Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

метода дегазации определяется скоростью выделения газа в металле и различными побочными эффектами (загрязне­ нием металла примесями и др.).

Дегазирующее действие ультразвуковых колебаний на расплавы заключается в том, что развитие кавитации приводит к образованию значительного количества за­ родышей газовой фазы, которые под действием ультра­ звука коагулируют, а затем поднимаются на поверх­ ность расплавленного металла. Образование пузырьков газа начинается с возникновения их зародышей, которые не возникают самопроизвольно, а как правило, образуются на поверхностях твердых частиц примесей. Зародыши га­ зовых пузырьков растут вследствие диффузии в них атомов водорода. При этом рост пузырьков ускоряется только при уменьшении растворимости водорода, например, при затвердевании металла. Газовый пузырек растет до тех пор, пока не всплывет на поверхность металла. Скорость всплывания газового пузырька обратно пропорциональна вязкости расплава, поэтому удаление газовых пузырьков затруднено, что и приводит к пористости. Скорость всплы­ вания газового пузырька определенного размера можно определить из соотношения

Ри = Рат + Рг + Р»,

где рп — парциональное давление пузырька; раг — давле­ ние окружающей атмосферы; рг — гидростатическое дав­ ление столба жидкого металла над пузырьком; рн — давле­ ние от сил поверхностного натяжения.

Таким образом, механизм дегазации в ультразвуковом поле может быть обоснован тремя факторами; создание микроскопических газовых зародышей в полупериод раз­ ряжения в результате диффузии атомов растворенного

врасплавленном металле газа в кавитационные полости; коагуляция мельчайших пузырьков в более крупные за счет гидродинамики колебательного движения; всплытие крупных газовых пузырьков на поверхность жидкого металла [180].

Развитие процесса кавитации в расплавленном алюми­ нии в интенсивном ультразвуковом поле зависит от со­ держания в жидком металле окисных включений и содер­ жания водорода. Развиваясь на дисперсных включениях окиси алюминия, кавитационные полости перерождаются

вмакрогазовые пузырьки водорода путем диффузии из раствора в полость. Для определения влияния дисперсных

250

шум; 4 — ультразву­ ковой преобразова­ тель; 5 — ультразву­ ковой инструмент; 6—исследуемая жид­ кость; 7 — аспиратор

твердых частиц на развитие кавитации поставлены специальные опыты на воде (рис. 85) в расплавах алюминия и его сплавов. В качестве твердой примеси применялся порошок окиси алюминия с размером частиц 5— 10 мкм. В сосуд заливали воду (дистиллированную, водопровод­ ную или газированную). Через отверстие в пробке 2 герметично пропускали ультразвуковой инструмент 5, передающий колебания в обрабатываемую жидкость. Выделяющийся из воды газ по трубке отводили в аспи­ ратор 7, по скорости заполнения которого можно судить об интенсивности процесса дегазации. Опыты показали, что до момента развития кавитации процесс дегазации идет только в газированной воде, при этом он тем интен­ сивнее, чем больше в воде газа.

На эффективность дегазации и прежде всего на ее продолжительность оказывает значительное воздействие интенсивность ультразвуковых колебаний. Так, при обра­ ботке 10 кг расплава ультразвуковым ниобиевым преобра­ зователем мощностью 8, 15, 25 Вт/см2, длительность дега­ зации составляла соответственно 25, 16 и 10 мин (1791. Длительность дегазации зависит не только от мощности ультразвуковых колебаний вводимых в жидкий металл, но и от других причин. В начальной стадии процесса (пер­ вые минуты) происходит коагуляция и выход на поверх­ ность газовых пузырьков, которые находятся в расплаве к началу дегазации. Они затрудняют распространение ультразвуковых колебаний по всему объему металла, так как поглощают энергию ультразвука. Следовательно, для того чтобы выделить основную массу газа, находя­ щуюся в растворенном состоянии, необходимо определен­ ное время, которое затрачивается на образование мель­ чайших пузырьков водорода и на рост их до размеров,

251

позволяющих всплыть на поверхность расплавленного металла. Удлинение времени дегазации в зависимости от исходного количества газа объясняется не только увеличением объема газа в расплаве, но и постепенностью удаления газа из жидкого металла. Сначала дегазируются верхние слои расплава, а затем средние и нижние. Это происходит из-за отражения звука в верхних слоях рас­ плава от газовых пузырьков, всплывающих на поверх­ ность.

