CC BY
61
ИСТОРИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
УДК 669.534-8
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-3-61-71
РАЗВИТИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА. МОИ 45 ЛЕТ В ВИЛСе
Георгий Иосифович Эскин, докт. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Описаны этапы 45-летней работы автора в институте под руководством выдающегося ученого В.И. Добаткина. Основное направление исследований было посвящено разработке ультразвуковых методов воздействия на структуру и свойства литых и деформированных легких сплавов.
Ключевые слова: легкие сплавы, непрерывное литье, ультразвуковая обработка расплава, недендритная структура.
Development of Ultrasonic Treatment of the Melt. My 45 Years Activity at VILS.
Dr. of Sci. (Eng.) Georgy I. Eskin
All-Russia Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. The stages of the 45-year activity of the author at the institute under the guidance of the outstanding scientist V.I. Dobatkin are described. The main direction of researches was devoted to the development of ultrasonic methods to control the structure and properties of cast and wrought light alloys.
Key words: light alloys, continuous casting, ultrasonic treatment of the melt, non-dendritic structure.
В институт я пришел в 1967 г. старшим научным сотрудником по приглашению В.И. Добаткина.
Учитывая успешный опыт применения мощного ультразвука в технологии фасонного литья алюминиевых сплавов, мне было предложено применить этот опыт при непрерывном литье легких сплавов.
В институте я начал работать в лаборатории анализа газов в металле, которой руководил В.А. Данилкин. Мне предложили в составе лаборатории создать исследовательскую группу, в которую я пригласил перешедшего со мною из ММЗ «Наука» П.Н. Швецова и бывшую сотрудницу ВИАМа С.И. Боровикову.
Одновременно, когда кроме алюминиевых сплавов в орбиту ультразвука вошли магниевые сплавы, с нами стала работать А.Н. Ан-сютина из сектора магниевых сплавов, кото-
рым руководил И.И. Гурьев, бывший главный металлург завода легких сплавов.
Мне сразу же очень понравилась атмосфера научно-исследовательского отделения легких сплавов, которым руководил В.И. Добат-кин, его исключительная доброжелательность в сочетании с высокой требовательностью к порученной работе.
В отделение легких сплавов, кроме ряда исследовательских лабораторий, входил опытный участок (ОПУ-4) в составе литейной и механической групп, электриков и сантехников. Руководил ОПУ-4 инициативный специалист Р.И. Шехирев (позднее его сменил Н.В. Рух-лов, а затем А.М. Бисьев), группу электриков возглавлял М.Л. Бородянский, группой механиков руководил Н.В. Рухлов, непрерывное литье слитков было в руках опытных литейщиков А. Молоткова, Н.А. Константинова и др.
В составе литейной ОПУ-4 были две электропечи на 100 и 1000 кг с установками непрерывного литья слитков и набором кристаллизаторов диаметром от 70 до 370 мм.
На печи емкостью 100 кг вместо литейной машины можно было также установить центробежный распылитель для получения гранул алюминиевых сплавов с охлаждением в воде.
На участке имелся ламповый генератор ультразвука УЗГ-10. Магнитострикционный преобразователь для преобразования электрических сигналов ультразвуковой частоты в механические колебания мне разрешили взять с собой из ММЗ «Наука».
Колебательную систему, состоящую из стального волновода и инструмента из сплава на основе ниобия, изготовили в ОПУ-4. Там же было сделано и смонтировано несложное устройство для крепления источника ультразвука и его передвижения вверх, вниз, вправо и влево относительно кристаллизатора непрерывного литья.
Уже первые опыты по непрерывному литью слитков сплава В96ц (1960) диаметром 270 мм с ультразвуковой обработкой расплава в лунке показали возможность эффективно измельчить структуру. Исследование микроструктуры показало, что зерно становится по размеру близким к сечению дендритной ветви, т. е. формируется недендритная структура.
Следует сказать, что такой результат был предсказуем. Еще в моей кандидатской диссертации было установлено, что кавита-ционная обработка расплава позволяет за счет звукокапиллярного эффекта резко увеличить число реализуемых зародышей кристаллизации.
Всегда присутствующие в жидком металле неконтролируемые дисперсные частицы оксидов обычно не смачиваются расплавом и удаляются из расплава в виде шлака. После ультразвуковой обработки они смачиваются и становятся прекрасными зародышами кристаллизации.
Замечу, что такой механизм действия ультразвука на процесс кристаллизации разделяли не все специалисты. Известный ученый в области кристаллизации Г.Ф. Баландин, например, счи-
тал, что кавитационные процессы оказывают ударное действие на растущие кристаллы, и их обломки служат зародышами кристаллизации.
Однако наши последующие исследования совместно с В.И. Добаткиным показали, что при воздействии ультразвука действует именно такой механизм измельчения.
