ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 111
Скачиваний: 1
процесс кристаллизации. В свою очередь, эффективность подведения ультразвуковых колебаний зависит от способа введения их в обрабатываемый расплав; опа будет тем выше, чем лучше акустический контакт между слитком
иизлучателем и чем меньше коэффициент затухания коле баний в обрабатываемом материале.
Степень воздействия ультразвуковых колебаний на процесс кристаллизации связана с механизмом влияния ультразвука и с величиной потерь ультразвуковой энер гии в металле. При этом степень и характер изменения свойств обработанных ультразвуком материалов оказы ваются неодинаковыми для различных металлов и сплавов, обладающих примерно одинаковой степенью ультразву ковой обрабатываемости. Сравнение структурных изме нений с определяемыми ими изменениями механических
итехнологических свойств обрабатываемых материалов позволяет установить технологическую эффективность ультразвуковой обработки различных металлов и спла вов 13].
Для измельчения зерна в слитках металла применяется ультразвуковая приставка к кристаллизатору. Она ра ботает совместно с водоохлаждаемым кристаллизатором. Ультразвуковая часть установки рассчитана на питание от генератора УЗГ-2,5. Источником ультразвуковых ко лебаний может служить магнитострикционный преобра зователь типа ПМС-15А. Ввод колебаний производится с помощью полуволнового водоохлаждаемого инстру мента при применении обратной акустической связи. Генератор автоматически настраивается на резонансную частоту, изменяющуюся по мере роста слитка. Приставка работает на частоте 18—22 кГц. Вес обрабатываемого слитка до 20 кг.
Термическая обработка металлов и сплавов
Ультразвук применяется и при обработке металлов и спла вов в твердом состоянии, что приводит к «разрыхлению» их структуры и к искусственному старению. Он оказывает сильное влияние на естественное и искусственное старе ние алюминиевых сплавов, продолжительность которого сокращается в десятки раз. Применение ультразвука ускоряет ход диффузионных процессов. Так, например,
азотизация, применяющаяся для поверхностного упроче ния легированных сталей, с помощью ультразвука уско ряется, так как азот быстрее диффузирует в разрыхлен ную структуру. Кроме того, разрыхление структуры мо жет привести к снятию внутренних напряжений в мате риале, а следовательно, и к искусственному старению. Проведенные исследования по влиянию ультразвука на естественное старение сплавов показали, что обработка ультразвуком при температуре 20° С в течение 5 ч по ре зультатам эквивалентна естественному старению в те чение 60 ч. При воздействии ультразвуковых колебаний и температуры нагрева процесс искусственного старения некоторых сплавов может быть ускорен в десятки раз. Исследования влияния ультразвуковых колебаний на искусственное старение технически чистого железа при температуре 100° С в течение 2 ч показали, что процесс старения ускоряется, а твердость остается почти неизмен ной по сравнению с исходным образцом.
Режим термической обработки ускоряется с интенсифи кацией диффузионных процессов, а нередко получаются качественно новые свойства металлов. Исследованиями установлено, что ультразвук улучшает физико-механи ческие, технологические и эксплуатационные свойства
металлов |
и сплавов и ускоряет процессы термической |
и химико-термической обработки. |
|
При |
закалке применение ультразвуковых колебаний |
повышает охлаждающую способность закалочной жидко сти, разрушает паровую рубашку, возникающую вокруг детали в воде при закалке, а также повышает механи ческие свойства и прокаливаемость стали. Установлено, что у всех сталей твердость под влиянием ультразвука повышается на 3—5 ед. по Роквеллу (шкала С). Ультра звуковое возбуждение закалочных сред эффективно не
только для сталей, |
но и для цветных сплавов. |
Так, |
напри |
|
мер, твердость бериллиевой бронзы при |
закалке |
ее |
||
с использованием |
ультразвука повысилась с |
36 |
до |
|
44HRC.
