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

ОДим раз, запомнишь надолго исключительную добросо­ вестность и трудолюбие кавитационных пузырьков.

Процесс ультразвуковой очистки часто сочетается с химическим растворением загрязнения. Об этом подроб­ но будет рассказано при рассмотрении процесса травле­ ния в ультразвуковом поле.

Вообще говоря, механизм ультразвуковой очистки — это сложный физико-химический процесс, в котором, с одной стороны, участвуют силы химического взаимодей­ ствия между растворителем и загрязнением, а с другоп- - акустическая кавитация. Поэтому эффективность уль­ тразвуковой очистки так сильно зависит от свойств жидкости (поверхностного натяжения, вязкости, темпера­ туры, содержания газов) и параметров ультразвука (ча­ стоты и интенсивности). Каждый применяемый для очи­ стки растворитель имеет наибольшую эффективность при некоторой определенной температуре, выше и ниже ко­ торой результативность очистки падает. Это явление свя­ зано с температурой начала образования пузырьков па­ ра жидкости. Испарение жидкости способствует образова­ нию паровых кавитационных пузырьков, но одновремен­ но с этим растет давление пара внутри пузырька и эф­ фективность захлопывания пузырьков снижается. Из этих соображений выбирают оптимальные рабочие тем­ пературы для различных растворителей.

Ниже даны значения оптимальной рабочей темпера­

100

Весьма важным условием при выборе растворители является его способность смачивать загрязнения и по­ верхность очищаемого тела. Чтобы улучшить смачивае­ мость, в растворы добавляют поверхностно активные ве­ щества (ПАВ); на поверхности раздела жидкость — за­ грязнение возникает мономолекулярный слой ПАВ, по­ верхностное натяжение жидкости снижается, и смачива­ емость растет. При ультразвуковой очистке жировых за­ грязнений применяют слабощелочные растворы с добав­

хлорэтилен и др.). Для очистки, например, от травиль­ ного шлама (шлак на поверхности листов трансформа­

стали, по данным тех же авторов, ультразвуковая очист­ ка в воде позволила отказаться от очень трудоемкой и вредной для человека ручной очистки в ацетоне с приме­ нением войлочных протиров. Полоса стали 1Х18Н9Т, идущая со скоростью 0,018 м/сек, перед формующим ста­ ном и аргоно-дуговой сваркой очищается ультразвуком в проточной воде, находясь в зоне очистки в течение всего

4 сек.

Однако чаще всего для ультразвуковой очистки про­ дукции металлургических заводов применяют слабые щелочные растворы. Рассмотрим промышленный процесс ультразвуковой очистки полосы трансформаторной стали марки Э-330, описанный Ю. В. Кошелевым, Б. А. Агранатом и В. И. Башкировым [36]. Особенностями про-

локой устанавливаются на смоточном устройстве с тор­ мозным механизмом. Роликами 2 проволока направляет­ ся в последовательно расположенные три ультразвуко­ вые ванны 3, в дно которых встроены четыре магнитострикционных преобразователя. Проволока передвигает­

правляющим роликам 2 проволока поступает на намот­ ку 9.

Удаление прочных окисных пленок с поверхности ме­ таллов обычно достигается за счет кислотного травления,

164

ления окалины на сталях за счет применения ультра­ звука увеличивается в 10—15 раз, в то время как ультра^- звуковая очистка от легких (жировых) загрязнений обычно повышает производительность процесса в 3— 5 раза. При травлении с ультразвуком увеличивается ко­ личество механически отделяемой окалины, сокращается расход кислоты и улучшается поверхность изделий.

Для выяснения природы травления в ультразвуковом поле Ю. В. Кошелевым [36] были поставлены специаль­ ные опыты по скоростной (до 3000 кадров/сек) кино­ съемке процесса. Объектом исследования служили об­ разцы из углеродистой стали, покрытие тонкой пленкой эпоксидной смолы, имитирующей слой окалины; в пленке были искусственно сделаны поры для доступа травителя. Ультразвуковая обработка велась на частоте 20 кгц в растворе 20%-ной серной кислоты при температуре 60— 80°С, т. е. в условиях, которые обычно применяются в промышленности при травлении.

Анализ полученных кинокадров позволил установить причину ускорения процесса травления в поле ультразву­ ка. Если при обычном химическом травлении образу­ ющиеся в результате реакции травления водородные пу­ зырьки плотно закупоривают имеющиеся на поверхности пленки (окалины) поры и препятствуют доступу свежих порций раствора, то под действием ультразвука пузырьки «срываются» со своих насиженных мест.

