CC BY
40
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р Вип.. №17
УДК.669.154.002.61
Иванов Г.А.1, A.M. Скребцов2
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ЖИДКОГО РАСПЛАВА НА СТРУКТУРУ МЕТАЛА ПРИ ВВОДЕ В НЕГО МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ ШИХТЫ
При увеличении скорости охлаждения жидкого алюминиевого расплава от нуля до 2 град/с температура структурного превращения в расплаве резко понижается, а далее остается практически постоянной. Ускоренное охлаждение жидкого металла улучшает более чем в 2 раза коэффициент наследственности шихты.
Известно, что после первоначального плавления шихты в жидком металле наблюдается микронеоднородное неравновесное состояние расплава. В нем имеются кристаллоподобные группировки атомов (кластеры) и зона разупорядоченного расположения атомов [1]. Микроструктура затвердевших отливок и их эксплуатационные свойства могут зависеть от исходной структуры шихтовых материалов, а также от условий тепловых режимов нагрева, расплавления, скоростей охлаждения и затвердевания расплава.
Очевидно, что в первом случае, при нагреве металла выше температуры Тр разупорядо-чения кластеров [2] расплав становится полностью микрооднородным.
При его затвердевании исходная структура металлической шихты не восстанавливается. Во втором случае, при нагреве металла до температуры меньше Тр в нем еще имеются нераз-рушившиеся кластеры расплава, унаследованные от исходных материалов шихты. При затвердевании такого расплава на этих кластерах зарождаются кристаллы, и формируется наследственная структура исходной металлошихты.
В настоящее время, к сожалению, многие вопросы теории наследственности свойств шихтовых материалов, в том числе «механизмы наследственности» остаются неясными [3]. Так, например, в одних случаях исходная мелкокристаллическая структура приводит наследственно к крупному зерну в отливке [4]. Встречаются и противоположные случаи получения мелкого зерна отливки из крупнокристаллической шихты [5]. Авторы работы [4] такое явление назвали «отрицательной наследственностью» и связали ее с наличием в металле вредных примесей.
Задача настоящей работы - изучение влияния скорости охлаждения расплава и температуры его начального нагрева на: а) температуры структурных превращений в жидком сплаве алюминия и б) характер наследственности зерна металла - «положительный» или «отрицательный».
Все опыты проведены на сплаве алюминия АК12. Металл многократно переплавляли, поэтому структура его стабилизировалась. В опытах металл расплавляли в камерной печи СНОЛ-25 и перегревали до температуры изменяющейся в диапазоне 880...980 °С. При этой температуре состояние расплава было близко к микронеоднородному.
Для достижения различной скорости охлаждения расплава в опытах использовались песчаноглинистые формы и кокиль. Песчаноглинистые формы были подсушены до различной степени удаления влаги. В некоторых случаях перед заливкой расплава формы подогревали до 250 °С. Кокиль перед заливкой расплава имел температуру окружающей среды.
Температуру охлаждающегося расплава измеряли хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к прибору модели ТРМ138-Р, производитель "ОВЕН" (Россия). Точность измерения температуры расплава и ее регулирования в печи порядка ±1 °С.
1 ПГТУ, аспирант
2 ПГТУ, д-р. техн. наук, проф.
Рис. 1 - Кривые отношений температур Щ (а) и Тк (б) к температуре Тл превращений второго рода в жидкости от скорости охлаждения.
О 2 4 6 8 10 12 V, град/с
Рис. 2 - Кривые зависимости темпера-туропроводностей (см2/с) я, (а) и а2(б) превращений второго рода в жидкости от скорости охлаждения.
Результаты измерений фиксировались современной микро-ЭВМ через последовательный интерфейс передачи данных для хранения и математической обработки.
Было проведено 29 опытов с измерением температуры и вычислением средней скорости охлаждения расплава. Обработку температурных кривых произвели по методике опубликованной в работе [6]. Она дает возможность найти температуру Щ структурного превращения расплава и температуру возникновения предкристаллизационного состояния жидкости ТК [7], а также эффективную температуропроводность расплава а" при повышенных (а') и при пониженных (а.) температурах. Значение величины а' учитывает влияние конвекции расплава.
