عملية صب المعادن شبه الصلبة

1 - لمحة عامة

2 、 مبدأ العملية

ويكمن مبدأ عملية الصب شبه الصلب في حقيقة أنه من خلال تطبيق التحريك القوي أثناء تصلب المعدن السائل، يتم كسر الهيكل العظمي الشبكي المتشعب المتشكل في الصب التقليدي ويتحول إلى تنظيم حبيبي مشتت معلق في الطور السائل. يمكن لهذا الملاط شبه الصلب في معدل الطور الصلب الذي يصل إلى مستوى معين (مثل 0.5-0.6) أن يحافظ على درجة معينة من السيولة، مما يتيح استخدامصب القوالبتعالج عمليات التشكيل التقليدية، مثل البثق وتشكيل القوالب، المعدن لتحسين جودة الصب وزيادة الإنتاجية.

3 - تحضير السبائك

هناك العديد من الطرق لتحضير السبائك شبه الصلبة، بالإضافة إلى طريقة التحريك الميكانيكي، في السنوات الأخيرة، تم تطوير طريقة التحريك الكهرومغناطيسي، وطريقة التحميل بالنبض الكهرومغناطيسي، وطريقة التحريك بالاهتزاز بالموجات فوق الصوتية، والتدفق القسري لسائل السبيكة على طول القناة المنحنية تحت تأثير القوة الخارجية، وطريقة تنشيط الصهر الناتج عن الإجهاد (SIMA)، وطريقة الترسيب بالرش (Spray)، وطريقة التحكم في درجة حرارة صب السبائك، وما إلى ذلك. ومن بين هذه الطرق، تعتبر طريقة التحريك الكهرومغناطيسي وطريقة التحكم في درجة حرارة صب السبائك وطريقة SIMA هي الطرق الأكثر قابلية للتطبيق الصناعي.

3.1 طريقة الخلط الميكانيكي

كان التقليب الميكانيكي هو أول طريقة مستخدمة لتحضير السبائك شبه الصلبة. نجح فليمنجز وآخرون في تحضير ملاط شبه صلب من سبيكة القصدير والرصاص باستخدام جهاز تقليب يتكون من أسطوانة داخلية وخارجية متحدة المركز ذات أسنان (تدور الأسطوانة الخارجية وتكون الأسطوانة الداخلية ثابتة)؛ كما قام ه. ليهوي وآخرون بتحضير ملاط شبه صلب من سبيكة الألومنيوم والنحاس، وسبائك الزنك والألومنيوم، وسبائك الألومنيوم والسيليكون باستخدام مجاذيف التقليب. وفي وقت لاحق، تم تحسين أداة التقليب واستخدام أداة تقليب حلزونية لتحضير ملاط شبه صلب من سبيكة ZA-22. ومن خلال هذا التحسين، تم تحسين تأثير التحريك للملاط، وتم تعزيز قوة التدفق الكلي للسائل المعدني في القالب، وتم توليد ضغط هابط في السائل المعدني لتعزيز الصب وتحسين الخواص الميكانيكية للسبيكة.

3.2 طريقة التقليب الكهرومغناطيسي 3.2 طريقة التحريك الكهرومغناطيسي

التحريك الكهرومغناطيسي هو استخدام المجال الكهرومغناطيسي الدوار في السائل المعدني لإنتاج تيار مستحث، السائل المعدني في قوة لورنتز المغناطيسية تحت تأثير الحركة، وذلك لتحقيق الغرض من تحريك السائل المعدني. في الوقت الحاضر، هناك طريقتان رئيسيتان لتوليد المجال المغناطيسي الدوار: إحداهما الطريقة التقليدية لتمرير التيار المتردد داخل ملف الحث؛ والأخرى هي طريقة المغناطيس الدائم الدوار التي قدمها C.Vives من فرنسا في عام 1993، وتتمثل ميزتها في أن المحرِّض الكهرومغناطيسي يتكون من مواد مغناطيسية دائمة عالية الأداء، والمجال المغناطيسي المتولد في الداخل ذو قوة عالية، ومن خلال تغيير ترتيب المغناطيس الدائم، يمكن أن يجعل السائل المعدني ينتج تدفقًا ثلاثي الأبعاد واضحًا، ويحسن تحسين تأثير التحريك وتقليل تدخل الغاز أثناء التحريك.