С повышением температуры растворимость водорода в алюминии и его сплавах резко возрастает. Дегазация при этом будет происходить интенсивнее, если газ не будет вновь растворяться и его убыль при выделении будет больше, чем его приток при растворении. Ультразвуко­ вую обработку жидкого металла целесообразно проводить при температуре 720—760° С, когда расплав имеет неболь­ шую вязкость. При повышении температуры более 760° С

действием ультразвуковых колебаний зависит от их частоты. Долгое время считали возможным использовать для дегазации только низкие ультразвуковые частоты (20—30 кГц), соответствующие резонансным частотам, находящимся в расплаве пузырьков воздуха. Однако пузырьки воздуха в воде распределяются таким образом, что их максимум располагается в районе пузырьков очень малых размеров с резонансными частотами в пределах мегагерц. Используя высокие ультразвуковые частоты, можно увеличить число активных пузырьков, участвующих в извлечении растворенного газа, а следовательно, повысить эффективность дегазации. Однако при выборе частоты дегазации следует учитывать тот факт, что с повышением частоты колебаний увеличиваются потери энергии, что особенно заметно при работе с вязкими жидкостями [68].

При дегазации алюминиевых сплавов помимо таких факторов, как интенсивность колебаний, температура расплава, вязкость, и др., важная роль принадлежит материалу инструмента, через который передаются ультра­ звуковые колебания в расплав. Передача ультразвуковых колебаний в жидкий металл связана с непосредственным контактом излучателя ультразвука с расплавом. Возни­ кающая частичная эрозия излучателя способствует насы­ щению расплава продуктами взаимодействия материала

252

излучателя с расплавом. Подбирая материал излучателя, можно управлять процессом модифицирования расплава в ультразвуковом поле.

Титан, стоящий в одном ряду с цирконием, танталом, ниобием и другими элементами этой группы, является эффективным гидридообразующим элементом, 100 г кото­

связать весь водород, находящийся в алюминиевом рас­ плаве, в прочное химическое соединение достаточно ввести 0,005% титана при температуре 750° С. Одновременно с образованием гидридов при введении титана в алюми­ ниевые сплавы в них образуются интерметаллиды, которые в зоне действия ультразвука значительно измельчаются и остаются в закристаллизировавшемся металле в более дисперсном виде, чем при вводе титана без помощи ультра­ звука (например, в виде лигатуры). Кроме того, действие ультразвука сказывается на более равномерном распре­ делении компонентов в сплаве, улучшении жидкотеку­ чести сплава. При ультразвуковой дегазации материал волновода разносится по объему ванны в виде дисперсных частиц, и реакции образования гидридов и интерметаллидов идут одновременно. Полная дегазация сопровождается обогащением титана в расплаве в количестве 0,03—0,05%.

Роль материала инструмента в процессе ультразвуко­ вой дегазации проверили на чистом алюминии с помощью стального, молибденового и титанового инструмента. Обработкой 15 кг сплава при использовании инструмента из титана достигнута полная дегазация за несколько ми­ нут. Обработка молибденовым инструментом привела к незначительному снижению газонасыщенности, а исполь­ зование стального инструмента не дало никакого резуль­ тата. Экспериментальное изучение роли материала инстру­ мента при ультразвуковой дегазации алюминиевых спла­ вов позволило разработать новую волноводную систему с использованием в ней полностью расходуемого инстру­ мента из титана. Следовательно, при ультразвуковой дегазации алюминия и его сплавов с излучателями из титана структура обработанного ультразвуком металла модифицируется. Этот сопутствующий дегазации эффект рассматривается как эффект дополнительного улучшения качества литого металла, проявляющийся в виде измель­ чения структуры и увеличения механических свойств отливок из алюминиевых сплавов [177],

253