Исследование процесса формирования фасонных изделий из сплавов и металломатричных композитов на алюминиевой основе в твердожидком состоянии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Куштаров, Куштар Межлумович

• Куштаров, Куштар Межлумович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Куштаров, Куштар Межлумович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования.

1.1. Исследования и уровень использования SSM-процессов за рубежом.

1.2. Применение термодинамического расчета при выборе алюминиевого сплава для переработки в твердожидком состоянии.

1.2.1. Фундаментальные принципы выбора сплава для SSM-технологии.

1.2.2. Термодинамический анализ при выборе перспективного сплава.

1.3. Структурно-реологические факторы металлической суспензии и методы их определения.

1.4. Модель тиксотропной среды.

1.5. Динамика изменений структуры материала при тиксолитье и выбор рабочего окна процесса.

1.6. Дополнительный потенциал технологий тиксоформирования.

1.7. Промышленные методы получения тиксозаготовок.

1.7.1. Процессы полунепрерывного вертикального литья тиксозаготовок с перемешиванием.

1.7.2. Процессы полунепрерывного горизониального литья тиксозаготовок.

1.7.3. Материалы для тиксоформирования, предлагаемые фирмой SAG.

1.8. Коммерческий статус методов литья в твердожидком состоянии

SSM-технологии) в Японии.

1.8.1. Производство суспензий с использованием перемешивания.

1.8.2. Производство суспензий без перемешивания.

1.8.3. Технологии формообразования.

1.8.4. Общие принципы изготовления суспензии в NRC-процессе.

1.9. Технические характеристики и экономика промышленного освоения процесса тиксоформирования.

1.10. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Материалы, методы получения тиксозаготовок и методика исследования качества структуры материала.

2.1. Структурная эволюция и морфология частиц твердой фазы при росте в расплаве.

2.2. Самоорганизация недендритных форм кристаллов а-А1 фазы без интенсивного перемешивания и параметры процессов. Экспериментальные данные.

2.3. Базовые принципы самоорганизации недендритных форм кристаллов.

2.4. Выбор метода получения заготовок с тиксоструктурой и условия проведения экспериментальных исследований.

2.5. Предварительные исследования условий литья тиксозаготовок.

2.6. Предварительные оценки механических свойств материала тиксозаготовки.

2.7. Методика статистического анализа параметров структуры и степени однородности тиксозаготовок.

Глава 3. Оптимизация условий получения порционной заготовки с тиксоструктурой.

3.1. Исследование условий литья тиксозаготовок с использованием водоохлаждаемого лотка и ультразвуковой обработки струи металла.

3.2. Повторный нагрев слитка.

Глава 4. Исследование процесса тиксопрессования заготовок с недендритной структурой из сплава A357 и композита на его основе.

4.1. Экспериментальное исследование тиксопрессования детали «стакан». Особенности и условия формирования микро- и макроструктуры детали.

4.2. Тиксопрессование детали «чашка пружины» автомобиля ВАЗ. Условия формирования «композитной» структуры в фасонной детали.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса формирования фасонных изделий из сплавов и металломатричных композитов на алюминиевой основе в твердожидком состоянии»

Металлы были, являются и на ближайшую перспективу останутся основными материалами машиностроения. Однако существенные изменения претерпевают технологии производства фасонных заготовок [1]. Особенно ярко эта тенденция проявилась в массовом автомобилестроении. За рубежом автомобильный сектор машиностроения является лидером не только по производственным критериям: он также лидирует по законам, ограничивающим нормы потребления и уровень защиты окружающей среды. В 1992 г. фирмой Мерседес-Бенц была организована конференция, названная «Сценарий-2002 г.», на которой прогнозировали, что к концу 90-х Европа будет потреблять, по крайней мере, на 50% более алюминия. Фактически с 1990 г. по 2000 г. доля алюминия в легковых автомобилях, производимых в Западной Европе, выросла с 50 до 100 кг на автомобиль [2]. Это означает, что средний годовой прирост на протяжении всего этого периода составил 5 кг на автомобиль, т.е. около 7% в год. Обращается внимание на то, что основная часть этого объема, - вторичный алюминий, что позволяет автомобильной промышленности Европы экономить энергию и исходные (первичные) материалы. Конкурирующие технологии, претендующие на новый рынок, показаны на рис.В.1 и В.2 [3].

Большая часть алюминиевых деталей, используемых в зарубежных автомобилях, производится литьем под давлением. ЛПД - наиболее производительный процесс получения фасонных заготовок с наименьшими вариациями стоимости. Высокая доля капитальных затрат на машины ЛПД компенсируется обычным для этой отрасли масштабом производства. Выигрыш в себестоимости сопровождается металлургическими достоинствами быстрого затвердевания сплава в металлической оснастке, что приводит к получению мелкозернистой структуры в отливке и однородным механическим свойствам материала. Существовавшая длительное время проблема пористости отливок решена за счет вакуумирования или принудительной вентиляции прессформ. Обычным для этого типа заготовительных производств за рубежом стало использование упрочняющих термических обработок и сварки отливок (рис.В.З). Для реализации новых возможностей используют машины ЛПД с контролируемой скоростью впрыска (SC-технологии, рис.В.2).

Доминирующее положение ЛПД в зарубежном автомобилестроении (в 1994 г. в США объем продаж ЛПД заготовок составил 6.8 млрд. долларов) не является результатом случайного стечения обстоятельств. Появление сплавов типа Silafont-36 и Maqsimal-59, отличающихся высокой пластичностью, проложило путь к массовому производству автомобильных конструкционных деталей из А1-сплавов методами ЛПД. В таблице 1 и на рис.3, приведены составы и свойства этих новых сплавов. Великолепные литейные свойства сплава Silafont-36 делают его фаворитом при литье тонкостенных свариваемых фасонных отливок сложной геометрии и массой от долей килограмма до 10-ти и более кг. Пределы усталостной прочности, равные, соответственно, 89 МПа и 100 МПа, позволили использовать эти сплавы для производства конструкционных деталей, воспринимающих динамические нагрузки. Некоторые физико-механические и технологические характеристики названных сплавов представлены в таблице 2.

