CC BY
37
Оригинальная статья / Original article УДК 903.052, 739.5
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-128-134
ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛАТУНИ В ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ © В.Е. Сорокина1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Выявление особенностей кристаллизации сплава Cu-Zn при литье в воду для понимания и объяснения процессов, участвующих в формировании отливок. МЕТОДЫ. Анализ микроструктуры исследуемых образцов латуни был проведен с использованием поляризационного микроскопа OLIMPUS BX51. Температура охлаждающей жидкости измерялась жидкостным термометром BT-02 с точностью ±2°C. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Литье расплава однофазной латуни марки Л63 в воду приводит к ускоренной кристаллизации сплава и формированию второй (6-фазы в его структуре. Чем ниже температура охлаждающей жидкости, тем меньше размер зерен, образующихся в структуре отливки. Наличие небольшого количества в-фазы и зерен маленького размера влияют на твердость сплава, делая ее более высокой. Литье латуни в воду более низкой температуры способствует образованию неровных форм отливок с большим количеством пор и внутренних пустот. При повышении температуры охлаждающей жидкости количество и размер внутренних пустот уменьшается. ВЫВОДЫ. Установлено: технология литья расплава в воду приводит к увеличению твердости сплава, что является положительным моментом при эксплуатации таких отливок. Выявлена зависимость форм отливок от степени переохлаждения расплава в процессе такой обработки, что позволяет получать необходимые по форме отливки, варьируя температурой охлаждающей жидкости.
Ключевые слова: кристаллизация, литье металла, латунь, охлаждающая жидкость, структура сплава, скорость кристаллизации, формирование отливок.
Формат цитирования: Сорокина В.Е. Особенности кристаллизации латуни в охлаждающей жидкости // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 6. С. 128-134. DOI: 10.21285/1814-35202017-6-128-134
0
FEATURES OF BRASS CRYSTALLIZATION IN COOLING LIQUID V.E. Sorokina
Irkutsk National Research Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the article is identification of Cu-Zn alloy crystallization features under water casting in order to understand and explain the processes involved in the formation of castings. METHODS. Microstructure analysis of brass samples under investigation has been conducted using a polarizing microscope OLIMPUS BX51. The coolant temperature has been measured with a liquid thermometer BT-02 with the accuracy of ±2°C. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. Casting a melt of the monophase brass of L63 grade into the water leads to the accelerated crystallization of the alloy and formation of the second S-phase in its structure. The lower the temperature of the cooling liquid, the smaller the size of the grains formed in the casting structure. The presence of a small amount of S-phase and small-sized grains affect the hardness of the alloy increasing it. Casting of brass into the water at lower temperature contributes to the formation of uneven cast shapes with a large number of pores and internal voids. The number and size of internal voids decreases with the elevation of temperature. CONCLUSIONS. It is found that the water melt casting technology improves alloy hardness that is advantageous in the exploitation of such castings; the shape of castings depend on the degree of melt supercooling under such treatment. The latter enables to obtain the castings of required shape varying the temperature of the cooling liquid.
Keywords: crystallization, casting of metal, brass, cooling liquid, alloy structure, crystallization rate, formation of castings
For citation: Sorokina V.E. Features of brass crystallization in cooling liquid. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 6, pp. 128-134. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-6-128-134
Сорокина Вера Евгеньевна, старший преподаватель кафедры геммологии, e-mail: vs_kina@mail.ru Vera E. Sorokina, Senior Lecturer of the Gemology Department, e-mail: vs_kina@mail.ru
Введение
При литье металлического расплава непосредственно в охлаждающую жидкость (воду) пространство, в которое попадает металл, не ограничено стенками формы, в результате чего отливки могут обретать необычные неровные формы. Такая технология литья используется для получения из сплава ^^п марки Л63 имитаций природных самородков золота - материала, интересного и актуального для ювелирной отрасли - и позволяет расширить спектр дизайнерских решений при создании ювелирных изделий с минимальными материальными затратами, затратами труда и времени [1]. К таким неровным формам, схожим с золотыми самородками, приводит обеспечение максимального переохлаждения сплава путем использования в качестве охлаждающей жидкости воды температу-
рой 5-10 (±2)°С (рис. 1, а). В данной работе проведен анализ процессов, протекающих в металле в ходе кристаллизации в условиях ускоренного охлаждения и участвующих в формообразовании латунных отливок, полученных литьем расплава в воду.
