книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

ким стеклом с наложением ультразвука с целью уменьшения трения между порошком, контейнером и матрицей.

Результаты измерения силы, потребной для под­ держания постоянной скорости истечения (0,19 см3/сек), показаны на рис. 50 в зависимости от времени. Моменты включения ультразвука выделены

пунктиром; на рисунке отчетливо видно, что необходи­ мое усилие экструзии при действии ультразвука пада­ ет почти в 3 раза. Вспомним аналогичное явление, на­ блюдаемое при растяжении в поле ультразвука, (рис. 34). Влияние ультразвука на процесс прессова-

120

Ния в сильной степени Зависит бт вязкости смеси по­ рошка с жидкостью и достигает максимума при опре­ деленном критическом соотношении компонентов. Оче­ видно, здесь может иметь значение также ожижающее

табл. 10, ультразвуковая обработка в процессе спека­ ния повысила прочность и плотность образцов.

Под действием ультразвука может произойти так­ же ускорение процесса спекания [30]. Следует надеять­ ся, что в скором будущем мы будем свидетелями но­ вых успехов ультразвука в этой области металлургии.

121

ГЛАВА VII

ТЕРМОУЛЬТРАЗБУКОВАЯ ОБРАБОТКА

Фасонные отливки и слитки, деформированные по­

получить от металлов и сплавов все необходимые для практики свойства.

Изменение структуры и свойств, происходящее в металлах и сплавах под действием термической обра­ ботки, связано с прохождением процессов диффузии и самодиффузии. При комнатной температуре скорость диффузии крайне мала. Однако подъем температуры и обработка давлением могут существенным образом ус­ корить протекание этих процессов — недаром в пос­

1 Здесь и далее мы придерживаемся классификации Л. А. Бочва-

ра.

122

ледние годы такое широкое применение получил новый вид термической обработки — термомеханическая об­ работка, сочетающая обработку нагревом и пластичес­ кой деформацией.

Наложение упругих деформаций ультразвуковой частоты, как показали многочисленные опыты, может также интенсифицировать процесс термической обра­ ботки и оказаться полезным на практике.

Читатель, видимо, помнит, что при проведении пластической деформации под действием ультразвука удавалось повысить плотность дислокаций. Поэтому вполне правомочны представления ряда исследовате­ лей, которые считают, что термоультразвуковая обра­ ботка, особенно при высоких температурах, способст­ вует размножению дефектов структуры. Однако меха­ низм этого воздействия ультразвука пока не исследо­ ван полностью.

процессы термической обработки. По этой гипотезе за счет потерь энергии по границам зерен происходит ло­ кальный разогрев материала. В специально поставлен­ ных опытах Ю. Ф. Балалаеву [31] удалось разогреть ультразвуком полуволновой образец из отожженного железа почти до плавления.

Кроме того, ультразвук может оказывать своеобраз­ ное косвенное влияние на процессы термической обра­ ботки. К таким косвенным эффектам относится преж­ де всего ультразвуковая закалка, когда улучшают ус­ ловия теплообмена детали в закалочной жидкости, т. е. повышают прокаливаемость металла и фиксируют определенную структуру (пересыщенный твердый рас­ твор). К косвенным эффектам ультразвуковой обра­

123

ботки, пожалуй, можно отнести и сокращение длитель­ ности термической обработки отливок, если последние получены с применением ультразвука при литье и име­ ют измельченную структуру.

Поскольку ультразвуковое воздействие опробовано почти во всех видах термической обработки, рассмот­ рим его кратко применительно к каждому из них.

Отжиг металлов и сплавов

Здесь различается диффузионный отжиг для устра­ нения химической неоднородности, отжиг—рекристал­ лизация и отжиг для снятия внутренних напряжений.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) для слитков является самостоятельной операцией, для фасонных отливок он органически входит в процесс нагрева под закалку. Обычно на машиностроительных заводах дли­ тельность нагрева под закалку отливок из алюминие­ вых сплавов составляет 10—20 ч. Применение ультра­ звуковой обработки расплавленного алюминия и его сплавов с целью дегазации и модифицирования или отливка деталей и слитков с ультразвуковой обработ­ кой в процессе кристаллизации настолько измельчает зерно литого металла, что возникает реальная возмож­ ность снизить длительность диффузионного отжига без снижения качества металла. Применение термоультра­ звуковой обработки в процессе диффузионного отжига слитков, по данным Ф. С. Новика [32], также может оказаться весьма выгодным, однако пока еще не раз­ работана промышленная технология этого процесса.