Так, например, по данным работы [8] эффективная температуропроводность по сравнению с истинной, в зависимости от размеров формы может быть больше в 10...40000 раз.
По результатам обработки данных экспериментов получили отношения величин Т/Тл и 7УТЛ в зависимости от скорости охлаждения расплава V(см. рис. 1а и 16 соответственно).
Из рис. 1 видно, что скорость охлаждения расплава оказывает влияние на точки превращений в жидкости, причем в тем большей степени чем быстрее охлаждается расплав. Следует отметить, что обе кривые имеют одинаковый характер. Сильная зависимость при скоростях охлаждения менее 2 град/сек, перелом в диапазоне 2...4 град/с и слабая зависимость при скоростях начиная от 2 град/сек и заканчивая предельной скоростью в наших исследованиях -12 град/с. Из рис. 1а и 16 видно, что скорость охлаждения расплава сильно влияет на температуры превращения в расплаве при скоростях его охлаждения меньше 2 град/с. При больших скоростях охлаждения превращения в жидкости протекают практически при постоянной температуре.
На рис.2 представлены кривые зависимостей эффективных температуропроводностей опытного расплава от скорости его охлаждения. Показательно, что имеющимся на обеих графиках (а и б) переломам соответствуют скорости охлаждения 2...4 град/с, что соответствует аналогичному значению для изломов графиков зависимостей отношений температур ТК/'ТЛ. Этот факт указывает на объективность полученных зависимостей и взаимосвязь наблюдаемых явлений.
В работе [2] проанализировали более 200 опытов (вязкость плотность и др.) по зависимости свойств расплава от температур и нашли, что чем больше перегрев расплава над линией ликвидус, тем больше значение 7}.
При изучении влияния скорости охлаждения жидкого расплава на наследственные свойства затвердевшего металла сплав АК12 нагревали в тигельной печи до температуры 800 "С. Из него отливали в песчано-глинистых формах прямоугольные плитки размером 60x120x16 мм. Всего было отлито 29 плиток, часть плиток (22 штуки) нагрели до 550 "С и прокатали на стане 300/1 (где 300 - диаметр валков, 1 - лабораторный номер стана), при обжатии 62 % за
один проход.
При проведении опытных плавок каждую плитку (целиком или по частям) загружали в ковш, который помещали в печь нагретую до заданной температуры в пределах от 600 до 900 "С. После визуального определения момента расплавления и перегрева до заданной температуры (одинаковый цвет футеровки ковша и жидкого металла) его заливали в одну из форм (пссчаноглинистую или кокильную) и охлаждали до комнатной температуры в естественном токе воздуха.
Из образцов отлитых в песчаноглини-стые формы вырезали поперечные темплеты из середины цилиндра, они имели диаметр 40 мм и высоту 10 мм. Из кокильных отливок вырезали вдоль оси конуса шлиф шириной 7... 10 мм.
Шлифы образцов травили в растворе 15 % NaOH. Травление останавливали промыванием образцов в проточной воде с использованием моющего средства «Gala Power».
Микроструктуру металла изучали на микроскопе МИМ-7 при увеличении х200. На шлифе случайным образом выбирали 10 полей зрения и подсчитывали количество игольчатого кремния.
За коэффициент наследственности шихты приняли отношение числа включений кремния на шлифе исходной шихты пш к аналогичной величине п0 на шлифе отливки. Результаты исследований представлены на рис. 3.
Из рис. 3 видно, что ускоренное охлаждение расплава (кокильные отливки из шихты с деформацией или без нее), приводит к улучшению свойств отливок, то есть повышает коэффициент наследственности шихты. Особенно большое повышение коэффициента наследственности шихты наблюдается при высоких скоростях охлаждения, т.е. больше 10 град/с.
Нужно отметить, что благоприятное исходное состояние шихты (мелкое зерно из-за ее деформации перед переплавом) при медленном охлаждении расплава ухудшает исходную структуру, то есть увеличивает размер зерна металла и приводит к отрицательной наследственности.
Таким образом, свойства отливок из любого расплава можно улучшить только ускоренным его охлаждением.
