Анализ отечественных исследований технологии штамповки жидкого металла

Использование давления для улучшения кристаллизации металла было известно с XVIII века, когда оно было применено в производстве свинцовых труб. В XIX веке проводились различные эксперименты с целью уплотнения кристаллизующихся стальных слитков путем применения различных видов давления. Известно об использовании давления углекислого газа и водяных паров, как это было продемонстрировано Круппом и Джонесом. Кроме того, были разработаны методы, основанные на применении давления, создаваемого гидравлическими прессами, включая прессы Робинсона, Иллингсворта, Витворта, Гарме и другие. Также были исследования с использованием пороховых газов, водяных паров и поршневого давления, проведенные Д.К. Черновым.

Существуют различные методы формообразования при использовании жидкой штамповки. Один из них предусматривает полную отливку при заливке материала. В другом методе отливка осуществляется полностью после вытеснения пуансоном расплава в специальные полости. Также существует вариант, где формовка происходит частично во время заливки, а затем окончательно завершается после вытеснения пуансоном части незатвердевшего расплава. Различные схемы штамповки кристаллизующегося металла представлены на рис. 1.

Рис. 1 Схемы штамповки кристаллизующегося металла

1 – с кристаллизацией под поршневым давлением =0; 

 2 – с кристаллизацией под пуансонным давлением =0,1..0,7;

3 – с кристаллизацией под пуасонно-поршневым давлением =0,1…0,5;

4 – с выдавливанием расплава в полости пресс-формы =1;

Существуют различные схемы штамповки, включающие кристаллизацию под давлением поршня, пуансона или комбинацию пуансонно-поршневого давления [1, 2]. Эти схемы оцениваются на основе коэффициента формообразования, который характеризует эффективность процесса:

где V_H.M. - объем незатвердевшего металла, вытесненного пуансоном при окончательном формовании отливки;

 V_от – объем отливки.

В России (тогда еще СССР) можно выделить четыре периода в развитии процесса литейного кристаллизации с направленным затвердеванием:

1. К первому периоду развития штамповки жидкого металла относятся исследования и разработки В.М. Пляцкого [3, 4, 5] и Н.Н. Белоусова [6, 7]. Также исследования стали и высокопрочного чугуна по ЛКД проводили Б.Б. Гуляев и др. [8], а Н.Г. Гиршович и др. [9]. В данных исследованиях описывается разработка различных схем процесса, определение технологических режимов и создание специализированных гидравлических прессов и литейных машин до середины 60-х годов. Кроме того, проведены первые исследования процессов затвердевания и усадки отливок, а также изучены их структура и свойства.
2. С 60-х до 80-х годов представляет второй период развития процесса литейного кристаллизации с направленным затвердеванием, относится к изучению процесса сжатия затвердевающих под давлением поковок, а также продолжением исследований процессов затвердевания, структуры и свойств полученных поковок. Большое внимание было уделено проектированию и эффективности пресс-форм, а также выбору материалов для их изготовления (Э.Е. Кудрявцев [10], О.А. Цукуров и др. [11]).
3. В период с 80-х до начала 90-х годов исследования затвердевания и уплотнения поковок под механическим давлением были проведены, включая композитные материалы с металлической матрицей, а также была отработана технология ЛКД для конкретных поковок. Кроме того, были проведены исследования структуры и свойств поковок в данный период. Изучение влияния давления на условия формирования отливок из алюминиевых сплавов (В95, Д16, АЛ24М, АЛ23-2 и т.д.) (Е.Н. Беллавина [12], А.А. Абрамов и др. [13], JI.И. Сарафанова и др. [14]) пришло на второй период развития штамповки жидкого металла. Совместно с экспертами МГОУ, были проведены исследования, используя последние методы изучения условий формирования отливок, включая тепловые и силовые аспекты.
4. С начала 90-х годов до настоящего времени происходит четвертый период в развитии процесса литейного кристаллизации с направленным затвердеванием, который характеризуется изучением особенностей этого процесса для специальных сплавов, композиционных материалов и сплавов в твердожидком состоянии, а также использованием специальных литейных машин с металлоприемником для производства поковок. В 1990 году специалистами А.А. Абрамов, М.Д. Тихомиров, Д.Х. Сабиров и др. [19] была разработана система компьютерного моделирования литейных процессов специалистами ЦНИИМатериалов под названием "ПОЛИГОН". В России в этот период было сокращено количество исследований по штамповке жидкого металла, что отразилось в малом количестве публикаций в технической литературе [15, 16, 17, 18].

