- RU
- ENG
Универсальный токарно-винторезный станок модели CS6266Bх1500 (Ø660 х 1500 мм)Страна: КитайПроизводитель:
Общая характеристика процессов
Повышение требований к конструкционной прочности литых деталей является одной из основных причин поиска и реализации новых технологий получения литых заготовок. За последние годы значительно вырос интерес к исследованиям и практическому применению технологий формообразования сплавов в твердожидком (semi-solid — полутвердом) состоянии, с 1990 г. было проведено шесть международных конференций по этой тематике. В настоящее время специалисты многих стран ведут изучение и разрабатывают методы получения металлических суспензий, исследуют их реологические и технологические свойства, совершенствуют конструкции применяемого оборудования и оснастки, много внимания уделяют компьютерному моделированию гидравлических и тепловых процессов формообразования в твердожидком состоянии, проектированию технологии, методам контроля отдельных этапов процесса и готовой продукции. Эти процессы интересуют не только крупнейшие материаловедческие и технологические научные центры США, Германии, Японии, Франции, Великобритании, Италии и других стран, но и такие крупнейшие промышленные компании, как Alumax [США], EFU (Германия), UBE Industries [Япония] и многие др. В России работы по тиксотехнологиям находятся практически в зачаточном состоянии. Исключение составляют разработки ВИАМ по получению недендритной структуры в заготовках, изготовленных непрерывным литьем с ультразвуковой обработкой расплава в кристаллизаторе, и публикации некоторых энтузиастов, пропагандирующих материалы международных конференций, зарубежные достижения и призывающих обратить внимание ученых и государственных структур на эту важнейшую проблематику. Однако в последние годы комплексный подход к решению вопросов создания и промышленного внедрения тиксотехнологий реализуется в работах, проводимых в Санкт-Петербурге.
В настоящее время разрабатывается много вариантов литья в твердожидком состоянии, наиболее перспективными из которых можно считать реолитье (Rheocasting) и тиксолитье [Thixocasting). При реолитье порцию сплава в твердожидком состоянии после интенсивной обработки [перемешивания, термовременной обработки, модифицирования и др.] заливают в прессовую камеру машины литья под давлением или пресса. Первоначально в реолитье применяли механическое перемешивание расплава в интервале температур «ликвидус-солидус» с помощью импеллеров различной конструкции, что приводило, в частности, к замешиванию плен, большой пористости заготовок и пр. При тиксолитье в камеру прессования машины литья под давлением или пресса помещают цилиндрическую заготовку, полученную полунепрерывным литьем с электромагнитным перемешиванием расплава в кристаллизаторе и повторно нагретую в интервале температур «ликвидус-солидус» до твердожидкого состояния.
Заготовки из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии, можно получать не только литьем, но и другими способами формообразования [штамповкой, экструзией], поэтому все эти способы, отличающиеся только последней стадией процесса, называют тиксоформовкой (Thixoforming).
Как при реолитье, так и при тиксолитье попавшая в камеру прессования порция специально подготовленного сплава (суспензии] при движении поршня попадает под действие высоких скоростей сдвига и приобретает вязкость, характерную для жидкостей. При этом проявляется эффект тиксотропии — временное понижение эффективной вязкости вязкотекучей или пластичной системы в результате ее деформирования. Этот эффект проявляется тем полнее, чем ближе к сферической форма включений твердого раствора и чем ближе к оптимальному реализуется соотношение между твердой и жидкой фазами. При этих условиях заготовка, находясь в твердожидком состоянии, сохраняет первоначальную геометрическую форму и, в то же время, легко деформируется, даже режется ножом. Чисто условно структуру, в наибольшей степени способствующую реализации эффекта тиксотропии, можно называть тиксотропной.
