Технологии » 2012 » Июнь » 21 » Литейные сплавы и плавка. Структура сплавов, затвердевание с интервалом кристаллизации
22:28
Литейные сплавы и плавка. Структура сплавов, затвердевание с интервалом кристаллизации
Способы воздействия на размер зерна и структуру сплавов


К способам воздействия можно отнести изменение скорости затвердевания (тепловой способ), модифицирование, применение вибрации, ультразвуковых колебаний электромагнитных полей и введение микрохолодильников.
Помимо измельчения зерна увеличение скорости затвердевания препятствует развитию диффузии в жидкой фазе и ослабляет дендритную ликвацию.

Модифицирование


Процесс ввода малых количеств веществ (модификаторов) в расплав с целью измельчения зерна и улучшения механических свойств отливок называется «модифицированием».
Из-за активного взаимодействия с жидким металлом эффект модифицирования является кратковременным и при длительной выдержке, как правило, порядка 15 мин, может полностью исчезнуть, что и отличает модификаторы от элементов, используемых для микролегирования, эффект которого сохраняется в сплаве навсегда.
Поэтому вопрос увеличения длительности действия модификаторов является актуальным.

Как правило, введение в расплав модификаторов способствует кристаллизации структурных составляющих в округлой форме, их значительному измельчению, равномерному распределению и, как следствие, существенному повышению механических свойств.

Поэтому модифицирование относят к мощным средствам улучшения свойств сплавов, особенно для отливок.
При этом модифицирование позволяет в ряде случаев повысить степень легирования.
Примером могут служить серые чугуны, высокие марки которых (выше СЧ20 до СЧ35) получить без модифицирования практически невозможно, особенно если учесть увеличение возможностей их легирования с применением модифицирования.
Аналогичные результаты после модифицирования достигаются и для других материалов: сталей, алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов.

В трудах академика П. А. Ребиндера модификаторы делятся на два рода.
К м о д и ф и к а т о р а м I го  р о д а относятся нерастворимые тугоплавкие вещества, обладающие структурным соответствием с кристаллизующимся веществом, т.е. имеющие параметры кристаллической решетки, близкие к параметрам решетки этого вещества (различие не более 12 %).
По существу эти модификаторы образуют центры кристаллизации, и зарождение кристаллов на поверхности модификатора I рода в отличие от самопроизвольного зарождения называется гетерогенным.
При этом резко сокращается интервал метастабильности расплава и измельчается зерно.


К модификаторам I рода относят добавки титана для стали, алюминиевых и медных сплавов или добавки ванадия и хлористого натрия для алюминиевых сплавов и др.

Нерастворимые тугоплавкие дисперсные примеси, не обладающие структурным соответствием и всегда присутствующие в реальных сплавах, также влияют на процесс зарождения кристаллов.
В основном к ним относятся оксиды и другие неметаллические включения.
Такие примеси называют активированными, или активными.

Активирование примесей происходит, как правило, после повторного расплавления.
Предполагается, что в результате затвердевания сплава на поверхности примеси образуется пограничный активированный слой закристаллизовавшегося вещества, который обладает структурным сходством с этим веществом.


С активированием примесей и их дезактивацией при большом перегреве связывают явление наследственности, заключающееся в соответствии размеров зерна в чушках и отливках.

Как правило, такое соответствие наблюдается при небольших перегревах сплава.
При увеличении перегрева происходит дезактивация пограничного слоя, действие примесей исчезает, и в большинстве случаев в результате образуется крупнозернистая структура.

Для некоторых сплавов после дезактивации примесей при небольшом перегреве (например, при перегреве 50 ºС для алюминиевых сплавов) наблюдается измельчение зерна при значительном увеличении перегрева (например, 200 ºС для тех же алюминиевых сплавов).

Объясняется это тем, что в период заполнения формы поток металла разрушает ветви дендритов и обломки твердой фазы действуют модифицирующе на сплав, так как в этом случае имеется полное структурное соответствие.