Таблица 1

Химический состав сплавов

Состав, вес % Si Fe Си Мп Mg Zn Ti Sr Р Na Са Be другие

Silafont-36 9,5- до до 0,5- 0,1- до 0,04- 0,01- ДО - - - до

11,5 0,15 0,03 0,8 0,5 0,08 0,15 0,02 0,001 0,2

Magsimal- 9 1,8- до до 0,5- 5,0- ДО ДО - - до до <40 до

2,6 0,2 0,06 0,8 6,0 0,07 0,02 0,001 0,001 ppm 0,2

Производители литья А1 сплавов в разовые песчаные и постоянные формы 4

Конструкционные детали из сплавов на основе Fe, заменяемые легкими сплавами.

Производители заготовок из А1 сплавов методами обработки давлением

Производители отливок методами ЛПД

Рис.В.1. Конкурирующие технологии, претендующие на новый рынок

100 м/с я ев н и S

J5 Н О о а о X

S о со о

И К о- ас о р И U К ч

10

Литье под высоким давлением и литье в вакуумируемые прессформй

Литье под средним давлением / SSM литье

I-► Гравитационное литье в кокиль lOг^г^ Литье под низким давлением

Жидкая штамповка

0.1

0.01

0.1

1.0

10.0 S с т е х н о л о г и и

Давление прессования Р, МПа

100.0 ►

Рис. В.2. Характеристики параметров процессов литья, используемых в автомобилестроении

5 10 15 20 Удлинение 5, %

Термическая обработка ст0>2, МПа 5,%

Литое состояние (F) 120-150 5-10

Закалка и естественное старение (T4+EC) 95-140 15-22

Закалка и искусственное старение (Т5+ИС) 155-245 4-9

Закалка+ искусственное старение (Т6+ИС) 210-280 7-12

Закалка + стабилизирующий отпуск (Т7+СО) 190-170 15-20 а)

Толщина стенки, мм Свойства в литом состоянии

Сто.2, МПа ств, МПа 8,%

2-4 160-220 310-340 12-18

4-6 140-170 250-320 9-14

6-12 120-145 226-260 8-12 ft

Рис.В.З. Механические характеристики сплавов Silafont-36(a) и Magsimal-(6)

Таблица 2.

Физико-механические и технологические характеристики сплавов для ЛПД л

Характеристика Silafont-36 Magsimal-59

Плотность, кг/дм3 2,64 2,65

Модуль упругости, ГПа 70-80 70-80

Предел усталости, МПа 89 100

КЛТРхЮ", 1/К 21 24

Теплопроводность, Вт/м К 139-168 105-130

Электропроводность, м/Ом мм2 21-26 14-16

Интервал затвердевания, °С 590-550 618-580

Пористость, % 0,4-0,6 0,6-1,1

Литейная технологичность высокая высокая при толщине стенки 2-8 мм

Прилипаемость нет нет

Сопротивление коррозии высокое высокое, не чувствителен к коррозии под напряжением

Свариваемость отличная отличная

Качество заклепочных соединений высокое высокое

Однако, к числу наиболее продвинутых технологий автомобилестроения в последние годы относят процессы, получившие общее название «SSM-технологии», в частности, SSM-литье на рис.В.2. Несколько крупных компаний в Европе, Японии и США этими методами в коммерческом производстве ежегодно производят миллионы деталей из алюминиевых сплавов для автомобилестроения. В этих процессах формообразование детали начинают только тогда, когда вне формообразующей полости получена жидкометаллическая суспензия, содержащая ~ 50% твердой фазы с недендритной формой кристаллов, а требуемый уровень управления процессом кристаллизации достигается выбором соответствующих сплавов и разделением процесса затвердевания на два характерных этапа: часть материала детали, склонная к образованию дендритных форм, затвердевает до начала формообразования, что позволяет использовать процессы, разворачивающиеся в пространстве и времени, для придания требуемой геометрической формы растущим включениям кристаллизующихся фаз, и только оставшаяся неотвержденной эвтектическая составляющая жидкости кристаллизуется в формообразующей полости в гораздо более благоприятных условиях. Цель такого управления — образование и сохранение в течение всего периода подготовки металла и формирования фасонной детали, близких к сферической форм кристаллов первичной фазы (которые при росте объемной доли твердой фазы должны превращаться в сложные геометрические образования с плавными сопряжениями в местах контактирования соседних зерен) и мелкозернистой эвтектики. Эти идеи в 90-х гг. рядом ведущих стран Европы, Америки и Азии были реализованы в промышленном объеме при производстве фасонных заготовок (литьем, штамповкой) из AI- и Mg- сплавов. Новизна и значимость заключается в том, что процессы сложного формообразования фасонных деталей из традиционных или близких к ним сплавов, осуществляемые в твердожидком состоянии из заготовок с подготовленным и контролируемым особым типом недендритной (глобулярной) структуры твердой фазы в суспензии, оказались более технологичными. При наложении на такую заготовку внешней силы и сдвига проявляется эффект тиксотропии: аномально резкое снижение вязкости суспензии, обеспечивающее возможность плавного течения суспензии и заполнения ею сложной фасонной полости формы при литье и штамповке. При прекращении сдвигов высокая вязкость суспензии восстанавл и вается.