Процесс получения литой заготовки при использовании тиксотехнологий состоит из трех основных этапов:
Получение исходной заготовки
В настоящее время наиболее распространенным способом перемешивания расплава в процессе его кристаллизации является электромагнитное перемешивание, реализуемое в двух вариантах: поперечное [в горизонтальной плоскости) и продольное (в вертикальной плоскости]. Чрезвычайно важными моментами первой стадии процесса формирования структуры является получение мелких, вырожденных [сфероидизированных] дендритов, имеющих по сечению слитка близкие размеры, и отсутствие ликвационной неоднородности легирующих компонентов сплава. При поперечном перемешивании, где движение происходит в квазиизотермической плоскости, наиболее вероятным механизмом формирования тиксотропной структуры является механическое срезание ветвей дендритов высшего порядка. В случае продольного перемешивания дендриты, формирующиеся в зоне фронта кристаллизации, попадая в верхнюю зону [с более высокой температурой], частично подплавляются. Цикличность этого процесса и обеспечивает вырождение дендритов. Оба варианта перемешивания позволяют получить структуру ячеистого (недендритного] типа, которая превращается в глобулярную тиксотропную структуру в результате нагрева и выдержки в двухфазном (твердожидком] состоянии. Снижение скорости литья, то есть увеличение времени электромеханического воздействия на расплав, приводит к образованию более крупных вырожденных дендритов, что отрицательно сказывается на реологических свойствах материала. Вблизи крупных кристаллов нарушается равномерность эвтектической сетки, что приводит к изменению фигуративной точки состава в данной области и изменению температурно-временных закономерностей процесса при последующем нагреве. С увеличением интенсивности перемешивания усиливается эффект вырождения дендритов твердого раствора, уменьшается количество зерен α-твердого раствора с захваченной эвтектикой. Подобные зерна являются нежелательными ввиду того, что эвтектика внутри зерна не участвует в деформации, снижая тем самым количество активной жидкой фазы при нагреве и последующей формовке.
Идея электромагнитного перемешивания расплава одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях реализована в установке полунепрерывного литья слитков диаметром до 150 мм, изготовленной и работающей в ВАМИ. Режимы работы установки обеспечивают в слитках сплава А357 высокую степень глобуляризации дендритов α-твердого раствора и равномерность распределения кремния по сечению слитка.
Нагрев мерной заготовки до твердожидкого состояния
При тиксолитье заготовка должна быть повторно нагрета перед формообразованием до твердожидкого состояния, что является очень важным этапом процесса, так как заданная температура (для сплава А357 это 595±3°С) должна быть точно выдержана, а температурное поле должно быть однородным. Именно температура определяет соотношение жидкой и твердой фаз в заготовке, а следовательно, и реологическое поведение твердожидкого металла при литье. Такой нагрев чаще всего осуществляют в индукторе с установкой болванки горизонтально или вертикально на теплоизолирующей подставке, но для этих целей подходит и печь сопротивления. Можно использовать одноместный индуктор, но более удобны установки нагрева с несколькими индукторами, так как при этом производительность процесса повышается в результате нагрева слитка каждым индуктором вблизи температуры солидус с относительно низкой скоростью, что обеспечивает более однородное состояние заготовки.
Рекомендуемые соотношения высоты и длины заготовки (H/D): для вертикального нагрева — не более 2,5; для горизонтального нагрева — не более 3,0. Время повторного нагрева в минутах τ = D2 (где D — диаметр заготовки в дюймах); при этом 1/3 времени требуется для быстрого нагрева до заданной температуры, 2/3 — для получения глобулярной структуры и ее гомогенизации.
