CC BY
15
УДК 621.74.045:620.179
В. В. Наумик, Г. А. Бялик
УПРОЩЕННЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛИЗАТОРА
Разработан упрощенный метод и соответствующее оборудование для контроля загрязненности материала жидкометаллического кристаллизатора при вакуумном литье жаропрочных сплавов. Метод основан на изменении отражательной способности образцов алюминия, отобранных из ванны кристаллизатора после определенного количества проведенных плавок.
В настоящее время для получения отливок из жаропрочных сплавов с направленной кристаллизацией, в том числе и монокристаллических, широкое распространение получил метод, основанный на охлаждении керамической формы в расплавленном теплоносителе - жидкометаллическом кристаллизаторе.
В качестве жидкометаллического кристаллизатора применяются расплавы металлов, которые должны соответствовать ряду требований.
Прежде всего, они должны иметь низкую температуру плавления, высокий коэффициент теплопередачи и теплоемкости. При использовании в вакууме расплав должен иметь низкое давление паров при температуре контакта с формой и высокую температуру кипения. Кроме того, жидкоме-таллический кристаллизатор должен быть инертным по отношению к керамической форме, к материалу ванны, в которой он находится, к жаропрочному сплаву в случае случайного попадания в последний, обладать малой токсичностью [1].
Указанным требованиям в наибольшей степени соответствуют олово, алюминий, галлий и индий (таблица 1).
Таблица 1 - Некоторые теплофизические свойства металлов, рекомендуемых для исследования в качестве жидкометаллических кристаллизаторов
Галлий и индий - дорогостоящие металлы.
Реально в качестве жидкометаллических кристаллизаторов применяются олово и алюминий.
Достоинством олова является низкая температура плавления, высокий коэффициент теплоотдачи, несмачиваемость оловом керамической формы и невысокая агрессивность по отношению к сплавам на основе железа, в частности стали. Основной недостаток олова состоит в том, что при случайном попадании его в жаропрочный сплав в количествах, превышающих 0,1 %, происходит существенное снижение длительной прочности.
По сравнению с оловом алюминий имеет следующие преимущества: он дешевле и не оказывает негативного влияния на жаропрочный сплав, так как является для последнего легирующим элементом. Однако высокая химическая активность расплавленного алюминия затрудняет выбор материала ванны. В настоящее время наиболее подходящим материалом ванны для расплавленного алюминия является чугун [1].
Основной теплофизической характеристикой алюминия, как жидкометаллического кристаллизатора, является теплопроводность. Ранее проведенными исследованиями было установлено, что теплопроводность алюминия существенно уменьшается в процессе увеличения длительности его использования в качестве жидкометаллического кристаллизатора [2].
Причиной снижения теплопроводности является загрязнение алюминия вследствие длительного контакта в расплавленном состоянии с чугунной ванной, а также попадания в расплав частиц керамической формы и радиационных графитовых нагревателей.
Для получения стабильных качественных показателей отливок, получаемых методом высокоскоростной направленной кристаллизации,необходимо периодически контролировать теплопроводность жидкометаллического кристаллизатора.
Известно, что контроль качественных показателей металла проводится на технологической и экономической основе [3].
Непосредственное измерение теплопроводности является наиболее объективным методом конт-
© В. В. Наумик, Г. А. Бялик 2006 г.
- 0219яшВестникяИвигателестроенияя1 4/т006
- 123 -
роля жидкометаллического кристаллизатора. Однако этот метод требует применения сложных приборов, которые в настоящее время промышленностью не выпускаются. Кроме того, для определения теплопроводности необходимо изготовить специальные образцы. Следовательно, измерение теплопроводности в условиях литейных цехов экономически нецелесообразно.
Известно, что существует довольно тесная корреляционная связь между теплопроводностью металлов и их электропроводностью [4]. В свою очередь, на электропроводность металлов, в том числе и алюминия, существенное влияние оказывает загрязненность последнего такими элементами, как железо, кремний и марганец [3]. Именно эти элементы входят в состав чугунной ванны, контактирующей с расплавленным алюминием. Резко снижает электропроводность алюминия хром, который является легирующим компонентом жаропрочных сплавов. Попадание небольших количеств жаропрочных сплавов в жидкометаллический кристаллизатор возможно при заливке этих сплавов в керамические формы.