Резкое снижение вязкости суспензии приводит к резкому снижению сопротивления пластической деформации. Так, при доле твердой фазы в суспензии fs=0,8 сопротивление деформированию в пять раз ниже, чем у полностью отвержденного металла (fs=l,0); при доле fs=0,6 оно составляет около 3% от той же величины, а при fs<0,2 большинство промышленных сплавов допускает переработку методами гравитационного литья. Названные цифры объясняют одинаково большой интерес и обработчиков давлением, и литейщиков к одной и той же тиксозаготовке, т.к. ее деформирование можно вести и на прессах ОМД с достаточно низкими скоростями, и на литейных прессах-машинах ЛПД с контролируемой скоростью впрыска при гораздо более высоких скоростях прессования. В результате по прогнозам специалистов, в такой стране, как Япония, в 21 веке в заготовительных производствах эффективное использование тепловой энергии, затрачиваемой на получение фасонных заготовок и полуфабрикатов, для большинства промышленных сплавов будет ориентировано на производство изделий в твердожидком состоянии в интегрированном производстве.

Идеология тиксоформирования представлена на рис.В.4 Адаптированными к тиксотехнологиям являются только некоторые суспензии (в том числе и сплавы, находящиеся в твердожидком состоянии), а уровень их адаптированности в очень сильной степени зависит от скорости охлаждения (темпа выделения твердой фазы) и скорости сдвига. Количественно степень адаптированности сплава оценивается набором геометрических параметров кристаллов твердой фазы и скоростью сдвига, т.е. теми параметрами, которые ранее никогда не принимались в расчет существующими теориями формирования отливки. а) б) в) ах

5*83 щ

Е5х Щ о ж S, * 5 5 uqS tl|)U Ш Щ

1 ф

IS

-о шли Л1 - 6,3% Si (С - 0,4) 10 г a - начальный фрагмент дендрита; б -рост дендрита; в -«розочка»; г -обработанная розочка; д - сфероид

1 - диапазон обработки стекол; 2 - меласса; 3 -зубная паста; 4 - мед; 5 -глицерин; 6 — оливковое масло; 7 - велосипедное масло 8 - вода, жидкие

11X1 Ш SOU 1000 Скорость сдвига, с 1

А, А - быстрое непрерывное охлаждение при 0,075 и 0,0083 К/с соответственно; • -стационарное состояние; я*. и>»>if-tfi->fлпд ххокдя и?нтрлбехжк . литье. механичсскос ^ереыешиннне гип СПФ

Методы формообразования, обеспечивающие требуемую скорость сдвигов

О - вязкость, металлы; 9 - твердо-жидкие наблюдаемая сразу же сплавы (f, = 0,4) при после резкого изменения скорости сдвига от у = 0,001 скорости сдвига с 900 с"1 и до у = 200 с"1. Д° указанной величины.

Идеология тиксоформирования по М. Флемингу [4,5] з

Сплм A1SI7

У . я • С

-*■><• I jggJSf jwg муромам \

1 1 ■ -U) (пмприи (гмпрми и (М(М1М ■iu coxpi we мстим ■шмм Ц1И1—If) т.,

То

• и J0 11 I, кия -Мрдов феы. К

Даля твердой фазы, Б

Рис.В.5.

Максимальное сопротивление сплавов сдвигу в твердо-жидком состоянии и рабочая зона процессов формообразования (Опыты Спенсера (Sn-15%Pb), Массачусетский технологический институт 1970-1971 гг)

Таким образом, возникла новая проблема, для решения которой требуется более точное, чем используемое сегодня в тепловой теории литья [6], представление об особенностях выделения теплоты кристаллизации при затвердевании литейных сплавов. В результате, в тиксотехнологиях выбор сплава и технологический режим для осуществления технологического процесса подчинены ограничениям, накладываемым на темп выделения твердой фазы при выбранном уровне этой доли. Рабочая зона тиксопроцессов показана на рис.В.5. на примере сплавов АК7 (AlSi7): при требуемом уровне подготовленности структуры суспензии тиксолитье и новое реолитье — в позиции а), а традиционное реолитье - в позиции с). Подчеркнем, что процесс заполнения литейной формы должен начинаться и заканчиваться в малой окрестности выделенной области состояния сплава.

В развитие этой идеи разработаны «интеллектуальные» технологии, позволяющие по-новому подойти к проблеме получения фасонных заготовок деталей с повышенными гарантированными свойствами, более полным использованием известных преимуществ литья при получении сложных фасонных конструкций ответственного назначения из всех классов промышленных сплавов: алюминиевых, магниевых на основе меди и железа (рис.В.6 -В.10).

Под интеллектуализацией традиционных технологий формообразования фасонных заготовок деталей [7] понимают такую новую организацию технологических воздействий при формировании кристаллической структуры материала детали, которая позволяет получать, контролировать, воспроизводить и сохранять заданные форму, размер, состояние границ и распределение кристаллов а-фазы (или фаз) затвердевающего сплава. В современном заготовительном производстве это направление получило название «тиксоформирование». Оно основано на способности жидкометаллических суспензий с гранулированной формой кристаллов и при высокой объемной доле твердой а-фазы, наследуя эту структуру, в то же время очень сильно изменять свою вязкость под воздействием сдвиговых деформаций, что позволяет адаптировать используемое оборудование (машины ЛПД, прессы) для получения точных заготовок с недостижимыми ранее уровнями механических и служебных свойств, а также технологичности деталей.

Сплавы с недендритной структурой получают методами тиксо- и реолитья. В отличие от традиционных способов литья, и в тиксолитье, и в реолитье вся а-фаза (около 50% твердой фазы будущей детали) кристаллизуется вне литейной оснастки в специальных условиях затвердевания, препятствующих развитию дендритных форм кристаллов; при этом кристаллизующемуся сплаву на первом этапе придают форму цилиндрической болванки соответствующего диаметра и длины [8,9]. Форма и размеры кристаллов а-фазы, созданные на первом этапе тиксоформирования, только в некоторой степени наследуется фасонной деталью. При тиксолитье болванка затвердевает полностью и охлаждается до комнатной температуры, затем разрезается на мерные заготовки, которые, после повторного нагрева и частичного расплавления в области твердожидкого состояния, используется для литья на машинах высокого давления или специализированных прессах. При реолитье управление процессом кристаллизации осуществляется в одну стадию, т.е. без промежуточного охлаждения и повторного нагрева, но с промежуточной тепловой стабилизацией заготовки (рис.В.6). Для тиксолитья и тиксоштамповки используется стандартизованный ряд диаметров заготовок от 2" (51,2 мм) до 6" (153,6 мм) с интервалом 0,5" и 1". При реолитье таких ограничений не существует.

