Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
35
національна академія наук україни
фізико-технологічний інститут металів та сплавів
Нурадинов Абди Сайдахматович
УДК 669.018.42:62-405
Управління формуванням СТРУКТУРИ металЕВих заготІвок шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави
Спеціальність: 05.16.02 – Металургія чорних металів
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2007
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів Національної Академії Наук України.
|
Науковий консультант: |
доктор технічних наук, академік РЕА Ельдарханов Аднан Саїдович, Науковий центр “Новітні матеріали і технології”, генеральний директор (м. Москва). |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, член-кореспондент НАН України, професор Пілюшенко Віталій Лаврентійович, Донецький державний університет управління, проректор (м. Донецьк); доктор технічних наук, старший науковий співробітник Костяков Володимир Миколайович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, старший науковий співробітник (м. Київ); доктор технічних наук, старший науковий співробітник Шейко Іван Васильович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник (м. Київ). |
Захист відбудеться “ 20” вересня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, 03680, м. Київ-142, пр. Вернадського, 34/1.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, Київ-142, пр. Вернадського, 34/1.
Автореферат розісланий “26” липня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01
доктор технічних наук М.І.Тарасевич
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Поліпшення якості сталей і сплавів є однією з основних задач металургії. При вирішенні цієї задачі, найбільш важливою і складною є проблема отримання металевих заготівок з високою фізичною і хімічною однорідністю, дисперсною кристалічною структурою і стабільно високим рівнем фізико-механічних і експлуатаційних властивостей виробів.
Складність вирішення цієї проблеми полягає в тому, що твердіння металевих заготівок супроводжується надзвичайно складною взаємодією гідродинамічних, дифузійних, капілярних та інших фізичних і хімічних процесів, інтенсивність і характер розвитку яких визначається тепломасопереносом як безпосередньо в середині твердіючих зливків і безперервнолитих заготівок (внутрішній тепломасоперенос), так і з їх зовнішньої поверхні (зовнішній теплообмін). Зазначені процеси визначають структуру і властивості литого металу і, як наслідок, якість металічних виробів.
Накопичені дотепер теоретичні і експериментальні дані показують, що існує можливість активно впливати на процеси кристалізації, формування структури і властивостей металічних заготівок шляхом інтенсифікації тепло- і масообміну в об'ємі твердіючого металу, вирівнювання градієнту температур, інтенсифікації теплообміну із зовнішнім середовищем і руйнування фронту кристаллізації.
Аналіз сучасних уявлень про характер впливу різних зовнішніх дій на сплави, які кристалізуються, показав, що вони відіграють важливу роль у формуванні типу кристалічної структури і її дисперсності, а також в розвитку процесу ліквації у відливках, зливках і безперервнолитих заготівках. Роботами Акіменко А.Д., Абрамова О.В., Баландіна Г.Ф., Борисова В.Т., Вейника А.І., Добаткіна В.И., Дубодєлова В.І., Єфімова В.О., Казачкова Е.А., Кемпбелла Д.Ж., Овсієнко Д.Е., Пілюшенко В.Л., Повха И.Л., Смирнова О.М., Скворцова А.А., Флемінгса М.С., Ельдарханова А.С. та інших дослідників розвинуті загальні уявлення про вплив зовнішніх дій на процеси, які відбуваються при твердненні сплавів. Разом з тим, не дивлячись на велику кількість досліджень в галузі теорії формування металічних заготівок, багато питань залишається невизначеними. Відсутність кількісних залежностей відносно механізму формування двофазної зони в зливку і безперервно литій заготівці і процесів, які в ній протікають в полі сил тиску і пружних хвиль не дозволяє отримувати однозначні результати при їх застосуванні, а також створювати і застосовувати на практиці нові методи зовнішніх дій.
Тому роботи, пов'язані з вивченням процесів кристалізації металів і сплавів на базі фундаментальних досліджень процесів формування кристалічної структури і термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок в умовах теплових і силових дій на твердіючий метал, є безперечно актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до основних наукових напрямків ФТІМС НАН України: "Дослідження гідродинамічних, тепломасообмінних і кристалізаційних процесів при приготуванні, обробці, твердінні сплавів із застосуванням фізичних і хімічних впливів і створення технологічних способів отримання нових матеріалів і виготовлення високоякісної металопродукції" затверджена постановою Президії НАН України від 14.04.99 р. №122 і підтвердженою постановою від 22.10.03 р. №270. Викладені в роботі результати отримані при проведення досліджень в 1999-2006 р.р. за темами ФТІМС НАН України: "Розробка методів отримання відливок, конструкційних і легованих сталей з заданою структурою" (№ ГР 0199U003465); "Дослідження процесів термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок при кристалізації сплаву" (№ ГР 010U002159); "Розробка методів і способів впливу на рідкий твердіючий метал з метою підвищення якості безперервно литих заготовок" (№ ГР 010U003049).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення науково обґрунтованих технологічних засобів управління формуванням литої структури металевих заготівок в умовах нерівноважного тепломасопереносу при накладанні зовнішніх теплосилових дій на рідкий метал і метал, що кристалізується.
Згідно поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні основні задачі дослідження:
1) вивчено вплив зовнішнього тепловідводу і термочасової обробки розплаву на процеси кристалізації і структуроутворення модельних зливків;
2) досліджено механізм термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок при кристалізації сплавів в умовах теплосилових дій;
3) досліджено тепломасоперенос в модельних і сталевих зливках, твердіючих у полі пружних хвиль;
4) вивчено механізм впливу вібрації на зародження і ріст кристалів, кінетику просування фронту кристалізації і процес формування структури зливка в залежності від характеру зовнішнього тепловідведення;
5) вивчено вплив параметрів вібро- і газоімпульсних дій на гідродинамічні і теплофізичні умови формування безперервнолитих заготівок;
6) розроблені спеціальні методики і створені універсальні фізичні моделі для дослідження вказаних процесів;
7) запропоновані рекомендації з вибору оптимальних параметрів зовнішніх силових дій для отримання якісних металевих заготівок.
Об'єкт дослідження. Процеси формування зливків і безперервнолитих заготівок з модельних, залізовуглецевих та алюмінієвих сплавів.
Предмет дослідження. Тепломасообмін, термокапілярний масоперенос ліквуючої домішки, кристалізація і структуроутворення в твердіючих заготівках при накладенні теплових і силових дій на рідкий розплав і розплав, що кристалізується. Макро- і мікроструктура, а також механічні властивості металу.
Методи дослідження. В цієї роботі застосовуються методи фізичного і математичного моделювання для вивчення процесів зародження і росту кристалів, динаміки переміщення ліквуючих фаз в міждендритному просторі, кінетики просування фронту тверднення і формування структурних зон зливка.
Величину переохолодження, температурні інтервали і швидкість виділення б-фази і евтектик в алюмінієвому сплаві визначали методом диференціально-термічного аналізу.
Дослідження макро-, мікроструктури і механічних властивостей зразків контрольного і дослідного металу проводили за стандартними методиками.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Розроблена концепція і загальна методологія теоретичних і експериментальних досліджень, що включає фізичне, математичне моделювання і натурні експерименти, які дозволяють провести систематизовані дослідження по вивченню особливостей процесів кристалізації і структуроутворення металів і сплавів в широкому діапазоні параметрів зовнішніх тепло- і силових дій на твердіючі розплави.
2. Вперше встановлено кількісний зв'язок між градієнтом температур і динамікою росту первинних і вторинних осей дендритів в об'ємі розплаву в залежності від інтенсивності зовнішнього тепловідводу і параметрів силових дій. Для досліджених сплавів запропоновано аналітичну залежність по визначенню температури тепловіддаючої поверхні, яка забезпечує формування дисперсної структури і високий рівень властивостей металу в литій заготівці.
3. Встановлено, що переміщення лікватів в міждендритному просторі відбувається, головним чином, не в наслідок молекулярної дифузії, а в результаті розвитку капілярного та конвекційного масопереносу і пов'язане з виникненням міжфазних сил на кордоні ліквуючих речовин і зростаючих кристалів. Встановлено кількісний зв'язок кінетики переміщення ліквату з параметрами зовнішнього тиску на твердіючий розплав.
4. Доведено, що механізм віброімпульсного впливу на твердіючий розплав пов'язаний з умовами зовнішнього тепловідводу: при інтенсивному тепловідводі він полягає в руйнуванні фронту кристалізації за рахунок ударних навантажень пружних хвиль, а в умовах слабкого або направленого тепловідводу – в створенні центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації.
