CC BY
27
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК.669.154.002.61
Скребцов А.М.1, Иванов Г.А.2, Кузьмин Ю.Д.3, Долгань В.М.4, Божкова Е.Г.:
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕСТРОЕК В ЖИДКИХ МЕТАЛЛАХ НА МОДЕЛЬНОМ СПЛАВЕ
Разработана надежная методика изучения структурных перестроек в жидких металлах в зависимости от скорости их охлаждения. При увеличении скорости от 0,25 до 2,75 град/с увеличивается переохлаждение расплава и снижаются температуры структурных перестроек в расплаве.
В настоящее время интенсивно разрабатываются и получают распространение различные способы высокотемпературных технологий улучшения качества жидких металлов - термовременная обработка (ТВО) [1], использование явления структурной наследственности шихты (ЯСН) [2], высокоскоростная закалка металлических расплавов при получении наноматериалов [3] и др. Эти способы основываются на научных представлениях о строении жидких металлов и их изменениях при повышении температуры. [1, 4 и др.]. Считают, что расплавы состоят из кристаллоподобных группировок атомов с пониженной энергией, - кластеров (размер 2-5 нм, время жизни 10~7 -г- 10~8 с) и разупорядоченной зоны с повышенной энергией. Кластеры и разу-порядоченная зона постоянно обмениваются атомами друг с другом.
При изменении свойств расплавов (вязкость, плотность и др.) выше точки ликвидус Тл, очень часто обнаруживается аномальный ход кривых.
Эти аномалии появляются при некоторой температуре Тр и выражаются в разрывах кривых свойств, их перегибах и наиболее четко в появлении гистерезиса, - свойства при нагреве и охлаждении расплава изменяются по разным кривым [1]. Авторы работ [1, 5, 6 и др.] считают что при температуре Тр происходит структурное превращение в расплаве металла, при котором все кластеры полностью разрушаются, а жидкость становится однородной по своему строению, т.е. газоподобной. В технологии процессов использования ЯСН шихты расплавы нагреваются до температуры меньше Тр [2], при ТВО - больше Тр [1].
Е.С. Филиппов [7] измерял плотность и другие свойства металлических расплавов до температуры Тсу, составляющей 0,7 -г- 0,9 от температуры их кипения. (Индекс «су» при температуре Т означает статистически упорядоченное газоподобное состояние атомов в жидкости). Он впервые нашел, что в жидких металлах в интервале температур Тл - Тк происходит до 3 - 4 структурных перестроек. По мнению Е.С. Филиппова [7], при Тл теряется дальний порядок в расположении атомов в жидкости, а при Тсу - ближний.
A.M. Скребцов [4], анализируя результаты рентгенодифракционных исследований жидких металлов, впервые нашел закон линейного уменьшения размеров кластера при нагреве расплавов от Тл до Тсу и полном их разрушении при этой температуре.
Все исследования структурных превращений в расплавах [1, 4 - 7 и др.] проводились без учета их скоростей нагрева и охлаждения.
Поэтому задачей настоящей работы является изучение закономерностей структурных перестроек в жидком металле в зависимости от скоростей его нагрева и охлаждения. Насколько нам известно из литературы, подобные исследования ранее не проводились.
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, аспирант
3ОАО «МЗТМ» инж.
4ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
5ПГТУ, студент
Методика проведения опытов При проведении опытов в качестве моделирующего металла использовали вторичный алюминий марки АЛ-7 содержащий 0,20 %Мп; 7,13 %Si; 1,37 %Fe; 1,70 %Fe; 1,43 %Cu; 0,04 %Mg; 0,04 %Ti. Температуру металла с интервалом 1 сек. с точностью ±1,0 град измеряли хромель-алюмелевой термопарой. Ее показания регистрировали прибором ТРМ-138Р и заносили в память ЭВМ вместе со временем измерений.
Опыты проводили с плавкой металла в двух плавильных устройствах.
а) Первая серия опытов при малых скоростях (<0.25 град/с) нагрева и охлаждения металла.
