ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ШТАМПОВКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

​STUDY OF THE TECHNOLOGICAL FEATURES OF LIQUID METAL STAMPING

Ivan Fedorov

student, Department of composite materials, The Moscow State University of Technology "STANKIN",

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В этой публикации представлено изучение процесса штамповки жидкого металла и применение расчетных методов для определения соответствующих параметров технологии.

ABSTRACT

This publication presents a study of the liquid metal stamping process and the application of computational methods to determine the corresponding parameters of the technology.

Ключевые слова: штамповка жидкого металла; структура, кристаллизация, давление, технологический процесс.

Keywords: liquid metal stamping; structure, crystallization, pressure, technological process.

Применение специальных методов воздействия на затвердевающую отливку в металлургической отрасли позволяет значительно снизить материальные и энергетические затраты, а также повысить качество получаемых поковок. Среди этих методов особое значение имеет использование давления, которое обладает разнообразными способами применения и высокой эффективностью на каждом этапе формирования литой заготовки.

Отличающаяся эффективностью, технология жидкой штамповки на основе применения давления на кристаллизующийся металл становится превосходной альтернативой традиционным методам обработки металлов под давлением в горячем состоянии и процессам литья [1, 2, 3].

Применение метода штамповки кристаллизующегося металла способствует формированию мелкозернистой структуры [4] в металле поковок, что в свою очередь приводит к улучшению физико-механических свойств изделий на 15-20% [5, 6]. Формирование данной структуры зависит от трех ключевых факторов: интенсивности теплообмена с инструментом и окружающей средой, а также величины внешнего давления. Для оценки тепловых полей контактирующих тел и определения времени этапов охлаждения поковки проводится моделирование условий теплообмена.

Расчет температуры плавления металла

Посредством использования уравнения А.И. Вейника [8], была вычислена температура плавления Т_пл металла внутри печи. Данное уравнение учитывает начальную температуру Т_зал при заливке металла в ковш и компенсирует потери тепла во время его перемещения от плавильной печи к технологической оснастке.

где a_к – коэффициент теплоотдачи от поверхности охлаждения жидкого металла;

F_к – площадь поверхности охлаждения;

t - время;

с_А, с_к – удельная теплоемкость жидкого металла и ковша;

м_А, м_к – масса жидкого металла и ковша;

Т_о.с. – температура окружающей среды.

Расчет необходимой силы деформирования для штамповки жидкого металла.

Формула для определения силы деформирования в данном случае выглядит следующим образом:

Р_ДЕФ=Р_КОР+Р_ТР+Р_ПОР

где Р_КОР – сила сопротивления деформируемой корочки;

Р_ТР – сила трения;

Р_ПОР – сила сжатия воздушно-газовой пористости.

Во время заливки перегретого жидкого металла в матрицу штампа, происходит формирование будущей поковки, которую можно сравнить с тонкостенным сосудом, состоящим из образовавшейся корки. Для успешной штамповки необходимо применить оптимальную силу деформирования (обозначим ее как Р_ДЕФ), которая создаст необходимое давление в перегретом жидком металле, преодолеет силы трения на поверхности матрицы (обозначим их как Р_ТР) и обеспечит сжатие воздушно-газовой пористости (обозначим как Р_ПОР).

где  – модуль упругости жидкого металла;

– атмосферное давление.

k – коэффициент начального количества воздуха в находящийся металле, рассчитывается по данной формуле:

где – первоначальный объем пузырьков воздуха;

 – первоначальный объем с содержанием пузырьков воздуха жидкого металла.

Согласно исследованиям других авторов, коэффициент для алюминиевых сплавов составляет примерно от 0,02 до 0,04.

Обладая информацией о силе сжатия воздушно-газовой пористости, мы имеем возможность провести расчет силы трения, действующей на поверхности матрицы:

По мере кристаллизации металла в поковке, образующаяся корка утолщается, что требует большей силы для ее деформации (силы Р_КОР). Следовательно, путем пропорционального увеличения силы деформации с ростом толщины корки, можно компенсировать эти силы.

С использованием формулы, предложенной Курнаковой Н.С. [7], возможно определить предел текучести материала при конкретной температуре.

С помощью данных, полученных из формулы (5), мы можем рассчитать требуемые силы давления для деформирования затвердевшей корки:

Расчет времени затвердевания

С использованием следующего выражения [9], можно определить количество теплоты, которое передается через поверхность поковки в матрицу и пуансон технологической оснастки за краткий промежуток времени dt:

где dS_П – элементарная площадь контакта пуансона;

dS_М – элементарная площадь контакта матрицы.

Изменение теплосодержания расплава за время dt:

где V – объем поковки;

с – удельная теплоемкость.

  Применяя метод решения теплового баланса, путем равенства уравнений (7) и (8) для очень малого промежутка времени dt, и последующего интегрирования с исключением постоянной интегрирования C при условии t=0, мы получаем следующий результат:

где b - коэффициент теплопередачи через воздушно-газовый зазор:

где l_заз – эффективный коэффициент теплопроводности вещества, заполняющего зазор;

 х_заз – толщина зазора.

Полученные результаты экспериментальных исследований

В процессе плавки алюминиевого сплава АК12 был использован графитовый тигель и муфельная печь сопротивления, мощностью 9 кВт. В качестве исходного материала использовались чушки из алюминиевого сплава. Время, необходимое для полного плавления, составляло от 1,5 до 2 часов.

