ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 48
Скачиваний: 1
талл, уменьшает энергию образования кристаллического зародыша. Особо следует подчеркнуть при затвердева нии металлов и сплавов под действием ультразвука роль всякого рода примесей и модификаторов. Они образуют с основным металлом химические соединения (интерметаллиды), которые служат дополнительными центрами (зародышами) кавитации и кристаллизации.
Такой механизм действия ультразвука на первично кристаллизующуюся фазу можно легко наблюдать под микроскопом, если на предметный столик поместить кап лю перегретого раствора обычного нашатыря и возбу дить в этой капле ультразвуковые колебания.
На рис. 21 представлен ряд последовательных микро фотографий процесса кристаллизации перегретого рас твора нашатыря.
При спокойном затвердевании кристаллики нашаты ря растут с поверхности раздела (стенок) в виде раз ветвленных дендритов. При действии ультразвука уже через 1—2 сек вся прозрачная до этого жидкость мутне ет, причем во всем объеме капли появляется громадное количество маленьких хорошо ограненных кристалликов почти равного размера.
Этот опыт наглядно показывает влияние ультразвука на процесс кристаллизации из расплава какой-либо фазы.
Если это расплав с модификаторами, то ультразвук влияет на процесс кристаллизации химического соедине ния модификатора с основным металлом. Создавая гро мадное количество дополнительных центров кристалли зации, ультразвуковая обработка измельчает структуру отливки и повышает ее механические свойства.
Итак, вооружившись ультразвуковым методом обра ботки затвердевающей отливки, можно повысить проч-
60
Рис. 22. Диаграмма изменения механических свойств алюминиевого сплава АЛ40 при измерении на отдель
но отлитых |
образцах (а) |
и |
вырезанных |
из |
от |
|||
ливки (б); |
1 — литье |
в кокиль; |
2 — литье в |
землю: |
||||
3 — точное литье |
в |
гипсо-асбестовую |
форму; |
4 — |
||||
ультразвуковая |
обработка |
расплава; |
5 — ультразву |
ковая обработка расплава и точное литье с кристал лизацией под давлением в поле ультразвука
ность выбранного для литья этой детали сплава. Прак тика фасонного литья алюминиевых сплавов с ультра звуком показала, что степень упрочнения под действием ультразвука зависит от скорости охлаждения отливки (длительности существования твердо-жидкого состоя ния) и присутствия в составе сплава модификатора.
На рис. 22 представлена диаграмма упрочнения за счет ультразвуковой обработки сплава АЛ40 для упомя
62
нутого выше турбинного колеса. Показанные на Диа грамме результаты не исчерпывают возможностей ульт развука в фасонном литье. Ультразвуковой метод воз действия на кристаллизующийся металл позволяет соз давать новый тип сложных отливок — высокопрочное ар мированное литье. Вернемся снова к нашему примеру. Для надежной работы турбинного колеса из алюминие вого сплава необходимо каким-либо образом воспрепят ствовать процессу течения материала колеса при значи тельных центробежных нагрузках. Это можно осущест вить, если большую часть нагрузки примет на себя спе циально вмонтированная в тело отливки арматура из вы сокопрочного титана. Чтобы такая арматура составляла единое целое с остальной частью отливки, требуется соз дать хороший молекулярный контакт между отливкой из алюминиевого сплава и арматурой из титана. Такой контакт, как видно из фотографии (рис. 23) разрушенно го литого армированного турбинного колеса, создать удается.
Показанная на фотографии арматура (рис. 23,6) пе ред установкой в форму для заливки металлом проходит операцию алитирования (нанесение покрытия из мате риала отливки). Прочно и быстро покрыть титан диффу зионным слоем алюминия можно лишь в поле ультразву ка. Дело в том, что алитирование титана в отсутствие ультразвукового воздействия длится часами, при этом в пограничном слое вырастают хрупкие интерметаллидные фазы, ослабляющие покрытие. Ультразвуковая обработ ка уже в течение 1—5 мин позволяет получить прочное диффузионное покрытие без хрупких интерметаллидов. Дальнейшее изготовление армированной отливки осу ществляется также с применением ультразвука, так как для создания контакта между металлом покрытия и рас плавом отливки, чтобы получить однородную отливку,
63
Давно уже заметили, что воздействие упругих ко* лебаний на вязкую среду (в том числе н на кристаллизу ющийся расплав) увеличивает ее текучесть, что дает воз можность получить более тонкую форму отливки.
