CC BY
22
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1999г Вып.№8
УДК 621.74
Дан Л. А.
О ЗАКОНОМЕРНОСТЯХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДОГО И ЖИДКОГО СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА В ПРОЦЕССАХ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Проанализированы условия взаимодействия твердого и жидкого металлов в различных процессах литейного производства. Обнаружены общие закономерности, касающиеся кинетики затвердевания расплава на металлической подложке, диффузии и термодиффузии химических элементов.
Взаимодействие твердого и жидкого металлов сопровождает различные процессы литейного производства: плавку шихты при приготовлении расплава; изготовление армированных и биметаллических отливок, литье в металлическую форму - кокиль; применение внутренних холодильников с целью улучшения структуры и механических свойств металла отливок и слитков и др.
Настоящая работа посвящена рассмотрению некоторых обш.их закономерностей взаимодействия жидкого и твердого металла в литейном производстве.
В последнее время с целью улучшения структуры и свойств металла отливок и слитков все чаще применяют внутренние холодильники [1,2].
При изучении структурных превращений в холодильниках из стали С'тЗ, залитых в тело чугунных отливок, обнаружили интенсивное науглероживание периферических зон вставок [31
Аналогичные трансформации стру ктуры образцов из армко-жслеза, извлеченных из тигля с расплавом чугуна, обнаружили авторы [5]. Металлографическим исследованием образцов было установлено наличие на их поверхности переходных зон с повышенной концентрацией углерода.
И в этом, и в другом случае на границе с жидким чугуном малоуглеродистый сплав приобрел структуру заэвтектоидной стали Зона заэвтектоидной стали плавно переходила в перлитную, а та, в свою очередь. - в структуру основного металла.
С целью последующей обработки данных [3,5] по количеству структурных составляю -щих приближенно вычислили содержание углерода, С. в стали на различном расстоянии от границы контакта с чугуном. Для доэвтектоидной области:
100
где П - площадь занятая перлитом в поле зрения микрошлифа, %; для заэвтектоидной области:
(я
100 100
где Ц - площадь занятая цементитом в поле зрения микрошлифа, %.
По результатам расчетов в полулогарифмических координатах построили график зависи -мости содержания углерода в стали [3] от расстояния, /, от границы контакта ее с жидким чугуном (см. рисунок). На график нанесли расчетные данные для армко-жслеза [5]. Опытные точки хорошо укладываются на одну линию.
Общая прямая графика хорошо описывается уравнением:
1п С = 1,19-4,96/, ' (3)
' ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
т.е.
ln С
С:=еа, 19-4,961} (4)
Диффузия углерода из расплава чугуна в твердую сталь или армко-железо играет важную роль как при плавлении этих материалов, гак и при затвердевании жидкого чугуна на твердых вставши: [4,5]. Поэтому представляет практический и теоретический интерес; расчет параметров этой диффузии. По опытным значениям величины коэффициента диффузии, Д из работы [5], дополненным аналогичными величинами из работы [3]. нашли обобщенное уравнение зависимости логарифма Г) от обратной температуры, 1/Т\
1пО ~ ~1,8-2 ■104(1/Т) (5)
Формирование структуры и свойств переход ной зоны е: биметаллических отливках связано с большим числом взаимодействующих факторов. Среди них одно из наиболее существенных мест занимает коэффициент затвердевания расплава, К.
0,08 0,16 0,24
/.мм
Рис. 1 - Логарифм концентрации углерода, 1п С, в твердой стали - • {3] и армко-железе - И [5] в зависимости от расстояния / до границы с жидким чугуном
Измельчение структуры отливок при введении в них внутренних холодильников также связано с изменением кинетики кристаллизации жидкого металла, т.е. величины коэффициента затвердевания.
И в том и в другом случае уравнение теплового баланса при затвердевании слоя металла толщиной й:с, сечением 1 см' имеет вид:
dqoxл+dqкp+dqт=dqф, (6)
где dqoзal,dqкp., dq1 - выделенная теплота, соответственно, при охлаждении расплава от температуры заливки (/«„.) до температуры кристаллизации ); ¡при кристаллизации металла, при охлаждении металла от (кр, до температуры твердой вставки-подложки (?„,„); dqф. - теплота отведенная в форму от затвердевшего металл;!. Формула (6) отличается от формулы Б.Б.Гуляева [6] на величин}' dqoxл■
Коэффициент затвердевания. К, в зависимости от температурных условий на границе «твер дое-жидкое», рассчитали после преобразования формулы (6):
„см/с- (7)
СжРж({зал. - *кр) + Рж1< + 0,5СТРТакр ~ ■(„„
где Я - коэффициент теплопроводности твердого металла, Д»:/(см' с град); рт и рж - плотность твердого и жидкого металла, соответственно, г/см ; Сж и Ст - удельная теплоемкость жидкого и твердого металла, Дж/г град: ?т0 - температура твердой вставки-холодильника (металла-основы), °С.
В работе [7] установлено, что уравнение (7) справедливо как для описания процесса кристаллизации серого чугуна отливок вокруг стальных холодильников массой 0,3 - 0,9 % массы отливки, так и при затвердевании тонкого слоя серого чугуна на поверхности массивной чугунной заготовки [8].
