CC BY
76
УДК 621.74.04:669.71
ТИКСОШТАМПОВКА И ТИКСОЛИТЬЕ - СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ И ДРУГИХ СПЛАВОВ В ТВЕРДОЖИДКОМ СОСТОЯНИИ
Б.И. Семенов, докт. техн. наук, Ю.А. Бочаров, докт. техн. наук, К.М. Куштаров, канд. техн. наук,
Ю.А. Гладков, канд. техн. наук, Л.В. Хижнякова, канд. техн. наук (МГТУ им. Н.Э. Баумана, e-mail:bauman@bmstu.ru)
В статье рассмотрены основные особенности новых процессов формообразования алюминиевых и других сплавов с глобулярной микроструктурой в твердожидком состоянии - тиксопроцессов. Приведены сведения о выборе температурных интервалов «рабочего окна» и особенности процессов тиксолитья и тиксоштампов-ки. Рассмотрены механизмы формообразования и моделирования процессов на основе двухфазных реологических моделей сплавов, а также некоторые экономические вопросы освоения новых процессов промышленностью.
Ключевые слова: тиксолитье, тиксоштамповка, глобулярная микроструктура, температурный интервал, реологические модели.
Thixoforging and Thixocasting are Advanced Technologies in the Field of Semisolid Processing of Aluminium and other Alloys. B.I. Semionov, Yu.A. Bocharov, K.M. Kushtarov, Yu.A. Gladkov, L.V. Khizhnyakova.
Main features of thixoprocesses i.e. new processes of forming of aluminium and other alloys with a globular microstructure in the semisolid state are discussed. Information about selection of temperature intervals of «the working window» and features of thixoforging and thixocasting processes are shown. Mechanisms of forming and simulation of the processes on the basis of two-phase rheological models of the alloys, as well as some economic problems of commercialization of the new processes in the industry are discussed.
Key words: thixocasting, thixoforging, globular microstructure, temperature interval, rheological models.
Введение
Тиксоштамповка - термин для обозначения процесса изготовления в штампах поковки, близкой по форме к готовому изделию, из предварительно подготовленного и охлажденного до твердого состояния металла с глобулярной микроструктурой, который перед штамповкой повторно нагревается до твер-дожидкого состояния* с сохранением твердой фазы в виде кристаллов близкой к сферической формы [1].
По оценкам экспертов возможности таких технологий, разработанных на стыке тради-
* Научный редактор рекомендует читателям в качестве дополнительного источника к данной проблематике книгу: Избранные труды В.И. Добаткина/Отв. ред. В.И. Елагин. - М.: ВИЛС, 2001. - 668 с.
ционных технологий литья и штамповки, получивших общее наименование «тиксоформиро-вание», стимулируют развитие заготовительных производств в машиностроении в XXI веке [2]. В России подобные производства находятся на начальной стадии освоения. Новизна разрабатываемых технологий состоит в том, что процессы формообразования начинаются и осуществляются с использованим оборудования ОМД при твердожидком (ТЖ) состоянии металла из специальных нагреваемых заготовок или порций частично затвердевшего вне формообразующей оснастки металла, но с подготовленной, особого типа глобулярной структурой первично кристаллизующейся фазы [3, 4].
Новые схемы организации технологических процессов в заготовительных производ-
ствах привлекают многократно возрастающей пластичностью сплава, высоким качеством и повышенной точностью деталей, существенно измененными на пользу конструктору критериями технологичности проектируемых деталей. В результате при тиксоштамповке снижается масса детали, в несколько раз уменьшаются потери металла на механическую обработку, количество штамповых операций снижается до одной, а затраты энергии на формообразование снижаются многократно.
Отличительные особенности технологий формообразования в твердожидком состоянии
Используемые в иностранной литературе аббревиатуры SSP (Semi-Solid Processing) и SSM (Semi-Solid Metal) охватывают большую группу разнообразных технологий, ориентированных на использование эффекта тиксот-ропии в жидкометаллических суспензиях. В отечественной литературе чаще всего используются термины «тиксотехнологии» и «тик-соформирование». Каждый процесс формообразования имеет соответствующую нишу, для которой он лучше всего подходит и где он экономически максимально целесообразен. Процессы обработки твердожидкого металла должны быть оценены, а для конкретного производства отобраны те из них, которые наиболее подходят для изготовления продукции повышенного качества.
Обычный процесс литья под высоким давлением (ЛПД), бесспорно, является подходящим для массового производства литых изделий из цветных металлов. Процесс относительно недорог и позволяет производить точные детали широкого диапазона размеров и сложности. Однако этот процесс не даст столь же высокой однородности и качества структуры, достижимой при использовании технологий обработки металлов давлением в твердом и твердожидком состояниях. Прежде всего, при традиционном ЛПД всегда сохраняется значительный уровень распределенной пористости, который вызывает разницу в свойствах сплава и не позволяет проводить упрочняющую термообработку детали.
Жидкая штамповка (ЖШ) (литье с кристаллизацией под давлением) используется для изготовления плотных заготовок с уменьшенными припусками на обработку резанием, с высокими физико-механическими и служебными свойстами. Недостатком процесса является возможность значительной ликвации при вытеснении еще не затвердевшего металла.
Горячая объемная штамповка (ГОШ) обеспечивает лучшие свойства при изготовлении алюминиевых изделий. Однако она не обеспечивает получения деталей с минимальными припусками, тонких ребер и точного контроля размеров, достижимых при применении технологий тиксоформирования.
В табл. 1 и на рис. 1 приведены сравнительные качественные оценки различных технологий формообразования металлов.
Таблица 1
Сравнение технологий формообразования
Вариант технологии ЛПД Тиксоформирование Жидкая штамповка ГОШ
Износостойкость оснастки +/- + + +
Энергоемкость + - - -
Автоматизация - + + +
Капитальные затраты на оборудование +/- - - -
Сложность геометрии + + + -
Тонкие стенки - + + -
Точность +/- + + +/-
Термообработка металла - + - +
Производительность - + - +
Прочность - + +/- +
Пластичность - + - +/-
Сумма минусов 6 2 4 4
Сумма плюсов 5 9 7 7
Рис. 1. Термические условия формообразования при тиксоформировании в сравнении с литьем и штамповкой
- сократить количество переходов штамповки (до одного) и нормы расхода металла, трудозатраты на обработку резанием при максимальном использовании имеющегося модернизированного парка прессового оборудования с числовым программным управлением;
- существенно продвинуть работы по получению фасонных изделий из композиционных материалов на металлической основе с дисперсными керамическими наполнителями.
На рис. 2 приведено сравнение схем традиционного формообразования и формообразования в твердожидком состоянии (на примере тиксолитья).
Новые технологии обработки металлов в твердожидком состоянии основаны на открытом у металлов эффекте тиксотропии (М. Ретлг^в -1978) - способности металлических суспензий значительно снижать свое сопротивление сдвиговым деформациям при затвердевании, обычно приводящем сплав в состояние «нулевой» жидкотекучести при незначительной доле твердой фазы. Для достижения эффекта тиксотропии необходимо сформировать глобулярную (недендритную) микроструктуру затвердевающей фазы сплава. В такой системе даже при высокой доле твердой фазы сдвиг обеспечивает на короткое время (несколько секунд) и в узком температурном интервале возможность плавного течения суспензии как вязкой жидкости, позволяя заполнять сложные фасонные формообразующие полости при штамповке. Изменение условий формообразования и наследование глобулярной формы первичных кристаллов твердой фазы позволяют:
- повысить характеристики пластичности алюминиевых и магниевых сплавов (в том числе и литейных сплавов) в фасонных деталях, получаемых тиксоштамповкой;
- обеспечить повышенную точность размеров сложных фасонных заготовок и деталей в сравнении с нормами точности, принятыми для штамповки;
Рис. 2. Схемы традиционного формообразования (а) и формообразования в твердожидком состоянии (б, на примере тиксолитья)
Технологии процессов тиксоформирова-ния можно рассматривать по тиксо- и рео-направлениям. Реонаправление предусматривает приготовление у пресса твердожид-кой заготовки из сплава, находящегося в жидком состоянии, и последующую передачу ТЖ-заготовки на операцию формообразования. При этом брак и отходы возвращаются в собственное плавильное отделение.
