CC BY
44
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.793.71:669.248.7
Вдовин К.Н., Дубский Г.А., Астапов Е.Н., Нефедьев А.А.
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕТОНАЦИОННО НАПЫЛЕННОГО НИКЕЛЯ НА МЕДНЫЕ ПЛАСТИНЫ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МНЛЗ
При производстве кристаллизаторов для сортовых , блюмовых и слябовых МНЛЗ используют листовую медь, из которой изготавливают плиты необходимых размеров с последующей доработ-кой их рабочих поверхностей посредством нанесения на них выбранным методом защитных покрытий. Покрытия могут быть как однокомпо-ненгные, так и многокомпонентные. Так, фирма EGON EVERTZ использует гальваническое покрытие из никеля. Кристаллизатор из медных плиг с никелевым покрытием, по утверждению фирмы-производителя EGON EVERTZ, выдержал 1880 плавок на 2-ручьевой МНЛЗ с объемом ковша 306 т. Это значит, что через один кристаллизатор прошло 287640 т стали. При всех достоинствах предлагаемого фирмой EGON EVERTZ метода построения кристаллизаторов он имеет и существенные недостатки:
- очень сложная и дорогая технология подготовки поверхности меди под покрытие - в ОС -новном химическая технология;
- поскольку нанесение покрытия гальваниче-ское, то оно без солей и кислот невозможно;
- необходимость электроизоляции свободных от покрытия поверхностей листов меди, что в сильно агрессивных средах сделать технологически трудно и дорого.
В настоящее время все чаще обращаются к газотермическим методам нанесения покрытий Одной из раз нов вд ноете й этого метода является детонационно-газовый метод напыления, который считается наиболее перспективным при по -лучении относительно толстых и механически прочных покрытий. Основным его достоинством является очень высокая скорость напыляемых частиц, достигающая 800... 1300 м/с. Такой скорости достаточно, чтобы посредством кинетикодинамических процессов взаимодействия частица - основа химически активировать напыляе-мую поверхность, а значит, организовывать хорошую адгезию и когезию напыляемых частиц, которая может достигать 100 МПа [1].
Для полученных покрытий, которые будут в процессе эксплуатации переносить непрерывные высокие механические и тепловые нагрузки, а также иногда тепловые удары, необходимы точ-ные сведения об изменении всех тепло физических свойств напыленных слоев от температуры.
Нами были проведены исследования теплофизических свойств напыленного по заданной технологии никеля на медь. Образцы изготавливались и поставлялись фирмой ЗАО «Уралинжиниринг». Измерения температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости проводились на экспе-риментальной установке, описанной в работе [2].
1. Никелевый детонационно-газовонапыленный и литой отожженный образец
Физические свойства образцов 1 образец (литой, отожженный при 750°С в течение 6 ч) Чистота 99,92%
Плотность р = 8890 кг/м.
Скорость звука продольная у3 = 5700 м/с.
Модуль Юнга Епр = 2,89 • 1011 Н/м2.
2 образец (детонационно-газовонапы лённы й) Чистота 98,8%
Плотность р = 8630 кг/м.
Скорость звука продольная у3 = 4900 м/с.
Модуль Юнга Епр = 2,07 • 1011 Н/м2.
Образцы имели циливдрическую форму. Размеры каждого образца: диаметр - 16 мм, высота - 10 мм. Перед загрузкой образца в рабочую вакуумную камеру экспериментальной установки были изготовлены шлифы торцевой поверхности этих образцов. Снимки шлифов детонационно-газово напыленного никеля и массивного никеля представлены на рис. 1 и 2.
Из сравнения структур, представленных на рис. 1 и 2, следует, что структура детонационно-газовонапыленного никеля представляется в ввде чередующихся слоев. Все слои составлены из разновеликих блоков. Кроме того, спайность ме-
Рис. 1. Картина шлифа никелевого детонационно-газовонапыленного образца, х200
Рис. 2. Картина шлифа литого и отожженного никелевого образца, х400
жду слоями и блоками, образующими слой, не является стопроцентной (оценка проводилась по толщине и цвету границ спайности). О качестве спайности слоев и блоков в каждом слое, т.е. пористости образца, говорят исследованные физические свойства: плотность, скорость звука и продольный модуль Юнга, которые отличаются от соответствующих физических свойств литого отожженного никеля: пористость напыленного никеля составляет примерно 3%.