К сожалению, большое количество аспектов остаются недостаточно изученными в технологии штамповки кристаллизующегося металла под давлением. Интерес представляют вопросы, связанные с воздействием давления на интенсивность теплообмена и кинетику затвердевания отливок из различных сплавов, включая алюминиево-кремниевые сплавы (силумины), алюминиево-медные сплавы (дюралюминий), алюминиево-магниевые сплавы, а также композитные материалы с алюминиевой матрицей. Важным аспектом является исследование влияния различных схем прессования и времени наложения давления на эти процессы. Разработка количественных зависимостей в данной области представляет собой значимую задачу с точки зрения теории и практики. Это позволит более точно определить математические расчеты и оптимизировать технологические режимы, открывая новые возможности для производства высококачественных изделий

1. Батышев А.И., Базилевский Е.М., Бобров В.И. и др. Штамповка жидкого металла: Литье с кристаллизацией под давлением. Под ред. А.И. Батышева. М.: Машиностроение, 1979. 200 с.
2. Батышев А.И. "Штамповка жидкого металла: традиционные и не-традиционные процессы." Кузнечно-штамповоч. пр-во. 1998. № 4. с. 7-11.
3. Пляцкий В.М. Кристаллизация под поршневым давлением. - М.: Машгиз, 1950. - 62 с.
4. Пляцкий В.М. Литейные процессы с применением высоких давлений. - М.-Л.: Машгиз, 1954. - 224 с.
5. Пляцкий В.М. Штамповка из жидкого металла. - М.: Машиностроение, 1964. - 315 с.
6. Белоусов Н.Н., Додонов А.А. Исследование влияния давления на развитие усадочных дефектов в отливках из цветных сплавов. /Усадочные процессы в металлах. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - С. 97-111.
7. Белоусов Н.Н., Додонов А.А. Кристаллизация отливок из цветных сплавов в условиях приложения давления /Кристаллизация металлов. - М.: Изд-во АН ССР, 1960. - С. 273-297.
8. Гуляев Б.Б., Макельский М.Ф., Нестеренко В.О. Кристаллизация стали под поршневым давлением //Литейное производство, 1960. №12. - С. 33-34.
9. Гиршович Н.Г., Иоффе А.Я., Каплуновский Ю.А. и др. Влияние давления при кристаллизации и скорости охлаждения на структуру и свойства чугуна /В кн.: Специальные способы литья. - Л.: Машиностроение, 1971. - с. 10-15.
10. Батышев А.И., Базилевский Е.М., Забалуев В.К. и др. Формы для литья с кристаллизацией под давлением //Литейное производство, 1979, № 11. - с. 21-22.
11. Цукуров О.А., Конструкция штампов жидкой штамповки: Обзор. -М., НИИМаш, 1979. - 46 с.
12. Беллавина Е.Н. Особенности формирования структуры заготовок, полу­ чаемых методом жидкой штамповки /В кн.: Литье и кристаллизация магниевых и алюминиевых сплавов под давлением. -Пермь, 1980. - с. 117-120.
13. Абрамов А.А., Паутова Д.М., Боричева И.К. и др. Влияние высокого давления при кристаллизации на структуру и свойства алюминиевых сплавов//Литейное производство, 1989, № 3. - с. 5-6.
14. Сарафанова Л.И., Батышев А.И., Абрамов А.А. и др. Влияние давления при кристаллизации на структуру и свойства сплава АЛ23-3 //Литейное производство, 1991, № 3. - с. 8-9.
15. Батышев А.И., Батышев К.А. Отливки из композиционных материалов: Обзор. -М., ВНИИТЭМР, 1990. -41 с. (Серия ТОЛП, вып. 4).
16. Специальные способы литья: Справочник /под ред. В.А. Ефимова. - М.: Машиностроение, 1991. - 790 с.
17. Липчин Т.Н. Структура и свойства цветных сплавов, затвердевших под давлением. - М.: Металлургия, 1994. - 128 с.
18. Батышев А.И., Безпалько В.И., Любавин А.С., Батышев К.А. Литье с кристаллизацией под давлением: Обзор. - М., ВНИИТЭМР, 1990. 57 с. - (Серия ТОЛП, вып. 1).
19. Тихомиров М.Д. Определение давления в расплаве при литье с кристаллизацией под давлением //Литейное производство, 1990, № 5. - С. 19-20