Процессы деформирования металлов в жидком состоянии

Подготовка металлов
 Состояние проблемы. Штамповка деталей из жидких металлов — сравнительно новый технологический процесс. В машиностроении получила распространение штамповка деталей из стали и цветных металлов. Большие успехи в этом направлении достигнуты в СССР [5, 7, 16, 22, 44], ГДР [67], США [45, 46], ЧССР [63] и в некоторых других странах. Изготовление деталей из жидкого металла связано с некоторыми трудностями. Они возникают при выборе материалов для изготовления инструментальной оснастки, при дозировке жидкого металла, при создании специализированных процессов, при подборе и оптимизации технологических параметров процесса, и fin . Особенно неблагоприятно влияет на экономическую эффективность процесса штамповки деталей из жидкого металла недостаточная выносливость инструмента, особенно при штамповке стали.
 Характеристика процесса жидкой штамповки. Технологический процесс жидкой штамповки металлов включает следующие этапы: 1) плавление металла в специальной плавильной печи; 2) наполнение нижнего ручья штампа, установленного на прессе, определенным количеством расплавленного металла; 3) сжатие металла путем смыкания рабочих участков штампа; 4) кристаллизация жидкого металла под высоким давлением; 5) съем готовых деталей из штампа; 6) подготовка инструмента к следующему рабочему циклу (например, его смазывание и охлаждение). При этом можно выделить следующие возможные варианты жидкой штамповки: а) заливка расплавленного металла с последующей кристаллизацией под высоким давлением; б) затвердевание под высоким давлением при деформации в полужидком состоянии; в) затвердевание под высоким давлением при деформации в твердом состоянии.
 На практике наибольшее значение имеет технологический вариант заливки металла с последующей кристаллизацией под давлением.
 Схема процесса жидкой штамповки металлов показана на рис. 6.1. Этот процесс занимает промежуточное положение между процессом литья и процессом пластической деформации металла, поскольку содержит элементы, характерные для обеих групп. Плавка металла, поддержание температуры в печи, заливка металла в штамп с последующей кристаллизацией под высоким давлением — все это элементы литья; в то же время оборудование и инструментальная оснастка — специализированные прессы и штампы — элементы, характерные для технологии обработки металлов путем пластической деформации.
Применение высоких давлений при затвердевании металла способствует получению структуры без пор, повышает механические свойства деталей по сравнению с литыми (при условии использования одних и тех же сплавов). Обязательным условием является высокое качество жидкого металла и точная его дозировка при заливке в штамп. Соблюдение этих требований обеспечивает получение качественных деталей и уменьшает брак.
Подготовка металла для жидкой штамповки. Подготовка металла начинается с процесса плавления. Различают два метода выплавки:
 1) выплавка определенного объема металла (заведомо большего, чем необходимо для штамповки одной детали) с поддержанием его температуры в заданных пределах; заливка определенной дозы металла в штамп;
 2) выплавка металла в объеме, необходимом для производства одной детали; в этом случае используют индукционные печи большой мощности.
 Оба метода подготовки металла для жидкой штамповки имеют преимущества и недостатки. Существенное достоинство первого метода состоит в том, что из общего объема металла можно последовательно брать необходимые порции. При этом отпадает потребность в отливке заготовок, рассчитанных только на одну деталь. Достигается значительная экономия электроэнергии вследствие отсутствия процесса повторного нагрева металла. К недостаткам этого метода относится длительная выдержка металла при температуре плавления, которая приводит к изменению его химического состава, а также затруднения, возникающие при согласовании производительности индукционной печи с ритмом штамповки. Существенные трудности возникают и при дозировке металла на порции заданной массы.
 Основное преимущество второго метода состоит в том, что металл находится в расплавленном состоянии весьма короткое время, что гарантирует сохранение его химического состава. Кроме того, устройства для плавки металла и подачи его к штампу легко устанавливаются на прессах ввиду небольших размеров, что существенно сокращает время транспортировки жидкого металла. Для этой цели в СССР [27 ] разработаны индукционные печи, так называемые плавильно-разливочные устройства (ПЗУ) емкостью 1—4 и 4—10 кг, которые предназначены для установки на прессах. Шихта, дозированная по массе, помещается в индукционные печи ПЗУ и расплавляется в течение 4—10 мин. ПЗУ обеспечивают дозировку, расплавленного металла с отклонением, не превышающим =*20 г при высокой скорости плавления, облегчают труд оператора и повышают культуру производства.
