Производство изделий из металла в твердожидком состоянии. Новые промышленные технологии

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 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. 

 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 специальности, 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 находится в жидком состоянии. В этом еще не так давно видели только 
достоинство и перспективность литейной технологии. В свою очередь, система обработки металлов давлением основана на способности металлов воспринимать значительную пластическую деформацию 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 единой точки зрения взглянуть на многие объекты и реологические 
явления, изучаемые в этих двух базовых технологиях заготовительных производств. 
В последние 20 лет в современной науке предпринята мощная 
попытка развить междисциплинарный подход, который называют 
теорией самоорганизации, или синергетикой. Герман Хакен, придумавший 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 металлов, является эффект тиксотропии.  
 это междисциплинарный подход, разработка которого «требует не умений, а усилий представителей различных научных дисциплин». В современных заготовительных производствах данный 
подход эффективно используется при создании стратегий принятия новых технологических решений, на которых построена переработка металлов в твердожидком (двухфазном) состоянии, объединяемая общим термином «тиксоформирование».  

От авторов 
6 

При написании учебного пособия использованы не только авторитетные 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 обстоятельством для повышения качества обучения по направлению 
150200 «Машиностроительные технологии и оборудование» Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования. Авторы выражают искреннюю благодарность 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 критические замечания, которые следует направлять по адресу: 107005, 
Москва, 2-я Бауманская, д. 5. 

Введение 

В конце ХХ и начале ХХI столетия в заготовительных производствах резко возрос интерес к технологиям, в которых формообразование 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 определенной доли твердой фазы. Главная особенность таких технологий состоит в использовании новых качеств металлов и сплавов, 
которые они способны проявлять в твердожидком состоянии и позволяют при этом осуществлять сложное формообразование за одну операцию и при пониженном удельном энергосодержании металла. 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 состоянии способны проявлять названные качества только при наличии двух главных условий: в определенном интервале изменения 
доли твердой фазы в расплаве и при определенной ее дисперсности и морфологии. Эти условия определяют структуру новых технологий, 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, морфология кристаллов и их количество в 1 см3; 
 формообразование деформированием, проводимое в режиме, 
наиболее благоприятном для проявления суспензией свойства тиксотропии. 
В рамках концепции формообразования из сплавов в двухфазном 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 технологиях. В отечественной литературе наибольшее распространение 

Введение 
8 

получили термины рео- и тиксотехнологии, рео- и тиксоформирование, а также переработка в жидкотвердом и твердожидком 
состоянии. 
Отличия традиционных и новых технологий достаточно полно 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 выше ликвидуса сплава Тл и для данного сплава составляет ~650 оС 
(рис. В1, а). Заполнение полости формы начинается и заканчивается при жидком состоянии расплава. При этом для сжатия 
захваченной расплавом формы газовых включений и компенсации 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 (тиксоштамповки) (б) 

При тиксолитье (рис. В.1, б) заполнение полости формы начинается при температуре металла ниже ликвидуса (~585 оС), т. е. 
при наличии в расплаве относительно большой доли твердой фазы. 
Давление запрессовки в несколько мегапаскалей обеспечивает ламинарный 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 дефектов 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. Технологические режимы процесса тиксолитья (рис. В.3) не выходят за пределы, реализуемые в практике традиционного литья: давление прессования не выше, чем в процессах ЛПД и жидкой штамповки, а 
скорость течения металла в литниковом ходе v, как правило, несколько выше, чем при жидкой штамповке, но много ниже, чем 
при ЛПД. Структура получаемого металла такова, что новые технологии рассматриваются как альтернатива традиционным методам формообразования. Доказано, что металлические сплавы, 
перерабатываемые в двухфазном состоянии при названных условиях, обеспечивают очень высокое качество металла, стабильность 
и однородность свойств в фасонных заготовках деталей и одновременно 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 начало 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 приоритетные позиции в заготовительных производствах. Их изучением и 
освоением занимаются как крупнейшие научные центры и университеты США, Германии, Японии, Великобритании, Франции, Италии, Китая, Южной Кореи и других стран, так и крупнейшие компании, 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 (Япония), Pechiney (Франция) и многие другие.  
Широкая проблематика этих технологий – условия формирования требуемых структур, гидродинамика, термодинамика, реология, кинетика кристаллизации, математическое и компьютерное 
моделирование, промышленное освоение – обсуждается на регулярных 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 материалов 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. Капранос (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. Бьериг-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. Семеновым и Н.А. Мельниковым7. 
Реализация технологий тиксоформирования связана с необходимостью решения ряда задач, не традиционных для теории литейных процессов и обработки металлов давлением. На рис. В.4 
показаны этапы подготовки и процессы, обеспечивающие требуемый уровень качества фасонных заготовок при традиционном литье. Они представлены в виде общепринятой в литейном производстве схемы деления процессов на три группы: а) металлургические и внепечной обработки расплава; б) формообразования и 
формирования кристаллического строения отливки и в) обработки 
отливки вне формы. Новый элемент в процессах внепечной обработки – это процесс получения порционной суспензированной металлической 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 // Технология 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 заготовки 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

Традиционные
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)