4.3.3. Прогнозирование составов сплавов для их обработки в полутвердом состоянии

Ограниченный сортамент сплавов, применяемых для обработки в полу- твердом состоянии является одним из существенных недостатков промышленной технологии.

Подавляющее большинство компаний использует в действующей технологии ОСПТС в основном, два алюминиевых сплава А356/А357 и один магниевый – AZ91.

В литературе имеется немного работ, в которых была сделана попытка разработки принципов выбора составов новых сплавов для технологии ОСПТС.

Методом Дифференциально-сканирующей калориметрии либо термо-динамическим моделированием строится кривая доли жидкости от температуры и на основе этой кривой делаются соответствующие выводы .

4.3.3.1. Дифференциально-сканирующая калориметрия

Метод измерения с помощью дифференциально–сканирующей калориметрии, основан на измерении температуры образца, связанной с изменением энтальпии при фазовых переходах.

В методе ДСК теплоту определяют через тепловой поток – производную теплоты по времени (отсюда в названии термин «дифференциальный»). Тепловые потоки измеряются по разнице температур в двух точках измерительной системы в один момент времени. Измерения можно проводить как в изотермических условиях, так и в динамическом режиме при программируемом изменении температуры оболочки (нагревателя) (калориметры такого типа называют «сканирующими»). В современных приборах предусмотрена возможность задавать различные температурные программы.

Все ДСК (рис.) имеют две измерительные ячейки: одна предназначена для исследуемого образца (sample, S), в другую – ячейку сравнения (reference, R), помещают либо пустой тигель, либо тигель с образцом сравнения – эталоном (инертным в заданном диапазоне условий веществом, по теплофизическим свойствам близким к образцу). Ячейки конструируют максимально симметрично (одинаковые тигли, одинаковые сенсоры, одинаковое расстояние от нагревателя (furnace, F) до сенсора и т.д.). Экспериментально измеряется временная зависимость разницы температур между ячейкой с образцом и ячейкой сравнения.

Рисунок 103 Принципиальная схема дифференциального сканирующего калориметра

4.3.3.2. Параметры для выбора состава

На основе кривой доли жидкости от температуры предложены следующие важные параметры для выбора состава:

• Температура T₁, при которой доля жидкости F_L равна 50%, должна быть менее 585°C, что необходимо для минимизации проблемы с привариванием сплава к поверхности стальной оснастки;

• Наклон кривой в точке F_L =50%, dF/dT(T₁). Для того чтобы минимизировать температурную чувствительность при повторном нагреве, кривая должна быть как можно более пологой, dF/dT(T₁) < 0.005/°C;

• Температура начала плавления -твердого раствора, T₂. Разность T₁–T₂  0 определяет кинетику сфероидизации при повторном нагреве;

• Угол наклона кривой в окрестности температуры солидус, T_s. Для минимизации проблем с горячими трещинами должен быть достаточно пологим, dF/dT(T_s) < 0.02/°C.

• Диапазон затвердевания, Т_S-L (чем он шире, тем легче обработка сплава в полутвердом состоянии),

• Рабочий температурный диапазон (Т_40/60), который соответствует доли твердого от 40% до 60%

• параметр чувствительности доли твердого (в диапазоне около 50%) к изменению температуры (S, %/K). Содержание жидкости от 40% до 60% является

• необходимо учитывать при поиске новых сплавов для технологии ОСПТС, наряду с диапазоном затвердевания Т_S-L также и характер зависимости доли твердого от температуры (она должна быть как можно более пологая).

Диапазон затвердевания (Т_S-L) безусловно, важен для процесса реолитья, так как он предопределяет ширину двухфазной зоны и время, в течение которого будет происходить разрушение дендритов при перемешивании расплава в полутвердом состоянии. Однако широкий диапазон затвердевания еще не гарантирует широкий рабочий диапазон обработки (Т_40/60) при повторном нагреве и формовке .

Рабочий температурный диапазон (Т_40/60) также не является параметром, в полной мере отражающим физико-химические явления при ОСПТС, так как этот параметр никак не соотносится с положением точки начала плавления α- твердого раствора. Параметр чувствительности доли твердого к изменению температуры (S) в диапазоне около 50%, так же не учитывает начало плавления альфа фазы.

В 2003 году Казаковым и Тамиром Самиром были продолжены ранние исследования и предложен новый комплекс критериев выбора перспективных составов сплавов для технологии полутвердой формовки на основе кривой доли жидкости от температуры (См. рис.78).

Рисунок 104 кривая зависимости доли жидкости от температуры для сплава АК7

1. Температура Т₆₀ – это максимальный перегрев заготовки при повторном нагреве, при котором она содержит 60% жидкости. При доле жидкости более 60% заготовка теряет исходную форму, а эвтектика вытекает из нее, образуя дефект «слоновая нога». Кроме того, чтобы исключить проблемы, связанные с привариванием полутвердой смеси к поверхностям оснастки при формовке, а так же для снижения воздействия термошока на материал оснастки, эта температура должна быть минимальной.

2. Температура начала плавления α- твердого раствора (Т_α). Это наиболее важный параметр кривой. В точке Т_α эвтектика расплавляется полностью, а α-твердый раствор только начинает растворяться в эвтектическом расплаве. Положение точки Т_α должно быть в окрестности температуры, соответствующей 50% жидкости, T₅₀,

точнее T₄₀< Т_α <T₆₀.

3. Наклон кривой в окрестности температуры (Т_α), dF/dT(Т_α). Для минимизации температурной чувствительности при проведении операции повторного нагрева этот наклон должен быть как можно более пологий для перегрева заготовки во время проведения повторного нагрева без заметного изменения соотношения жидкость- твердое в заготовке. Перегрев является технологическим резервом, обеспечивающим достаточное количество жидкости в полутвердой заготовке на последующем этапе технологии ОСПТС. Например, для сплавов A356/357, dF/dT(Т_α)=0,005-0,006/^оС.

4. Рабочий диапазон температур Т_w=Т₆₀-Т_α должен быть достаточно большим по вышеназванным причинам, чтобы обеспечить возможность перегрева заготовки без заметного изменения соотношения жидкость- твердое. Превышение рабочей температуры над Т_α, Т_w, определяет кинетику огрубления фрагментов разрушенных дендритов во время повторного нагрева.

5. Наклон кривой в температурной области, где полностью завершается затвердевание сплава dF/dT(T_S). Кривая в этом районе должна быть достаточно пологой, чтобы избежать проблем с образованием горячих трещин. Например, для сплавов А356/357, dF/dT(T_S)=0,02/^оС.

Наиболее важный параметр это - координаты «носа» кривой, соответствующей началу плавления альфа фазы. В этой точке (Т_α,F_L(Т_α)) завершается плавление эвтектики и начинается растворение α- фазы. Для обеспечения технологии реолитья и операций повторного нагрева новые ПТМ должны выбираться таким образом, чтобы «нос» кривой находился вблизи соотношения твердое/жидкое-50/50.