Для достижения малых скоростей нагрева и охлаждения жидкого алюминия была сконструирована специальная установка (рис. 1) Кусочки сплава алюминиевой шихты помещали в алундовый тигель 2 с внутренним диаметром 10 и высотой 40 мм. В стальную гильзу 3 диаметром 50 и высотой 100 мм насыпали слой песка и на него ставили тигель 2. Нагрев гильзы с песком осуществляли в печи сопротивления 5 мощностью 1 кВт, где в качестве нагревательного элемента применялась нихромо-вая спираль 4, уложенная в пазы шамотной футеровки печи. Регулируя напряжение, подаваемое на нагреватель можно изменять скорость нагрева экспериментальной установки и достичь теплового равновесия в системе в пределах температур до 1100 "С.
Опыты проводили следующим образом - спираль нагревается электрическим током и путем излучения передает тепловую энергию на поверхность стальной гильзы 3. Она, в свою очередь, нагревает песок до температуры, которая регистрируется второй термопарой 16. Собранную установку с расплавом алюминия периодически нагревали и охлаждали увеличивая и уменьшая напряжение на спирали печи 4. Циклы нагрева и охлаждения можно повторять многократно в пределах температур от 300 до 1100 "С.
Собранное устройство работает по принципу дериватографа. В изучающемся интервале температур в песке есть одна перестройка структуры при 850 "С. И поэтому показания термопары 16 изменяются скачком при этой температуре. Термопара 1а расположена в жидком алюминии, в котором могут происходить структурные превращения с нарушением равномерного хода показаний термопары 1а. Изменение монотонного хода разности показаний At термопар 1а и 16 свидетельствует о структурном превращении в жидком алюминии.
На рис. 2, в качестве примера, показана запись разности показаний термопар в песке и в алюминии при нагреве и охлаждении расплава.
Цифры у кривых показывают найденные температуры структурных превращений в жидком алюминии. При нагреве эти температуры были равны 604, 688.
Рис. 1 - Эскиз экспериментальной установки: 1а, 16 - термопары ХК,
2 - тигель с алюминием,
3 - гильза с песком,
4 - нихромовая спираль,
5 - печь сопротивления.
О
О
-С <1
75
60
45
30
15
850
\ 795 630
914 I 690 SulT^
604 jf
10
20
мин.
30
40
914 °С, а при охлаждении - 795, 690, 630 "С.
6) Вторая серия опытов в широком интервале скоростей охлаждения расплава.
Рис. 2 - Запись разности показаний термопар в песке и жидком сплаве алюминия при нагреве печи (скорость 0,3 град/с) и ее охлаждении (0,30 град/с) в зависимости от времени. Цифры у кривой Д/ - аномальный ход величины из-за структурных превращений в металле
Плавку металла производили в лабораторной печи сопротивления шахтного типа мощностью 2кВт. Расплавленный металл заливали в сырые песчаноглинистые формы. Скорость охлаждения залитого в форму металла регулировали диаметром отливки, который составлял 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 мм; высота отливок - 150 мм. Было проведено 2 варианта опытов. Начальная температура расплава в печи составляла
а) 950 "С (около Тр) или б) 750 "С (заметно ниже Тр). За время заливки расплава в форму температура снижалась соответственно до ~800 С или -690 "С.
Результаты опытов и их обсуждение а) Достоверность принятых методик проведения опытов.
Опытные данные обеих серий опытов обработали по методике работы [8], которая дает возможность найти точки перехода (превращений) по кривой зависимости температуры от времени.
В качестве примера приведем следующие данные по температурам превращения в расплаве алюминия при его охлаждении в одном из опытов:
дереватографический 650 ш ш ш метод, г С
метод температур, X "С 630 690 795 860
Из приведенных цифр видно, что оба метода дают примерно одинаковые результаты. Разность в определении температур превращений сплава алюминия различными методами составляет ~(5 - 10 "С) или в процентах не более 0,6 - 1,0 %. Следовательно по этому признаку оба метода определения температур превращения структуры жидких металлов можно считать достаточно надежными.
