Суспензионная разливка
Затуловский С. С.
Наукова думка, 1981 г.
СУСПЕНЗИОННАЯ РАЗЛИВКА КАК НОВЫЙ СПОСОБ ЛИТЬЯ
1. Общие сведения и терминология
«Плавь горячо, а лей холодно» — этот известный и широко используемый на практике технологический прием литья, о котором упоминает в своей монографии Г. Ф. Баландин [16], переживает второе рождение. В наши дни на основе достижений современной литейной науки и технологии этот классический принцип воплощается в новом эффективном способе получения отливок — суспензионной разливке.
Суспензионная разливка — это такой способ получения отливок, при котором в процессе заполнения литейной формы либо непосредственно после (до) него в объеме расплава создают активные экзогенные или эндогенные центры кристаллизации, инокулирующее воздействие которых проявляется в увеличении скорости и развитии преимущественно объемного затвердевания, диспергирования структуры литого металла. Наиболее важным отличием суспензионной разливки от других способов литья является реализация внутреннего теплоотвода с помощью локальных теплостоков-инокуляторов или интенсификация теплопереноса в жидкой фазе наложением внешних воздействий. Следует отметить также такое важное индивидуальное преимущество данной технологии, как совмещение (приближение) процессов модифицирования или легирования с процессом кристаллизации расплава.
Первые исследования в области суспензионной разливки били проведены Э. Шейлем при литье алюминиевых и стальных слитков в песочные формы, в которые предварительно устанавливали стержни или ленты из алюминия или стали. В это же время одна из французских фирм предложила η качестве средств воздействия на затвердевающий стальной слиток при литье в длинную открытую сверху изложницу для изменения состояния или состава расплава использовать вдувание воздуха, газов, жидкостей или введение твердых металлических либо неметаллических частиц [35].
Большое значение для становления суспензионной разливки имел цикл работ В. И. Данилова [48], посвященный экспериментальному исследованию и анализу закономерностей зародышеобразующего воздействия примесей на процессы зарождения и роста центров кристаллизации, а также работы П. Д. Данкова, например [49], сформулировавшего принцип ориентационного и размерного соответствия кристаллических структур.
В своих опытах по использованию затравок для управления затвердеванием металлических расплавов В. И. Данилов и В. Е. Неймарк [46] отливали конусообразные слитки из рафинированного алюминия в стальную и песочную формы. Перед заливкой в жидкий перегретый металл вводили куски алюминия той же марки, что и расплав. Количество твердой добавки устанавливали таким образом, чтобы полностью снять перегрев металла. Обнаруженное сильное измельчение макроструктуры авторы объяснили влиянием активных примесей, которые образуются в расплаве при "плавлении кусков алюминия и служат источником возникновения дополнительных центров кристаллизации. На основе результатов этой и других работ [48] авторы сделали вывод о целесообразности применения метода введения затравок (инокуляторов) при литье алюминиевых вейербарсов.
Идея ввода затравок из твердого металла была использована при литье стальных слитков [111]. В качестве источника затравок использовали внутренние холодильники-кристаллизаторы, которые изготавливали из листовой стали и проволоки. Содержание углерода в стали кристаллизаторов было несколько выше, чем в разливаемой стали, для обеспечения полного их расплавления. Эксперименты проводились на 8-тонных кузнечных слитках из стали 20. Массу кристаллизаторов устанавливали равной 1,5—2,0% массы слитка. Полученные экспериментальные данные показали, что применение внутренних холодильников-кристаллизаторов позволило улучшить качество слитков: уменьшилась усадочная рыхлость, сократилось развитие внецентрен-ной и зональной ликвации, повысилась пластичность металла. Трудоемкость и технологические трудности изготов -ления и подготовки поверхности заготовок, внутренних холодильников-кристаллизаторов, определения их оптимальных параметров (конфигурации, массы, толщины отдельных элементов ичт. д.), обеспечивающих их полное расплавление, явились основной причиной того, что до настоящего времени эта технология не получила широкого распространения в металлургической практике.