Цель исследования - выявление особенностей кристаллизации сплава Zn при литье в воду для понимания и объяснения процессов, участвующих в формировании отливок.
В качестве материала исследования в данной работе использована однофазная латунь марки Л63. Исследование проводилось на таком оборудовании, как поляризационный микроскоп OLIMPUS BX51 для анализа микроструктуры отливок и жидкостный термометр BT-02 для замера температуры охлаждающей жидкости.
Результаты исследования и их обсуждение
Традиционно литье металла осуществляется в формы - песчаные, гипсовые, металлические (кокиль или изложница). Металлический расплав заливается в нужную форму и кристаллизуется, заполняя все ее внутренне пространство. Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения - количества кристалликов (зародышей кристаллизации), появляющихся в единице объема жидкого металла в единицу времени, а также от скорости роста зерен или кристаллитов - скорости присоединения атомов из жидкого металла. От этих же параметров зависит размер зерна металла. Чем выше скорость зарождения, тем меньше размер получаемого зерна. Чем выше скорость роста, тем оно крупнее [2, 3]. При малом переохлаждении, например, при заливке металла в прогретую металлическую форму, скорость роста велика, скорость зарождения сравнительно мала. В таком случае в объеме образуется сравнительно небольшое количество крупных кристаллов. При увеличении степени переохлаждения (в случае заливки жидкого металла в холодные металлические фор-
мы) скорость зарождения возрастает, что приводит к образованию большого количества мелких кристаллов.
При кристаллизации реальных слитков или отливок важную роль играет направление отвода теплоты. Кристаллизация начинается от стенок формы или изложницы. В направлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно стенке формы, кристалл растет быстрее, чем в других направлениях. В таком случае строение полученной отливки или слитка будет представлять сочетание трех структурных зон:
Первая - наружная мелкозернистая зона, состоящая из мелких кристаллов, не ориентированных в пространстве. Металл в этой зоне сильно переохлаждается, что обусловлено резким перепадом температур: жидкий металл - холодные стенки формы. Образуется большое число центров кристаллизации, металл приобретает мелкозернистое строение.
Вторая - зона столбчатых кристаллов. Перепад температур для этой зоны не значителен, и степень переохлаждения ме-
талла снижается. В результате из меньшего числа центров кристаллизации в направлении отвода теплоты, т.е. перпендикулярно к стенкам формы, начинают расти столбчатые кристаллы, развитие которых в стороны ограничено соседними дендритами.
Третья - зона равноосных кристаллов - это центральная часть слитка, где нет определенной направленности отвода теплоты, а зародышами кристаллизации обычно являются различные мелкие твердые частицы, оттесненные при кристаллизации к центру слитка2.
Литье жидкого металлического расплава непосредственно в воду способствует увеличению скорости кристаллизации. Формы отливок, полученных в таких условиях, отличаются неровными контурами и рельефом поверхности. В данной работе представлен сравнительный анализ образцов латуни марки Л63, полученных литьем расплава в воду температурой 5-10 (±2)°С и 80-85 (±2)°С.
На формирование таких отливок могут влиять одновременно несколько условий. При попадании расплава, температура которого составляет 950°С, в охлаждающую жидкость вода вокруг него закипает, образуя своего рода «паровую рубашку», которая создает давление, вероятно, участвующее в деформации отливки и образовании неровных форм со сложным рельефом поверхности. Если допустить данное условие, то логично предположить, что отливки латуни, полученные литьем расплава в горячую воду (80-85 (±2)°С), должны обладать не менее сложными формами и рельефом, чем отливки, полученные в холодной воде (5-10 (±2)°С), поскольку вода температурой 80°С подвержена более быстрому закипанию, а потому и давление от «паровой рубашки» наибольшим образом должно влиять на формообразование отливки. На самом же деле образцы латуни, полученные литьем расплава Си^п в
воду температурой 80-85 (±2)°С, обладают относительно ровными округлыми формами и ровной поверхностью (рис. 1, Ь), поэтому давление, оказываемое на металл при закипании вокруг него воды, в данном случае незначительно и на формообразование отливок латуни не влияет.
