Научная статья на тему 'Влияние расплавляемого внутреннего холодильника на структуру металла затвердевшего слитка или отливки'

Влияние расплавляемого внутреннего холодильника на структуру металла затвердевшего слитка или отливки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
159
22
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние расплавляемого внутреннего холодильника на структуру металла затвердевшего слитка или отливки»

УДК 621.744.074

Скребцов A.M., Секачев А.О.

ВЛИЯНИЕ РАСПЛАВЛЯЕМОГО ВНУТРЕННЕГО ХОЛОДИЛЬНИКА НА СТРУКТУРУ МЕТАЛЛА ЗАТВЕРДЕВШЕГО СЛИТКА ИЛИ ОТЛИВКИ

Известно, что для получения отливок хорошего качества нужен высокий перегрев расплава в плавильном агрегате и его низкая температура при заливке в форму. Заливка расплава при высокой температуре может привести к нежелательным явлениям, большие напряжения, усадочная пористость, повышенная структурная и химическая неоднородность металла и т.д. Противоречие между требованием высокой температуры расплава при выпуске из печи и низкой при заливке его в форму металлурги решают использованием внутренних холодильников в литейной форме [1] или охлаждением расплава в ковше при помощи металлических штанг [2].

Внутренние холодильники можно классифицировать следующим образом [3]: а) армирующие отливку; б) расплавляющиеся с небольшим остатком; в) полностью расплавляющиеся в металле, внутренние расплавляемые холодильники (ВРХ).

Последний тип холодильников сходен по своему действию с разливкой с применением инокуляторов - в расплаве возникает внутренний теплоотвод и в его объеме образуются дополнительные центры кристаллизации. В то же время ВРХ имеют некоторые преимущества по сравнению, например, с металлической дробью: простота изготовления и ввода в металл, меньшая вероятность загрязнения металла оксидами и другими примесями.

Попытки изучения влияния ВРХ на структуру металла давно встречаются в литературе. В работе Шейля [4] провели опыты в цилиндрической песча-ноглинистой форме с внутренним диаметром 100 и высотой 200 мм. В качестве верхней и нижней плоскости формы служили железные плиты. В верхней и нижней плите было по 4 углубления, в эти углубления в литейную форму перед заливкой расплава вставляли по высоте 4 проволоки или полосы из того же металла, что и отливка. Проволоки располагались на двух взаимноперпендику-лярных диаметрах на расстоянии 0.3 радиуса от центра отливки. Опыты проводили на стальных, медных и алюминиевых отливках. Для стали и меди процент холодильника изменялся от 0,04 до 1%. При 0,04 % холодильника структура металла не изменялась по сравнению с исходной. Мелкое зерно в стали наблюдали при 0,16 %, а в меди при 0,36 % холодильника. При массе холодильника 1 %

в обоих случаях наблюдали увеличение размера зерна металла. Аналогичные результаты получены на алюминиевых отливках с процентом холодильников 0,2 %; 0,4 %; 0,6 %. Очень мелкое зерно наблюдали при 0,4 % холодильника. При этом мелкое зерно было в нижней части отливки, а под прибылью оно было крупным. При 0,6 % холодильника зерно становится грубым.

В.О.Гаген-Торн [5] проанализировал результаты работы Шейля и пришел к мысли, что формирование мелкого зерна в отливке при оптимальной массе холодильника связано с его расплавлением И образованием большого числа зародышей кристаллизации. Поток заливаемого в форму расплава разносит эти зародыши по всему объему отливки, в результате зерно металла измельчается.

В.И.Данилов и В.Е.Неймарк [6] провели опыты, в которых нашли, что введение в форму 0,6-1,4 % алюминия в виде проволоки или полосок сильно измельчает структуру алюминиевой отливки. Обсуждая толкование В.О.Гаген-Торном [5] результатов работы Шейля [4] авторы [6] отмечают, что "свести | только к механическому движению в металле эффекты, полученные Шейлем ни в коем случае нельзя". Авторы работы [6] приходят к выводу, что "введение твердого алюминия в изложницу дает измельчение структуры в том случае, если затравка плавится и при этом плавление последних порций затравки происхо-дат при достаточно низких температурах (близких к точке кристаллизации алюминия)".

