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

талл, уменьшает энергию образования кристаллического зародыша. Особо следует подчеркнуть при затвердева­ нии металлов и сплавов под действием ультразвука роль всякого рода примесей и модификаторов. Они образуют с основным металлом химические соединения (интерметаллиды), которые служат дополнительными центрами (зародышами) кавитации и кристаллизации.

Такой механизм действия ультразвука на первично кристаллизующуюся фазу можно легко наблюдать под микроскопом, если на предметный столик поместить кап­ лю перегретого раствора обычного нашатыря и возбу­ дить в этой капле ультразвуковые колебания.

На рис. 21 представлен ряд последовательных микро­ фотографий процесса кристаллизации перегретого рас­ твора нашатыря.

При спокойном затвердевании кристаллики нашаты­ ря растут с поверхности раздела (стенок) в виде раз­ ветвленных дендритов. При действии ультразвука уже через 1—2 сек вся прозрачная до этого жидкость мутне­ ет, причем во всем объеме капли появляется громадное количество маленьких хорошо ограненных кристалликов почти равного размера.

Этот опыт наглядно показывает влияние ультразвука на процесс кристаллизации из расплава какой-либо фазы.

Если это расплав с модификаторами, то ультразвук влияет на процесс кристаллизации химического соедине­ ния модификатора с основным металлом. Создавая гро­ мадное количество дополнительных центров кристалли­ зации, ультразвуковая обработка измельчает структуру отливки и повышает ее механические свойства.

Итак, вооружившись ультразвуковым методом обра­ ботки затвердевающей отливки, можно повысить проч-

60

Рис. 22. Диаграмма изменения механических свойств алюминиевого сплава АЛ40 при измерении на отдель­

ковая обработка расплава и точное литье с кристал­ лизацией под давлением в поле ультразвука

ность выбранного для литья этой детали сплава. Прак­ тика фасонного литья алюминиевых сплавов с ультра­ звуком показала, что степень упрочнения под действием ультразвука зависит от скорости охлаждения отливки (длительности существования твердо-жидкого состоя­ ния) и присутствия в составе сплава модификатора.

На рис. 22 представлена диаграмма упрочнения за счет ультразвуковой обработки сплава АЛ40 для упомя­

62

нутого выше турбинного колеса. Показанные на Диа­ грамме результаты не исчерпывают возможностей ульт­ развука в фасонном литье. Ультразвуковой метод воз­ действия на кристаллизующийся металл позволяет соз­ давать новый тип сложных отливок — высокопрочное ар­ мированное литье. Вернемся снова к нашему примеру. Для надежной работы турбинного колеса из алюминие­ вого сплава необходимо каким-либо образом воспрепят­ ствовать процессу течения материала колеса при значи­ тельных центробежных нагрузках. Это можно осущест­ вить, если большую часть нагрузки примет на себя спе­ циально вмонтированная в тело отливки арматура из вы­ сокопрочного титана. Чтобы такая арматура составляла единое целое с остальной частью отливки, требуется соз­ дать хороший молекулярный контакт между отливкой из алюминиевого сплава и арматурой из титана. Такой контакт, как видно из фотографии (рис. 23) разрушенно­ го литого армированного турбинного колеса, создать удается.

Показанная на фотографии арматура (рис. 23,6) пе­ ред установкой в форму для заливки металлом проходит операцию алитирования (нанесение покрытия из мате­ риала отливки). Прочно и быстро покрыть титан диффу­ зионным слоем алюминия можно лишь в поле ультразву­ ка. Дело в том, что алитирование титана в отсутствие ультразвукового воздействия длится часами, при этом в пограничном слое вырастают хрупкие интерметаллидные фазы, ослабляющие покрытие. Ультразвуковая обработ­ ка уже в течение 1—5 мин позволяет получить прочное диффузионное покрытие без хрупких интерметаллидов. Дальнейшее изготовление армированной отливки осу­ ществляется также с применением ультразвука, так как для создания контакта между металлом покрытия и рас­ плавом отливки, чтобы получить однородную отливку,

63

Давно уже заметили, что воздействие упругих ко* лебаний на вязкую среду (в том числе н на кристаллизу­ ющийся расплав) увеличивает ее текучесть, что дает воз­ можность получить более тонкую форму отливки.