Литье магниевых сплавов в ультразвуковом поле
В конце 60-х гг. на заводе легких сплавов, входящем в состав ВИЛСа, возникла острая проблема при литье плоских слитков размером 550 х 165 мм из магниевого сплава МА2-1 повышенной чистоты по примесям железа - основной модифицирующей примеси. Формируемая столбчатая структура слитка при последующей прокатке приводила к растрескиванию и браку.
Учитывая положительный опыт влияния ультразвука на структуру слитков из алюминиевых сплавов, мне предложили опробовать эту технологию применительно к процессу литья плоских слитков сплава МА2-1пч. Для этого на МРТЗ (Московском радиотехническом заводе) были приобретены два генератора УЗГ-10М и два преобразователя ПМС-15А-18. Волноводные системы изготовили в ОПУ-4.
При активном содействии начальника литейного цеха В.П. Митина вблизи литейной машины на многотонной промышленной печи был довольно быстро организован участок ультразвуковой обработки.
Ультразвуковую обработку расплава в кристаллизаторе осуществляли путем введения двух источников ультразвука. Расплав подавали в литейную воронку в середину плоского слитка между источниками ультразвука с помощью электромагнитного насоса.
После первых опытов стало ясно, что ультразвуковая обработка устраняет столбчатую структуру; структура слитка становится мелкозернистой и слитки катаются без трещин.
Считается, что в магниевых сплавах типа МА2-1пч наряду с железом модификатором может служить некая фаза с гексагональной решеткой. По-видимому, дисперсные частицы
этой фазы под действием кавитации активируются (смачиваются) и служат зародышами кристаллизации.
Проведенные совместно с И.И. Гурьевым и А.Н. Ансютиной исследования показали, что после кристаллизации в ультразвуковом поле плоские слитки сплава МА2-1пч имеют наряду с измельченным зерном пониженное на 30 % содержание водорода и дисперсные вредные включения марганца.
Эти слитки с измельченной структурой после гомогенизации имели повышенную пластичность при комнатной температуре и температуре прокатки. Полученные из таких слитков плиты и листы сохраняли повышенную пластичность как в направлении прокатки, так и в поперечном направлении.
К сожалению, ультразвуковую обработку при кристаллизации плоских слитков сплава МА2-1пч внедрить в цехе не удалось из-за неустойчивой работы ламповых генераторов ультразвука.
Позднее, после производства на МРТЗ полупроводниковых (тиристорных) генераторов, мы успешно реализовывали процесс в ОПУ-4, а также на заводах в Каменске-Уральском, Самаре и Верхней Салде.
В дальнейшем решение по измельчению структуры плоских слитков сплава МА2-1пч нашел Б.И. Бондарев и описал эти исследования в своей книге «Плавка и литье слитков деформируемых магниевых сплавов» (Металлургия, 1973 г.) и в докторской диссертации 1976 г.
По инициативе И.И. Гурьева в литейной ОПУ-4 наряду с установками по непрерывному литью алюминиевых сплавов был создан уникальный участок непрерывного литья слитков малых размеров из магниевых сплавов с тигельной индукционной печью на 100 кг, где в атмосфере аргона готовили расплав.
При участии талантливого конструктора Е.Б. Клейзера была смонтирована оригинальная система давления аргона, которая автоматически поддерживала уровень расплава в печи и путем выдавливания передавала расплав в литейный желоб и затем в кристаллизатор. Расплав в желобе и кристаллизаторе защищали сернистым газом, а ультразвуко-
вую обработку вели в желобе на пути в кристаллизатор.
С таким литейным оборудованием мы успешно продолжили исследования по влиянию ультразвука на процесс кристаллизации круглых слитков диаметром 118-204 мм из сплава МА2-1пч и других магниевых сплавов как содержащих цирконий (МА14), так и сплавов других систем (без циркония).
Оказалось, что легирование сплавов цирконием в сочетании с ультразвуковой обработкой надежно обеспечивает формирование недендритной структуры и повышенные механические свойства слитков и штампованных полуфабрикатов. При отливке слитков диаметром 118 мм удавалось практически всегда получить недендритную структуру и повышенные механические свойства слитков и полуфабрикатов, полученных из них.
Особо следует указать на значение слитков диаметром 118 мм из сплава МА2-1пч с недендритной структурой для производства сварочной (присадочной) проволоки. Дело в том, что в сварных конструкциях космической техники (луноход и другие) используется именно этот сплав. При аргонно-дуговой сварке применяется присадочная проволока из того же сплава. Наши исследования совместно с сотрудниками НПО им. С.А. Лавочкина (Т.Н. Осокина и другие) показали, что применение проволоки, полученной из слитка с недендритной структурой, оказывает наследственное влияние на формирование плотного шва и устраняет необходимость подварок после рентгеновского контроля. ВИЛС в течение ряда лет поставлял в НПО им. С.А. Лавочкина проволоку из МА2-1пч, изготовленную по нашей технологии из металла, обработанного ультразвуком.
Отметим, что постепенно наша группа начала расширяться до сектора. В ее состав вошли инженеры Т.М. Авхукова (Швецова), 3.К. Шанина (Кузьминская), П.А. Ваганов, В.П. Буров и техник А.Н. Поглазова. Ремонт и обслуживание ультразвуковой техники обеспечивал наладчик В.К. Скулинец. Позднее его сменили последовательно В.Ф. Кузьминский, А.С. Филиппов, А.М. Черкас и др.
Для совершенствования своей научной активности П.Н. Швецов и А.Н. Ансютина поступили в заочную аспирантуру института.
Работа сектора шла в трех основных направлениях:
- ультразвуковая дегазация расплава алюминиевых сплавов (П.Н. Швецов);
- исследование процесса недендритной кристаллизации алюминиевых сплавов (С.И. Боровикова);
- упомянутые выше работы по магниевым сплавам (А.Н. Ансютина).
Ультразвуковая дегазация расплава алюминиевых сплавов
Работу в этом направлении мы с П.Н. Швецовым начали вести еще в стенах ММЗ «Наука». Разработанный процесс ультразвуковой дегазации в тигле мы под руководством М.Б. Альтмана сравнили в цехе Балашинского литейно-механического завода с другими известными методами дегазации: обработка расплава в вакууме, продувка аргоном и введение хлористых солей. Сравнение выявило явное преимущество нашего метода. В ВИЛСе мы получили прекрасные возможности для дальнейшего изучения механизма дегазации под действием ультразвуковой кавитации.
К нашим услугам был налаженный процесс непрерывного литья самых разных алюминиевых сплавов в ОПУ-4, а в лаборатории В.А. Данилкина имелись все известные на тот момент методы контроля водорода. Методом первого пузырька определяли концентрацию водорода в жидком металле, а методом вакуумной экстракции в твердом металле.
Для основных исследований был выбран сплав АМг6 с повышенным до 6,0 % содержанием магния и высоким содержанием водорода (1 0,6 см3/100 г).
Как известно, вероятность существования водорода в жидком алюминии и его сплавах в молекулярной форме в виде пузырьков маловероятна. В то же время возможность образования мельчайших пузырьков повышается с ростом концентрации твердых неметаллических включений (оксидов).
При действии кавитации в микротрещинах твердых частиц образуются зародышевые мельчайшие газовые пузырьки. Затем такие зародышевые пузырьки размножаются по цепной реакции в целую область и при достижении определенных размеров выходят на поверхность расплава.
Следует указать, что при кавитационной динамике, в отличие от гармонических колебаний пузырьков, происходит их аномальное расширение. Другими словами, поверхность пузырька в фазе расширения значительно больше поверхности в фазе сжатия и, соответственно, длительность расширения тоже больше. Это создает прекрасные условия для диффузии водорода из расплава в пузырек.
При исследовании слитков сплава АМг6 диаметром 170-370 мм были определены основные закономерности ультразвуковой обработки: влияние на содержание водорода температуры расплава, мощности ультразвука и расхода расплава через желоб.
Эксперименты показали, что эффективность процесса зависит от условий возникновения и развития кавитации в расплаве. Процесс выделения водорода начинается только тогда, когда перейден порог образования кавитационных пузырьков. Потом по мере повышения вводимой в расплав мощности ультразвука и развития кавитационных процессов можно достигнуть максимума эффективности.
С целью изучения влияния ультразвуковой дегазации на качество деформированного металла были изготовлены горячепрессованные прутки диаметром 110 мм и прокатаны полосы толщиной 20 мм и листы толщиной 6,0 и 2,5 мм. Контроль качества деформированного металла показал отсутствие расслоений, высокую прочность и пластичность.
Сваренные встык аргон но-дуговым методом образцы полос и листов, а также кольцевые образцы из прутков показали отсутствие околошовной пористости и герметичность. Всесторонние испытания и определение основных характеристик качества сварных соединений (коэффициент образования трещин, гелиевая герметичность при испытании ме-
тодом «аквариума» и др.) показали высокую плотность сварных швов.
Результаты исследования позволили перейти к опытно-промышленному применению технологии ультразвуковой дегазации.
В начале 70-х г. в г. Куйбышеве (Самаре) на металлургическом заводе им. В.И. Ленина при литье крупных плоских 10-тонных слитков сечением 300 х 1700 мм из сплава АМг6 в электромагнитный кристаллизатор остро стоял вопрос понижения содержания водорода.
Существующие методы дегазации (продувка аргоном и др.) не позволяли уменьшить концентрацию водорода ниже 0,6 см3/100 г металла. При таком содержании водорода в листах при сварке трудно избежать расслоений и пор. Для их устранения в сварных соединениях нужно снизить содержание водорода в слитке до 0,4 см3/100 г металла. Выходом из создавшего положения стало сооружение на заводе вакуумных миксеров большой емкости. Ультразвуковая дегазация потока расплава на выходе из электрического миксера казалась существенно более экономичным альтернативным решением.