В одной из последних работ изучали влияние ВРХ [7] массой 0,5; 1,0;

1,5; 2,5; 3,5 и 4,5 % на кристаллизацию отливок из сплава Al-Si. Минимальный диаметр зерна наблюдали при массе холодильника «1,5 %. При обсуждении результатов своей работы авторы [7] отмечают, что роль ВРХ малой массы заключается не только в тепловом воздействии на расплав, но и в усилении его конвекции и теплообмена с окружающей средой. При большей массе ВРХ (2,5...4,5 %) изменяется лишь тепловая сторона затвердевания отливки.

Таким образом, наибольшее измельчение зерна металла происходит не при максимальной массе ВРХ которая может быть расплавлена заливаемым металлом. Оптимальная масса ВРХ находится в пределах, обеспечивающих при его расплавлении достаточно интенсивную конвекцию расплава. Кроме этого масса ВРХ очевидно зависит от перегрева заливаемого расплава.

Задача настоящей работы - изучение влияния внутреннего холодильника малой массы на структуру затвердевшего металла при разной температуре заливки расплава в форму.

Опыты проводили на цилиндрических отливках 090 и высотой 120 мм (масса 2.3'кг) с использованием сплава на основе Á1 с добавкой Si. Холодильники также были цилиндрической формы и из того же сплава.

Чтобы обеспечить одинаковые условия формирования отливок в опоке изготавливали 6 форм, которые заливали одновременно через сифонную литниковую систему. Перед заливкой расплава в форму вдоль ее вертикальной оси устанавливали один холодильник массой в % от массы отливки: 0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 3,0. Заливку расплава в форму в разных опытах производили при двух температурах - 680 и 750 °С. Макроструктуру металла изучали на поперечных темплетах по методике опубликованной в работе [8].

Предварительные опыты показали, что при указанных температурах заливки все холодильники полностью растворялись в металле отливки [3]. На рис.1 представлены зависимости величины зерна на среднем по высоте уровне отливки от массы холодильника. Как видно из рисунка, в полном соответствии с литературными данными [3], минимальный размер зерна при температуре заливки расплава в форму 680 °С наблюдали при массе холодильника 0,25...0,75 %, а при температуре 750 °С - при массе 1,5...2,0 %.

Рис.1. Зависимость величины размера зерна отливки d от массы холодильника ш.

1- X , -заливка расплава в форму при температуре 750 °С;

2 -0, то же при 680°С.

Полученные данные можно объяснить следующим образом. При массе холодильника меньше оптимальной происходит быстрое его плавление и дезактивация центров кристаллизации металла в перегретом расплаве отливки. При массе холодильника больше оптимальной расплав охлаждается сильнее необходимого, при этом повышается его вязкость, интенсивность естественной конвекции расплава снижается, а возникшие центры кристаллизации не разносятся потоками в объем расплава, а оседают на дно отливки.

Используя данные рис. 1 по влиянию массы холодильника на измельчение структуры металла, а также аналогичные данные из литературы [4,7] на-

шли линейную зависимость оптимальной массы расплавляемого холодильника (т, %) от относительного перегрева расплава над температурой ликвидус Ь °С (см. рис. 2):

— и,7.дТ - = Ш%+273) 0)

Рис.2. Оптимальная масса ш расплавляемого холодильника в металлическом расплаве в зависимости от относительного перегрева расплава над линией ликвидус Л Того.

• - AL-SI сплав (данные авторов статьи, см. рис.1);

* - гипосульфит [7]; - Al-Si сплав {7];

X - сталь [4]; А - алюминий [4]; □- медь [4].

Как видно из рис.2, опытные точки хорошо ложатся у прямой линии, выражаемой уравнением (1). Некоторое отклонение расчетных точек от прямой линии по данным работы [4] можно объяснить ориентировочной оценкой перегрева расплава над линией ликвидус.(Авторы таких данных в работе [4] не приводят).