Тиксонаправление включает в себя этапы: приготовление материала заготовки с тиксотропными свойствами (слиток) на специализированном производстве (предприятие, цех), поставку, подготовку мерной твердой заготовки у потребителя, последующий нагрев мерной заготовки до температуры твердожидкого состояния у пресса и формо-
образование. Все отходы могут быть переработаны в металл с требуемой структурой только на специализированном производстве.
Суть решаемой инженерной задачи - до начала формообразования превратить металл в твердожидкую суспензию с высокими тиксотропными свойствами. Используя бытовую терминологию, можно сказать, что металлу нужно придать свойства слегка нагретого мороженого.
Идеальную суспензию для технологий переработки в твердожидком состоянии сегодня представляют как жидкость, содержащую требуемую долю твердых частиц достаточно малого размера, имеющих сферическую морфологию и равномерно распределенных в объеме жидкой фазы.
Основной этап всех этих технологий -предварительное суспензирование сплавов. Оно может быть осуществлено на базе управления процессом кристаллизации в специальных устройствах за счет создания принципиально различающихся условий фазового превращения: от самопроизвольного возникновения большого числа зародышей с одновременным их ростом в стесненных условиях без возникновения дендритных форм или выращивания и использования кристаллов дендритных форм с последующим их разрушением в местах ветвления путем интенсивного теплового или силового (механического) воздействия до перемешивания двух жидкостей,
имеющих различный состав и находящихся при различных температурах.
На рис. 3 и в табл. 2 приведены существующие технологии формообразования в твер-дожидком состоянии и показано основное различие в тепловых и силовых условиях их осуществления.
В большинстве случаев (позиции 3-7) внешне твердая порционная заготовка может легко транспортироваться, как твердое тело, и подвергаться сдвигу, как твердое тело. В то же время под действием сдвига из-за специальной (недендритной) формы кристаллов твердой фазы (см. рис. 2) и в присутствии жидкой фазы эта способность воспринимать сдвиги резко снижается, суспензия приобретает свойства жидкости (эффект тик-сотропии), легко и быстро растекаясь в формообразующей полости при постоянной температуре (постоянной доле твердой фазы). В результате в изделии существенно повышаются механические свойства сплава, уменьшается пористость, повышается размерная точность детали, увеличивается срок жизни оснастки.
На рис. 4 схематично показано возможное условное деление технологий формообразования в ТЖ-состоянии на литье и штамповку в зависимости от содержания доли твердой фазы в заготовке.
Переход от дендритной к глобулярной форме кристаллов первичной твердой фазы -обязательное условие для осуществления
Рис. 3. Технологии формообразования в твердожидком состоянии
Таблица 2 Общая характеристика технологий формообразования в твердожидком состоянии
Номер п/п Процесс Состояние порции металла Условия в формообразующей полости Отличительные особенности
1 Горячая объемная штамповка (для сравнения) Твердый металл (литье или литье+экструзия) Постоянная температура/сдвиг Литье и многоступенчатые переходы в твердом состоянии
2 Тиксоштамповка Твердожидкий металл в виде суспензии получают нагревом специально подготовленного слитка с тиксоструктурой (0,6<у<0,9) Постоянная температура/сдвиги в твердой фазе отсутствуют 2-ступенчатый процесс (раздельное приготовление специальной заготовки и формообразование за один переход)
3 Тиксолитье Твердожидкий металл в виде суспензии получают нагревом специально подготовленного слитка с тиксоструктурой (0,4<^<0,7) То же То же
4 Тиксомолдинг Стружка (чипсы)твердого металла (0,6<^<0,8) Нагрев (переменная температура)/ сдвиги в твердой фазе Одноступенчатый процесс
5 Реоштамповка Твердожидкий металл в виде суспензии готовится в специальном устройстве (0,6<^<0,9) Постоянная температура/сдвиги в твердой фазе отсутствуют 2-ступенчатый процесс (приготовление суспензии и формообразование за один переход)
6 Реолитье Твердожидкий металл в виде суспензии,готовится в специальном устройстве К=0,3) То же То же
7 Новое реолитье Твердожидкий металл в виде суспензии готовится в специальном устройстве (0,4<^<0,6) « «
8 Реомолдинг Твердожидкий металл в виде суспензии готовится в специальном устройстве (0,6<^<0,9) Охлаждение (переменная темпе-ратура)/сдвиги в твердой фазе «
Рис. 4. Условное деление технологий формообразования в ТЖ-состоянии
тиксоформирования. Цель, на которую направлена обработка металла, и реально достигаемые в структуре ТЖ-сплава изменения видны на рис. 5. В новом состоянии металла за короткий промежуток времени и в узком температурном интервале обеспечивается возможность плавного течения суспензии как вязкой жидкости. Сила, требуемая для осуществления формообразования в этих условиях, значительно снижается (рис. 6).
Рис. 5. Обычная дендритная (а) и недендритная (глобулярная, б) структуры затвердевающего сплава
Рис. 6. Разрезание твердожидкой тиксозаготовки из сплава А356 ножом
Выбор режимов для технологий формообразования в твердожидком состоянии
Надежной современной информационной базой при выборе режимов для технологий формообразования в твердожидком состоянии фасонных деталей из конкретного промышленного сплава являются экспериментальные калориметрические кривые, фиксирующие все тонкие особенности изменения теплоемкости сплава в окрестности интервала «ликвидус-солидус» (рис. 7). Такие зависимости все чаще используют для того, чтобы определить оптимальные условия проведения формообразующего этапа техпроцесса, то есть интервал температур, наиболее пригодный для заполнения полости штампа суспензий, и температуру начала подпрессовки. Они позволяют установить точное значение
интервала е-С затвердевания реального сплава, долю жидкой фазы в суспензии для каждой конкретной температуры внутри этого интервала, положение экстремумов тепловыделения или теплопоглощения при фазовых превращениях (точки g, f, Л), скорость выделения твердой фазы С^ (Т)/СТ, то есть определить теплофизические характеристики системы, но не могут содержать информации о реологических свойствах, то есть о текучести суспензии.
При охлаждении в интервале затвердевания интенсивности тепловыделения при кристаллизации фаз сплава очень сильно зависят от его реального химического состава. Для сплава А357 (АК7) доля твердой а-Д!-фазы
Т,°С И
650 т* 600 629 °С .е с 1_ V 7 7
618°С "588°С -„ уг 9 Нагрев и выдержка Ь"
| " — ^ . ГУпиианИО фппиплВратиант
т. 576 °С ■ ---4
т У-— \ Ч
550 ■557°С 1 \ Ч \ с1 5 Начало подпрессовки
500
Ср, Дж/кг
Рис. 7. Теплосодержание сплава А357 в области твердо-жидкого состояния и выбор рабочих температур техпроцесса
в точке g~30 %, а на участке g-f достигает ~60 %. Второй пик тепловыделения (участок f-h-d) связан с затвердеванием оставшейся порции жидкого металла эвтектического состава.
Повторимся. Принципы, новизна и общность тиксо- и реотехнологий в том, что процесс контролируемого затвердевания а-фазы осуществляют вне формообразующей оснастки, а условия его протекания жестко регламентируют для достижения заданных параметров структуры этой фазы, определяющих тиксотропные свойства суспензии.
