1.9. Принципы и способы воздействия на теплообменные и кристаллизационные процессы в системе металл-форма

Основными способами, направленными на повышение уровня механических и эксплуатационных свойств металла являются:

1) получение отливок с мелкокристаллической структурой;

2) создание условий затвердевания металла в литейной форме, позволяющих получать отливки без кристаллизационных дефектов.

Все применяемые в настоящее время способы можно разделить на физико-химические, теплообменные, механические и воздействия внешних полей.

Из физико-химических методов основным является модифицирование. Способ заключается во введении в расплав модификаторов, способствующих измельчению, изменению форм кристаллов и структурных составляющих; при этом химический состав сплава существенно не меняется, т.к. доля таких добавок составляет доли процента.

По классификации Ребиндера выделяют класс модификаторов I-го рода (М1) и класс модификаторов II-го рода (М2). Модификаторы М1 непосредственно образуют центры кристаллизации, являясь при этом либо твердыми частицами (например, TiС, TiN и др.) с высокой температурой плавления (инокуляторы), либо тугоплавкими частицами, образовавшимися в результате реакций взаимодействия с компонентами сплава.

Модификаторы второго рода (М2) являются поверхностно-активными веществами. После попадания в расплав они адсорбируются на поверхности кристаллов и тормозят их рост. Такие вещества называют ингибиторами, а саму операцию с их применением - ингибицией.

Замедление скорости роста кристаллов вызывает переохлаждение на фронте кристаллизации и создает условия либо для проявления активности имеющихся в расплаве “слабых” центров, либо для возникновения новых.

Модификаторы М2 способствуют измельчению зерновой основы сплава, подавляют рост анизотропных форм кристаллов и активируют процесс глобулиризации пленочных образований, понижают поверхностное натяжение сплавов.

Часто в расплав вводят вещества, которые вызывают реакцию замещения одних химических элементов в поверхностном слое неметаллических включений на другие, понижающими поверхностное натяжение и способствующими удалению пленочных выделений или их глобулиризации. Кроме того, они позволяют изменить морфологию выделений типа оксидов, сульфидов, нитридов и др. Такие вещества называют инверсорами, а операцию с их применением – инверсией. Как правило, роль ингибиторов и инверсоров выполняют щелочные и редкоземельные элементы, например Ca, Na, Ce, Mg и др. Они могут влиять, кроме воздействия на структуру, на процессы раскисления, десульфорацию. В расплаве их растворимость должна быть низкой β≤(5-30) ат. %, коэффициент распределения в сплаве ω =5*10^-4-2*10^-1

Рис. 1.19. Схема структур стали, силумина

На рис.1.19 показаны схемы изменения структуры: малоуглеродистой стали (а) и при модифицировании её бором (б); силумина (в) и после модифицирования его натрием (г).

Измельчения зерновой структуры достигают путем интенсификации теплообмена межу отливкой и формой; при заданном составе литейного сплава управляемым параметром является коэффициент тепловой аккумуляции формы (b_ф), который связан с коэффициентом затвердевания (К) уравнением:

, (1.26)

где ρ – плотность затвердевающего металла;

L – скрытая теплота кристаллизации.

Повышения величины b_ф (также К) можно достигнуть за счет использования металлов в качестве материалов формы, организацией конвективных потоков, охлаждающих форму с отливкой, применением металлических или жидкометаллических холодильников и другими способами. Ускорение процесса кристаллизации происходит при введении в расплав микрохолодильников, переводящих расплав в состояние суспензии (литье из двухфазного состояния).

Новым в технологии является применение термовременной обработки сплава перед его заливкой в форму: значительный перегрев, выдержка в перегретом состоянии (с целью дезактивации частиц, которые могли бы стать центрами кристаллизации), быстрое охлаждение расплава, способствующее возникновению новых центров кристаллизации с высокой концентрацией. В результате в отливках формируется высокодисперсная зерновая структура.

Достаточно эффективным является воздействие на расплав электромагнитным полем; при этом увеличиваются скорости зарождения и роста кристаллов, коэффициент диффузии, снижается необходимая степень переохлаждения. В результате измельчаются кристаллы, усадочная раковина становится . концентрированной и поэтому ее легче вывести в прибыль. Для повышения плотности литого металла полезно использовать внешнее давление (газовое или поршневое) на затвердевающий металл; при таком воздействии улучшаются условия фильтрационного питания металла (особенно в тепловых узлах отливок), снижается склонность металла к образованию горячих трещин.

Любой способ перемешивания расплава позволяет улучшить зерновую структуру отливок, но наибольший эффект получается при газоимпульсной обработке.

В отливках сложной конструкции, склонных к объемной кристаллизации и накоплению значительных внутренних напряжений, для получения металла без кристаллизационных дефектов требуется создать условия для одновременной кристаллизации по всем сечениям.

Основным направлением по уменьшению кристаллизационных дефектов в отливках ответственного назначения является организация направленного затвердевания. Коэффициент направленного затвердевания определяют по формуле

(1.27)

Он должен быть как можно больше, например, при стальном литье ~(5-50) c/см; здесь и - время затвердевания двух ближайших в отливке сечений, отстоящих друг от друга на .

Способ направленного затвердевания можно реализовать, если создать положительный температурный градиент:

• за счет теплоизоляции быстрозатвердевающих частей отливки и охлаждения медленно охлаждающихся частей;

• за счет введения в конструкцию отливки технологических напусков или применения прибылей;

• за счет регулирования скорости охлаждения отливки в соответствии с наличием в ее конструкции тонких и массивных элементов.

Примеры технологических решений задачи организации направленного затвердевания показаны на рис.1.20.

Рис. 1.20. Схемы процессов направленной кристаллизации: а - статичное положение отливки; б - вытягивание отливки из зоны нагрева. 1 – направление теплоизлучения со стороны нагревателей; 2 – прибыль; 3 – витки индуктора (зачерненные- под током, светлые – обесточенные); 4 – керамическая оболочка с отливкой; 5 – водоохлаждаемый холодильник; 6 – направление теплоотвода от формы