3.3 طريقة التنشيط بالذوبان المستحث بالإجهاد (SIMA)

عملية التنشيط بالذوبان المستحث بالإجهاد (SIMA) هي عملية يتم من خلالها تشكيل سبيكة تقليدية مسبقًا، على سبيل المثال المشغولة على الساخن عن طريق البثق أو الدرفلة أو ما إلى ذلك، إلى قضيب شبه جاهز، والذي يحتوي على بنية مجهرية ذات بنية تشوه ممدودة قوية، ثم يتم تسخينها إلى منطقة ثنائية الطور الصلبة والسائلة متساوية الحرارة لفترة زمنية معينة، حيث تتحول الحبيبات الممدودة إلى جسيمات دقيقة، ثم يتم تبريدها بسرعة للحصول على سبيكة ذات تنظيم تشجيري غير متبلور. يعتمد تأثير عملية SIMA بشكل أساسي على انخفاض درجة حرارة العمل الساخن وإعادة الصهر على مرحلتين، أو بين المرحلتين إضافة مرحلة العمل البارد، وتكون العملية أكثر قابلية للتحكم فيها، وتعتبر تقنية SIMA مناسبة لمجموعة متنوعة من سلسلة السبائك ذات نقطة الانصهار العالية والمنخفضة، خاصةً لإعداد نقطة انصهار أعلى من السبائك غير التشعبية التي تتميز بتفوق فريد. وقد تم تطبيقها بنجاح على الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الأدوات وسبائك النحاس، وسلسلة سبائك الألومنيوم، للحصول على حجم حبيبات يبلغ حوالي 20 ميكرومترًا من التنظيم غير الشجري للسبائك، وأصبحت طريقة تنافسية لإعداد المواد الخام شبه الصلبة التشكيل. ومع ذلك، فإن أكبر عيوبها هو صغر حجم الفراغات المحضرة.

3.4 الطرق الجديدة التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة

في السنوات الأخيرة، وجد في جامعة ساوث إيست وفي معهد أريستي في اليابان أنه يمكن تحويل التنظيم التشجيري الأولي إلى تنظيم كروي من خلال التحكم في درجة حرارة صب السبيكة. وتتميز هذه الطريقة بعدم الحاجة إلى إضافة عناصر السبائك أو التقليب.V.Dobatkin وآخرون اقترحوا طريقة للحصول على سبائك شبه صلبة بإضافة عامل تكرير إلى المعدن السائل ومعالجتها بالموجات فوق الصوتية، والتي تسمى طريقة المعالجة بالموجات فوق الصوتية.

4 - طريقة التشكيل

هناك العديد من الطرق لتشكيل السبائك شبه الصلبة، أهمها:

(1) الصب بالحرارة(الصب بالقالب أو الصب بالقالب المباشر أو الصب بالبثق للملاط المعدني شبه الصلب الناتج عن طريق التقليب المكثف أثناء تبريد السائل المعدني من الطور السائل إلى الطور الصلب عند جزء معين من الطور الصلب. 1 سبيكة الصب بالقالب 2 الإمداد المستمر لسائل السبيكة 3 سخان الحث 4 المبرد 5 سبيكة الصب بالقالب 6 غرفة الحقن 7 قالب الصب بالقالب على سبيل المثال، استخدم R. Shibata وآخرون ملاط سبيكة شبه صلبة تم تحضيره بطريقة التحريك الكهرومغناطيسي ليتم تغذيته مباشرةً في غرفة الحقن لماكينة الصب بالقالب للتشكيل. إن الخصائص الميكانيكية لمسبوكات سبائك الألومنيوم المنتجة بهذه الطريقة أعلى من تلك الخاصة بمسبوكات البثق ويمكن مقارنتها بمسبوكات السبائك شبه الصلبة المتغيرة الانسيابية. وتكمن المشكلة في صعوبات الحفاظ على الطين المعدني شبه الصلب وصعوبات التسليم، لذا فإن التطبيق الفعلي ليس كثيرًا.

