из фракций порошковых воскообразных материалов при различных скоростях перемещения пресс-пуансона, и оценка влияния условий формирования прессовок на характер их разрушения.

Методы проведения исследования

В ходе выполнения экспериментальной части работы, связанной с формированием прессовок и регистрацией напряжений при их прессовании и разрушении, достоверность значений определяемых напряжений позволило обеспечить использование тестовой машины AG-X plus Shimadzu, к заявленным (регламентированным производителем) характеристикам которой относится величина допустимого отклонения значений 0,03 % при нагрузке 100 кН и деформации 10 мм. На рис. 1. представлены рабочая зона тестовой машины, заключенная между неподвижной нижней опорой 1 с размещенной на ней пресс-матрицей 2 (которая снабжена пуансоном), и перемещающимся штоком 3. Пресс-матрица выполнена из стали 45 в виде полого глуходонного цилиндра с внутренним диаметром d = 44 мм и толщиной стенок 4 мм, что позволяет в рамках данного эксперимента принять ее недеформируемой. Полость пресс-матрицы заполняли рассчитанной дозой порошка воскообразного материала, требующегося для каждого эксперимента. Для решения экспериментальных задач в работе в качестве воскообразных порошков использованы материалы, широко распространенные в ЛВМ-процессах, соответствующие первой классификационной группе модельных составов [6]:

– парафин очищенный марки Т1, имеющий температуру плавления 60 °C и плотность в литом состоянии ρ_Т1 = 0,86 г/см³;

– ПС50/50 (представляющий собой сплав парафина и стеарина в соотношении 1/1), имеющий температуру плавления 52 °C и плотность в литом состоянии ρ_ПС50/50 = 0,935 г/см³.

Важное значение для достоверности экспериментальных данных имеют такие параметры материалов, как температура плавления и плотность в литом состоянии, значения которых несколько отличаются от значений характеристик, регламентированных требованиями соответствующих ГОСТов (например, ГОСТ 23683–89 «Парафины нефтяные твердые. Технические условия») и определены экспериментально. Температуру плавления Т1 и ПС50/50 предварительно определяли при помощи дифференциально-термического анализатора Shimadzu DTG-60H в ходе нагрева указанных материалов со скоростью 2 °С/мин [17]. Поскольку используемые в исследованиях материалы являются легкоплавкими, то эксперимент осуществляли в условиях, отвечающих температуре окружающей среды 20 ± 2 °С. Используемые в эксперименте порошковые фракции указанных выше воскообразных материалов получены рассевом на ситах модели 026 в технологически предпочтительном диапазоне стандартных значений 0,63 – 2,5 мм [33]. Применение меньших фракций нецелесообразно ввиду высокой склонности материала к слеживанию, а использование фракций более 2,5 мм в ряде случаев может привести к образованию «арок» во внутренних участках пресс-форм сложной конфигурации, неравномерному распределению материала и, как следствие, получению прессовок с зонами локального переуплотнения. Значения насыпной плотности ρнас зависят от вида и фракции материалов и составляют: для Т1 фракции 2,5 мм ρ_нас = 0,360 г/см³; для Т1 фракции 0,63 мм ρ_нас = 0,320 г/см³; для ПС50/50 фракции 2,5 мм ρ_нас = 0,340 г/см³; для ПС50/50 фракции 0,63 мм ρ_нас = 0,310 г/см³.

Для снижения влияния трения материала о внутреннюю поверхность пресс-матрицы на значения напряжений, возникающих при уплотнении, формообразующую полость последней обрабатывали керосином. Равномерность распределения материала в объеме порошкового тела, помещенного в пресс-матрицу, достигалась его предварительной утряской в течение 5 мин при частоте 3,5 Гц. По завершении утряски производилось уплотнение экспериментальных материалов при значениях скорости движения пресс-пуансона 0,5 мм/с и 1,5 мм/с, обеспечиваемых перемещением траверсы универсальной испытательной машиной AG-X plus Shimadzu. В результате одноосного перемещения пуансона в нижней части пресс-матрицы формировали прессовку, конечные размеры которой удовлетворяют условию: d = h = 0,44 м (где h – конечная высота прессовки). 

