Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изготовлена опытная партия заготовок поршней ДВС методом литья с кристаллизацией под высоким давлением для последующей изотермической штамповки в количестве. Проведен анализ структурных свойств, полученных заготовок. Анализ показал, что наложение давления по разработанной технологии из-под корки кристаллизующегося металла позволило в массивном сечении радикально устранить дефекты газо-усадочного происхождения. Кроме этого, удалось установить, что наложение давления на кристаллизующийся металл в диапазоне от 400 до 500 МПа позволяет приблизить твердость, прочность и пластичность к свойствам деформированного металла. Также разработана технология изотермической штамповки. С использованием указанной технологии изготовлена опытная партия заготовок поршней ДВС. Из указанных заготовок вырезаны образцы для изучения структурных и механических свойств. Для управления процессами литья с кристаллизацией под высоким давлением и изотермической штамповкой разработана система управления гидропрессовым оборудованием. Предложена структура системы управления, разработано алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечение, которые позволяют обеспечить непрерывное наложение давления на незакристаллизовавшийся металл, с целью уменьшения объем и приближения межатомного расстояния к заданному значению, т.е. к эталону. Таким образом установлено, что адаптивное управление величиной и скоростью наложения давления на жидкий металл по эталонной модели обеспечивает формирование равномерной структуры без дефектов ликвации и усадки, а также обеспечивает повышение физико-механических свойств, размерной точности и класса шероховатости поверхности отливок из высокопрочных деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов, в т.ч. В95 Обоснован выбор параметров настройки системы управления процессом на основе теоретических исследований. Установлены и исследованы зависимости физико-механических и структурных свойств опытных образцов от параметров настройки СУ, исследованы микроструктуры опытных образцов, проведены испытания на разрыв, определен предел прочности, измерены твердость и относительное удлинение. Экспериментально подтверждено, что наложение давления не приводит к «замораживанию» атомов во всем объеме, но сближает атомы на столько, что образование кристаллической решетки сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, что происходит практически без изменения объема. На основании полученных результатов можно утверждать, что в литых заготовках, полученных из деформируемого сплава литьем с опрессовкой жидкого металла до начала кристаллизации под высоким давлением, отсутствуют дефекты газо-усадочного происхождения и ликвации, а механические свойства выше, чем у отливок из литейных алюминиевых сплавов. Кроме того, достигается класс шероховатости поверхности до 1 мкм и точность не ниже 8-го квалитета для механически обработанных поверхностей. По результатам работы дана теоретическая оценка сжимаемости жидкого металла под высоким давлением. Установленная зависимость относительного уменьшения объема металла (сжимаемости) от величины накладываемого давления, которая показывает, что под влиянием высокого давления жидкий металл переходит в качественно новое состояние. По результатам исследований предложен комплексный процесс и автоматизированная технология производства поршней ДВС, основанная на использовании высокого давления для опрессовки кристаллизующегося металла. Выполненные исследования подтвердили правильность установленных режимов опрессовки, по которым были получены опытные партии заготовок поршней ДВС. На полученных образцах дефектов не выявлено. При опрессвоки необходимо соблюдать заданные технологические параметры обработки, причем, пренебрежение влиянием хотя бы одного из них неизбежно приводит к браку. Например, снижение температуры заливки на 50 К, приводит к тому, что плунжер перерезает дендриты в камере опрессовки, твердожидкая масса оказалась сдвинута к сердцевине, при этом сопротивление твердых кристаллов не преодолено полностью, в результате чего остались разрывы сплошности и рыхлота. В результате проведенной работы предложена базовая технология для получения отливок из алюминиевых сплавов АК12, АК18, АК7, в том числе высокопрочных типа В95 с принципиально новыми свойствами, полученными методом литья кристаллизацией под давлением, со сложной геометрией, обладающих следующими отличительными особенностями: - повышенной химической и структурной однородностью, без ликвационных дефектов; - измельченной структурой зерна (размер которых примерно в 3 раза меньше, чем у других производителей и составляют 10...20 мкм.), связанной с образованием микро и нанокристаллических и квазикристаллических структур; - формированием равномерной структуры за счет того, что некоторые компоненты сплава не успевают продиффундировать и образовать изолированные включения, а находятся в твердом растворе; - возможностью пластической деформации (вплоть до проявления сверхпластичности) и направленной рекристаллизации; - повышенной однородностью распределения и дисперсностью выделений избыточных фаз; - формированием сильнопересыщенных твердых растворов и подавлением выделений стабильных и метастабильных фаз; - регулируемым образованием упрочняющих фаз; - с высоким уровнем механических свойств. При этом дополнительно получены следующие результаты: - увеличены удельные прочностные характеристики получаемых отливок на 15-20% по сравнению с алюминиевыми отливками близкого состава; - повышена технологичность изготовления заготовок поршней ДВС. Кроме этого, разработана модель, включающая расчетные значения температуры перегрева и необходимого давления. В предложенной модели учтены следующие факторы: - жидкий металл и технологическая оснастка для наложения давления объединены в систему, такие параметры как температура и давление распределены в пространстве и во времени; - жидкий металл под давлением выступает в качестве объекта контроля и управления, свойства которого определены; - установлено взаимное влияние и взаимодействие физических, химических, и фазовых процессов, поддающиеся контролю и управлению. Для исследований использован разработанный автоматизированный технологический комплекс, оснащенный средствами для вакуумирования жидкого металла, запрессовки металла в полость формы и наложения высокого давления на металл в процессе его кристаллизации. В состав комплекса входят программно-аппаратные средства для сбора и обработки экспериментальной информации, а комплекс работает в режиме супервизорного управления по программе, составленной с учетом достигнутого опыта и результатов, полученных в предыдущих экспериментах. На программном и аппаратном уровне реализовано управление скоростью откачки газов и движением плунжеров. Дополнительно, система управления оснащена СППР на основе нейросетевых технологий.