Только заготовка с недендритной формой кристаллов а-фазы обладает тиксотропными свойствами. (Вспомните брикет мороженого, оставленный на некоторое время на столе и начавший размягчаться. До определенного момента брикет сохраняет свою форму, но одновременно легко деформируется при слабом нажатии). Если, нагревая заготовку с недендритной структурой, довести твердый материал до состояния суспензии, когда кристаллы твердой фазы, занимая от 40 до 60% объема, свободно контактируя друг с другом, тем не менее перемещаются в жидкой матрице, эту заготовку можно аккуратно транспортировать как твердое тело в пресс-стакан, не нарушая начальной геометрической формы. После приложения к заготовке сдвигов такая суспензия ведет себя как вязкая жидкость, а под давлением до 130-180 МПа плавно течет в полости формы самой сложной конфигурации, позволяя получать фасонные детали очень высокого качества.

Самые крупные фирмы ведут разработку новейшего оборудования, пригодного для одновременного удовлетворения наиболее усложненных требований конструкторов деталей и производства. Например, с конца 80-х годов Italpresse совместно с международной группой Pechiney вела разработку машины для экспериментов с SSM - технологиями [10]. В результате в начале 90-х была сконструирована и изготовлена машина IP 2500 ТХ с усилием прессования более 3000 т для производства дисков колес автомобиля. На этой машине изготовлена отливка (рис.В.7), которая является самой крупной, когда либо произведенной из сплава A3 5 6 (АК7) тиксолитьем. К 2000 г. в тиксотехнологиях было задействовано около 70 тиксопрессов и 250-ти машин ЛПД серии SC. Одна из последних разработок - тиксоячейка для прессования различных тиксозаготовок, включая заготовки из сплавов на основе железа, показана на рис.В.7.

За последние 30 лет предложено много способов получения суспензий для SSM-технологий. Они ведут свое начало от разработанного в Моссачузетском технологическом институте первого реокастера для непрерывного литья, построенного на принципе механического перемешивания сплава в процессе затвердевания. Мотивацией в пользу разработки разнообразных методов отдельной порции (SoD) при подготовке суспензий явились недостатки механического перемешивания, которые включают в себе эрозию перемешивающего элемента, попадание продуктов износа в суспензию, захват газов, трудности контроля за процессом перемешивания, возможные неоднородности химического состава сплава и др. Промышленное развитие этот метод получил в технологии электромагнитного перемешивания твердожидкого металла в кристаллизаторе скольжения.

Как результат, сегодня существуют две группы конкурирующих процессов, используемых для получения металлических суспензий (твердожидких металлов) с недендритной формой кристаллов затвердевшей фазы. К первой группе можно отнести все процессы, в которых суспензии, полученные из жидкого металла, сразу же используются в операции формообразования. Эти методы объеденены названием «реолитье» (рис.В.6). В практике реолитья термин «SoD» (суспензия по требованию) возник недавно и вошел в оборот как способ описания операции получения суспензии, которая осуществляется в требуемом темпе непосредственно у производителя фасонных деталей. Во второй группе SSM-технологий (рис.В.6) производитель фасонных деталей приобретает (покупает) особый тип твердой заготовки (такая заготовка - цилиндрическая болванка диаметром 56,2 - 152,4 мм, выпускаемая специализированным металлургическим предприятием в виде стандартизованного ряда диаметров). На рабочем месте мерная заготовка нагревается в область твердожидкого состояния для того, чтобы непосредственно у машины получить суспензию с глобулярной формой твердой фазы и использовать ее в операциях формообразования. Эти процессы получили название тиксолитье, тиксоштамповка, тиксоэкструзия. Сама заготовка может быть получена многими способами, включая реолитье.

Между названными технологиями развернулась острая конкурентная борьба, что нашло отражение в публикациях. Среди конкурирующих технологий выбор производится по критерию стоимость/качество (рис.В.8 и В.9). Как видно из представленных на этих рисунках данных, новое реолитье по комплексу наиболее важных для ответственных деталей показателей качества вышло на лидирующие позиции. В промышленном варианте новые технологии хорошо зарекомендовали себя при работе с литейными силуминами показывая уровень качества, существенно более высокий, чем у аналогичного отечественного сплава АЛ-9 (АК7), отлитого в соответствии с требованиями стандарта.

Традиционные

Новое реолитье а)

Тике о литье б) процессы литья в)

Ж11ДК11Й металл

1 ппитрш irt твердо

1 narprt —жидкое Г СОСТОЯ Н№

J1 СЛИ ЮК при 1 кпчкшнол I иадкритурс I W твердый металл Л НТК ||<Ц 1 , ШСОКМЧ JiMl'HHCU Темпер,пура чешллл Нигерии темиерятур млhbjui TiMAtparypJ ценною лпкрдеынмм

1 Гсынсрлтур* нстдпяа иречн

2 Ишсрки vcuitcpnyp liiimLii j Тсчнсрятура DirviMOin uife:p.3fKiHtta

UL имсльич^ жм»Ш метапл даменнец щгпмтшм

X ТйНКрПЛМ МГТШМ* шт.

Рис.В.6.

Тепловые условия формирования и типичные микроструктуры отливок из сплава А356 (аналог АЛ9) при реолитье, тиксолитье и традиционных способах литья а) б)

Рис.В7.

Заготовка диска колеса массой около 17 кг, полученная тиксолитьем (а) и «tixo-cell» (б), - установка для тиксопрессования в Институте обработки металлов давлением (IBF, Аахен, Германия) с 6-ти координатным роботом

2003 г.)

