Разработка технологических основ подготовки сплавов системы Al-Si-Mg к получению отливок методом твердожидкой формовки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Колесов, Сергей Сергеевич

• Колесов, Сергей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесов, Сергей Сергеевич

Введение

1 Состояние вопроса (аналитический обзор)

1 1 Современные тиксопроцессы

1 2 Критерии оценки пригодности сплавов к тиксоформовке

1 3 Сплавы, используемые для тиксоформовки

1 4 Выводы, постановка цели и задач работы

2 Методика проведения исследований и экспериментов

2.1 Материалы, плавка и обработка сплавов в жидком состоянии

2.2 Приборы и оборудование

2.3 Выявление и оценка структуры, определение механических 31 свойств сплавов

2.4 Термодинамический анализ

2 5 Определение вязкости

3 Усовершенствование технологии подготовки сплава A357 к 35 тиксоформовке

3 1 Моделирование процесса полунепрерывного литья цилиндрических 36 слитков с МГД перемешиванием расплава в кристаллизаторе

3 2 Повышение структурной и химической однородности 53 цилиндрических слитков сплава A3 5 7 за счет одно- и двухплоскостного МГД перемешивания расплава в кристаллизаторе

3 3 Разработка технологических режимов подготовки сплава A357 к 68 тиксолитью

3 4 Реализация разработанной технологии тиксолитья в 86 производственных условиях

4. Расширение номенклатуры сплавов для твердожидкой формовки

4 1 Разработка критериев оценки пригодности сплавов для 89 твердожидкой формовки

4.1.1. Выбор и совершенствование термодинамических критериев

4.1 2. Разработка структурных критериев

4 1.3 Разработка технологических критериев

4.2 Применение деформируемых алюминиевых сплавов для 100 твердожидкой формовки

4.2.1 Обоснование применимости сплава АДЗЗ для твердожидкой 100 формовки

4.2.2 Влияния режимов полунепрерывного литья на структуру 112 сплава АДЗЗ

4.2.3 Влияние темовременной обработки в двухфазном состоянии 118 на структуру сплава АДЗЗ

4 2 4 Технологические и механические свойства сплава АДЗЗ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических основ подготовки сплавов системы Al-Si-Mg к получению отливок методом твердожидкой формовки»

Новые технологии получения фасонных отливок из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии, заняли в последнее десятилетие приоритетные позиции в заготовительном производстве зарубежных стран. В последний годы большое внимание уделяется изучению вопросов получения металлических суспензий, их реологические и технологические свойства; улучшаются характеристики продукции, получаемой этими способами; совершенствуются конструкции применяемых машин и оснастки; много внимания уделяется моделированию и математическому описанию гидродинамических и тепловых процессов формообразования в твердожидком состоянии; проектированию техпроцесса и методам контроля. Однако до сих пор существуют нерешенные вопросы, в частности, проблема химической и структурной неоднородности слитков по сечению, что приводит к браку литых заготовок по несоответствию свойств предъявляемым к ним требованиям.

Тиксотехнологии основаны на эффекте резкого снижения вязкости суспензии, в частности металлической, под влиянием сдвиговых деформаций, возникающих при формовке изделий (тиксоэффект). Тиксопроцесс по классической схеме осуществляется в три этапа: 1. получение слитка, как правило полунепрерывным литьем с МГД перемешивание расплава в кристаллизаторе, с частично вырожденной дендритной (глобуляризированной) структурой; 2. нагрев и выдержка мерной заготовки в твердожидком состоянии для получения глобулярной (вырожденной дендритной) структуры твердой фазы и необходимого соотношения твердой и жидкой фаз; 3. подача заготовки в рабочий орган формообразующего агрегата и реализация процесса твердожидкой формовки.

Разновидностью процесса твердожидкой формовки являются различные методы порционной обработки расплава в жидкотвердом состоянии для обеспечения требуемых реологических свойств суспензии как и в случае классического тиксолитья.

В настоящее время, наиболее широко применяется одноплоскостное (горизонтальное или вертикальное) МГД перемешивание. Для расширения сортамента производимых отливок, в сторону увеличения их габаритов, необходимо увеличивать габариты слитков, а это приводит к усугублению проблем структурной и химической однородности слитка при применении классических, одноплоскостных МГД перемешивателей. Данная проблема решается за счет применения двухплоскостных (комбинированных) МГД перемешивателей. Однако математические модели, описывающие тепловые и гидродинамические процессы, происходящие в расплаве, практически отсутствуют, что не позволяет обеспечивать рациональные режимы процесса литья.