5. Вперше на фізичній моделі кристалізатора МБЛЗ досліджено вплив газоімпульсного перемішування високої частоти (120…900 хв.-1) і малої амплітуди (40 мм) на тепло- і масообмінні процеси в твердіючій заготівці. Науково обґрунтовано діапазон оптимальних параметрів газоімпульсного перемішування (частота, амплітуда глибина занурення трубки) сплавів у кристалізаторі, в межах якого його використання доцільне.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій базується на фундаментальних закономірностях механіки суцільних середовищ. Особливість застосування фізичного моделювання для вивчення натурних процесів ґрунтується на використанні теорії подібності.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблені універсальні методики і фізичні моделі дозволяють отримувати різні кристалічні структури сплавів в залежності від параметрів зовнішніх теплосилових дій на розплав і можуть бути використані для проведення наукових досліджень в галузі кристалізації і структуроутворення металевих заготівок.
Отримані в дисертаційній роботі результати вивчення закономірностей кристалізації і структуроутворення модельних і металевих сплавів у виливницях при накладенні віброімпульсних дій на розплав підтверджені дослідними даними. Технологія віброобробки твердіючого металу впроваджена на ВАТ “Машинобудівельний завод ім. Саттархана” для отримання литих заготівок для відповідальних деталей нафто- і газопромислового устаткування
Особистий внесок здобувача.
Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно і опубліковані в монографії і 44-х наукових статтях особисто і в співавторстві. Роботи [12, 16, 19, 23, 34] написані автором самостійно. В роботах, опублікованих в співавторстві, здобувачу належить: [1] – п’ята глава; [8, 10, 13, 14, 21, 25, 26, 28, 30, 31, 33] – постановка задачі, участь в проведенні експериментів, обробки, узагальнення та аналіз отриманих результатів і написання статті; [2, 4, 6, 7, 9, 15, 22, 27, 29, 32] – постановки задач, проведення експериментів, аналіз результатів і участь в написанні статті; [3, 5, 11, 17, 18, 20, 24, 35] – проведення експериментів, участь в аналізі результатів і написанні статті.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і експериментальні результати роботи обговорювалися і отримали схвалення на 10 Міжнародних науково-технічних конгресах, з'їздах і конференціях: Міжнародному науково-технічному конгресі "Пути возрождения литейного производства в Украине в начале нового тысячелетия" (Київ, 2001 р.); Міжнародній конференції “Литейное производство сегодня и завтра” (Санкт-Петербург, 2001 р.); V съезде литейщиков России (Москва, 2001 р.); Х Міжнародній науково-технічній конференції “Теория и практика кислородно-конвертерных процессов” (Дніпропетровськ, 2002 р.); IV Всеросійській науково-практичній конференції “Литейное производство сегодня и завтра” (Санкт-Петербург, 2003 р.); Міжнародному науково-технічному конгресі “Литейное производство: высококачественные отливки на основе эффективных технологий” (Київ, 2004 р.); ХІ Міжнародній науково-технічній конференції “Теория и практика сталеплавильных процессов” (Дніпропетровськ, 2005 р.); Міжнародному конгресі “Процессы плавки, обработки и разливки металлов: отливки, слитки, заготовки” (Київ, 2006 р.); ХІ Міжнародній науково-технічній конференції “Неметаллические включения и газы в литейных сплавах” (Запоріжжя, 2006 р.); VIII съезде литейщиков России (Ростов – на –Дону, 2007 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано одну монографію і 34 статті в науково-технічних вітчизняних і зарубіжних журналах і збірниках трудів, з них 29 – в виданнях, затверджених в переліку ВАК України, без співавторів – 5, а також 10 тезисів доповідей конференцій.
Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 глав, основних висновків, списку цитованої літератури з 266 найменувань і додатків. Робота викладена на 321 сторінках, включаючи 115 рисунків і 30 таблиць.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, викладено її зв'язок з науковими темами і програмами, сформульовані ціль і задачі досліджень, визначені наукова новизна отриманих результатів і їх практичне значення, наведені дані про особистий внесок дисертанта, апробацію результатів дисертації і публікацій по темі дисертаційної роботи.
В першій главі розглянуті сучасні уявлення про характер впливу теплових і силових дій на рідкі сплави та сплави, що кристалізуються. Виконано докладний аналіз існуючих гіпотез про взаємозв'язок рідкого і твердого станів металів, а також способів переведення розплаву з нерівноважного в рівноважний стан з метою отримання оптимальної кристалічної структури металу. Показано, що механізм передачі спадкових ознак розплаву, їх збереження, зародження в ньому нових ознак передачі їх твердому металу – це складні і малодосліджені до цього часу процеси. Проаналізовано сучасні уявлення про роль зовнішнього тепловідводу в процесах кристалізації і структуроутворення сплавів. Завдяки дії на ступінь переохолодження розплаву і температурний градієнт перед фронтом кристалізації, тепловідвід розглядається як спосіб регулювання дисперсності кристалічної структури і хімічної неоднорідності в твердіючих заготовках. Розглянуто способи силової дії (тиск, вібро- і газоімпульсна обробка) на рідкий і твердіючий метал. Виконано аналіз характеру фізичних процесів, які відбуваються при твердненні металу в полі сил тиску і пружних коливань, а також дана порівняльна оцінка їх ефективності і доцільності використання. Акцентовано увагу на відсутності єдиного погляду на механізм впливу вібрації на фактори, які визначають процеси кристалізації і структуроутворення сплавів. На основі проведеного аналізу літературних даних обґрунтована доцільність проведення подальших теоретичних і експериментальних досліджень по визначенню механізму теплових і силових дій на рідкий і твердіючий метал.
В другій главі викладено розроблену концепцію і загальну методологічну структуру теоретичних і експериментальних досліджень, включаючи методики фізичного і математичного моделювання процесів кристалізації і структуроутворення сплавів в умовах накладення теплових (термочасова обробка, диференційований зовнішній тепловідвід) і силових (тиск, вібрація, газоімпульсне перемішування) дій на рідкий розплав і розплав, що кристалізується. Основним методом дослідження в роботі є фізичне моделювання, що ґрунтується на дотриманні умов ідентичності фізичних явищ, які вивчаються. Розрахунок масштабів моделювання виконано виходячи з рівності значень визначальних критеріїв і чисел подібності для натури і моделі (Bi, N, Ho, He, A). В якості основної моделюючої речовини використано камфен, який кристалізується по типу металевих розплавів. Дослідження проводились на спеціально створеній експериментальній установці, основним елементом якої є різні термостатовані моделі, що відповідають задачам моделювання (рис. 1).
Натурні експерименти апробовані на зливках зі сталей марок 20, 60 і Х18Н9Т, сірого чавуну СЧ18-36 і алюмінієвого сплаву АК5М2. Для вивчення впливу вібрації на формування конвекційних і теплових потоків в твердіючому сталевому зливку застосовано математичне моделювання з використанням експериментальних даних. Термометрію твердіючих модельних і сталевих зливків здійснено шляхом встановлення термопар по висоті перерізу зливка, а також в стінці виливниці.
Третя глава присвячена дослідженням по визначенню температурних полів, кінетики просування фронту кристалізації, швидкості конвекційних і величини теплових потоків, а також просування двофазної зони по перерізу зливка при звичайних (без зовнішніх силових дій) умовах його формування.
Закономірності розподілу температурних полів в твердіючих зливках визначені у вигляді кривих зміни температур по їх перерізам через рівні проміжки часу на трьох рівнях по висоті (рис. 2).
Показано, що характер розподілу температур залежить від інтенсивності зовнішнього тепловідводу і визначає динаміку зміни температурного градієнта по перерізу твердіючого зливка. При твердненні зливків температурний градієнт біля фронту кристалізації зростає за рахунок конвекційного руху перегрітого розплаву. Збільшення градієнту температур призводить до підвищення швидкості кристалізації, яка згідно з даними Д.Д. Саратовкіна визначається з залежності:
, (1)
де л, с – теплопровідність і густина розплаву; qкр. – теплота кристалізації;
G – градієнт температури поблизу границі тверднення.
Швидкість конвекційних потоків зростає в рази зі збільшенням віддаленості від дзеркала розплаву і має зворотну залежність в порівнянні з законом зміни теплових потоків (рис. 3). Конвекційний потік інтенсифікує передачу тепла перегріву до фронту кристалізації і призводить до нерівномірного розподілу переохолоджених об'ємів розплаву по висоті твердіючого зливка. Це зумовлює значне збільшення параметрів кристалізації в нижній частині зливка при незначному зниженні температури розплаву (табл. 1) і відому клиноподібну форму фронту тверднення, що добре ілюструється кінетикою тверднення (рис. 2). Причини такого розподілу температур і параметрів кристалізації залишаються дискусійними серед металургів. Існуючі щодо цього явища теорії об'ємної і послідовної кристалізації сплавів не враховують вплив конвекційного руху розплаву на тепло- і масообмінні процеси в об'ємі твердіючих зливків.