Алюминий покрыт тонким оксидным слоем окиси алюминия, прозрачным для излучения в диапазоне электромагнитных волн видимого спектра. Блестящая полированная поверхность алюминия обладает высокой способностью к отражению всех видов электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн.
Из всей энергии падающих на поверхность электромагнитных волн основная часть отражается, остаток (А) абсорбируется (К + А = 1). Отражательная способность алюминия зависит от длины волны. Максимальная отражательная способность алюминия проявляется при ультрафиолетовом излучении, минимальная - при красном и инфракрасном.
Примеси, присутствующие в оксидном слое алюминия в виде окислов кремния, железа, титана образуют дополнительные рассеивающие центры, снижающие величину направленного отражения. Содержание этих окислов определяется степенью чистоты алюминия по указанным элементам. На рис. 1 представлено влияние степени чистоты на отражающую способность алюминия.
Таким образом, по отражательной способности можно оперативно оценить степень чистоты алюминия при его многократном использовании в качестве жидкометаллического кристаллизатора.
Для указанной цели было разработано устройство для определения отражательной способности образцов алюминия, отобранных из ванны с жид-кометалллическим кристаллизатором (рис. 2).
Устройство состоит из штатива 1, на котором устанолена головка 2. В головку вмонтированы монохроматический лазерный источник фотодиод 4. Плоскость измерительной головки, на которую
устанавливается образец алюминия 5 в виде полированного шлифа расположена под углом 45° к источнику излучения и -45° - к детектору. Электропитание источника монохроматического излучения осуществляется от стабилизированного блока питания 6. Детектор отраженного излучения соединен с вторичным прибором - цифровым милливольтметром 7.
Устройство работает следующим образом. Параллельный пучок монохроматического излучения падает на поверхность шлифа под углом 45°. Отражаясь от поверхности шлифа также под углом 45°, пучок излучения фокусируется на фотодиоде. Возникающая при этом ЭДС, пропорциональная интенсивности отраженного излучения, фиксируется цифровым милливольтметром.
В качестве эталона для настройки и градуировки устройства были использованы свежеприготовленные металлографические шлифы из следующих чистых металлов: серебра, меди и никеля, отражательная способность которых известна по справочным данным. Шлифы были механически отполированы в одинаковых условиях.
Рис. 1. Влияние степени чистоты на отражательную способность
Рис. 2. Устройство для определения отражательной способности алюминия
Опробование разработанного устройства показало его высокую чувствительность и стабильность показаний в течение длительного времени, что позволяет в дальнейшем использовать его для оперативного контроля качественных показателей жидкометаллического кристаллизатора.
Список литературы
1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е.Шалин, И.Л.Светлов, Е.Б.Ка-чанов и др. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.
2. Изменение теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов / Наумик В.В. // Проблеми трибо-логп (Problems of Tribology). - 2006. - № 1. - С. 31-35.
3. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка,
применение). Справочник / Под ред. Х.Нильсена, В.Хуфнагеля, Г.Гакулиса. - Пер. с нем. М.: Металлургия, 1979. - 679 с. 4. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. - 3 изд., перераб. и доп. Т.1. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л.. Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
Поступила в редакцию 10.07.2006 г.
Розроблено спрощений метод та в1дпов1дне обладнання для контролю забрудненост1 матер1алу р'дкометалевого кристал1затора при вакуумному литт1 жаром1цних сплав1в. Метод основано на зм ¡ненн i зд ¡бност1 до в1дзеркалювання зразк1в алюм1н1ю, в1д1браних вд вани кристалiзатора п ¡сля певно! кiлькостi проведених плавок.
Simplified method and respective equipment to control the contamination of liquiedmetal crystallizer during vacuum casting of heat resistant alloys. The method is based on changing the reflective ability aluminium specimens taken from a crystallizer bath after a definite number of heats produced.
—Отй 9яшЬестникяИвигателестроенияя1 4/mD06
- 125 -