Принципиальное различие этих технологий - в выборе методов, используемых на участке a-e-g для формирования требуемых параметров структуры. Кроме того, в реотехно-логиях эту процедуру осуществляют непосредственно у машины с порцией жидкого металла, по массе соответствующей массе формируемой детали (метод отдельной порции). Эта порция после стабилизации структуры суспензии изотермической выдержкой в интервале температур g-f поступает в пресс-стакан машины ЛПД или в приемную камеру штампа, где подвергается сдвиговой деформации.
В тиксотехнологиях (кроме тиксомолдинга) стадию затвердевания реализуют с произвольной (как правило, очень большой) порцией металла и завершают полным быстрым затвердеванием заготовки в кристаллизаторе. Поэтому процесс продолжают повторным нагревом отрезанной (мерной) цилиндрической болванки в индукторе или в печи до температуры, обеспечивающей полное расплавление эвтектической составляющей сплава (то есть выше точки f, см. рис. 7). На этом этапе неравновесная структура суспензии окончательно доводится по параметрам геометрии твердой а-фазы.
В зависимости от метода получения заготовки с подготовленной структурой, массы и сложности фасонной детали, конструкций нагревающего и транспортирующего устройств, скорости пресс-плунжера и проходных сечений питателя выбирают температуру и длительность нагрева заготовки. В рео- и тиксотехнологиях длительность стабилизирующей выдержки составляет несколько минут,
а температуры начала и окончания формообразования обычно располагаются на участке f-g (от 40 до 70 % жидкой фазы). Момент готовности суспензии к штамповке определяют специальным твердомером или визуально по состоянию поверхности заготовки.
Если ранее внимание концентрировали на необычно высоком приросте пластичности литейных сплавов А356, А357 средней прочности, то современные запросы машиностроителей заставляют конструкторов и технологов стремиться к повышенным значениям прочности, жесткости, улучшению сопротивления изнашиванию. С этой целью наряду с матричными сплавами, обладающими такими свойствами, изучают технологические и служебные свойства композиционных материалов на А1-основе, упрочненных керамическими частицами.
Физические качества фасонных отливок и штамповок, полученных новыми методами, во многом определяются качеством используемых для переработки суспензий. В новейших разработках, наряду с обязательными количественными оценками параметров структуры (фактор формы Fа, степень скелети-зации Са, средний диаметр кристаллов Dа) и однородности структуры в объеме заготовки, много внимания, видимо, будет уделяться не известным ранее факторам «флегматизации» микроструктурной динамики а-фазы суспензии, лимитирующей продолжительность завершающих стадий процесса тиксоформиро-вания.
Тиксоформирование
Тиксоштамповка
Тиксоштамповка - общий термин для обозначения процесса получения заготовки, близкой по форме к готовому изделию, из частично расплавленного металла, содержащего твердую фазу в виде кристаллов сферических форм, при помощи металлического штампа. Процесс осуществляют в две последовательные стадии. Первая стадия - однородный нагрев и частичное расплавление легкоплавкой фазы сплава равномерно по всему объему заготовки в специальном устройстве для получения однородной суспен-
зии. Во второй стадии твердожидкий металл передается в штамп с помощью робота-манипулятора и подвергается горячей штамповке на специализированном прессе с ЧПУ. После затвердевания и частичного охлаждения фасонная заготовка извлекается из штампа, подвергается закалке и передается для последующей незначительной механической обработке и шлифовки.
Повторный нагрев металла до твердожид-кого состояния - особенно важная стадия в процессе тиксоштамповки. Ее целью является получение однородного твердожидкого состояния заготовки с точно контролируемым содержанием твердой фазы и требуемой геометрией почти сферических частиц, равномерно распределенных в жидкой фазе с более низкой температурой затвердевания. Для получения суспензии требуемого качества важно точно рассчитать параметры процесса повторного нагрева, такие как задаваемая температура, равномерность нагрева и его длительность. Именно температура нагрева определяет содержание твердой фазы в заготовке. Неоднородный нагрев приводит к потере устойчивости заготовки и трудностям транспортировки, в то время как слишком низкая температура нагрева ведет к недостаточному расплавлению эвтектической фазы, скелетизации твердой фазы, ухудшающей реологические свойства суспензии и плохо влияющей на заполнение формы и на пластичность сплава при заключительных операциях. В добавление к вышесказанному составы сплавов, используемых в настоящее время, не оптимизированы для переработки в твердожидком состоянии, и небольшое различие в температуре может вызывать большой разброс в содержании твердой фазы. Следовательно, точность поддержания температуры определяет стабильность процесса формообразования и прочностные характеристики изделия. Кроме того, неравномерный нагрев может привести к флуктуациям доли твердой фракции и неоднородности реологических характеристик среды, что в свою очередь может вызвать разделение твердой и жидкой фракций при заполнении штампа.
Наконец, продолжительность нагрева также должна быть оптимизирована. При излиш-
не длительном нагреве твердые частицы коагулируют, структура становится более грубой; при слишком коротком - не произойдет достаточно полной трансформации исходных форм твердых частиц в глобулярные, что ухудшит реологические свойства обрабатываемой среды и приведет к трудностям при заполнении штампа.
В настоящее время повторный нагрев производится главным образом путем индукционного нагрева, хотя в некоторых случаях используется конвекционная печь. Индукционный нагрев имеет преимущество точного и быстрого нагрева, что важно для обработки в твердожидком состоянии. Недостатком является относительно низкий КПД индукционных нагревательных установок. Возможным путем решения этой проблемы может стать предварительный нагрев заготовки в конвекционной печи до критической температуры и дальнейший индукционный нагрев для получения равномерного распределения температуры.
Индукционный нагрев в настоящее время осуществляется двумя различными способами: при вертикальном и горизонтальном расположении заготовки. Традиционно применяется система с вертикальным нагревом. Ее недостаток - возможная потеря заготовкой устойчивости при неверно выбранном отношении высоты заготовки к ее диаметру. Система с горизонтальным нагревом относительно нова, в ней заготовка помещается в желоб и нагревается до оптимальной температуры, контролируемой системой управления с обратной связью и с применением мониторинга. Преимущества горизонтальных систем заключаются в следующем: устраняется проблема потери устойчивости заготовкой, появляется возможность использования заготовок с увеличенным содержанием жидкой фазы и сплавов с малым интервалом затвердевания. Однако она имеет более высокую стоимость и занимает большую площадь.
Из вышесказанного становится ясно, что повторный нагрев - процесс сложный. Оптимизация параметров повторного нагрева является критичным этапом обработки для качества детали.
Тиксолитье с применением литейных и экструзионных прессов
В настоящее время наиболее активное развитие получило тиксолитье с использованием вертикальных и горизонтальных холод-нокамерных машин ЛПД (литейных прессов) с контролируемым впрыском. Робот-манипулятор перемещает твердожидкий слиток в пресс-стакан, а прессующий поршень по заданной программе выдавливает материал в полость пресс-формы. При работе с тиксозаготовка-ми на гидравлических прессах ОМД все чаще используют схемы прессования, аналогичные литьевому прессованию пластмасс на прессах со специальной загрузочной камерой и узким литниковым ходом. Все машины управляются в режиме реального времени, что позволяет принимать меры при возможных изменениях скорости течения суспензии при заполнении формы. На этом этапе ламинарное заполнение изложницы - критически важный элемент для процесса формообразования. Другими важными аспектами, влияющими на качество процесса формообразования, являются конструкция литниковой системы, оформление полости пресс-формы (матрицы), а также правильный выбор температуры матрицы. Процесс, сконструированный таким образом, должен соответствовать характеристикам течения твердожидкого металла. Процесс формообразования может быть оптимизирован при помощи методов компьютерного моделирования.
