Tagirov, Damir Vagizovich (ul. Prospekt Oktyabrya, 111/2-15 Uf, Bashkortostan 5, 45007, RU)
Kaibyshev, Rustam Oskarovich (ul. Lenina, 31/33-28 Uf, Bashkortostan 7, 45007, RU)
| 1. | Способ уплотнения изделия, заключающийся в том, что на изделие размещенное в жидкой среде, которая находится в полости устройства для уплотнения изделия и нагрета до заданной температуры, T, воздействуют с заданным давлением, P, посредством подвижного приспособления типа поршня, имеющего несколько частей, в том числе, металлический уплотняющий элемент, при этом полость с жидкой средой герметизируют за счёт деформации одной из частей поршня, отличающийся тем, что полость с жидкой средой герметизируют за счёт пластической деформации уплотняющего элемента под действием приложенного давления при температуре, T*, где T* температура уплотняющего элемента с учётом её градиента по отношению к температуре жидкой среды, величина которого зависит от конструктивных особенностей устройства для уплотнения и условий осуществления способа, при этом деформацию уплотняющего элемента реализуют за счёт воздействия на него других частей поршня, выполненных из материала с более высоким, чем у материала уплотняющего элемента, модулем упругости и сопротивлением пластической деформации. |
| 2. | Способ по п.l отличающийся тем, что перед началом уплотнения первого и/или очередного изделия уплотняющий элемент подвергают дополнительной пластической деформации, со степенью, выбираемой из условия герметизации полости с жидкой средой. |
| 3. | Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве инструмента для передачи давления при дополнительной деформации уплотняющего элемента используют части поршня и технологический упор, устанавливаемый в полости для жидкой среды. |
| 4. | Способ по п.l, отличающийся тем, что при уплотнении отливки из алюминиевого сплава уплотняющий элемент изготавливают из меди, а остальные части поршняиз стали, при этом в качестве жидкой среды используют расплав солей, имеющий следующий состав в % по массе: BaCl2 35%; CaCl2 45%; NaCl 20 %. |
| 5. | Способ по п. I3 отличающийся тем, что при уплотнении отливки из алюминиевого сплава уплотняющий элемент изготавливают из латуни, а остальные части поршняиз стали, при этом в качестве жидкой среды используют расплав солей, имеющий следующий состав в % по массе: BaCl2 35%; CaCl2 45%; NaCl 20 %. |
| 6. | Способ по п.l, отличающийся тем, что температуру, T, выбирают равной температуре гомогенизации материала изделия, при этом гомогенизацию совмещают с нагревом и последующим уплотнением. |
| 7. | Способ по п.l, отличающийся тем, что используют изотермический штамп, в матрице которого выполнена полость для жидкой среды, а пуансон служит в качестве приспособления для передачи давления. |
| 8. | Способ по п.7, отличающийся тем, что нагрев штампа осуществляют с использованием печи сопротивления. |
| 9. | Устройство для осуществления способа по п.l, содержащее полость для жидкой среды и размещения в этой среде изделия, подвижное приспособление для передачи давления, типа поршня, имеющее несколько частей, в том числе, металлический уплотняющий элемент, также размещаемое в указанной полости, отличающееся тем, что приспособление для передачи давления, типа поршня, состоит, по крайней мере, из трех частей, между двумя из которых расположен уплотняющий элемент в виде шайбы, торцевые поверхности которой сопряжены с торцевыми поверхностями частей поршня, при этом уплотняющий элемент изготовлен из материала, обеспечивающего возможность его деформации в процессе уплотнения изделия под воздействием на него других частей поршня, изготовленных из материала с более высоким, чем у материала уплотняющего элемента, модулем упругости и сопротивлением пластической деформации. |
| 10. | Устройство по п.9 отличающееся тем, что количество частей поршня и/или их размеры обеспечивают возможность варьирования местоположением уплотняющего элемента. |
| 11. | Устройство по п.9, отличающееся тем, что уплотняющий элемент изготовлен из меди, а остальные части поршняиз стали. |
| 12. | Устройство по п.9, отличающееся тем, что уплотняющий элемент изготовлен из латуни а остальные части поршняиз стали. |
| 13. | Устройство по п.9, отличающееся тем, что использован изотермический штамп, в матрице которого выполнена полость для жидкой среды, а пуансон служит в качестве приспособления для передачи давления на жидкую среду. |
| 14. | Устройство по п.13, отличающееся тем, что оно содержит печь сопротивления. |
Изобретение относится к области литейного производства и порошковой металлургии, более конкретно, к способам и устройствам для уплотнения изделий, таких как металлические и интерметаллидные отливки, посредством горячего изостатического прессования (ГИП) в жидкой фазе (ЖГИП). Изобретение может быть использовано, в частности, для устранения пористости в алюминиевых деталях, полученных литьём в песчаную форму, что обеспечивает существенное улучшение их служебных механических свойств.
