ANALIZA PROCESU ODLEWANIA POD NISKIM CIŚNIENIEM KÓŁ SAMOCHODOWYCH ZE STOPÓW Al-Si

Transkrypt

1 55/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN ANALIZA PROCESU ODLEWANIA POD NISKIM CIŚNIENIEM KÓŁ SAMOCHODOWYCH ZE STOPÓW Al-Si S. PIETROWSKI 1, R. WŁADYSIAK 2 Politechnika Łódzka, Katedra Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, ŁÓDŹ, STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań procesu odlewania pod niskim ciśnieniem siluminowych kół samochodowych. Pokazano przebieg zmian temperatury odlewu i kokili w charakterystycznych jej punktach oraz sterowanie ciśnieniem siluminu i obwodami chłodzenia powietrzem. Zanalizowano cykl pracy maszyny niskociśnieniowej oraz wskazano kierunki dalszych prac zmierzających do optymalizacji cyklu odlewania i sterowania jakością odlewów kół samochodowych. Key words: low-pressure casting, die, silumin, car wheel. 1. WSTĘP W Katedrze Systemów Produkcji PŁ oraz w odlewni RH Alurad Wheels Polska Sp. z o.o. w ramach realizacji projektu celowego prowadzone są badania dotyczące poprawy jakości odlewów kół samochodowych i podwyższenia efektywności ich produkcji [1]. Niezbędnym etapem badań była analiza aktualnego stanu realizacji procesu technologicznego. Celem przeprowadzonych badań była analiza procesu i ocena możliwości skrócenia cyklu odlewania oraz sterowania jakością kół samochodowych wytwarzanych pod niskim ciśnieniem. Realizacja celu pracy polegała na zanalizowaniu procesu odlewania ze szczególnym uwzględnieniem chłodzenia kokili podczas wytwarzania odlewów kół. Stosowane obecnie powszechnie w świecie przez producentów alufelg chłodzenie ma charakter otwarty, punktowy i polega na wydmuchiwaniu strumienia sprężonego powietrza na odpowiednie miejsca powierzchni zewnętrznej kokili [1, 2]. 1 prof. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 dr inż., rwlady@.p.lodz.pl

2 377 Analiza technologii odlewania alufelg miała na celu określenie możliwości chłodzenia kokil mieszaniną powietrza z wodą z zachowaniem dotychczasowych systemów chłodzenia. Założono, że kokile chłodzone będą mgłą wodną, w taki sposób, aby woda w kontakcie z rozgrzaną kokilą wyparowała. 3. METODYKA BADAŃ Badane odlewy kół samochodowych wykonywano z siluminów, których skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny siluminów na koła samochodowe Table 1. Chemical composition of silumins for car wheels Skład chemiczny, % Rodzaj stopu Si Mg Cu Mn Fe Ti Sr AlSi7Mg 6,5-7,5 0,25-0,45 0,18 0,001-0,20 AlSi9Mg 9,0-10,0 0,25-0,45 0,05 0,10 0,25 0,20 AlSi11Mg 9,0-11,8 0,15-0,40 0,25 0,20 0,001-0,040 Próbki do badań: R m, R p0,2 i A 5 oraz metalograficznych i twardości HB pobierano z odlewu felgi według schematu pokazanego na rysunku 1. Z obszarów I III wycinane były próbki do badania R m, R p0,2 i A 5. Miejsce pobierania probek do badan mikrostruktury i HB Rys. 1. Schemat pobierania próbek do badań: R m, R p0,2 i A 5 oraz metalograficznych i twardości HB z odlewu felgi. Fig. 1. Scheme of samples taking from wheel casting for R m, R p0,2 and A 5 tests and metallographic investigation and HB hardness test.