Это явление обнаружено и при ультразвуковом воз действии на процесс кристаллизации сложных фасонных отливок.
Что же при этом происходит?
При соприкосновении жидкого металла с поверхнос тью литейной формы расплав может либо смачивать форму, либо не смачивать ее.
Как показывает опыт, поверхностное натяжение на границе расплав—-форма может существенно умень шиться, если в жидкости возбуждаются мощные ультра звуковые колебания. Снижение поверхностного натяже ния происходит, вероятно, за счет уменьшения «трения» колеблющейся жидкости о смачиваемое твердое тело.
В промышленности это действие ультразвука широко используется при металлизации керамики в расплаве в пайке. При возбуждении в расплавленном припое ульт развуковых колебаний легко образовать прочное метал лическое покрытие даже на таких несмачиваемых в обычных условиях материалах, как графит, кварц и др.
Итак, ультразвуковое воздействие на кристаллизую щуюся отливку может привести к смачиванию распла вом материала формы и тем самым улучшению заполне ния тонких сечений металлом.
Повышение жидкотекучести при смачивании легко показать с помощью несложного опыта. Если залить во дой сообщающиеся сосуды и в сосуд с большим диамет ром опустить колеблющийся с ультразвуковой частотой стержень, можно получить приращение разности уров ней в сосудах на 50%. Наблюдения позволяют отметить, что заполнение тонкого конца капилляра происходит
3 Зак. 587 |
65 |
под ультразвуковым воздействием быстрее, чем в отсут ствие ультразвука. При заполнении капилляра жидко стью в мощном ультразвуковом поле в ней развивается кавитация.
Захлопнувшаяся кавитационная полость, как показа ла ускоренная киносъемка в исследованиях Б. А. Аграната и В. И. Башкирова [5], инициирует импульс удар ной волны, который как бы «выталкивает» воздух из ка пилляра, давая простор для заполнения канала жидко стью.
Возвращаясь к процессу формирования литого тур бинного колеса, можно отметить, что сложный профиль его лопатки с выходной кромкой лопатки в 0,1 мм мож но получить в специальной гипсо-асбестовой форме с высокой газопроницаемостью либо при создании внутри формы пониженного давления и литье методом вакуум ного всасывания, либо путем создания избыточного дав ления на расплав, поступающий в форму. При малей шем изменении состава гипсо-асбестовой смеси и пони жении ее газопроницаемости заполнить лопатки метал лом не удается.
Ультразвуковое воздействие на процесс затвердева ния сложных отливок позволяет осуществить заполне ние лопаток при любой газопроницаемости формы.
В заключение этой главы покажем, как можно кон структивно оформлять процессы литья в ультразвуковом поле.
На рис. 24 а, б и в приведено несколько возможных схем точного литья с ультразвуком — литье мето дом вакуумного всасывания и литье в автоклаве под повышенным давлением.
Общим в приведенных схемах литья с ультразвуком является создание условий акустического контакта меж-
66
Подача I жидкого * металла
Рис. 24. Конструктивные |
схемы |
||
установок для фасонного |
литья |
||
а, |
с ультразвуком: |
|
|
б — литье методом вакуумно |
|||
го |
всасывания; |
в — литье с |
кристаллизацией под давлением
в |
67 |
ду массивной частью тела отливки и излучателем ульт развука.
В каждом конкретном случае литье может осуществ ляться по одной из приведенных схем. Для фасонных деталей предпочтительнее применение комбинирован ных методов литья. Так, например, знакомую нам от ливку турбинного колеса получают в производстве ком бинированных методов литья. Так, например, знакомую нам отливку турбинного колеса получают в производ стве методом комбинированного ультразвукового литья в автоклаве.
ГЛАВА IV
Л И Т Ь Е с л и т к о в С У Л Ь Т Р А З В У К О В О Й О Б Р А Б О Т К О Й
Прокатанный лист и прессованный профиль, кованая или штампованная деталь и другие деформированные по луфабрикаты получают из слитков определенной формы.