Таблиця 1
Параметри кристалізації розплаву камфена по висоті зливка
на 4-й хвилині тверднення в умовах вільної конвекції
|
Відстань від дна зливка, мм |
Товщина коринки (), мм |
Коефіцієнт тверднення (к), мм/хв.0,5 |
Середня швид-кість кристаліза-ції (R), мм/хв. |
|
210 |
11 |
5,5 |
1,38 |
|
120 |
14 |
7,0 |
1,75 |
|
40 |
25 |
12,5 |
3,13 |
|
біля дна зливка |
55 |
27,5 |
6,88 |
Фізична сутність впливу конвекційного руху розплаву на процес його кристалізації видна з наступного елементарного аналізу теплового балансу твердіючого шару металу. Товщина цього шару залежить від кількості тепла, яке він може передати до охолоджуваної поверхні форми:
, (2)
де , - теплопровідність твердіючого шару метала и перепад температур по його товщині; - товщина твердючої корки.
Кількість накопичуваної теплоти на границі тверднення складається з тепла, що виділилося внаслідок кристалізації і тепла перегріву в рідкій частині зливка :
. (3)
Але оскільки в процесі кристалізації завжди зберігається рівновага, то . Тоді , з якого можна визначити товщину металу, що затвердіє:
. (4)
З останнього виразу видно, що чим більша кількість тепла перегріву підводиться до границі тверднення, тим товщина корки і швидкість кристалізації менша (рис. 3, криві 3, 4 і табл. 1).
На фізичних моделях установлено, що формування структури зливка в умовах гравітаційної конвекції з урахуванням її ролі в тепло- масообмінних процесах відбувається за схемою, показаною на рис. 4. Очевидно, що ріст кристалів може початися після того, як розплав віддасть свій перегрів стінці форми. Тому в початковий період формування зливка зародження кристалів починається не з дзеркала розплаву, а у визначеній точці А, де температура потоку, який опускається стає рівною температурі ліквідуса розплаву, тобто помітно нижче верхнього горизонту. Ділянка висотою h характеризує період відводу тепла перегріву розплаву не від усього об’єму, а від гідродинамічного шару, який визначає товщину конвекційного
потоку. В міру подальшого опускання конвекційного потоку нижче точки А утворюється корка і товщина її у напрямку до нижнього горизонту збільшується.
Початковому періоду формування корки відповідає тривалість тверднення ф1. Внаслідок втрати частини тепла перегріву за час ф1 початок утворення другого шару корки переміщується уверх (Дh), а її розташування є паралельним відносно попереднього шару. Потім іде вже пошарове утворення корки по всій висоті зливка. Серія таких шарів і утворює відому клиноподібну форму фронту тверднення.
Твердіючий зливок умовно можна розділити на три наступні температурні зони:
1) зона перегрітого металу, з температурою вищою за температуру ліквідус сплаву. Висота цієї зони h визначається тривалістю відводу тепла перегріву від гідродинамічного шару, який циркулює вздовж тепловідвідної поверхні форми. Зародження кристалів в цій зоні не відбувається;
2) зона, в якій температура гідродинамічного шару досягла температури ліквідус сплаву. В цій зоні на стінці виливниці відбувається зародження кристалів і пошарове тверднення розплаву. По мірі опускання шару розплаву його переохолодження збільшується і відбувається більш інтенсивний ріст корки зливка;
3) зона глибокого переохолодження розплаву на нижньому горизонті. Тут спостерігається не тільки подальше збільшення швидкості тверднення корки, але й виникнення індивідуальних кристалів.
Результати, які переконливо доводять вирішальну роль конвекції в перерозподілі температур і параметрів кристалізації по перерізу твердіючих зливків, отримані при моделюванні, коли конвекційні потоки були виключені. На відміну від звичайних умов (тобто при наявності гравітаційної конвекції), відбувається суттєва зміна картини розподілу температурних полів. Температура розплаву змінюється тільки від тепловідвідних граней до центру зливка, а по висоті – однакова на всіх горизонтах. Тому градієнт температур виникає тільки від тепловідвідних поверхонь до ядра зливка, що забезпечує однакові параметри кристалізації по всьому його периметру (рис. 5 і табл. 2).
Відсутність конвекції погіршує умови теплообміну між ядром розплаву і стінками форми, що, врешті решт, знижує темп кристалізації і, відповідно, збільшує загальний час тверднення зливка, діє на ширину і форму структурних зон.
Таблиця 2
Параметри кристалізації розплаву камфена по висоті зливка на 4-й хвилині тверднення при відсутності конвекції
|
Відстань від дна зливка, мм |
Товщина корки (), мм |
Коефіцієнт тверднення (к), мм/хв.0,5 |
Середня швидкість кристалізації (R), мм/хв. |
|
210 |
17 |
8,5 |
2,13 |
|
120 |
18 |
9,0 |
2,25 |
|
40 |
17 |
8,5 |
2,13 |
|
біля дна зливка |
17 |
8,5 |
2,13 |
|
біля поверхні зливка |
17 |
8,5 |
2,13 |
Візуальні спостереження за формуванням модельних зливків показали, що розмірами і формою структурних зон можна частково керувати, змінюючи характер і інтенсивність зовнішнього тепловідводу. У випадку інтенсивного тепловідводу (tохл. << , Bi >> 1) в переважній частині зливка йде послідовне тверднення розплаву від поверхні до осі з формуванням зони стовбчастих кристалів. При цьому ширина двофазної зони є мінімальною. При помірному тепловідводі (tохл. ≈ , Bi ≈ 1) помітно звужується зона послідовного тверд-нення (стовбчастих кристалів) і, відповідно, збільшується ширина зони двофазного стану (об'ємного тверднення). При тепловідводі tохл. ≈ tсол., (Bi << 1) відбувається об'ємне тверднення, і ширина двофазної зони при цьому охоплює практично весь переріз зливка. Диференційований зовнішній тепловідвід дозволяє керувати напрямком і швидкістю конвекційних потоків і, відповідно, формуванням різних структурних зон по перерізу твердіючих зливків.
Ще одним ефективним способом керування процесами кристалізації і структуроутворення сплавів є термочасова обробка розплаву в інтервалі твердо-рідкого стану, яка підвищує дисперсність і морфологічну однорідність первинної структури зливків, а також усуває транскристалізацію навіть в умовах направленого інтенсивного тепловідводу. Встановлено, що сплави, які твердіють без помітного переохолодження, піддавати термочасовій обробці недоцільно.
Заміри параметрів структур модельних зливків показали, що чим вище лінійна швидкість кристалізації, тим більш повною і дисперсною формується первинна структура.
Таким чином, змінюючи характер і інтенсивність зовнішнього тепловідводу, а також піддаючи твердіючі сплави термочасовій обробці в області температур інтервала кристалізації, можна достатньо ефективно впливати на формування первинної структури литих заготовок.
В четвертій главі вивчено вплив зовнішніх дій на масоперенос лікватів при твердненні модельних зливків.
При твердненні зливків в рівноважних умовах на границі кристалізації виникає збагачений домішками шар в наслідок обмеженої їх розчинності в твердій фазі. Вважають, що перерозподіл цих домішок (лікватів) відбувається в результаті молекулярної дифузії. З теорії примежового шару відомо, що товщина дифузійного шару дд вздовж напрямку руху потоку безперервно збільшується і для турбулентного режиму руху дорівнює:
, (5)
де н – кінематична в’язкість розплаву; – відстань від фронту тверднення; D – коефіцієнт молекулярної дифузії лікватів.
Розрахунки по залежності (5) показали, що для сталей при дуже низькій рухливості дифундуючих елементів (D = (2 ч 18) х 10-8 м2/с) відстань 120-150 мм від поверхні зливків, на якій вже з'являються смуги хімічної неоднорідності, може бути пройдена ними впродовж декількох діб. В реальних умовах ці процеси протікають значно швидше (вже після 10-12 хвилин тверднення), що свідчить про інший механізм переносу.
Експериментально на тонких препаратах (товщина 0,1 ч 1 мм) доведено, що вказане переміщення міждендритної рідкої фази (лікватів) відбувається, головним чином, не внаслідок молекулярної дифузії, а в результаті розвитку капілярного і конвекційного руху. Суть механізму полягає в тому, що при твердненні розплаву в двофазній твердо-рідкій зоні виникають наступні види масопереносу (рис. 6):
1) роздільна дифузія розчинних домішок в напрямку поверхні осей другого порядку і їх переміщення між ними згідно закону змочуваного капіляра до поверхонь дендритів (рис. 6 а);
2) кругова циркуляція (конвек-ція) рідкої фази між гілками першого порядку. При такому русі пристінковий шар рідини під дією різниці поверхневих натягів твердого кристала і лікватів, що виділилися, рухається до устя дендритів, а осьовий – до границі тверднення (рис. 6 б).
Причому, при переміщенні рідкої фази в міждендритному каналі створюється тиск (Ру), який при виході на фронт кристалізації складає величину:
, (6)
де ут-ж – міжфазний натяг; d – діаметр каналу; и – кут контакту рідкої фази з поверхнею дендрита; L – довжина каналу; г і з – питома маса і коефіцієнт в'язкості рідкої фази; V – швидкість руху рідини.