Тиксомолдинг с применением шнековых прессов
Тиксомолдинг - относительно новый процесс, освоенный и широко используемый для производства точных деталей из магниевых сплавов в одной интегрированной машине (рис. 8). Сырьем для тик-сомолдинга являются гранулы («чипсы») из магниевого сплава размером 2-5 мм, полу-
ченные традиционной обработкой магниевых сплавов. Специальное устройство отмеряет определенный объем сырья и загружает в электрическую печь, а затем металл поступает в устройство подачи, где частично расплавленные гранулы под давлением превращаются в суспензию. В основе устройства подачи лежит шнек-винт, который осуществляет как вращение, так и перемещение. После входа в горловину устройства подачи гранулы проходят горячую зону и попадают к торцу винта, который в это время отводится назад. Как только объем суспензии станет соответствовать объему полости матрицы, винт с большой скоростью под давлением вводит ее в литейную форму. Обратный клапан удерживает материал от вытекания назад от торцевой части винта в зону подачи. Чтобы предохранить магниевый сплав от окисления и воспламенения в горячем состоянии, в устройстве подачи поддерживается защитная атмосфера (аргон).
Главное преимущество тиксомолдинга по сравнению с другими технологиями обработки металлов в твердожидком состоянии заключается в том, что он фактически объединяет две операции - приготовление суспензии и формообразование - в одном цикле, что является эффективным с точки зрения производительности и затрат энергии. Другим преимуществом тиксомолдинга является исключение ручной работы с жидким металлом, создание более чистой и безопасной рабочей среды, что особенно значимо при обработке сплавов магния. В настоящее время в промышленной эксплуатации находится более
Рис. 8. Схема процесса тиксомолдинга
100 машин для тиксомолдинга с электронным управлением для обработки магниевых сплавов. Однако процесс ограничен относительно низкой степенью содержания твердой фракции и применением магниевых сплавов для тонкостенных деталей.
Реомолдинг с использованием винтовых прессов
Подобно процессу тиксомолдинга, реомолдинг является технологией, перенятой из области обработки полимеров. Однако вместо того, чтобы использовать твердые гранулы сплава, как в процессе тиксомолдинга, в процессе реомолдинга в качестве сырья используется жидкий металл (рис. 9). В настоя-
Рис. 9. Схема процесса реомолдинга с двумя винтами:
1,5,11 - нагревательные элементы; 2 - тигель; 3 - упорный стержень; 4 - цилиндрический корпус; 6 - охлаждение; 7 - гильза; 8 - перепускной клапан; 9 - штамп; 10 - полость штампа; 12 - рукав; 13 - двойной винт; 14 - плунжер; 15 - крышка; 16 - привод
щее время есть два различных типа оборудования для процесса реомолдинга: c одним и с двумя винтами. Первый прототип машины для реомолдинга с вертикальным впрыском и вертикально расположенным винтом был запатентован Корнельским университетом (Cornell University). В этом процессе жидкий металл поступает из защищенной инертным газом емкости в цилиндр, где, охлаждаясь, он механически перемешивается вращающимся винтом и преобразуется в твердожидкую среду - суспензию, которая затем под давлением подается через сопло в литейную форму. Процесс реомолдинга был разработан применительно к литейным сплавам на осно-
ве систем Sn-Pb и Zn-Al-Cu и был описан во множестве публикаций.
Позже был разработан процесс реомолдинга на двухвинтовом прессе. Поток металла в этом процессе характеризуется более высокой степенью однородности по температуре и химическому составу материала внутри цилиндра. Пока эта технология была проверена на Sn-Pb и магниевых сплавах [5]. Суспензия, произведенная в процессе рео-молдинга с двумя винтами, характеризуется прекрасной формой сферических частиц, однородных и по размерам.
Не так давно процесс реомолдинга с двумя винтами стал применяться и для процесса реоперемешивания, чтобы обрабатывать обычно несмешивающиеся жидкие сплавы.
Реолитье, реоштамповка и новое реолитье с приложением внешнего давления
Процесс производства суспензии с недендритной твердой фазой непосредственно у формообразующего оборудования с последующей подачей твердожидкого металла в литейную форму или штамп для формообразования называется реолитьем или реоштам-повкой. Хотя реолитье является одним из первых в ряду технологий формообразования в твердожидком состоянии, оно все еще не получило достаточно широкого производственного распространения. Однако придание металлу требуемой формы детали непосредственно из твердожидкого (суспензированного) состояния в действительности очень привлекательная технология из-за безотход-ности, снижения расхода энергии, повышения качества металла и детали в целом. В настоящее время ведутся разработки технологий так называемой «суспензии по заказу» именно в этом направлении.
Одной из технологий «суспензии по заказу» является недавно разработанный новый процесс реолитья (new rheocasting process). Он схематично изображен на рис. 10. Расплавленный металл при температуре, незначительно превышающей температуру плавления, заливают в размещенный на карусельном механизме специально сконструированный тонкостенный стальной стакан, обеспечивающий множественное зародышеобра-
зование в контролируемых условиях теплообмена. Путем контроля температуры металла и скорости его охлаждения требуемое количество и качество твердой фазы формируется в
Рис. 10. Схема процесса «нового реолитья»
Реологическое моделирование
Твердожидкие (ТЖ) заготовки можно разделить в зависимости от соотношения долей твердой и жидкой фаз на две группы: суспензии, содержащие дисперсные твердые частицы и ведущие себя как жидкость при приложении внешней силы, и заготовки, преимущественно состоящие из твердой фазы с присутствием ограниченной доли жидкости, ведущие себя как твердое тело.
Различия в деформирова-
течение нескольких минут после заливки нии заготовок первого и второго типов с металла в стакан. Приготовленная заготовка тиксоструктурой хорошо видны на рис. 11. подается в пресс-стакан машины ЛПД и фор- В центральной части представленного на мообразующую полость, где ей придается окончательная форма детали. Пока процесс «нового реолитья» используют применительно к литейным и деформируемым алюминиевым сплавам, композитам на их основе, а также к магниевым сплавам.
С применением традиционных сплавов «новое реолитье» позволяет значительно уменьшить стоимость продукции в сравнении с тик-соштамповкой, использующей дорогостоящую заготовку. Оно также позволяет использовать более широкий диапазон сплавов; особенный интерес вызывают магниевые сплавы, тиксозаготовки из которых в настоящее время являются дефицитом на зарубежном
рынке. Рис. 11. Фотография микрошлифа и микроструктура в разных частях сечения детали
«чашка пружины», полученной тиксоштамповкой сплава АК7
рис. 11 сечения штамповки суспензия текла в полости штампа как однородная среда, а доля и геометрия частиц твердой фазы почти не изменялись. Одновременно под внедряемым выступом пуансона и в местах резкого изменения направлениятечения металла присутствуют полосы течения, характерные для очень большой степени деформации.
Следовательно, механизм деформации различных заготовок и различных участков детали могут принципиально отличаться.
Твердожидкие металлические заготовки с долей твердой фазы меньшей 0,8 и с глобулярной микроструктурой обычно обладают двумя уникальными реологическими свойствами: тиксотропностью и псевдосверхпластичностью.
Тиксотропность показывает временную зависимость вязкости при заданной скорости сдвиговой деформации, а псевдопластичность отвечает за зависимость сдвиговых деформаций от постоянной вязкости. Все твердо-жидкие технологии опираются на оба эти свойства в одном процессе. Следовательно, успешное развитие твердожидкихтехнологий требует изучения реологических свойств заготовок в твердожидком состоянии (рис. 12).
-------1--1-1- ■ 1 О 1 !