Формирование литой детали
Для успешной реализации процессов тиксоформовки необходима глобуляризация дендритов твердого раствора и определенное соотношение твердой и жидкой фаз в момент запрессовки заготовки в пресс-форму или штамп. После нагрева до требуемой температуры мерную заготовку передают в камеру прессования машины литья под давлением или штамповую оснастку пресса, сохраняя при этом ее первоначальную форму. Такое возможно благодаря высокой вязкости суспензии до тех пор, пока она не попадает под действие высоких скоростей сдвига и не приобретает низкую вязкость. Высокие скорости сдвига создаются при движении поршня, поэтому параметры процесса прессования имеют большое значение. Скорость движения поршня должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить эффект тиксотропии и производительность процесса, и в то же время не быть слишком высокой, так как необходимо сохранить ламинарное течение, плоский фронт движущегося расплава.
В зависимости от соотношения твердой и жидкой фаз в момент прессования к машинам литья под давлением предъявляют различные требования. Материал может находиться в полутвердом (SSM) или полужидком (SSL) состояниях. Для SSM (55—65% твердой фазы — высокая вязкость) требуются машины с высокой динамикой впрыска и высокими усилиями прессования при затвердевании. Для SSL (35— 45% твердой фазы — низкая вязкость) требуются машины с регулируемыми по усилию и скорости движения поршня режимами прессования.
В настоящее время ряд фирм выпускает специализированные для тиксолитья или переделанные под тиксолитье машины литья под давлением: Buhler (Швейцария), ЕРСО (США), Italpresse of America, Prince Machine (США), UBE Industries LTD (Япония) и др.
Тиксоформовка имеет как преимущества, так и серьезные недостатки по сравнению с традиционными процессами литья под давлением и жидкой штамповкой. Поэтому, используя идеологию получения отливок из сплавов в твердожидком состоянии, разработаны и идет постоянная работа над созданием различных технологий. Так, для получения отливок из магниевых сплавов разработан вариант тиксоформования, названный тиксомолдинг (Thixomolding). В этом процессе исходный материал используется в виде чешуек (чипсов) или гранул. В результате механических сдвигов, возникающих под действием шнека в машине-экструдере, чипсы (гранулы) разогреваются и в момент, когда исходный материал достигает в горячей зоне машины твердожидкого состояния, он впрыскивается в полость пресс-формы. Одним из перспективных процессов тиксоформовки является процесс, названный «Новое реолитье» (New Rheocasting Process — NRC), в котором порцию жидкого металла, незначительно перегретую над температурой ликвидус, помещают в металлический или керамический сосуд (контейнер), подвергают специальной обработке (подстуживают), повторно нагревают до температуры заливки, выдерживают определенное время и заливают в полость пресс-формы.
Установлено, что критические температуры образования зародышей находятся непосредственно на линии ликвидус или несколько ниже. Перемешивание расплава ниже этих температур не влияет на зародышеобразование и не приводит к эффекту созревания тиксотропной структуры. Это открытие реализовано в процессе полутвердого реолитья (SSR), разработанном в Массачусетском Институте технологий и лицензированном IdraPrince. Процесс включает интенсивное перемешивание, совмещенное с очень быстрым отбором теплоты в очень узком температурном интервале вблизи ликвидуса.
При тиксолитье скорость прессования должна быть больше, чем при жидкой штамповке, но значительно меньше, чем при литье под высоким давлением. Стабильность заполнения формы ухудшается, когда скорость больше 1,0-1,5 м/с. Литники должны быть более массивными, чем при литье под высоким давлением, окончательное давление прессования ↔1000 бар. Кроме того, желательна дополнительная подпрессовка на литниковую систему или на изолированные массивные части отливки. Литниковая система должна препятствовать попаданию оксидных пленок в отливку.
Тиксолитье и тиксомолдинг принципиально из¬меняют облик литейного цеха, в котором отсутствуют плавильные и раздаточные печи, а работа обеспечивается за счет подачи полученных извне холодных мерных заготовок. При новом реолитье и SSR плавильное оборудование в литейном цехе сохраняется, возможна работа в режиме как реолитья, так и жидкой штамповки.