После деформации структура металла сильно ме­ няется— зерна вытягиваются в направлении деформа­ ции, изменяется их внутреннее строение. После холодной деформации металл оказывается в неравновесном состоя­

124

нии из-за того, что в нем запасена энергия деформации. Чтобы вернуть деформированный металл в равновес­ ное состояние, применяют отжиг, причем в зависимо­ сти от температуры нагрева может измениться струк­ тура лишь внутри зерен (так называемая полигонизация — дробление зерен) или же начаться рекристалли­ зация. В этом последнем случае происходит рост но­ вых зерен за счет старых деформированных и замена одних зерен другими. Явления упрочнения в процессе холодной деформации и разупрочнения при нагреве объясняются взаимодействием дислокаций.

Если при малой пластической деформации дислока­ ции взаимодействуют слабо, то при увеличении степе­ ни деформации начинают образовываться скопления дислокаций и упрочнение возрастает. Наконец, при очень большой степени пластической деформации воз­ растает возможность встреч дислокаций и взаимоуничтожения — на этой стадии или сразу же за ней начинает ся разупрочнение. При нагреве процесс взаимоуничтоже ния дислокаций облегчается.

Интересно, что, если деформацию проводить под воздействием ультразвука и, следовательно, обеспечить большую плотность дислокаций, процесс рекристалли­ зации может протекать ускоренно, причем ускорение пропорционально мощности ультразвука.

На рис. 51 показаны кривые, иллюстрирующие ки­ нетику рекристаллизации деформированной в различ­ ных условиях алюминиевой проволоки диаметром 1,07 мм при температуре нагрева 305°С. По падению микротвердости в зависимости от длительности нагре­ ва можно легко проследить, что скорость рекристалли­ зации при предварительном воздействии ультразвука при деформации растет в несколько раз.

125

После литья, сварки, обработки резанием, дефор­ мации и термической обработки в металлических из­ делиях создаются внутренние напряжения, которые могут вызвать разрушение ответственных конструкций в процессе эксплуатации, складываясь с действующими

'■«ЧЦ

на деталь внешними нагрузками, что приводит к превышению нагрузкой предела прочности материала. Ес­ тественное снижение этих напряжений может изме­ нить размеры изделий. Опыты показали, что наложе­ ние знакопеременных ультразвуковых напряжений сни­ жает внутренние напряжения в металле до безопасно­ го предела.

На рис. 52 [33] показаны эпюры напряжений в об­ разцах стали ХВГ, широко применяемой для изготов­ ления мерительного инструмента. При закалке этой

126

Зе (аустенита) в уже упоминающейся инструментальной стали ХВГ. Образцы этой стали после нагрева при 1000°С и устеиизации в течение 20 мин переносили в ван­ ну с температурой 550°С и обрабатывали ультразвуком с амплитудой колебания от 5 до 15 мкм в продолжение

0,5 ч.

На рис. 53 показаны кривые превращения аустени­ та в другой твердый раствор железа — мартенсит; по этим кривым можно судить, что образование мартен­ сита идет тем интенсивнее, чем выше ультразвуковая мощность (амплитуда смещения).

Закалка

Закалка, как и фазовая перекристаллизация, воз­ можна только для сплавов, в которых взаимная рас­ творимость основных компонентов меняется в зависи­ мости от температуры. При достаточно энергичном ох­ лаждении удается зафиксировать состояние сплава, ус­ тойчивое при температуре нагрева под закалку: в про­ тивном случае может образоваться новая фаза, обычно неустойчивая при низкой температуре.

Для того, чтобы закалка была полной, необходимо соблюсти следующие условия: выдержать сплав при определенной температуре нагрева и как можно быст­ рее охладить. Первое условие выполнить нетрудно; ско­ рость же охлаждения зависит не только от свойств за­ калочной среды, но и от конфигурации изделий. Очень часто большое различие в сечении сложных деталей и большая разница в температурах нагретого изделия к закалочной жидкости приводит к тому, что деталь не прокаливается. Она имеет различные свойства по сече­ нию и поэтому последующая операция термической обра­

128

ботки — отпуск не дает возможность получить в этом изделии нужные свойства.

Исследования показали, что создание в закалочной жидкости мощных ультразвуковых колебаний повыша­ ет прокаливаемость изделий за счет уже упомянутого выше воздействия на закалочную жидкость. Когда в за­ калочную жидкость, например в воду, или масло, поме­

влиянию ультразвука на закалку в воду двух распрос­ траненных алюминиевых сплавов — литейного АЛ9 и деформируемого В96.

Полученные после окончательной термической обра­ ботки (закалка и старение) прочностные и пластичес­ кие характеристики сплавов ясно показывают благо­ приятное действие ультразвука.