4.3.3.2. Эволюция структуры тиксотропного материала

Для успешной реализации процесса формовки необходимо обеспечить тиксотропную структуру сплава в полу- твердом состоянии. Такую структуру сплава в большинстве случаев получают в результате повторного нагрева полупродукта с огрубленной фрагментированной дендритной структурой.

Основными параметрами повторного нагрева, определяющими эволюцию структуры сплава, являются температура выдержки, скорость нагрева и время выдержки.

Температуры выдержки при повторном нагреве выбираются таким образом, что бы обеспечить полное расплавление эвтектики и частичное растворение альфа твердого раствора. При дальнейшей выдержке доминирующими процессами являются освальдовское созревание и коалесценция.

Процесс коалесценции сопровождается образованием конгломератов и захлопыванием эвтектики во внутрь α- фазы. Оптимальное соотношение жидкое/твердое изменяется, что приводит к уменьшению жидкотекучести тиксотропного материала при формовке.

Рисунок 99 Микроструктура сплава Al-7wt.%Si закаленного после термомеханической обработки

Чрезмерный перегрев сплава приводит к потери прочности скелетона в тиксотропной структуре, а также существует опасность кристаллизации α- фазы в виде вторичных дендритов при тиксоформовке в полости формы (Рис.102). Такая морфология альфа- твердого раствора приведет к не заполнению формы изделия.

Глобулярную морфологию α- фазы можно обеспечить, увеличив скорость кристаллизации (до 10³К/сек)сплава в полости оснастки (См. рис.).

Воздействие термошока на материалы полости формы увеличится, что приведет к сокращению срока службы оснастки.

При изотермической выдержке материала в полутвердом состоянии и в отсутствии перемешивания коагуляция между глобулами протекает не зависимо от их кристаллографической направленности.

Рисунок 100 Микроструктура сплава Al-6Si-2Mg-0.5Fe после нового реолитья под давлением

При повторном нагреве минимизировать коалесценцию можно либо введением модификаторов для увеличения смачиваемости поверхности первичной фазы расславленной эвтектикой, либо проведением мультистадийного повторного нагрева.

Небольшие добавки бария (~ 0,2%) и олова (~ 0,5%) в алюминиевые сплавы увеличивают смачиваемость альфа- фазы жидкой эвтектикой, за счет снижения энергии межфазной границы жидкое – твердое (γ_αl).

Использование мультистадийного повторного нагрева позволяет уменьшить время конечной выдержки сплава до одной минуты.

В процессе формовки тиксотропный материал, при входе в полость формы оснастки, резкому кратковременному срезающему воздействию (менее секунды) со скоростью, не меньше чем 100сек^-1.

Для оптимального формообразования сплава необходимо создать оптимальное соотношение жидкое- твердое 50/50 и глобулярную морфологию альфа- фазы, объединенную в непрочный скелетон.

4.3.4. Оценка структуры сплавов в полутвердом состоянии

Полное описание микроструктуры жидко- твердой кашеобразной металлической смеси включает описание объемной доли, морфологию и характер распределения α- твердого раствора. Это может быть сделано при оценке только твердой структуры сплава, закаленного из полу- твердого состояния. Все измерения могут быть сделаны на полированной поверхности с использованием обычных металлографических подходов.

В случае измерения размера и объемной доли альфа- фазы это может дать удовлетворительные результаты, но не даст адекватную оценку формы и характера распределения первичной фазы. Твердая α –фаза обычно имеет не сферическую морфологию, а комплексную форму и, что более важно, имеет тенденции объединяться в трехмерные конгломераты, формируя тем самым единый скелетон.

Оценка объемной морфологии α- фазы методами трех- мерной реконструкции является наиболее точным методом оценки структуры сплава, но чрезвычайно трудоемким. Оценкой структуры сплава применимой на производстве, является анализ двумерного изображения. Единого комплексного критерия качества структуры сплавов в полу- твердом состоянии до настоящего момента не предложено. В мировой практике нашло применение множество параметров структуры сплавов и методик их определения с целью описания трех- мерных объектов по данным с двухмерного изображения.