Опыт внедрения методов полутвердой (твердожидкой формовки] подтверждает важность математического моделирования процесса на всех его этапах. Многие разработчики внедрили «тиксо-модуль» в коммерческие пакеты прикладных программ, используя простейшие операции сложных реологических процессов (примером служат программы Flow3d, Magmasoft, PamCastSimulor, Procast). Так, например, создана виртуальная модель полностю автоматизированной тиксокаст-ячейки (http: //Thixotec.ING.Uni-Duisburg.de).
В настоящее время существует система CALS — это комплекс международных стандартов, интегрирующих информационные технологии, создаваемые в различных странах и регионах. В 2000 г. NADCA (North American Die Casting Association) опубликовала ряд стандартов, связанных с новыми процессами литья (Product Specification Standards for Semi-Solid and Squeeze Casting Processes Aluminum, Magnezium). В Шеффилдском университете (Великобритания) создан программный пакет Thixocast, позволяющий рассчитать воздействие нового процесса на перспективы бизнеса.
В 2000 г. в Северной Америке было реализовано 35 тиксопроцессов литья и 44 машины литья под давлением серии SC; в Европе, соответственно, 24 и 24; в Японии и Азии — 7 и 178, изготовлено около 14 тыс. т заготовок для тиксолитья.
Для тиксолитья в настоящее время наиболее широко применяют сплавы А357 и А356.
Сопоставление основных характеристик процессов жидкой штамповки, литья под давлением и тиксоформовки позволяют сформулировать основные преимущества тиксотехнологий и оценить эффективность их использования при получении фасонных отливок.
Основными преимуществами являются:
Особенности:
Целью одного из этапов работ, выполненных ВАМИ и ГПУ (Санкт-Петербург) с привлечением соисполнителей, являлось выявление возможности реализации процесса тиксолитья для получения в производственных условиях опытной отливки с использованием обычно применяемого оборудования для литья под давлением. Исследовали влияние различных режимов обработки сплава А357 в интервале температур «ликвидус-солидус» на формирование его литой структуры и наследственных признаков и в производственных условиях получили опытную отливку с использованием тиксотехнологий1.
Исследование влияния различных режимов обработки сплава А357 в интервале температур «ликвидус-солидус» на формирование его литой структуры
Исследовали сплав А357 (7% Si; 0,3% Mg; Al - ост.) в виде двух различных заготовок:
Образцы для исследования структуры сплавов (шлифы) вырезали из полученных литых образцов и изготовляли по стандартной методике. Для выявления структуры шлифы подвергали травлению 1%-ным раствором плавиковой кислоты. Количественную оценку структуры сплава на шлифе осуществляли, используя компьютерный комплекс и разработанный программный продукт. Установка позволяла визуализировать изображение структуры на мониторе ЭВМ, заносить в память компьютера и печатать любой участок шлифа при требуемом увеличении.
Для проведения экспериментов использовали две электрические печи СШОЛ 1.1,6/12-МЗ-У4.2, компьютерную установку для дифференциального термического анализа (ДТА), генератор электромагнитного излучения радиоволнового диапазона специальной конструкции. Одна из печей СШОЛ была отрегулирована для поддерживания температуры 650±5°С, вторая - 595+5°С. Температура 650°С обеспечивала минимальный перегрев сплава А357 над температурой ликвидус, а температура 595°С — нахождение сплава в твердожидком состоянии. В некоторых экспериментах температуру в первой печи поднимали до 750°С для обеспечения эффективности модифицирования.
В качестве модификатора использовали флюс «Фурм» (69% хлоридов, 25,8% фторидов, 5,2% карбонатов), вводимый в количестве 0,2-0,5% от массы расплава.
Для проведения экспериментов изготовили специальные тигли из высокоалюминиевого чугуна, которые помещали в печь СШОЛ.