Особенность литья металла в воду заключается в том, что отливки формируются в свободном неограниченном пространстве, а потому их форма зависит от процессов, происходящих внутри расплава. В составе даже самых чистых металлов в любом агрегатном состоянии всегда содержится какое-то количество газов (водород, кислород, азот). Они находятся как в виде самостоятельных элементов, так и в виде различных химических соединений. Газы могут остаться в металле после кристаллизации или перейти в металлическое изделие в процессе эксплуатации вследствие влияния температурных условий, повышенных парциальных давлений, сочетаемых с химическими и электрохимическими воздействиями. В жидком металле газы содержатся в виде растворенных ионизированных частиц (катионов и анионов) и атомов, в виде химических соединений (нитридов и оксидов) или молекул - на поверхности шлаковых включений, не смачиваемых жидким металлом. В твердом металле газы находятся в виде растворенных частиц - ионов и атомов, а также неметаллических включений, а в порах и раковинах -в виде молекул [4, 5].
При литье расплава в воду температурой 5-10 (±2)°С охлаждение металлической массы ускорено и происходит неравномерно. Под воздействием резкого перепада температур внешние слои сплава, попав в воду, испытывают сильное переохлаждение, высокая скорость их кристаллизации приводит к возникновению давления, влияющего на внутренние зоны отливки. Под действием этого давления внутри-металлические газы компонуются внутри
2Пирайнен В.Ю. Иоффе М.А., Магницкий О.Н. Технология художественной обработки металлов: учебное пособие СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. 487 с. / Pirainen V.Yu. loffe M.A., Magnitsky O.N. Artistic processing technology of metals: a learning aid. St. Petersburg: Publishing house of the Polytechnic University, 2009. 487 p.
кристаллизующегося расплава и, стремясь вырваться наружу, деформируют еще незастывшие слои металла, в результате чего образуются отливки неровных форм со сложным рельефом, пример таких отливок представлен на рис. 1, а.
Поры, возникающие вследствие выделения газа из металла или материала формы, а также вследствие усадки металла в традиционном литье, являются дефектами отливки. В данном же случае внутри отливок, полученных литьем расплава в холодную воду, наблюдаются пустоты, заполняющие значительную часть их объема. При этом чем выше степень переохлаждения расплава, тем больше размер пустот и объем отливки, который они занимают. На рис. 1, c и d видно, что в отливке, полученной в воде 5-10 (±2)°С, размер внутренних пустот гораздо больше, чем в отливке, полученной в воде температурой 80-85 (±2)°С.
Форма отливок также зависит от температурного перепада металл-охлаждающей жидкости: чем сильнее переохлаждение расплава, тем ярче выражены неровности в формах отливок. При литье латуни в воду температурой 80-85 (±2)°С температурный перепад (охлаждающая жидкость - металл) недостаточно сильный для возникновения внутри отливки давления, способного ее деформировать, этим объясняется ровная округлая форма таких отливок (см. рис. 1, Ь). В этом случае большое значение имеет скорость кристаллизации расплава.
Формирование структуры промышленных сплавов, кристаллизация которых происходит в условиях, далеких от равновесных, характеризуется рядом особенностей. Процессы кристаллизации сплавов при медленном охлаждении протекают в условиях, когда диффузионные процессы
c d
Рис. 1. Образцы латуни марки Л63, полученные литьем расплава в охлаждающую жидкость: а - результат литья латуни в воду температурой 80-85 (±2)°С; b - результат литья латуни в воду температурой 5-10 (±2)°С; c - распил образца, полученного литьем латуни в воду температурой 5-10 (±2)°С; d - распил образца, полученного литьем латуни в воду температурой 80-85 (±2)°С Fig. 1. Samples of L63 grade brass received by melt casting in a cooling liquid: а - result of brass casting in water at the temperature of 80-85 (± 2)°C; b - result of brass casting in water at the temperature of 5-10 (± 2 °С; c - saw cut of the sample obtained by brass casting in water at the temperature of 5-10 (± 2) ° C; D - saw cut of the sample obtained by brass casting in water at the temperature of 80-85 (± 2)°C
b
а
как в жидкой, так и в твердой фазе идут до конца, и составы этих фаз при любой температуре отвечают равновесной диаграмме состояния. Однако в условиях ускоренного охлаждения температуры начала и конца кристаллизации могут снижаться [6]. Это проявляется тем значительней, чем выше скорость охлаждения. Диффузия, особенно в твердой фазе, отстает от скорости кристаллизации и не успевает выравнивать состав твердого раствора. Это приводит к возникновению дендритной ликвации и даже к тому, что структура сплавов, полученных в условиях ускоренного охлаждения, будет существенно отличаться от равновесной. Особенно заметно это проявляется в сплавах, испытывающих перитектическое превращение. Латунь марки Л63, используемая в данном исследовании для получения отливок, как раз относится к таким сплавам [7, 8].