Доза порошка воскообразного материала определялась конечной пористостью прессовок, которая в эксперименте изменялась с шагом 2 % в диапазоне значений 0 % ≤ П ≤ 10 %, что обуславливается механическими характеристиками прессовок. Так, например, в ходе предварительных экспериментов установлено, что прессовки с пористостью П > 10 % обладают меньшей прочностью.

Пористость прессовки рассчитывали по формуле

где ρ_п – плотность прессованного образца, кг/м³; ρ_л – плотность литого материала, кг/м³.

Очевидно, что прессовки, характеризующиеся значением П = 0 %, будут иметь плотность, равную плотности материала в состоянии свободной заливки, что для материалов марок Т1 и ПС50/50 соответственно составляет ρ_лТ1 = 0,86 г/см³ и ρ_лПС50/50 = 0,935 г/см³.

Массу М дозы порошка воскообразного материала для формирования прессовки требуемой пористости определяли, исходя из условия

В таблице представлены значения масс и насыпной плотности порошковых материалов марок Т1 и ПС50/50, используемых в эксперименте для формирования прессовок с конечной пористостью, принадлежащей диапазону значений 0 % ≤ П ≤ 10 %.

Из данных, представленных в таблице, видно, что значения конечной пористости прессовок, в рассматриваемом случае замкнутых в объеме цилиндрической полости со значениями диаметра основания и высоты, равными 44 мм, определяют значения масс и насыпной плотности используемых в эксперименте порошковых материалов. Эти обстоятельства в совокупности с фракцией материалов обуславливают разную высоту их засыпки в формообразующей полости пресс-матрицы и, следовательно, различия в значениях деформаций уплотняемых порошковых тел. Таким образом, очевидно, что при равных скоростях перемещения пресс-пуансона время получения прессовок с различным значением конечной пористости будет неодинаковым.

На рис. 2 представлены экспериментальные зависимости деформации порошковых тел, состоящих из материалов Т1 и ПС50/50 фракций 0,63 и 2,5 мм, от времени их уплотнения до значений пористости 0 % ≤ П ≤ 10 % при перемещении пресс-пуансона со скоростью 1,5 мм/с (а) и 0,5 мм/с (б). Эти зависимости показаны в различном цветовом исполнении. В таком же цветовом исполнении представлены уравнения, помещенные на графическом поле. При этом для каждой кривой, размещенной на графиках, представленных на рис. 2, характерно убывание значений пористости с 10 до 0 % в направлении роста времени уплотнения (т. е. слева направо).

Из рис. 2 видно, что величина деформации уплотняемых порошковых тел для прессовок со всеми значениями пористости не превышает 60 %. При этом для более крупных фракций однородных материалов характерны более высокие значения насыпной плотности и, как следствие, несколько меньшие итоговые значения деформации.

По достижении положения h траверсу тестовой машины фиксировали и регистрировали напряжения на ней. Одним из факторов, влияющих на геометрию получаемых пористых выплавляемых моделей, является величина остаточных напряжений в материале прессовки, поэтому после завершения процесса уплотнения образцы выдерживались под нагрузкой при сомкнутых элементах пресс-формы в течение 15 мин. Предварительными экспериментами установлено, что данного количества времени достаточно для релаксации напряжений до 90 % и более [33].

Далее, чтобы определить наибольшие напряжения, соответствующие разрушению образцов, а также характер их разрушения, полученные прессовки подвергались испытанию на сжатие, как показано на рис. 3.

Напряжения, возникающие при определении прочности на сжатие экспериментальных прессованных цилиндрических образцов, также регистрировали при помощи тестовой машины AG-X plus Shimadzu. Поскольку воскообразные порошковые материалы не являются конструкционными, то ввиду отсутствия стандартов на подобного рода испытания с учетом высоты образцов выбрана скорость перемещения траверсы тестовой машины, равная 22 мм/мин, удовлетворяющая требованиям ГОСТ 4651–2014 «Пластмассы. Метод испытания на сжатие».

По полученным в ходе серии экспериментов данным строились зависимости напряжений, сопровождающих стадии уплотнения и разгрузки материала от времени, а также напряжений, возникающих при сжатии в ходе определения прочности, от пористости образцов, сформированных при различных скоростях деформирования.

