Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строение и свойства металлических расплавов. Учебное пособие
.pdf
51
3. Приведите примеры различных видов гистерезисов кинематической вяз-
кости и поверхностного натяжения для расплавов системы Fe-C.
4. Объясните особенности гистерезисов структурно-чувствительных
свойств расплавов системы Fe-C.
5. Приведите примеры особенностей гистерезисов кинематической вязко-
сти расплавов системы Al-Si.
6. Объясните особенности гистерезисов кинематической вязкости распла-
вов системы Al-Si в зависимости от содержания кремния.
7. Какие виды аномалий на политермах структурно-чувствительных
свойств свидетельствуют о неравновесности микрогетерогенных металлических расплавов?
8. Какие факторы, кроме химического состава, могут влиять на степень не-
равновесности микрогетерогенных расплавов?
9. Приведите пример влияния структуры исходной шихты на структурно-
чувствительные свойства расплавов.
10. Приведите пример замкнутого гистерезиса и объясните причину его
возникновения.
52
4. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ
ФИЗИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ
Современное машино- и автомобилестроение имеет следующие
основные тенденции: увеличение доли деталей из алюминиевых
сплавов, усложнение конфигурации литых деталей, повышение их
надежности и долговечности в эксплуатации и т.д. Данные тенденции
ставят перед металлургами и литейщиками задачи по созданию новых технологий получения сплавов, улучшению технико-экономических характеристик конструкционных материалов, повышению качества и снижению себестоимости отливок.
Промышленные алюминиевые сплавы, легированные различными металлами и содержащие значительное количество примесей, характеризуются сложным фазовым составом в твердом состоянии. Такая гетерофазность наследуется расплавами, что отражается впоследствии на структуре и свойствах литых изделий.
Основными целями физических воздействий на расплав являются
следующие:
1. Устранение отрицательной структурной информации шихто-
вых материалов.
2. Закладка положительной структурной информации.
3. Усиление и сохранение положительной структурной информа-
ции, унаследованной от исходного твердого состояния.
По агрегатному состоянию вещества физические воздействия,
оказываемые на расплав, относятся к жидкофазным способам обработки [28]. В целом большинство жидкофазных способов воздействия
основано на представлениях о расплаве как о микронеоднородной
системе.
К наиболее распространенным жидкофазным способам относятся: вибрационная, ультразвуковая, магнитно-импульсная и температурно-временнáя обработки и др.
53
Влияние перегрева расплавов на структуру и свойства алюминиевых сплавов впервые было отмечено в работах А.Г. Спасского с сотрудниками [30]. Однако долгие годы перегрев как средство воздействия на строение расплава оказывался невостребованным. Это было
обусловлено тем, что отсутствовали высокоскоростные печей для
требуемых перегревов, не находили решения вопросы защиты плавильно-литейной оснастки от взаимодействия с перегретыми расплавами, а последних – от газонасыщения, открытым оставался вопрос о
быстром снятии перегрева до температуры литья и т.д. Например,
А.Г. Спасский снижал температуру расплава за счет введения в него
холодной шихты в требуемом количестве. Большинство вопросов остались нерешенными и до настоящего времени. Тем не менее, в связи
с появлением индукционных, дуговых плазменных печей и т.д. интерес к температурной обработке расплавов у исследователей не угасает.
Известно несколько разновидностей температурной обработки
расплавов: температурно-временная (ТВО), температурно-скоростная
(ТСО), термоциклическая (ТЦО).
Большинство работ по влиянию перегрева принадлежит коллективам авторов под руководством И.А. Новохатского, Б.А. Баума,
В.М. Замятина, П.С. Попеля и др. В настоящее время изучением термовременной обработки расплавов активно занимаются коллективы
авторов под руководством Ри Хосена [31] и В.Б. Деева [29, 32].