Наиболее широкое применение формовка в твердожидком состоянии получила в автомобильной промышленности при использовании литейных алюминиевых сплавов типа А357(А356). Однако эти сплавы по комплексу механических и эксплуатационных свойств в ряде случаев не удовлетворяют требованиям предъявляемым к фасонным отливкам ответственного назначения Кроме того, процесс подготовки этих сплавов достаточно сложен, энергоемок и требует усовершенствования. Поэтому чрезвычайно актуальным является как упрощение процесса подготовки сплава к тиксоформовке, так и расширение номенклатуры используемых сплавов. С этой точки зрения представляют интерес сплавы, в частности деформируемые, в которых наблюдается исходная ячеистая структура твердого раствора, что, можно предполагать, сделает менее трудоемким процесс ее дальнейшей глобуляризации. Деформируемые сплавы представляют интерес также и с той точки зрения, что твердожидкая формовка практически нивелирует требования к сплавам по литейным свойствам.

В литературных источниках не удалось обнаружить универсальных критериев для отбора сплавов для тиксопроцессов формовки, что делает также актуальной задачу разработки такого универсального комплекса критериев.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Колесов, Сергей Сергеевич

Основные выводы работы:

1 Разработана математическая модель поведения расплава в кристаллизаторе в условиях различных режимов МГД перемешивания расплава и доказана высокая достоверность расчетных данных, полученных при ее использовании.

2 Предложен комплекс критериев отбора сплавов для тиксопроцессов, включающий термодинамические, структурные и технологические критерии.

3 С использованием разработанного комплекса критериев за счет деформируемых сплавов расширена их номенклатура для использования при тиксоформовке.

4 Разработаны рекомендации по использованию сплава АДЗЗ для получения фасонных отливок с использованием тиксотехнологий.

5 Подобраны технологические параметры процесса полунепрерывного литья слитков с МГД перемешиванием для сплава A357 с целью повышения их структурной и химической однородности.

6 Разработан и реализован в производственных условиях процесс подготовки заготовок и получения отливок из сплава A3 5 7 тиксолитьем с использованием имеющихся в цехе машин литья под давление и раздаточных печей.

7 Расширен сортамент слитков (до 0200 мм) из сплава A357 за счет использования двухплоскостного МГД перемешивания при расчетных режимах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесов, Сергей Сергеевич, 2007 год

1. Eisen P., Young K. Diecasting system for semiliquid and semisolid metalcasting application // Proceedings 6th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 2000. - Edimet Spa. -Turin. - pp. 41-46.

2. Kazakov A.A Alloy compositions for semisolid forming // Advanced materials & processes. 157, 3, March 2000, pp 31-34.

3. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. -M.: Металлургия, 1970. -С.ЗЗЗ.

4. Loue W.R., Brimont М., Pluchon С., Menet P., Garat V. Metallurgical aspects of thixoforming of A356.0 and A357.0 alloys // Trans. 18th Int. die casting congress and exhibition. Indianapolis. - 1995.

5. Loue W.R., Suery M. Microstructural evolution during partial remelting of Al-Si7Mg alloys // Elsever Science S.A. Materials science and engineering A. -1995.

6. Neupaver A J., Witsberger J.C. Particle shape analysis // Metals Handbook, Vol.7, 9th Edition. ASM International. - Ohio. - pp.233-245.

7. Underwood E.E. Quantitative stereololgy // Addisson-Wasley. Reading. -1970. -pp.174.

8. Gullo G., Steinhoff K., Uggowetzer P. Microstructural changes during reheating of semisolid alloy // Proceedings 6th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 2000. - Edimet Spa. -Turin. - pp. 367372.

9. Laxmanan V., Flemings M.C. Deformation of semi-solid Sn-15Pct Pb alloy// Metallurgical Transactions А/ 1980. - Vol. 11. - pp. 1927-1937.

10. D.Altenpohl, Aluminum viewed from within, 1st edition. Dusseldorf.: Aluminium-Verlag. - 1982. - p.223.

11. Тамир Самир Махмуд Абд Ал-Маджид. Прогнозирование составов сплавов для обработки в полутвердом состоянии // Материалы диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук/ 2003.

12. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы.- М.: Металлургия, 1979. С. 201.

13. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов.- М.: Металлургия, 1970. С.351.

14. Колачев Б. А. Промышленные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия, 1984. - С. 438.

15. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М. : Металлургия, 1970.-С. 147.

