CC BY
25
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.
