CC BY
9
УДК 621.74.045:620.179
В. В. Наумик
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУР ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛИЗАТОРА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Установлено, что в процессе эксплуатации алюминиевого жидкометаллического кристаллизатора при вакуумном получении отливок с направленной кристаллизацией заметно снижается температура начала и увеличивается интервал его затвердевания. Предложен способ контроля изменения теплопроводности алюминия по его температурному интервалу затвердевания.
Введение
В современной машиностроительной отрасли достаточно широко распространено получение отливок с направленной кристаллизацией на установках типа УВНК-8П. Этот процесс предусматривает заливку в вакууме корковых литейных форм и последующее опускание их с определенной скоростью в ванну жидкометаллического кристаллизатора. При этом температура жидкометаллического кристаллизатора и теплофизические свойства его материала определяют температурный градиент, обусловливающий направленную кристаллизацию отливок.
К материалу жидкометаллического кристаллизатора предъявляется ряд требований по его теплофи-зическим свойствам и инертности по отношению к материалу формы и ванны, в которой он находится [1]. В промышленных условиях наиболее широкое применение в данном качестве нашел алюминий. Он обладает высокой теплопроводностью, безвреден для жаропрочных сплавов при случайном попадании в них, но в процессе эксплуатации его расплав достаточно активно взаимодействует с материалом литейной формы и обмазкой ванны. Кроме того, в него неизбежно осыпается пыль с поверхности углеродных композитных нагревателей, которые конструктивно расположены над ним. В результате алюминий загрязняется, снижаются его эксплуатационные свойства, в первую очередь теплофизические, и после определенного количества циклов проведенных плавок его приходится заменять на свежий.
Очень важно зафиксировать момент необходимой замены жидкометаллического кристаллизатора так, чтобы с одной стороны не нарушить процесс формирования направленной структуры отливок, а с другой - по возможности дольше использовать ванну достаточно дорогостоящего алюминия.
Цель исследования
Ранее был проведен комплекс исследований по изучению изменения теплопроводности алюминия в твердом и жидком состоянии в процессе эксплуата-
© В. В. Наумик, 2008
ции жидкометаллического кристаллизатора [2], а также был предложен способ контроля этого процесса по отражательной способности образцов, отобранных из ванны после определенного количества циклов проведенных плавок [3].
Кроме указанных свойств в результате загрязнения жидкометаллической ванны естественно изменяются и другие качественные показатели алюминия. Одним из них является температурный интервал затвердевания.
Как известно, чистый алюминий кристаллизуется при температуре 661 °С [4]. Появление в нем каких-либо примесей неизбежно приводит к выделению в процессе кристаллизации новых фаз, а, следовательно, к возникновению двухфазной зоны и разделению температур ликвидуса и солидуса. Изучение этих процессов и было поставлено целью данного исследования.
Методика исследований
Для регистрации кривых охлаждения материалов в процессе их затвердевания и кристаллизации была собрана специальная установка (рис. 1). Она состоит из муфельной печи сопротивления 1, хромель-алюмелевой дифференциальной термопары 2, термостата для охлаждения холодного спая термопары 3, тиристорного блока питания электропечи 4, электронного цифрового термометра 5, электронных часов 6, цифрового фотоаппарата 7, электромеханического устройства управления затвором цифрового фотоаппарата 8.
Образец алюминия массой 1 г после взвешивания с точностью до 0,01 г на электронных весах помещали в кварцевый тигель диаметром 8 мм, который закреплялся в цанговом зажиме (рис. 2). Тигель с помощью специального держателя тщательно центрировали относительно муфеля электропечи. Дифференциальная термопара была собрана из двух хромель-алюмелевых термопар по схеме, представленной на рис. 3. Рабочий спай первой термопары размещали в кварцевом тигле в расплаве алю-
Рис. 2. Кварцевый тигель с цанговым зажимом
миния, рабочий спай второй термопары охлаждали в термостате 3 до температуры 0 °С с помощью тающего льда, полученного из дистиллированной воды.
Дистиллированная вода применялась для предотвращения шунтирования дифференциальной термопары обычной водой, обладающей неконтролируемой электропроводностью.
Перед началом эксперимента проводили проверку установки, для чего в термостат вводили рабочий спай первой термопары. При этом показания электронного термометра должны быть равны 0 °С.
Образец алюминия нагревали до температуры 700 °С, после чего в расплав вводили рабочий спай первой термопары. Затем выключали электропитание печи сопротивления и включали электромеханичес-
кое устройство управления затвором цифрового фотоаппарата. Цифровой фотоаппарат с интервалом в 5 секунд фиксировал показания электронных часов и электронного термометра. Регистрация показаний указанных приборов продолжалась в температурном интервале от 700 до 630-620 °С.
Основной материал исследований
Изучали термограммы, полученные при охлаждении образцов алюминия, отобранных от ванны жидкометаллического кристаллизатора после различного количества циклов проведенных плавок по вакуумному получению отливок с направленной кристаллизацией. Образцы для исследования отбирали через каждые 3 плавки на установке типа УВНК-8П вплоть до 39 циклов.
Анализ показал, что вид кривых охлаждения различных опытных образцов существенно изменялся (рис. 4).
Для первого образца, отобранного после трех циклов плавок по получению отливок с направленной кристаллизацией, была получена практически идеальная кривая, характерная для затвердевания однофазного сплава. Было четко зафиксировано предкристаллизационное переохлаждение расплава. Температура затвердевания образца алюминия соответствовала справочным данным, что свидетельствует о высокой степени его чистоты.
