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

Панову и др. [19] заложить металлургические основы

непрерывного литья цветных металлов.

Одной из основных закономерностей непрерывного литья является глубокая связь между скоростью крис­ таллизации и размерами и формой лунки (жидкая часть кристаллизующегося слитка).

При формировании слитка методом непрерывного литья в водоохлаждаемый кристаллизатор граница меж­ ду лункой и фронтом кристаллизации (поверхностью лунки) сохраняется постоянной при определенных значе­ ниях скорости литья и сечения слитка. У чистых метал­ лов и однофазных сплавов, интервал кристаллизации ко­ торых близок к нулю, переходной зоны между фронтом кристаллизации и твердой частью слитка нет. Сложные сплавы при литье образуют относительно большую пере­ ходную зону, величина которой тем больше, чем шире температурный интервал кристаллизации.

Формирование структуры слитка происходит глав­ ным образом в переходной зоне, хотя возникновение центров кристаллизации возможно также и в объеме лунки. Большая скорость охлаждения позволяет при кристаллизации, как правило, получать в слитке мел­ кую структуру, однако в слитках больших сечений, ког­ да трудно обеспечить равномерный отвод тепла по все­ му объему затвердевающего металла, возникает опас­ ность получения грубой крупнозернистой структуры.

Вероятность образования грубой структуры увеличи­ вается и при переходе к тугоплавким металлам и спла­ вам, процесс плавления которых требует огромных за­ трат тепла, а отвод тепла ограничивается теплопровод­ ностью охлаждающей кристаллизатор воды.

При литье легированных сплавов возникает другая опасность. В процессе их затвердевания первыми крис­ таллизуются интерметаллидные соединения, причем они

70

зарождаются по пути к кристаллизатору или в лунКе слитка и вырастают в грубой дендритной форме, сни­ жая пластичность литого металла.

Хотя скорость отвода тепла от кристаллизующегося слитка является основным фактором, определяющим его структуру, немаловажное значение для формирова­ ния строения слитка (плотности и газосодержания, хи­ мической однородности и т. д.) имеют также два дру­ гих фактора: условия питания жидким металлом фрон­ та кристаллизации, а также движение и давление рас­ плава вблизи поверхности кристаллизации.

Поскольку в технических металлах и сплавах всегда имеются примеси, движение расплава в объеме лунки может содействовать активации примесей и равномер­ ному их распределению в объеме слитка.

Проблема улучшения структуры слитка может быть решена либо металлургическими способами — введени­ ем в состав сплавов модификаторов, либо физическими

кристаллизации и в объеме лунки интенсивных ультра­ звуковых колебаний.

В зависимости от способа литья слитка и типа спла­ вов могут использоваться различные схемы возбужде­ ния ультразвука в слитке. При литье слитков из алюми­ ниевых, магниевых, медных и других сплавов, когда рас­ плавленный металл из печи попадает в кристаллизатор, установленный в машине непрерывного литья, ультра­ звуковые -колебания обычно подают сверху в лунку кристаллизатора через жидкую фазу (рис. 25, а). При вакуумном дуговом или электрошлаковом переплаве, а

71

72

также при электроннолучевой плавке тугоплавких ме­ таллов и сплавов поступают иначе: ультразвуковые ко­

имеют место все те явления, которые наблюдаются при кристаллизации фасонных отливок. Однако весьма быстрый по сравнению с фасонным литьем процесс за­ твердевания слитков накладывает на эффект ультра­ звуковой обработки свой отпечаток.

Специфика непрерывного литья состоит в направ­ ленном последовательном затвердевании металла; рас­ плавленный металл постепенно проходит три стадии: он жидкий в лунке, твердо-жидкий в переходной облас­ ти и твердый в готовом слитке. При этом способе литья удобно вводить ультразвуковые колебания в лунку слитков алюминиевых и магниевых сплавов, имеющих невысокую температуру плавления. В случае же элект­ роннолучевой или вакуумной дуговой плавки тугоплав­ ких металлов введение колебаний возможно только че­ рез твердую фазу и для получения того же эффекта требуются значительные более высокие энергетические затраты (табл. 3).