Литьё в песчаную форму является очень дешёвой технологией, что является его несомненным достоинством. Но повышенная пористость литых изделий и, соответственно, их пониженные служебные свойства ограничивают возможности использования этой технологии только для изготовления малоответственных деталей, которые не подвергаются высоким нагрузкам. Для получения структуры без внутренней пористости в ответственных деталях, которые несут значительные силовые нагрузки, используют ГИП, которое включает выдержку изделия при повышенных температуре и давлении газа, в частности, аргона [Г.Х.Гессингер «Пopoшкoвaя металлургия жаропрочных cплaвoв» перевод с английского Челябинск «Meтaллypгия» 1988 г.] Однако, как оборудование для производства ГИП с использованием высокого давления инертного газа, так и его эксплуатация, включая переналадку, являются чрезвычайно дорогостоящими. В силу указанного обстоятельства данная технология не может быть использована в массовом производстве, в частности, в автомобильной промышленности. Для того чтобы преодолеть экономические ограничения, был разработан способ ЖГИП.
Основная идея ЖГИП - использование обычного штампового оборудования вместо специальных газостатических прессов для ГИЛ, что обеспечивает значительное снижение товарной стоимости изготавливаемых изделий. Процесс ЖГИП предусматривает размещение нагретого изделия в сосуде, содержащем жидкость, например, расплавленную соль или легкоплавкий сплав, имеющую температуру, при которой приложение гидростатического давления приводит к устранению пористости в обрабатываемых изделиях. Обычно эта температура совпадает с температурой гомогенизации материала изделия. Использование расплава солей в качестве высокотемпературной жидкости имеет преимущество, т.к. соль легко удаляется с поверхности изделия после его уплотнения.
Процесс ЖГИП следует рассматривать как прогрессивную технологию, которая может быть использована для улучшения свойств литых изделий.
Процесс ЖГИП был впервые разработан для уплотнения изделий типа дисков, получаемых из жаропрочных сплавов методом порошковой металлургии. Соответственно температура ЖГИП была велика по сравнению с температурой эксплуатации широко использующихся штамповых материалов. Поэтому большинство изобретений было направлено на решение именно этой проблемы.
Известен способ для уплотнения изделия [патент США N° 5340419 МПК B22F 3/00 1994г.], включающий цикл герметизации, собственно прессования и разгерметизации. Способ заключается в том, что металлическую или интерметаллидную отливку помещают в контейнер, в первую жидкую среду, в качестве которой используют, расплавленную соль с температурой плавления выше, чем рабочая температура металлического штампа, и достаточной для уплотнения изделия. В
металлический штамп цилиндрической формы помещают соль с более низкой температурой плавления, которую соответственно нагревают до температуры ниже, чем температура соли в первом контейнере. Далее первый контейнер располагают во второй жидкой среде. Первая и вторая среда сообщаются между собой. Такое сообщение может быть реализовано посредством, например, отверстия в запорной плите контейнера с ограниченным размером. Размер отверстия достаточен для передачи давления от низкотемпературной жидкости к высокотемпературной, но недостаточен для их чрезмерного перемешивания во время операции прессования. Для этих же целей запорная плита контейнера может представлять пористый керамический материал. Таким образом, не происходит интенсивное охлаждение обрабатываемого изделия, и одновременно - чрезмерный нагрев штампа. Гидростатическое давление создают, используя систему поршень- цилиндр. Движущийся под влиянием внешнего усилия, например, 500- тонного гидравлического пресса, поршень-пуансон вводится в цилиндрическую полость матрицы, создавая в ней высокое давление, передаваемое на жидкость. Чтобы предотвратить просачивание жидкости между стенкой цилиндрической полости и поршнем, т.е. осуществить герметизацию, последний выполняют составным, а именно, вокруг поршня располагают уплотняющий элемент, изготовленный из сплава кобальта, способный без деформации выдерживать большие давления во время ЖГИП. Конструкция поршня допускает ограниченную по величине, незначительную упругую деформацию под воздействием прилагаемого давления, благодаря которой уплотняющий элемент оказывается плотно прижатым к стенке матрицы. В уплотняющем элементе за счёт весьма малой площади опоры на стенку матрицы автоматически создаётся более высокое давление, чем в
жидкости, что позволяет сохранять уплотняющий элемент плотно прижатым к стенке матрицы на протяжении всего цикла герметизации и прессования. Давление, P, создаваемое поршнем, выбирают достаточным по величине для уплотнения изделия при заданной температуре, T. Давление, приложенное к низкотемпературной жидкости передается на обрабатываемое изделие через высокотемпературную жидкость.