Непрерывное _ охлаждение 7о=230 с '
у0=110 с 1 ' у0=350 <г(
/ I %=750 с 1 ( 1
О 0,2 0,4 0,6 0,8
Объем твердой фазы
Рис. 12. Зависимость вязкости от объема твердой фазы сплава 5п-15РЬ при непрерывном охлаждении (0,33 К/мин) и деформировании с различной скоростью деформации [б]
Реологический феномен в суспензиях с глобулярной формой кристаллов твердой фазы, подвергаемых сдвигу в твердожидком состоянии, в зависимости от характера поведения среды, может быть условно поделен на три категории:
- жидкостное поведение среды во время охлаждения, которое характеризуется изменением вязкости (среды) при постоянной скорости охлаждения и сдвиге;
- псевдосверхпластичное поведение среды - описывает изменение скорости сдвига при постоянной вязкости;
- тиксотропное поведение среды описывает изменение величины кажущейся (мгновенной) вязкости во времени.
Деформирование при постоянной скорости охлаждения позволяет понять влияние доли твердой фазы, скорости сдвига и охлаждения на течение заготовок в твердожидком состоянии. В особенности это важно для практических целей в таком процессе, как реоштамповка. В основном, при заданных скорости охлаждения и скорости сдвига, псевдовязкость возрастает с увеличением содержания твердой фазы, медленно изменяясь при низком содержании твердой фазы, и быстро - при высоком. Это подтверждается характером кривых на рис. 12. При заданном содержании твердой фазы псевдовязкость снижается с увеличением скорости сдвига (вертикальное сечение рис. 12) и снижением скорости охлаждения. Это происходит потому, что увеличение скорости сдвига и снижение скорости охлаждения приводит к образованию кристаллов, имеющих формы, более приближенные к сферической. Простейший реологический закон, описывающий влияние сдвига на установившееся течение в изотермических условиях, имеет вид:
Г|=кут-1, (1)
где г| - кажущаяся вязкость; у - скорость сдвига, к и т - параметры, зависящие от объемной доли твердой фазы. В условиях непрерывного охлаждения суспензии этот закон принимает вид:
Л=Аех р{Вд, (2)
где Л и В - коэффициенты, зависящие от скорости сдвига, f - доля твердой фазы.
Однофазная модель
Псевдопластичность в установившемся течении обычно моделируют уравнением вида:
т=та +к1 уп, (3)
где та - кажущееся напряжение течения, и п - параметры. Уравнение (3) обычно используют для описания экспериментальных кривых текучести суспензии в штампе.
Реологические эксперименты показывают, что существует зависимость между структурой заготовки и характером течения среды при изменяющихся в процессе течения внешних воздействиях, которую можно увязать со степенью агломерации твердой фазы. Однако качество моделирования этих аспектов поведения заготовок в твердожидком состоянии далеко от совершенства.
Очевидно, что ниже определенного уровня напряжений суспензия ведет себя и реагирует на внешнее воздействие как твердое тело. Когда этотуровень превышен, суспензия приобретает текучесть. Минимальное напряжение сдвига, вызывающее остаточную деформацию, известно как предел текучести (т ) и является свойством материала. Нетрудно понять, что этот уровень напряжений зависит от температуры среды. При незначительной доле твердой фазы предел текучести пренебрежимо мал, и суспензия ведет себя как жидкость. При высокой доле твердой фазы это напряжение становится значительным, а материал превращается в пористое твердое тело, которое уже нельзя рассматривать как жидкость.
Используемые реологические модели должны быть связаны с измеряемыми микроструктурными параметрами твердой фазы, и потому такие модели должны включать описание механизмов агломерации и деагломе-рации зерен.
Существует модель, которая описывает реологическое поведение твердожидких заготовок, похожих на жидкость при небольших сдвиговых деформациях. В этой модели твер-дожидкая заготовка рассматривается как среда (суспензия), в которой сферические твердые частицы, находящиеся в жидкой матрице, взаимодействуют. При небольших сдвиговых деформациях взаимодействие
между сферическими твердыми частицами сводится к образованию агломератов. Под влиянием сил вязкости столкновения между агломератами приводят к росту агломератов большего размера, одновременно большие агломераты разбиваются и появляются более мелкие. В каждый момент времени состояние агломерации описывается структурным параметром п, который определяется как среднее количество частиц в агломерате.
Эта микроструктурная модель была использована для изучения переходного состояния твердожидких заготовок при различных режимах нагружения, таких как изотермическое деформирование, изоструктурное деформирование, циклическое деформирование [7]. Теоретические вычисления петель гистерезиса при различных уровнях циклического нагружения показали, что в рамках этой модели физика эффекта тиксотропии сводится к скорости слипания и разделения твердых частиц и проявляется в том, что процесс деагломерации протекает значительно быстрее процесса агломерации, так как первый длится несколько секунд, а последний - несколько сотен секунд.
В литературных источниках встречаются различные реологические модели для математического описания поведения твердожид-кого металла при деформировании. Вот некоторые из них:
т -
Т[ +
х0(1 - ехр(- ту))'
У,
(4)
где х - касательное напряжение; у - скорость деформации; у - второй инвариант от у; т - параметр, имеющий размерность времени и отвечающий за экспоненциальное возрастание напряжения при малых степенях деформации; т0 и т] параметры материала (определяются экспериментально).
При моделировании обратного выдавливания нередко с успехом используют модель вида:
о = С
—ех| сН
о:
яг
1-
1
2 1 + ехр (- а(Т - Тс))
(5)
где С - параметр материала, являющийся функцией деформации е; О - энергия активации процесса горячей
деформации; R - универсальная газовая постоянная; т - параметр материала; ^ - количество эвтектики в сплаве при температуре солидуса (для А356=40 %); а - параметр, характеризующий собственную вязкость расплава; Т =
(■^-■д/2; с
Т1, Тз - температуры ликвидус и солидус сплава соответственно.
Двухфазная модель.
Поведение твердожидких заготовок
с большим содержанием твердой фазы при деформировании
Несмотря на важность понимания поведения таких ТЖ-заготовок, наиболее перспективных для переработки на прессах ОМД при тиксоштамповке, из-за сложности теоретических и экспериментальных исследований моделирование течения таких сред началось относительно недавно. Твердожидкие металлические заготовки с большим содержанием твердой фазы характеризуются наличием твердого «скелета», который мог образоваться при частичном затвердевании жидкого металла или сохраниться при частичном расплавлении первоначально твердой заготовки.
Использовались различные методы для оценки характеристик течения ТЖ-заготовок с большим содержанием твердой фазы. Наиболее часто используется метод осадки заготовки [8]. Этот метод относительно прост в осуществлении, но скорость деформирования в основном ограничена 1 с-1. Для устранения этого недостатка разработаны реометры с высокой скоростью деформирования (до 1500 с-1). Экспериментальные исследования выявили следующие характерные особенности процесса деформирования:
- существование большого напряжения течения;
- возможность разрушения твердой фазы и сепарации жидкой фазы.
Формирование скелета из частиц твердой фазы приводит к возникновению гидростатического давления в микрообъемах при пере-
группировке твердых зерен или при небольшой пластической деформации в зоне контакта твердых зерен [8]. Уменьшение пространственного объема приводит к развитию гидростатического давления в жидкой фазе. Наличие пространственного градиента гидростатического давления в жидкой фазе приводит к сепарации фаз. Условия, способствующие сегрегации, включают в себя:
- низкую степень деформации;
- большие градиенты давления, например, при заполнении узких или длинных каналов;
- большое содержание твердой фазы;
- большие, несферические зерна.