(2) الصب المتغيرة الانسيابية (2)(ثيكسوفورم، ثيكسوكاست) الصب بالقالب أو بثق قضبان السبائك المحضرة من التنظيم غير الشجري بعد إعادة تسخينها في منطقة السائل الصلب إلى لزوجة مناسبة. شركة EOPCO، وشركة HPM Corp، وشركة Prince Machine، وشركة THT Presses في الولايات المتحدة الأمريكية، وكذلك شركة Buhler في سويسرا، وشركة IDRA USA وشركة Italpresse الأمريكية في إيطاليا، وشركة Producer USA في كندا، وشركة Toshiba Machine Corp وشركة UBE في اليابان. وقد تمكنت شركة خدمات الماكينات وغيرها من الشركات من إنتاج معدات خاصة للتشكيل اللمسي لسبائك الألومنيوم شبه الصلبة. إن طريقة تسخين البليت، ونقلها سهلة لتحقيق الأتمتة، لذلك فهي اليوم هي الصب شبه الصلبة لطرق العملية الرئيسية.

(3) قولبة الحقن(قولبة الحقن) مباشرة إلى سائل المعدن المنصهر (بدلاً من معالجة الملاط شبه الصلب) المبرد إلى درجة الحرارة المناسبة، والمكمل بشروط عملية معينة في صب حقن التجويف. مثل الولايات المتحدة الأمريكية، ويسكونسن، التي تعمل باللمس في مركز تطوير الشكل، استخدمت طريقة الصب شبه الصلب لسبائك المغنيسيوم. جامعة كورنيل بالولايات المتحدة الأمريكية، طور البروفيسور ك. ك. وانغ وآخرون جهاز تشكيل سبائك المغنيسيوم المماثل لصب سبائك المغنيسيوم بالخردق، وهو عبارة عن ملاط شبه صلب من الأنبوب للانضمام إليه، بعد حقن ضغط التبريد المناسب في التجويف.

(4) الصب المستمر بدرجة حرارة منخفضة إن ما يسمى بالصب المستمر بدرجة حرارة منخفضة هو طريقة صب يتم فيها التحكم في الحرارة الفائقة للمعدن السائل لتكون حوالي 0 درجة مئوية ويتم التبريد القسري تحت قالب الصب. ويمثل الفصل المركزي مشكلة كبيرة في الصب المستمر وقد يحدث الكسر في الدرفلة المستمرة لقضبان الأسلاك. ولذلك، فإن هذه العملية ذات أهمية كبيرة.

(5) الصب المستمر للشريط أجرت شركة Flemings دراسات الصب المستمر للشريط التجريبي باستخدام معدن Sn-15% Pb منخفض نقطة الانصهار وحللت انتقال الحرارة والتصلب والتشوه. وتم التوصل إلى أن سمك الشريط يرتبط بضغط البثق ومعدل الطور الصلب ومعدل القص الانسيابي وسرعة الصب المستمر. عندما يكون الضغط النوعي تحت البثق مرتفعًا، فإنه يعزز التكتل الدقيق. ومن أجل ضمان جودة السطح والجودة الداخلية ودقة الأبعاد، من الضروري التحكم الصارم في معلمات عملية تصنيع المعادن شبه الصلبة مثل معدل الطور الصلب، وحجم الشكل البلوري الأولي وكمية المعدن المنبعث. بالنسبة للمعادن ذات نقطة الانصهار العالية مثل سبيكة البرونز الفوسفوري Cu-Sn-P (Cu-8%Sn-0.1%P)، فإن درجة حرارة خط الطور السائل 1030 ℃، التي يصعب تشغيلها على الساخن، مع هذه السبيكة شبه الصلبة المصنوعة من صفيحة رقيقة لها نتائج واضحة. في الوقت الحاضر، كان من الممكن إعداد تنظيم ممتاز لسبائك الفولاذ المقاوم للصدأ شبه الصلبة، وسبائك الفولاذ عالية السرعة للأدوات.