Обычно слитки металлов изготовляют методом не прерывного или полунепрерывного литья, когда процесс литья расплавленного металла и формирование слитка происходят одновременно и непрерывно в течение дли тельного отрезка времени (от нескольких минут до не скольких часов).
Метод непрерывного литья слитков — наиболее про грессивный технологический процесс, и в настоящее вре мя слитки большинства технических металлов и спла вов получают именно этим методом. Конечно, условия литья различны для различных металлов. Если процесс непрерывного литья алюминия и его сплавов происхо дит на воздухе, а литье магния и его сплавов осуществ ляют в среде защитного газа, то литье тугоплавких ме таллов и сплавов (титан, ниобий, молибден и др.) ведут в вакууме или в инертной атмосфере.
Глубокое изучение закономерностей формирования слитков, изготовляемых методом непрерывного литья, позволило советским ученым В. И. Добаткину, В. А. Ли-
69
Панову и др. [19] заложить металлургические основы
непрерывного литья цветных металлов.
Одной из основных закономерностей непрерывного литья является глубокая связь между скоростью крис таллизации и размерами и формой лунки (жидкая часть кристаллизующегося слитка).
При формировании слитка методом непрерывного литья в водоохлаждаемый кристаллизатор граница меж ду лункой и фронтом кристаллизации (поверхностью лунки) сохраняется постоянной при определенных значе ниях скорости литья и сечения слитка. У чистых метал лов и однофазных сплавов, интервал кристаллизации ко торых близок к нулю, переходной зоны между фронтом кристаллизации и твердой частью слитка нет. Сложные сплавы при литье образуют относительно большую пере ходную зону, величина которой тем больше, чем шире температурный интервал кристаллизации.
Формирование структуры слитка происходит глав ным образом в переходной зоне, хотя возникновение центров кристаллизации возможно также и в объеме лунки. Большая скорость охлаждения позволяет при кристаллизации, как правило, получать в слитке мел кую структуру, однако в слитках больших сечений, ког да трудно обеспечить равномерный отвод тепла по все му объему затвердевающего металла, возникает опас ность получения грубой крупнозернистой структуры.
Вероятность образования грубой структуры увеличи вается и при переходе к тугоплавким металлам и спла вам, процесс плавления которых требует огромных за трат тепла, а отвод тепла ограничивается теплопровод ностью охлаждающей кристаллизатор воды.
При литье легированных сплавов возникает другая опасность. В процессе их затвердевания первыми крис таллизуются интерметаллидные соединения, причем они
70
зарождаются по пути к кристаллизатору или в лунКе слитка и вырастают в грубой дендритной форме, сни жая пластичность литого металла.
Хотя скорость отвода тепла от кристаллизующегося слитка является основным фактором, определяющим его структуру, немаловажное значение для формирова ния строения слитка (плотности и газосодержания, хи мической однородности и т. д.) имеют также два дру гих фактора: условия питания жидким металлом фрон та кристаллизации, а также движение и давление рас плава вблизи поверхности кристаллизации.
Поскольку в технических металлах и сплавах всегда имеются примеси, движение расплава в объеме лунки может содействовать активации примесей и равномер ному их распределению в объеме слитка.
Проблема улучшения структуры слитка может быть решена либо металлургическими способами — введени ем в состав сплавов модификаторов, либо физическими
способами — созданием |
в расплавленном |
металле дви |
|
жения. |
физических способов, обеспечи |
||
Одним из лучших |
|||
вающим формирование |
слитка с равномерной |
измель |
|
ченной структурой, является создание |
вблизи |
фронта |
кристаллизации и в объеме лунки интенсивных ультра звуковых колебаний.
В зависимости от способа литья слитка и типа спла вов могут использоваться различные схемы возбужде ния ультразвука в слитке. При литье слитков из алюми ниевых, магниевых, медных и других сплавов, когда рас плавленный металл из печи попадает в кристаллизатор, установленный в машине непрерывного литья, ультра звуковые -колебания обычно подают сверху в лунку кристаллизатора через жидкую фазу (рис. 25, а). При вакуумном дуговом или электрошлаковом переплаве, а
71