Твердожидкая заготовка с большим содержанием твердой фазы обычно рассматривается как двухфазная система, в которой твердый «скелет» окружен неньютоновской жидкостью [9, 10]. Эти модели нацелены на предсказание поведения среды при деформировании твердых «скелетов» и течении жидкости через рассматриваемые твердые «скелеты», позволяя тем самым понять, почему жидкая фаза сегрегирует во время процесса тиксоштамповки.
На рис. 13, а изображена модель, описывающая течение твердого «скелета» путем
Рис. 13. Двухфазные модели:
а - симметричный, б - асимметричный, в - тиксотропный асимметричный эллипсы соответственно [11]
использования поверхности текучести (или пластического потенциала), которая сочетает в себе эквивалентное напряжение и гидродинамическое давление в симметричной эллипсоидальной форме.
В этой модели перетекание жидкости, обычно описываемое законом Дарси, и совместное объемное деформирование объединяют движение твердой и жидкой фаз [12]. Стало очевидным, что из-за неполного (частичного) уровня связанности твердой фазы поведение твердожидких заготовок при растяжении и сжатии несимметрично и, следовательно, следует выбрать модель асимметричных эллипсов (см. рис. 13, б) [9]. Эта модель была тщательно изучена на базе трехосных испытаний. Тиксотропный асимметричный эллипс (см. рис. 13, в) был использован для анализа неустановившихся течений.
Существуют модели, с помощью которых пытаются решить проблему двухфазности, введя движение жидкой фазы относительно твердой, но при этом не учитывают сопротивления давлению со стороны твердой фазы. В этом случае игнорируется зависимость давления от вязкости, следовательно, адекватность модели ограничена низким содержанием твердой фазы.
Экономические вопросы освоения процесса тиксоформирования
На первый взгляд, самые серьезные возражения против освоения процессов тиксоформирования связаны со стоимостью металла заготовки, которая выше, чем у металла, поставляемого в слитках. Однако если принять во внимание, что себестоимость продукции, полученной тиксоформированием, будет снижаться, так как нет необходимости в подготовке жидкого металла (доводки сплава, стоимости печи и плавки, затрат на обслуживание и пр.), то окончательные оценки выглядят по-иному. В случае крупномасштабного производства тиксоформирование может стать экономичнее литейных технологий формообразования. Вот как комментируют ситуацию поставщики алюминиевых тиксоза-готовок из SAG: «...Анализируя затраты на установку оборудования с учетом его производительности, потенциальный потребитель должен оценить высокий потенциал тиксо-формирования. В то же время технология
реолитья требует высокой квалификации с соответствующей оплатой персонала, который не может быть использован для других целей. Кроме того, пока процессы реолитья не обеспечивают высокой воспроизводимости процесса. В случае тиксоформирования металл поступает в виде слитков или в виде мерных заготовок точной массы, и ответственность за качество сплава переносится на поставщика заготовок. Хотя материал для тиксоформирования требует наибольшей доплаты, технологические остатки (облой, литники и пр.) могут быть возвращены поставщику заготовок в замкнутом обороте металла. Таким образом, все проблемы рециклирования (и приготовления) металла переносятся на поставщика, который обладает более совершенными технологиями. В результате, если сравнить доплаты за поставляемый металл со стоимостью приготовления металла при рео-литье, то начальная разность в цене исчезает. Дополнительное снижение затрат можно получить в связи с повышением срока службы оснастки и тем множеством достоинств, которые присущи процессу тиксоформирования (близкая к детали геометрия фасонной заготовки, уменьшающая затраты на механообработку, сварку и термообработку)».
Поскольку данные по использованию рео-литья в массовом производстве отсутствуют, потенциал снижения затрат при тиксоформи-ровании проиллюстрирован сравнением с литьем под низким давлением (ЛНД) и с ковкой (рис. 14). Здесь показана возмож-
к Т6 лп к Tft
1 А ТУ1 тя
ЛНД T6 ДО АИЛ Т6
™д ТУ1 г
Д< э
Ст
0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Относительная масса дисков
Рис. 14. Технико-экономическая эффективность конкурирующих технологий при изготовлении дисков колес (за единицу приняты стоимость и масса детали, изготовленной ЛНД) [12]:
К - кованые, ТЛ - тиксолитье, ЛНД - литье под низким давлением, ДО - дробеструйная обработка, А1 -штамповка из А1-листа, Ст - штамповка из стального листа
ность снижения стоимости подвергаемых механообработке А1-дисков колес массой 10 кг и размером 432x178 мм.
Процессы тиксоформирования уже заняли в последние годы свое четко определенное место на рынке и доказали свою пригодность для массового производства; процессы доказали свою способность быть экономичными и поэтому готовыми конкурировать без проблем с другими процессами получения заготовок непосредственно из жидкого металла.
Примеры практического применения технологий формообразования в твердожидком состоянии
Зарубежное автомобилестроение стало главной движущей силой в промышленном применении технологий формообразования в твердожидком состоянии, что было стимулировано ростом использования А1-сплавов. Кроме того, технологии формообразования в ТЖ-состоянии несут в себе потенциальные преимущества по всем трем факторам, определяющим эффективность конструкторско-техно-логических решений: стоимости, снижению массы и охране окружающей среды.
Есть много примеров применения нового процесса для производства деталей автомобилей.
В настоящее время процесс чаще всего применяют для замены существующих литейных технологий при сохранении стандартных сплавов и традиционных конструкций деталей. Полный потенциал технологий формообразования в ТЖ-состоя-нии будет использован только тогда, когда конструкторы оценят все возможности процесса для совершенствования изделий и начнут применять наряду с традиционными высококремнистые сплавы и металломатричные композиционные материалы, из которых другими методами трудно получить достаточно качественные фасонные детали.
Не заменяя традиционные процессы, технологии тиксоформирования будут дополнять
их, концентрируясь на специфических задачах, где к деталям предъявляют особые требования такие, как:
- высокие нагрузки;
- сложная геометрия;
- большие габариты, точность изготовления;
- эстетическая поверхностная обработка, например, анодирование;
- работа под давлением жидкости или воздуха;
- обеспечение безопасности;
- оптимальная пластичность.
Ниже на рис. 15 и 16 приведены примеры такого использования новых технологий.
Рис. 15. Эффективность конструкторско-технологического решения при переходе на тиксоформирование детали «главный тормозной цилиндр»
Рис. 16. Производство блока цилиндров дизельного двигателя Accord фирмы Honda реолитьем
Разработки, выполняемые в МГТУ им. Н.Э. Баумана
В настоящее время в МГТУ им. Н.Э. Баумана разработан отечественный вариант технологии изготовления тиксозаготовок, обеспечивающий в металле требуемые характеристики структуры и значительное снижение себестоимости конечного изделия при одновременном повышении его качества. Проводятся опытно-конструкторские работы по созданию специализированного участка производ-
ства заготовок и прессового оборудования с числовым программным управлением, технологические исследования тиксоштамповки, тиксолитья, реопрессования и реолитья с использованием тиксозаготовок массой 1-7 кг и в перспективе - до 17-20 кг.
Выполненная часть исследования проведена на промышленном алюминиевом сплаве А!-7Б1 (АЛ 9). Установка для производства тиксозаготовок (рис. 17) основана на приме-
1 4 6
Рис. 17. Схема изготовления фасонной детали из заготовки с тиксоструктурой:
1 - муфельная печь электросопротивления: 2 - водоох-лаждаемый лоток с регулируемым углом наклона; 3 - титановый стакан; 4 - теплоизолирующая керамическая крышка; 5 - тиксозаготовка; 6 - КГШП; 7 - емкость с водой для закалки; 8 - муфельная печь электросопротивления
нении оригинального контейнера и наклонного охлаждаемого желоба [1, 2]. Для плавки металла использовали электрическую печь емкостью около 10 кг. Установка позволяет оптимизировать условия получения тиксоза-
готовок, регулируя наклон желоба в диапазоне 10-60° и перегрев заливаемого металла. Желоб охлаждается водой.
