ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 44
Скачиваний: 1
жидкости, нужно автоматически поднимать и опускать излучатель в расплаве, чтобы слой затвердевшего метал ла имел совершенно определенную толщину.
В случае увеличения корочки затвердевшего металла ультразвуковые колебания могут в ней почти полностью поглотиться. Таким образом встает проблема периодиче ского возвратно-поступательного движения излучателя в вертикальной плоскости, заданного законом нарастания корочки, Словом, это непростое дело — обработать ульт развуком расплавленную сталь или чугун. Однако воз можное. Л. М. Седлову в 1962 г. удалось успешно дока зать на практике возможность создания такого водоох лаждаемого излучателя ультразвука для обработки рас плавленной стали1. По его данным, обработанная ульт развуком расплавленная сталь освободилась от приме сей водорода, азота и кислорода, при этом предел проч ности стали на растяжение повысился примерно на
10 кГ/мм2.
Считают, что будущее ультразвуковой обработки вы сокотемпературных расплавов состоит именно в созда нии водоохлаждаемых излучателей, работающих по за данной программе с автоматическим восстановлением резонансной частоты системы. Схема такой системы, предложенная И. И. Теуминым [1], показана на рис. 18.
В этой схеме существенную роль играет датчик 7, ко торый представляет собой небольшое кольцо, связанное с поверхностью волновода 2 силами трения. При измене нии режима колебаний это кольцо сдвигается и запуска ет автоматическую систему, регулирующую нормальный режим работы колебательной системы.
Для ультразвуковой обработки металлических рас плавов с высокой температурой плавления может быть
1 Авторское свидетельство СССР № 161477, 1962,
50
Рис. 18. Схема устройства для автоматического восстановления резонанс
ной частоты излучателя при работе |
на |
расплав [Ц: |
колебаний; |
||
/ — водоохлаждаемый |
изл/чатель; |
2 — волновод |
|
продольных |
|
3 — волновод изгибных |
колебаний; |
4 — опора; |
5 — трансформатор колеба |
||
ний; $ — преобразователь; 7 — датчик расстройки |
волноводно-излучающей |
||||
системы; 8 — водоохлаждаемый |
кристаллизатор; |
0 — расплав |
(слиток) |
||
использован и другой пут1-, когда колебания вводят в
кристаллизующийся слиток со стороны твердой закрис таллизовавшейся фазы. Этот метод обработки в вакуум ной дуговой печи, применяемый при выплавке некоторых марок сталей и сплавов, подробно изложен в гл. IV.
ГЛАВА III
ФАСОННОЕ ЛИТЬЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
Литье металла представляет собой одно из самых древних ремесел, до нас дошли чудесные произведения мастеров старины: утварь, решетки, колокола, пушки и т. д.
Конечно, сегодня литейное производство имеет мало общего с литейным искусством прошлого, хотя из вестный с незапамятных времен способ литья в земля ные формы применяется и сейчас. Сегодняшний арсенал способов литья обширен: литье в металлические формы и изложницы, точное литье в керамические формы, литье методом выжимания, вакуумное литье, литье под давлением, центробежное литье и, наконец, литье в поле ультразвука.
Воздействие ультразвука в процессе литья позволяет управлять строением отливки, создавая заранее задан ную структуру металла и влияя на условия заполнения сложных сечений отливок.
В предыдущей главе рассказывалось о том, что в ре зультате ультразвуковой обработки расплавленного ме талла удается снизить в жидком металле содержание окисных и газовых включений. Очищенный от неметал лических включений металл имеет более высокую способ ность к заполнению сложных частей формы или, как го
52
ворят литейщики, обладает повышенной жндкотекучестыо.
После ультразвуковой обработки расплава его жидкотекучесть повышается примерно на 25—30%.
Очистка металла от неметаллических включений по зволяет значительно повысить герметичность литого из делия, т. е. повысить способность его противостоять вы соким давлениям газа и жидкости или работать в высо ком вакууме.
Итак, ультразвуковая обработка расплавленного ме талла до начала литья сама по себе уже создает условия получения качественной отливки.
Что же может дать ультразвуковая обработка за твердевающего в форме металла? Рассмотрим в качестве примера процесс формирования сложной фасонной от ливки из алюминиевого сплава. Выберем для этого фа сонную отливку турбинного колеса — одну из важней ших деталей турбохолодильника — агрегата, который по ставляет охлажденный воздух в герметичную кабину са молета. Чтобы такой агрегат хорошо работал, его тур бинное колесо (рис. 19) должно вращаться со скоростью свыше 50000 об/мин. Это означает, что удельная проч ность материала такого колеса, т. е. отношение предела текучести к плотности, должна быть очень высокой. Для выполнения этого условия материал отливки надо выби рать среди легких и прочных сплавов, например сплавов на основе алюминия.
С другой стороны, сама форма турбинного колеса (резкие переходы от толстых к тонким сечениям, тонкие лопатки сложного профиля, закрытые отлитым заодно с колесом окружным венцом) и другие особенности отлив ки ограничивают возможности выбора способа литья.
Пожалуй, только путем точного литья в керамичес кие гипсо-асбестовые формы можно удовлетворительно
53
медленном затвердевании фасонной отливке грозит и опасность развития газовых пор1, так как при затвер девании растворимость газа снижается, а длительный процесс кристаллизации позволяет сформироваться до вольно крупным газовым пузырям.
