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

концентрации, отвечающей пределу растворимости водо­ рода в твердом металле. Другими словами, ультразвуко­ вая обработка рафинирует сплав до такого состояния, когда появление газовой пористости в фасонных отлив-

ках исключено. Насколько эффективно действие ультра­

звука, можно судить по кривым на рис. 14.

' При ультразвуковой обработке расплавленного алю­

40

миния и его сплавов не только снижается брак по порис­ тости, но и повышается выход годных деталей по другим показателям. В частности, очистка расплава от неметал­ лических включений повышает жидкотекучесть металла и, следовательно, улучшает условия формирования тон­ ких сечений сложных отливок.

В табл. 2 приведены данные по повышению жидкотекучести некоторых литейных алюминиевых сплавов пос­ ле ультразвуковой обработки.

Таблица 2

Влияние ультразвуковой обработки расплава на жидкотекучесть алюминиевых сплавов [171

Исследование структуры и механических свойств обра­ ботанного ультразвуком металла показывает, что наря­ ду с процессом рафинирования ультразвуковая обработ­ ка оказывает еще н сильное модифицирующее (измель­ чающее) действие на структуру литого металла.

Модифицирование жидкого металла

Структуру почти любого металла и сплава можно ис­ кусственно измельчить за счет введения в жидкий металл специальных модификаторов — измельчителей.

Часть из них является поверхностно активными веще­ ствами, которые высаживаются на гранях растущих кристаллов при затвердевании жидкого металла и меша­

41

ют их росту. В результате такого воздействия модифи­ каторов можно получить вместо разветвленных кристал­ лов довольно равноосные кристаллические образования. Этот метод улучшения структуры и соответственного увеличения прочности металлов и сплавов широко при­ меняется в промышленности для повышения качества силуминов—сплавов алюминия с кремнием, магниевых чугунов и т. д.

На практике широко применяют и другой тип моди­ фикаторов. Эти модификаторы, также специально вводи­ мые в жидкий расплав, образуют с основным металлом химические соединения — интерметаллиды. Такие соеди­ нения при затвердевании слитка кристаллизуются рань­ ше основного металла и служат «подкладкой» для фор­ мирования кристаллов основного металла. В результате

Исследования показали, что процесс ультразвуковой обработки сплава с модифицирующими добавками пере­ ходных металлов приводит к значительному улучшению свойств. В частности, при обработке алюминиевых спла­ вов было замечено, что прочностные характеристики сплавов увеличиваются больше, чем следовало ожидать в соответствии с повышением плотности и устранением неметаллических включений. В этом решили разо­ браться.

Для сравнения подвергали ультразвуковой обработ­ ке расплавы металлов и сплавов без модифицирующих добавок— прочность этих сплавов увеличилась, но абсо­ лютный ее прирост оказался значительно меньше.

42

Чтобы понять причины такого действия ультразвука, провели следующий опыт. Были приготовлены очень чис­ тый алюминий (99,99%) и тот же алюминий с добавкой 0,1% титана. Оба расплава (алюминий и его сплав с ти­ таном) обработали ультразвуком в жидком состоянии при температуре 720°С и разлили в металлические из­ ложницы. Анализ микростроения полученных слитков отчетливо показал, что измельчение зерна имеет макси­ мум в том случае, когда ультразвуковая обработка соче­ тается с действием модификатора. Ультразвуковая обра­ ботка чистого металла без модификатора оказывает при­ мерно такое же действие, как и модификатор (рис. 15, а—г).

Дальнейшее изучение структуры обработанных ульт­ развуком слитков алюминия с добавками 0,2—0,5% мо­ дификатора показало, что наряду с измельчением струк­ туры алюминия меняются и форма, и размеры включений химического соединения модифицирующего металла с алюминием.

А что, если ультразвук раздробил хрупкие интерметаллидные частицы и разнес их по объему расплавленно­ го металла? Тогда число центров кристаллизации стало больше, и тем самым ультразвук дополнительно измель­ чил зерно по сравнению с обычным модифицированием.

Чтобы проверить это предположение, ультразвуковой обработке подвергали взвесь кристаллов интерметаллидов в жидком алюминии. Результат опыта не подтвердил выдвинутой гипотезы: только 10% всех кристаллов интерметаллидов разрушилось от ультразвуковой «встряс­

ки», остальные 90% не изменили своей формы и разме­ ров.

Значит, механизм повышения активности модифика­ тора под действием ультразвука заключается в другом.

43

По данным М. В. Мальцева [13], интерметаллидные час­ тички зарождаются и формируются как центры кристал­ лизации задолго до начала кристаллизации основного металла. Поэтому при температуре литья они находятся в расплаве в виде суспензии кристаллов, выполняющих роль зародышевых центров кристаллизации. Вероятно, проведение ультразвуковой обработки жидкого металла, т. е. наложение на расплав переменного поля давлением в несколько десятков атмосфер, сдвигает равновесие системы расплав—интерметаллид в сторону более ран­ него зарождения центров кристаллизации. Развитие в расплаве кавитации, видимо, также способствует этому процессу сдвига, так как сам акт образования кавитаци­ онной полости и переохлаждение расплава на ее стенках способствует зарождению кристаллов. Таким образом, на этом этапе ультразвук оказывает каталитическое дей­ ствие на процесс зарождения центров кристаллизации1.