 Заливка жидкого металла в нижнюю часть штампа осуществляется посредством поворота рукоятки плавильно-разливочной печи ПЗУ (рис. 6.2), после чего последняя перемещается в исходное положение для новой загрузки. Недостатком рассмотренного метода является необходимость нагрева каждой порции металла, что связано с большим расходом электроэнергии. Кроме того, чтобы сохранить рабочий такт пресса, необходимо применять индукционные печи высокой мощности, которые бы обеспечивали быстрое плавление металла.
 Для цветных металлов плавление и поддержка температуры расплавленного металла могут осуществляться в печах с большей емкостью. В этом случае расплавленный металл разливается с помощью специализированного разливочного ковша, но при этом не обеспечивается оптимальная дозировка. Для сталей этот метод разливки и дозирования является малоприемлемым, так как расплавленный металл вследствие быстрого затвердевания образует на внутренней поверхности разливочного ковша корку, что снижает точность дозировки. Кроме того, для сталей этот метод обеспечивает необходимый химический состав жидкого металла.
В этом случае плавление сталей в небольших индукционных печах выгодно и целесообразно. Из сказанного следует, что нужно перейти к сочетанию и объединению установок для плавления сталей непосредственно в прессах для жидкой штамповки. Оборудование и инструментальная оснастка для жидкой штамповки. Правильный выбор прессов и оснастки, необходимых для жидкой штамповки, служит важной предпосылкой для получения качественных деталей. Практика и накопленный опыт показывают, что наиболее приемлемы для жидкой штамповки специализированные гидравлические и фрикционные прессы.
 Для успешного прохождения технологического процесса :жидкой штамповки в наиболее общем случае важно, чтобы специализированные прессы отвечали следующим требованиям:
 обладали большой скоростью ползуна на холостом ходу; осуществляли «мягкий» нажим на расплавленный металл; обладали регулировкой нажима во время кристаллизации металла без резких скачкообразных перемещений пуансона;
 обеспечивали возможность удаления обрезки заусенца штампованной детали при использовании штампов с вертикальным и горизонтальным разъемом и снабженных надежным устройством для их замыкания;
 позволяли монтировать на них плавильно-дозирующие и транспортные устройства для жидкого металла, установки для предварительного подогрева и охлаждения штампов, а также обеспечивали свободный доступ в рабочую зону штампа. Накопленный опыт использования фрикционных прессов показывает возможность качественного заполнения формообразующих полостей штампа жидким металлом и осуществления мягкого нажима при производстве деталей из латуни массой до 0,5 кг. Более высокие результаты достигаются при применении гидравлических прессов для жидкой штамповки [47]. Прессы типа KuPY63а и KuPY 100, производимые в ГДР, дают возможность осуществлять нажим при штамповке жидкого металла как до кристаллизации, так и после нее. Для процесса жидкой штамповки используются гидравлические прессы усилием 1—5 МН. Современные гидравлические прессы снабжены выталкивателем гидравлического типа, и на них можно устанавливать электронагреватели для предварительного нагрева оснастки (штампов).
 Рекомендации при выборе специализированных прессов для жидкой штамповки. Ускоренное внедрение и усовершенствование технологии жидкой штамповки различных деталей для машиностроения требуют конструирования новых специализированных прессов для жидкой штамповки. Необходимым условием для беспрепятственного внедрения этого процесса в производство является применение вертикальных гидравлических прессов с гидравлическими выталкивателями. Для снятия и выталкивания готовых деталей, полученных методом жидкой штамповки, целесообразно использовать телескопические пуансоны. Гидравлические прессы для жидкой штамповки должны развивать минимальное удельное усилие 100 МПа. В этих прессах должна быть обеспечена бесступенчатая скорость подачи пуансона и гарантирована рабочая скорость 60 мм/с. Рост усилия в процессе штамповки (при наличии уже! затвердевшего металла) не должен превышать 2 кН/с. Прессы, предназначенные для жидкой штамповки, должны быть оснащены гидравлическими выталкивателями с возможностью выбора фиксации времени выталкивания.