Гораздо большее значение имеют м о д и ф и к а т о р ы II го  р о д а, являющиеся поверхностно-активными к кристаллизующейся фазе веществами, неограниченно растворимыми в жидкой фазе и мало растворимыми (0,01...0,1%) в твердой.

Малые добавки этих веществ вызывают резкое уменьшение переохлаждения, поверхностного натяжения, интервала метастабильности и приводят к измельчению зерна из-за самопроизвольного (гомогенного) зарождения центров кристаллизации.

Модификаторы II рода не только измельчают зерно, но и изменяют его форму.
При кристаллизации сплава поверхностно-активные вещества, имеющие низкие температуры плавления, оттесняются на поверхности растущих кристаллов, тормозя их рост.
Они препятствуют развитию игольчатых и пластинчатых кристаллов, придавая им округлые формы.

Примерами могут служить добавки натрия в алюминий-кремниевые сплавы (эта мера приводит к изменению игольчатой формы выделений кремния в эвтектических колониях на глобулярную) и магния в чугуны с шаровидным графитом.

Кроме раздельного использования модификаторов I и II рода в последние годы применяют комплексные модификаторы, включающие вещества, которые воздействуют на структуру сплавов комплексно — одновременно как модификаторы I и II рода.

Примерами таких модификаторов являются железо-кремний-магниевая лигатура ФСМг5 для модифицирования высокопрочного чугуна (в том числе в литейной форме), модификатор Fe—Si—Са с добавками Al, Ti, Се и La для модифицирования серых чугунов.

К комплексным модификаторам можно отнести одновременную добавку 0,003 % В; 0,003 % Bi и 0,01 % Al в ковш при производстве ковкого чугуна, использование которого в настоящее время сильно сокращается.
В последнем примере основным компонентом является бор, который связывает растворимый в расплаве азот, препятствующий графитизации при отжиге ковкого чутуна.

Процесс модифицирования может не дать положительного результата, если в расплавах содержится даже малое количество веществ, называемых демодификаторами.

Например, наличие в чугунах титана, висмута, свинца, сурьмы, мышьяка, олова препятствует образованию шаровидного графита при модифицировании их магнием или его лигатурами.
 
Применение вибрации

Целью использования вибрации является интенсификация процесса образования обломков кристаллов и перемешивания расплава в незатвердевшей части отливки.
Еще в начале ХХ в. было установлено, что интенсивное встряхивание изложницы с частотой 1...100 встряхиваний/мин при амплитуде 15...20 мм способствует лучшему выделению газов из расплава, измельчению зерна, улучшению механических свойств. Для вибровстряхивания литейных форм можно применять вибростолы.
Для виброобработки расплава в форме служат пневматические, механические, гидравлические и электромагнитные вибраторы.
Очевидно, что эффект от виброобработки расплава в форме будет достигнут, если одновременно обеспечиваются условия для затвердевания расплава от стенок формы, а режимы вибрирования должны обеспечивать разрушение растущих кристаллов.
 
Использование ультразвуковых колебаний

Обычно к ультразвуковым колебаниям относят упругие колебания с частотой 16·103...1·1010 колебаний в секунду, т.е. герц (Гц).
Человеческое ухо способно слышать звуки с частотой от 15 до 15000 Гц.

Установлено, что воздействие ультразвука на первичную кристаллизацию аналогично эффекту от виброобработки затвердевающего расплава.
Продуктивным является введение ультразвуковых колебаний через плавящуюся проволоку или трубку с порошком модификатора или микрохолодильников.
 
Применение электромагнитных полей

Вынужденную вибрацию расплава в форме можно создать наложением бегущих, пульсирующих, вращающихся электромагнитных полей.
Установлено, что под одновременным действием скрещенных неоднородного электрического и однородного магнитного полей в расплаве возникает интенсивная циркуляция, которая обеспечивает эффект, аналогичный вибрированию формы.
 