По предложению В.И. Добаткина и согласованию с генеральным директором завода П.П. Мочаловым мы вместе с начальником экспериментального цеха 3.Н. Гецелевым организовали в литейном цехе участок ультразвуковой дегазации расплава в желобе.
Конструкция устройства, установленного вблизи литейной машины, включала 9-12 источников ультразвука (преобразователь с волно-водно-излучающей системой), которые вводили в поток расплава в литейном желобе с расходом 90-100 кг/мин по пути в плоский слиток сечением 300 х 1700 мм, отливаемый в электромагнитный кристаллизатор. Генераторная с 12 улучшенными тиристорными генераторами УЗГ-2-4М находилась в отдельном помещении на расстоянии нескольких метров от литейной машины.
У меня сложились хорошие творческие контакты с московским радиотехническим заводом (МРТЗ), выпускающим ультразвуковую аппаратуру. Для проведения испытаний нового тиристорного генератора завод командировал своего специалиста Д.С. Чуркина.
Надо отметить, что испытания проходили летом в тяжелых климатических условиях. Летом в Самаре очень жарко (до 30 °С), а в литейном цехе дополнительная жара от расплава. Это плохо влияло на работоспособность полупроводниковых генераторов. Они часто во время работы перегревались и выходили из строя.
Тем не менее, нам удалось отлить партию 10-тонных плоских слитков сплава АМг6 сечением 300 х 1700 мм с содержанием водорода < 0,4 см3/100 г металла и доказать принципиальную возможность такой альтернативной технологии дегазации.
Отмечу доброжелательность сотрудников литейного цеха и помощь заместителя главного металлурга Г.В. Черепка и начальника экспериментального цеха 3.Н. Гецелева при проведении опытно-промышленных исследований. К сожалению, промышленное внедрение процесса ультразвуковой дегазации с ненадежной ультразвуковой аппаратурой оказалось невозможным.
Нужно отдать должное большой творческой активности П.Н. Швецова, с которым мы вместе проводили эти работы. Итогом этих исследований стала защита П.Н. Швецовым в институте в 1981 г. кандидатской диссертации под моим научным руководством.
Рафинирование и фильтрация расплава (Узфиральс-процесс)
В литейной практике для фильтрации твердых неметаллических включений оксидов обычно применяют однослойные сетчатые фильтры с ячейкой 1,0 х 1,0 мм, которые задерживают относительно крупные частицы. Применение сетки с ячейкой 0,4 х 0,4 мм или несколько слоев такой сетки для более качественной очистки расплава не представляется возможным из-за несмачивания расплавом материала сетки и капиллярных ограничений.
Применение ультразвуковой (кавитаци-онной) обработки на входе потока расплава в фильтр с несколькими слоями сетки с ячейкой 0,4 х 0,4 мм обеспечивает хорошее смачивание материала сетки и протекание расплава.
В 70-80-е гг. мы вместе с П.Н. Швецовым и В.И. Ялфимовым проводили детальные исследования многослойной фильтрации, названной нами Узфиральс-процессом. В исследовании механизма тонкого фильтрования принимал участие Г.С. Макаров. Разработанный процесс применили в ОПУ-4 при получении дисков магнитной памяти.
На ВСМПО Узфиральс-процесс был опробован при литье крупногабаритных слитков сплавов 1973 и 1161 диаметром 450-830 мм.
В результате тонкого фильтрования удалось снизить содержание водорода в слитках до 0,13-0,14 см3/100 г металла. Одновременно количество неметаллических включений уменьшилось до 0,005-0,006 мм2/см2
Недендритная кристаллизация алюминиевых сплавов
Известно, что дендритное зерно растет из одного центра кристаллизации, а степень измельчения зеренной структуры в конечном счете определяется числом реализуемых центров (зародышей) кристаллизации.
В зависимости от условий теплоотвода от кристаллизующейся отливки, числа активных примесей, образующих зародыши, и внешнего воздействия на расплав структура может состоять как из дендритных зерен с развитыми дендритными ветвями, так и из полиэдрических недендритных зерен без ветвей.
Недендритная структура является предельно измельченной структурой. Недендритные зерна имеют в сечении размер, приблизительно равный размеру сечения ветвей дендрита второго порядка или, как принято в литературе, дендритному параметру в аналогичной отливке, которая имеет дендритную структуру. Размер дендритного параметра определяется исключительно скоростью охлаждения расплава в процессе затвердевания.
Между размером дендритного зерна и скоростью охлаждения существует жесткая зависимость (в обычных координатах - это гипербола, в логарифмических - прямая линия). Для алюминиевых сплавов эту закономерность впервые установил В.И. Добаткин при
исследовании структуры слитков непрерывного литья разного диаметра еще в 1942 г.
Указанные выше общие положения процесса затвердевания были положены в основу наших исследований с С.И. Боровиковой по влиянию ультразвуковой обработки на измельчение структуры слитков алюминиевых сплавов.