В рассматриваемом техническом решении контейнер позволяет расположить множество изделий, в частности, около сорока выхлопных клапанов двигателя внутреннего сгорания из интерметаллидного сплава TiAl, которые обрабатываются одновременно. Очевидно, что при уплотнении одного изделия конструкция контейнера упрощается. Для алюминиевых отливок, требующих низких температур прессования, которые легко выдерживают существующие штамповые стали, может быть использована одна и та же расплавленная соль для первой и второй сред, передающих давление. Тогда можно вообще упразднить контейнер для первой жидкой среды, оставив только приспособление для закрепления изделия в неподвижном состоянии, и тем самым повысить экономичность процесса уплотнения изделия.
Однако, если говорить об экономичности, существует более глобальная проблема, связанная со сложностью переналадки оборудования при переходе к уплотнению следующего изделия или группы изделий и потерей при этом технологического времени, а также с недостаточной надёжностью устройства для уплотнения изделия с позиции обеспечения герметичности полости с жидкой средой. Дело в том, что даже после одного цикла герметизации, прессования и разгерметизации, не говоря уже о нескольких циклах, уплотняющий элемент не всегда может быть использован повторно, прежде всего из-за
износа стенки матрицы и боковой поверхности уплотняющего элемента при высокой температуре и в присутствии агрессивной среды- расплава солей. Конструкция поршня такова, что с выходом из строя уплотняющего элемента, приходится подвергать ремонту весь поршень или же заменять его на новый. Кроме того, вследствие износа не исключена возможность разгерметизации полости матрицы в процессе уплотнения изделия.
В этом же источнике [патент США N° 5340419 МПК B22F 3/00 , 1994г.] представлен иной вариант выполнения устройства для уплотнения изделия, в котором приспособление для передачи давления к жидкой среде включает стальной лист, центральная часть которого взаимодействует со штоком гидроцилиндра пресса и пластически деформируется во время операции прессования. Хотя деформированный лист по окончании цикла удаляется и выбрасывается, данный вариант представляется более экономичным по сравнению с первым, так как отпадает необходимость иметь поршень с уплотняющим элементом, выполненным из более дорогостоящего материала, чем сталь, и требующим практически столь же частой замены. Однако здесь также не исключена возможность разгерметизации полости матрицы из-за разрыва стального листа при небольшом увеличении хода гидроцилиндра. В частности, установлено, что при использовании листа из стали 12X18Hl ОТ толщиной 2 мм при диаметре штока 60 мм и температуре 500° ход гидроцилиндра не должен превышать 25 мм. Для поддержания заданного давления необходимо доливать расплав в полость матрицы, что также совершенно не оправдано с позиции экономии технологического времени.
Создание простого и надёжного устройства для уплотнения изделия, способного выдержать большое количество циклов
герметизации, прессования и разгерметизации и технологии с использованием этого устройства, обеспечивающей в целом кратковременной цикл, и за счет этого более экономичной, позволило бы решить указанную выше проблему.
Применение в автомобильной промышленности комплексной технологии, сочетающей литьё в песчаные формы с последующим ЖГИП, позволило бы превзойти по экономической эффективности все существующие технологии изготовления алюминиевых деталей.