Результаты закалки с применением ультразвука за
висят от оптимального сочетания таких факторов, как частота, интенсивность, мощность ультразвука, способ вве дения ультразвуковых колебаний в испытуемые образцы, передающая колебания среда и ее объем, материал, размер
иформа образцов, расположение вибратора и др. Недостатками химико-термической обработки являются
261
длительность процессов, необходимость высокой темпера туры и недостаточная глубина диффузионного слоя. Поэтому способность ультразвука ускорять диффузион ные процессы, протекающие в металлах и сплавах в твер дом состоянии, может быть эффективно использована при химико-термической обработке. Например, в стали марки 12ХНЗА под влиянием ультразвука глубина диф фузионного слоя увеличивается в 2 раза. Для получения нужной глубины цементированного слоя или определен ного содержания углерода на поверхности детали дли тельность выдержки сокращается более чем в 2 раза. С увеличением интенсивности ультразвуковых колебаний эффективность цементации повышается. Так, при повы шении интенсивности ультразвука в 1,5 раза глубина цементированного слоя образцов железа Армко увеличи лась почти в 1,5 раза [138].
Взакаленной стали возникают внутренние напряжения
врезультате неравномерного остывания деталей и фазо вых превращений в металле, идущих с объемными изме нениями. Наличие же внутренних напряжений и их ре лаксация с течением времени приводит к изменению раз меров. Низкочастотная вибрация и ультразвуковые ко лебания могут эффективно понижать остаточные напряже ния. Процесс снятия напряжений под действием ультра звуковых колебаний происходит путем пластической раз рядки. При недостаточной пластичности металла эффект
будет менее значительным, поэтому целесообразно иметь температуру 150° С, которая обеспечит максимальный эффект от действия ультразвука. Наибольший эффект от применения ультразвука для снижения остаточных напряжений наблюдается при продолжительности обра ботки 20—30 мин [132].
Для определения твердости закаленных и цементи рованных сталей тоже можно использовать ультразвук. В этом случае применяют специальный пресс с вмонти рованным в него ультразвуковым излучателем между нажимным штоком пресса и шариком (интентором). Цикли ческую твердость определяют по отношению нагрузки к поверхности отпечатка, полученного при одновременном действии нагрузки и ультразвука. Измерение цикли ческой твердости позволяет заменить длительные и тру доемкие методы измерения предела усталости динами ческой характеристикой, определяемой одним испыта нием.
262
Повышение прочности и качества металлов и сплавов
Ультразвуковая обработка некоторых металлов повышает их твердость. Действие ультразвуковых колебаний при водит к накоплению неупругих искажений кристалли ческой решетки и нарушению межатомных связей. Цикли ческие напряжения активизируют дислокации, вызывают рост их концентрации. Эффективность ультразвуковой обработки зависит от времени озвучивания и амплитуды колебаний. Циклические напряжения активизируют дислокации, вызывают рост их концентрации, что на опре деленных этапах приводит к упрочнению металлов. В про цессе дальнейшего озвучивания происходит дробление зерен и изменение остаточных напряжений, что приводит к изменению механических свойств металлов, т. е. к не которому уменьшению прочности характеристик.
Проведенные исследования влияния ультразвука на твердость стали 40 и латуни ЛС59 [143] показали, что структура металла в результате действия ультразвука становится более мелкозернистой. Дробление зерна за висит от времени действия и амплитуды колебаний. При малой длительности озвучивания твердость стали увели чивается и при амплитуде 10 мкм достигает по Виккерсу НV 206, а при амплитуде 30 мкм НѴ 212. Наибольшее уве личение твердости по сравнению с исходным значением у стали равно 6,5%. У латуни наблюдалось уменьшение твердости независимо от времени обработки ультразвуком.
Ультразвуковым способом создан антифрикционный материал — сплав алюминия и свинца. Несмотря на то, что в сплаве свинца не более 1%, введенный обычными методами он сохраняет самостоятельность и не вступает
вхимические соединения. При введении ультразвуковых колебаний свинец равномерно распределяется по всему объему алюминия. Подшипники, изготовленные из та кого сплава, работают в 10 раз дольше обычных. Новый антифрикционный материал очень перспективен, особенно
вустройствах и агрегатах, где подшипники испытывают огромные нагрузки и где нужна высокая точность. А это значит, что при меньших объемах агрегатов и машин можно получить большую мощность, повысить их про
изводительность.
В последнее время созданы материалы, которые не нуждаются в смазке, это сочетание бронза—графит.
263
В обычных металлургических условиях они не смеши ваются. Применение ультразвука позволило соединить, казалось бы, полярные материалы. При этом сплав обла дает замечательными свойствами — он тверд и легко обра батывается. Этому оригинальному сплаву не нужна смазка, а детали из него работают на тепловозах в 10 раз дольше, чем углеграфитные уплотнения.