Чтобы избежать этой опасности, применяют способ литья в автоклаве при наложении внешнего давления, предложенный в 1936 г. А. А. Бочваром и А. Г. Спасским. Приложение давления к кристаллизующемуся металлу препятствует снижению растворимости газа во время ох лаждения расплава. Одновременно с уменьшением пори стости приложение давления несколько улучшает меха нические свойства отливок. Происходит это за счет того, что под действием давления кристаллизующийся металл прижимается к стенкам формы и тем самым отвод тепла от отливки в форме увеличивается. Однако этим спосо бом все-таки нельзя повысить прочность турбинного ко леса. Если предел прочности сплава АЛ40, применяемо го для литья турбинных колес, определенный на образ цах, вырезанных непосредственно из тела отливки, полу ченной без наложения давления, составляет 24,0 кГ/мм2, то после литья в автоклаве предел прочности повышает ся всего до 26 кГ1мм2.
Совсем другой результат получается при использова нии в процессе литья ультразвука. Предел прочности то го же сплава повышается до 33 кГ/мм2. т. е. почти на
40%.
О положительном влиянии движения в кристаллизу ющемся металле на его структуру и свойства известно еще со времен Д. К. Чернова, который в 1861 г. опубли
1 При тщательной дегазации расплава до процесса литья, в част ности при ультразвуковой дегазации, опасность заражения газовыми порами резко снижается.
55
ковал результаты своих опытов по литью стволов орудии с сообщением затвердевающему металлу колебаний. Од нако Д. К. Чернов сообщал отливке низкочастотную виб рацию, обработка же кристаллизующегося металла ультразвуком позволяет получить новые физические яв ления в металле и вследствие этого более ощутимые ре зультаты.
Изучение процесса кристаллизации турбинной отлив ки под действием ультразвука позволило заметить, что указанное выше упрочнение имеет место лишь при соче тании ультразвуковой обработки с затвердеванием в ав токлаве, т. е. при совмещении действия ультразвука с действием внешнего давления. Без наложения давления действие ультразвука оказалось несколько меньшим: предел прочности повысился до 29 кГ/мм2, т. е. на 20%.
Различным было и измельчение структуры: ультра звуковая обработка измельчила зерно отливки в 10 раз, комбинированная обработка с давлением — в 100 раз.
Дальнейшее изучение процесса формирования струк туры отливок показало, что на получаемые результаты большое влияние оказывает «предыстория» металла от ливки. Обработанный ультразвуком расплав при вторич ной обработке в процессе затвердевания позволяет полу чить еще большее измельчение структуры и более высо
кие механические свойства.
На рис. 20 показано влияние различных вариантов плавки и литья с применением обработки ультразвуком на измельчение структуры турбинного колеса, отлитого из алюминия чистотой 99,99% с добавкой 0,16% цирко ния. Отчетливо видна эффективность действия ультра звука на расплавленный металл и на процесс кристалли зации. Механизм измельчения иод действием ультразву ковой обработки расплавленного металла мы обсуждали
й предыдущей главе й пришли к выводу, что ультразвук способствует активному зарождению центров кристал лизации в виде химических соединений алюминия с мо дификатором.
Во втором случае ультразвук действует в изменяю щихся температурных условиях (металл кристаллизует ся) и формирование структуры осложняется действием статического давления. Почему присутствие модифика тора может повлиять на эффективность ультразвуковой обработки кристаллизующегося металла и каков вообще механизм измельчения структуры и повышения механи ческих свойств отливок при наложении ультразвукового поля?
Проведено уже наверное несколько сотен исследова ний процесс кристаллизации в ультразвуковом поле не только на различных металлах и сплавах, но и на про зрачных моделях органических и неорганических ве ществ.
Большинство исследователей склоняются к мнению, что наиболее существенный вклад в процесс измельчения структуры кристаллизующегося вещества (чистый ме талл, сплав) оказывает развивающаяся в кристаллизую щемся веществе кавитация. А раз так, то нужно исполь зовать низкие частоты (10—30 кгц), на которых кавита ция развивается более эффективно, чем на высоких
(100—1000 кгц).
Действительно, если каким-либо образом удается ос лабить развитие кавитации, например наложением на кристаллизующийся в поле ультразвука металл внешне го давления, значительно превышающего звуковое дав ление, то эффект измельчения тут же падает. Если же звуковое давление соизмеримо или превышает внешнее давление, кавитация усиливается. В этом случае внеш
58
нее статическое давление резко уменьшает продолжи тельность захлопывания кавитационных пузырьков и повышает интенсивность возникающих при этом ударных
волн. |
обнаружили в 1951 г. |
Е. Непайрас и |
Это явление |
||
В. Нолтинг [4] |
и подробно исследовали |
Б. А. Агранат, |
В. И. Башкиров и Ю. И. Китайгородский [5] (см. под робнее в гл. VI).
Очевидно, действие внешнего давления при кристал лизации металла в поле ультразвука увеличивает эффек тивность кавитации, что незамедлительно сказывается на измельчении структуры и росте механических свойств отливок. Кавитация может действовать в двух направле ниях. С одной стороны, ее действие заключается в увели чении числа центров кристаллизации на кавитирующих
пузырьках, а с другой |
— под действием ударных волн |
происходит разрушение |
растущих кристаллов. |
Кроме того, в расплаве вблизи кавитационных пу зырьков (после их захлопывания) образуются потоки жидкости, которые могут препятствовать росту кристал лов, смывая с их граней молекулы кристаллизующейся жидкости.
Хотя все это как будто бы подтверждает неоспоримое участие кавитации в механизме измельчения, можно вы двинуть и другие, не менее объективные объяснения ро ли ультразвука в процессе кристаллизации.
К ним относится, например, изменение сил вязкого трения кристаллов о жидкий металл, которые растут пропорционально колебательной скорости потока жидко сти. Под действием этих сил, во-первых, может произой ти разрушение кристаллов с дендритным строением; вовторых, колебательное давление, соизмеримое с силами поверхностного натяжения на границе расплав — крис
59