215 310

5 «а

2 <95 * 190

5 165

160

175

- ■■ -

-*-W, •тиксо ■ РЕО

0123456 789 10 11 12 Е, % а) б)

Рис.В.8. Механические свойства сплава А357 Т5 в детали «Картер маховика», изготовленной тиксо- и реолитьем [11]

100»/,. ■ 1W% . 100% fl | fl | а™ «Цсиа/кг) у/

У/ / * а) б)

Рис.В.9. Относительная стоимость производства 1 кг фасонной заготовки литьем [11] а) и предел усталости сплава A356 Т6 [12] б) и LP0CT5

Рис.В.10.

Соотношение между показателями качества тиксотропного литья (Thixo) и литья под давлением с применением вакуума (LPDC): а) уменьшение толщины стенок изделия; б) снижение веса детали; в) рост условного предела текучести а0,2; г) рост прочности на разрыв; д) рост величины ударной вязкости; е) уменьшение количества дефектов; ж) качество поверхности; з) себестоимость

В многочисленных зарубежных публикациях показано, что успех проектов, направленных на внедрение тиксоформирования, требует освоения на высоком уровне трех технологий: производства заготовки, пригодной для переработки, индукционного нагрева, обеспечивающего появление в материале тиксотропных свойств и освоения технологии собственно тиксоформирования. Только хорошо отработанное взаимодействие этих трех технологических процессов способно дать решение проблемы, эффективное и в технологическом, и в экономическом плане. Последовательный переход от производства требуемого материала до готовой к поставке детали следует рассматривать как системное решение современного интегрированного конкурентоспособного производства.

В отечественной практике заготовительных производств не проводилось в требуемом объеме параллельных исследований этих технологий, отсутствует начальная базовая технология, не было организовано производство специализированных заготовок (feed stock materials). До настоящего времени в теоретическом плане не была поставлена задача по обоснованию принципов формирования кристаллического строения фасонной заготовки детали (отливки, штамповки), построенных на разделении в пространстве и времени процессов затвердевания первичной а-фазы и эвтектики в широкоинтервальных сплавах. Как показал опыт последних десятилетий, только такой подход позволяет осуществить выбор оптимального алгоритма решения задачи получения сбалансированного комплекса свойств (5, ст0>2, ств, ct.j) в ответственных фасонных деталях из традиционных легких сплавов и металломатричных композитов на их основе.

Научная новизна: получение литой квазиизотропной заготовки — суспензии из алюминиевого сплава АК7 (AJI9), обладающей свойствами геля (твердое тело) до попадания в формообразующую полость и приобретающей свойства золя (вязкая жидкость) под действием сдвигов при изменении доли твердой фазы в интервале 40 — 90%.

Практическая ценность представленной работы заключается в том, что разработан оригинальный метод отдельной порции, позволяющий производить суспензию «по требованию» на любом машиностроительном предприятии, поставившем задачу освоения SSM- технологий.

Целью данной работы является исследование процесса и разработка технологий производства ответственных фасонных заготовок в машиностроении с использованием жидкометаллических суспензий с недендритной структурой твердой фазы (тиксотехнологии). Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: - разработать доступный для машиностроительного предприятия технологический процесс получения тиксозаготовки (схема, условия и режимы формирования) из сплава АК7 и композитов на его основе с 520 вес % SiC„; провести оптимизацию параметров первой стадии технологического процесса по количественным параметрам качества тиксоструктуры; определить условия (технологическое окно) термической стабилизации мерной заготовки на второй стадии процесса тиксоформирования; на модельной детали изучить реологические особенности течения (сопротивление суспензии сдвигу) и особенности микро- и макроструктуры детали, формируемой в режиме тиксофорджинга; на промышленной детали изучить возможность формирования в объеме детали волокнистой микроструктуры материала.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Куштаров, Куштар Межлумович

Общие выводы

На основе системного анализа и экспериментальных исследований всех стадий процесса тиксоформирования фасонных заготовок из сплава АК7 (AJ19) и композитов на его основе получены следующие основные результаты:

1. Исследованием условий литья порционной заготовки установлены факторы, которые могут влиять на качество тиксоструктуры материала. Показано, что литье слабоперегретого над ликвидусом сплава (10.15°С) в тонкостенную (1,5 — 2 мм) титановую обойму является достаточным условием получения недендритных форм а-А1 кристаллов и однородной мелкозернистой структуры в заготовках 065.90 мм. Измеренные механические свойства (ав=230МПа, а0)2=121МПа, 6=6%) такой заготовки, закаленной из твердожидкого состояния, без гомогенизирующей обработки и деформирования, превышают соответствующие показателям качества, устанавливаемые ГОСТ 1583-89 для данного сплава в отливках.

2. Проведена оптимизация условий получения порционной заготовки с тиксоструктурой из сплава АК7 и армированных керамическими частицами SiC композитов, содержащих 5 — 20 вес % наполнителя. Определены требования к оснастке и теплофизические условия процесса, обеспечивающие достижения к моменту начала формообразования детали требуемых параметров а-фазы в суспензии (F„ £ 1,8; С„ = 0,3 - 0,5; D„ = 80-100 мкм) во всем объеме заготовки.

Установлены: технологическое окно активного формирования зародышей в перегретом расплаве (640°С<ТР<730°С на водоохлаждаемом лотке), технологическое окно диспергирования и кавитационного воздействия на диффузионный пограничный слой зародышей в потоке жидкого металла (УЗО в металлоприемнике 630°С<ТР<640°С) и условия заполнения стакана (Тр 630°С, через ламинизирующий пенофильтр). Выводы о высоком качестве заготовки подтверждены большим объемом металлографических исследований и статистической обработкой анализируемой информации.

