Ливарні методи впливу на структуроутворення виливків і процес кристалізації алюмінієвих сплавів у піщаних формах

Шрифт:
224

https://doi.org/10.15407/steelcast2021.04.036

Met. litʹe Ukr., 2021, Tom 29, №4, P. 36-43

П.Б. Калюжний, канд. техн. наук, ст. наук. співр., e-mail: kpb.ptima@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-1111-4826
В.C. Дорошенко, д-р техн. наук, ст. наук. співр., пров. наук. співр., e-mail: doro55v@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-0070-5663

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна)

Надійшла 07.08.2021

УДК 621.74.041

Постійне зростання вимог до якості і властивостей литих алюмінієвих сплавів сприяє все більш широкому використанню в ливарних технологіях фізичних методів зовнішнього впливу на процес формування виливків. Особливий інтерес представляє лиття в піщані форми, як найбільш універсальний спосіб одержання фасонних виливків з комплексною геометрією. У зв’язку з чим у статті проведено аналіз сучасних ливарних методів впливу на структуроутворення виливків і процес кристалізації алюмінієвих сплавів у піщаних формах. Впровадження адитивних технологій в ливарне виробництво спонукало дослідженню впливу геометрії піщаних форм, виготовлених за допомогою 3D-друку, на процес формування виливка. Визначено, що застосування скелетних, ребристих, оболонкових чи багатошарових ливарних форм дозволяє керувати процесами тверднення виливка. Принципово новим ливарним методом є абляційне лиття, суть якого полягає у розмиванні струменями води піщаної форми та швидкому охолодженні тверднучого виливка. Вивчення даного методу показує, що швидке охолодження водяними струменями виливка сприяє подрібненню складових мікроструктури алюмінієвих сплавів, і, відповідно, зростанню їх механічних властивостей. Набувають поширення методи підвищення властивостей алюмінієвих сплавів при литті за моделями, що газифікуються. Так, накладення тиску на тверднучий метал сприяє подрібненню мікроструктури алюмінієвих сплавів та зростанню їх міцності, пластичності та твердості, зменшенню пористості виливків. Застосування вібрації сприяє не тільки подрібненню мікроструктурних складових, а і зміні їхньої морфології. Механічна вібрація значно підвищує механічні властивості та щільність алюмінієвих сплавів при литті за моделями, що газифікуються. Застосування аеродинамічного охолодження на стадії тверднення виливка показує, що в алюмінієвому сплаві зменшується в 1,5–1,8 рази розмір дендритних комірок, в 1,3–1,6 рази – розмір евтектичного кремнію, в 1,4–1,8 рази – довжина голок інтерметаліду заліза порівняно з виливками, одержаними за традиційною технологією лиття за моделями, що газифікуються. Останні методи є найбільш перспективними для керування процесом кристалізації металу при литті за моделями, що газифікуються, як найбільш універсального способу виготовлення складнопрофільних литих деталей із алюмінієвих сплавів.

Ключові слова: алюмінієвий сплав, піщана форма, швидкість охолодження, 3D-друк, аеродинамічне охолодження, лиття за моделями, що газифікуються.