3 378 Na rysunku 2 przedstawiono obszary felgi, z których pobierano próbki do badania mikrostruktury i twardości HB. Obszary pomiarów twardości odlewu felgi pokazano na rysunku Rys. 2. Schemat pobierania próbek do badania mikrostruktury i twardości HB z odlewu felgi. Fig. 2. Scheme of samples taking from wheel casting for investigation of microstructure and brinell hardness HB. Rys. 3. Miejsca pomiaru twardości HB odlewu felgi. Fig. 3. Brinell hardness HB test places of wheel casting. Badania własności mechanicznych: R m, R p0,2 i A 5 wykonano na maszynie wytrzymałościowej INSTRON, a badania twardości HB na BRIVISKOPIE dla parametrów 187,5/2,5/ WYNIKI BADAŃ Kompletną złożoną kokilę do odlewania kół samochodowych pokazano na rysunku 4. Składa się ona z dwóch części górnej i dolnej, które pokazano odpowiednio na rysunkach 5 i 6. Rdzeń górny i dolny chłodzone są punktowo sprężonym powietrzem o ciśnieniu 0,65 MPa poprzez kanały i otwory w rdzeniach. Chłodzenie rdzenia dolnego pokazano na rysunku 7 (a, b), a na rysunku 8 pokazano rdzeń górny z otworami pod chłodzenie. Poszczególne obszary kokili podgrzewane są palnikiem gazowym do temperatury C. Niższa temperatura występuje w górnej części kokili i rdzeniu, a wyższa w dolnej, blisko ciekłego siluminu w piecu.

4 379 Rys. 4. Kompletna kokila. Fig. 4. Complete die. Rdzen gorny Plyta mocujaca Rys. 5. Górna część kokili. Fig. 5. Upper part of die.

5 380 Rdzen dolny Szczeki kokili Plyta podstawy Rys. 6. Dolna część kokili. Fig. 6. Lower part of die. a) b) Rys. 7. Spodnia część rdzenia dolnego bez chłodzenia (a), z chłodzeniem (b). Fig. 7. Bottom part of the lower core without cooling (a), with cooling equipment (b).

6 381 Rys. 8. Spodnia część rdzenia górnego bez chłodzenia. Fig. 8. Bottom part of upper core without cooling. Odlewy kół wytwarzane są na niskociśnieniowych maszynach odlewniczych LYNX. Ogólny wygląd maszyny przedstawiono na rysunku 9, a zainstalowaną na niej kokilę na rysunku 10. Rys. 9. Stanowisko odlewania niskociśnieniowego. Fig. 9. Work station of low-pressure die casting process.

7 382 Rys. 10. Kokila badawcza na maszynie odlewniczej. Fig. 10. Research die in pressure die casting machine.

8 383 Przykładowy odlew koła samochodowego pokazano na rysunku 11 (a-d). a) b) c) d) Rys. 11 (a-d). Odlew koła samochodowego. Fig. 11 (a-d). Car wheel casting. Wytwarzanie odlewów kół odbywa się półautomatycznie za pomocą programu sterującego pracą maszyny. Sterowane są: ciśnienie ciekłego siluminu i czas jego utrzymania lub zmiany ciśnienia oraz załączenie, czas chłodzenia powietrzem i jego wyłączenie. Przykładową zmianę ciśnienia siluminu podczas odlewania koła pokazano na rysunku 12. Wynika z niego, że maksymalne ciśnienie ciekłego siluminu wynosi 0,09 MPa i występuje w czasie 120s. Uzyskuje się je po czasie 60s.

9 384 0,1 p, MPa 0,08 0,06 0,04 0, czas, s 300 Rys. 12. Program sterujący ciśnieniem ciekłego metalu. Fig. 12. Controling program of liquid metal pressure. Schemat przykładowego rozmieszczenia obwodów chłodzenia w rdzeniu górnym i dolnym kokili przedstawiono na rysunku 13, a odpowiadający mu program sterowania obwodami chłodzenia na rysunku 14. Rys. 13. Schemat rozmieszczenia obwodów chłodzenia. Fig. 13. Layout of cooling systems.