Разработанный и представленный ниже технологический процесс получения фасонных деталей реализован в режиме тиксоштамповки с использованием заготовки диаметром 95 мм, изготовленной по методу контейнера. На завершающей стадии формообразования ввиду низкой стоимости заготовки и возможности переработки на месте собственного возврата может быть использована профилированная заготовка, полученная механической обработкой из цилиндрической болванки требуемого диаметра. Такая схема использована при тиксоштамповке
Рис. 18. Деталь «чашка пружины» передней подвески автомобиля ВАЗ-2118, полученная тиксоштамповкой
детали «чашка пружины» передней подвески автомобиля ВАЗ-2118 (рис. 18)*. Возможно также непосредственное получение заготовок кольцевой формы (рис. 19).
*Работа выполнена с участием докт. техн. наук, профессора А.Э. Артеса.
Рис. 19. Водоохлаждаемый лоток и контейнер, геометрия и микроструктура полученных сплошных слитков диаметром 65, 70, 95 мм и заготовки кольцевого типа диаметром 115 мм
Используемая в МГТУ им. Н.Э. Баумана схема процесса получения заготовок с тиксо-структурой с последующим изготовлением фасонного изделия показана на рис. 17. Сплав АЛ9 (Мё 0,35, 6,31, Мп 0,33, Си 0,08, Ре 0,22) расплавляется в электрической муфельной печи, рафинируется при 800 °С, затем температура понижается до 635 °С и металл медленно (ламинарно) выливается на водоохлаждаемый лоток, с которого поступает в титановый или стальной контейнер. При протекании струи металла по лотку на нем намораживается корочка твердого металла, которая одновременно постоянно разрушается каждой новой порцией перегретого металла, уносящей с собой некоторое количество дендритных а-зерен, которые разделяются на фрагменты потоком горячего металла. В конце лотка температура расплава лишь на несколько градусов превышает ликвидус сплава. Таким образом обеспечивается устойчивый процесс введения большого количества готовых центров кристаллизации в слабо перегретый относительно температуры ликвидус расплав [13].
Титановый или стальной контейнер (гильза) требуемого диаметра и высоты имеет теплоизолирующие вставки на дне и сверху (убирается перед заливкой металла). Это обеспечивает однородное распределение температуры по всему объему металла и его объемное затвердевание в контейнере в режиме однонаправленного радиального отвода теплоты в условиях низкой интенсивности тепло-отвода (Вк<1).
В двухстадийном процессе (тиксотехноло-гии) после выдержки металла в контейнере в течение заданного времени (от 2 до 15 мин) гильза с суспензией при температуре около 575 °С перемещается в закалочный бассейн.
В одностадийном процессе (реотехнологии) суспензия в разборном стакане передается на пресс.
Используются следующие характеристики для количественного контроля геометрии а-фазы в двухфазной структуре заготовки:
- средний размер а-зерна 0(1=(45а/р)1/2;
- фактор формы Га=Ра1/(4р5У/2, где 5ц -площадь зерна;
- степень скелетизации а-фазы Са=2Раа/ (2Р +Р ,).
4 ао аС
Требования к качеству алюминиевой фазы сплава формулировались следующим
образом:1<Ра<2; 0,1<РСв<0,3; оа<80 мм.
Для получения достаточно высокого качества фасонной детали размеры кольцевой заготовки и параметры структуры материала тиксозаготовки должны быть оптимизированы. Некоторая информация об эффективности подобной оптимизации представлена в табл. 3 и на рис. 20. Как показано на этом рисунке, оптимизация условий литья позво-
т- - т- — СО
Интервалы значений диаметров О
«I
Рис. 20. Влияние угла наклона лотка и перегрева металла перед заливкой на распределение диаметров и среднее значение фактора формы кристаллов а-алюминиевой фазы (диаметр заготовки 65 мм):
перегрев 20 перегрев 30
°С, О
!С, О..
♦ - угол 45' ■ - угол 60'
Д - угол 30°, перегрев 30 "С, О =57,6 мкм, Га=1,18 х - угол 45°, перегрев 30 °С, О =63,9 мкм, Г =1,28
64,8 мкм, Р =1,24 75,3 мкм, р"=1,25
Таблица 3
Технологические схемы, параметры процесса литья и геометрические характеристики недендритной структуры заготовок до оптимизации условий литья на желобе
Сплав
Структурные параметры материала заготовки
Желоб
О , мкм
К
А357
А357+0Д % Л А357+5 % Э1Ср А357+10 % 51Ср А357+20% БЮ
720 720 720 720 720
630 630 630 630 630
+ + + +
81.3
67.4 58,3 73,1 60,1
2,06 1,89 1,7 1,91 2,22
0,12
0,07 0,12 0,05 0,03
0,253 0,132 0,17 0,08 0,07
ляет существенно улучшить параметры 0% и Г% микроструктуры заготовок. Элементы микроструктуры детали «чашка пружины», тиксоп-рессованной при высокой доле твердой фазы, показаны на рис. 11.
Возможно также непосредственное получение заготовок кольцевой формы (см. рис. 19), использование которых изменяет в благоприятную сторону условия течения заготовки в штампе.
Из анализа результатов следует, что использованная схема литья заготовки позволяет получать практически недендритную форму зерна первичной фазы.
С целью получения дополнительной информации о режимах и условиях переработки таких заготовок на оборудовании ОМД проведено дополнительное моделирование и экспериментальное изучение процесса.
После повторного нагрева цилиндрическую заготовку (0=18 мм, Ь=30 мм) деформировали на лабораторном кривошипном прессе КД2128Е, процесс начинался при температуре заготовки 574-579 °С, что обеспечивало сохранение более 80 % твердой фазы. Деформирование осуществлялось по схеме открытой горячей объемной штамповки.
На рис. 21 представлен эскиз экспериментального штампа, а в табл. 4 приведены значения параметров микроструктуры изученных поковок. Мерные заготовки вырезали из болванки диаметром 95 мм.
-р с
V Г / /
- \ N т \ N \
0 20
028
0160
Рис. 21. Эскиз экспериментального штампа
Все параметры микроструктуры полученных поковок удовлетворяют значениям, принятым для тиксоструктуры. Однако следует
Таблица 4
Параметры микроструктуры
полученных поковок
Номер 0 , мкм Г Скорость
поковки аср роста V
1 83,5 1,26 0,77
2 64,9 1,23 0,66
3 75,1 1,13 0,66
4 87,8 1,19 0,69
отметить, что при завершении процесса прессования на КГШП и содержании твердой фазы менее 85 % об., в поковках может сохраниться усадочная пористость, характерная и для литой структуры тиксозаготовок.
Для устранения усадочной пористости необходимо приложение силы в течение более длительного времени (до окончания процесса кристаллизации), что можно осуществить на гидроколенном прессе. Эта конструкция пресса даст несколько преимуществ: обеспечит необходимую выдержку под давлением во время процесса кристаллизации и высокую скорость приближения, что является существенным ввиду ограничения процесса во времени.
На КГШП тиксоштамповку также можно осуществить при содержании твердой фазы в заготовке более 90 % в открытом или в закрытом штампе при доле твердой фазы в заготовке более 70 %.
При моделировании процесса тиксоштам-повки в программном комплексе 0-Рогт2Э было принято, что до температуры солидус (Т>572 °С) напряжение зависит только от скорости деформации и от температуры (материал ведет себя как вязкая жидкость). При 572 °С и ниже температуры солидус напряжение зависит от скорости деформации, температуры и логарифмической деформации (вяз-копластическая модель). Результаты моделирования представлены на рис. 22*. Видно, что в модельном процессе в конце хода
* Примечание научного редактора. При трактовке графиков на рис. 22 следует иметь ввиду, что при использовании конечно-элементной программы Р-Рогт20 именно для определения скоростей деформаций, напряжений и сил деформирования возможно получение погрешностей >20 %.