В основе высокотемпературных обработок расплавов лежат данные
об аномалиях (скачках, перегибах, разрывах) на политермах структурно-чувствительных свойств и выявленных температурах гистерезисов,
свидетельствующих о структурных превращениях, протекающих в перегретых расплавах. Наличие устойчивых гистерезисов и плавного изменения свойств в режиме охлаждения авторы объясняют переходом
расплавов в гомогенное однородное состояние. В табл. 4.1 приведен обзор известных данных о критических температурах для бинарных систем и промышленных сплавов, выполненный по результатам анализа
исследований различных авторов. Видно, что температуры перегревов,
54
соответствующие разрушению унаследованных микронеоднородно-
Система
(сплав)
Состав, %
Т
крит
, °С
СЧС* (авторы)
Al-Si
4-6
970 ÷ 1077
Плотность (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
1-8
830 ÷ 950
Вязкость (В.И. Никитин, И.Г. Бродова,
П.С. Попель и др.)
7,2
950 ÷ 970
Вязкость (В.Б. Деев и др.)
10-12
В интервале
700 ÷ 1200
не установлены
Вязкость (В.И. Никитин, И.Г. Бродова,
П.С. Попель и др.)
11,8
~1120
Вязкость (В.Б. Деев и др.)
14
1100
Вязкость (В.И. Никитин, И.Г. Бродова,
П.С. Попель и др.)
10-14
~1127
Вязкость (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
15
~1080
Вязкость (В.Б. Деев и др.)
20
1000 ÷ 1020
Вязкость (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
29
1100
Вязкость (В.Б. Деев и др.)
30
1380
Вязкость (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
Al-Mn
≤5
900 ÷ 930
Вязкость (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
7-10
980 ÷ 1000
>10
1030 ÷ 1050
Al-Zr
0,3
~1600
Плотность, вязкость (И.Г. Бродова,
П.С. Попель и др.)
0,6
~1900
0,45; 1,5
стей, зависят не только от химических составов, но и от структуры
шихтовых материалов. Авторы многочисленных публикаций, посвященных влиянию перегрева, делают заключение, что основной целью
температурной обработки является полное устранение микронеоднородности, унаследованной расплавом от исходной шихты. При этом
расплав переводится в гомогенное состояние.
Таблица 4.1
Температуры гомогенизации металлических расплавов
55
Система
(сплав)
Состав, %
Т
крит
0С
СЧС* (авторы)
Al-Ti
1,9
В интервале
780 ÷ 1750
не установлены
Вязкость (И.Г. Бродова, П.С. Попель
и др.)
3,5-10
1700-1800
Плотность (В.И. Никитин, И.Г. Бродова,
П.С. Попель и др.)
Al-Cu
5
850 ÷ 900
ТермоЭДС (В.Б. Деев и др.)
25
1050 ÷ 1100
Вязкость (О.А. Чикова,
Н.Ю. Константинова)
32,2
850
АК9ч
ГОСТ
1583
850 ÷ 950
Вязкость, плотность (О.А. Чикова)
АК7ч
1000 ÷ 1100
970 ÷ 1030 (в за-
висимости от
состава шихты)
ТермоЭДС, вязкость (В.Б. Деев,
И.Ф. Селянин и др.)
АК5М2
950 ÷ 990 (в за-
висимости от
состава шихты)
АМ5
930 ÷ 970 (в за-
висимости от
состава шихты)
1161
980
Вязкость (В.М. Замятин, Б.А. Баум)
Окончание табл. 4.1
*СЧС – структурно-чувствительное свойство.
Однако в работе [33] отмечается, что термин «гомогенизация» не
отражает суть перехода расплава из неравновесного состояния в равновесное. По мнению авторов за счет ТВО происходит переход от неравновесной унаследованной микронеоднородности к другой – равновесной, обусловленной только неравноценностью межатомных связей.
Таким образом, влияние различных видов температурной обработки расплавов основано на интенсификации процессов диффузии,
теплового движения элементов структуры расплавов, приводящих к
их диспергированию и равномерному распределению в объеме. Такая
перестройка в строении расплава впоследствии наследуется литым
изделием.
56
Схематично технологический процесс ТВО расплава представлен
Т, 0С
Т
п
Т
л
Время
I
II
III
IV
Рис. 4.1. Технологическая схема процесса ТВО
на рис. 4.1. В процессе ТВО можно выделить 4 основных этапа: нагрев расплава с определенной скоростью до температуры перегрева
Т
(I); изотермическая выдержка при Тп (II); захолаживание расплава
п
с определенной скоростью до температуры литья Тл (III); непосредственно процесс литья (IV).
