4.2.1. Трехступенчатые процессы
В данную группу объединены технологии, в которых существует три стадии обработки сплавов в полутвердом состоянии:
получение полупродукта с фрагментированной дендритной структурой
повторный нагрев для сфероидизации альфа фазы
формовка, на которой производят формообразование тиксотропных материалов, тиксолитьем, тиксоковкой, или тиксоэкструзией, в зависимости от задач производства.
4.2.1.1. Подготовка полупродукта
4.2.1.1.1. Механическое перемешивание
В результате механического перемешивания мешалками металлических расплавов в интервале их кристаллизации получаются недендритные структуры. Изменение скорости и мощности перемешивания затвердевающего расплава позволяет получить три следующих типа структур:
при медленном перемешивании, когда теплоотвод незначителен, происходит обыкновенный рост разветвленных дендритов в окружающей его жидкой фазе;
при более интенсивном перемешивании расплава и умеренном теплоотводе происходит разрушение дендритов и образование многочисленных вторичных центров кристаллизации;
при очень интенсивном перемешивании, когда процесс обламывания ветвей дендритов прекращается, а теплоотвод от жидкой фазы прогрессивно увеличивается, наступает период быстрого роста уже имеющихся центров кристаллизации сплава.
Механическое перемешивание имеет несколько серьезных недостатков:
большой размер фрагментов разрушенных дендритов (100-400 мкм), что негативно отражается на механических свойствах; невысокая производительность; неудовлетворительная однородность структуры; эрозия мешалок, погруженных в агрессивную с физико-химической точки зрения среду, и связанное с этим загрязнение металла экзогенными включениями.
Поэтому в настоящее время использование традиционных типов мешалок может быть целесообразно либо в процессе комполитья, а именно, замешивания упрочняющих частиц в сплав, находящейся в полутвердом состоянии либо для создания градиентных материалов
4.2.1.1.2. Магнитогидродинамическое перемешивание
Магнитогидродинамическое (МГД) литье является самым распространенной промышленной технологией получения полупродукта, обеспечивающей высокую производительность производства.
Производство заготовок полупродукта методом МГД-литья из алюминиевых сплавов во многих странах составляет 70-80% от общего выпуска (по массе) продукции технологии ОСПТС . Заготовки должны быть с недендритной структурой, свободной от неметаллических включений и газов. Оборудование для литья разрабатывалось с учетом возможности регулировки интенсивности теплоотвода и срезающего воздействия. Внешнее магнитное поле может быть эффективно использовано для управления процессами роста кристаллов и формирования структуры заготовок.
Влияние интенсивности МГД- перемешивания на эволюцию структуры сплава показано на рис.81. Как видно из фотографий, сплавы, затвердевшие без перемешивания, имеют дендритную структуру (см. рис. 81а). Однако с увеличением интенсивности перемешивания глобулярность структуры повышается (см. рис. 81 б,в). Другими параметрами обработки сплавов в полу- твердом состоянии: состав расплава, его температура, температура охладителя, скорость потока охладителя, скорость потока смазки и теплопроводность кристаллизатора.
Рисунок 78 Влияние перемешивания на структуру сплава а) без перемешивания, б) слабое перемешивание, в) активное перемешивание
При МГД литье очищенный и дегазированный расплав подается в кристаллизатор. Непосредственно перед затвердеванием расплав интенсивно перемешивается бегущим магнитным полем, которое создает необходимое срезывающее воздействие, разрушающее образующиеся дендриты. В этой зоне воздействия бегущего магнитного поля происходит контролируемый теплоотвод через стенки кристаллизатора.
Таким образом, метод МГД перемешивания позволяет контролировать срезающие напряжения и интенсивность теплоотвода, что дает возможность получать микроструктуру с размерами глобул около 30 мкм, что значительно меньше, чем характерный размер структуры сплавов при механических способах перемешивания.
В настоящее время в промышленности используются установки МГД литья заготовок для получения «полупродукта» с различным расположением, как самой машины, так и направлением вращения металла (см. рис.82). Так, в компании Alumax/Alcoa (США) используют горизонтальные машины с горизонтальным вращением, в компании Pechiney/Alcan (Франция) используют вертикальные машины с вращением расплава в вертикальной плоскости, в компании EFU (Германия) используют вертикальные машины с горизонтальным вращением расплава. Эти компании производят заготовки диаметром от 38 до 152 мм.
Рисунок 79 Установки магнитогидродинамического перемешивания компаний
Рисунок 80 многосвязанность структуры сплавов производителей : Alumax/Alcoa (США) ,Pechiney/Alcan (Франция) ,EFU (Германия)
Исследования структуры сплавов, полученных вышеуказанными методами, было проведено в работе .Авторами использовались методы трехмерной реконструкции структуры сплавов обработанных в полу- твердом состоянии. Многосвязанность структуры в трехмерном пространстве была рассчитана методом компьютерной обработки микрофотографий сечений, полученных при последовательной полировке образцов сплавов. В порядке снижения многосвязанности структуры сплавы от вышеназванных производителей можно расположить в ряд: EFU, Alumax, Pechiney. Такие выводы в полной мере соответствуют природе движения твердо - жидкой массы в рассмотренных технологиях.