Однако важна также и другая сторона ультразвуко­ вого воздействия, а именно равномерное распределение образующихся центров кристаллизации в объеме рас­ плава за счет создания в жидком металле различного ро­ да макро-и микропотоков.

Поскольку действие (активность) модификатора в ультразвуковом поле усиливается или, что то же самое, действие ультразвука в расплаве с модификатором ока­ зывается большим, можно говорить о модифицирующем эффекте ультразвука, который сопутствует влиянию ультразвука на процесс дегазации.

Это модифицирующее действие ультразвука выра­ жается в измельчении структуры и повышении механи­

1 Вообще говоря, то же самое происходит и в отсутствие моди­ фикатора в процессе кристаллизации основного металла (см. гл. III).

45

ческих свойств сплавов, имеющих в своем составе моди­ фикатор.

На рис. 16, например, показаны частотные кривые предела прочности и удлинения дзух распространенных литейных сплавов. Присутствие в одном из них (АЛ40, рис. 16, б) 0,2—0,3% титана позволяет повысить вероят­ ное значение предела прочности на 6,0 кГ/мм2, т. е. на

Пределпрочности 6#,к2/»м2

/8 22 26 SO 34 38

ПределпрочностиОь,нГ/мм2

Рис. 16. Влияние ультразвуковой обработки ра-оплава

•на механические свойства литейных алюминиевых сплавов АЛ9 (а) без модификатора и АЛ40 (б) с мо­ дификатором: / — без ультразвуковой обработки; 2

с ультразву.к'0(вой обработкой

46

25%, а удлинение почти в два раза. Ультразвуковая об­ работка сплава без модификатора (рис. 16,а) мало вли­ яет на его механические свойства.

Ультразвуковая обработка в потоке

В самом начале этой главы говорилось о том, что ак­ туальным вопросом современной металлургии является разработка непрерывных процессов производства метал­ лов. Как же ультразвук может способствовать решению этой проблемы?

Способность ультразвука нарушать в объеме распла­ ва равновесие в системе расплав — неметаллические при­ меси за счет развития кавитации, потоков и других явле­ ний создает основу применения ультразвука в потоке.

В этом смысле, сравнивая два физических метода ра­ финирования— вакуумную и ультразвуковую обработ­ ку, можно сказать, что первый — это пассивный метод, а второй— активный. Действительно, при вакуумировании процесс выделения пузырьков газа идет с поверхности металла и уже потом обедненный газом поверхностный слой «подтягивает» газ из объема расплава. Именно по­ этому введение разного рода активных флюсов так уско­ ряет процесс вакуумирования. Кроме того, вакуумиро­ вание в потоке осуществить технически весьма трудно.

При использовании ультразвуковой техники удается сравнительно легко осуществлять рафинирование в по­ токе. Кстати, методы непрерывной ультразвуковой об­ работки применяются при очистке стальной ленты от окалины, непрерывном литье и т. д.

Ультразвуковое рафинирование и модифицирование алюминиевых сплавов при переливе из миксера в маши­ ну непрерывного литья (рис. 17) было проверено на од­

47

ном из металлургических заводов и показало хорошие результаты [18]. Пригодность опробованной схемы оп­ ределяется возможностью равномерной последователь­

ной обработки всего объема металла. Это, пожалуй, на­ иболее важно для потока металла.

Очевидно, мы будем свидетелями создания в самом недалеком будущем таких ультразвуковых устройств. Будем, если сумеем обойти одну трудность.

Пока техника ультразвуковой обработки расплавов страдает одним уязвимым местом. Этой «ахилессовой пя­ той» ультразвука является низкая стойкость излучателя колебаний в расплавленном металле.

Поскольку процесс движения расплавленного метал­ ла по конвейеру должен длиться сутками, то и стой­ кость излучателей должна быть соответственно высокой,

48

Представим себе работу такого металлургического кон­ вейера. Мы находимся у многотонной печи, в которой выплавляется металл для литья фасонных деталей из алюминиевых сплавов. По специальной трубе металл по­ стоянным потоком движется к литейным формам, кото­ рые периодически подаются на заливочную площадку. Расплавленный металл автоматически проходит через промежуточную емкость, в которой непрерывно осуще­ ствляется ультразвуковое рафинирование и модифици­

рование.

Для алюминиевых сплавов проблема стойкости ульт­ развуковых излучателей сегодня почти решена.

Если титан и его сплавы работают в алюминиевом расплаве 1—2 ч, то ниобий и его сплавы могут противо­ стоять действию расплавленного алюминия во время ультразвуковой обработки примерно 20—25 ч.

Другое дело, когда речь идет об обработке в потоке тугоплавких металлов и сплавов: стали и чугуна, молиб­ дена, титана и т. д. Ультразвуковая обработка тугоплав­ ких расплавов должна осуществляться по принципиаль­ но иной схеме.

Известно два возможных метода введения ультразву­ ковых колебаний в тугоплавкие расплавы.

В первом случае излучатель представляет собой ох­ лаждаемый изнутри металлический стержень. Охлажда­ ющая жидкость постоянно циркулирует во внутренней полости излучателя с таким расчетом, чтобы на его по­ верхности, опущенной в расплавленный металл, всегда имелась тонкая корочка затвердевшего металла. Этот слой затвердевшего металла предохраняет собственно материал излучателя от кавитационной эрозии. Конечно, изготовление такого излучателя на практике встречает массу трудностей. Необходима специальная следящая система для регулирования расхода охлаждающей

49