Различная энергия вводимых в слиток ультразвуко­ вых колебаний при непрерывном литье и при вакуумном дуговом переплаве связана прежде всего с тем, что нс редача ультразвука через твердую часть слитка (рис. 25,6) приводит к значительным потерям энергии в твер­

таком способе ультразвуковой обработки жидкая лунка слитка вовсе не обрабатывается ультразвуком. На это, в частности, указывает и отсутствие эффекта дегазации при ультразвуковой обработке при вакуумном дуговом

73

Т а б л и ч а 3

Сравнение энергетических показателей ультразвуковой обработки слитков по данным разных авторов

с другой стороны, обработка слитка через твердую фазу исключает из рассмотрения такой больной для ультра­ звуковой обработки расплавов вопрос, как стойкость излучателя: в этом случае сам затвердевающий слиток служит излучателем ультразвуковых колебаний.

эффициент использования ультразвуковой энергии и до­

ближайшие годы ультразвуковая обработка слитков бу­ дет идти обоими путями.

74

1еперь вернемся к рассмотрению тех результатов, которые дает ультразвуковая обработка слитков. На рис. 26 показана схема ультразвуковой установки для

Рис. 26. Схема ультразвуковой обработки слитка

из алюминиевого сплава при литье погружением

[20]:

/ — кристаллизатор; 2 — излучатель; 3 — ковш для разливки металла; 4 — жидкая лунка

литья слитков дюралюминия диаметром до 300 мм. Ус­ тановка состоит из четырех погруженных в расплав из­ лучателей ультразвука, питаемых преобразователями мощностью по 1,5 кет каждый и частотой 40 кгц. Интен­ сивность ультразвука, вводимого в расплав, составляла 2,0 вт/см2. Предел прочности слитков возрос после ульт­ развуковой обработки па 3,0 кГ/мм2, заметно измельчи­ лась структура и повысилась плотность. Кроме того

75

улучшилась поверхность слитка {20]. -Здес,ь, очевидно, имеет место то же явление, что и при фасонном литье с ультразвуком (см. гл. III), когда движение расплава под действием ультразвука снижает трение между расплавом, заполняющим форму, и поверхностью последней.

Качество слитков из тугоплавких металлов и спла­ вов также может быть улучшено за счет ультразвуковой

стали и сплавов на никелевой основе В СССР успешно ведутся работы в области вакуум­

ного дугового переплава с применением ультразвуковой обработки в процессе кристаллизации слитков. Исследо­ вания позволили О. В. Абрамову и И. И. Теумину оп­ ределить, что ультразвуковая обработка улучшает свой­

76

Рис. 27. Схема устройства для ультразвуковой обработки слитка из тугоплав­

волновод-излучатель; 5 — охлаждающий кожух; 5 — стяжки; 7 — шайба

77

Ма рис. 27 показана схема ультразвукового устрой­ ства для введения мощного ультразвука в слиток через затравку, предложенная П. И. Теуминым и О. В. Абра­

По этой схеме ультразвуковые колебания вводятся в

слиток 1 от мощного магпитострикционного преобразо­ вателя 2 через экспоненциальный концентратор 3 и вол­ новод—излучатель 4.

Магнитострикционный преобразователь мощностью 60 кет собран из пластин толщиной 0,15 мм железоко­ бальтового сплава К-65 и установлен для интенсивного охлаждения в баке с проточной водой 5. Соединение концентратора с волноводом осуществляется с помощью четырех стяжек 6. Для обеспечения требуемого вакуума в печи фланец волновода через уплотняющую резиновую прокладку прижимается к кристаллизатору. Шайба 7 устанавливается в зазор между волноводом и кристал­ лизатором во избежание возможного затекания металла.

Обработанные на этой установке слитки сплава Х20Н80 имели мелкое равновесное зерно и при испыта­ ниях показали повышенную пластичность вплоть до тем­ ператур в 1000—1100°С. На рис. 28,а и б показана, по данным И. И. Теумина и О. В. Абрамова [5], макро­ структура продольных темплетов слитков этого сплава, отлитого в спокойных условиях и с ультразвуковой об­ работкой.

При снижении мощности ультразвука измельчение структуры слитка может происходить только в попереч­ ном направлении. Это иллюстрирует рис. 29, где пока­ зана макроструктура молибдена, выплавленного в элект­ роннолучевой печи: хорошо видна разница в эффекте

78