Дослідження показали, що потік в міждендритному каналі виникає через деякий час після початку тверднення, коли в ньому накопичується достатня кількість ліквуючого елементу для створення капілярного тиску. Швидкість цього потоку (V) помітно змінюється в часі. Якщо на початковому етапі вона незначна, то в міру подальшого тверднення розплаву і накопичення лікватів швидкість цього руху в міжгілковому просторі зростає, в той час як швидкість кристалізації R зменшується. На певній відстані від поверхні ці швидкості зрівнюються, що призводить до виносу лікватів на границю тверднення. Виносу лікватів з міждендритного простору на границю тверднення перешкоджає зовнішній тиск (Рвн.). Якщо капілярний тиск (Ру) величина стала для конкретного випадку (в умовах експериментів для камфена він, згідно залежності (6), дорівнює 135 кПа), то підвищення зовнішнього тиску сприяє суттєвому зниженню хімічної неоднорідності по перерізу твердіючого зливка.
Накладення зовнішнього тиску на твердіючий зливок призводить до помітного підвищення швидкості кристалізації (рис. 7 криві 2, 3 і 4), а швидкість переміщення лікватів, навпаки, зменшується (рис. 7 криві 2`, 3`) і при досягненні ним значення 150 кПа (тобто Рвн. ≥ Ру) масоперенос лікватів взагалі відсутній. Вплив надлишкового зовнішнього тиску реалізується як за рахунок пригнічення процесу виділення лікватів (роздільна дифузія), так і за рахунок протидії капілярному тиску.
Накладення вакууму на твердіючий розплав, навпаки, посилює переміщення лікватів в міждендритному просторі. При пониженні зовнішнього тиску з атмосферного до -90 кПа довжина лікваційних каналів збільшується в 2,5 рази.
Отримані результати свідчать про термокапілярний механізм масопереносу ліквуючих домішок в між дендритному просторі твердію-чих зливків.
В п'ятій главі розглянуті особливості формування зливків в полі сил пружних хвиль при різному характері і інтенсивності зовнішнього тепловідводу.
Формування зливків визначається комплексним впливом теплофізичних і гідродинамічних процесів в твердіючих сплавах. Оцінка дії вібрації на кожен з цих процесів дає можливість отримати повну картину особливостей формування зливків в полі сил пружних хвиль.
Дія вібрації на теплофізичні умови тверднення зливків характеризується термічними кривими охолодження розплаву і прогріву стінки виливниці в часі. В усіх випадках інтенсивність охолодження розплаву в полі пружних хвиль протягом усього періоду тверднення вище, ніж в зливку, твердіючому без вібрації (рис. 8). Відповідно, інтенсивність прогріву стінки виливниці в зливку, твердію-чому в полі пружних хвиль також вища. За інших рівних умов температура прогріву внутрішньої поверхні виливниці при вібраційній обробці суттєво вища, ніж при твердненні звичайного зливка. Все це свідчить про різні інтенсивності теплових потоків, які підво-дяться до стінки виливниці. Величина теплових потоків (q) від твердіючих розплавів до виливниці наближено може бути визначена по залежності:
, (7)
де д – товщина стінки виливниці; л – теплопровідність матеріалу виливниці; tвн. пов. – температура внутрішньої поверхні виливниці; tн. пов. – температура зовнішньої поверхні виливниці.
Розрахунки показали, що вібрація викликає суттєве збільшення теплових потоків (до 30%), які підводяться і передаються стінці виливниці (рис. 9), а це, в свою чергу, впливає на зміну градієнтів температур по перерізу твердіючого зливка (табл. 3).
Таблиця 3
Параметри тверднення зливків сталі 60
|
Параметри тверднення |
ф, хв |
|
1 |
5 |
9 |
13 |
|
|
Дt = tкр. – tп., °С |
115/170 |
170/190 |
215/230 |
250/260 |
|
, см |
1,95/1,80 |
4,68/4,03 |
5,85/5,40 |
7,0/6,5 |
|
G = Дt/о°С/см |
59/94 |
36/47 |
36/42 |
36/40 |
|
R, см/хв. |
0,97/0.90 |
0,44/0.40 |
0,33/0.30 |
0,27/0.25 |
Чисельник – з вібрацією; знаменник – без вібрації.
Незначний перепад градієнтів температур по перерізу вібрируємого зливка (табл. 3) свідчить про те, що йде інтенсивне охолодження всього об’єму рідкого металу, в тій час як у звичайного зливка знижується температура тільки в поверхневому шарі. При цьому для звичайних умов твердіння по мірі зниження температурного градієнту кристалічна структура збільшується в 4 і більше разів, а при вібраційній обробці, навпаки, відбувається подрібнення дендритів в 5-15 разів. Цей, на перший погляд, суперечний факт пов’язано з інтенсифікацією процесу зародкоутворення в розплаві і подрібненням зростаючих кристалів під дією вібрації.
Головним параметром для всієї теорії теплообміну між твердіючим зливком і виливницею є коефіцієнт тепловіддачі б від розплаву до стінки форми.
Значення б на всіх етапах формування зливка можна визначати по залежності:
, (8)
де G – градієнт температур по його перерізу; Дt3 – інтервал тверднення сталі; к – коефіцієнт тверднення; ф – час тверднення; л – теплопровідність твердіючої фази. В початковий період тверднення коефіцієнт тепловіддачі зливка, який піддають вібрації, значно більший, ніж у контрольного (рис. 10). В цей період найбільш сильно проявляється вплив пружних хвиль на збіль-шення інтенсивності передачі тепла від твердіючого зливка до виливниці.
Наведені вище зміни в теплофізиці твердіючого в полі пружних хвиль розплаву безперечно впливають на параметри тверднення зливка (табл. 3) і обумовлені, в тому числі, дією вібрації на гідродинаміку його тверднення. Гідродинамічні умови тверднення зливків в полі пружних хвиль вивчені методом математичного моделювання. Використаний пакет комп'ютерних програм ProCast дозволяє моделювати процеси тверднення в багатозв'язній області з урахуванням гідродинаміки рідкого металу в умовах накладення зовнішніх дій.
Тверднення зливків без зовнішніх дій проходить в умовах розвитку гравітаційної конвекції. Теплопередача до границі тверднення в цьому випадку визначається швидкістю руху металу в приграничному шарі, яка змінюється по висоті зливка. В залежності від швидкості конвекційних потоків змінюється і товщина гідродинамічного приграничного шару. Обидва ці параметри залежать від глибини і нерівномірно розподілені по висоті зливка. Область металу, втягненого в конвекційний рух, в цьому випадку, розповсюджується тільки на глибину градієнтного перепаду температур від бокових стінок виливниці (рис. 11 а, б, в).
Накладення вібрації на твердіючий зливок радикально змінює картину поля швидкостей рідкого металу. При дії вібрації відбувається турбулентний рух практично всього об'єму рідкого металу (рис. 11 г, д, е), що призводить, на відміну від звичайних умов, до збільшення швидкості зняття теплоти перегріву з усього об'єму зливка і зменшення часу повного затвердіння. Пружні хвилі руйнують приграничний шар, інтенсифікують передачу тепла до стінки виливниці, викликають перемішування металу в ядрі зливка, забезпечуючи при цьому рівномірний розподіл температури по перерізу твердіючого розплаву.
В розрахунках теплообміну при русі рідких металів вздовж вертикальної плити при значенні критерія Прандтля Pr ≤ 1 користуються рівнянням С.С.Кутателадзе, яке для турбулентного режиму включає наступні параметри:
; , (9)
де Nuвиб., Nuкон. – критерії Нуссельта при вимушеної і гравітаційної конвекції розплаву; Wк – швидкість гравітаційної конвекції; Wв – швидкість вимушеної конвекції, яка викликана вібрацією; h – висота зливка; а – коефіцієнт температуропровідності розплаву.
При заданих значеннях висоти зливка і температуропровідності сталі, величина критерію Нуссельта і інтенсивність теплопередачі до фронту тверднення рідкої сталі залежить від швидкості гравітаційної або вимушеної конвекції розплаву. Для умов експериментів при вібраційній обробці розплаву з частотою щ = 100 Гц і амплітудою А = 2,5 мм вібрація викликає вимушений рух метала зі швидкістю 0,25 м/с, причому середня швидкість гравітаційної конвекції, за даними різних авторів дорівнює 0,02 – 0,05 м/с. В цьому випадку співвідношення (9) має вигляд:
, (10)
з якого стає зрозумілою роль вібрації в інтенсифікації передачі тепла до корки зливка і скороченні тривалості його тверднення.
Щоб оцінити вплив вібрації на формування кристалічної структури твердіючого розплаву необхідно враховувати вплив енергії пружних хвиль на зародження і ріст кристалів.