2. Результаты исследования теплофизических свойств детонационно-газовонапыленного и литого никеля
Измеренные температурные зависимости температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости детона-ционно-газовонапыленного и литого отожженного никеля представлены на рис. 3-5.
Из качественного сравнения зависимостей, представленных на рис. 3-5, можно сделать следующие выводы:
1. По абсолютной величине температуропроводность и теплопроводность напыленного никеля гораздо ниже, чем у литого отожженного никеля.
2. Характер изменения а (Т) и X (Т) от температуры у напыленного и литого отожженного никеля примерно одинаков, хотя есть некоторые различия, особенно для а (Т) после ©к, а для X (Т) до ©к.
3. При превышении температуры Кюри (Т=0К) температуропроводность, теплопроводность и теплоёмкость изменяют свой характер поведения. Это связано с тем, что образцы из ферромагнитного состояния переходят в парамагнитное.
Это говорит о том, что механизмы, лежащие в природе температуропровод-ности и теплопроводности напылеиного и литого никеля, отличаются друг от друга. Исходя из структуры напылённого образца (см. рис. 1), можно предположить , что перенос тепла в покрытиях определяется их слоистым строением, наличием пор, трещин и границ раздела между частицами и осуществляется следующими механизмами:
1) электронами по телу самих металлических частиц, составляющих по-
а ■ 10*
0,06 -I-;—і-;----;—і—;------------;-1-;-;-;---
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Т, °С
Рис. 3. Температурная зависимость температуропроводности детонационно-газовонапыленного (1) и литого отожженного никеля (2) (0д - температура Дебая, 0К - температура Кюри)
Л
Рис. 4. Температурная зависимость теплопроводности детонационно-газовонапыленного (1) и литого отожженного никеля (2)
Ср..
Рис. 5. Температурная зависимость теплоемкости детонационно-газовонапыленного (1) и литого отожженного никеля (2)
крытие, а также на участках приваривания, поскольку здесь образовались прочные металлические связи между частицами (Хе);
2) за счет решеточной и фононной теплопроводности в частицах и по участкам приваривания между частицами (А.ф) для неметаллических покрытий;
3) теплопроводностью газа, заключенного в порах покрытия (Хг);
4) лучистым теплообменом в порах в случае нагрева покрытия до высокой температуры (Хь).
Поскольку границы раздела между частицами не полностью заполнены участками или очагами сваривания, а передача тепла по механизмам 3 и 4 происходит медленно, суммарный коэффициент теплопроводности покрытия можно представить в ввде
Х = Х е + Х ф + х г + х ь.
Он намного ниже, чем у компактных материалов. По мере увеличения температуры изменяется вклад от этих механизмов в теплопроводность покрытия и поэтому ее зависимость от температуры имеет сложный характер, отличающийся от аналогичной зависимости для компактного материала (см. рис. 3, 4). Из сопоставления видно, что теплопроводность покрытия на много ниже теплопроводности массивного материала при любой температуре . Кроме того, необычна зависимость теплопроводности от температуры: в покрытиях с рос -том температуры их теплопроводность несколько возрастает или остается приблизительно постоянной до 0К, а у компактных материалов теплопроводность по мере возрастания температуры уменьшается до 0К, а выше 0К, ^(Т) - растёт. Такая зависимость показывает, что в покрытиях теплопроводность по механизмам 2, 3 и 4 может вносить существенный вклад в общую теплопроводность при повышенной температуре.
Библиографический список
1. Астахов ЕА., Краснов А.Н. Защитные покрытия на металлах. Вып. 5. Киев: Наук. думка, 1971. С. 57-62.
2. Экспериментальная установка для исследования теплофизических свойств твёрдых тел методом периодических теп -ловых волн / Дубский Г.А., Вдовин К.Н., НефедьевА.А., ДубскаяТ.Я. // Вестн. МГТУ. 2007. Вып. № 4. С. 81-88.