Ультразвуковая обработка (УЗО) расплавов основана на возникновении кавитационных эффектов при прохождении акустической
волны ультразвукового диапазона низкой частоты (до 30 ÷ 50 кГц)
через упругую среду (металлический расплав) [34]. Зародышами кавитации в расплаве служат микроскопические неметаллические
включения, недорастворившиеся тугоплавкие включения и т.д. Положительное влияние ультразвуковой обработки расплавов заключается в рафинирующем, дегазирующем и модифицирующем эффектах.
Модифицирующее влияние УЗО на структуру и свойства литых изделий увеличивается при воздействии на расплав вблизи Т
. Моди-
ликв
фицирующее действие УЗО заключатся в создании в слабоперегретом
расплаве условий для недендритной кристаллизации, приводящих
при затвердевании расплава к тому, что в литом изделии формируется недендритная структура, в которой размер субдендритного, додендритного и мелкокристаллического зерна приблизительно равен раз-
57
меру дендритного параметра. Особенно высокие эффекты наблюдаются при УЗО расплава, предварительно модифицированного добавками зародышеобразующих модификаторов.
Разновидностью УЗО можно считать обработку кристаллизующихся расплавов электромагнитными акустическими полями [35].
Суть данного способа заключается в том, что электромагнитное поле,
наводимое в погруженной в расплав антенне-излучателе, при прохождении через конденсированную среду возбуждает в последней механические колебания – акустические волны низкого и среднего
ультразвукового диапазона (100 ÷ 3000 кГц). Обработка кристаллизующегося расплава данным способом (ЭМАП) способствует измельчению фазовых составляющих сплавов и, как следствие, повышению физико-механических свойств.
В работах [36, 37], которые были инициированы литейной кафедрой СамГТУ, показано положительное влияние обработки алюминиево-кремниевых расплавов импульсными магнитными полями (маг-
нитно-импульсная обработка – МИО). Основными факторами МИО
расплавов, приводящими к формированию измельченной литой
структуры, являются: разогрев расплава под действием вихревых токов; распространение по объему расплава волн напряжений под действием давления импульсных магнитных полей; возникновение интенсивных металлопотоков из-за неравномерного распределения напряженности магнитного поля. Основными параметрами МИО являются: импульсная мощность – до 1 МВт, длительность импульса
50 ÷ 200 мкс, напряженность магнитного поля 105 ÷ 107 В/м. Варьируя энергией импульса и количеством разрядов, можно управлять
эффективностью магнитно-импульсной обработки расплавов в зависимости от их природы.
Еще одним способом, основанным на использовании электромагнитных полей, является обработка расплавов наносекундными элек-
тромагнитными импульсами – НЭМИ [38, 39]. Основными парамет-
рами НЭМИ являются: импульсная мощность до 1 МВт, длительность импульса 1 нс, напряженность магнитного поля 105 ÷ 107 В/м.
Технологическими параметрами воздействия являются энергия им-
58
пульса и их количество. Видно, что основное отличие НЭМИ от МИО
заключается в длительности электромагнитного импульса.
В работе [40] рассмотрены основные положения электрогидро-
импульсной обработки (ЭГИО) расплавов систем Fe-C и Al-Si, суть
которой заключается в подаче в расплав с определенной периодичностью мощного электрического поличастотного импульса при низких
(до 2 кВтч/т) удельных затратах энергии. Таким образом, данный
способ также основан на использовании электрической энергии, генерируемой внешним источником. По мнению автора, положительное влияние большинства электромагнитных способов обработки
расплавов основано на возникновении резонансных процессов между
собственными тепловыми колебаниями элементов структуры расплава и частотами источников возбуждения. ЭГИО, наряду с модифицированием, рафинированием и физическими способами обработки, отнесена к локальным способам обработки расплавов, с помощью которых осуществляется подготовка расплавов к литью. В связи с тем, что
структура микрогетерогенного расплава образована элементами различных масштабов, автор делает вывод о целесообразности использования физических воздействий широкого спектра частот.