Перехід рідкої фази в тверду в звичайних умовах характеризується величиною вільної енергії системи (ДF), яка дорівнює:
ДF = F – S (t1 – t2) – у · бУ , (11)
де F – внутрішня енергія системи; S – ентропія системи; t1 і t2 – температури рідкого і твердого станів системи; у – поверхневий натяг на границі фаз; бУ – сумарна площа поверхонь кристалів.
Вібраційна обробка розплавів, по суті, є введенням в розплав додаткової енергії пружних хвиль (dFвибр.), яка дорівнює:
, (12)
де с – густина розплаву; щ, А – частота і амплітуда пружних хвиль.
Тоді величина вільної енергії системи з урахуванням енергії пружних хвиль дорівнює:
ДF = F + Fвибр. – S (t1 – t2) – у · бУ (13)
Значення вібраційної енергії при формуванні кристалічних структур полягає в тому, що вона витрачається на інтенсифікацію процесу зародкоутворення (т.е. створення в об’ємі розплаву додаткових центрів кристалізації) та на обламування гілок зростаючих дендритів. Утворення при цьому об'ємів переохолодженого металу навколо кожного з уламків і подальший ріст відбувається за рахунок внутрішньої енергії системи. Всі ці процеси призводять до об'ємного тверднення і формування дисперсної кристалічної структури зливка (рис. 12 б), в той час як структура зливка, отримана без вібрації, складається з грубих стовбчастих і рівновісних кристалів (рис. 12 а). Причому, тривалість тверднення вібріруємих зливків завжди істотно менше, ніж контрольних зливків. Це пов’язано, по-перше, з тим, що при вібраційної дій на рідку фазу інтенсифікується рух розплаву стосовно тепловідводячих поверхонь зливків та, по-друге, товщина твердючої корки (тепловий бар’єр) при цьому залишається постійної, що в сумі приводить до інтенсифікації процесу зняття тепла перегріву і кристалізації.
Візуальні спостереження за формуванням структури модельних зливків в полі пружних хвиль, вивчення макроструктур повздовжніх темплетів натурних зливків і аналітичні розрахунки показали, що механізм вібраційної дії на формування кристалічної структури зливків залежить від характеру і інтенсивності зовнішнього тепловідводу і полягає в проявленні наступних ефектів (рис. 13):
а) руйнування дендритів, які ростуть на фронті кристалізації під дією знакозмінних згинаючих тисків пружної хвилі;
б) зародження кристалів в об'ємі розплаву, який кристалізується внаслідок кавітації;
в) руйнування дендритів в розплаві під дією тисків, які виникають в результаті схлопування кавітаційних каверн.
Руйнування вервей дендриттів з фронту кристалізації відбувається під дією згинаючих тисків пружної хвилі. Максимальна напруга згину уи, обумовлене опірністю дендриту дорівнює:
, (14)
де d – діаметр ветвей дендрита; L – довжина дендрита; с – щільність дендрита; щ и А – частота і амплітуда пружних хвиль; b – діаметр шийки дендрита.
Очевидно, що руйнуван-ня дендритів настає при до-держанні умов:
уи ≥ ув , (15)
де уи – максимальна напруга згину; ув – границя міцності дендрита.
Розраховані по залежності (14) значення уи для конкретних умов експериментів підтвердили можливість обламування дендритів під дією тиску пружної хвилі та кавітації в твердіючих модельних та стальних зливках.
Від характеру й інтенсивності зовнішнього тепловідводу залежить превалювання того чи іншого з цих ефектів. При інтенсивному (tохл. ≤ tл/2) увсебічному охолодженні зливка дія вібрації на процес формування його структури полягає, головним чином, в механічному руйнуванні і подрібненні кристалів, які ростуть від охолоджуваних граней форми (рис. 14 а). Зародження центрів кристалізації в об'ємі розплаву внаслідок кавітації при цьому є додатковим джерелом дисперсних кристалів.
При направленому однобічному (tохол. ≤ tл/2) обо увсебічному слабкому (tохл. >> tл/2) тепловідводі формування дисперсної кристалічної структури твердіючого зливка здійснюється, в основному, за рахунок центрів кристалізації, які зароджуються в розплаві в наслідок кавітації (рис. 14 б), а руйнування фронту кристалізації є додатковим джерелом.
Таким чином встановлено, що вібрація призводить до інтенсифікації теплофізичних та гідродинамічних процесів в твердіючому розплаві і формування дисперсної кристалічної структури зливка.
В шостій главі методом фізичного моделювання вивчені деякі принципові особливості формування безперервнолитих заготовок (БЛЗ) під дією вібрації і газоімпульсного перемішування.
Установлено, що вібрація, аналогічно як і в зливках твердіючих в полі пружних хвиль чинить суттєвий вплив на гідродинамічні і теплофізичні умови формування БЛЗ як в зоні кристалізатора, так і в зоні вторинного охолодження (ЗВО). Дія пружних хвиль посилює інтенсивність перемішування розплаву в наслідок чого збільшується до 30-40% (в залежності від зони) величина теплових потоків, які підводяться до границі тверднення. А це в свою чергу впливає на інтенсивність теплообмінних процесів по всій висоті БЛЗ, про що свідчать більш високі значення температури поверхні заготовки в умовах дії вібрації і розрахунки теплових балансів (табл. 4).
Зміна інтенсивності тепловідводу від рідкої фази призводить до зміни геометричних параметрів двофазної зони твердіючої БЛЗ. Безпосередні спо – стереження за формуванням БЛЗ і заміри параметрів кристалізації розплаву
Таблиця 4
Розрахунковий тепловий баланс при формуванні безперервнолитого зливка камфена
|
Загальна кількість тепла і її витрати |
Зливок з камфена 45х110 мм |
|||
|
без вібрації |
з вібрацією. |
|||
|
ккал/год. |
% |
ккал/год. |
% |
|
|
Загальна кількість тепла, отриманого з рідким розплавом |
8400 |
100 |
8400 |
100 |
|
Тепло, відведене в кристалізаторі |
1680 |
20 |
2350 |
28 |
|
Тепло, відведене в ЗВО |
3950 |
47 |
4950 |
59 |
|
Тепло, яке йде в зону вільного охолодження |
2770 |
33 |
1100 |
13 |
показали помітну нерівномірність товщини коринки по висоті заготовки без вібрації внаслідок чого утворюються перемички, які є основною причиною виникнення осьової пористості і, як наслідок, осьової ліквації.
Накладення вібрації безпосередньо на твердіючу заготовку в ЗВО включає нерівномірність корки і зменшує її товщину. Цей факт пов'язаний з тим, що, по-перше, вібрація, збільшуючи тепловий потік, уповільнює ріст корки і по-друге, за рахунок згинаючих знакозмінних тисків пружної хвилі відбувається обламування гілок дендритів на фронті тверднення заготовки. Уламки дендритів і кристали, які зароджуються в розплаві внаслідок кавітації, опускаються і осідають на дно рідкої лунки. Безперервне заповнення лунки уламками дендритів призводить до суттєвого (до 4-х разів) скорочення її глибини. При цьому найбільший ефект отримано при підведенні вібрації безпосередньо до заготовки в ЗВО на рівні 3 ч 4 м від кристалізатора в перерахунку на натуральні розміри.
Особливістю газоімпульсного перемішування твердіючого розплаву в проведених дослідженнях, на відміну від відомих літературних даних, є те що, вони проведені в області високих частот (до 900 хв.-1) і низьких амплітуд (40 мм). Аналіз гідродинамічних процесів при газоімпульсній обробці розплаву камфена на фізичній моделі показав, що вона викликає розвиток потужних кільцевих вихрів, які послідовно розповсюджуються від вихідного перерізу трубки до верхньої частини ЗВО. В її ефективності важливу роль відіграє вибір раціональних параметрів перемішування, які забезпечують помірну турбулізацію розплаву при його русі вздовж границі тверднення. Надто велика інтенсивність перемішування руйнує твердо-рідку зону і, змиваючи ліквати з поверхні кристалів, переносить їх в ядро твердіючого зливка, а також викликає вельми небажані коливання (навіть сплески) поверхні розплаву, що може викликати розрив і затягування шлакового покриву в тіло металічної заготовки.
Інтенсифікація перемішування розплаву посилює передачу тепла перегріву від ядра до стінок кристалізатора, а силова дія вихрів на границю тверднення викликає руйнування і оплавлення дендритів, забезпечуючи при цьому рівномірну товщину корки. Посилення тепловіддачі від заготовки і зменшення глибини рідкої лунки за рахунок осідання уламків дендритів дозволяє збільшувати швидкість розливки. За даними моделювання можна рекомендувати наступні раціональні параметри газоімпульсного перемішування розплаву в кристалізаторі: частота пульсації 150 ч 180 хв.-1, амплітуда 60 ч 100 мм і глибина занурення пульсаційної труби в розплав 180 ч 190 мм
В сьомій главі викладені результати натурних досліджень щодо впливу вібрації (щ = 100 Гц; А = 2,5 мм) на дендритну і мікроструктуру, а також на властивості сплавів різної природи і інтервалу кристалізації.