Происходит ли это за счет кавитационных ударов, пульсаций самих водородных пузырьков или благодаря микропотокам возле пузырьков, пока установить точно не удалось, однако установлен факт своеобразного уда­ ления пузырьков водорода; при этом на месте удаленных пузырьков тут же образуются новые (вследствие реакции металла со свежими порциями травителя), и процесс травления ускоряется. Киносъемка позволила наблюдать

165

сам момент механического отслоения пленки окалины под совместным действием трех факторов: пульсации водо­ родных и кавитационных пузырьков и воздействия удар­ ных импульсов захлопывающих кавитационных пузырь­ ков. Картина отслоения пленок во многом аналогична рассмотренной ранее схеме ультразвуковой очистки (см. рис. 71) с тем только отличием, что водородные пузырь­ ки пульсируют с меньшей частотой, чем кавитационные.

Во многих процессах ультразвуковой обработки в жидкости обнаружено влияние интенсивности ультразву­ ка на эффективность процесса, причем ранее считалось, что чем выше интенсивность, тем процесс идет быстрее. Позднее обнаружили, что это не так; почти всем процес­ сам ультразвуковой обработки в жидкости соответству­

цесса замедляется, хотя при этих значениях интенсивно­ сти процесс кавитации все еще энергично развивается. В то же время при дальнейшем увеличении интенсивно­ сти ультразвука эффективность очистки проходит через

166

ГЛАВА XI

С О З Д А Н И Е Н О В Ы Х М А Т Е Р И А Л О В ПР И П О М О Щ И У Л Ь Т Р А З В У К А

Бурный рост новых отраслей — электроники и полу­ проводниковой техники, космической и атомной инду­ стрии — поставил перед металлургами задачи по созда­ нию материалов с неизвестными ранее свойствами.

Кэтим материалам относятся сверхчистые металлы

иполупроводники, количество примесей в которых изме­ ряется величиной ЫО"7—Ь10_10%, и композиционные

дов, позволяющие совместить в одном материале свойст­ ва металла и керамики, и т. д.

В этой главе будут рассмотрены методы получения таких материалов с помощью ультразвука, так как при­ менение мощного ультразвука открывает новые возмож­ ности в технологии получения новых материалов.

Получение сверхчистых веществ стало возможным после изобретения в 1952 г. В. Д. Пфанном метода зон­ ной плавки. Зонная плавка заключается в последова­ тельном расплавлении небольших участков слитка из очищаемого материала, называемых «зонами», причем такая зона медленно перемещается вдоль очищаемого слитка. Эффективность очистки зависит от ширины зоны и скорости ее перемещения. Очевидно, что если зона дви­ жется с очень малой скоростью, то в результате диффу­ зии в твердо-жидком состоянии может быть достигнуто

168

равновесие п содержание удаляемой примеси не будет меняться. С другой стороны, при очень большой скорости перемещения зоны возможен захват примесей растущи­ ми кристаллами прежде, чем они продиффундируют в глубь расплавленной зоны.

Обычно зонное рафинирование производится за не­ сколько проходов зоны с малой скоростью вперед и на­ зад по слитку (рис. 76). Перераспределение примеси про­ исходит путем перемещения жидкого расплава в зоне и диффузии примеси через пограничный диффузионный

ростью диффузии примесей в твердой фазе и существен­ но меньше скорости диффузии примеси в жидкой фазе.

Как показали опыты, перемешивание в жидкой зоне несколько увеличивает конвективную диффузию в жид­ кости, но толщина диффузионного слоя при этом остает­ ся без изменения, в то время как именно она определяет эффективность процесса.

В гл. VII уже говорилось о том, что ультразвуковая обработка жидкости на границе с твердым телом позво­ ляет t успехом уменьшить толщину диффузионного слоя и ускорить диффузию в твердое тело [35]. Изобретатель процесса зонной плавки В. Д. Пфапн также высказывал

нафталина, специально загрязненного добавками азо­ бензола, чтобы показать возможности ускорения процес­ са зонной очистки с применением ультразвука [45].

Бесцветный нафталин окрашивали добавкой 0,2% азобензола в яркий оранжевый цвет, поэтому результа­ ты очистки можно было видеть невооруженным глазом

169