Сплав Си^п, используемый для получения отливок путем литья расплава в воду, содержит около 37% цинка, и в соответствии с равновесной диаграммой, представленной на рис. 2, процесс формирова-
ния структуры этого сплава должен протекать определенным образом. Первоначально из жидкости выделяются кристаллы а-фазы, которая представляет собой твердый раствор замещения цинка в меди с гранецентрированнной кубической решеткой. Затем при температуре 903°С происходит перитектическое превращение, которое протекает в условиях недостатка жидкой фазы, поэтому по его окончании структура сплава состоит из кристаллов фаз а и в. Фаза в представляет собой твердый раствор на основе электронного соединения типа 3/2 CuZn с объемноцентрированной кубической решеткой. Выше температур 450-470°С этот раствор является неупорядоченным, а ниже этих температур наблюдается упорядочение, когда атомы меди располагаются в вершинах куба, а атом цинка - в его центре. При дальнейшем охлаждении происходит растворение фазы в в а-фазе по причине того, что растворимость цинка в меди увеличивается при понижении температуры, и при комнатной температуре сплав должен быть однофазным со структурой а-твердый раствор.
Zn,% (атомн) / Zn,% (atomic)
г
Й
2 о
а S
а
£ т
а
&
С
м
Zn,% (по массе) / Zn,% (by weight)
Рис. 2. Диаграмма состояния Cu-Zn Fig. 2. Cu-Zn statechart
Металлографический анализ исследуемых образцов показал, что структура сплава однофазной латуни Л63, представленная на рисунке 3, а, после литья в охлаждающую жидкость похожа на структуру двухфазных латуней. Она представляет собой светлые дендриты а-твердого раствора, окруженные твердыми выделениями в-фазы. Это объясняется тем, что в условиях ускоренного охлаждения точки линии неравновесного солидуса, характеризующие состав а-твердого раствора, оказываются смещенными в область меньших концентраций цинка, он обогащен медью, доля в-фазы больше равновесной, и при таком охлаждении она не успевает полностью раствориться в а-фазе до конца. Именно
поэтому некоторое количество в-фазы присутствует в структуре сплава, делая его более твердым ( рис. 3, Ь, о) [8].
Проведенный под 400-кратным увеличением сравнительный анализ микроструктуры образцов латуни марки Л63, полученных литьем металла в воду температурой 5-10 (±2)°С и 80-85 (±2)°С, показал меньший размер зерен в структуре отливки, сформированной в холодной воде (рис. 3, Ь), и гораздо больший - в отливке, полученной в горячей воде (рис. 3, о). Это подтверждает зависимость формообразования отливок в условиях неограниченного пространства от скорости кристаллизации и степени переохлаждения металлического расплава.
b
а
c
Рис. 3. Микроструктуры латуни при 400-кратном увеличении: a - однофазная латунь Л63; b - двухфазная латунь с меньшим размером зерна, полученная литьем расплавленного металла в воду с температурой 0-5°С; c - двухфазная латунь с более крупным зерном, полученная литьем расплавленного металла в воду с температурой 80-85°С Fig. 3. Brass microstructures at 400-fold magnification: a - single-phase brass L63; b - two-phase brass with a smaller grain size obtained by molten metal casting in water at the temperature of 0-5°C; c - two-phase brass with a larger grain obtained by molten metal casting in
water at the temperature of 80-85°C
Заключение
В результате исследования были определены факторы, влияющие на формирование отливок в условиях неограниченного пространства, а также выявлены их структурные особенности в условиях ускоренного охлаждения.