Установлено, що формування кристалічної структури зливків з залізовуглецевих і алюмінієвого сплавів під дією вібрації здійснюється аналогічно формуванню структури зливків з модельних сплавів. Вібраційна обробка твердіючих зливків для всіх досліджених сплавів призводить до збільшення швидкості кристалізації металу, значному подрібненню дендритної структури, про що свідчать результати металографічних досліджень (табл. 5).
Таблиця 5
Параметри дендритної структури зливків
|
Марка сталі |
№ зливка |
Ширина зони стовб. дендритів, мм |
Розміри стовбчастих дендритів |
Розміри рівновісних дендритів |
Кількість дендритів на 225 мм (15х15) |
||
|
довжина, l, мм |
ширина, b, мм |
довжина, l1, мм |
ширина, b1, мм |
||||
|
Сталь 60 |
1 |
57,8 |
4,98 |
0,45 |
2,34 |
2,15 |
85-100 |
|
2 |
39,2 |
2,9 |
0,18 |
1,48 |
1,36 |
180-200 |
|
|
Х18Н9Т |
1 |
45-50 |
20-25 |
0,3-0,5 |
2,5-3,0 |
0,5-0,8 |
30-110 |
|
2 |
20-25 |
15-18 |
0,2-0,3 |
0,7-1,0 |
0,25-0,30 |
550-1500 |
Примітка: 1 – без вібрації; 2 – з вібрацією
Для залізовуглецевих сплавів дендритна структура багато в чому визначає мікроструктуру металу і розміри неметалевих включень. У вібраційних зливках зменшується розмір аустенітного зерна в 5-7 разів, силікатних включень з 24 ч 30 мкм до 6 ч 7 мкм, сульфідних включень з 5 ч 8 мкм до 1,2 ч 1,4 мкм, очищуються границі зерен від сульфідних і оксисульфідних включень.
Перераховані вище зміни в структурі сталевих зливків, обумовлені дією вібрації, призводять до помітного підвищення механічних властивостей (табл. 6).
Таблиця 6
Механічні властивості литої сталі
|
Зони зливка |
Марка сталі |
Границя міцності ув, МПа |
Границя плинності ут, МПа |
Віднос. подовження д, % |
Віднос. звуження ш, % |
|
Зона стовб. кристалів |
ст. 60 |
825/755 |
635/605 |
7,4/6,4 |
6,1/3,95 |
|
Х18Н9Т |
570/560 |
310/315 |
45,0/35,5 |
45,0/32,5 |
|
|
Зона рівн-х кристалів |
ст. 60 |
640/625 |
575/550 |
9,6/6,8 |
5,2/3,6 |
|
Х18Н9Т |
615/545 |
310/305 |
47,0/41,3 |
46,0/40,3 |
|
|
В поперечному перерізі |
ст. 60 |
755/665 |
625/580 |
5,2/3,6 |
7,6/6,0 |
Примітка: чисельник – з вібрацією; знаменник – без вібрації.
При незначному підвищенні властивостей сталей щодо міцності (до 8%), в залежності від марки сталі, пластичні властивості підвищуються на 15-45%.
Відомі позитивні результати дії вібрації на процеси тверднення і структуроутворення тонкостінних чавунних відливків. В роботі досліджено вплив вібрації на структуру і формоутворення графіту в зливках сірого чавуну СЧ18-36 із значною величиною перерізу (120х120 мм), коли градієнт температури при кристалізації значний і морфологічні форми графіту суттєво відрізняються в різних зонах. Проведений мікроструктурний аналіз зразків з різних зон дослідного і контрольного зливків при ідентичних умовах (хімічний склад чавуна, технологічні параметри плавки, заливки, розміри зливків, частота і амплітуда вібрації) показав, що вібрація сприяє: збільшенню переохолодження рідкого чавуну і зменшенню градієнта температур по перерізу від поверхні до центра зливка; утворенню перліту (20%) в металічній матриці чавуну; подрібненню аустенітних дендритів і зменшенню їх кількості; утворенню тонкодиференційованої графітної евтектики і подрібненню (з 0,7-1 мм до 0,5-0,6 мм) евтектичних аустенітно-графітних колоній.
Вібраційна обробка зливка із алюмінієвого сплаву АК5М2 подрібнює кристалічну структуру зливка, сприяє рівномірному розподілу евтектики по його перерізу і підвищує на 33-54% пластичні властивості (відносне подовження) при невеликому (3%) підвищенні границі міцності.
Поряд з позитивною дією на структуру і властивості твердіючого металу, вібрація знижує залишкові напруження в сталевих зливках до 29%.
Отримані результати свідчать про те, що вібраційна обробка твердіючих зливків з різних сплавів викликає подрібнення макро- і мікроструктур, подрібнення і рівномірний розподіл неметалевих включень, підвищує густину і пластичні характеристики металу в литому стані.
Розроблена за результатами досліджень технологія отримання литих заготовок під дією вібрації для нафто- і газопромислового устаткування пройшла апробацію і впроваджена на ВАТ “Машинобудівельний завод ім. Саттархана” з очікуваним економічним ефектом 300 ч 400 доларів США на тонні сталі у виробі. Отримані позитивні результати при проведенні дослівно-промислових випробувань технології віброобробки твердіючих зливків для екструдерів на ВАТ “КАМЕТ-ТАС”.
ВИСНОВКИ
Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:
1. На основі теорії подібності розроблені методики і універсальні фізичні моделі, дозволяючи вивчати процеси тверднення сплавів в умовах накладення теплових (регульований і диференцований тепловідвід, термочасова обробка) і силових (вакуум, тиск, вібрація, газоімпульсна обробка) дій на рідкий метал і сплав, що кристалізується.
2. Експериментально підтверджена гіпотеза про те, що переміщення ліквуючих домішок в міждендритному просторі твердіючих сплавів відбувається, головним чином, не в наслідок молекулярної дифузії, а обумовлене розвитком термокапілярного і конвекційного масопереносів і пов'язане з виникненням міжфазних сил на границі ліквуючих речовин з поверхнею зростаючих кристалів. Доведено, що при твердненні сплавів зміною співвідношення швидкостей кристалізації і руху лікватів (R/V, а також накладенням зовнішнього тиску на розплав, можна суттєво впливати на розвиток хімічної і зональної неоднорідності литих заготовок. Показано, що при швидкості кристалізації R ≥ 8 х 10-2 мм/с і Рвн. ≥ 135 кПа виносу лікватів на границю тверднення розплаву камфена не відбувається.
3. На експериментальній установці з використанням термостатованих фізичних моделей вивчені теплофізичні умови тверднення модельних і сталевих зливків в полі пружних хвиль. Показано, що величина теплових потоків, які підводяться до границі тверднення, в умовах вібраційної обробки на 25-30% більше, ніж без вібрації. Це призводить до скорочення часу тверднення зливків в залежності від марки сталі до 50%.
4. Математичним моделюванням установлено, що при звичайних умовах тверднення об'єму металу, втягнутого в конвекційний рух, розповсюджується тільки на глибину області градієнтного перепаду температур, а при вібраційній обробці спостерігається хаотичний рух, практично, всього об'єму рідкого металу. Це призводить до збільшення швидкості зняття теплоти перегріву з усього об'єму розплаву до 30% і, відповідно, росту швидкості кристалізації на 25 ч 30%.
5. Експериментально доведено, що механізм дії вібрації на кристалізацію і структуроутворення модельних і металічних сплавів залежить від їхньої природи, характеру і інтенсивності зовнішнього тепловідводу. Показано, що основним фактором дії вібрації на формування структури литої заготовки є руйнування фронту тверднення за рахунок ударних навантажень пружних хвиль в умовах інтенсивного тепловідводу або в створенні великої кількості центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації в умовах слабкого або направленого однобічного тепловідводу.
Доведено, що формування кристалічних структур зливків із залізовуглецевих і алюмінієвих сплавів здійснюється за тим самим механізмом, що й зливків з модельних сплавів.
6. Установлено, що вібрація інтенсифікує тепловідвід від твердіючої безперервнолитої заготовки за рахунок інтенсифікації теплових потоків, які підводяться до границі тверднення, забезпечує мінімальну товщину затверділої корки, вирівнює нерівномірність фронту кристалізації в наслідок обламування дендритів і зменшує в наслідок цього імовірність утворення "перемичок". За рахунок осідання уламків дендритів значно зменшується глибина рідкої лунки (в модельних експериментах в 2-4 рази).