О надежности разработанной методики определения температур превращений в расплаве металла свидетельствует рис. 3. При построении этого рисунка использовались методические подходы к анализу экспериментального материала из работы [7]. Ее автор характеризовал положения 1-го и 2-го превращений в металле соотношениями Тл/Т1 и Г/Г^. С другой стороны в работе [9] было показано, что температура ликвидус металла Тл К, является фундаментальной характеристикой металла, от которой зависит многие его свойства. Поэтому, в настоящей работе, по собственным экспериментальным данным и литературным мы построили графики величин Тл/Т; и Т1/Т2 в зависимости от Тл - см. рис. 3. При построении графиков рис. 3 использовали кроме наших экспериментальных результатов, данные по изучению кинематической вязкости жидких А1, 8п. 8Ь. РЬ, 1п, Сё из работы [10]; кинематическая вязкости железа из работы [11];
К
1,00
0,80
0,60
0,40
• Ж _ -——-;
* / □
/{ °
/ % О
а
300
Е-Г
1,00
0.80
0,60
0,40
300
800
800
1300
ТЛЖ
1300
1800
*
*
> .«/ □
/ ° х-0
1800
Рис. 3 - Отношение температур полиморфных превращений в различных сплавах Тл / Т] (а) и У, /У*2 (б) в зависимости от температуры ликвидус сплава Тл. Обозначения точек: Д - наши эксперименты; о - автор работы [7]; • - [10]; х - [11|: □ - 12; * - [13]
плотности различных расплавов из работы [7]; плотности алюминия из работы [12]; средних значений свойств железа (15 опытов) из обзора [13].
Из рис. За и 36 видно, что с повышением температуры ликвидус сплава по восходящей кривой увеличивается соотношение Тл/Т] и ТУТ* Наши экспериментальные точки лучше всего согласуются с опытами работы [7]. Повышенные значения отношений температур Тл/Т! и ТУТз для опытов в работе [10], по сравнению с результатами работы [7], можно объяснить разной методикой и точностью получаемых
величин. По нашему мнению, более высокую точность имели результаты работы [7], по сравнению с [10].
Из рис. 3 видно, с одной стороны, что наши экспериментальные данные хорошо согласуются с литературными по этому же вопросу. Последнее свидетельствует о надежности разработанной методики исследования по изучению полиморфных превращений в жидком металле. С другой стороны, график зависимости рис. 3 еще раз подтверждает фундаментальность характеристики ликвидус металла при формировании его различных свойств, что уже ранее подчеркивалось в литературе [9]
б) Итоговые зависимости работы
На рис. 4, в зависимости от скорости охлаждения расплава, представлены следующие величины, - измеренная термопарой температура ликвидус расплава (кривая 1), температура первого после ликвидуса структурного превращения расплава (кривая 2) и второго превращения (кривая 3). Нумерация кривых превращения заимствована из работы [7], в которой опыты производили только при нагреве сплава. Малые скорости охлаждения расплава (0,25 град/сек) и менее) были достигнуты в установке по измерению разности температур между двумя термопарами расположенными в алюминии и песке (см. рис. 1). Из рис. 4 видно, что с увеличением скорости охлаждения расплавленного металла от 0,25 до 2,75 град/сек температура фактического ликвидуса сплава из-за его переохлаждения уменьшается от 960 К (687 "С) до 868 К (595 "С), т.е. на 92 град. Также при увеличении скорости охлаждения металла уменьшаются температуры I и II структурного превращения соответственно на 160 и 196 градусов.
Для сравнения отметим, то по литературным данным равновесная температура кристаллизации чистого алюминия составляет 933К (660 "С), а максимальное переохлаждение достигает 195 град. [14].
Из литературы известно, что большем перегреве жидкого металла над линией ликвидус, при его кристаллизации достигаются большие переохлаждения расплава. Так, например, С.С. Затуловский [14] вводил стальную дробь в расплав стали. При перегреве расплава до 200 "С его переохлаждение достигало такой же величины. Из рис. 4 работы можно установить, что в наших опытах при перегреве алюминиевого сплава на 250 - 300 "С над линией ликвидуса переохлаждение расплава при его затвердевании достигает 80 - 100 градусов.
ч \
**• * \ щ V 3
\ ч \ и«■ ■......... ■......ж 2 1 ♦
0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75
град! с
Рис. 4 - Температура ликвидус металла (1), первого превращения (2) и второго превращения в расплаве (3) в зависимости от скорости его охлаждения.
Выводы
1. На модельном сплаве вторичного алюминия разработана методика обнаружения по кривой охлаждения структурных перестроек в жидком металле при его охлаждении и нагреве.
2. При повышении температуры ликвидус сплава Тл от 300 до 1800 К по литературным данным отношение Тл/Т] (Ti - первая перестройка структуры жидкости) увеличивается от 0,50 до 0,95. Наши опытные данные согласуются с литературной зависимостью, что свидетельствует о надежности разработанной методики.
3. При увеличении скорости охлаждения расплава от 0,25 до 2,75 град/сек температура его переохлаждения достигает 92 град, температура первой и второй структурных перестроек снижаются, соответственно на 160 и 196 град.
Перечень ссылок
1. Жидкая сталь /Б.А Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов и др.-М.: Металлургия, 1984. - 208 с.
2. Никитин В.И. Перспективы технологий генной инженерии в расплавах / В.И. Никитин // Литейное производство. - 1999. - № 1. - С. 5 - 9.
3. Молотилов Б.М. Нанотехнологии - новое направление в прецизионной металлургии / Б.М. Молотилов II Сталь. - 2005. - № 1. - С. 97 - 100.
4. Скребцов A.M. Поведение кластеров металлического расплава при его нагреве до высоких температур I A.M. Скребцов //Научные проблемы современной металлургии. Сб. науч. тр. К 100-летию проф. К.Н. Соколова. - Мариуполь: ПГТУ. - 2007. - С. 36 - 55.
5. Архаров В.И. О внутренней адсорбции в расплавах / В.И. Архаров, H.A. Новохатский II ДАН СССР. - 1969. - т. 185. - № 5. - С. 1069 - 1071.
6. Ладъянов В.И. Термодинамический метод оценки степени микронеоднородности жидких металлов / В.И. Ладъянов, И.А. Новохатский, Е.В. Кузьминых II Металлы. - 1997. - № 1 -С. 17-23.
7. Филиппов Е.С. Строение, физика и химия металлургических расплавов / Е.С. Филиппов. -М.: Металлргия, 1995. - 304 с.
8. Скребцов A.M. Кривая охлаждения металлического расплава, как источник информации о его температуропроводности и изменения строения охлаждающейся жидкости /
A.M. Скребцов, А. О. Секачев II Процессы литья. - 1997. - № 1. - С. 3 - 13.
9. Скребцов A.M. Температура ликвидус сплава как характеристика кинетики распада кластеров в жидком металле I A.M. Скребцов / Процессы литья. - 2004. - № 2. - С. 22 - 28.
10. Новохатский И.А. К механизму структурных превращений в жидких металлах / И.А. Новохатский, В.И. Архаров, В.И. Ладъянов II ДАН СССР. - 1982. - Т. 267. - № 2. -С. 367 - 370.
11. Новохатский И.А. Особенности проявления различных типов структурных превращений в металлических расплавах / И.А. Новохатский, В.З. Кисунъко, В.И. Ладъянов II Известия вузов. Черная металлургия. - 1985. - № 9. - С. 1-8.
12. Филиппов Е.С. Структурно-перитектическое превращение в жидких сплавах с каскадом пе-ритектических превращений / Е.С. Филиппов, А.Н. Крестовников II Известия вузов. Черная металлургия. - 1974. - № 9. - С. 125 - 131.
13. Островский О.И. О структурных превращениях в металлических расплавах / О.И. Островский,
B.А. Григорян II Известия вузов. Черная металлургия. - 1985. - № 5. - С. 1-12.
14. Затулоеский С.С. Суспензионная разливка / С.С. Затулоеский. - К.: Наукова думка. -1981.-260 с.
Рецензент: М.А. Шумилов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 17.03.2008
