книги из ГПНТБ / Горизонтальное непрерывное литье цветных металлов и сплавов

кн, то установить границы зон по макрошлифу затруд­ нительно.

В качестве примера рассмотрим типичную макро­ структуру заготовки диаметром 12 мм из бронзы марки Бр. 006,5-0,4 (рис. 26). Заготовка отлита со скоростью вытягивания 0,6 м/мин, шагом 55 мм, остановкой 10 с.

ния заготовки в макроструктуре можно выделить четы­ ре зоны. Сечение 1 соответствует фронту затвердевания в конце остановки предыдущего шага. За период вытяги­ вания от сечения 1 до сечения 2 образовалась зона I из кристаллитов в основном столбчатого характера. Сече­ ние 2 соответствует положению зоны разрыва в конце вытягивания.

Между сечением 2 и 3 находится зона II, состоящая из веерообразно расположенных столбчатых кристалли­ тов, ориентированных в направлении теплоотвода. Если от зоны разрыва перпендикулярно осям столбчатых кри­ сталлитов провести прямую линию, она опишет форму фронта затвердевания в момент окончания вытягивания.

В центре заготовки и в зоне стыка фронтов затверде­ вания видны равноосные кристаллиты центральной зоны III, которые образовались в начальный период оста­ новки в условиях прекращения движения металла и сни­ жения интенсивности теплоотвода, вызываемого утолще­ нием корочки. Между сечениями 3 и 4 располагается зона остановки IV, состоящая из крупных неориентирован­ ных кристаллитов, затвердевавших с относительно не­ большой скоростью в условиях более мягкого охлажде­ ния.

Установлено, что увеличение длительности останов­ ки при периодическом вытягивании расширяло зону IV в пределах шага за счет сокращения зон / и II. Увели­ чение скорости вытягивания сокращало зону / за счет увеличения длины стационарной корочки; одновременно уменьшалась толщина стационарной корочки и улучша­ лись условия питания зоны разрыва'. Увеличение шага вытягивания вызывало соответствующий рост размеров зон / и II. При снижении шага до 8—10 мм получена практически однородная макроструктура.

Изучение «чулков», полученных выливанием жидкой фазы из кристаллизатора в конце вытягивания (рис.

60

положении. Рост кристаллитов при затвердевании про­ исходит перпендикулярно фронту затвердевания в нап­ равлениях, показанных стрелками (рис. 28, а). Поэтому в зоне разрыва на всем пути вытягивания кристаллиты

а

6

г

Э

вытягиваемой заготовки и стационарной корочки растут под некоторым углом навстречу друг другу. При этом за счет избирательного характера затвердевания спла­ ва происходит оттеснение легкоплавкой составляющей

62

растущими кристаллитами в зону разрыва, которая бу­ дучи ограничена с одной стороны поверхностью кри­ сталлизатора п с двух сторон растущими кристаллита­ ми, приобретает характер замкнутого объема. Постоян­ ное поступление новых порции жидкого сплава в зону разрыва при вытягивании заготовки (показано стрелкой па рис. 28,6, е) и избирательная кристаллизация более тугоплавких составляющих вызывают увеличение скоп­ ления ликватов в зоне разрыва. За счет пониженной тем­ пературы плавления ликватов и достаточно высокой температуры стенки кристаллизатора ликвационный уча­ сток находится в жидком виде и свободно передвигается по поверхности кристаллизатора в направлении вытяги­ вания, оттесняемый растущими кристаллитами (слои 2 и 3). Одновременно он выполняет роль жидкого охла­ дителя, через который отводится тепло из зоны разрыва к стенке кристаллизатора.

Во время остановки продолжается встречный рост кристаллитов зон / и II и происходит смыкание их фрон­ тов затвердевания. При этом затвердевающие слои 4— 4', 5—5', 6—6' (рис. 28, г, д), как бы огибают участок, обогащенный ликватами, оттесняя его с двух сторон к стенке кристаллизатора (показано стрелками на рис. 28,6), где он затвердевает в последнюю очередь в фор­ ме треугольника и удаляется с заготовкой при следую­ щем вытягивании. Например, микроструктура оловянно­ фосфористой бронзы состоит из a -твердого раствора, эвтектоида (а+6) и фосфида Си3Р [39].

На рис. 29, а представлен общий вид ликвационного треугольника н стык дендритов a -фазы, замыкающих его. На рис. 29, б показана микроструктура ликвацион­ ного треугольника на границе со столбчатыми кристал­ литами сс-фазы. Результаты химического анализа пока­ зали, что в ликвационном треугольнике содержится бо­ лее 10% олова (при 6% в сплаве). По данным А. П. Смирягина [40], выпотевающие на поверхности заготовок ликваты содержат 15—18% олова. Обогащение эвтектоидом, который обладает повышенной хрупкостью [39], резко снижает пластические свойства заготовки.

Согласно изложенной схеме образования, чем больше шаг вытягивания и чем медленнее скорость вытягива­ ния, т. е. чем больше время образования ликвационного треугольника, тем больше его размеры. Этот вывод пол-

63

ностыо подтверждается исследованием макроструктуры заготовок. Например, площадь лнквациониого треуголь­ ника в заготовке диаметром 12 мм из бронзы марки Бр. ОФ6,5-0,4, полученной при шаге вытягивания 50 мм со скоростью вытягивания 18 м/ч, составила 10 мм2. Увеличение скорости вытягивания до 36 м/ч при том же шаге вытягивания позволило сократить площадь тре­ угольника до 6,4 мм2. Уменьшение шага вытягивания до 25 мм и одновременное увеличение скорости вытяги­ вания до 90 м/ч привело к снижению площади треуголь­ ника до 1,2 мм2. Дальнейшее снижение шага вытягива­ ния позволило полностью ликвидировать лпквацпонный треугольник и получить однородную структуру.