Степень неровности форм латунных отливок зависит от степени переохлаждения сплава. Резкий перепад температур способствует высокой скорости кристалл и-зации внешних слоев отливки и образованию в ее внутренних зонах давления, под
действием которого с участием внутриме-таллических газов происходит деформация и формирование неровной поверхности отливки. Однофазная структура латуни Л63 в таких условиях охлаждения преобразуется в двухфазную, и кроме кристаллов а-фазы в ней можно наблюдать также выделения в-фазы, благодаря чему повышается твердость сплава. В случае использования таких отливок в ювелирном дизайне это может оказаться полезным с точки зрения эксплуатационных свойств сплава.
Библиографический список
1. Сорокина В.Е., Лобацкая Р.М. Эксперименты по получению имитаций самородных металлов для использования в ювелирном дизайне // Дизайн. Теория и практика. М., 2014. № 15. С. 53-64
2. Куманин В.И., Лившиц В.Б. Материалы для ювелирных изделий / под ред. д-ра техн. наук Голу-бятникова И.В. М.: Астрель; Кладезь, 2012. 224 с.
3. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: МИСИС, 1999. 413 с.
4. Туровцева З.М., Кунин Л.Л. Анализ газов в металлах. Москва-Ленинград: Изд-во Академии Наук СССР, 1959. 391 с.
5. Чернега Д.Ф., Бялик О.М., Иванчук Д.Ф., Ремизов ГА. Газы в цветных металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1982. 176 с.
6. Коттрелл А.Х. Строение металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1961. 288 с.
7. Новиков И.И. Металловедение, термообработка и ренгенография. М.: МИСИС, 1994. 480 с.
8. Сорокина В.Е., Константинова М.В., Кусаинов Е.Н. Особенности формирования структуры сплавов в условиях ускоренного охлаждения // Перспективы развития технологии переработки углеводородных и минеральных ресурсов: материалы VI Всероссийской науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 21-22 апреля 2016 г.). Иркутск, 2016. С. 34-36.
References
1. Sorokina V.E., Lobatskaya R.M. Eksperimenty po polucheniyu imitatsii samorodnykh metallov dlya ispol'zovaniya v yuvelirnom dizaine [Experiments on obtaining imitations of native metals for jewelry design]. Dizain. Teoriya i praktika [Design. Theory and Practice]. Moscow, 2014, no. 15, pp. 53-64 (In Russian)
2. Kumanin V.I., Livshits V.B. Materialy dlya yuvelir-nykh izdelii [Jewelry materials]. Moscow, Astrel'; Kladez' Publ., 2012, 224 p. (In Russian)
3. Kolachev B.A., Elagin V.I., Livanov V.A. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka tsvetnykh metallov i splavov [Metal science and heat treatment of non-ferrous metals and alloys]. Moscow, MISIS Publ., 1999, 413 p. (In Russian)
4. Turovtseva Z.M., Kunin L.L. Analiz gazov v metallakh [Analysis of gases in metals]. Moscow-Leningrad, Izd-vo Akademii Nauk SSSR Publ., 1959, 391 p. (In Russian)
Критерии авторства
Сорокина В.Е. подготовила статью и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 25.05.2017 г.
5. Chernega D.F., Byalik O.M., Ivanchuk D.F., Remi-zov GA. Gazy v tsvetnykh metallakh i splavakh. [Gases in non-ferrous metals and alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1982, 176 p. (In Russian)
6. Novikov I.I. Metallovedenie, termoobrabotka i rengenografiya [Metal science, heat treatment and X-ray radiography]. Moscow, MISIS Publ., 1994, 480 p. (In Russian)
7. Sorokina V.E., Konstantinova M.V., Kusainov E.N. Osobennosti formirovaniya struktury splavov v uslovi-yakh uskorennogo okhlazhdeniya [Features of alloy structure formation under accelerated cooling]. Materi-aly VI Vserossiiskoi nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem "Perspektivy razvitiya tekhnologii pererabotki uglevodorodnykh i mineral'nykh resursov" [Materials of VI All-Russia Scientific and Practical Conference with International Participation "Development Prospects for Hydrocarbon and Mineral Resources Processing Technology"]. Irkutsk, 2016, pp. 34-36. (In Russian)
Authorship criteria
Sorokina V.E. have prepared the article and bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this paper.
The article was received 25 May 2017