Разработана и экспериментально проверена малозатратная схема экологически чистого процесса получения заготовок с тиксотропной структурой, которая на данном этапе исследований может быть реализована для производства фасонных деталей массой до 7 кг на любом машиностроительном предприятии, поставившем задачу освоения как технологий тиксоформирования, так и нового реолитья. Показано, что полученная в оптимальных условиях заготовка обладает «флегматизированной» структурой и может находиться в печи сопротивления при рабочей температуре прессования суспензии без существенного ухудшения параметров а-фазы длительное время (30 - 40 минут), что в несколько раз превышает допустимую длительность 2-й стадии процессов тиксоформирования, известную из опубликованных в литературе данных.

На модельной детали «стакан» и промышленной детали «чашка пружины» автомобиля ВАЗ проведено исследование 3-й стадии процесса тиксопрессования из полученных заготовок в режиме интенсивной пластической деформации каркаса суспензии (fs > 0,7, Vn = 0,007 м/с). Установлено, что в этих условиях из заготовки с "флегматизированной" глобулярной структурой а-фазы в суспензии легко формируется фасонная деталь с волокнистой структурой а-фазы не только в местах относительного перемещения пуансона и заготовки, но и в большей части объема детали. Таким образом, не только расширено возможное технологическое окно тиксопрессования сплавов A3 5 6, A3 5 7 (AJI9), но и доказано, что технологическое окно процесса с fs > 0,7 может быть использовано не только для подпрессовки, но и для формообразования деталей.

Экспериментально установлены зоны большой пластической деформации тиксозаготовки, не предсказываемые в рамках вязкопластической модели в программе Q-form 3.0. Полученные результаты могут быть использованы как для корректировки модели течения материала заготовки в формообразующей полости, так и для разработки процессов тиксопрессования ответственных фасонных деталей в режиме интенсивных пластических деформаций а-А1 фазы, давая возможность создать в детали волокнистую (композитную) не имеющую пор структуру материала в наиболее ответственных и уязвимых для дефектов участках конструкции.

Как отмечалось выше, в промышленном варианте острая конкурентная борьба развернулась между тиксолитьем и новым реолитьем. Так специалисты литейной фирмы Shampal (Италия) по результатам промышленного опробования делают заключение в пользу нового реолитья. Их сравнение технических характеристик процессов тиксо- и нового реолитья представлено в таблице 16. Выводы таковы:

- стоимость материалов, применяемых в NRC, определяется стоимостью А1-сплавов на бирже без каких-либо дополнительных затрат на специальную подготовку, а материал может быть приобретен у многих поставщиков;

- температура суспензии при тиксолитье ограничивается условием устойчивости заготовки (типичная проблема при вертикальном нагреве); при реолитье металл заливается в стальной стакан, что позволяет иметь более высокую долю жидкой фазы; применительно к конкретной детали, - «картеру маховика» 8-ми цилиндрового двигателя, - наилучшие результаты получены при температуре заготовки 579°С + 2°С; большая масса заготовки при реолитье связана с изменением конструкции литниковой системы в сторону увеличения площади проходных сечений, что позволяет удерживать температуру металла и давление, прикладываемое к металлу, более продолжительное время; при тиксолитье аналогичная потребность вступает в противоречие с более высокой стоимостью отходов, заставляя ограничивать массу прессостатка и питателей; потери металла во время нагрева заготовки до твердожидкого состояния в вертикальной печи при тиксолитье составляют около 10% от начальной массы болванки: это явление характерно для процесса и свидетельствует о том, что нагрев осуществляется корректно; в то же время оно несет в себе два недостатка: первый связан с экономикой, второй,- с вариациями химсостава болванки, поскольку теряется металл эвтектического состава, а не состава, соответствующего исходному металлу; при реолитье потери составляют около 1%; прессформа для реолитья совершенно идентична прессформе для тиксолитья за исключением метода впрыска, горизонтального для тиксо- и вертикального для реолитья, что позволило в последнем варианте убрать две подвижные детали, которые создавали затруднения при заполнении прессформы, используемой при тиксолитье; вертикальный впрыск при реолитье уменьшает риск захвата воздуха и обеспечивает больше возможностей для контроля однородности температурного поля, однако наиболее важным достоинством NRC является возможность оставить верхнюю часть мерной порции (единственная поверхность болванки, которая контактирует с воздухом) в прессостатке благодаря переворачиванию порции металла при загрузке в пресстакан, значительно уменьшая таким образом риск попадания окислов в тело детали; при тиксолитье вся поверхность заготовки контактирует с воздухом, что приводит к образованию слоя окислов на внешней поверхности, для устранения которых используют сложные устройства;

- время цикла уменьшается на 7с при переходе на реолитье и возможна дальнейшая оптимизация: дело в том, что операция нагрева при тиксолитье достаточно продолжительна, а увеличение темпа литья требует большего числа позиций нагрева, что затруднено недостатком свободного пространства у 630 тонной машины;

- количество отходов в реолитье значительно уменьшено, что связано с исключением индукционного нагрева как наиболее сложной для контроля операции из-за многих влияющих факторов; в этом отношении процесс охлаждения, используемый в реолитье, более совершенен.

Сравнение качества заготовок, получаемых в производственных условиях методами тиксо- и реолитья, проводилось изучением микроструктуры и механических свойств отливок. Глобули а-А1 фазы в тиксолитье содержат захваченную эвтектику, аналогичная фаза в реолитье совершенно не содержит в себе эвтектики. Средний диаметр частиц а-А1 фазы в тиксолитой детали составил 85 мкм ± 10 мкм, в реолитой — 100 мкм ±10 мкм.