Для проверки разработанной схемы затвердевания и получения количественных закономерностей нараста­ ния корочки заготовки был применен метод киносъемки через кварцевое стекло. Этот метод впервые был при­ менен при горизонтальном непрерывном литье латунных заготовок [41]. Экспериментальный графитовый кри­ сталлизатор представлял собой половину обычного, раз­ резанного в горизонтальной или вертикальной плоско­ сти. Соответственно был разрезан и водоохлаждаемый кожух. Плоскость разреза была закрыта закаленным кварцевым стеклом, которое плотно прижимали к по­ ловине кристаллизатора металлической пластиной с вы­ резанным окном для наблюдения за процессом за­ твердевания заготовки. Головка затравки также была разрезана пополам. Кристаллизатор соединяли с металлоприемником, подвод и отвод охлаждающей воды осу­ ществляли через торцовую стенку кожуха.

Со стороны стекла отвод тепла практически отсутст­ вовал, так как коэффициент его теплопроводности равен 2 ккал/(м-ч-град), поэтому через стекло можно было наблюдать контур лунки в процессе вытягивания и оста­ новки, фиксируя наблюдаемую картину киносъемкой. Заготовки отливали с шагом 50 мм, продолжительно­ стью вытягивания шага 7 с и остановкой в течение 13. Фрагмент кинограммы процесса затвердевания приведен на рис. 30, а.

При просмотре кинопленки видно перемещение кон­ тура лунки во время вытягивания и остановки, возник­ новение разрывов и образование стационарной корочки. Таким образом, киносъемка через кварцевое стекло под­

66

твердила разработанную схему затвердевания загото­ вок. На рис. 30, б приведена схема перемещения фронта затвердевания в кристаллизаторе в разные периоды цик­ ла. Участок, затвердевший за время вытягивания, за­ штрихован.

При периодическом режиме вытягивания заготовки, как следует из вышеизложенной схемы затвердевания, профиль и глубина лунки меняются в течение одного

Рис. 31. Зависимость изменения глубины жидкойлунки латунной заготовки от времени цикла

цикла. Изменение глубины лунки латунной заготовки диаметром 75 мм, полученное методом киносъемки, представлено на рис. 31. Если принять приведенную за­ висимость с некоторым приближением за основу, то мо­ жно представить изменение глубины жидкой фазы в кри­ сталлизаторе в виде уравнения

вытягивания, с;

h— глубина лунки в конце цикла, м.

Для расчета глубины лунки воспользуемся форму­ лой В. И. Добаткнна [39J, подставляя в нее среднее зна­ чение скорости литья (ол)

t„— температура поверхности заготовки, °С. Трудность пользования данной формулой заключает­

сти заготовки изменяется по длине от температуры кри­ сталлизации tK до температуры поверхности на выходе из кристаллизатора tn> определяемой экспериментально. Кроме того, температура поверхности заготовки зависит от ее диаметра и скорости литья. В формулу (16) не­ обходимо подставлять среднюю температуру поверхно­ сти заготовки в сечении, проходящем через вершину лун­ ки. Определим ее для частного случая из эксперимен­ тальных данных, выразив tn из формулы теплопередачи

(3) через цилиндрическую стенку

Но данная формула не отражает кинетики процесса затвердевания. Она применима для условий теплопере­ дачи в корочке конечных размеров, в то время как ко­ рочка растет от 0 до R и температура ее поверхности изменяется в каждом сечении от tK до tn.

За среднюю температуру поверхности заготовки в се­ чении, проходящем через вершину лунки, принимаем температуру в момент затвердевания половины сечения заготовки, т. е. при г=0,71 R. Подставляя эксперимен­

68

тальные значения тепловых потоков в формулу (17) для сечения, проходящего через вершину лунки, рассчитали значения температуры поверхности заготовок из латуни ЛС59-1, бронзы Бр.ОФ6,5-0,4 и Бр.ОЦС5-5-5. Аппрок­ симируя значения температуры поверхности заготовок, получили, что изменение температуры поверхности по длине заготовки удовлетворительно описывается зависи­ мостью вида

Среднее значение коэффициента а для медных иоло-

Результаты расчета глубины жидкой лунки в зависи­ мости от диаметра заготовки, скорости литья и марки сплава приведены в виде номограммы на рис. 32. Напри­ мер, для заготовки из бронзы марки Бр. ОЦС5-5-5 диа­

27, б).

Пользуясь номограммой, рассчитали время полного затвердевания заготовок из соотношения тп= / 1/ул. Ре­ зультаты расчета приведены на рис. 33 также в виде но­ мограммы. Увеличение времени полного затвердевания заготовок, наблюдаемое приуменьшении скорости литья, объясняется перемещением фронта затвердевания по кристаллизатору в область пониженной интенсивности охлаждения (к металлоприемнику).

Продолжая рассмотрение особенностей затвердева­ ния заготовок при горизонтальном непрерывном литье, следуетостановиться на двух, с нашей точки зрения,

69