Найбільший ефект вібраційної дії на твердіючу заготовку досягається при підведенні віброімпульсу в зону вторинного охолодження. При цьому посилюється тепловідвід від заготовки в зоні кристалізатора на 8% і в зоні вторинного охолодження на 12%.
7. Дослідженнями тепло- і масообміну з використанням фізичної моделі кристалізатора МБЛЗ при газоімпульсній обробці розплаву з малою амплітудою (0,04 м) і високою частотою імпульсів (120…900 хв.-1) встановлено, що вона викликає розвиток потужних турбулентних потоків по осі заготовки, які розповсюджуються до самої верхньої зони вторинного охолодження. Вихори, які утворюються при цьому, створюючи інтенсивний рух розплаву, здійснюють силову дію на границю тверднення і викликають обламування вершин дендритів.
Установлено, що при великих частотах пульсації (600…900 хв.-1) за рахунок осідання уламків дендритів глибина рідкої лунки зменшується до 2 разів. За результатами фізичного моделювання рекомендувани наступні параметри газоімпульсного перемішування: частота 150 ч 180 хв.-1; ампліту-да – 60 ч 100 мм; глибина занурення труби – 180 ч 190 мм.
8. Показано, що вібраційна обробка зливків зі сталей марок 20, 60 і Х18Н9Т, сірого чавуну СЧ18-36 і алюмінієвого сплаву АК5М2 викликає: подрібнення дендритної структури в 2-10 разів і мікроструктури в 1,6ч2,5 рази; усуває транскристалізацію в нержавіючій сталі; забезпечує утворення тонкодиференційованої графітної евтектики і подрібнення в 2 рази евтектичних аустенітно-графітних колоній в чавуні; подрібнення в 2-2,5 рази структури і рівномірний розподіл евтектичної складової в зливку зі сплаву АК5М2. Вібраційна обробка підвищує на 15ч45% пластичні властивості сталей і 33ч54% алюмінієвого сплаву, знижує залишкові напруження в сталевих зливках на 20ч29%, а в зварних швах – в 1,5ч2,5 рази.
9. Отримані в дисертаційній роботі результати вивчення закономірностей кристалізації і структуроутворення сплавів при накладенні вібрації на рідкий метал і метал, що кристалізується дозволили розробити технологію і апробувати її на низці заводів при отриманні литих заготовок для відповідальних деталей нафто- і газопромислового устаткування. Очікуваний економічний ефект при цьому складає 300 – 400 у.о. на тонні сталі у виробі.
Основний зміст дисертації опубліковано в наступних роботах:
1. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Процессы формирования отливок и их моделирование. –М.: Машиностроение, 2001. – 208 с.
2. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д., Нурадинов А.С. Влияние внешних воздействий на структурообразование и неметаллические включения при кристаллизации стали // Сталь. – 1999. - № 7. – С. 27-30.
3. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Моделирование процессов кристаллизации и структурообразования сплавов // Процессы литья. – 2001. - № 1. – С. 15-21.
4. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Теплофизические условия формирования литых заготовок // Процессы литья. – 2001. - №3. – С. 48-52.
5. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С. Литье стали под давлением // Металлургия машиностроения. – 2001. - № 3. – С. 37-46.
6. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Влияние градиента температуры на кристаллическую структуру литья // Сталь. – 2001. № 5. – С. 25-27.
7. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрации на интенсивность теплопередачи к границе затвердевания сплавов // Материаловедение. – 2001. - № 5. –С. 52-55.
8. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Ефимов В.А. Моделирование процесса формирования конуса осаждения неметаллических включений в крупных стальных слитках // Сталь. – 2001. - № 10. – С. 21-22.
9. Ефимов В.А. Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Исследование термокапиллярного массопереноса ликватов при затвердевании сплавов // Материаловедение. – 2001. - №10. – С. 9-12.
10. Нурадинов А.С., Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Влияние температурных полей в затвердевающей отливке на формирование ее структуры // Сталь. – 2002. - №2. – С. 26-28.
11. Эльдарханов А.С., Ефимов В.А., Нурадинов А.С., Таранов Е. Д. Моделирование процесса вибрационной обработки металлических сплавов // Металлургия машиностроения. – 2002. - № 2. – С. 18-19.
12. Нурадинов А.С. Влияние распределения температурных полей на формирование слитка // Процессы литья. – 2002. - №3. – С. 30-34.
13. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С. Влияние упругих колебаний на кристаллизацию и структуру слитка // Металлургическая и горнорудная промышленность. -2002. - № 7. –С. 192-195.
14. Нурадинов А.С., Ефимов В.А. Исследование теплофизических условий затвердевания стальных слитков в поле упругих волн // Процессы литья. – 2002. - №4. – С. 30-35.
15. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрационной обработки на структуру и свойства слитка стали 60 // Сталь. – 2002. - № 12. – С. 15-17.
16. Нурадинов А.С. Исследование вибрационной обработки слитков из нержавеющей стали // Процессы литья. – 2003. - №1. – С. 33-36.
17. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние упругих волн на межфазный переход расплава в кристаллическую структуру слитков // Материаловедение. – 2003. - № 3. – С. 36-38.
18. Кондратюк С.Е., Таранов Е.Д., Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С. Вплив температурно-часових параметрів на кристалізацію розплавів у нерівноваж-ному стані // Металознавство та обробка металів. – 2003. - №4. – С. 3-7.
19. Нурадинов А.С. Распределение температурных полей и конвективных потоков при затвердевании слитков // Материаловедение. - 2003. - №7. – С. 12-15.
20. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Моделирование процессов формирования кристаллической структуры литья под давлением // Сталь. – 2003. - №6. – С. 39-41.
21. Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С, Таранов Е.Д. О механизме воздействия вибрации на кристаллизацию и структурообразование сплавов // Литейное производство. – 2003. - №9. – С. 13-15.
22. Ефимов В.А., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С. Влияние вибрации на теплофизические процессы и структуру кристаллизующегося металла // Литейщик России. – 2003. - №8. – С. 8-10.
23. Нурадинов А.С. Распределение температурных полей и конвективных потоков при затвердевании слитков // Материаловедение. – 2003. - №7. – С. 12-15.
24. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Пилипенко Т.К., Таранов Е.Д. Вплив вібрації на структуру сірого чавуну // Металознавство та обробка металів.
- 2004. - №4. – С. 30-34.
25. Нурадинов А.С., Таранов Е.Д., Эльдарханов А.С., Ефимов В.А. Влияние внешних воздействий на перемещение ликвирующей фазы в затвердевающем слитке //Процессы литья. – 2004. - №2. – С. 37-40.
26. Нурадинов А.С., Ефимов В.А., Таранов Е.Д., Эльдарханов А.С. Влияние вибрации на формирование макро- и микроструктур затвердевающих стальных слитков // Материаловедение. – 2004. - №5. – С. 24-26.
27. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Применение динамических воздействий для повышения качества слитков и непрерывнолитых заготовок // Процессы литья. – 2005. - №1. – С. 34-39.
28. Нурадинов А.С., Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Формирование непрерывнолитой заготовки в поле упругих колебаний // Металл и литье Украины. – 2005. - №3-4. – С. 131-132.
29. Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Влияние способа виброобработки на характер затвердевания непрерывнолитой заготовки // Металлургия машиностроения. – 2005. - №4. – С. 97-99.
30. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д., Пилипенко Т.К. Формирование микроструктуры серого чугуна под воздействием вибрации // Литейщик России. – 2006. - №1. – С. 26-28.
31. Нурадинов А.С., Найдек В.Л., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. Влияние вибрации на структуру и свойства алюминиевого сплава АК5М2 // Литейщик России. – 2005. - №10. – С 23-25.
32. Тарасевич Н.И., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. и др. Влияние вибрационной обработки на параметры затвердевания стальной заготовки // Процессы литья. – 2006. - №1. – С. 64-69.
33. Нурадинов А.С., Эльдарханов А.С., Таранов Е.Д. и др. Теплообменные процессы при формировании НЛЗ в поле упругих колебаний // - Сталь. - 2006. - № 6. – С. 51-52.
34. Нурадинов А.С. Теплообменные процессы при формировании непрерывнолитых заготовок // Литейщик России. – 2006. - № 7. – С. 34-37.
35. Найдек В.Л., Нурадинов А.С., Таранов Е.Д. Вибрация как способ повышения качества литых заготовок // Процессы литья. – 2007. - № 1. – С. 46-53.
АНОТАЦІЯ
Нурадинов А.С. “Управління формуванням структури металевих заготівок
шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави”
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – “Металургія чорних металів”. – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.
Дисертаційна робота присвячена теоретичному та експериментальному узагальненню закономірностей процесів кристалізації, термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок, формування кристалічної структури і властивостей твердіючих литих заготівок в умовах теплосилових дій на рідкий та твердіючий розплав.