деформирования сила деформирования приблизительно равна силе деформирования при ГОШ. Это свидетельствует о наличии пластической деформации, что подтверждается металлографическими исследованиями. В использованных режимах штамповки значительное вытягивание зерен наблюдалось только в области заусеннечной канавки.
8 г-
7 -■■
6
2 1 О
16 14 12 10 8 6 4 2 0 Расстояние, мм
Рис. 22. Графики зависимости силы деформирования заготовки (при тиксорежиме) от пути деформирования:
1 - экспериментальный; 2 - расчетный
Заключение
Деление алюминиевых сплавов на деформируемые и литейные прочно закрепилось в стандартах, справочниках по конструкционным материалам и в учебниках [14]. Все сплавы, находящиеся по составу левее точки предельной растворимости компонента В (рис. 23),
становятся при нагреве однофазными и при этих температурах обладают высокой пластичностью.
Сплавы, лежащие правее этой точки, будут иметь в структуре эвтектику при любой температуре, не превышающей солидус. Наличие эвтектики понижает способность сплавов к пластической деформации, снижает механические характеристики сплава, но улучшает его литейные свойства. Составы алюминиевых сплавов весьма разнообразны, но их деление по этому признаку на деформируемые и литейные естественным образом гармонировало со структурой и свойствами материалов, достигаемыми в традиционных технологических процессах переработки промышленных сплавов. Улучшение свойств литейных сплавов при заданном составе достигалось частично термической обработкой, но главным образом за счет улучшения строения эвтектики (модифицирование, повышение скорости кристаллизации и т.п.).
Открытие эффекта тиксотропии и его использование в новых технологиях переработки металлов в твердожидком состоянии принципиально меняет взгляд на правила выбора состава сплавов и на глубинную природу явлений, отвечающих за качество перерабатываемого материала. Установлено, что изменение морфологии кристаллов а-алюминиевой фазы
Рис. 23. Традиционное деление алюминиевых сплавов на литейные и деформируемые на основе схематизированной диаграммы состояния (а) и наиболее распространенный сплав (б), используемый в процессах тиксоформирования
и последующие сдвиги оказывают более мощное влияние на строение эвтектики, чем воздействие модификаторов. В свою очередь, эффект тиксотропии при постоянной доле твердой фазы пытаются связывать с фрактальной размерностью границ частиц твердой фазы [15].
Подводя итог, следует отметить, что тиксоп-рессование, организованное на основе собственного производства специализированных заготовок - исключительно перспективная группа новых технологических процессов заготовительных производств машиностроения. В то же время реопрессование и реолитье с использованием охлаждающего желоба и контейнера, а также внешнего давления обладают следующими потенциальными преимуществами:
- уменьшают сложность процесса (не требуется многопозиционная система нагрева заготовок);
- увеличивают гибкость в выборе размеров порции металла (нет жесткой зависимости высоты слитка от его диаметра), а желоб также может быть использован как транспортный контейнер;
- состав сплава может быть изменен непосредственно у потребителя (на машиностроительном предприятии), допускается широкое рабочее окно процесса, связанное с выбором доли твердой фазы в заготовке перед прессованием;
- обеспечивают независимость от поставщика металла, так как металл можно приобрести у многих поставщиков по стоимости более низкой, чем у поставщиков тиксозаготовок (в России такие поставщики вообще отсутствуют);
- позволяют переработать возврат в собственной литейной, а металл использовать вновь;
- ниже стоимость по сравнению с другими способами переработки металлов в твердо-жидком состоянии.
В ходе научно-исследовательской работы в МГТУ им. Н.Э. Баумана была разработана экспериментальная установка для реолитья заготовок с глобулярной микроструктурой и проведены эксперименты по литью заготовок различной геометрии массой до 5 кг из алюминиевого сплава АК7. Разработана экспериментальная установка для тиксоштамповки по схеме открытой объемной штамповки на базе универсального кривошипного пресса номинальной силой 630 кН. Осуществлены эксперименты по штамповке осесимметричных деталей из цилиндрических и кольцевых заготовок на гидравлическом прессе модели П 6334Б с номинальной силой 2500 кН и КГШП с номинальной силой 1600 кН. Проведено моделирование процесса тиксоштамповки с использованием программного комплекса 0-Рогт2Э и разработанной реологической модели поведения материала.
Тиксоштамповку в открытом штампе можно осуществлять на КГШП при объемной доле твердой фазы в заготовке более 90 % или в закрытом штампе при содержании в заготовке более 70 % твердой фазы. Тиксоштампов-ку с более низким содержанием твердой фазы целесообразно осуществлять на гидроколенном прессе. Эта конструкция пресса дает несколько преимуществ: обеспечивает необходимую выдержку под давлением во время завершения процесса кристаллизации и обеспечивает высокую скорость приближения, что является существенным ввиду ограничения процесса по времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Eskin G.I., Semenov B.I., Serebryany V.N., Kirdeev Yu.P.//Proc. of 7-th International Conference on semisolid processing of alloys and composites. 2002. P. 397-402.
2. Semenov B.I. Principles and modern tendencies for specialized billet feedstock production ad slurry on demand. Pros. of ICMAT-2005, Korea. P. 47-56.
3. Bocharov Yu.A., Semenov B.I., Kushtarov K.M.
et al. SSM - Thixoforming Unit Design Requirements//Proc. of 8-th International
Conference of Technology of Plasticity. Italy. Verona. 9-13 October. 2005.
4. Бочаров Ю.А., Хижнякова Л .В. Тиксоштампов-ка - новая технология объемной штамповки металлов в твердожидком состоянии//Мате-риалы 49-й международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров». 2324 марта 2005. - М.: МГТУ МАМИ. C. 7-10.
5. Ji S., Fan Z., Bevis M.J.//Mater. Sci. Eng. 2001,
A299. P. 210-217.
6. Spencer D.B.//PhD thesis, MIT, Cambridge, MA, 1971.
7. Chen J.Y., Fan Z.//Mater. Sci. Technol. 2002. 18. (3). P. 250-257.
8. Martin A.L., Favier D., Suery Y.M.//Int J. Plast. 1997. 13. P. 215-235, P. 237-259.
9. Bhasin A.K., Moore J.J., Young K.P., Midson S. (eds.)//Proc. 5th Int. Cong. on Semisolid processing of alloys and composites, Golden, CO, June 1998; 1998. Golden. CO. Colorado School of Mines.
10. Zavaliangos A.//Int. J. Mech. Sci. 1999. 40. P. 1029-1041.
11. Chiarmetta G.L., Rosso M. (eds.)//Proc. 6th Int. Conf. on Semisolid processing of alloys and composites, Turin, Italy, Sept. 2000; 2000,
Brescia, Edimet.
12. Grillon G., Leclere A., Garat M. Potentiality of thixocasting associated with impact treatment for the manufacture of a car wheel disk//Proc. of 7th Int. conf. on SSP of alloys and comp. Japan, 2002. P. 157-166.
13. Куштаров К.М., Семенов Б.И., Сонг Ж.Х. Производство специализированных заготовок с тиксоструктурой с использованием синергети-ческих принципов управления//4-й международный междисциплинарный симпозиум: Фракталы и прикладная синергетика, Москва, 14-17 ноября 2005. С. 171-175.
14. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1978. - 647 c.
15. Fan Z. Semisolid metal processing//Intern. Materials Reviews. 2002. V. 47. № 2. P. 34.