Ультразвуковые колебания благоприятно действуют и на структурные составляющие чугуна. Обработанный ультразвуком в жидком состоянии литейный чугун ста новится крепче, сопротивление разрыву возрастает более чем в 3 раза. Кроме того, после такой операции металл совершенно не поддается коррозии, по своей структуре обработанный чугун имеет свойства стали, а по некоторым данным даже превышает ее.
Перспективной областью применения ультразвука в технологических процессах является получение новых материалов из несплавляемых компонентов, так назы ваемых синтетических дисперсных сплавов (СДС). Наилуч шие результаты достигнуты в получении и применении металлоабразивных композиций на основе медных, алю миниевых и цинковых сплавов с включением синтети ческих алмазов, высокотвердых тугоплавких окислов и карбидов. Разработаны и внедрены технологические про цессы изготовления на основе СДС различных видов промышленного инструмента из алмазов и абразивосо держащих суспензий для шлифования, хонингования и суперфинишной обработки деталей. В процессе приго товления СДС используют ультразвуковой генератор УЗГ-10М и магнитострикционные преобразователи ПМС-15А18 с волноводом из титанового сплава. Сейчас для массового изготовления СДС, применяемых в про цессах механической обработки, рекомендован промыш ленный ультразвуковой дегазатор УЗД-200М. Таким обра зом, инструментальная алмазная проблема решена с по мощью ультразвукового метода получения СДС, осно воположником которого является советский ученый Г. И. Погодин-Алексеев.
Применение ультразвука
впорошковой металлургии
Впорошковой металлургии ультразвук может быть применен для интенсификации диспергирования порошко вых материалов и прессования порошков.
264
Процесс диспергирования твердых материалов освоен на многих заводах. Для этой цели создана специальная ультразвуковая аппаратура. При этом может произво диться как сравнительно крупное, так и достаточно тон кое измельчение материалов. Так, например, для диспер гирования твердых материалов, т. е. для получения ме таллических или керамических порошков, используются ультразвуковые диспергаторы и ванны типа УЗВД.
Для получения деталей с минимальной пористостью необходимо, чтобы они перед прессованием уже имели наибольшую плотность. Чем меньше размер пор между частицами, тем легче происходит их уплотнение при прес совании. Для получения наиболее плотной упаковки частиц порошкообразных материалов целесообразно использовать вибрационную и ультразвуковую технику. Использование ультразвука для прессования металли ческих порошков обеспечивает получение прессованных деталей более высокой плотности и стабильных размеров. В этом случае при горячем прессовании снижается ра бочая температура и требуется более низкое давление. Небольшая доза ультразвукового облучения в процессе переработки металлического порошка намного повышает физико-механические свойства деталей. Порошок при прессовании подвергается ультразвуковой обработке, в результате которой крупинки металла как бы встряхи ваются, плотно прилегают к соседним. После этого отпа дает необходимость уплотнять порошок слишком высо ким механическим давлением. В порошковой металлур гии ультразвук может быть эффективно использован и для создания композитных сплавов, состоящих из метал лической основы с неметаллическим порошковым напол нителем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Абрамов О. В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле.
М., Изд-во «Металлургия», 1972, 256 с.
2.Абрамов О. В., Ломакин В. И., Неймарк В. Е. и др. Влияние
ультразвуковой обработки на структуру и механические свойства некоторых сталей и сплавов. — «Ультразвуковая техника», вып, 6,
НИИМАШ, 1966, 36 с.
3.Абрамов О. В., Теумин И. И., Дмитриев Н. Н. и др. Ультразвуко
вая обрабатываемость жаропрочных и коррозионностойких спла вов в процессе их выплавки в вакуумной дуговой печи. — «Ультра звуковая техника», вып. 6, НИИМАШ, 1967, 27 с.
4.Агранат Б. А., Башкиров В. И. и Кошелев Ю. Ф. Промышленные
испытания автоматизированной ультразвуковой линии очистки
полосовой стали в потоке. — «Ультразвуковая техника», вып. 5,
М., НИИМАШ, 1967, 28 с.
5. Агранат Б. А., Кириллов О. Д., Преображенский Н. А. и др.
Ультразвук в гидрометаллургии. М., «Металлургия», 1969, 403 с.
