Файл: Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию.pdf

(кривая 4). Однако при увеличении мощности до 60 6 Т эффективность очистки уменьшается (кривая 5).

Такой характер влияния мощности, вводимой в жид­ кий расплав, был отмечен почти при всех исследованных скоростях очистки; это показано на рис. 79, где эффек­ тивность определяется как отношение исходной концен­ трации примеси в слитке С0 к некоторой средней концен­

Однако при малой скорости движения (45 мм/ч) конвек­ тивное перемешивание достаточно полно выравнивает концентрацию примеси по всей зоне и ультразвуковое

месь не успевает диффундировать в основную часть жидкости. При этом воздействие ультразвука на процесс очистки оказывается наилучшим — толщина диффузион­ ного слоя уменьшается и процесс очистки ускоряется. Но с ростом скорости движения зоны растет и необходи­ мая мощность ультразвука (кривая 3).

Опыты показали, что эффективность зонной очистки связана с развитием в жидкой зоне кавитации. При оп­ ределенных значениях мощности ультразвуковая кавита­ ция приводит к диспергированию растущих на фронте кристаллизации кристаллов и тем самым затрудняет от­ вод примеси из диффузионного слоя. Указанное влияние кавитации было проверено прямыми наблюдениями за фронтом кристаллизации. При обработке ультразвуком в докавитационном режиме фронт кристаллизации сгла­ живается (рис. 80, а и б). При переходе к режиму кави­ тации (рис. 80, в и г ) кавитационные пузырьки образу-

172

ют углубления во фронте кристаллизации и повышают его изрезанность. Поэтому необходимо создавать усло­ вия, когда кавитационные пузырьки не захлопываются, а только пульсируют, создавая различного рода микропо­ токи (см. рис. 4), которые увеличивают конвективную диффузию и разрушают диффузионный слон.

Работы в области применения ультразвука при зон­ ной очистке только начались и, видимо, скоро мы станем свидетелями новых успехов в этой области применения ультразвука.

В современных машинах и приборах требуются не только очень чистые материалы, но и совершенно новые материалы с новыми свойствами: с высокой прочностью при малой плотности, высокой жаростойкостью и т. д. Используя различные сочетания казалось бы несовмести­ мых веществ, например жаропрочных волокон и смол, металлических материалов и керамики, керамики с ар­ матурой из металлических волокон и, наконец, компози­ ции с металлическими «усами» — нитевидными моно­ кристаллами, удается создать совершенно уникальные материалы. Мы сказали удается, но это выражение на се­ годня звучит не совсем точно. Пока еще мало что можно изготовить из композиционных материалов в промышлен­ ном масштабе. Причина заключается в необычайно боль­ ших технологических трудностях создания равномерной структуры композиционного материала.

Решение этой задачи осложняется тем, что между ча­ стицами упрочняющих фаз и основным металлом (мат­ рицей) должно быть полное смачивание. При таких ус­ ловиях удается полностью вовлечь упрочняющие (арми­ рующие) добавки (волокна, усы и др.) в работу нагру­ женной конструкции.

Одним из наиболее распространенных методов повы­ шения прочности металлических сплавов, как известно,

J74

является дисперсионное твердение, состоящее в распаде твердого раствора с выделением из него мелких частиц избыточной фазы. Упрочнение происходит вследствие то­ го, что движущиеся при нагружении материала дисло­ кации задерживаются дисперсными частицами и матери­ ал не может так легко деформироваться. Однако для со­ хранения высокой прочности материала при повышенных температурах необходимо, чтобы эти мелкие частицы — препятствия имели стабильные размеры и форму. По­ скольку распад твердого раствора и образование дис­ персных частиц вторичных фаз происходят путем диффу­ зии, при повышении температуры эти фазы легко коагу­ лируют, укрупняются и металл поддается деформации без ограничения, а прочностные характеристики его па­ дают.

Другое дело, если такие частицы будут устойчивы в широком интервале температур. Тогда можно рассчиты­ вать, что материал будет обладать высокой прочностью при повышенных температурах.

Композиционные материалы для работы при высоких температурах создают введением дисперсных частиц или волокон тугоплавких окислов (окись алюминия, двуокись титана, окись магния) в жаропрочный основной металл (сплавы никеля, титан и др.). Чтобы создать однородную

мики расплавленным металлом или же метод ультразву­ ковой обработки расплава со взвешенными в нем части­ цами дисперсной фазы.

Применение ультразвука для создания металлических эмульсий, т. е. диспергирование расплава одного метал­ ла в другом, описано Е. А. Хюдсмапом [34] еще в 1954 г. С использованием ультразвука были успешно проведс-

175

ны опыты по приготовлению композиций алюминия с не­ растворимым в нем свинцом, по введению алюминия в расплавленную сталь и др. Однако более широкие ис­ следования в области создания композиционных мате­ риалов за счет введения в расплав с помощью ультразву­ ка различных несплавляемых компонентов из жидкой и из твердой фаз начались после 1958 г., когда была опу­ бликована работа Г. И. Погодина-Алексеева и В. В. За- болеева-Зотова [15].