Результаты исследования и их обсуждение

Воскообразные модельные композиции, использованные в настоящем эксперименте, обладают относительно высоким пределом текучести [34], что, безусловно, оказывает влияние на характер процесса уплотнения порошкового тела и формирование свойств конечной прессовки. При формовке материалов, обладающих значительной пластичностью, стадии процесса прессования протекают одновременно, а участки кривых, которые характеризуют стадии уплотнения, взаимно накладываются друг на друга. Так, в рассматриваемом случае это стадии процесса формовки в закрытой пресс-матрице (характерные для последовательных этапов идеального уплотнения), как структурная деформация порошкового тела, рост давления без увеличения плотности прессовки и следующая за этим пластическая деформация, распределяющаяся на весь ее объем, не имеют четких границ.

В результате эксперимента определены зависимости напряжений, сопровождающих стадии уплотнения и разгрузки прессовок, с итоговыми значениями пористости П = 0 – 10 % от времени формируемых при различных скоростях перемещения пресс-пуансона прессовок из фракций порошковых воскообразных материалов.

На рис. 4 представлены зависимости напряжений, сопровождающих стадии уплотнения до значения пористости 0 % и разгрузки от времени прессовок из материалов марок Т1 и ПС50/50 фракции 0,63 мм (а) и фракции 2,5 мм (б). На рис. 5 представлены зависимости напряжений, построенные аналогично зависимостям, представленным на рис. 4, но характерные для процессов формирования прессовок с пористостью П = 10 %.

Представленные на рис. 4, 5 участки зависимостей, лежащие в зоне отрицательных значений времени, характеризуют процессы уплотнения воскообразных порошковых тел. Цифрами на графическом поле показаны пиковые значения напряжений, возникающих при уплотнении порошковых тел.

Из рис. 4 видно, что при увеличении скорости перемещения пресс-пуансона происходит увеличение значений напряжений, требующихся для формирования прессовок. При этом уплотнение порошка материала марки Т1 характеризуется несколько большими значениями напряжений, чем при уплотнении порошка парафино-стеаринового материала ПС50/50, обладающего большей пластичностью. На значение напряжений, возникающих при уплотнении порошкового тела, фракция модельного материала (при скоростях перемещения пресс-пуансона, применяемых в рамках настоящего эксперимента) существенное влияние оказывает преимущественно для условий прессования тел с малыми значениями пористости. Таким образом, наибольшие значения напряжений, возникающих при уплотнении рассматриваемых в эксперименте порошковых тел, определяются условиями, при которых порошковое тело состоит из наиболее крупной фракции, уплотнение происходит с большими значениями скорости перемещения пресс-пуансона, а требуемое значение конечной пористости минимальное.

Очевидно, что при более высокой скорости перемещения пресс-пуансона время деформирования сокращается. Однако снижение значений остаточных напряжений не находится в прямой зависимости от скорости перемещения пресс-пуансона при уплотнении экспериментальных порошковых тел.

В результате совместного анализа данных, представленных на рис. 4 и 5, можно заключить, что с увеличением пористости до 10 % происходит снижение необходимых для уплотнения прессовок напряжений. При этом изменение представленных на рис. 5 значений напряжений в зависимости от материала, скорости перемещения пресс-пуансона и фракции порошка происходит аналогично зависимостям, представленным на рис. 4. Также видно, что релаксация остаточных напряжений более чем на 90 % характерна для всех вариантов уплотнения уже по истечении 10 мин выдержки в стесненном состоянии. В целом следует отметить, что значения остаточных напряжений по завершении 15 мин выдержки прессовки в нагруженном состоянии не превышают 0,25 МПа для прессовок с П = 0 % и 0,12 МПа для прессовок с конечной пористостью П = 10 %.

Согласно полученным ранее результатам экспериментальных исследований [33], направленных на определение значений напряжений, возникающих в ходе разрушения экспериментальных образцов, от значений их пористости установлено, что напряжения при разрушении прессовок тем больше, чем меньше их пористость и чем больше фракция материала, из которого получены прессовки. При этом вопросы влияния скорости уплотнения при получении прессовок и фракции материала на значение сопротивления сжатию и характер разрушения образцов не рассматривались.