Уменьшение инвестиций вследствие исключения затрат на нагревающие индукционные установки, затрат на непрерывное литье, перемешивание и повторный нагрев заготовок, использование возврата в собственной литейной дают положительный эффект в сумме затрат на стоимость производства отливок высокого качества в сравнении с классическим тиксолитьем. Более короткий рабочий цикл из-за меньшей длительности затвердевания детали делает NRC-процессы более конкурентоспособными в сравнении с обычным процессом штамповки жидкого металла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Куштаров, Куштар Межлумович, 2004 год

1. Proceedings of the 4-th - 7-th 1.ternational Conferences on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites.-Sheffield, 1996.-362p; Colorado, 1998.-725p; Turin, 2000.-854p; Tsukuba, 2002.-868p.

2. Franke K. J., Koch H., Klos R. Ductility in aluminium pressure die Casting //Die Casting & Technology.- 2003.-June.- S. 83-86.

3. Kainer K.U., Sommer В., Bohm E. Sgueeze Casting-A Process for the Production of High Performance Low -Cost Parts //Proc. of the 29-th Int. Symp. Of Automotive Tech. & Autom. -Munchen, 1997.- P.65-70.

4. Flemings M. C. Behavior of Metal Alloys in the Semi-Solid State //Met. Trans.- 1991.- Vol. 22 A.-P.957-981.

5. Machine Casting of Copper Base Alloys By Thixocasting. / M.C. Flemings, K.P. Young, R.G. Riek et al. //AFS Transactions. -1976.- Vol. 76-128. -P. 169-174.

6. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки.-М.: Машиностроение, 1976.-Часть 1.-328с.; 1979.-Часть II.-335c.

7. Иванова B.C., Встовский Г.В., Семенов Б.И. Фрактальная концепцияинтеллектуальных» материалов и «интеллектуальных» технологий материалов //Технология материалов.- 2002.- №4.-С. 11-23.

8. Макаров Г.С. Формообразование сплавов в твердожидком состоянии

9. Технология легких сплавов. -1996. №4.- С. 37-45.

10. Мельников Н.А. Производство плотных термоупрочняемых отливок изалюминиевых сплавов литьем под давлением //Литейное производство.-1997.- №12.- С.15-17.

11. Alberto A. Auto: a technological challenge //Die Casting & Technology. -2003.- June.- S.58-61.

12. Giordano P., Chiarmetta G.L. Thixo and Rheocasting: comparison on a high production volume component //Proc. of 7-th Int. Conf. On Semi-Solid Proc. Of Alloys and Сотр.- Tsukuba (Japan), 2002.- P. 665-670.

13. Jourstad J.L. Semi-Solid Metal Processing: A Cost Competitive Approach for High Integrity Aluminium Components // Proc. of 6th Int. Conf. Semi-Solid Processing of Alloys and Composites. -Turin, 2000.- P. 227-233.

14. Carat M., Maenner L. Thixocasting. Widening the spectrum of alloys and applications //Hommes & Fonderie.- 1998.- November.- P. 37-49.

15. Lin Y. Q., Fan Z. Application of thermodynamic calculation to the aluminium alloy design for semi-solid metal processing //Materials Science Forum. -2002.-Vol. 396-402.- P. 717-722.

16. Development of semi-solid metal forming feedstock and finished parts. /С. Pluchon, W.R. Loue, P.Y. Menet, M. Garat //Light Matals.TMS.-№4.-1995.- P. 1233-1242.

17. Atkinson H.V., Kapranos P., Kirkwood D.H. Alloy development for thixoforming // Proc. 6th Int. Conf. Semi-Solid Processing of Alloys and Composites. -Turin, 2000.- P. 443-450.

18. Wahlen A. Modelling Processing of Aluminium Alloys in the Semi-Solid State //Materials Science Forum.- 2002.- Vol. 396-402. P. 185-190.

19. Семенов Б.И., Мельников H.A. Принципы и техпроцесс получения точных заготовок из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии //Металлургия машиностроения.- 2001.-№1.- С. 36-43.

20. Borisov V.G., Kazakov А.А. Aluminium Composite Materialis with Thixotropic Structure //Proc. 5th Int. Conf. Semi-Solid Processing of Alloys and Composites. -Colorado, 1998.- P. 539-548.

21. Борисов В.Г. Управление структурой и свойствами алюминиевых сплавов в специальных видах литья: Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук.-Санкт-Петербург, 2000.- 55 с.

22. Компьютерное моделирование процесса тиксолитья / В.М. Голод, Д.А. Луковников, К.Д. Савельев, С.В. Ермаков // ЛП.- 2001.-№10.- С. 28-30.

23. Ермакова С.В., Савельев К.Д., Голод В.М. Термодинамическое исследование равновесной кристаллизации и теплофизических свойств сплавов системы Al-Si-Mg //ЛП.- 2003.- №9, приложение. -С. 9-12.

24. Косников Г.А., Чижиков В.В., Колесов С.С. Получение заготовок из сплавов в твердожидком состоянии // ЛП. -2003 .-№11.- С. 41.

25. Открытие №271. Новая закономерность кристаллизации металлических материалов / В.И. Добаткин, А.Ф.Белов, Г.И. Эскин и др. //Вестник АН СССР.-1984.-№1.-С. 139.

26. Добаткин В.И., Эскин Г.И. Слитки с недендритной структурой для деформации в твердожидком состоянии //Цветные металлы.-1996.-№2.- С. 68-70.

27. Dobatkin V.I., Eskin G.I. Jngots of aluminium alloys with nondendritic structure produced by altrasonic treatment for deformation in the semi-solid state // Proc. 4th Int. Conf. Semi-Solid Proc. of Alloys and Composites.-Sheffield,1996.- P. 143-146.

28. Pat. US № 6.015.528. Apparatus and Process for Casting Metal Matrix Composite Materials /ALKAN. Jan. 18, 2000.

29. Nguen Then, Suery M. Compressive behaviour of partially remelted A356 alloys reinforced with SiC particles // Mater. Sci. and Techn.-1994.- V.10, Oct. -P. 894-901.