Благотворное влияние ускоренного охлаждения жидкого металлического расплава на структуру затвердевших отливок неоднократно отмечалось в литературе. Тек, например, автор работы [9] цитирует высказывание Д.К. Чернова «Чем больше будет скорость охлаждения, тем больше образуется центров кристаллизации, тем каждому из них придется меньший район действия и потому тем более мелкая зернистость строения потом получается». Для сталей Б.Б. Гуляевым опубликована параболическая зависимость двух величин, - расстояния между осями дендритов 2-го порядка и скорость охлаждения расплава [9]; из нее видно, что чем больше скорость, тем мельче структура металла. Авторы публикации [10] изучали влияния скорости охла-
^град с
Рис. 3 - Влияние скорости охлаждения металлического расплава АК12 в форме на структурное наследование. Обозначения:
- песчаноглинистые без деформации шихты; I- песчаноглинистые с деформацией шихты;
- кокильная без деформации шихты;
- кокильная с деформацией шихты.
ждения расплава чугуна на формирование включений графита. С одной стороны общеизвестно, что шаровидная форма графита образуется в чугуне при обработке жидкого расплава элементами-модификаторами (церий, магний, иттрий и др.). С другой стороны авторы работы [10] показал, что без применения модификаторов ускоренное охлаждение жидкого чугуна, синтетического или ваграночной плавки, приводит к появлению в структуре затвердевшего металла шаровидных включений графита.
Работу следует продолжить с целью получения дополнительных данных по отрицательной наследственности шихты.
Выводы
1.По кривым охлаждения жидкого алюминиевого сплава обнаружили температуру структурного превращения (фазовый переход второго рода). По тем же кривым показано, что вблизи температуры ликвидус расплава возникает предкристаллизационное состояние жидкости с появлением в ней зародышей кристаллизации.
2.Обнаружено существенное влияние скорости охлаждения на структурные превращения в жидкости. При малой скорости охлаждения (<2 град/с) резко увеличиваются температуры превращения Tf и '¡\:. далее при увеличении V упомянутые величины практически не меняются. Коэффициенты температуропроводности расплава остаются постоянными и малыми при V<2 град/с, а далее увеличиваются пропорционально значению V.
Перечень ссылок
1. Жидкая сталь/ЯЛ Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягуное и др. -М.: Металлургия, -1984. -208 с.
2. Скребцов A.M. Затвердевание и свойства литейных сплавов./А.М. Скребцов -Мариуполь: ПГТУ, -2004. -202 с.
3. Никитин В.И. Перспективы технологий генной инженерии в сплавах/Ä И. Ники-тин//ЛитеРпюе производство. -1999. -№1. -С. 5-9.
4. Кандалова Е.Г. Критерии качества модифицирующей лигатуры на основе алюминия./ Е.Г. Кандалова, В.И. Никитин, А.Г. ТюкилинИЛитейное производство. -1990. -№1. -С. 25 -27.
5. Гаврилин И.В. Что дают исследования строений жидких сплавов для практики литья НИ.В. ГаврилинИЛитейное производство. -1988. -№9. -С. 3-4.
6. Скребцов AM. Кривая охлаждения металлического расплава как источник информации о его температуропроводности и изменении строения охлаждающейся жидкости/ A.M. Скребцов, А.О. Се/шчее//Процессы литья. -1997. -№1. -С. 3 - 13.
7. Есин O.A. Физическая химия металлургических процессов. -4.2Ю.А. Есин, П.В. Гелъд -Свердловск-Москва: Металлургиздат, 1954. -606 с.
8. Михеев М.А. Основы тсплопсрсдачи//МА Михеев, И.М. Михеева. - М:.Энергия, 1977. -544 с.
9. Гуляев Б.Б. Затвердевание и неоднородность стали./Б.Б Гуляев -М.:Металлургия, 1950. -228 с.
10. Черновол A.B. Влияние скорости охлаждения чугуна на формообразование графита/ A.B. Черновол, Г.Д. Хуснутдинов!IЛитейное производство. -1969. -№11. -С. 30-31.
Рецензент :А.В. Остроушко канд. техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 15.03.2007