16. Flemings M.C. Semi-solid processing Proceedings 3 international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1994. - Colorado school of mines. - pp. 3-6.

17. Partinen J., Szekely J., Vives C. and Holappa L. Fluid Flow and Free Surface Phenomena in Rotary Electromagnetic Stirring of a Metallic Melt // ISIJ International. 1995. -Vol.35. -N3. -pp.292-301.

18. Повх И.JI., Капуста А.Б., Чекин Б.В. Магнитная гидродинамика в металлургии. -1974. М.: Металлургия. - С. 245.

19. Fang Z., Patterson K.V. Experimental investigation of particle size distribution inflience on diffusion controlled coarsening // Acta Metall. Mater. V.41. - pp. 2017-2024.

20. Mortensen A. On the influence of coarsening on microsegregation // Met. Trans. A. 1989. -V.20A. - pp. 247-253.

21. Voorhees P.W. The theory of Ostwald ripening // Jorn. Of Stat. Phys. 1985. -V.38. - pp. 231-252.

22. Seyhan I., Ratke L., Bender W. Ostwald ripening of solid-liquid Pb-Sn dispersions // Met. and Mat. Trans. A. -1996. -V.17A. -pp. 2470-2478/

23. Spencer D., Mehrabian R., Flemings M.C. Rheological behavior of Sn-15 pet. Pb in the crystallization range // Metall. Trans. 1972. -N3. - pp.1925-1932.

24. Kirkwood D. Semisolid metal processing // International Matrials Reviews. -1994. -V.39. -N.5. pp. 174-189.

25. Flemings M.C. Behavior of metal alloys in the semisolid state // Met. Trans.A. -1991.-V.22.-pp. 957-981/

26. Jabrane S. Evolution of primary particle morphology during rheocasting of Al-5.2%Si alloy // Proceedings 2nd international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1992. - Colorado school of mines. - pp. 223-236.

27. Loue W.R. Microstructure and rheology of partially remelted Al-Si alloys // Proceedings 2nd international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1992. - Colorado school of mines. - pp. 266-275.

28. Young К., Fitze R. Semi-solid metal cast aluminum automotive components // Proceedings 3rd international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1994. - Colorado school of mines. - pp. 155-177.

29. Flemings M.C., Reik R.G., Youg K.P. Rheocasting // Materials science and engineering. 1976.-N.25. - pp. 103-117.

30. Brais S., Loue W., Pluchon C. Structure control by electromagnetic stirring and reheating at semi-solid state // Proceedings 4th international conference on semisolid processing of alloys and composites. 1996. - Colorado school of mines. -pp. 60-65.

31. Loue W., Brimont M., Pluchon C. Metallurgical aspects of thixoforming of A356.0 and 357.0 alloys // Proceedings 18 international die casting conference. -1995. Indianapolis. - pp. 389-396.

32. Joly P., Mehrabian R. The rheology of a partially solid alloy // Jornal of Materials Science. 1976.-V. 11.-pp. 1393-1418.

33. McLelland A.R.A., Henderson N.G., Atkinson H.V., Kirkwood D.H. Anomalous rheological behavior of semi-solid slurries at low shear rates // Materials Science and Engineering. 1997. - V. A232. - pp. 110-118.

34. Loue W., Landkroon S., Kool W/ Rheology of partially solidified AlSi7Mg0,3 and the influence of SiC additions // Materials Science and Engineering. 1992. -V. A151.-pp. 255-262.

35. Diewwanit I., Flemings M.C. Semi-solid forming of hypereutectic Al-Si alloys // Proceedings 4th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1996. - Colorado school of mines. - pp. 30-34.

36. Loue W., Suery M. Microstructural evolution during partial remelting of Al-Si7Mg alloys // Materials Science and Engineering. 1995. - V. A203. - pp. 113.

37. Laxmanan V., Flemings M.C. Deformation of semi-solid Sn-15pstPb alloy // Metall. Trans. 1980. - V. 11 A. - pp. 1927-1937.

38. Flemings M.C. Behavior of metal alloys in semi-solid state // Metall. Trans. -1991.-V. 22A. pp. 957-981.

39. Suery M., Flemings M.C. Effect of strain rate on deformation behaviour of semisolid dendritic alloys // Met. Trans. A. 1982. - V. 13A. - pp. 1809- 1819.

40. Zavallingos A., Lawely A. Numerical simulation of thixoforming // J. of Mat. Eng. And Perf. 1995. - V.4(l). - pp. 40-47.