Эксперименты по выявлению влияния электромагнитной обработки [ЭМО] на процессы структурообразования в сплавах А1 и А2 проводили совместно с доктором техн. наук, профессором В.И. Зарембо. Выявлено положительное влияние ЭМО на параметры кристаллизации сплава и подтверждена целесообразность продолжения исследований в этом направлении. Сплав А2 после нагрева до 650°С и охлаждения до 595°С сохранял глобуляризированную структуру твердого раствора, что позволяет прогнозировать возможность использования отходов сплава А2, остающихся после разрезки слитка на заготовки, в качестве шихтового материала с положительной наследственностью при получении отливок традиционными способами литья.
Получение опытной отливки с использованием тиксотехнологии в производственных условиях
В цехе № 111 ОАО «Красный Октябрь» была подобрана и модернизирована пресс-форма для получения отливки рубашки массой 0,8 кг. Эту отливку изготовляют литьем под высоким давлением на машинах вертикальной компоновки. К отливкам предъявляют повышенные требования по герметичности (поэтому все отливки пропитывают, и они должны выдерживать давление до 6 ат.).
Для изменения параметров литниково-питающей системы с целью учета специфики поведения сплава А357 в твердожидком состоянии при заполнении пресс-формы использовали результаты численного анализа температурного режима экструзии литейных сплавов системы Al-Si-Mg в твердожидком состоянии, выполненного на кафедре ФХЛСП ГПУ (Санкт-Петербург) под руководством д-ра техн. наук, профессора В.М. Голода. В частности, использовали данные по температурной зависимости динамической вязкости сплавов при различных скоростях деформации и изменении количества твердой фазы в температурном интервале затвердевания.
Результаты экспериментов по отработке режимов нагрева заготовок из сплава А2 на индукционной установке с частотой 50 Гц показали невозможность использования этой установки в производственных условиях.
Затем исследовали возможность получения тиксотропной структуры в заготовках А2 в результате их выдержки в ванне с расплавленным свинцом, перегретым до определенной температуры. Слитки помещали в специально изготовленные конические стаканы из высоколегированной стали, которые помещали в ванну с расплавленным свинцом. При температуре 580°С и выдержке 1 мин структура практически не претерпевает изменений. При выдержке 5 мин зерна α-твердого раствора становятся более правильной формы, но наблюдается большое количество «схлопнувшейся» эвтектики в зерне раствора. Однако данный дефект практически полностью отсутствует при выдержке 15 мин. При температуре 590°С уже после выдержки 1 мин практически все зерна имеют форму, близкую к глобулярной, но при этом наблюдается достаточно большое количество «схлопнувшейся» эвтектики; при выдержке 5 мин данный дефект практически полностью отсутствует. При увеличении выдержки до 15 мин средний размер зерна увеличивается от 150 до 230 мкм. Полученные данные свидетельствуют о важности термовременного воздействия на структуру и свойства сплава. На основании этих данных было решено нагревать слитки сплава А357 до температуры 590°С и выдерживать 5-10 мин.
С учетом специфики организации производства в цехе № 111 ОАО «Красный Октябрь» была предложена и реализована следующая схема процесса получения опытной отливки рубашки твердожидкой формовкой:
Было выполнено 12 экспериментов, температура нагрева заготовки изменялась в пределах 585-595°С, скорость перемещения пуансона составляла 8,0-12,0 м/с.
Анализ структуры и свойств полученных отливок позволил сделать вывод о повышении качества опытной отливки по сравнению с литьем под давлением и перспективности продолжения совместных работ по тиксоформовке с учетом конкретной номенклатуры отливок. Результаты проведенных на данном этапе работ позволили уточнить техническое задание на проектирование и изготовление установки индукционного нагрева с частотой 1000 Гц и согласовать с ОАО «АВТОВАЗ» программу совместных работ, в частности по изготовлению детали чашки методами тиксоформовки.
____________________________
1 В работе принимали участие Ю.А.Каплуновский, А.В.Романов [ГПУ, Санкт-Петербург), В.Н.Горелов (ОАО «Красный Октябрь»).