Таким образом, задачей изобретения в части способа является повышение экономичности процесса уплотнения изделия. В части устройства, помимо указанной, главной задачей изобретения является обеспечение надежности работы устройства.
Поставленная задача решается, если способ уплотнения изделия, заключающийся в том, что на изделие, размещенное в жидкой среде, которая находится в полости устройства для уплотнения изделия и нагрета до заданной температуры, T, воздействуют с заданным давлением, P, посредством подвижного приспособления типа поршня, имеющего несколько частей, в том числе, металлический уплотняющий элемент, при этом полость с жидкой средой герметизируют за счёт деформации одной из частей поршня, отличается от известного тем, что полость с жидкой средой герметизируют за счёт пластической деформации уплотняющего элемента под действием приложенного давления при температуре, T*, где T* - температура уплотняющего элемента с учётом её градиента по отношению к температуре жидкой среды, величина которого зависит от конструктивных особенностей устройства для уплотнения и условий осуществления способа, при этом деформацию уплотняющего элемента реализуют за счёт воздействия на него других частей поршня, выполненных из материала с более
высоким, чем у материала уплотняющего элемента, модулем упругости и сопротивлением пластической деформации. Поставленная задача в части способа решается также, если:
- перед началом уплотнения первого и/или очередного изделия уплотняющий элемент подвергают дополнительной пластической деформации со степенью, выбираемой из условия герметизации полости с жидкой средой; в качестве инструмента при дополнительной деформации уплотняющего элемента используют части поршня и технологический упор, устанавливаемый в полости для жидкой среды;
- температуру, T, выбирают равной температуре гомогенизации материала изделия, при этом гомогенизацию совмещают с нагревом и последующим уплотнением;
- при уплотнении отливки из алюминиевого сплава уплотняющий элемент изготавливают из меди или латуни, а остальные части поршня- из стали, при этом в качестве жидкой среды используют расплав солей, имеющий следующий состав, в % по массе: BaCl 2 - 35%; CaCl 2. - 45%; NaCl -20 %;
-для уплотнения изделия используют изотермический штамп, в матрице которого выполнена полость для жидкой среды, а пуансон служит в качестве приспособления для передачи давления.
- нагрев штампа осуществляют с использованием печи сопротивления.
Поставленная задача решается, если устройство для осуществления способа, содержащее полость для жидкой среды и размещения в этой среде уплотняемого изделия, а также подвижное приспособление для передачи давления, типа поршня, имеющее несколько частей, в том числе, металлический уплотняющий элемент, также размещаемое в указанной полости, отличается от известного тем,
что приспособление для передачи давления, типа поршня, состоит, по крайней мере, из трех частей, между двумя из которых расположен уплотняющий элемент в виде шайбы, торцевые поверхности которой сопряжены с торцевыми поверхностями частей поршня, при этом уплотняющий элемент изготовлен из материала, обеспечивающего возможность его деформации в процессе уплотнения изделия под воздействием на него других частей поршня, изготовленных из материала с более высоким, чем у материала уплотняющего элемента, модулем упругости и сопротивлением пластической деформации. Поставленная задача в части устройства решается также, если:
- количество частей поршня и/или их размеры обеспечивают возможность варьирования местоположением уплотняющего элемента;
- уплотняющий элемент изготовлен из меди, а остальные части поршня - из стали;
- уплотняющий элемент изготовлен из латуни, а остальные части поршня - из стали;
-использован изотермический штамп, в матрице которого выполнена полость для жидкой среды, а пуансон служит в качестве приспособления для передачи давления на жидкую среду;
-устройство содержит печь сопротивления;
Сущность изобретения заключается в использовании пластической деформации уплотняющего элемента в виде шайбы в процессе уплотнения изделия. Такая концепция прямо противоположна известной, где уплотняющий элемент изготовлен из трудно деформируемого материала, и его пластическая деформация не допускается. Существенно отличается предлагаемое изобретение и от решения, где используется пластическая деформация уплотняющего элемента в виде стального листа. Пластическая деформация
уплотняющего элемента происходит фактически в состоянии ползучести сначала в результате его осадки, а затем - прямого и обратного прессования, Это позволяет устранить малейшие зазоры, возникающие, в процессе прохождения цикла герметизации и прессования. При отсутствии зазора уплотняющий элемент находился бы в условиях всестороннего сжатия. Однако зазор всегда возникает, прежде всего из- за износа стенок матрицы и боковой поверхности уплотняющего элемента. При возникновении зазора происходит своеобразная автоматическая подстройка системы, направленная на устранение зазора. Кроме того, возможность пластической деформации уплотняющего элемента позволяет использовать в составе устройства два и более уплотняющих элемента. В отличие от предлагаемого решения, в известном решении невозможно подобрать два абсолютно идентичных недеформируемых уплотняющих элемента. Использование двух и более уплотняющих элементов позволяет далее повысить надежность устройства.