В качестве основных объектов изучения были выбраны два сплава - высокопрочный алюминиевый сплав В96ц (1960) системы А!-Zn-Мg-Сu-Zr и конструкционный сплав Д16 (1161) системы А!-Си-Мд^г.
В литейной ОПУ-4 отливали круглые слитки этих сплавов диаметром 370, 270 и 70 мм как с применением ультразвуковой обработки, так и без воздействия ультразвука для сравнения.
Замечу, что, как и в случае изучения процесса ультразвуковой дегазации, эффективное измельчение структуры происходило только при обработке расплава в режиме развитой кавитации.
Как показано выше, в расплаве легких сплавов на основе алюминия и магния наиболее вероятными зародышами кавитации являются мельчайшие твердые частицы собственных оксидов, не смачиваемые расплавом.
Образующиеся в микрорельефе этих оксидов кавитационные пузырьки при активизации процесса кавитации и коллапсе смачивают их и превращают в зародыши кристаллизации.
Наши исследования выявили особую роль присутствия в составе сплава модифицирующих элементов циркония и титана. Именно сочетание действия модификаторов в количестве < 0,20 % мас. и интенсивной ультразвуковой обработки приводит к формированию недендритной структуры.
Обычно перегрев расплава дезактивирует действие модифицирования. Однако, по нашим данным, последующая ультразвуковая обработка расплава позволяет устранить этот дезактивирующий эффект. В настоящее время недендритную структуру можно получить для большинства промышленных алюминиевых сплавов, содержащих в своем составе добавки переходных металлов ^г, Т1, Бс).
Отметим коротко преимущества слитков с недендритной структурой. Это, прежде всего, повышенная пластичность и сопротивляемость образованию трещин, что особенно важно для процесса литья высокопрочных сплавов типа 1960.
Так, в литейной ОПУ-4 литейщики при литье слитков диаметром 370 мм из сплава 1960 всегда использовали ультразвуковую обработку.
Повышенная пластичность слитка с недендритной структурой всегда сопровождается повышением пластичности в деформированном металле. Сам процесс деформации при этом облегчается.
При освоении процесса литья с ультразвуком круглых слитков диаметром 285 мм из сверхпрочного сплава В96ц-1 с повышенным содержанием цинка на КУМЗе удавалось почти в 2 раза поднять скорость прессования труб за счет измельчения структуры слитка.
Особо хочу отметить заинтересованность и доброжелательное отношение со стороны начальника литейного цеха Г.А. Копытова и работников цеха, а также заместителей главного металлурга И.Я. Зальцмана и С.М. Можаровского.
Особенности формирования недендритной структуры сплава Д16 (1161) мы изучали под руководством В.И. Добаткина с С.И. Боровиковой и Ю.Г. Гольдером, сотрудником физической лаборатории института.
Проводили систематические исследования самыми различными методами. Кроме оптической и электронной металлографии, был использован микрорентгеноспектральный анализ. Он выявил формирование изоконцен-трата меди вокруг недендритных зерен. Это свидетельствовало о том, что зерно развивается последовательно по всем направлениям путем увеличения радиуса, но без членения на ветви. Электронная микроскопия показала, что в недендритной структуре по границам зерен уменьшается размер эвтектических колоний и отдельных частиц интерметаллидов.
Следует отметить также проведенные нами работы по применению слитков сплава 1960 диаметром 70 мм с недендритной структурой для изготовления небольших штамповок для ультрацентрифуг.
В природном уране имеются два изотопа урана 235 и 237, которые различаются по плотности. Чтобы провести обогащение урана 235, академик И.К. Кикоин предложил использовать сверхскоростную центрифугу, вращающуюся с огромными скоростями (1500 об./с).
Центрифуги должны вращаться без остановки в течение 10 лет. Затем происходит их замена.
Конструкция центрифуги в целом представляет собой цилиндр диаметром 100 мм и длиной 1,0 м с верхней и нижней крышками и диафрагмой сложной формы. Все детали центрифуги выполнены из сплава 1960. Только такой сплав после термической обработки имел пределы текучести и прочности, которые могли выдержать повышенные центробежные нагрузки.
Штамповки крышек с самого начала делали на ЗЛС, впоследствии производство перенесли на КУМЗ.
На ЗЛС процесс состоял из отливки слитка диаметром 270 мм, прессования прутка диаметром 70 мм и осадки в вертикальном прессе. Структура штамповок была неоднородной и имела своеобразный рисунок в виде «елочки».
Разработчики конструкции центрифуги из ЦКБМ в Санкт-Петербурге обратились в ВИЛС с просьбой найти решение по улучшению структуры штамповок.
Под руководством В.И. Добаткина мы начали пробовать новую технологию изготовления крышек путем литья слитка диаметром 70 мм с недендритной структурой и штамповку детали непосредственно из слитка. Результаты превзошли все ожидания.