Введение в расплав микрохолодильников

Микрохолодильники вводятся в расплав в виде металлических порошков, которые являются модификаторами или дополнительными центрами кристаллизации и измельчают зерно.
Возможно даже их захолаживающее действие (что следует из названия).

Размеры частиц используемых для этой цели порошков около 0,1 мм, их содержание колеблется от 3 до 10% (от массы расплава).
Порошок может быть изготовлен из раскислителей, легирующих добавок или какого-либо промежуточного сплава на той же основе.

Способы литья, в которых в расплав вводятся микрохолодильники, проф. А.А. Рыжиков предложил называть «суспензионным литьем».
 
Взаимосвязь характера затвердевания с интервалом кристаллизации и скоростью затвердевания


Характер затвердевания (рис. 1) связывают, как правило, с шириной двухфазной жидко-твердой зоны (ξл-с) или расстоянием между полностью твердой и полностью жидкой частями отливки.


Рис. 1. Схемы последовательного (а), объемного (в) затвердевания и затвердевания смешанного типа (б)

Именно в этой зоне протекают основные процессы формирования отливки I в форме II: теплообмен, кристаллизация, объемная усадка при затвердевании, фильтрация и питание, образование усадочных и газоусадочных пор.

В зависимости от ширины двухфазной зоны ξл-с различают три типа затвердевания: последовательное (ξл-с = 0), объемное (ξл-с = h0, где h0 — половина толщины стенки отливки) и затвердевание смешанного типа (0 < ξл-с < h0).

Для наглядного пояснения типов затвердевания использованы моментальные, т. е. соответствующие любому моменту времени τ, схемы на рис. 1, на которых 1/2h0 — это половина толщины h0 плоской или цилиндрической отливки (вторая половина симметрична первой); Ткр, Tл, Тс — соответственно температура кристаллизации, ликвидуса и солидуса сплава; Т1ц и Т1п — температуры центра и поверхности отливки; х — расстояние от поверхности контакта с металлом.

Из рис. 1 следует, что характер затвердевания определяется интервалом кристаллизации.
Реальные сплавы всегда имеют интервал кристаллизации, и их (сплавы) по этому признаку подразделяют на узкоинтервальные1 (Тл — Тс < 10...30K), среднеинтервальные (30 К < Тл — Тс < 100 К) и широкоинтервальные (Тс — Тл > 100...150 К).

1Разность температур для любых температурных шкал одинакова, т.е. ΔТ, К = Δt, ºС.


Рис. 2. Схема влияния скорости теплоотвода (кривые 1, 2) на ширину двухфазной зоны

Однако ширина двухфазной зоны кроме интервала кристаллизации зависит также от скорости теплоотвода, который определяет крутизну кривой распределения температур по сечению отливки.

Можно показать, что с усилением теплоотвода (увеличением скорости охлаждения) ширина двухфазной зоны будет уменьшаться (рис. 2).
Кривые 1, 2 температур по сечению отливки соответствуют разным скоростям теплоотвода (кривая 2 соответствует большей скорости).
Видно, что ширина ξл-с(2) двухфазной зоны для одного и того же сплава меньше ξл-с(1).

Если предположить, что скорость теплоотвода будет стремиться к бесконечности, то, видимо, ξл-с будет стремиться к нулю, а затвердевание будет происходить сплошным фронтом.
Наоборот, с уменьшением скорости теплоотвода ширина двухфазной зоны будет стремиться к толщине отливки.
Следовательно, за счет изменения скорости теплоотвода затвердевание сплава может протекать по любому из трех названных типов затвердевания.

При последовательном затвердевании сплавы с Tкр = const и узкоинтервальные сплавы обладают высокой жидкотекучестью, более высокой плотностью (меньшей склонностью к усадочной пористости), меньшей склонностью к горячим трещинам, большей склонностью к образованию столбчатой структуры.
При объемном затвердевании широкоинтервальных сплавов картина противоположная: пониженные литейные свойства, структура равноосная и т. д.