В работе [41] представлены результаты исследований по влиянию
магнитной обработки (МО) расплава АК7ч в момент его перелива из
плавильной емкости в литейную форму. Показана эффективность комплексной обработки расплава (ТВО+МО) на свойства сплава АК7ч.
Учеными ФТИМС национальной академии Украины разработан
способ плазмореагентной обработки (ПРО) алюминиевых и медных
расплавов [42], который заключается в продувке расплавов заглубленными плазменными струями, температура которых составляет
1587 ÷ 3412 °С. Плазмообразующим газом является аргон. Горячая
плазма, контактируя с «холодным» расплавом, дробится на мельчайшие
пузырьки. На границе контакта происходит частичное испарение расплава и мгновенная конденсация образующихся паров при контакте с
«холодным» расплавом. В результате больших перепадов температур в
жидкой ванне возникают интенсивные металлопотоки, обеспечивающие приток новых порций необработанного «холодного» расплава в
зону заглубленной плазменной струи. За счет этого интенсивной обра-
59
ботке подвергается весь объем расплава, находящегося в тигле пла-
Сплав
Способ жидкофазной обработки
ТВО
УЗО
НЭМИ
МО
ПРО
ТВО+МО
АК7ч
226/5,5
(В.Б. Деев);
203/15,5
(О.А. Чикова);
320/4,0
(Ри Хосен и
др.)
245/3,0
(Г.И. Эскин)
-
203/3,8
(В.Б. Деев)
220/5,5
(В.Л. Найдек
и др.)
264/5,6
(В.Б. Деев)
АК9ч
263/8,2
(О.А. Чикова);
- - - - -
АК12
171/6,2
(В.Б. Деев)
- - -
175/3,2
(В.Л. Найдек
и др.)
208/7,7
(В.Б. Деев)
АК5М2
226/5,5
(В.Б. Деев)
-
300/1,1
(Ри Хосен
и др.)
-
192/2,3
(В.Л. Найдек
и др.)
-
вильной печи. Эффективность такой обработки заключается в ее комплексном влиянии: рафинирование + дегазация + модифицирование.
В табл. 4.2 дано сравнение эффективности различных жидкофазных способов обработки на свойства некоторых алюминиевых сплавов.
Из представленного анализа видно, что свойства сплавов в зависимости от способов обработки меняются в достаточно широких пределах. С одной стороны это может быть связано с различной эффективностью жидкофазных способов, с другой – обусловлено различием в используемых шихтовых материалах.
В Центре литейных технологий СамГТУ проводили температурно-временную обработку (ТВО) лигатурных расплавов с целью получения микрокристаллических лигатур AlSi12 и AlSi20 [43]. На
рис. 4.2 представлена циклограмма процесса ТВО. Для оценки эффективности ТВО необработанные и обработанные расплавы заливали в водоохлаждаемый кристаллизатор, обеспечивая при этом скорость охлаждения υ
~ 60 ÷ 100 °С/с. На полученных лигатурах оце-
охл
нивали электропроводность, плотность и параметры микроструктуры.
Таблица 4.2
Влияние жидкофазных способов обработки расплавов
на свойства алюминиевых сплавов
в скобках – источник информации.
В числителе – предел прочности (МПа); в знаменателе – относительное удлинение (%);
60
Рис. 4.2. Циклограмма температурно-временной обработки (ТВОР)
лигатурных расплавов AlSi12 и AlSi20
Температурно-временная обработка способствовала повышению
№ п/п
Способ обработки
γ, МСм/м
ρ, г/см3
AlSi12
AlSi20
AlSi12
AlSi20
1
Без ТВОР
23,5
15,2
2,62
2,58
2
ТВОР в течение 5 мин
22,1
15,6
2,66
2,60
3
ТВОР в течение 10 мин
22,8
15,6
2,66
2,62
4
ТВОР в течение 20 мин
21,7
18,6
2,62
2,63
значений электропроводности и плотности полученных лигатур
(табл. 4.3). Повышение электропроводности, прежде всего, связано с
измельчением кристаллов эвтектического и первичного кремния в
лигатурах. Влияние ТВОР на параметры микроструктуры представлено в табл. 4.4 и на рис. 4.3.
Влияние ТВОР на физические свойства лигатур AlSi12 и AlSi20
Таблица 4.3
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]