Надо отметить, что переход на новую технологию и формирование однородной полиэдрической структуры, кроме необходимой прочности, добавили еще и заметный рост пластичности.
Было выпущено несколько партий крышек для проведения всесторонних испытаний их качества. Исследования проводили в ЦКБМ и в институте им И.В. Курчатова. Полученные результаты свидетельствовали о том, что качество металла высокое и позволяет продлить срок эксплуатации центрифуг свыше 10 лет.
Мы вместе с ЦКБМ начали подготовку к получению штамповок на КУМЗе. Однако по нашей схеме литья слитка в лунку расплава надо было вводить излучатель ультразвука, т.е. процесс был неэкономичным.
Специалисты КУМЗа решили проблему иначе. На заводе была разработана система литья одновременно 9 слитков диаметром 65 мм, а для модифицирования структуры был использован метод модифицирования лигатурным прутком в литейном желобе. Хотя измельченная структура слитков получалась дендритной, конструкторы были удовлетворены качеством металла.
Мы, в свою очередь, были удовлетворены тем, что наш опыт перехода на литую заготовку получил промышленное применение.
По результатам исследований недендритной кристаллизации алюминиевых сплавов С.И. Боровикова в 1982 г. под моим научным руководством защитила в институте кандидатскую диссертацию.
Новая закономерность кристаллизации металлических материалов
Еще в 40-е г. В.И. Добаткин обнаружил, что размер ветвей дендрита однозначно зависит от скорости кристаллизации. Это, по его мнению, связано с тем, что при ускорении кристаллизации увеличивается несоответствие между процессами теплообмена и массопереноса.
Это новое положение теории кристаллизации несомненно составляет предмет научного открытия, но в то время в СССР не существовала система регистрации научных открытий.
Поэтому, только в 1983 г., после получения новых результатов по недендритной кристаллизации металлических материалов группой специалистов ВИЛСа (В.И. Добаткин, А.Ф. Белов, Г.И. Эскин, С.И. Боровикова и Ю.Г. Голь-дер) было зарегистрировано научное открытие «Новая закономерность кристаллизации металлических материалов» (Диплом № 271).
Наши исследования показали, что с применением ультразвуковой (кавитационной) обработки расплава и многократным увеличением числа зародышей кристаллизации перед
фронтом затвердевания зависимость размеров недендритных зерен от скорости охлаждения расплава будет аналогичной зависимости размеров дендритного параметра.
Эти результаты были получены при кристаллизации слитков и гранул из алюминиевых и магниевых сплавов. Одновременно в работах при сверхбыстрой кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов, проводимых под общим руководством А.Ф. Белова, недендритная структура была получена в гранулах и чешуйках никелевых сплавов за счет кристаллизационного переохлаждения. При регистрации научное открытие было кратко сформулировано так: «Экспериментально установлено, что при создании в расплаве избыточного числа центров кристаллизации, например при сочетании ультразвуковой обработки в режиме кавитации с введением модификаторов зародышевого действия, в отливке формируется структура субдендритного типа (недендритная структура), а фактором, однозначно определяющим размер субдендритного зерна и обеспечивающим предельное его измельчение, становится скорость охлаждения».
Годом раньше, в 1982 г., я защитил в институте докторскую диссертацию.
Опыт формирования недендритной структуры был нами применен в 80-е гг. при литье крупногабаритных слитков диаметром 830960 мм из конструкционных алюминиевых сплавов 1973 и 1161 на ВСМПО.
Создание в КБ О.К. Антонова больших широкофюзеляжных самолетов «Руслан» и «Мрия» потребовало производства крупных деформированных полуфабрикатов в виде штамповок и длинномерных прессованных панелей. Это, в свою очередь, привело к необходимости получать крупногабаритные слитки с улучшенной структурой.
На ВСМПО был создан участок по литью крупногаборитных круглых и плоских слитков с применением ультразвуковой обработки расплава. Вблизи электрического миксера емкостью 10 т было смонтировано специальное устройство, сконструированное Б.Е. Клейзе-ром, с платформой для установки 8-12 источ-
ников ультразвука. Для питания источников ультразвука рядом с промышленным миксером в пристройке цеха были установлены 12 усовершенствованных тиристорных генераторов УЗГ2-4М.
Надо особо отметить исключительно доброжелательную атмосферу на заводе при освоении процесса ультразвуковой обработки. Я с удовольствием называю имена специалистов завода, учавствовавших в этой работе. Это заместитель главного инженера Е.М. Никитин, заместитель главного металлурга П.Н. Силаев, начальник лаборатории ультразвуковой дефектоскопии А.Ф. Немет и его сотрудники, работники литейного цеха (А.А. Силаева и др.), исследователи Центральной заводской лаборатории Г.А. Суслов, В.И. Лысов, А.Ю. Сухих, В.К. Юнышев и ряд других сотрудников.