В науке и технике известно явление упругой деформации уплотняющего элемента или всего поршня в системе поршень-цилиндр. Однако упругие деформации не могут быть использованы при повышенных температурах. Использование пластической деформации уплотняющего элемента в системе поршень-цилиндр является новым и неочевидным.
Рассмотрим более подробно дополнительные признаки изобретения.
При переходе к уплотнению следующего изделия или партии изделий не требуется замена уплотняющего элемента. Достаточно осуществить небольшую подгонку, которая заключается в дополнительной пластической деформации обычной осадкой
уплотняющего элемента. При этом инструментом служат недеформируемые части поршня и технологический упор, устанавливаемый в полости матрицы, который затем удаляется.
Целесообразно в качестве устройства для уплотнения изделия использовать изотермический штамп. Такой приём позволит повысить качество уплотняемых изделий за счёт получения более равномерной структуры материала, а также упростит конструкцию поршня-пуансона, поскольку местоположение уплотняющего элемента может быть выбрано произвольно, с учётом градиента температуры, равным нулю,
Качество изделий, в частности, отливок из алюминиевых сплавов также повышается, если температуру, T, выбрать равной температуре гомогенизации сплава. Гомогенизация сплава происходит в процессе нагрева и последующего уплотнения отливки.
При уплотнении алюминиевых отливок рекомендуется использовать поршень с уплотняющим элементом, изготовленным из меди или латуни. Эти материалы при температурах порядка 450° могут деформироваться в состоянии так называемой высокотемпературной ползучести, характеризующейся интенсивным развитием деформации [Толковый металлургический словарь. Основные термины. Под редакцией д. т.н. профессора В.И.Куманина Москва «Pyccкий язык» 1989г.]. Интенсивное развитие деформации обеспечивает возможность её прохождения в течение достаточно короткого времени прессования алюминиевой отливки, остальные части поршня при этом изготавливают из стали.
Также рекомендуется при уплотнении алюминиевых отливок использовать в качестве жидкой среды расплав солей, имеющий следующий состав, в % по массе: BaCl 2 - 35%; CaCl 2 -.45%; NaCl - 20 %.
и
Данный расплав имеет оптимальную температуру, способствующую протеканию деформации уплотняющего элемента в состоянии ползучести, а также эффективному уплотнению изделия.
При использовании изотермического штампа в состав устройства рекомендуется ввести печь сопротивления.
При использовании неизотермического штампа, выбирая размеры частей поршня и их количество, можно установить уплотняющий элемент в зоне, имеющей температуру, необходимую для его деформации.
Изобретение поясняется графическими материалами, где На фиг.1 представлена схема устройства для уплотнения изделия; На фиг.2 представлена схема устройства для уплотнения изделия в рабочем состоянии;
На фиг.З показаны фрагменты поршня и матрицы в начальный момент их установки друг относительно друга для уплотнения первого изделия; На фиг.4 показаны фрагменты поршня и матрицы в процессе герметизации, когда имеет место начало деформации уплотняющего элемента осадкой;
На фиг.5 показаны фрагменты поршня и матрицы в процессе герметизации и прессования, когда имеет место продолжающаяся деформация уплотняющего элемента осадкой, а также прямым и обратным прессованием;
На фиг.6 показаны фрагменты поршня и матрицы в конечный момент прессования с деформированным уплотняющим элементом; На фиг.7 представлено фото деформированного уплотняющего элемента;
На фиг.8 показана структура материала изделия до уплотнения, изображение увеличено в 170 раз;
На фиг.9 показана структура материала изделия после уплотнения, изображение увеличено в 170 раз.
