Влияние давления на процесс кристаллизации при жидкой штамповке Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 627.77

Я ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЦЕСС Щ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ жидкой Щ ШТАМПОВКЕ

ИИ

Щ§ Е.С. Абдрахманов, Д.Р. Кусманова, М.Ж. Тусупбекова

Щщ Павлодарский государственный университет

ЦЦ им. С. Торайгырова

Жумыспга, суйьщ штамптау кезгнде apmypni кррытпалардыц

г; •< • кристсшдануыиа эсер ememiu крюым куии зерттелген. Экспериментгт турде §Щ оптималды пресству к;ысымы аныцталган.

\ ' >

ШЩ В работе исследовано влияние давления на процесс кристаллизации

!||| при о/сидкой штамповке на различные сплавы. Экспериментально установлено ¡Щ оптимальное давление прессования.

The article is discussed the influence of pressure on the process of crystallization by liquid stamping on the different alloys. Experimently the

work is fixed optimal pressure of pressing.

Общее изменение свободной энергии при переходе из жидкого состояния в твердое выражается уравнением

ДО = АОу+8о> (1)

где ДОу - снижение объемной энергии;

Э - суммарная поверхность кристаллов; с - поверхностное натяжение.

Первый член уравнения (1) обозначает снижение объемной, а второй - снижение поверхностной энергии. Давление, приложенное извне, производит работу, необходимую для образования поверхностей раздела фаз, и, следовательно, ускоряет процесс кристаллизации (второй член уравнения).

В результате воздействия давления на кристаллизирующийся расплав в отливках происходят структурные изменения. Это - уменьшение средней величи-

ны зерна (измельчение структуры), изменение состава и характера распределения фаз. повышение однородности за счет уменьшения степени развития лик-вационных процессов, равномерное распределение неметаллических включений, и, как следствие изменение внутреннего строения отливок, - повышение физико-механических свойств сплавов в отливках.

Известно, что центры кристаллизации могут возникать в объеме жидкой фазы как самопроизвольно (гомогеннные зародышы), так и на примесях (гетерогенные зародышы). Существует критическое значение радиуса зародыша г*, при отклонении от которого и в сторону уменьшения, и в сторону увеличения свободная энергия будет изменяться. При определенном переохлаждении гомогенный зародыш такого радиуса будет устойчивым, когда

где О - поверхностное натяжение на границе раздела зародыш-кристалл;

Тпл - температура плавления металла;

Ь - теплота кристаллизации;

ДТ- переохлаждение.

В дальнейшем при увеличении радиуса устойчивость зародыша сохраняется, и зародыш может расти.

Из выражения (2) следует, что радиус устойчивого гомогенного зародыша связан гиперболической зависимостью с переохлаждением. Устойчивый гетерогенный зародыш такого же объема, как и гомогенный, образуется при гораздо меньшем переохлаждении.

Повышение температуры под приложенным давлением записывается законом Клаузиуса-Клайперона. согласно которому

ЬАТ '

(2)

(3)

ёР Ь

где VI и У2 - объем 1 кг твердой и жидкой фаз, соответственно. Подставляя в (2) значение Тпл из формулы (3), получим

2 а

с!Т

ЛТ дР(У2 - Уг)

(4)

Анализ формулы (4) показывает, что уменьшение размеров критического зародыша, а следовательно, и измельчение структуры сплава в отливках может быть достигнуто не только за счет повышения переохлаждения ??, но и за счет повышения внешнего давления (рисЛ).

->

Давление ппессования

Рисунок 1. Зависимость времени затвердевания зат, литейной усадки, размеров зерна Уз и фгонко-механических свойств отливки от давления прессования

В свою очередь, величина поверхностного (межфазного) натяжения на границе расплав - кристалл зависит от давления. Давление в процессе кристаллизации сплава снижает энергию межфазного взаимодействия на указанной границе раздела фаз. Поэтому внешнее давление оказывает влияние на процесс кристаллизации не только непосредственно (формула 4), но и через изменение величины поверхностного натяжения ?.

вй&яны* условиях литья, при литье с 1фисталлизацией под давлени-^ оль переохлаждения является ведущей в процессе зарождения и роста новой фазы. Увеличению переохлаждения способствуют значительное ускорение затвердевания расплава под механическим давлением вследствие интенсивного теплообмена между металлом и литейной формой, увеличение плотности кристаллизующегося расплава и энергии активации.

Уменьшению размеров критического зародыша г* и измельчению структу-

ры способствует также снижение величины (см- формулу 4). Ис-

пользуя данные о повышении температуры металла при давлении 2000 кгс/см2

йТ

и изменении объема при затвердевании [1], рассчитывали ¿р^у _у ^ значения для конкретных металлов (табл. 1). Здесь же приведены данные результатов экспериментов по уменьшению размеров зерен в структуре слитков из А1, Си и Хп, изготовленных в условиях кристаллизации под поршневым давлением, равным 2000 кгс/см2.

Таблица 1. Влияние давления на структуру металлов

Металл д.Т Уменьшение

размеров зерен (по

°С/кгс-см сравнению со свободной кристаллизацией)

Си 0,081 В 3-4 раза

Ъъ 0,088 В 2 раза

А1 0,092 В 1,5 раза

Средняя величина зерна уменьшается не только из-за изменения параметров кристаллизации сплава и условий теплообмена между отливкой и формой, но и в результате механического воздействия прессующего пуансона на образовавшиеся кристаллы. При прессовании разрушаются отдельные кристаллы во время деформации корки и образуются дополнительные центры кристаллизации, Эшм в значительной степени можно объяснить образование зоны мелких кристаллов в центральных зонах слитков и ошибок.

При пуансоном и пуансонно-поршневом прессовании дополнетельные центры кристаллизации образуются также при смыве частичек твердой фазы потоком незатвердевшего металла во время окончательного формообразования отливки при внедрении прессующего пуансона, а затем при механическом давлении на затвердевший и затвердевающий металл.

При постоянном давлении прессования повышение температуры заливки расплава приводит к укрупнению структуры и увеличению протяженности зоны транскристаллизации, хотя и в этом случае структура измельчается, а зона транскристаллизации уменьшается по сравнению с отливками, затвердевшими без давления.

Обобщенный характер других характеристик под воздействием механического давления показан на рис. 1. существенное изменение той или иной величины происходит до определенного значения давления, названного оптимальным Pon. Последующее повышение давления изменяет структуру и свойства отливки незначительно. Поэтому процесс рекомендуется вести при давлениях, близких к Pon.

Как было показано выше, в условиях затвердевания под механическим давлением существует определенный градиент температур по сечению формирующейся заготовки. Благодаря этому сокращается продолжительность местной кристаллизации, что, в свою очередь, уменьшает скорость диффузии.

В сплавах AI - 4,5% Си повышение механического давления от 500 до 2000 кгс/см2 способствует повышению концентрации меди в твердом растворе с 1,8 до 2,0% [2]. В центральных участках дендритных ячеек (оси дендритов) содержится ~ 1,9% Си (1,0% при свободной кристаллизации). По мере повышения скорости охлаждения в условиях литья с кристаллизацией под давлением происходит пересыщение твердого раствора легирующим элементом за счет уменьшения количества неравновесной составляющей. Среднестатистическая концентрация меди в центре дендритных ячеек в этом случае находится между равновесными концентрациями точек ликвидуса и солидуса при температуре начала кристаллизации.

Кроме микрохимической неоднородности, следует иметь в виду и связанную с ней микрофизическую неоднородность, вызываемую локальными скоплениями несовершенств кристаллической решетки, и в первую очередь вакансиями и дислокациями.

Эксперименты, проведенные в плавильной лаборатории ОАО "Кастинг", на слитках (D-ЗОмм; Н=170 мм), закристаллизованных под поршневым давлением до 20 000 кгс/см2, показали [3], что при увеличении давления плотность дислокаций, определенная методом ямок травления, возрастает наиболее интенсивно только до давления 2000 кгс/см2. в этом же интервале давлений (2000 кгс/см2) наиболее существенно измельчается структура металлов и сплавов в отливках, а также происходит изменение других структурных характеристик. Последующее повышение давления до 20 000 кгс/см2 не оказывает существенного влияния на структуру и свойства сплавов.

Давление, прилагаемое к кристаллизующемуся расплаву, способствует рав-номерному распределению неметаллических включений в отливке. Их количество и размер в тепловом центре отливки из углеродистой стали при пуансоном и поршневом прессовании уменьшаются соответственно в 3,5 и 1,5 раза по сравнению с отливками, полученными обычными способами литья [4].

Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается повышение склонности к обратной ликвации сплавов в отливках. Это обычно происходит при отклонении режимов литья и прессования от оптимальных и при неисправности отдельных элементов пресс-форм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Батышев А.И. Кристаллизация металлов и сплавов под давлением. М.: Металлургия, 1977 г. -151 с.

2. Асташев А.Ф., Ломтев В.В. Прессование заготовки из расплава стали. Журнал "Машиностроитель", 1972 г., №9 - С. 24-25.

3. Барановский М.А., Вербицкий Е.И. Штамповка жидких металлов. Минск: Госиздат БССР, 1963 г. - 78 с.

4. Батышев А.И. Совмещенные способы литья и прессования. М.: НИИ-маш, 1971 г.-48 с.