Расчеты по формуле (7), выполненные с использованием данных работ [7,8] показали, что величина К сильно зависит от температуры вставки-холодилника . В интервале температур от 30 до 900 °С для чугуна с углеродным эквивалентом. Сэ»4,0 %, коэффициент затвердевания уменьшается в 1,6 раза с 0,338 до 0,208 см/с12 и эта зависимость носит линейный характер:
К=0,342-0.00014Т. (8)
J • \ (9)
При дальнейшем повышении температуры металла- основы до 1150 °С, т е. приближении ее к температуре плавления чугуна, величина К резко уменьшается до 0,073 см/с \
В процессе эксплуатации чугунных изложниц, металлических форм-кокилей наблюдается перераспределение химических элементов в их стенках [9]. Подобное перемещение элементов в затвердевающем расплаве происходит при изготовлении би металлических изделий заливкой расплава на твердую заготовку [8]. Ив том и в другом случае движущей силой перемещения атомов является градиент температуры (термодиффузия).
Обычно термодиффузию характеризуют теплотой термодиффузии, Q [10]. Поток вещества, j, при наличии атомарной диффузии и термопереноса вещества выражается следующим образом:
.ес_ CQ*_ от_ á( + rt2 'ах
где D - коэффициент атомарной диффузии, м2/с; дС JT
--и--градиент концентрации и температуры;
дК сК
С - концентрация диффундирующего элемента в молярных долях; R - универсальная газовая постоянная, кДжДмоль град); Т - абсолютная температура, К.
Термоперенос и атомарная диффузия действуют на атомы в противоположных направлениях. Из-за термодиффузии в теле возникает градиент концентрации, а атомарная диффузия стремится выровнять этот градиент. Стационарное состояние, которое наступает через определенный промежуток времени, характеризуется отсутствием потока вещества в любом сечении
0=0):
дС, CQ* (1
Rimú
dY ят2 '
Q* А 1п С
R rí ' , и1;
:/ т
(Ю)
(11)
Из литературы [9, 10] известно, что при > 0 в твердом металле атомы вещества перемещаются в более холодную область, а при () < 0 - в более горячую
Обращает на себя внимание, что вычисленное значение теплоты термодиффузии кремния в твердом чугуне [10] характеризует и миграцию атомов этого элемента при затвердевании расплава чугуна на металлической подложке при получении биметаллических отливок [8, 11].
Так, например, в работе [10] вычислена теплота термодиффузии в твердых: чугунных. *
образцах: Qs¡ = -0,126 кДж/моль. Качественно эти данные совпадают с результатами наблюдений за миграцией атомов этого элемента в затвердевающем на твердой подложке жидком чугуне биметаллических отливок: атомы кремния перемещаются в более горячую область залитого слоя, т.е. в направлении удаления от границы сплавления | 8, .11].
Выводы
При взаимодействии твердого и жидкого металла сплавов на основе железа в различных процессах литейного производства (плавление стального лома в жидком чугуне, затвердевание расплава чугуна на стальной подложке и т.д.) наблюдаются общие закономерности в кинетике кристаллизации и поведении элементов, характеризующиеся значениями величин их коэффициентов диффузии и теплот термодиффузик. Обобщены опытные данные собственных исследований и литературных публикаций и найдены значения кээффи з центов диффузии в зависимости от температуры.
Перечень ссыпок
1. A.C. 11556824 СССР МКИ В22Д7/00. Способ отливки слитков/Л И Игнатов.
2. Пат. 2000872 РФ МКИ В22Д7/00. Способ отливки слитков/ АМ.Скребцов, А.И.Игнатов, Л А. Дан и др.
3. Дан Л.А. Изменение структуры стальных армирующих вставок в теле чугунных отливок//
Вестник Приазов. гос. техн.ун-та: Сб. науч.тр. - Мариуполь, 1997. - Вып.З. - С.67 - 69.
4. Скребцов A.M. Об особенностях кинетики плавления лома в промышленных агрегатах вы-
плавки стали// Изв.вузов. Черн, металлургия. -1989. - №2. - С 19 -23.
5. Булгаков Г.В., Явойский В.И, Григорьев В.П. К вопросам о кинетике плавления железа в
расплаве чугуна// Изв. вузов. Черн, металлургия. -1969. - №11 - С.28 - 31.
6. ГуляевБ.Б. Теория литейных процессов. - JL: Машиностроение, 1976. - 216с.
7. Дан Л.А. Кинетика затвердевания расплава чугуна на поверхности внутренней вставки-
холодильника// Вестник Приазов. гос.техн.ун-та : Сб.науч.тр. - Мариуполь, 1998. - Вып.6. -С.90 -92.
8. Скребцов A.M., Дан Л.А., Павлюк Б.А. Формирование переходной зоны в литом биметалле
на основе чугунов различных составов// Теория и практика процессов получения биметаллических и многослойных отливок: Сб.науч.тр. / Ин-т проблем литья. - К., 1987. - С. 31 - 3 5.
9. Скребцов A.M., Дан Л.А., Павлюк Б.А. Повышение стойкости изложниц//Сталь.-1997,- №2,-
С.22-23.
10. Скребцов A.M., Дан Л.А., Павлюк Б.А., Демченко Ю.А. Роль термодиффузии элементов в чугуне при его термоциклировании с градиентом температур в металле// Изв. вузов. Черн металлургия. -1994. - №12,- С.24 - 26.
11. Костенко Г Д., Брик В.Б., Горский В.В. Основные закономерности диффузионного перераспределения легирующих элементов при формиров'ннии переходных слоев биметаллических отливок на основе железа/' Теория и практика процессов получения биметаллических я: многослойных отливок: Сб. науч. тр / Ин-т проблем литья. - К. 1987. - СТО -15
Дан Леонид Александрович. Канд техн. наук, доцент кафедры материаловедения ПГТУ, окончил Ждановский металлургический институт в 19 81 году. Основные направления научных исследований - получение биметаллических отливок; повышение стойкости сталеразливочных изложниц и поддонов; улучшение качества отливок и слитков при воздействии на затвердевающий металл.