уУ 6. Агранат Б. А., Башкиров В. И., и Китайгородский Ю. И. Ультра
звуковая очистка. Кн.: «Физические основы ультразвуковой тех нологии». М., «Наука», 1970, с. 165.
\ , 7. Агранат Б. А., Башкиров В. И. и Китайгородский Ю. И. Приме
нение повышенного статического давления — новое направление в ультразвуковой технологии. — «Физические основы промышлен ного использования ультразвука», ч. I., ЛДНТП, Л., 1970, 12 с.
8.Алабышев А. Ф., Барсуков Н. Н. Изыскание водных моющих рас
творов для очистки металлических деталей от жиров и других загрязнений в ультразвуковом поле. — «Ультразвуковая тех ника», вып. 3, НИИМАШ, 1964, с. 40.
9.Ананьева А. А. Керамические приемники звука. М., Изд-во АН
СССР, 1963, 179 с.
10.Астахов Р. Н., Волков С. В. и Орлов Ю. Н. Применение ультразвука
для соединения полимерных материалов. — «Сварочное произ водство», вып. 8, 1969, с. 13.
11.Бабиков О. И. Контроль уровня с помощью ультразвука. Л.,
«Энергия», 1971, 80 с.
266
12.Башкиров В. И. и Качеровская Н. Д. Выбор растворов для ультра
звуковой очистки от загрязнений, прочно связанных с очищаемой поверхностью. — «Ультразвуковая техника», вып. 4. НИИМАШ,
1964, с. 28.
13.Башкиров В. И., Липкин Я. Н., Семеновых Н. В. и др. Ультра
звуковая очистка труб в прокатном производстве. — «Ультра звуковая техника», вып. 3, НИИМАШ, 1966, с. 50.
14. Башкиров В. И., Звездкин А. С. и Яковлев А. Д. Ультразвуко
вая очистка щелевых зазоров. — «Ультразвуковая техника»,
вып. 5, НИИМАШ, 1967, с. 36.
15.Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.,
Иностр. лит., 1957, 727 с.
16.Богачев И. Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие
сплавы. М., «Металлургия», 1972, 192 с.
17.Богдашевский А. В., Ганева Л. И. и Голямина И. П. Ультра
звуковые головки для сварки полимерных пленок. — «Ультра
звуковая техника», вып. 1, НИИМАШ, 1966, с. 39.
18.Бойдек С. А. и Вяткин А. Л. Генератор для ультразвукового станка
с автоподстройкой частоты. — «Ультразвуковая техника», вып. 2,
НИИМАШ, 1968, с. 1.
19.Борисов Ю. Я., Гинин В. Н. и Гынкина Н. М. Газоструйные излу
чатели стержневого типа. — «Ультразвуковая техника», вып. 4,
НИИМАШ, 1964, с. 5.
20.Борисов Ю. Я. и Гынкина Н. М. Исследования высокочастотных
газоструйных излучателей. — «Ультразвуковая техника», вып. 4,
НИИМАШ, 1967, с. 5.
21.Борун Г. М. Динамические характеристики самонастраивающейся
системы.— «Ультразвуковая техника», вып. 3, НИИМАШ, 1965, с. 7.
22.Буденков Б. А. Бесконтактный ультразвуковой дефектоскоп-
толщиномер. — «Ультразвуковая аппаратура и ее применение»,
ч. 2, ЛДНТП, 1969, с. 14.
23.Бухтерин А. Я. и Нарет Р. Л. Ультразвуковой генератор на диа
пазон частот 10—15 кГц для непрерывной и импульсной работы. — «Ультразвуковая техника», вып. 2, НИИМАШ, 1966, с. 16.
24.Варламов М. Л., Манакин Г. А. и Трахтенбер Е. М. Установка
для быстрого автоматического определения интегральной мощности и акустических полей аэродинамических излучателей.» — «Ультра звуковая техника», вып. 2, НИИМАШ, 1965, с. 44.
25.Вердеревский В. А., Носаль В. В., Рымша О. М. и др. Снижение
усилия волочения металлов в присутствии ультразвука. — «Уль тразвуковая техника», вып. 5, НИИМАШ, 1964, с. 18.
26.Вероман В. Ю. и Аренков А. Б. Ультразвуковая обработка материа лов. — «Библиотечка электротехнолога», вып. 4, Л., «Машино строение», 1971, с. 168.
267