В ходе эксперимента, связанного с определением пределов прочности на сжатие необходимо было установить зависимость этого параметра от пористости образцов, полученных деформированием порошковых тел, составленных из фракций воскообразных материалов Т1 и ПС50/50 при различных скоростях перемещения пресс-пуансона в неподвижной матрице. На рис. 6 представлены полиноминальные зависимости третьего порядка определяемого параметра от пористости образцов, сформированных при различных скоростях перемещения пресс-пуансона. Символами \(R_i^2\) помечены значения величины достоверности аппроксимации полиноминальных зависимостей пределов прочности образцов на сжатие.

Анализ данных, представленных на рис. 6, позволяет установить, что напряжения, возникающие при разрушении экспериментальных образцов сжатием пребывают в зависимости от максимальных значений напряжений, необходимых для уплотнения прессовок. Таким образом, чем выше скорость перемещения пресс-пуансона и крупнее фракция материала (при одинаковых заранее заданных значениях конечной пористости прессовки), тем выше значение напряжения при прессовании и, как следствие, выше значение предела прочности при разрушении образца.

В ходе эксперимента также проведена визуальная оценка характера разрушения экспериментальных прессовок и определено влияние таких факторов, как скорость прессования, фракция используемых в эксперименте материалов и конечная пористость прессовки. Стоит отметить, что в ходе визуального наблюдения деформирования прессовок при сжатии отмечается незначительное влияние фракции материалов и скорости перемещения пресс-пуансона при их формировании на картину процесса разрушения. На рис. 7 представлены наиболее характерные варианты разрушений образцов прессовок с минимальным и максимальным значениями пористости, получаемых из материала ПС50/50.

Из рис. 7 видно, что при сжатии образца с пористостью 0 % характерна бочкообразная форма деформации с более вязким типом разрушения. Образцы с пористостью 10 % разрушаются, принимая характерный для них вид трапеции. В последнем случае образование трещин происходит при углах их наклона к горизонтальному основанию около 60°, что свидетельствует о более хрупком варианте разрушения.

В целом можно утверждать, что, хотя прессовки, сформированные из материала Т1, сопротивляются сжатию лучше, чем прессовки, сформированные из ПС50/50, последние имеют достаточную технологическую прочность для сопротивления сжимающим нагрузкам, возникающим в ходе нанесения первых (незатвердевших) слоев огнеупорной оболочки. Полученные в ходе эксперимента данные о характере разрушения экспериментальных прессовок направлены на реализацию возможности определения конструкции, массы и габаритов выплавляемых моделей и/или их элементов, выполняемых методами формовки порошковых модельных материалов.

Введение

В результате серии экспериментов, состоящих из процессов нагружения воскообразных порошковых материалов, выдержки сформированных прессовок в стесненном состоянии, а также их разрушения определено влияние скорости перемещения пресс-пуансона на напряженно-деформированное состояние прессовок, формируемых в закрытой матрице.

Экспериментальным определением зависимостей напряжений, сопровождающих стадии уплотнения и разгрузки прессовок с пористостью 0 – 10 % от времени, при различных скоростях перемещения пресс-пуансона и фракций порошковых воскообразных материалов установлено:

– снижение задаваемых значений конечной пористости прессовок обеспечивает рост напряжений, возникающих при уплотнении воскообразных порошковых тел, а также определяется использованием более крупных фракций материалов, уплотнением при больших значениях скорости их прессовании;

– на величину остаточных напряжений прессовок, пребывающих в стесненном состоянии после уплотнения, фактор скорости перемещения пресс-пуансона играет менее значимую роль, чем конечная пористость прессовок, в связи с чем при уплотнении экспериментальных порошковых тел значения остаточных напряжений по завершении 15 мин выдержки прессовки в нагруженном состоянии не превышают 0,25 МПа для прессовок с П = 0 % и 0,12 МПа для прессовок с конечной пористостью П = 10 %.

В ходе анализа экспериментальных данных установлено, что рост скорости перемещения пресс-пуансона и увеличение фракции материала, подвергающегося прессованию, определяют рост значений напряжений, возникающих при разрушении экспериментальных образцов сжатием. Итоговая пористость прессовок и природа уплотняемого материала в большей степени влияют на вязкий или хрупкий характер разрушения прессовок, чем фракция материалов и скорость их прессования.

Результаты исследований направлены на реализацию возможности определения конструкции, массы и габаритов выплавляемых моделей и/или их элементов, выполняемых методами формовки порошковых модельных материалов, что, в конечном итоге, позволит повысить размерную и геометрическую точность отливок.