Література

1. Shangguan H., Kang J., Deng C., Hu Y., Huang T. 3D-printed shell-truss sand mold for aluminum castings. Journal of Materials Processing Technology. 2017. Vol. 250. P. 247–253. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.05.010
2. Kang J. et al. Modeling and Simulation of the Casting Process with Skeletal Sand Mold. Materials. 2020. Vol. 13. No. 7. 1596. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13071596
3. Shangguan H.L. et al. Controlled cooling of an aluminum alloy casting based on 3D printed rib reinforced shell mold. China Foundry. 2018. Vol. 15. No. 3. P. 210–215. DOI: https://doi.org/10.1007/s41230-018-7252-x
4. Deng C. et al. Insulation effect of air cavity in sand mold using 3D printing technology. China Foundry. 2018. Vol. 15. No. 1. P. 37–43. DOI: https://doi.org/10.1007/s41230-018-7243-y
5. Deng C. et al. Effects of hollow structures in sand mold manufactured using 3D printing technology. Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 255. P. 516–523. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.12.031
6. Wang J., Zheng L., Kang J., Hu Y. Study on the Directional Solidification Process of an Aluminum Alloy Bar in Multishell Mold Being Gradually Immersed in Water. Materials. 2020. Vol. 13. 2197. DOI: https://doi.org/10.3390/ma13092197
7. Grassi J., Campbell J., Hartlieb M., Major F. The Ablation Casting Process. Materials Science Forum. 2009. Vol. 618. P. 591–594. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.618-619.591
8. Bohlooli V., Shabani Mahalli M., Boutorabi S.M.A. Effect of ablation casting on microstructure and casting properties of A356 aluminium casting alloy. Acta Metallgica Sinica. 2013. Vol. 26. No. 1. P. 85–91. DOI: https://doi.org/10.1007/s40195-012-0092-6
9. Dudek P., Fajkiel A., Reguła T. The Research on the Ablation Casting Technology for Aluminium Alloys. Solid State Phenomena. 2014. Vol. 223. P. 70–77. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.223.70
10. Tiryakioğlu M., Grassi J. On the Properties and Performance of Ablation Cast Components. In Shape Casting: 6th International Symposium. Springer, Cham. 2016. P. 93–100. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-48166-1_12
11. Taghipourian M., Mohammadaliha M., Boutorabi S.M., Mirdamadi S.H. The effect of waterjet beginning time on the microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy during the ablation casting process. Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 238. P. 89–95. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.05.004
12. Weiss D., Grassi J., Schultz B., Rohatgi P. Testing the Limits of Ablation. Modern Casting. 2011. Vol. 101. No. 12. P. 26–29.
13. Weiss D., Grassi J., Schultz B., Rohatgi P. Ablation of Hybrid Metal Matrix Composites. AFS Proceedings. Transactions of the American Foundry Society. 2011. Vol. 119. P. 35–41.
14. Niakan A.A., Idris M.H., Karimian M., Ourdjini A. Effect of Pressure on Structure and Properties of Lost Foam Casting of Al-11Si Cast Alloy. Applied Mechanics and Materials. 2012. Vol. 110–116. P. 639–643. DOI: https://doi.org/10.4028/www. scientific.net/AMM.110-116.639
15. Kang B. et al. Density and Mechanical Properties of Aluminum Lost Foam Casting by Pressurization during Solidification. J. Mater. Sci. Technol. 2007. Vol. 23. Iss. 6. P. 828–832.
16. Zhao Z. et al. Influence of mechanical vibration on the solidification of a lost foam cast 356 alloy. China Foundry. 2010. Vol. 7. P. 24–29.
17. Jiang W., Chen X., Wang B., Fan Z., Wu H. Effects of vibration frequency on microstructure, mechanical properties, and fracture behavior of A356 aluminum alloy obtained by expendable pattern shell casting. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. Vol. 83. P. 167–175. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-015-7586-0
18. Zhao Z., Fan T. Influence on the Microstructures and Properties of A356 with Vibration Pressure in Lost Form Casting. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 685. P. 7–10. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.685.7
19. Дорошенко В.С. Повышение твердости металла отливки путем охлаждения ее в вакуумируемой песчаной форме газообразным, жидким хладагентом и движением частиц песка. Литье Украины. 2014. № 4. С. 13–22.
20. Acar S., Guler K.A. A Preliminary Study Upon the Applicability of the Direct Water Cooling with the Lost Foam Casting Process. International Journal of Metalcasting. 2021. Vol. 15. No. 1. P. 88–97. DOI: https://doi.org/10.1007/s40962-020-00420-7
21. Kaliuzhnyi P. Influence of Sand Fluidization on Structure and Properties of Aluminum Lost Foam Casting. Archives of Foundry Engineering. 2020. Vol. 20. No. 1. P. 122–126. DOI: 10.24425/afe.2020.131293