30. Brusethang S., Feikus F.J. Study on a thihotropik particulate reinforced AISi cast alloy shaped via vacuum pressure diecasting.Inter //GIFA -Kongress'94.- Dusseld, 1994.-P. 167-176.

31. Numerical simulation of semi-solid casting of automotive components /Bonollo F., Chiarmetta G., Gramegna N., Parona P. //Proc. 6th Int. Conf. Semi-Solid Processing of Alloys and Composites.- Turin (Italy), 2000.-P. 137-142.

32. Basting Investigations for optimisation of the process parameters of thixoforming / M. Modigell R. Kopp, P.R. Sahm at al. //Proc. 7th Conf. Advanced Semi-Solid Processing of Alloys and Composites.- Tsukuba (Japan), 2002.- P. 77-89.

33. Pat. US 6053997. A new integrated production concept for semi-solid processing of high quality Al-products / K.Steinhoff, G.C. Gullo, R. Kopp, P.J. Uggowitzer .1999.

34. Thixoforming of Normally Wrought Aluminium Alloys /A.V. Atkinson, P. Kapranos, D. Lin, et all. //Materials Science Forum.-Cambridge, 2002.-P. 131-136.

35. Thixoforming in mass production /R. Bologna, M. Fuchs, H. Luchinger, A. Kraly //Die Casting & Technology. 2003.-June.- S.73-78.

36. Pat. EP 841 406 Al. Method of shaping semisolid metals /М. Adachi S. Sato, Y. Harada, H. Sasakil.1998.

37. Pat. EP 931 607 Al. Method of producing semi-solid metal sturries /S. Aoyama, C. Liu, T. Sakazawa, Y. Pan. 1999.

38. Pat. EP 0745694 Al. Method and apparatus for shaping semisolid metals /М. Adachi, H. Sasaki, Y.Harada at al.1996.

39. Innovative Casting Process Clearing the Way for New Casting Possibilities «NEW RHEOCASTING». UBE INDUSTRIES. LTD. JAPAN. 1999.(рекламный проспект).

40. Atkinson H.V., Liu D. Development of High Performance AluminiumtU

41. Alloys for Tixoforming //Proc. of 7 Int. Conf. On Semi-Solid. Of Alloys and Сотр. Tsukuba (Japan), 2002.- P. 51-56.

42. Семенов Б.И., Иванова Б.И. Концепция и средства управления формированием кристаллического строения отливок в новых методах литья //Литейное производство.- 2001.- №5.- С. 20-25.

43. Das A., Fan Z. Non-dendritic Structural evolution in stirred Sn-15% Pb Alloys for Tixoforming //Proc. of 7th Int. Conf. On Semi-Solid, of Alloys and Сотр. Tsukuba (Japan), 2002.- P. 449-454.

44. Семенов Б.И. Исследование процесса формирования структуры фронта кристаллизации однофазных сплавов: Дисс. канд. техн. наук.- Москва: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1968.- 149 с.

45. Kaufmann H., Wabussek H., Uggowitzer P.J. Metallurgical and processing aspects of the NRC semi-solid casting technology //Aluminium.- 2000.-Jahrgang.- P. 70-74.

46. Kaufman H.,Wabussek H. Aspects metallurgiques et operatories de la technologie NRC de coulee semi-solide //Hommes & Fonderie.- 2000.-№303.- P. 36-40.

47. Эбелинг В., Энгель А., Файстель P. Физика процессов эволюции. Синергетический подход.- М.: УРСС, 2001.- 326 с.

48. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур.-М.: Мир, 2002.-461с.

49. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия; 2 изд.- М.: Металлургия, 1988.- 224 с.

50. АС № 130637. Способы отливки металлических деталей из жидкого металла / В.А.Петруничев, Г.Ф. Баландин //БИ.-1960.- № 15

51. A new integrated production concept for semi-solid processing of high quality Al-products. / K. Steinhoff, G.C. Gullo, R. Kopp, P.J. Uggowitzer //Proc. of 6th Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites.-Turin, 2000.-P. 121-127.

52. Kopp R., Winning G., Moller T. Thixoforging of Aluminium Alloys. Inst-for Metal Forming. RWTH-Aachen. www.Rwth-aachen.de/sfb 289.

53. Quantor Ltd., Box 39, 117049, Moscow, Russia, www.guantor.com.

54. Wahlen A. Modeling the thixotropic flow behavior of semi-solid aluminum alloys //Proc. of 6th Intern. Conf. Semi-Solid Processing of Alloys and Composites. Turin, 2000. -P.565-570.

55. Influence of ultrasonic melt processing on self-organizing processes of non-dendritic solidification of billets from Al-Si alloys for semi-solid deformation of shapes / G.I. Eskin, B.I. Semenov, V.N. Serebryany, Yu.P

56. Kirdeev //Proc. of 7-th Int. Conf. On Semi-Solid Proc. Of Alloys and Сотр. Tsukuba (Japan), 2002.- P.397-402.

57. Комбинированная обработка сплава при порционном изготовлении тиксозаготовок / Г.И. Эскин, Б.И. Семенов, В.Н. Серебряный, Ю.П. Кирдеев //Металлургия машиностроения.- 2003.-№2.- С. 41-45.

58. Семенов Б.И., Куштаров К.М. Современные тенденции совершенствования технологий заготовительных производств //Металлургия машиностроения.- 2003.-№2.- С. 29-40; 2003.-№4.- С. 26-31.

59. Семенов Б.И., Куштаров К.М. Некоторые итоги промышленного освоения технологий рео- и тиксолитья //Металлургия машиностроения. -2003.- №6.- С. 32-37; 2004.-№1.- С. 39-44.

60. Проректор по учебной работе

61. Начальник учебно. управления1. Зав. кафедрой СМ-13

62. Проректор но учебной работе11ачалышк учебного управления Заведующий кафедрой МТ-6

63. B.I I.Герди В.И.Авдеева А.М.Дмтприсв1. OauJ, о у,