По опционному соглашению с французской фирмой «Пешине» были поставлены несколько слитков с недендритной структурой диаметром 830 мм для деформации на уникальном отечественном прессе усилием 650 МН, установленном в г. Иссуаре.
Из сплава 1161 была отлита без трещин партия уникальных слитков диаметром 1200 мм.
В 1984 г. на авиасалоне в Ля-Бурже ВИЛС и ВСМПО выставили два продольных макро-темплета высотой 10 м из слитков сплава 1161 диаметром 1200 мм. Один слиток был отлит без применения ультразвука с дендритной структурой, второй - с применением ультразвука и недендритной структурой.
По свидетельству Н.Ф. Аношкина, руководителя нашей делегации в Ля-Бурже, эти темплеты вызывали большой интерес среди участников авиасалона.
В 1986 г. я в составе группы специалистов ВИЛСа, ВИАМа, КБ им. О.А. Антонова, ВСМПО и БКМЗ был удостоен премии Совета Министров СССР за «Создание новых конструкционных алюминиевых сплавов и разработку технологии получения из них крупногабаритных деформируемых полуфабрикатов, используемых в конструкции транспортных самолетов нового поколения».
В конце 90-х гг. вместе с С.Г. Бочваром и В.И. Ялфимовым начали работы по получению
недендритной структуры по другой технологии -путем обработки ультразвуком расплава на пути в кристаллизатор с одновременным введением в поток расплава лигатурного прутка.
Лигатурные прутки состава А1-(3-5 %)Т1-1 % В содержат мельчайшие частицы тибо-ридов размером 1-2 мкм. При растворении в расплаве прутка такие частицы служат зародышами кристаллизации. К сожалению, как правило, большая часть этих частиц агломерирована в крупные образования и не участвует в процессе затвердевания, переходя в шлак. Только < 10 % тиборидов могут служить зародышами кристаллизации.
Наша идея состояла в кавитационном разрушении агломератов на мельчайшие частицы и резком повышении эффективности действия лигатурного прутка.
Исследование механизма разрушения агломератов тиборидов при кавитационном воздействии и разработка технологии внепечной обработки расплава для получения недендритной структуры слитка составили предмет докторской диссертации С.Г. Бочвара, защищенной в институте в 2012 г. при моей научной консультации.
Твердожидкая деформация алюминиевых сплавов
Идею твердожидкой деформации предложил известный американский ученый М. Фле-мингс. В основе процесса твердожидкой деформации (ТЖД) лежит способность материала с глобулярной структурой деформироваться между температурами ликвидус и со-лидус с большой подвижностью, что приводит к снижению усилий деформации и улучшению заполнения пресс-формы деформируемым материалом. Это так называемое тиксотроп-ное состояние, когда сдвиг зерен друг относительно друга однороден по всему объему и величина «кажущейся» вязкости приближается к вязкости оливкового масла.
Таким образом, главным условием тик-сотропности металла является глобулярная (недендритная) структура. Обычно для ТЖД применяют алюминиевые сплавы средней
прочности систем А1-Б1-Мд и А1-Мд-Б1 (АЛ9, АД31 и АВ). По предложению В.И. Добатки-на, мы исследовали слитки высокопрочных сплавов типа 1973 и 1161 диаметром 270 мм, легированные добавками циркония и обработанные ультразвуком для формирования недендритной структуры. Результаты показали, что при формировании недендритной структуры слитка усилие штамповки литых заготовок сплава 1973 практически не меняется при росте скорости деформации от 0,1 до 1,0 мм/с.
Результаты этих исследований мы докладывали на нескольких международных конференциях. В своем резюме на одной из них М. Флемингс отметил перспективность применения нашей технологии формирования недендритной структуры.
Заэвтектические силумины
В конце 90-х гг. в орбиту наших научных интересов вошла идея применить ультразвуковую обработку расплава для улучшения структуры заэвтектических силуминов.
Сплавы, содержащие 17-20 % Б1 и легированные добавками меди, никеля, титана, имеют двухфазное строение, состоящее из пластичной матрицы и хрупких первичных кристаллов кремния с вкраплением дисперсных фаз, содержащих никель и железо. Заэвтектические силумины закономерно относят к классу естественных композитов. Их двухфазное строение обеспечивает уникальный спектр физических и механических свойств (низкий коэффициент термического линейного расширения, повышенный модуль упругости, высокая износо- и коррозионная стойкость, свариваемость и др).
Такое сочетание уникальных характеристик делает эти материалы привлекательными для изготовления деталей поршневой группы, тормозных пар в авиа- и автостроении и труб нефтегазового комплекса, которые должны работать в условиях резкого перепада температур и в агрессивных средах. Однако эти свойства могут реализоваться только при дисперсном строении кристаллов кремния. По традиционной технологии непрерывного литья заэвтектических силуминов
грубые первичные кристаллы кремния могут достигать размеров 100 мкм и понижать пластичность металла практически до нуля. Поэтому чаще всего поршни и другие детали изготовляют методами фасонного литья или жидкой штамповки. Применение классической технологии непрерывного литья и последующей горячей пластической деформации затруднительно из-за низкой пластичности этих материалов.