Изобретение поясняется примером конкретного исполнения.
Данный пример не исчерпывает всех возможностей заявляемых способа и устройства в части номенклатуры обрабатываемых изделий, количества одновременно обрабатываемых изделий, материалов, из которых эти изделия изготовлены и соответственно режимов изготовления: температуры, давления, времени, - а также материалов, из которых изготовлены поршень, уплотняющий элемент и матрица.
Устройство для уплотнения изделия включает полость цилиндрической формы 1, выполненную в матрице 2 изотермического штампа. Пуансон штампа состоит из трёх частей 3,4,5 и снабжен двумя уплотняющими элементами 6 в виде шайб, торцевые поверхности которых сопряжены с торцевыми поверхностями частей пуансона. Части пуансона соединены болтом 7. Поз. 8, 9 показаны соответственно верхняя и нижняя опорные плиты штампа. Матрица и пуансон крепятся к опорным плитам с помощью держателей 10, 11 и болтов 12. Печь сопротивления на фиг.1 не показана.
.Поз. 13 на фиг.2 схематично показано приспособление для закрепления изделия (само изделие на фиг.2 не показано) в полости матрицы штампа, заполненной расплавом солей. Пример осуществления способа:
Уплотнению была подвергнута отливка детали тормозной системы автомобиля-суппорт.
Отливка была получена литьём в песчаную форму из алюминиевого сплава, A-356.0 имеющего следующий состав: Кремний 6.5-7.5 %
Железо < 0.20 %
Медь < 0.20 %
Марганец < 0.10 %
Магний 0.25-0.45 %
Цинк < 0.10 %
Титан < 0.20 %
Стронций 0.008-0.018 %
В качестве жидкой среды использовали расплав солей, имеющий следующий состав, в % по массе: BaCl 2 - 35%; CaCl 2 - 45%; NaCl - 20 %.
Температура плавления солей 450-454 0 C.
Процесс осуществляли в изотермических условиях с использованием изотермического штампа. Температура штампа и температура расплава,
T= 520 0 C. Данная температура является температурой гомогенизации указанного выше сплава. Рабочее давление 120 МПа. Время уплотнения одна минута.
В качестве материала уплотняющих элементов 6 была выбрана медь.
При указанной выше температуре процесса для меди характерно состояние высокотемпературной ползучести. Поскольку использован изотермический штамп, местоположение уплотняющих элементов выбрано произвольно. В случае, когда используется неизотермический штамп, изменяя размеры частей 4, 5 пуансона, устанавливают уплотняющий элемент ближе к расплаву. При уплотнении изделий из другого материала с использованием уплотняющего элемента из другого материала, а также другого расплава и неизотермического штампа, может возникнуть необходимость установить уплотняющий элемент дальше от расплава. Тогда можно использовать, по крайней мере, одну дополнительную часть 5, и установить её между частью 4 пуансона и уплотняющим элементом 6.
В процессе герметизации полости матрицы и последующего прессования уплотняющий элемент деформируется, проходя стадии осадки, прямого и обратного прессования (см. фиг. 4, 5, б).
Перед уплотнением каждого изделия осуществляют подгонку друг к другу стенок матрицы и боковой поверхности уплотняющего элемента посредством дополнительной пластической деформации последнего осадкой. Для этого в пустую полость матрицы устанавливают технологический упор для поршня-пуансона и осуществляют холодную деформацию с усилием 120 МПа. Степень деформации 2-2.5%.
На фиг.8 показана структура материала изделия-сплава A-356.0 до уплотнения, где чётко просматриваются достаточно большие поры. На фиг.9 показана структура материала изделия-сплава A-356.0 после уплотнения, заметно отсутствие пор.
На фиг.7 представлено фото деформированного уплотняющего элемента, выдержавшего более семи циклов герметизации, прессования и разгерметизации, после чего он был подвергнут замене. Данное фото приведено для подтверждения промышленной применимости предлагаемых способа и устройства.
В целом устройство выдержало 10000 циклов герметизации, прессования и разгерметизации. Цифры наглядно демонстрируют возможность решения поставленной в изобретении задачи.