Поэтому при разработке технологии изготовления отливки необходимо заранее знать тип характера затвердевания.
В первом приближении для определения характера затвердевания можно использовать интервал кристаллизации.

Для второго приближения с учетом скорости теплоотвода можно воспользоваться следующими неравенствами:

 где Тл, Тс, Тф — температуры соответственно ликвидуса, солидуса, формы; b1, b2 — теплоаккумулирующая способность соответственно отливки и формы.

При реализации неравенства (первого) характер затвердевания объемный, а для неравенства (второго) — последовательный или смешанный.

На практике приходится иметь дело с многокомпонентными сплавами, для которых Тл и Тс неизвестны.
В этих случаях можно снять кривые охлаждения сплава и определить интервал кристаллизации.

Наконец, можно использовать метод выливания жидкого остатка, заключающийся в выливании незатвердевшего металла из простейшей формы (типа стакана).
При объемном типе затвердевания из формы либо выливается весь металл (при малой выдержке), либо ничего не выливается (при большей выдержке после заливки).
При последовательном и смешанном характере затвердевания после выливания жидкого остатка образуется отливка стакана с гладкой (последовательное затвердевание) или шероховатой (смешанное затвердевание) внутренней поверхностью.
Величина шероховатости пропорциональна интервалу кристаллизации, несмотря на удаление вместе с жидким остатком части твердых кристаллов.

По предложению академика А.А. Бочвара двухфазную твердо-жидкую зону делят на две части: собственно твердо-жидкую и жидко-твердую.
Собственно твердо-жидкая зона представляет собой твердое тело с вкраплениями жидкой, и, наоборот, жидко-твердая — это жидкое тело с включениями твердой фазы.

Границы двухфазной зоны определяются температурами ликвидуса и солидуса, которые являются физико-химическими характеристиками сплава.
Между линиями ликвидуса и солидуса на диаграмме состояния располагаются технологические границы — определяются температуры выливаемости, питания, нулевой жидкотекучести.

Технологические характеристики сплава определяются опытным путем.
Граница выливаемости, как правило, совпадает с границей нулевой жидкотекучести.

Граница питания также определяется опытным путем по пористости вблизи оси отливки.
Поэтому после нанесения (например, на рис. 1) границ выливаемости и питания двухфазная зона разделится, по крайней мере, на три зоны:
зона макроскопических перемещений жидкого металла (при выливании жидкого остатка образовавшиеся твердые кристаллы удаляются вместе с жидкостью, определяя границу выливаемости);
зона локальных перемещений жидкого металла в пределах твердого скелета, определяющая питание отливки (при выливании жидкость остается между кристаллами);
зона микроскопических перемещений (в ее пределах жидкость разобщается растущими кристаллами на изолированные объемы).
Как любые технологические характеристики границы выливаемости и питания будут зависеть от условий формирования отливки.
В одних случаях они окажутся смещенными к температуре ликвидуса, в других — к температуре солидуса.

Температуры технологических границ в принципе некорректно наносить на диаграммы состояния, как это иногда делается.

   

Литература:
ISBN 5-7б95-127б-8
Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А. П. Трухов, А.И. Маляров. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 336 с.
Рассмотрены литейные свойства наиболее распространенных промышленных сплавов.
   
Читать: Литейные сплавы и плавка: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А. П. Трухов, А.И. Маляров. — М.: Издательский центр «Академия», 2004
Ссылка: http://lmx.ucoz.ru/technology/litejnie_splavy.html
Примечание: Для просмотра в браузере файлов DjVu скачайте и установите на свой компьютер плагин DjVu Browser Plug-in (Free-download) от Caminova, Inc.
Категория: Материаловедение | Просмотров: 3925 | Добавил: semglass | Теги: Метод, алюминий, оборудование, флюсы, дефекты, Сварка
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: