Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Производство изделий из металла в твердожидком состоянии. Новые промышленные технологии

Покупка
Артикул: 148307.02.99
Доступ онлайн
1 200 ₽
В корзину
Представлены сведения по исследованию и практическому применению технологий формообразования из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии. Изложены принципы изготовления металлических суспензий с недендритной морфологией твердой фазы. Описаны технологические свойства таких суспензий, характеристики сплавов и продукции, получаемой различными способами тиксоформирования, конструктивные особенности машин и оснастки, пригодной для переработки сплавов в твердожидком состоянии. Раскрыты основы математического описания и моделирования процессов переработки металлических материалов в двухфазном состоянии. Для преподавателей, студентов и аспирантов технических вузов; может быть использован конструкторами и технологами при подготовке производства деталей в машиностроении.
Семенов, Б. И. Производство изделий из металла в твердожидком состоянии. Новые промышленные технологии : учебное пособие / Б. И. Семенов, К. М. Куштаров. - Москва : МГТУ им. Баумана, 2010. - 232 с. - ISBN 978-5-7038-3377-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1955971 (дата обращения: 25.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

УДК 62–403/–405:669 
ББК 34.5 
        С302 

Издано при финансовой поддержке выпускников кафедры  
«Литейные технологии» МГТУ им. Н.Э. Баумана 1988 г.  
С.А. Ефремова, О.Е. Краснова, Н.И. Музыченко, Д.Г. Разомасова 

Р е ц е н з е н т ы: 

д-р техн. наук, проф. кафедры «Системы пластического  
деформирования» МГТУ «Станкин» А.Э. Артес,  
зав. кафедрой «Литейные технологии»  
МГТУ им. Н.Э. Баумана, канд. техн. наук, доцент А.М. Зарубин 

Семенов Б.И. 
С302 
  Производство изделий из металла в твердожидком состоя- 
нии. Новые промышленные технологии : учеб. пособие / 
Б.И. Семенов, К.М. Куштаров. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2010. – 223, [1] с. : ил., цв. вкл. 8 с. 

ISBN 978-5-7038-3377-3 

Представлены сведения по исследованию и практическому применению 
технологий формообразования из сплавов, находящихся в 
твердожидком состоянии. Изложены принципы изготовления металлических 
суспензий с недендритной морфологией твердой фазы. Описаны 
технологические свойства таких суспензий, характеристики 
сплавов и продукции, получаемой различными способами тиксофор-
мирования, конструктивные особенности машин и оснастки, пригодной 
для переработки сплавов в твердожидком состоянии. Раскрыты 
основы математического описания и моделирования процессов переработки 
металлических материалов в двухфазном состоянии. 
Для преподавателей, студентов и аспирантов технических вузов; 
может быть использован конструкторами и технологами при 
подготовке производства деталей в машиностроении. 

 УДК 62–403/–405:669 
                                                                                         ББК 34.5 

 
© Семенов Б.И., Куштаров К.М., 2010 
 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3377-3 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

Оглавление 

От авторов .................................................................................................... 5 
Введение ...................................................................................................... 7 
Г л а в а  1. Технологическая парадигма новой организации  
заготовительных производств ................................................................ 22 
1.1. Управление формированием кристаллического строения ........ 22 
1.2. Эффективность новых технологий .............................................. 27 
1.3. Потенциал промышленных сплавов в новых технологиях  
формообразования ................................................................................ 32 
Г л а в а  2. Основы процессов формообразования  
двухфазных сред ........................................................................................ 39 
2.1. Морфология первичной α-фазы и принципы  
формирования рео- и тиксоструктуры ............................................... 39 
2.2. Выбор сплава, состав суспензии, теплофизические  
характеристики среды .......................................................................... 53 
2.3. К вопросу о реологии двухфазных (твердожидких)  
металлов ................................................................................................ 60 
2.4. Моделирование течения в форме и технологическое  
окно процесса тиксоформирования .................................................... 84 
2.5. Течение сред с высокой долей твердой фазы,  
микро- и макроструктура штамповок ................................................. 90 
Г л а в а  3. Используемые сплавы и общие требования к структуре  
тиксозаготовки .......................................................................................... 99 
3.1. Сплавы, используемые в SSM-технологиях ............................... 99 
3.2. Общие требования к макро- и микроструктуре  
тиксозаготовки ......................................................................................103 
3.3. Особенности промышленных методов получения  
тиксозаготовок у специализированного поставщика ........................112 
3.3.1. Процессы полунепрерывного вертикального  
литья тиксозаготовок с перемешиванием ...................................112 
3.3.2. Процессы полунепрерывного горизонтального 
литья тиксозаготовок с перемешиванием ...................................116 
Г л а в а  4. Технология повторного нагрева и транспортировка  
горячих суспензированных заготовок ..................................................120 
Г л а в а  5. Методы производства суспензий непосредственно 
на машиностроительном предприятии .................................................131 
5.1. Процессы реолитья, реоштамповки и реопрокатки ...................132 

Оглавление 
4 

5.2. Процесс «нового реолитья» и его разновидности ......................153 
Г л а в а  6. Формообразование: особенности процесса и применяемое  
оборудование ..............................................................................................162 
6.1. Тиксолитье и тиксоштамповка .....................................................162 
6.2. Процессы тиксо- и реомолдинга ..................................................177 
6.3. Сравнение технико-экономических характеристик процессов  
тиксоштамповки, тиксолитья и «нового реолитья» ..........................180 
Г л а в а  7. Схема разработки нового технологического процесса 
и пример его реализации на машиностроительном 
предприятии ...............................................................................................186 
7.1. Выбор конструкции и материалов облегченного тормозного  
диска массового автомобиля ...............................................................186 
7.2. Выбор схемы процесса и конструирование оснастки ................190 
7.3. Моделирование процесса и оптимизация условий 
тиксоштамповки ...................................................................................197 
7.4. Экспериментальная проверка результатов моделирования ......203 
7.5. Химический анализ материала и дефектоскопия  
штамповок .............................................................................................208 
7.6. Исследование качества металла и свойств фасонных  
штамповок .............................................................................................211 
Заключение ..................................................................................................219 
Литература ...................................................................................................223 

От авторов 

Литейное производство и обработка металлов давлением – два 
давно сложившихся способа производства заготовок и две специ-
альности, которые до настоящего времени в значительной степени 
развивались независимо друг от друга. Традиционное литье – 
единственное производство заготовок деталей, формообразование 
которых осуществляется тогда, когда материал заготовки находит-
ся в жидком состоянии. В этом еще не так давно видели только 
достоинство и перспективность литейной технологии. В свою оче-
редь, система обработки металлов давлением основана на способ-
ности металлов воспринимать значительную пластическую де-
формацию в горячем и холодном состоянии. При этом изменение 
формы тела осуществляется в основном с помощью давящего на 
металл инструмента. Взаимопроникновение методов названных 
производств привело к тому, что возникла необходимость с еди-
ной точки зрения взглянуть на многие объекты и реологические 
явления, изучаемые в этих двух базовых технологиях заготови-
тельных производств. 
В последние 20 лет в современной науке предпринята мощная 
попытка развить междисциплинарный подход, который называют 
теорией самоорганизации, или синергетикой. Герман Хакен, при-
думавший слово «синергетика», вкладывал в него два смысла, а 
именно:  
 это теория возникновения новых качеств у сложных систем, 
которыми не обладает ни одна из их частей. В рассматриваемых 
нами системах таким новым качеством, ранее не известным у ме-
таллов, является эффект тиксотропии.  
 это междисциплинарный подход, разработка которого «тре-
бует не умений, а усилий представителей различных научных дис-
циплин». В современных заготовительных производствах данный 
подход эффективно используется при создании стратегий приня-
тия новых технологических решений, на которых построена пере-
работка металлов в твердожидком (двухфазном) состоянии, объ-
единяемая общим термином «тиксоформирование».  

От авторов 
6 

При написании учебного пособия использованы не только ав-
торитетные литературные источники, но и личный опыт авторов. 
Отсутствие в нашей стране достаточного количества информации 
о мировом опыте использования тиксотехнологий и какого-либо 
учебного пособия для студентов является сдерживающим обстоя-
тельством для повышения качества обучения по направлению 
150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» Го-
сударственного образовательного стандарта высшего профессио-
нального образования. Авторы выражают искреннюю благодар-
ность за прочтение рукописи, полезные замечания и ценные  
советы, улучшившие содержание учебного пособия, рецензенту 
д-ру техн. наук, профессору А.Э. Артесу, д-ру техн. наук  
С.Б. Масленкову и канд. техн. наук И.Н. Вольнову, а также  
Н.А. Джиндо и А.П. Корневичу за техническую помощь при 
подготовке рукописи. 
Авторам сложно судить, насколько хорошо написано учебное 
пособие, поэтому они будут признательны читателям за критиче-
ские замечания, которые следует направлять по адресу: 107005, 
Москва, 2-я Бауманская, д. 5. 

Введение 

В конце ХХ и начале ХХI столетия в заготовительных произ-
водствах резко возрос интерес к технологиям, в которых формооб-
разование осуществляется из сплавов, находящихся не в жидком 
(как при литье) или твердом (как при штамповке) состоянии, а в 
двухфазном состоянии при обязательном наличии в расплаве оп-
ределенной доли твердой фазы. Главная особенность таких техно-
логий состоит в использовании новых качеств металлов и сплавов, 
которые они способны проявлять в твердожидком состоянии и по-
зволяют при этом осуществлять сложное формообразование за од-
ну операцию и при пониженном удельном энергосодержании ме-
талла. Такими новыми качествами являются тиксотропность и 
псевдосверхпластичность, хорошо известные в реологии, но до 
недавнего времени не используемые в технологиях переработки 
металлов и сплавов. Металлические расплавы в твердожидком со-
стоянии способны проявлять названные качества только при нали-
чии двух главных условий: в определенном интервале изменения 
доли твердой фазы в расплаве и при определенной ее дисперсно-
сти и морфологии. Эти условия определяют структуру новых тех-
нологий, которая включает следующие обязательные этапы:  
 приготовление из первоначально твердого или жидкого 
сплава порции металлической суспензии путем осуществления 
незавершенного (прерываемого) фазового перехода. В суспензии 
строго регламентируются объемная доля твердой фазы, морфоло-
гия кристаллов и их количество в 1 см3; 
 формообразование деформированием, проводимое в режиме, 
наиболее благоприятном для проявления суспензией свойства тик-
сотропии. 
В рамках концепции формообразования из сплавов в двух-
фазном состоянии разработаны и используются разнообразные 
технологии, которые в иностранной литературе обозначаются 
аббревиатурой SSP (Semi-solid Processing), а SSM (Semi-solid 
Metal) – соответственно сплавы, применяемые в этих технологи-
ях. В отечественной литературе наибольшее распространение 

Введение 
8 

получили термины рео- и тиксотехнологии, рео- и тиксоформи-
рование, а также переработка в жидкотвердом и твердожидком 
состоянии. 
Отличия традиционных и новых технологий достаточно пол-
но отражены в схемах и условиях литья сплава А357 (АЛ9-1), 
показанных на рис. В1. В технологическом процессе литья под 
давлением (ЛПД) начальная температура заливки Тзал всегда вы-
ше ликвидуса сплава Тл и для данного сплава составляет ~650 оС 
(рис. В1, а). Заполнение полости формы начинается и заканчи-
вается при жидком состоянии расплава. При этом для сжатия 
захваченной расплавом формы газовых включений и компенса-
ции его усадки сразу по окончании процесса заполнения или 
после охлаждения сплава до температуры ~580 оС и до полного 
затвердевания сплава выполняют подпрессовку при давлении, 
достигающем 500 МПа и более. 

Рис. В.1. Схемы традиционного процесса ЛПД (а); тиксолитья (тиксо-
штамповки) (б) 

При тиксолитье (рис. В.1, б) заполнение полости формы начи-
нается при температуре металла ниже ликвидуса (~585 оС), т. е. 
при наличии в расплаве относительно большой доли твердой фазы. 
Давление запрессовки в несколько мегапаскалей обеспечивает ла-
минарный режим заполнения формы, в процессе которого расплав 
теряет ~15 оС, а давление запрессовки увеличивается до ~40 МПа. 
По окончании заполнения и до полного затвердевания расплава 
давление подпрессовки поднимают до 100…200 МПа, что гаран-

Введение 
9 

тирует практически полное отсутствие газов и усадочных дефек-
тов в отливке (рис. В.2, а). 
Новые процессы осуществляют на современных машинах ЛПД 
с контролируемой скоростью впрыска металла в форму (серия SC) 
или специализированных гидравлических прессах. Технологиче-
ские режимы процесса тиксолитья (рис. В.3) не выходят за преде-
лы, реализуемые в практике традиционного литья: давление прес-
сования не выше, чем в процессах ЛПД и жидкой штамповки, а 
скорость течения металла в литниковом ходе v, как правило, не-
сколько выше, чем при жидкой штамповке, но много ниже, чем 
при ЛПД. Структура получаемого металла такова, что новые тех-
нологии рассматриваются как альтернатива традиционным ме-
тодам формообразования. Доказано, что металлические сплавы, 
перерабатываемые в двухфазном состоянии при названных усло-
виях, обеспечивают очень высокое качество металла, стабильность 
и однородность свойств в фасонных заготовках деталей и одно-
временно высокую технологичность.  

Рис. В.2. Режим прессования при тиксолитье (а) и кристаллическое 
строение отливки в зоне подпрессовки (б)1: 

1 – вторая стадия прессования; 2 – завершение первой стадии прессования и на-
чало подпрессовки; 3 – начало заполнения формы 

_________________ 
1 Nakamura Т. et al. Thixocasting process of an alloy material. US Patent 2000.  
№ 6,053,997. 

Введение 
10

Рис. В.3. Используемые значения параметров в традиционных процессах, 
при тиксолитье и тиксопрессовании 

Технологии формообразования точных заготовок из сплавов в 
твердожидком состоянии заняли в последнее десятилетие приори-
тетные позиции в заготовительных производствах. Их изучением и 
освоением занимаются как крупнейшие научные центры и универ-
ситеты США, Германии, Японии, Великобритании, Франции, Ита-
лии, Китая, Южной Кореи и других стран, так и крупнейшие ком-
пании, занятые в массовом производстве, – Alcoa (США), Alcan 
(Канада), Italpress и Stampal S.p.А. (Италия), EFU (Германия), SAG 
(Австрия), Buhler и Aliusuisse (Швейцария), UBE Industries (Япо-
ния), Pechiney (Франция) и многие другие.  
Широкая проблематика этих технологий – условия формиро-
вания требуемых структур, гидродинамика, термодинамика, рео-
логия, кинетика кристаллизации, математическое и компьютерное 
моделирование, промышленное освоение – обсуждается на регу-
лярных специализированных международных конференциях по 
переработке металлов и композитов в твердожидком состоянии1. 
Организаторы конференций и редакторы сборников статей – это 
известные ученые и ведущие специалисты в области новых мате-
риалов и технологий: Ж. Колло и М. Сьюри (Франция), С. Браун и 
_________________ 
1 Proc. of the 1-st Int. Conf. on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites. 
France, 1990; Proc. of the 2-nd Int. USA, 1992; Proc. of the 3-rd Int. Japan, 1994; Proc. 
of the 4-th Int. UK, 1996; Proc. of the 5-th Int. USA, 1998; Proc. of the 6-th Int. Italy, 
2000; Proc. of the 7-th Int. Japan, 2002; Proc. of the 8-th Int. Cyprus, 2004; Proc. of the 
9-th Int. Korea, 2006; Proc. of the 10-th Int. Germany and Belgium, 2008. 

Введение 
11

М. Флемингс (США), М. Киучи (Япония), Д. Кирквуд и П. Капра-
нос (Великобритания), А. Басин, Ж. Мур, К. Янг и С. Мидсон 
(США), Г. Чиарметта и М. Россо (Италия), Ю. Тсутсу, М. Киучи и 
К. Ишикава (Япония), А. Александров и Д. Апельян (Кипр),  
Ч.Ж. Канг, С.К. Ким и С.Ю. Ли (Корея), Г. Хирт, А. Рассили, А. Бье-
риг-Полачек (Германия). Первыми российскими специалистами, 
принявшими участие в этих конференциях, стали В.И. Добаткин и 
Г.И. Эскин1 (ВИЛС). 
Развитие нового направления в технологиях заготовительных 
производств связывают с исследованиями, начатыми в 1970-х годах 
в Массачусетсском технологическом институте (MIT, США) под 
руководством проф. М. Флемингса2. Фундаментальные обзоры по 
различным аспектам проблемы опубликованы М. Флемингсом3,  
З. Фаном4 и Е. Аткинсоном5. В нашей стране первые обзоры работ 
по тиксоформированию опубликованы Г.С. Макаровым6, Б.И. Се-
меновым и Н.А. Мельниковым7. 
Реализация технологий тиксоформирования связана с необхо-
димостью решения ряда задач, не традиционных для теории ли-
тейных процессов и обработки металлов давлением. На рис. В.4 
показаны этапы подготовки и процессы, обеспечивающие требуе-
мый уровень качества фасонных заготовок при традиционном ли-
тье. Они представлены в виде общепринятой в литейном произ-
водстве схемы деления процессов на три группы: а) металлургиче-
ские и внепечной обработки расплава; б) формообразования и 
формирования кристаллического строения отливки и в) обработки 
отливки вне формы. Новый элемент в процессах внепечной обра-
ботки – это процесс получения порционной суспензированной ме-
таллической заготовки с заданной морфологией и долей твердой  
α-фазы, называемой обычно тиксозаготовкой.  
_________________ 
1 Dobatkin V.I., Eskin G.I. Proc. of the 4-th Int., P. 193–196. 
2 Spencer D.B., Mehrabian R., Flemings M.C. Rheological Behavior of Sn-15% Pb 
in the Crystallization Range // Met. Trans. 1972. Vol. 3. P. 1925–1932; Mehrabian R., 
Flemings M.C. Die Casting of Partially Solidified Alloys // AFS Transactions. 1972. 
Vol. 80. P. 173–182. 
3 Flemings M.C. Behavior of Metal Alloys in the Semisolid State // Met. Trans. 
1991. Vol. 22 A.P. 957–981. 
4 Fan Z. Semisolid Metal Processing // Int. Mater. Rev. 2002. Р. 47, 49–85. 
5 Atkinson H.V. Modelling the semisolid processing of metallic alloys // Progress in 
Materials Science 50. 2005. P. 341–412. 
6 Макаров Г.С. Формообразование сплавов в твердожидком состоянии // Тех-
нология легких сплавов. 1996. № 5. С. 37–45. 
7 Семенов Б.И., Мельников Н.А. Принципы и техпроцессы получения точных 
заготовок из сплавов, находящихся в твердожидком состоянии // Металлургия 
машиностроения. 2001. № 1. С. 36–43. 

Введение 
12

Рис. В4. Этапы и процессы, обеспечивающие получение фасонной заго-
товки детали с заданным качеством (выделены процессы, относящиеся  
к тиксотехнологиям)1 

_________________ 
1 Здесь и далее см. список основных сокращений и условных обозначений. 

Металлургические
процессы
и процессы внепечной
обработки расплава

Вакуумирование
и рафинирование
Горячее
изостатическое
прессование

Стандартизованная
термическая
обработка

Термоциклирование

Термомеханическая
обработка

Высокотемпературная
термическая
обработка

Модифицирование

Фильтрация
при заливке

Введение
микрохолодильников
в струю металла
при заливке

Вибрирование
заливочного
устройства
или литейной формы

Плавка

Процессы обработки
фасонной
заготовки вне формы

Процессы,
обеспечивающие
появление эвтектических
составляющих
с контролируемыми
морфологическими
параметрами
и распределением

Процессы

и формирования

фасонной заготовки

формообразования

кристаллического строения

В литейной
форме

Новые
технологии

Традицион-
ные
технологии

Интенсивное пластическое
деформирование на стадии
кристаллизации
эвтектических фаз

Придание требуемой
геометрической формы
и формирование
кристаллического
макростроения тела
фасонной заготовки,
наследующего
морфологические формы
и структуру суспензии

Локальная
фрикционная
перемешивающая
обработка

NRC, MIT, G P,
SEED, Cooling Slope
и другие процессы

R

1

Вне
формы
литейной

Процессы, обеспечивающие
кристаллизацию порции
металла с контролируемыми
морфологическими
параметрами
-Al фазы
(фирмы Pechiney, Ormet, SAG)

-

Доступ онлайн
1 200 ₽
В корзину