Методами фізичного і математичного моделювання та натурними експериментами визначено основні закономірності тепломасопереносу в рідких та твердіючих сплавах в умовах диференційного тепловідводу, зовнішнього тиску, вібрації та газоімпульсного перемішування. Доведена важлива роль конвекції в формуванні структури зливків та отримано кількісний зв'язок процесів кристалізації і структуроутворення сплавів зі значенням температурного градієнту по перерізу зливків.
Аналітично та експериментально підтверджена гіпотеза про те, що просування ликватів в міждендритних ділянках твердіючих сплавів відбувається не внаслідок молекулярної дифузії, а в результаті розвитку капілярного і конвективного масопереносів і пов’язано з виникненням міжфазних сил на границі ліквуючих речовин і зростаючих кристалів. Встановлено кількісний зв'язок кінетики просування ліквата з параметрами зовнішнього тиску.
Експериментально доведено, що реалізація механізму дії вібрації на твердіючий розплав пов’язана з умовами зовнішнього тепловідводу: при інтенсивному тепловідводі механізм дії вібрації на розплав полягає в руйнуванні фронту кристалізації за рахунок ударних навантажень пружних хвиль, а в умовах слабкого тепловідводу – в створенні центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації. Науково обґрунтовані оптимальні параметри газоімпульсного перемішування сплавів.
Віброобробка твердіючих сталевих, чавунних та алюмінієвих зливків забезпечила суттєве подрібнення макро- і мікроструктури в сталі, утворення тонкодиференційної графітної евтектики в чавуні, рівномірний розподіл евтектики в алюмінієвому сплаві, підвищення на 15-45% пластичних властивостей сталі та на 33-54% алюмінієвого сплаву, а також суттєво зниження остаточних напруг в сталевих зливках та зварювальних швах.
Розроблені обладнання та технологія вібрації пройшли промислову перевірку на ряді підприємств країн СНД при одержанні якісних литих заготівок для відповідальних деталей газо- і нафтопромислового устаткування.
Ключові слова: зливок, сплав, тепловідвід, тиск, вібрація, газоімпульсне перемішування, кристалізація, термокапілярний масоперенос, структура, властивості.
АННОТАЦИЯ
Нурадинов А.С. “Управление формированием структуры металлических заготовок путем теплосиловых воздействий на затвердевающие сплавы”
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.02 –“Металлургия черных металлов”. – Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2007.
Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспери-ментальному обобщению закономерностей процесса формирования металлических заготовок в условиях теплосиловых воздействий на жидкие и кристаллизующиеся сплавы.
В работе выполнен анализ современных представлений о характере влияния внешних воздействий на кристаллизующиеся сплавы. Показана их важная роль в формировании типа кристаллической структуры и ее дисперсности, а также в развитии процесса ликвации в отливках, слитках и непрерывнолитых заготовках. Обоснована целесообразность дальнейшего развития теории и технологии получения литых заготовок с применением теплосиловых воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл. Разработана общая методическая структура теоретических и эксперимен-тальных исследований.
Теоретически и экспериментально на термостатируемых физических моделях установлены закономерности гидродинамических и теплофизических процессов, влияющих на формирование структуры слитка в условиях различной интенсивности и характера внешнего теплоотвода. Доказана решающая роль конвективных потоков в перераспределении температур, переохлажденных объемов расплава и параметров кристаллизации по сечению затвердевающих слитков. На основании термометрии и анализа связи процессов кристаллизации и структурообразования модельных и металлических сплавов со значениями температурного градиента по сечению слитков предложена формула для определения оптимальной температуры теплоотводящей поверхности (стенки изложницы), обеспечивающей формирование оптимальной кристаллической структуры. Установлена количественная зависимость между величиной температурного градиента по сечению слитка и скоростью роста первичных и вторичных осей дендритов. Методом физического моделирования определена категория сплавов, термовременная обработка которых нецелесообразна.
Развиты представления о механизме термокапиллярного массопереноса ликвирующей примеси в междендритных участках затвердевающих слитков. Доказано, что быстрое перемещение ликватов в междендритном пространстве происходит, главным образом, не вследствие молекулярной диффузии, а в результате развития термокапиллярного и конвективного массопереносов и связано с возникновением межфазных сил на границе ликвирующих веществ с поверхностью растущих кристаллов. Установлена количественная связь кинетики массопереноса ликвата с параметрами внешнего давления на затвердевающий расплав.
Методом математического моделирования с использованием экспериментальных данных изучены особенности гидродинамических и теплофизических процессов при затвердевании стальных слитков под воздействием вибрации. Развиты представления о механизме воздействия вибрации на кристаллизацию и структурообразование модельных и металлических сплавов в зависимости от их природы и характера внешнего теплоотвода. Показано, что воздействие вибрации на измельчение кристаллической структуры слитка в условиях интенсивного теплоотвода осуществляется, главным образом, за счет разрушения фронта кристаллизации, а в условиях слабого или направленного теплоотвода – создания центров кристаллизации за счет развития кавитации.
На физической модели кристаллизатора МНЛЗ изучено влияние вибрации и газоимпульсного перемешивания с малой амплитудой (0,04 м) и высокой частотой пульсации (120…900 мин.-1) на процессы тепло- и массообмена в формирующейся заготовке. Установлено, что вибро- и газоимпульсное воздействие на затвердевающую заготовку существенно снижает скорость нарастания корочки заготовки, что обеспечивает более быстрый отвод тепла перегрева расплава и наступление периода объемной кристаллизации ядра заготовки. При этом значительно сокращается глубина жидкой лунки за счет интенсивного оседания обломков дендритов с фронта кристаллизации и из зоны кавитации. Научно обоснован диапазон оптимальных параметров (амплитуда и частота импульсов) вибро- и газоимпульсного воздействия на затвердевающую заготовку.
Показано, что вибрационная обработка слитков из сталей марок 20, 60 Х18Н9Т, серого чугуна СЧ18-36 и алюминиевого сплава АК5М2 вызывает измельчение дендритной структуры в 2-10 раз и микроструктуры в 1,6-2,5 раза. При этом, вибрация повышает на 15-45% пластические свойства сталей и на 33-54% алюминиевого сплава; снижает остаточные напряжения в стальных слитках на 20-30%. Разработанная на основе исследований технология виброобработки сплавов прошла промышленную проверку на ряде предприятий при изготовлении заготовок для деталей нефтегазо-промыслового оборудования с ожидаемым экономическим эффектом 300-400 у.е. на тонне стали в изделии.
Ключевые слова: слиток, сплав, теплоотвод, давление, вибрация, газоимпульсное перемешивание, кристаллизация, термокапиллярный массоперенос, структура, свойства.
ABSTRACT
Nuradinov A.S. “Control of formation structure of metal billets by heatforce influences on solidifying alloys”
Thesis for competition for Doctor of Engineering Science by according the 05.16.02 – “Metallurgy of ferrous metals” specialty. – Physics-Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine, Kiev, 2007.
The doctoral thesis is devoted to the theoretical and experimental generalization of processes regularity for crystallization, thermo-capillary mass transfer liquating additives, formation of crystal structure and properties of solidifying metal billets under conditions of heat-force influences on the liquid and solidifying alloy.
Using methods of physical and mathematical simulation and full-scale experiments there were determined the base regularities of heat and mass transfer in the liquid and solidifying alloys under conditions of varied heat sink, external pressure, vibration and gas-impulsive mixing. The main role of the convection in ingots structure formation is proved and the numerical relation between crystallization processes and alloys structure formation and value of thermal gradient along the ingots section is obtained.
The hypothesis that liquates movement in inter-dendrite zones of solidifying alloys isn’t sequent from molecular diffusion but as a result of evolution of capillary and convective mass transfer and it is connected with the appearance of interfacial forces on the border of liquating agents and growing crystals is confirmed analytically and experimentally. The quantitative relation between liquate movement kinetics and external pressure parameters is determined.
It is proved experimentally that the realization of vibration effect on the solidifying melt is connected with the conditions of the external heat sink: during the intensive heat sink the vibration effect on the melt consists of crystallization front destroy at the expense of load impacts of elastic waves, and under conditions of low heat sink – of crystallization centers creation at the expense of cavitation evolution. The optimal parameters of gas-impulsive melt mixing are substantiated scientifically.
Vibration treatment of solidifying steel cast iron and aluminum ingots supplies the essential breakage of macro- and micro-structure in a steel, creation of finely varied graphite eutectic in a cast iron, uniform distribution of eutectic in an aluminum alloy, increase of elastic properties for steel in 15-45% and for aluminum alloy – in 33-54%, and decrease essential of residual stresses in steel ingots and weld seams.
The developed equipment and vibration technology passed the industrial test in some enterprises in CIS countries during obtaining the quality billets for critical parts for gas and oil industry equipment.
Key words: ingot, alloy, heat sink, pressure, vibration, gas-impulsive mixing, crystallization, thermal capillary mass transfer, structure, properties.