 Особенное внимание необходимо уделять тепловой изоляции между штампом и прессом. Для этой цели используют асбестоцементные плиты, обладающие низкой теплопроводностью и выдерживающие большие усилия нажима. Особенно они предохраняют от нагрева уплотнительные манжеты (кольца) гидравлических поршней. Наряду с этим предусматривается водяное охлаждение операционного стола пресса, выбрасывающего устройства и главного гидравлического цилиндра. При необходимости предусмотрено охлаждение рабочей жидкости в гидравлической системе пресса. Для охлаждения формообразующей полости штампа имеются специальные присоединительные элементы. Для регулирования температуры штампа установлен терморегулятор, который поддерживает ее в оптимальных с технологической точки зрения пределах. Используется также манометр для измерения давления и часовой механизм, фиксирующий время штамповки металла и время выталкивания готовой детали. Современный пресс для жидкой штамповки обеспечивает автоматический цикл работы. Автоматизация процесса жидкой штамповки не только приводит к повышению производительности труда, но и улучшает условия работы.
 В большинстве случаев в качестве оснастки для жидкой штамповки применяют штампы, которые состоят из трех частей: вкладыша, пуансона и выталкивателя. Это формообразующие части штампа, и они необходимы для всех видов оснастки для жидкой штамповки. На рис. 6.3 показан штамп для жидкой штамповки чашеобразной детали. На нижней плите штампа смонтирован электронагреватель для предварительного нагрева оснастки. Штамп сконструирован так, что при заливке большего объема. Металла (при передозировке) предусмотрен специальный слив для удаления его излишков. Конструкция штампа предусматривает получение детали без облоя. Перед началом процесса жидкой штамповки для улучшения работы штампа необходимо подогреть его до 300—400 °С. С целью увеличения мощности электронагревателя около формообразующего пространства штампа можно поместить еще один круговой подогревающий элемент. Для безаварийной работы оснастки и получения бездефектных изделий большое значение имеет зазор между матрицей и пуансоном. Оптимальная величина этого зазора (0,1 мм) зависит от размеров и конструкции штампов и от сложности деталей. При большом зазоре жидкий металл заполняет пространство между матрицей и пуансоном, что приводит к заклиниванию оснастки или к не допустимо большому износу пуансона и матрицы. При малом или недостаточном зазоре возможна сварка пуансона и матрицы или задир по поверхностям контакта в результате их термического расширения.
 На основе накопленного производственного опыта в качестве материалов для изготовления оснастки для жидкой штамповки используют легированные молибденом стали, предназначенные для работы в условиях высоких температур. Они обладают сравнительно высокой теплопроводностью и меньшей чувствительностью к образованию трещин при высоких температурах. Стали, легированные хромом и вольфрамом, более теплоустойчивы, но обладают худшей теплопроводностью и более чувствительны к образованию трещин при работе при высоких температурах. В литературе рекомендуется также изготовление штампов для жидкой штамповки из углеродистых сталей с максимальным содержанием углерода около 0,5 %. Он и обладают очень хорошей теплопроводностью и небольшой склонностью к образованию трещин. Но из-за низкой износостойкости при высоких температурах применение их целесообразно лишь при жидкой штамповке цветных металлов и сплавов и то лишь при малых сериях штампованных изделий.
 Работы по созданию новых инструментальных сталей, предназначенных для получения штампов жидкой штамповки, еще не закончены. Число стальных деталей, изготовленных методом жидкой штамповки с использованием одной и той же оснастки, составляет несколько сотен, а деталей из цветных металлов — несколько десятков тысяч. Необходимо отметить, что по этим причинам процесс жидкой штамповки все еще не нашел широкого применения при штамповке стальных деталей сложной формы. Проведенные опыты показывают, что изготовленная для этой цели оснастка стоит дорого, быстро изнашивается, в результате чего внедрение процесса жидкой штамповки в производство замедленно. Для цветных металлов эта проблема не стоит так остро. По данным некоторых исследователей, при жидкой штамповке одной и той же детали из алюминиевого сплава стойкость штампа обеспечивает получение 25 ООО деталей, а при штамповке того же изделия из латуни — 3000 деталей, что, вероятно, взаимосвязано с физико-механическими свойствами деформированных металлов.