Далее, с увеличением количества циклов проведенных плавок, температура начала затвердевания
алюминия неуклонно снижалась, при этом все больше различались температуры, соответствующие началу и окончанию процесса кристаллизации. Данный факт свидетельствует об усилении загрязненности образцов жидкометалличесого кристаллизатора в процессе эксплуатации и выделении в процессе его кристаллизации новых фаз, помимо алюминиевой основы, что подтверждается ранее проведенными металлографическими исследованиями структуры соответствующих опытных образцов алюминия [3].
Анализ полученных данных по температурам ликвидус и солидус образцов алюминия жидкометалли-ческого кристаллизатора с различной кратностью переплава показал, что основное их снижение и увеличение разницы между ними происходит в течение первых 12 циклов плавок (рис. 5), причем наиболее резкое изменение наблюдается после 9 циклов. Далее интервал температур затвердевания и кристаллизации исследованных образцов алюминия стабилизировался на определенном уровне.
Математически эти изменения могут быть описаны с помощью следующих зависимостей:
1лшв = -0,0001-и3 + 0,0228-я2 - 0,9952я+ + 662,3 г = 0,94; (1)
= -0,0009я3 + 0,0786я2 - 2,4043я + +
661,39
г = 0,98.
(2)
л
а
£
а
<и
а
а
<и Н
710 700 690 680 670 660 650 640 630 620 610
V Ч
О ч.
Л 3
ч,
N
К
п=3
п=9
п=12
п=24
п=36
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Время, т, с
Рис. 4. Термограммы затвердевания образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора после различного количества
циклов проведенных плавок, и
665
О
ев
а
ев
а
<и С
а
<и Н
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39
Кратность переплава, п
Рис. 5. Изменение температур ликвидус и солидус алюминия жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации
Полученные результаты исследований температур затвердевания и кристаллизации образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора полностью соответствуют ранее полученным данным об изменении в процессе эксплуатации их теплопроводности, как в твердом, так и в жидком состоянии [2, 3].
Согласно технологическому процессу получения отливок с направленной кристаллизацией на уста-
новках типа УВНК-8П температура ванны алюминиевого жидкометаллического кристаллизатора перед началом процесса опускания в него оболочковых литейных форм должна составлять 800-850 °С.
Взаимосвязь между теплопроводностью жидкого алюминия при температуре 900 °С и температурами ликвидус и солидус образцов алюминия жид-кометаллического кристаллизатора после различного количества циклов проведенных плавок, п, графически представлена на рис. 6 и 7.
н
т
£ о"
о
К
«
о и о Л
с о
Н
Л
с
65 60 55 50 45 40 35 30
647 649 651 653 655 657 659 Температура ликвидус, 1ликв, °С
661
Рис. 6. Взаимосвязь между теплопроводностью жидкого алюминия при температуре 900 °С, ^900, и температурой ликвидус, t , образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора после различного количества циклов проведенных плавок, п
о я ч о п о а с о ч с
65
60
й 55
m 50
О
s а с
45
40
35
30
н 633 635 637 639 641 643 645 647 649 651 653 655
Температура солидус, tсол, °С
Рис. 7. Взаимосвязь между теплопроводностью жидкого алюминия при температуре 900 °С, ^900, и температурой солидус, tсол, образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора после различного количества циклов проведенных плавок, п
Математически эта взаимосвязь может быть представлена с помощью следующих линейных зависимостей:
Х900 = 2,1°04' ^икв - Ш8Д
Х900 = 1,3884-Выводы
^ - 847,82
r = 0,90;
r = 0,95.
(3)
(4)
Проведенными исследованиями установлено, что в процессе эксплуатации алюминиевого жидкометаллического кристаллизатора при вакуумном получении отливок с направленной кристаллизацией происходит его существенное загрязнение, в результате чего заметно снижается температура начала его затвердевания, выделяются температуры ликвидус и солидус, увеличивается интервал между ними.
Наиболее резко изменение указанных параметров, и, как было установлено ранее проведенными исследованиями [2, 3], теплопроводности и некоторых других качественных показателей материала опытных образцов алюминия происходит в течение первых 12 циклов плавок.
Установленная достаточно четкая взаимосвязь позволяет рекомендовать в производственных условиях осуществлять контроль изменения теплопроводности алюминия жидкометаллического кристаллизатора, как основной эксплуатационной характе-
ристики, определяющей формирование направленной структуры отливок, по его температурному интервалу затвердевания.
Оптимальный срок эксплуатации алюминия жидкометаллического кристаллизатора при вакуумном получении отливок с направленной кристаллизацией на установках типа УВНК-8П по результатам проведенных исследований составляет не более 9-12 плавок.
Перечень ссылок
1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е.Шалин, И.Л.Светлов, Е.Б.Качанов и др. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.
2. Наумик В.В. Изменение теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов // Проблеми три-бологп (Problems of Tribology). - 2006. - № 1. - С. 31-35.
3. Наумик В. В. Контроль теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора по коэффициенту отражения // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. - 2007. -№2. - С. 29-32.
4. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение). Справочник / Под ред. Х. Нильсена, В. Хуфнагеля, Г. Гакулиса. - Пер. с нем.
М.: Металлургия, 1979. - 679 с.
Встановлено, що nid час експлуатаци алюмiнieвогорiдкометалевошcщtoшамifзeшщ;ш<n24иl0.2007 вакуумному отриманнi виливюв si спрямованою криcталiзацieю nомiтно знижуеться температура початку та збшьшуеться iнтервал його твердiння. Запропоновано споаб контро-лю змтення теnлоnровiдноcтi алюмiнiю за його температурним iнтервалом твердтня.
It has been established when operating the aluminium liquidmetallic crystallizer for vacuum production of castings with a directed solidification that the onset temperature decreases appreciable and interval of its solidification increases. The method for controlling the change in aluminium heat conductivity as per its temperature interval of solidification has been proposed.