41. Inoue Т., Ju D. Simulation of solidification and viscoplastic stresses during semicontinuous direct chill casting of aluminum alloy // International Journal of Plasticity. 1992.-N.8.-pp. 161-193.

42. Рыжиков А. А. Теоретические основы литейного производства.- М. С.:МАШГИЗ, 1954-ЗЗОс.

43. Бидуля П. Н. //Литейное производство. -М.: Металлургиздат,- 1953-427с.

44. Бочвар А.А., Жадаева О.С. Юбилейный сборник трудов Моск. Ин-та цветных металлов, вып.9, Металлургиздат, 1976.

45. Трубицин Н.А. Литейное производство. -1962.-N 4.- С. 34-37

46. Голод В.М. и др. Интегрированная САПР литейной технологии POLYCAST литейного завода КамАЗ. //Литейное производство.- 1994.-№ 10-11.-С. 4447.

47. Голод В.М. Численный анализ литейной технологии: вчера, сегодня и завтра. //Сб. Литейное производство сегодня и завтра. СПб.: ЛенАЛ.-2000.-с. 68-72.

48. Иванов М.П. Точное литье. М.: Машгиз.-1960.

49. Ван Эгем Э., Де Си А. О механизме образования горячих трещин в стальном литье. Практический образец для изучения склонности к трещинообразованию. - М.: Машиностроение, 1969. - С. 14 - 32. - (32ой Международный конгресс литейщиков).

50. Лупрев И.И, Гуляев Б.Б. Исследование процесса образования горячих трещин в стальных отливках // Новое в теории и практике литейного производства. М.: Машгиз, 1956. - С. 117-126

51. Лясс A.M., Яо-хо Чжоу О некоторых факторах, влияющих на образование горячих трещин в сальных отливках // Литейное производство. 1958. - №3-4.-С. 19-24.

52. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1965. -431 с.

53. Оболенцев Ф.Д. Некоторые условия формирования качественной литой поверхности // Точность и качество поверхности отливок. М.: Машгиз, 1962.-С. 64-78.

54. Трубицын Н.А. Исследование влияния некоторых литейных и технологических факторов на образование горячих трещин усадочного происхождения в стальных отливках: Дис. канд. техн. наук . 1958. - 178с.

55. Трубицын Н.А., Справник В.И., Ларионов В.А. Исследование образования горячих трещин при затвердевании металла в отливках арматуры // Новое в процессах литья. Киев : Наукова Думка, 1974. - С. 158-166.

56. Гуляев Б.Б. Литейные процессы. М.: Машгиз, 1960. - 416 с.

57. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965. - 224с.

58. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Часть 2.-М.Машиностроение, 1979.-336 с.

59. Пресняков А.А. Пластичность металлических сплавов. М.: Изв. АН КССР.- 1959

60. Агеев Н.П., Каратушин С.И. Механические испытания металлов при высоких температурах и кратковременном нагружении. М.: Металлургия, 1968. - 280 с.

61. Берг П.П., Иванов П.П. О размерной точности // Точность и качество поверхности отливок / Под. ред. Оболенцева Ф.Д. М.: Машгиз, 1962.-С 2125.

62. Голод В.М. Моделирование литейной технологии: модели, проблемы, приложения. Сб. Современные металлические материалы и технологии и их использование в технике. СПб, 2001.-С. 172-175.

63. Medson S., Rudnev V., Gallic R. Semi-solid processing of aluminum alloys // Industrial Heating. 1999. - pp.37-41.

64. Dular P., Geuzaine C., Henrotte F., Legros W. A general environment for the treatment of discrete problems and its application to the finite element method // IEEE Trans. Magn. 1998. -N34(5). -pp.3395-3398.

65. Zinkiewicz О. C., Taylor R. The finite element method // McGraw-Hill. fourth edition. - 1994.

66. McLelland A. R. A., Henderson N., Atkinson H. Kirkwood D. Anomalous rheological behaviour of semisolid slurries // Materials science and engineering. -1997.-V.A232.-pp. 110-118.

67. Cross M. Rheological equations from molecular network theories // Journal of colloid science. 1965. - V.20. - pp.417-437.

68. Laxmanan V., Flemings M,C. Deformation of semisolid Sn-15%Pb alloy // Metallurgical Transactions A. 1980. - V.l 1A. - pp. 1927-1937.

69. Alexandrou A.N., Burgos G.R., Entov V. Two-phase model for processing in semisolid state // Light metals. 1998. - pp. 1081-1086.