Для изучения процесса штамповки кристаллизующегося металла под давлением и контроля формирования свойств поковок используется специализированный исследовательский технологический комплекс. Представленный вариант оборудования включает высокоэффективный гидравлический пресс с пресс-формой, обеспечивающий силу запирания до 300 тонн. Этот комплекс разработан для обеспечения точности и надежности процесса штамповки, а также для достижения высоких результатов при формировании кристаллизующегося металла.

Рисунок 1. Полученная поковка

Исследование микроструктуры проводилось с использованием современной системы анализа микроструктуры объектов - AXALIT, оснащенной микроскопом LEICA. Для получения детальных и точных результатов использовались объективы HI PLANT EPI с различными увеличениями, включая 5х0,12, 10х0,25, 20х0,40 и 50х0,75. Эти инструменты обеспечивают высокую четкость и разрешение при изучении микроструктуры и позволяют получить информацию о составе и качестве исследуемых объектов.

Определение микротвердости проводилось с применением современного прибора для измерения твердости - Твердомер КВ 250. Это высокоточное устройство, которое позволяет точно измерить микротвердость материала путем нанесения определенной нагрузки на поверхность и измерения размеров пластического отпечатка. Твердомер КВ 250 обладает высокой чувствительностью и точностью, что позволяет получить надежные и достоверные данные о микротвердости исследуемого материала.

Для проведения металлографического анализа и измерения микротвердости поковки было выбрано пять областей, включающих поверхностные и глубинные участки. Это позволило осуществить всестороннее и точное исследование микроструктуры материала и определить его механические свойства на разных глубинах. Анализ этих участков дал возможность получить полную картину о состоянии материала и оценить его прочностные характеристики на различных уровнях глубины.

Рисунок 2. Схема участков для исследования металлографического анализа и измерения микротвердости

Применение высокого давления оказывает положительное влияние на растворимость кремния в алюминии и приводит к ряду значимых изменений. Это обусловлено изменением положения эвтектической точки и устранением газоусадочной пористости, что приводит к перспективным результатам. Одним из основных эффектов является измельчение эвтектики и уменьшение размеров дендритов в структуре α-твердого раствора. В результате такого процесса наблюдается одновременное улучшение механических свойств материала, включая прочность на разрыв и микротвердость. Это открывает новые возможности для достижения высокой производительности и качества в различных областях применения.

Рисунок 3. Полученные результаты металлографического анализа и твердометрии

Выводы.

Анализ микроструктуры позволяет сделать важное заключение: использование высокого давления как на поверхности, так и внутри поковки привело к формированию однородной структуры. Этот подход обеспечил создание структуры, которая присутствует равномерно во всем объеме поковки, что существенно повышает качество и однородность материала. Такой результат подтверждает высокую эффективность применяемого метода формообразования и открывает новые возможности для достижения желаемых свойств и характеристик изделий.

Анализ микроструктуры позволил получить ценные экспериментальные данные микротвердости на наших образцах. В зависимости от местоположения образца внутри поковки, значения микротвердости колеблются в диапазоне от 88 до 105 HV. Эти значения превышают установленные нормы, установленные ГОСТом, что свидетельствует о высокой твердости и прочности нашего материала. Полученные результаты подтверждают успешность нашего процесса и обеспечивают уверенность в высоком качестве и надежности наших изделий.

Список литературы:

1. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья. — М: Машгиз, 1960. — 436 с.
2. Баландин Г. Ф. Теория формирования отливки: Основы тепловой теории. Затвердевание и охлаждение отливки. — М: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. — 360 с.
3. Батышев А. И., Батышев К. А., Смолькин А. А., Безпалько В. И. Заготовки поршней, изготавливаемые литьем с кристаллизацией под давлением // Известия МГТУ «МАМИ». Т. 2. № 1 (19). 2014. С. 50–52.
4. Liqun H., Zhiyuan X., Sumei Li, Yunbo F., Jinhua W., Sha Nie. Microstructure and mechanical properties of castings of aluminum alloys after liquid stamping // Spec. Cast. And Nonferrous Alloys. 2013. Vol. 33. Iss. 11. P. 1021– 1023.
5. Койдан И. М., Журавлев А. С. Современные технологии изготовления заготовок поршней для форсированного дизельного двигателя из поршневых алюминиевых сплавов методами тиксоформования // Литье и металлургия. 2013. № 3 (72). С. 43–45.
6. Yong P., Shuncheng W., Kaihong Zh., Wenjun Qi, Hexing Ch., Haitao Zh. Influence of the pressing time during the liquid stamping of the deformable aluminum alloy 6061 on its mechanical properties // Spec. Cast. And Nonferrous Alloys. 2013. Vol. 33, №. 12. P. 1152–1157.
7. Савицкий Е.М. Влияние температуры на механические свойства металлов и сплавов. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 232 с.
8. Вейник А. И. Тепловые основы теории литья. — М: Машгиз, 1960. — 436 с.
9. Сосенушкин Е. Н., Французова Л. С., Яновская Е. А., Кинжаев Т. А. Моделирование и освоение технологии штамповки кристаллизующегося металла // Металлург. 2018. № 3. С. 25–29.