Изучение влияния ультразвука на кристаллизацию заэвтектических силуминов при непрерывном литье проводили на сплаве типа АК18, содержащем 18 % Б1 и по 1-2 % Си, N Мп и модифицирующие добавки по 0,1 % Т и Zr. Исследования, выполненные совместно с В.И. Тарарышкиным, С.Г. Бочваром, Б.Н. Степановым и Ю.П. Пименовым, показали, что комплексная обработка расплава ультразвуком в сочетании с введенным модификатором системы Ре-Р, содержащим до 25 % Р, позволяет в слитках диаметром 100 мм измельчить кристаллы кремния до 15-20 мкм. Это дает возможность резко поднять пластичность слитка и обеспечить его горячую деформацию.
Дальнейшее улучшение структуры за-эвтектических силуминов проводили вместе с бывшим начальником прокатного цеха ЗЛС Е.И. Пановым и Ю.Я. Ильиным.
Оказалось, что трехвалковая прокатка на поперечно-винтовом стане обеспечивает дальнейшее измельчение кристаллов кремния до 10 мкм. Причем механизм деформации при поперечно-винтовой прокатке создает условия для измельчения не только первичного кремния, но и кремния в эвтектической матрице.
Горячекатаные прутки диаметром 80 мм из сплава АК18 после полной термической обработки имели предел прочности свыше 300 МПа и относительное удлинение 2-3 %.
Изучение механизма влияния поперечно-винтовой прокатки на структуру и свойства заэвтектических силуминов и разработка технологии их прокатки легли в основу докторской диссертации Е.И. Панова, защищенной в МВТУ им. Н.Э. Баумана в 2008 г. при моей научной консультации.
Российская Академия естественных наук
В 1990 г. по совету В.И. Добаткина я принял участие в Учредительном съезде Российской Академии естественных наук. Она была организована как содружество ученых - авторов научных открытий. Я вошел в число учредителей, а также в состав Президиума и бюро секций физики и металлургии. Секцию физики возглавил С.П. Капица, а секцию металлургии - Ю.Ф. Шевакин.
Позднее, академиками в состав секции металлургии по моей рекомендации были избраны Г.С. Макаров, М.3. Ерманок и Н.Ф. Аношкин.
В 1998-1999 гг. секция металлургии выпустила четырехтомную монографию «Фундаментальные проблемы Российской металлургии на пороге 21 века».
В написании второго тома «Цветные металлы» приняли участие известные ученые России. Первая часть второго тома «Легкие сплавы» была написана мною и ведущими специалистами ВИЛСа - Г.С. Макаровым, Б.И. Бондаревым, М. 3. Ерманком, Н. Ф Анош-киным, В.И. Елагиным и В.В. Захаровым, а также Л.Л. Рохлиным (ИМЕТ), А.А. Вертма-ном (ЦНИИТМАШ) и другими специалистами.
Зарубежные контракты и конференции
В 90-е гг. наш институт стал активно сотрудничать со многими зарубежными компаниями. Специалисты ведущих металлургических компаний Европы, США, Китая, Кореи, Австралии начали посещать ВИЛС.
Так как институт получил зарубежные патенты в Европе и США на технологию ультразвуковой обработки расплава, мы охотно демонстрировали процесс в литейной ОПУ-4.
В эти годы были выполнены ряд контрактов с ведущими металлургическими компаниями
по опционной поставке обработанного ультразвуком металла. Часть контрактов заключалась в проведении исследований по заказу компаний.
Институт предоставил мне возможность принять участие во многих престижных международных конференциях с докладами по теории и практике ультразвуковой обработки расплава легких сплавов. С чтением лекций по применению ультразвука в металлургии легких сплавов я побывал в ведущих металлургических компаниях США, в Китае, Корее, Англии, Франции, Италии, Нидерландах и ряде других стран Европы.
Публикации
За годы работы в институте было опубликовано свыше 300 моих статей в отечественных и зарубежных журналах. Из них более чем 20 статей написаны совместно с В.И. Добаткиным.
По техническим решениям в области технологии ультразвуковой обработки расплава легких сплавов было оформлено свыше 100 отечественных и зарубежных патентов, а также авторских свидетельств СССР на изобретения.
Кроме статей, за эти годы были опубликованы более десятка книг. Из последних публикаций отмечу издание переработанной монографии 1998 г. Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts (СРС Press. 2-е перераб. и доп. изд. 2014. 329 с.), написанное совместно с Д.Г. Эскиным.
В заключение хочу отметить, что для меня оказалось очень важным и приятным долгом рассказать о моей многолетней работе в институте под руководством выдающегося ученого и замечательного человека Владимира Ивановича Добаткина.