70. Binet B. Multiphase modeling of thixocasting part I: theory // Industrial materials institute. 2000.

71. Tayoshima S. A numerical simulation of forming processes for semisolid materials // ISIJ International. 1991. -N31-6. - pp. 577-583.

72. Kiuchi M., Yanagimoto J., Yokobayashi H. A new mathematical model for deformation analysis of mushy alloy // Proc. JSTP Spring Conf. 2000. - pp. 234-243.

73. Kaufmann H., Wagusseg H., Uggowitzer P. Metallurgical and processing aspects of the NRC semisolid casting technology // Aluminium. 2000. - N76. - pp. 6975.

74. Yang Y.S., Tsao A. Thixotropic behaviour and structure evolution of A357 alloy in semisolid state // Scripta Met. Et. Materialia. 1994. - V.30. - N12. - pp. 1541-1546.

75. Ito Y., Flemings M.C., Cornie J. Rheological behaviour and microstructure of Al-6.5%Si alloy // The minerals, metals and materials society. 1991. - pp. 76-85/

76. Kapranos P., Kirkwood D., Sellar C. Semisolid forging of high temperature alloys // J. of engineering manufacture 1993. - V.207. - pp. 1-8.

77. Garat M., Blais S., Loue W. Aluminum semisolid processing: from the billet to the finished part // Proceedings 5th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1998. - pp. xvii-xxxi.

78. Bakerud L., Krol E., Tamminien J. Solidification characteristics of aluminium alloys // Wrought alloys. Scanaluminium. - 1986. - V. 1. - pp. 36-37.

79. Joly P., Mehrabian R. The rheology of a partially solid alloy // Journal of materials science. 1976. -N.l 1. - pp. 1393-1418.

80. Flemings M.C. Behavior of metal alloys in the semisolid state // Metallurgical Transactions A. 1991. - V.22A. - pp. 957-980.

81. Young K. Recent advances in semisolid metal cast aluminum and magnesium components // Proceedings 4th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1996. - pp. 229-233.

82. Kumar P., Martin C., Brown S. Shear thickening flow behavior of semisolid slurries // Metallurgical Transactions A. 1993. - V.24A. - pp. 1107-1116.

83. Lalli L. A model for deformation and segregation of solid-liquid mixture // Metallurgical Transactions A. 1985. - V.16A. - pp. 1392-1403.

84. Nguyen Т., Favier D., Suer M. Theoretical and experimental studies of the isothermal mechanical behavior of alloys in the semisolid state // International Journal of Plasticity. 1994. -N10. - pp. 693-703.

85. Zavaliangos Т., Lawley A. Numerical simulation of thixoforming // Journal of Mat. Eng. Performance. 1995. - N4. - pp. 40-47.

86. Michel J., Suquet P. The constitutive law for non-linear viscous materials // J. Mech. Phys. Solids. 1992. -N40. - pp. 783-981.

87. Harlow F., Welch J. Numerical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface // Physics of fluids. 1965. - V.8. -pp. 2182-2189.

88. Kirkwood D., Kapranos P. Semisolid processing of advanced materials // Casting Technology. 1989. - N. 12. - pp. 16-19.

89. Kattamis Т., Lalor P., Piccone T. Formation and evolution of a duplex dendritic microstructure // Microstructure design by solidification processing. A pub. Of TMS. 1992. - pp. 33-56.

90. Lee H. Structure and segregation of stir-cast aluminum alloys // Solidification technology in the foundry and cast house. The metal society, Londone. - 1980. -pp. 119-125.

91. Sannes S., Arnberg L., Flemings M.C. Rheological behavior and microstructure of Al-6.5%Si // Light metals. 1996. - pp. 795-798.

92. Kiuchi M., Sugiyama S. Application of mushy state extrusion // Journal of materials shaping technology. 1990. - N.8. - pp.39-51.

93. Suery M., Flemings M.C. Effect of strain rate on deformation behavior of semisolid dendritic alloy // Metallurgical Transactions A. 1982. - V.13A. -N.10.-pp. 1809-1819.

94. Zillgen M., Hirt G. Microstructural effects of electromagnetic stirring in continuous casting of various aluminum alloys // Proceedings 4th international conference on semi-solid processing of alloys and composites. 1996. - pp. 180186.

95. Nussbaum A. Semisolid forming of aluminum and magnesium // Light metal age. 1996. -N.6. - pp. 6-22.

96. Vives C. Elaboration of semisolid alloys by means of new electromagnetic rheocasting processes // Metallurgical Transactions B. 1992. - V.23B. - pp. 189-206.