Способ штамповки жидкого металла

 

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано для литья металлов, в том числе тугоплавких и химически активных. Сущность изобретения: способ включает получение расплава, перемещение его в штамп и последующее воздействие на него повышенного давления. Во время перемещения расплава в штамп его охлаждают до температуры, при которой время фазового перехода стремится к нулю, а давление получают за счет соударения расплава со штампом, после соударения на расплав при необходимости воздействуют дополнительными импульсами давления. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для литья любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные. Наиболее близким техническим решением является способ литья с кристаллизацией под давлением, при котором давление используется как фактор эффективного воздействия на затвердевание и протекающие при этом процессы - усадку, газовыделение, трещинообразование, ликвацию, включающий приготовление расплава в отдельной плавильной камере, перемещение расплава из плавильной камеры с помощью разливного устройства в штамп с последующим его прессованием с помощью поршня или пуансона.

Методы литья с кристаллизацией под давлением обеспечивают высокую плотность отливок, близкую к плотности деформируемых заготовок, и достаточно однородную структуру.

Данный способ нашел применение для изготовления фланцев, шестерен, поршней, блоков цилиндров, вставок штампов и пресс-форм.

Целью изобретения является повышение эффективности использования и расширения технических возможностей за счет получения изделий особо сложной формы из любых металлов, включая тугоплавкие и химически активные, а также композиционных изделий типа металл-неметалл.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе штамповки жидкого металла, включающем перевод деформируемой заготовки металла в жидкую фазу, перемещение его в штамп с последующим воздействием на него повышенного давления, отличающийся тем, что во время перемещения расплава в штамп его охлаждают до температуры, при которой время фазового перехода стремится к нулю, а давление получают за счет соударения расплава со штампом. А кроме того, после соударения расплава со штампом на расплав воздействуют дополнительными импульсами давления.

Предложенный способ реализует установка, представленная на фиг. 1; на фиг. 2 приведена зависимость изменения объема V вещества под действием давления P с фазовыми превращениями во времени t; на фиг. 3 приведены схемы кривых охлаждения чистого металла в зависимости от скорости охлаждения, показывающие зависимость времени t перехода металла из одной фазы в другую от температуры переохлаждения T.

Установка включает камеру плавления 1, в которой размещена переплавляемая металлическая заготовка 2, при нагревании которой образуется ванна расплава 3, по достижении расплава 3 нижней части заготовки 2 на него воздействуют давлением (газовое давление, магнитное поле, взрыв, механический удар и т.п.) для перемещения его по трубопроводу 4, где он переохлаждается до требуемой температуры и попадает в штамп 5, где обрабатывается повышенным давлением.

Схематическое изображение способа жидкой штамповки представлено на фиг. 2 кривой Гюгонио и изонтропе разгрузки, где показана зависимость изменения объема V вещества под действием давления P с фазовыми превращениями. Осуществляемый процесс идет согласно кривой 0-1-2-3-4: переохлажденный при давлении P₀ до объема V₁ (V_P → V₁) на участке 0 - 1, далее при незначительном увеличении давления от P₁ до P₂ идет формирование кристалла при значительном уменьшении объема (V₂ << V₁) на отрезке 1 - 2 за счет перехода жидкой фазы в твердую, отрезок 2 - 3 соответствует дальнейшему сжатию уже сформированной кристаллической структуры металла, причем при значительном увеличении давления с P₂ до P₃ идет незначительное уменьшение объема металла (V₂ → V₃), так как здесь осуществляется процесс ОМД, отрезок 3 - 4 показывает, что фазового обратного перехода не происходит и поэтому конечный объем металла V_k в данном случае меньше, чем первоначальный объем расплава V_p, т.к. тепловой режим процесса подбирался таким образом, чтобы тепловая энергия Q_kp, способствующая переводу твердой фазы металла в расплав, перед обработкой давлением была рассеяна в пространство.

Если же металл не переохлаждать, то процесс пойдет согласно участку кривой 3 - 5, при этом вновь расплавляемый металл за счет давления получает дополнительную энергию, что повышает его температуру и тем самым увеличивает объем (V₄>V_p). Из приведенной на графике шкалы времени фиг. 2 видно, что образование u рост кристалла на участке 1 - 2 происходит за время кристаллизации t_кр = t₁ - t₂ в несколько раз меньше, чем t_сж = t_о - t_к воздействия ударной волны, поэтому образуемый кристалл имеет очень мелкую структуру.

Для того чтобы металл перешел в твердую фазу от воздействия на него давления и не перешел в расплав после снятия этого давления требуется, чтобы количество теплоты Q_P, потерянное металлом за время транспортирования его в штамп и нахождения в штампе в процессе его сжатия и окончательного заполнения полостей штампа, превышало количество теплоты Q_кр, выделенное металлом за время его кристаллизации.

Известно, что процесс кристаллизации развивается, если температура металла T_к ниже температуры плавления T_S на величину δT , называемую степенью переохлаждения системы, на которую оказывает влияние скорость охлаждения ν^ox (фиг. 3).