Это явление обнаружено и при ультразвуковом воз­ действии на процесс кристаллизации сложных фасонных отливок.

Что же при этом происходит?

При соприкосновении жидкого металла с поверхнос­ тью литейной формы расплав может либо смачивать форму, либо не смачивать ее.

Как показывает опыт, поверхностное натяжение на границе расплав—-форма может существенно умень­ шиться, если в жидкости возбуждаются мощные ультра­ звуковые колебания. Снижение поверхностного натяже­ ния происходит, вероятно, за счет уменьшения «трения» колеблющейся жидкости о смачиваемое твердое тело.

В промышленности это действие ультразвука широко используется при металлизации керамики в расплаве в пайке. При возбуждении в расплавленном припое ульт­ развуковых колебаний легко образовать прочное метал­ лическое покрытие даже на таких несмачиваемых в обычных условиях материалах, как графит, кварц и др.

Итак, ультразвуковое воздействие на кристаллизую­ щуюся отливку может привести к смачиванию распла­ вом материала формы и тем самым улучшению заполне­ ния тонких сечений металлом.

Повышение жидкотекучести при смачивании легко показать с помощью несложного опыта. Если залить во­ дой сообщающиеся сосуды и в сосуд с большим диамет­ ром опустить колеблющийся с ультразвуковой частотой стержень, можно получить приращение разности уров­ ней в сосудах на 50%. Наблюдения позволяют отметить, что заполнение тонкого конца капилляра происходит

под ультразвуковым воздействием быстрее, чем в отсут­ ствие ультразвука. При заполнении капилляра жидко­ стью в мощном ультразвуковом поле в ней развивается кавитация.

Захлопнувшаяся кавитационная полость, как показа­ ла ускоренная киносъемка в исследованиях Б. А. Аграната и В. И. Башкирова [5], инициирует импульс удар­ ной волны, который как бы «выталкивает» воздух из ка­ пилляра, давая простор для заполнения канала жидко­ стью.

Возвращаясь к процессу формирования литого тур­ бинного колеса, можно отметить, что сложный профиль его лопатки с выходной кромкой лопатки в 0,1 мм мож­ но получить в специальной гипсо-асбестовой форме с высокой газопроницаемостью либо при создании внутри формы пониженного давления и литье методом вакуум­ ного всасывания, либо путем создания избыточного дав­ ления на расплав, поступающий в форму. При малей­ шем изменении состава гипсо-асбестовой смеси и пони­ жении ее газопроницаемости заполнить лопатки метал­ лом не удается.

Ультразвуковое воздействие на процесс затвердева­ ния сложных отливок позволяет осуществить заполне­ ние лопаток при любой газопроницаемости формы.

В заключение этой главы покажем, как можно кон­ структивно оформлять процессы литья в ультразвуковом поле.

На рис. 24 а, б и в приведено несколько возможных схем точного литья с ультразвуком — литье мето­ дом вакуумного всасывания и литье в автоклаве под повышенным давлением.

Общим в приведенных схемах литья с ультразвуком является создание условий акустического контакта меж-

66

Подача I жидкого * металла

кристаллизацией под давлением

ГЛАВА IV

Л И Т Ь Е с л и т к о в С У Л Ь Т Р А З В У К О В О Й О Б Р А Б О Т К О Й

Прокатанный лист и прессованный профиль, кованая или штампованная деталь и другие деформированные по­ луфабрикаты получают из слитков определенной формы.

Обычно слитки металлов изготовляют методом не­ прерывного или полунепрерывного литья, когда процесс литья расплавленного металла и формирование слитка происходят одновременно и непрерывно в течение дли­ тельного отрезка времени (от нескольких минут до не­ скольких часов).

Метод непрерывного литья слитков — наиболее про­ грессивный технологический процесс, и в настоящее вре­ мя слитки большинства технических металлов и спла­ вов получают именно этим методом. Конечно, условия литья различны для различных металлов. Если процесс непрерывного литья алюминия и его сплавов происхо­ дит на воздухе, а литье магния и его сплавов осуществ­ ляют в среде защитного газа, то литье тугоплавких ме­ таллов и сплавов (титан, ниобий, молибден и др.) ведут в вакууме или в инертной атмосфере.

Глубокое изучение закономерностей формирования слитков, изготовляемых методом непрерывного литья, позволило советским ученым В. И. Добаткину, В. А. Ли-

69