5 المزايا التكنولوجية

تشمل مزايا تقنية الصب بالقالب شبه الصلب مزايا المنتج والعملية على حد سواء.

(1) مزايا العملية

(1) دون إضافة أي عامل تكرير للحبيبات للحصول على تنظيم دقيق للحبوب، مما يقضي على الصب التقليدي للبلورات العمودية والبلورات التشعبية الخشنة.

2) انخفاض درجة حرارة التشكيل (مثل سبائك الألومنيوم التي يمكن تخفيضها بأكثر من 120 درجة مئوية)، مما يوفر الطاقة.

3) إطالة عمر القالب. نظرًا لانخفاض درجة حرارة الملاط شبه الصلب الذي يشكل إجهاد القص، فإن درجة حرارة الملاط التشجيري التقليدي أصغر بثلاث مرات من حيث الحجم، وبالتالي فإن الملء السلس والحمل الحراري الصغير، وقوة التعب الحراري تنخفض.

4) تقليل التلوث والعوامل غير الآمنة. لأن العملية خالية من البيئة المعدنية السائلة ذات درجة الحرارة العالية.

(5) مقاومة التشوه الصغيرة، واستخدام قوة صغيرة يمكن أن يحقق معالجة متجانسة، وسهلة لتشكيل المواد التي يصعب معالجتها.

(6) تصلب أسرع وإنتاجية أعلى ودورة معالجة أقصر.

(7) مناسبة لاستخدام التصميم والتصنيع بمساعدة الكمبيوتر، وتحسين درجة أتمتة الإنتاج.

(2) ميزة المنتج

1)جودة المسبوكاتعالية. بسبب صقل الحبيبات والتوزيع الموحد للتنظيم، يتم تقليل انكماش الجسم، وتقليل ميل التشقق الحراري، والتخلص من ميل الانكماش على المصفوفة، وتحسين الخواص الميكانيكية بشكل كبير.

(2) انكماش التصلب صغير، لذلك بعد تشكيل دقة أبعاد عالية، وبدل تصنيع صغير، وقرب التشكيل الصافي.

(3) مجموعة واسعة من سبائك التشكيل. والسبائك غير الحديدية هي الألومنيوم والمغنيسيوم والزنك والقصدير والنحاس والسبائك القائمة على النيكل؛ والسبائك القائمة على الحديد هي الفولاذ المقاوم للصدأ، والصلب منخفض السبائك وما إلى ذلك.

(4) تصنيع مركبات المصفوفة المعدنية. استخدام اللزوجة العالية للمعادن شبه الصلبة شبه الصلبة، يمكن أن يجعل فرق الكثافة، والذوبان الصلب للمعادن المصنوعة من السبائك، ولكن أيضًا الاستخدام الفعال للمواد المختلفة المختلطة، المصنوعة من مواد مركبة جديدة.

