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

Модифицирование металлов и сплавов изменяет их структуру и механические свойства. Ультразвуковая обра­ ботка в процессе дегазации приводит к повышению механи­ ческих свойств металлов и сплавов. Например, дегазация расплава АЛ40 под действием ультразвука перед разлив­ кой повышает предел прочности до 300 кгс/мм2 и предел текучести до 29 кгс/мм2. Повышение механической проч­ ности имеет большое значение при отливке таких деталей, как сопла, диски' роторов и вентиляторов авиационной теплотехники. Модифицирование в ультразвуковом поле оказывает большое влияние на механические свойства отдельно отлитых образцов в песчаную форму, чем содер­ жание газа. Кристаллизация сплава с тем же количеством модификатора, но введенным из лигатуры, не позволяет достичь того же предела прочности, который можно по­ лучить при обработке ультразвуком [179].

Первые исследования процесса дегазации алюминия с применением ультразвука проводились с помощью электродинамических преобразователей, работающих на частоте 10 кГц. При этом эффективность обработки была недостаточной не столько из-за низкой частоты ультра­ звуковых колебаний, сколько главным образом из-за того, что при использовании электродинамических преоб­ разователей трудно ввести в расплав упругие колебания большой интенсивности. Поэтому избран другой принцип возбуждения ультразвука в расплаве — магнитострикционный. Для питания магнитострикционных преобразо­ вателей использовали ультразвуковые ламповые генера­ торы типа УЗГ.

Магнитострикционный преобразователь типа ПМС со­ стоит из двигателя, набранного из штампованных пермендюровых пластин толщиной 0,2 мм и волноводной системы, представляющей собой следующее. К преобразователю припаян концентратор (трансформатор колебаний), ко­ торый имеет резьбовое отверстие для крепления излуча­ теля (инструмента). Излучатель-инструмент своим излу­ чающим торцом непосредственно передает ультразвуко­ вые колебания в расплавленный металл. Материалом для инструмента может служить сплав на основе титана и ниобия, а также плавленый кварц. Преобразователь по­

254

бирается размерами инструмента. Во время обработки жидкого металла в результате нагрева инструмента и его даже незначительного износа резонанс нарушается, что приводит к необходимости подстройки генератора. Совре­ менные ультразвуковые генераторы оснащены устройством автоматической подстройки частоты (АПЧ), которые поз­ воляют вести обработку в оптимальном режиме без оста­ новки процесса.

Разработано несколько типов ультразвуковых дега­ заторов: УЗД-100; УЗД-200М; УЗД-ЗОО, которые позво­ лили внедрить процесс дегазации сплавов на ряде заво­ дов страны.

Ультразвуковой дегазатор УЗД-100 предназначен для дегазации алюминиевых сплавов в печи емкостью 150— 200 кг. Он выполнен в двух вариантах: с передвижением по полу цеха (на тележке) и по монорельсу (подвесной). Дегазатор УЗД-100 рассчитан для работы с генератором УЗГ-10У и может эксплуатироваться в радиусе до 20 м от генератора. Магнитострикционная (рабочая) головка дегазатора содержит четыре включенных параллельно преобразователя ПМС-7А с обратной акустической связью, обеспечивающей автоматическую подстройку генератора на резонансную частоту. Для достижения равномерного износа инструмента предусмотрено поочередное включе­ ние в цепь сетки генераторной лампы обмоток обратной связи преобразователей. В каждый определенный момент времени на сетку поступают сигналы от одного из преобра-. зователей, а остальные работают на его резонансной ча­ стоте. Через 15—20 с механическое реле времени, приво­ димое в движение электромотором, включает в сеточную цепь обмотки акустической обратной связи следующий по очереди преобразователь. Следовательно, в течение всего периода работы дегазатора преобразователи нахо­ дятся в оптимальном по частоте режиме равные проме­ жутки времени, в результате чего избирательное разруше­ ние отдельных излучателей ослабляется или устраняется совсем.

Магнитострикционная головка подвесного дегазатора передвигается по монорельсу при помощи электротельфера. Магнитострикционные преобразователи непрерывно омы­ ваются водой. Для передачи на головку электропитания и водоснабжения служит троллейная система. Управле­ ние перемещением головки от одной печи к другой, опу­ скание и подъем головки, а также включение и выключе-

255

ние ультразвуковых колебаний производится при помощи кнопочного блока. В системе водоснабжения дегазатора и генератора имеется напорный насос с электроконтактным манометром, обеспечивающим постоянное давление воды.

Техническая характеристика дегазатора УЗД-100 приведена в табл. 22.

Наибольшее применение получил ультразвуковой промышленный дегазатор УЗД-200М. Он предназначен для дегазации алюминиево-магниевых расплавов в тигле или подогреваемом ковше емкостью 50—250 кг. Головка дегазатора состоит из четырех магнитострикционных преобразователей типа ПМС-І5А18 с обратной акусти­ ческой связью, помещенных в водоохлаждаемый бачок. Колебания в расплаве передаются через титановые вол­ новоды, соединяющиеся с преобразователями резьбо­ выми соединениями. В дегазаторе предусмотрена автома­ тическая подстройка частоты преобразователей, обеспе­ чивающая равномерный износ излучателей. Кроме того, для достижения равномерного износа излучателей пре­ дусмотрено поочередное включение обмоток обратной связи преобразователей в цепь сетки генераторной лампы. Дегазатор обслуживает печи, расположенные на расстоя-

256

нии до 15 м от генератора. В отличие от существующих оте­ чественных образцов дегазатор УЗД-200М подключается к генератору с помощью штепсельных электрических разъемов, помещенных в специальные колонки, которые устанавливаются около печей. Питается дегазатор от ге­ нератора УЗГ-10У или близкого к нему по характеристике и перестроенному по схеме с обратной акустической связью. Техническая характеристика дегазатора УЗД-200М приведена в табл. 22.