С увеличением скорости ( ν^o₃^x > ν^o₂^x > ν^o₁^x ) охлаждения степень переохлаждения системы (δT₃ > δT₂ > δT₁ ) также увеличивается, но при этом время фазового перехода от жидкого металла к твердому уменьшается ( δt₃ < δt₂ < δt₁ ). Поэтому можно подобрать такую степень переохлаждения δT металла, когда время фазового перехода δt будет стремиться к нулю. Участки δt кривой на фиг. 2 показывают время компенсации скрытой теплоты кристаллизации Q_кр теплотой Q_p, рассеиваемой в пространство, но если перед началом кристаллизации теплота рассеяния в пространство сравнялась по величине с теплотой кристаллизации Q_p = Q_кр, то δt → 0 . Из этого условия можно рассчитать степень переохлаждения расплава δT , по достижении которой время кристаллизации будет стремиться к нулю Q_p = C·m· δT , Q_кр = m·q_к, δT = q_к/c, где c - удельная теплоемкость металла; m - масса кристаллизуемого металла; q_к - удельная теплота кристаллизации металла.

Так например, для Ti температура переохлаждения δT , при которой время кристаллизации δT → 0 , составляет δT = q_к/с = (392 кДж/кг)/(0,53 кДж/(кг·^oC)) = 739^oC.

Причем согласно теории аморфизации чистых металлов чистый титан способен переохлаждаться до температуры T_К, равной 0,25 T_S, при достаточно высокой (10^8oC/с) скорости охлаждения, т.е. δT может достигать 1252^oC.

Количество теплоты рассеяния Q_p, теряемое жидкой фазой металла, вычисляется по формуле Q_p = A·q_T·t, где A - площадь поверхности охлаждаемой подложки, соприкасающейся с расплавом металла, м²;
q_T - удельный тепловой поток, Bт/м;
δt - время соприкосновения жидкой фазы металла и подложки, с.

δt = α·T_ω
где α - коэффициент контактной теплопередачи;
T_ω - разность температур между расплавом и подложкой.

Другим важнейшим параметром, определяющим возможность реализации процесса жидкой штамповки, влияющим на фазовые превращения в металлах, является давление.

Известно, что высокие (более 1000 МПа) давления значительно (до 25%) уменьшают объем расплава, причем одновременно происходит увеличение температуры плавления, т.е. затвердевают. Повышение температуры затвердевания с увеличением давления наблюдается у тех металлов, которые в твердом состоянии занимают меньший объем, чем в жидком. Для перевода жидкого металла в твердое состояние требуется воздействие на расплав давления такой величины P, которое сжимает расплав до плотности ζ , соответствующей твердофазному состоянию около температуры плавления T_S.

Так например, для перевода расплавленного Ti в твердую фазу вблизи его температуры плавления необходимо сжатие на ζ = 1%.

Требуемую величину сжатия расплава можно определить согласно теории сжатия ударными волнами
ζ = (ν_в/C_o)·100% ,
где ν_в - скорость сжатия вещества;
C₀ - скорость распространения продольной волны в веществе.

Отсюда можно рассчитать требуемую скорость столкновения расплава со стенками полостей штампа
ν_в = ζ·C_o/100% .
Так например, для перевода расплава Ti, находящегося при температуре плавления T_S, в твердое состояние необходимо сжать металл за счет соударения расплава и штампа со скоростью ν_в = 27 м/с, что подтвердилось в проведенных нами экспериментах на опытно-промышленной установке. На опытно-промышленной установке осуществлено плакирование тонким (толщина 1 мм) слоем Ti сопла ракетного двигателя, выполненного из углерода (композиционный материал "углерод-углерод"), что подтвердило возможность использования процесса жидкой штамповки для получения изделий из сплавов и смесей металлов и неметаллов.

Время сжатия тела ударным давлением составляет
δt_c = 2l/C_o,
где l - длина тела.

При l = 0,5 м для Ti имеем δt_c = 7,4·10^-4c.
Из приведенного примера следует, что время приложения давления P к расплаву столь короткое, что успевают сформироваться кристаллы очень малых размеров, не остается времени для роста и поэтому не образуется дендритная структура. Более того, межкристаллическое пространство, образуемое за счет уменьшения объема металла при переходе его в кристалл, непрерывно заполняется путем принудительного сжатия вновь образующихся кристаллов относительно друг друга под воздействием того же высокого давления, тем самым имеется возможность уменьшения межкристаллической пустотности, т.к. затрудняется образование дислокаций по сравнению с обычными условиями затвердевания расплава.

В работе представлена укрупненно-приближенная методика расчета режимов для жидкой штамповки. Рассчитанные по ней основные параметры для проведения процесса жидкой штамповки для некоторых металлов приведены в таблице.

Установка позволяет осуществить способ штамповки жидкого металла со следующими преимуществами: в отличие от прототипа получение готовой детали происходит с внутренней кристаллической структурой одних и тех же параметров по всему сечению изделия.

Из приведенной схемы данного процесса следует, что время приложения давления к расплаву в штампе столь короткое, что успевают сформироваться кристаллы очень малых размеров, не остается времени для их роста и поэтому не образуется крупнозернистая структура. Более того, межкристаллическое пространство, образуемое за счет уменьшения объема металла при переходе его в кристалл, непрерывно заполняется путем принудительного сжатия вновь образующихся кристаллов относительно друг друга под воздействием того же высокого давления, а предварительное переохлаждение расплава позволяет сохранить получаемую межкристаллическую структуру по всему объему изделия, что достичь по схеме прототипа невозможно.

Формула изобретения

1. Способ штамповки жидкого металла, включающий получение расплава, перемещение его в штамп, последующее воздействие на него повышенного давления, отличающийся тем, что во время перемещения расплава в штамп его охлаждают до температуры, при которой время фазового перехода стремится к нулю, а давление создают за счет соударения расплава со штампом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после соударения расплава со штампом на расплав воздействуют дополнительно импульсами давления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4