6، تطوير تكنولوجيا الصب شبه الصلبة

6.1 تأثير الاضطراب الفاصل الزمني لدرجات الحرارة ودرجة حرارة الصب على تنظيم سبائك المغنيسيوم في الحالة شبه الصلبة

AZ91HP سبائك المغنيسيوم في تسخين فرن مقاومة بوتقة الفولاذ المقاوم للصدأ إلى 720 ℃ العزل 10 دقائق لمعالجة التكرير، في خط الطور السائل بالقرب من معالجة العزل قصيرة المدى، يمكن أن تقلل من ميل تكوين التنظيم الشجيري ؛ تقليل درجة حرارة المعالجة، يتم تسريع الذوبان المضطرب للحبوب إلى الشكل المتساوي المحور أو حتى التطور الكروي ؛ في فترة درجة الحرارة شبه الصلبة من معالجة نفخ الذوبان بالأرجون (Ar)، بحيث يتم إزعاج الذوبان لتحسين معدل التنوين، لتسريع اندماج الذراع الشجيري وتساوي قياس الحبوب. يمكن أن يؤدي تسريع اندماج الأذرع الشجيرية وتساوي الحبيبات إلى الحصول على توزيع موحد للتنظيم غير الشجيري؛ وهذا يجعل الصب شبه الصلب بعد التشكيل، يتم تقليل محتوى الطور β الصلب والهش، وتوزيع شبكي دقيق في حدود حبيبات الطور α الأولية، مما يحسن الخواص الميكانيكية للمسبوكات شبه الصلبة من سبائك المغنيسيوم (مسبك، 2006، 55 (2): 120-125).

6.2 طرق اللب المتقدمة للسبائك شبه الصلبة

من بين طرق صنع الملاط المتقدمة التي تم اقتراحها، فإن تقنية الصفيحة المائلة بسيطة من حيث المبدأ والمعدات، وسهلة التحكم في العملية، ومنخفضة التكلفة. تُستخدم طريقة الصفيحة المائلة لتحضير جهاز الملاط شبه الصلب شبه الصلب شبه سهل الانصهار عالي الكروم من الحديد الزهر الأبيض شبه الصلب، السائل المعدني في جسم التبريد تحت تأثير إثارة جسم التبريد، الأوستينيت بطريقة غير منتظمة عدد كبير من نمو التنوين، ذوبان شجري، الكسر، التكسير، التكسير وبالتالي الصقل، تشكيل الأوستينيت الكروي.

6.3 سبائك الألومنيوم شبه الصلبة المتغيرة الانسيابية من الألومنيوم Al-6Si-2Mg

سبائك الألومنيوم Al-6Si-2Mg، مع درجة حرارة خط الطور السائل 615 درجة مئوية ودرجة حرارة خط الطور الصلب 557 درجة مئوية، لها خصائص عملية متغيرة الانسيابية ممتازة. قضيب القضبان باستخدام طريقة الجزء العلوي الساخن، التحريك الكهرومغناطيسي الصب العمودي شبه المستمر، قطر 60 ~ 70 مم ؛ البليت في تسخين لفائف معدات الحث بالتردد المتوسط ، بداية التسخين السريع إلى 500 ℃، ثم التسخين البطيء، يصل اللب إلى 560 ℃، ثم يقلل من قوة التسخين، في اللب يصل إلى 575 ℃، بعد الانتقال إلى 2800KN آلة صب القالب بالغرفة الباردة الأفقية، صب القالب في محرك السيارات على استخدام غطاء مضخة المياه. الصب بالقالب شبه الصلب، وقد ذاب α-Al في صب القالب عالي السرعة في تلامس القص عالي السرعة في الشكل، وجزء من نمو α-Al الأولي، وجزء من التصلب إلى α-Al ثانوي كروي دقيق. التنظيم سهل الانصهار ل Mg2Si من تنظيم الصب المستمر أكثر صغرًا ؛ بسبب التنظيم شبه الصلب لغير المسامي، بمقدار 540 ℃، 8 ساعات من معالجة المحلول الصلب ثم إخماده، ثم بمقدار 170 ℃، 6 ساعات من الشيخوخة الاصطناعية، للحصول على ما يلي الخواص الميكانيكية: قوة الشد 340 ميجا باسكال، قوة الخضوع 310 ميجا باسكال، الاستطالة 3.5% (Casting, 2005, 54(5): 475-478).