10 385 Obwód G Obwód G3 Obwód G2 Obwód G1 Obwód D2 Obwód D Cykl czas, s 280 Rys. 14. Program sterowania obwodami chłodzenia. Fig. 14. Controlling program with cooling system. Symbolami G1-G4 oznaczono obwody chłodzenia w rdzeniu górnym, a D1-D3 w rdzeniu dolnym (rys. 13). Na rysunku 14 obszary puste oznaczają niepracujący system chłodzenia powietrzem, a zaciemnione pracujący. Cyfry wewnątrz słupków oznaczają czas. Czas cyklu odlewania koła wynosi 250s. Z rys. 14 wynika, że najdłużej (115s) chłodzony jest rdzeń górny w obszarze połączenia szprychy z rozetą (G3), w którym występuje największy węzeł cieplny. Najkrócej (60s) trwa i najpóźniej (140s) jest załączane chłodzenie obwodu D1 w pobliżu rozety i wlewu głównego. Wynika to z zachowania jak najwyższej temperatury ciekłego siluminu wlewanego do kokili. Ciekły silumin przed wlaniem do pieca maszyny niskociśnieniowej rafinowany jest argonem i modyfikowany Ti, B oraz Sr. Reprezentatywną mikrostrukturę na przekroju felgi ze stopu AlSi7Mg w stanie surowym i po przesycaniu w temperaturze 520 C/4h i chłodzeniu w wodzie oraz starzeniu w 160 C/8h i chłodzeniu w powietrzu przedstawiono na rysunku 15(a, b). Mikrostruktura kół złożona jest z fazy α i eutektyki α+β+mg 2 Si. W stanie surowym krzem ma budowę włóknistą, a po umocnieniu wydzieleniowym jest on częściowo skoagulowany. Przykładowe własności mechaniczne Rm, R P0,2, A 5 i HB koła z siluminu AlSi7Mg przedstawiono odpowiednio na rysunkach Wynika z nich, że umocnienie wydzieleniowe powoduje wzrost: Rm, R P0,2, i HB, a zmniejszenie A 5. Największą Rm = 280 MPa i R P0,2 = 240MPa po umocnieniu wydzieleniowym otrzymuje się w szprysze, a twardość HB = 95 i wydłużenie A 5 = 5% w rozecie.

11 386 a) b) Rys. 15. Mikrostruktura odlewu koła z siluminu AlSi7Mg w stanie surowym (a) i po umocnieniu wydzieleniowym (b); faza α, eutektyka α+β+mg 2 Si; pow. x 100. Fig. 15. Microstructure of wheel casting made from AlSi7Mg alloy: as cast condition (a) and after precipitation hardening (b); magn. x Rm, Rp0,2, MPa S-I-1 S-I-2 S-I-3 S-I-4 S-II-1 S-II-2 S-II-3 S-II-4 S-III-1 S-III-2 S-III-3 S-III-4 S-surowy, H-utwardzony; 1-4 numery próbek H-I-1 H-I-2 H-I-3 H-I-4 H-II-1 H-II-2 H-II-3 H-II-4 H-III-1 H-III-2 H-III-3 H-III-4 Rys. 16. Doraźna wytrzymałość na rozciąganie Rm i umowna granica plastyczności R p0,2 w przekrojach I III kół w stanie surowym i po umocnieniu wydzieleniowym. Fig. 16. Ultimate tensile strength Rm and yield strength R p0,2 in I III wheel sections (fig. 1) as cast condition and after precipitation hardening. Rm Rp0,2

12 387 A5, % S-I-1 S-I-2 S-I-3 S-I-4 S-II-1 S-II-2 S-II-3 S-II-4 S-III-1 S-III-2 S-III-3 S-III-4 S -surowy, H -utwardzony ; 1-4 -numery próbek H-I-1 H-I-2 H-I-3 H-I-4 H-II-1 H-II-2 H-II-3 H-II-4 H-III-1 H-III-2 H-III-3 H-III-4 Rys. 17. Wydłużenie względne A 5 w przekrojach I III kół w stanie surowym i po umocnieniu wydzieleniowym. Fig. 17. Elongation A 5 in I III wheel sections (fig. 1) as cast condition and after precipitation hardening. S - surowy Nr miejsca pomiaru (rys. 3) H - utwardzony Rys. 18. Twardość HB na przekroju koła (rys. 3) w stanie surowym i po utwardzaniu wydzieleniowym. Fig. 18. Brinell hardness on the wheel section surface (fig. 3) as cast condition and after hardening precipitation.