Сущность метода создания композиционного матери­ ала с применением ультразвука состоит в том, что в рас­ плавленный металл или сплав по одной из приведенных на рис. 81 схем вводят мелкие частицы второго компо-

Рис. 81. Способы введения дисперсной фазы в расплав с применением ультразвука [46]:

а — введение через трубку в ультразвуковое поле повы­ шенной мощности, концентрируемое расположенными сбоку излучателями ультразвука; б — введение через центральное отверстие в излучателе ультразвука; в — введение под торец работающего излучателе

176

мента. Ультразвуковая обработка должна решить две за­ дачи: осуществить смачивание этих частиц основным металлом и равномерно распределить их по объему жид­

кого металла.

Процесс введения дисперсной фазы в металлический расплав под воздействием ультразвука можно условно разбить на три этапа: предварительный, состоящий в под­ готовке поверхности твердых частичек к смачиванию, са­ мо смачивание, или «металлизация» поверхности частич­ ки расплавленным металлом, и распределение частичек по всему объему расплава. Первый этап может быть осу­ ществлен до начала плавки и состоит в тщательном уда­ лении с поверхности дисперсных порошков или волокон жировых пленок, мешающих смачиванию. Процесс очи­ стки легче всего осуществить с применением ультразву­ ка (см. гл. XI), однако иногда эта подготовка поверхно­ сти можно опустить и проводить его прямо в расплавлен­ ном металле — в этом случае длительность процесса ультразвуковой обработки должна быть увеличена. Как может быть осуществлено смачивание в поле ультразву­ ка, мы уже разбирали в гл. IX. Единственное отличие — это возможность дополнительного диспергирования ча­ стиц и получения более развитой их поверхности, что об­ легчает процесс смачивания. Во всяком случае анализ результатов ультразвуковой обработки частиц окислов, карбидов и боридов размером 20—40 мкм в расплавлен­ ном силумине, но данным Т. В. Соловьевой, И. II. Сидо­ рина и автора, показал, что ультразвук обеспечивает прекрасное смачивание частиц основным металлом (рис. 82), тогда как в отсутствие ультразвука смачивания нет вовсе. Третий этап ультразвуковой обработки — распре­ деление смоченных расплавов частичек по всему объе­ му — осуществляется за счет различных потоков в рас­ плаве.

177

тразвука. С другой стороны, применение частиц относи­ тельно большого размера (0,2—1,0 мм) затрудняет со­ хранение равномерности распределения их по объему расплава — они могут «оседать» на дно. Чтобы сохра­ нить распределение больших частиц, требуется операция

Рис, 83. Схемы получения ком­ позиционных материалов в поле интенсивного ультразвука для получения отливки (а) и слит­ ка при непрерывном литье (б)

[46]:

179

этот метод, удается получить структуру композиции из дисперсных включений окиси алюминия с размером час­ тиц 1—1,5 мкм и алюминиевого сплава типа АМЦ (рис. 84). На рис. 85 приведены данные по горячей твер­ дости чистого алюминия и алюминия с добавкой 1,0% частиц окиси алюминия размером 1 мкм. При 100°С го­ рячая твердость композиционного материала увеличи­ лась по сравнению с чистым алюминием вдвое, при 200°С прирост твердости составляет 90%.

Используя ультразвуковую обработку расплава с до­ бавками тугоплавких и высокопрочных частиц, удается

Рис. 85. Горячая твердость композиции А1 +1% А120 3 (/) и чистого алюминия (2); образцы отожжены в течение 2 ч при 450°С [46]

создать десятки новых синтетических дисперсных мате­ риалов на основе алюминия, стали и всевозможных спла­ вов самого различного назначения Г. И. Погодиным — Алексеевым [47] описаны возможные составы компози­ ционных материалов, полученных с применением ульт­ развука.

181

ГЛАВА XII

У Л Ь Т Р А З В У К О В Ы Е М Е Т О Д Ы К О Н Т Р О Л Я К А Ч Е С Т В А М Е Т А Л Л О В

Успешное применение изделий из металлов и спла­ вов, надежность металлических конструкций — будь то самолет, мост, прибор или станок — зависит от того, в какой степени удалось получить свободные от дефектов материалы.

ность, горячие и холодные трещины — эти дефекты воз­ никают при плавке и литье; расслоения, волосовины, рва­ нины, закаты возникают позже, на этапах пластического деформирования металла. При термообработке возмож­ ны пережог, закалочные трещины и др. Различные де­ фекты возникают в изделиях и в последующих техноло­ гических операциях при сварке, механической обработке Ит. д.

улучшению качества металлов и сплавов на разных эта­ пах производства. Для этих целей применяют мощный ультразвук (1—10 вт/см2 и выше), способный оказывать активное воздействие на среду.

Оказывается, что ультразвуковые колебания могут быть не менее ценными помощниками человека даже в том случае, если их энергия в тысячи раз меньше. Тогда

182