Преимущество способа получения литых заготовок с использованием внутренних холодильников-кристаллизаторов, его большие возможности по оптимизации структуры, повышению физико-химической однородности металла, предотвращению образования литейных дефектов продолжали привлекать внимание специалистов. Академик Н. Т. Гудцов особо отметил важность решения задачи, связанной с разработкой теории и технологии управления строением стальных слитков с помощью плавящихся внутренних холодильников.
Значительный объем исследований в области суспензионного литья фасонных стальных отливок с введением в качестве дисперсных инокуляторов железного порошка выполнен кафедрой литейного производства Горьковского политехнического института им. А. А. Жданова под руководством А. А. Рыжикова [140—149]. По его предложению способ разливки металла с вводом дисперсных инокуляторов (микрохолодильников) получил название «суспензионное литье». Основные результаты многолетних исследований обобщены в работе [148], где рассмотрены особенности затвердевания стальных отливок, полученных суспензионным способом, технологические свойства различных марок железного порошка, требования, предъявляемые к ним как инокуляторам, устройство для ввода дисперсных добавок (вихревой смеситель), технологические параметры литья и влияние суспензионной разливки на структуру, свойства и качество стальных турбинных отливок. Определенный вклад в развитие проблемы внесли исследования А. М. Мадянова [99], работавшего в области суспензионного литья стальных слитков.
Формулируя основные задачи по повышению качества и стабильности металлургической продукции, В. А. Ефимов [58] отмечает, что большие перспективы имеет применение металлических порошков для уменьшения физической, химической и структурной неоднородности, измельчения структуры и повышения механических свойств крупных слитков и отливок. На основе комплексного изучения закономерностей теплофизики, физико-химических процессовкристаллизации и затвердевания расплавов, развития лик-вационной неоднородности структуры и свойств литого металла в ИПЛ АН УССР проводятся широкие исследования и опытно-промышленные работы по созданию новых эффективных технологий суспензионной разливки стали, чугуна и цветных сплавов [58, 59]. В процессе расширения исследований и внедрения суспензионной разливки было установлено, что железный порошок по некоторым важным характеристикам не отвечает основным требованиям, предъявляемым к дисперсным инокуляторам. Кроме того, его производство планируется для нужд порошковой металлургии и не может обеспечить потребности суспензионной разливки. Определенные затруднения представляет также транспортировка порошка от места централизованного производства к месту потребления, а транспортные расходы снижают эффективность технологического процесса. Поэтому в ИПЛ АН УССР была выдвинута идея разработки эффективных составов дисперсных инокуляторов, содержащих модифицирующие и легирующие компоненты, при организации производства различных их видов в максимальном приближении к месту потребления. В этом плане ведутся работы по созданию установок и технологии для получения дисперсных инокуляторов в виде литой дроби различного состава методом распыления жидких металлических расплавов [71, 72], разработке новых составов инокулирующих сплавов — лигатур, содержащих растворимые и нерастворимые активные примеси [10, 12], использованию в качестве инокуляторов отходов производства — стружки [155, с. 125—130], металлической фракции энергетических и металлургических шлаков. Полученные результаты свидетельствуют о реальной перспективе создания материально-технической базы для обеспечения суспензионной разливки дисперсными инокуляторами требуемого состава и качества. Решение этой важной проблемы позволит существенно расширить область внедрения суспензионной разливки, увеличить технико-экономическую эффективность метода. Исследования и опытно-промышленные работы проводятся по созданию эффективных технологий суспензионной разливки различного рода заготовок: фасонных стальных и чугунных отливок [59], кузнечных и листовых слитков [58, 56] и не-прерывнолитых заготовок [155, с. 107—111], крупных слитков кипящей стали [155, с. 144—146]. Проводятся работы по дальнейшему совершенствованию способов ввода дисперсных инокуляторов с помощью электромагнитных сил