Следующим вопросом настоящей работы было изучение влияния размера зерна холодильника на структуру металла отливки. Опыты проводили на том же Al-Si сплаве при тех же размерах отливки. Для опытов изготовили холодильники массой 0,5; 1,0 и 1,5 % от массы отливки, длиной 30, 45 и 90 мм. Одну часть холодильников получили путем заливки расплава в песчаноглинистые формы (крупное зерно), вторую часть - при заливке в кокиль (мелкое зерно). Было проведено три группы опытов, по 6 в каждой, при температуре заливки расплава в форму 750 °С. В каждой группе использовали по 3 крупно- и мелкозернистых холодильника одинаковой массы, но разной длины. Также, как и в предыдущем случае, на шлифах затвердевшего металла изучали макроструктуру отливок.

, При обработке опытных данных вычислили объемы отливки (V0) и холодильника (Vx). В предположении, что зерна металла имеют шаровидную форму вычислили объем одного зерна отливки W0 и холодильника Wx. По найденным значениям Vo, vx, w0, w* вычислили число зерен отливки при мелкозернистом холодильнике из кокиля, - пок, а также число зерен при крупнозернистом ИЗ форМЫ, - Поф.

На рис.3 представлены кривые для числа зерен в отливке п. при одинаковой массе холодильника в зависимости от его длины /. Из расположения кривых видно, что во всех случаях число зерен в отливке значительно больше для отливок с мелкозернистым холодильником, по сравнению с крупнозернистым. Для отливок с мелкозернистым холодильником массой 1% число зерен максимально, что согласуется с данными рис.1. При массе холодильника 1,5% число зерен минимально.

На рис.4 представлено для отливок с одинаковой массой холодильника отношение числа зерен в отливке с мелкозернистым холодильником По* к числу зерен с крупнозернистым гь$ , т.е. По* /поф, в зависимости от длины холо-

дильника. В согласии с данными рис. 3, из рис.4 видно, что самым лучшим для измельчения зерна отливки является холодильник массой 1 %.

Рис.3. Число зерен металла в отливке п в зависимости от длины холодильника: X , Д , □ , соответственно массой 0,5; 1,0 и 1,5 %; * , , ■ - то же соответственно крупнозернистые.

Рис.4. Отношение числа зерен металла с мелкозернистым холодильником По* к соответствующему числу крупнозернистого холодильникап0ф, т.е. По*/ п0ф в зависимости от длины холодильника I. Масса холодильника: 0,5 % - X ; 1,0 % - А ; 1,5 % - □.

Таким образом, нашли оптимальную массу ВРХ, которая линейно увеличивается в зависимости от перегрева расплава над линией ликвидус. Использование мелкозернистого холодильника в литейной форме, по сравнению с крупнозернистым, значительно измельчает зерно затвердевшей отливки.

Перечень ссылок

1. Скворцов А А, Акименко А. Д., Ульянов В. А Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. -М.: Металлургия, 1991. - 217 с.

2. Жидкая сталь / Баум Б.А, Хасин Г.А, Тягуное Г.В. и др. -М.: Металлургия, 1984. - 208 с.

3. Скребцов А.М., Дан Л.А., Секачев АО., Прокопов A.A. О некоторых возможностях измельчения зерна металла отливки при внешнем воздействии на затвердевающий расплав // Металл и литье Украины.-1996. - N 1-2. - С. 34 - 37.

4. Erich Sheil "Über eine .künstliche Erzeugung von Metallkeimen in Erstarrenden Metallschmelzen". -Zeitschrift für Metallkunde, 28. Jahrgang, August 1936, Hf.8.-Ss. 228 - 229.

5. B.O. Гаген-Торн. О кристаллизации и строении слитка // Металлург.-1977-

N 11(95).-С. 82-96.

6. Данилов В.И., Неймарк В.Е. Влияние условий кристаллизации на структуру алюминиевого слитка // Металлург,- 1938; N 10 (106).-С. 34 - 47.

7. Скребцов А.М., Прокопов A.A., Марийчук С.И. Конвекция расплава и улучшение металла отливок при использовании внутреннего холодильника-кристаллизатора. // Изв. вузов 4M.-1995.-N 7. - С. 51 - 55.

8. Беккерт М., Клемм X. Справочник по металлографическому травлению. -М.: Металлургия, 1979. - 264 с.

9. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 648 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.