13 388 W celu zanalizowania procesów cieplnych zachodzących podczas odlewania, w kokili zainstalowano 9 termoelementów NiCr-Ni w najbardziej charakterystycznych jej punktach. Jeden termoelement mierzył temperaturę odlewu. Schemat rozmieszczenia termoelementów oznaczonych 2-10 w kokili i w odlewie 1 przedstawiono na rysunku 19. Temperaturę zapisywano na rejestratorze automatycznym Yumo w jednosekundowych odstępach. Termoelementy Rys. 19. Schemat rozmieszczenia obwodów chłodzenia i termoelementów. Fig. 19. Layout of cooling systems and thermocouples. Przykładowo, w czasie cyklu, temperaturę odlewu w punkcie 1 oraz kokili w punktach 2 ; 10 i 5 ; 6 chłodzonej powietrzem, przedstawiono odpowiednio na rysunku Wynika z nich, że maksymalna temperatura odlewu wynosi 565 C (rys. 20). Kokila posiada maksymalną temperaturę 573 C w punkcie 10 w pobliżu wlewu głównego (rys. 22), a minimalną 411 C w punkcie 6 na płaszczu koła (rys. 20).

14 389 A B C D E F Rys. 20. Temperatura odlewu w punkcie 1 (rys. 19) w czasie cyklu odlewania. Fig. 20. Temperature of casting at 1 point (fig. 19) during casting cycle. A B C D Rys. 21. Temperatura kokili w punktach :5 i 6 (rys. 19) w czasie cyklu odlewania. Fig. 21. Temperature of die at 5 and 6 points (fig. 19) during casting cycle.

15 390 A B C D E F Rys. 22. Temperatura kokili w punktach 2 i 10 (rys. 19) w czasie cyklu odlewania. Fig. 22. Temperature of die at 2 and 10 points (fig. 19) during casting cycle. Najczęstszymi wadami kół są niedolewy, pofałdowania powierzchni i pory pokazane przykładowo na rysunku 23 i 24 (a, b). Spowodowane są one za niską lub za wysoką temperaturą wstępnego podgrzania kokili, ciekłego siluminu oraz niewłaściwą rafinacją argonem. a) b) Rys. 23 (a, b). Wady w odlewach kół. Fig. 23 (a, b). Car casting s defects.

16 391 a) b) Rys. 24 (a, b). Wady w odlewach kół. Fig. 24 (a, b). Car casting s defects. 4. PODSUMOWANIE Z przedstawionych badań technologii odlewania kół samochodowych wynika możliwość odparowania wody z powierzchni kokili. Warunkiem koniecznym jej odparowania jest odpowiedni dobór ciśnienia oraz ilości podawanego powietrza i wody. LITERATURA [1] Pietrowski S., Władysiak R.: Opracowanie i wdrożenie technologicznego systemu wodnego chłodzenia kokil w procesie odlewania kół samochodowych ze stopów aluminium. Projekt Celowy nr 6T C/ [2] Górny Z.: Odlewanie kokilowe stopów metali nieżelaznych. WNT Praca wykonana w ramach realizacji projektu celowego Nr 6T C/06487 SUMMARY LOW - PRESSURE CASTING PROCESS ANALYSIS OF Al-Si CAR WHEELS CASTS The investigation results of low pressure casting process of car wheels casts was presented in the paper. It was shown the temperature characteristic of the die and the casting. The control of silumin pressure and air cooling system was shown too. It was analysed the work cycle of casting machine and managed the main directions the next investigations on the way the optimization of casting cycle and the quality control of the car wheel castings. Recenzował Prof. Andrzej Białobrzeski