При увеличении массы плавки до 350 кг число одно­ временно работающих преобразователей увеличивается до восьми, чтобы довести уровень излучаемой акусти­ ческой мощности до 3—4 кВт, т. е. из расчета 6—8 Вт/кг. Поэтому промышленный переносный дегазатор УЗД-300 выполнен на восьми преобразователях типа ПМС-15А. Во время работы дегазатор устанавливается на кожухе печи над тиглем с жидким металлом. Опускание волно­ вода до касания с поверхностью расплава производится вращением маховика. Электропитание и вода к дегаза­ тору подводятся с помощью специальных штепсельных разъемов, розетки которых расположены около печей. Все розетки подключены параллельно к одному генера­ тору УЗГ-10У. Управление дегазатором сосредоточено в отдельном пульте, где имеется также реле времени и переключатели, производящие включение обмоток АОС. Производительность дегазатора равна 450 кг/ч. В резуль­ тате дегазации содержание водорода в металле снижается до 0,1 см3 на 100 г.

Техническая характеристика дегазатора УЗД-300 при­ ведена в табл. 22.

В Советском Союзе разработан технологический про­ цесс ультразвуковой обработки алюминиевых сплавов, а также создана целая серия ультразвуковых установок для осуществления этой технологии. В результате про­ веденного широкого внедрения ультразвукового дегаза­ тора УЗД-200М отработаны оптимальные режимы обра­ ботки расплавов ультразвуком, а также условия полу­ чения высококачественных отливок из алюминиевых сплавов с минимальным содержанием газов. Таким обра­

вближайшие годы должна занять одно из ведущих мест

впроизводстве фасонного литья из алюминиевых сплавов

[104].

257

Кристаллизация металлов и сплавов

Кристаллизация металлов является одним из процессов, во многом определяющим качество готовых деталей, осо­ бенно таких, которые получают методом литья. Образую­ щаяся при затвердевании структура отливки определяет ее механические свойства. Процесс кристаллизации на­ чинается с возникновения в жидкой фазе небольших объемов твердой фазы (центров кристаллизации) и после­ дующего их роста. Кинетику фазового превращения можно оценить следующими параметрами: числом центров, кри­ сталлизацией, возникающих в единице объема за единицу времени п, и линейной скоростью роста кристаллов ѵ. Чем больше скорость зарождения центров кристалли­ зации и чем меньше скорость их роста, тем более мелкими получаются зерна. Зависимость числа зерен Z от величины кристаллизационных параметров можно выразить форму­ лой [1 ].

жидкой фазы, а также на посторонних твердых частицах (нерастворимых примесях), случайно присутствующих в жидкости.

Для улучшения качества металла в процессе кристал­ лизации может быть эффективно использован ультразвук. В Институте Металловедения и Физики металлов ЦНИИЧермета проведены работы по изучению воздействия ультразвуковых колебаний на процесс кристаллизации; по разработке методов введения ультразвука в кристал­ лизующийся металл и технологии ультразвуковой обра­ ботки сталей и сплавов; по исследованию влияния ультра­ звука на структуру и свойства различных сталей и спла­ вов и выявлению технологической целесообразности их обработки. Проведенные работы показали, что ультра­ звуковая обработки кристаллизующегося металла яв­ ляется одним из перспективных методов улучшения струк­ туры свойства сплавов. В промышленности этот метод может быть реализован при непрерывной разливке и при вакуумной дуговой и электрошлаковой переплавках.

258

Ультразвуковые колебания оказывают благоприятное воздействие на процесс кристаллизации металлов и спла­ вов. При этом существенно изменяется структура слитка, в результате чего улучшаются механические и техноло­ гические свойства. Поэтому в металлургии начали при­ менять ультразвуковые колебания для управления про­ цессом кристаллизации и создания дисперсной литой структуры, так как на кристаллизующийся расплав накладывается ряд физических воздействий, способствую­ щих измельчению литой структуры. При ультразвуковой обработке расплавов в состоянии кристаллизации насту­ пает измельчение зерна и структура отливки получается равномерной. Ультразвуковые колебания изменяют структуру первичной кристаллизации, что имеет большое значение для получения материалов с улучшенными физи­ ко-химическими характеристиками. Помимо измельчения кристаллического зерна при помощи ультразвука можно создавать в кристалле зонарную структуру, изменять и сводить к минимуму зону столбчатых кристаллов и т. д. В некоторых случаях наложение ультразвуковых коле­ баний способствует росту монокристаллов. Кроме того, при больших интенсивностях ультразвука возникают кавитационные явления, которые способствуют дегаза­ ции расплава и разрушению кристаллических зародышей, что ведет к резкому увеличению числа центров. Ультра­ звуковая кавитация может привести и к местному пере­ охлаждению, в результате чего происходит отделение от кристаллизующегося расплава мельчайших кристалли­ ков, которые, рассеиваясь, становятся в металле новыми центрами кристаллизации. Механические свойства от­ ливок, обработанных ультразвуком в процессе кристал­ лизации, значительно повышаются (растет прочность, увеличивается твердость). Так, например, предел проч­ ности на растяжение отливки сплава АЛ20, обработан­ ной ультразвуком, увеличивается на 25—27%.

Степень изменения структуры у разных материалов различна, например, структура стали Х27, Х25Н20, сплава магнико изменяется при введении в расплав незна­ чительной мощности, а для изменения структуры стали Х18Н9, Р18, 9ХС необходима гораздо большая мощность. Следовательно, сплавы обладают различной ультразву­ ковой обрабатываемостью, которая определяется двумя

259