Формирование кристаллического строения отливок

Баландин Г.Ф.

Машиностроение, 1973 г.

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Метод использования ультразвука для улучшения качества отливок является разновидностью вибрационного метода литья, о котором шла речь в предыдущей главе. Отличие заключается в том, что при использовании ультразвука в расплаве возбуждаются вибрации ультразвуковой частоты.

Ультразвук так же, как и вибрация, находит успешное применение в народном хозяйстве. Ультразвуковые методы очистки, обезжиривания, смешивания уже широко используются в различных отраслях промышленности. Разработаны и внедряются методы ультразвукового резания металлов, ультразвуковой сварки металлов, пластмасс, биологических тканей (например, костей). Разрабатываются способы введения ультразвуковых вибраций в кристаллизующийся расплав при литье и сварке плавлением. Ультразвуковые вибрации так же, как и низкочастотные, способствуют уменьшению газовой и усадочной пористости, устранению горячих трещин в отливках и вызывают существенное измельчение зерна в литых металлах и сплавах.

К настоящему времени выполнено большое число исследований воздействия ультразвука на процесс кристаллизации металлов и сплавов. Однако в этих исследованиях так же, как в исследованиях воздействия низкочастотных вибраций, толкования существа происходящих явлений плохо согласуются между собой, а порой противоречат друг другу.

Ниже, в п. 54, дан обзор способов возбуждения ультразвуковых вибраций в расплаве. В п. 55 изложены существующие объяснения воздействия ультразвука на кристаллизующийся расплав. В п. 56 механизм воздействия ультразвука объясняется с точки зрения изложенной теории формирования кристаллического строения отливок.

54. Способы возбуждения ультразвуковых колебаний

в кристаллизующемся расплаве

Широко известны два способа (рис. 160) введения ультразвуковых колебаний в расплав: снизу и сверху [67, 72, 113].

ности 2,5—5,0 кет на 1 кг. В этой связи рациональная область использования ультразвука пока ограничивается сваркой плавлением, для чего разработан ряд новых способов введения колебаний в сварочную ванну (см. п. 57).

Правда, уже сейчас предложено несколько способов введения колебаний в расплав при литье слитков. Но, как правило, они применимы для непрерывного литья, т. е. в случаях, когда расплав обрабатывается не весь целиком, а последовательно, по мере кристаллизации его в лунке. Например, на рис. 162 показана схема обработки ультразвуком стальных слитков. Здесь инструмент является затравкой для кристаллизации непрерывного слитка. По мере намораживания слитка упругие колебания передаются через слой затвердевшего металла. По данным фирмы «Westingaus» (США), таким способом обрабатывались слитки нержавеющей стали массой до 200 кг; выходная мощность генератора около 10 кВт.

Есть сведения об использовании ультразвуковых колебаний для обработки фасонных отливок из сталей и цветных сплавов; как правило, это отливки простейшей конфигурации, для которых можно ввести колебания снизу (см. рис. 160, б).

55. Существующие объяснения воздействия упругих колебаний на процесс кристаллизации отливок

Исследование возможности использования ультразвука при литье [35, 43, 72] и сварке плавлением [55, 56] показало, что введение ультразвуковых колебаний в кристаллизующийся расплав позволяет значительно повысить сопротивляемость сплавов образованию горячих трещин и устранить макрохимическую и структурную неоднородность отливок и сварных швов. Первое улучшает технологические свойства сплавов, второе — механические свойства их в отливках и сварных соединениях.

Обширный материал систематических исследований воздействия ультразвуковых колебаний на механические свойства слитков из различных сплавов приведен в работах [43, 113]. Во всех исследованных сплавах наблюдалось измельчение зерна и уменьшение макро- и микрохимической неоднородности строения слитков.

Наиболее детально изучены стали Х27 и Х25Н20 (табл. 5). Обрабатывались слитки массой до 1,9 кг; расплав при плавке перегревался до 2100° К и заливался в изложницу при температуре 1730—1740° К. Колебания вводились снизу (см. рис. 160, а), частота 18 кгц, акустическая мощность около 1 кет.

Воздействие ультразвуковых колебаний на процесс кристаллизации металлов и сплавов объясняется по-разному. Ряд исследователей исходит из предположения, что колебания способствуют интенсивности и равномерному по объему переохлаждению расплава; в результате происходит объемная  кристаллизация

 [35, 43, 72]. При этом считается, что ультразвук создает более благоприятные условия самопроизвольного зарождения центров кристаллизации. Последнее находит подтверждение в работах В. И. Данилова и его школы. Из статей В. И. Данилова, Г. X. Чеджеметова и А. П. Капустина видно, что в переохлажденных расплавах салола и бетола, очищенных от примесей, при действии ультразвуковых колебаний скорость самопроизвольного зарождения заметно увеличивается [48, 64].

По мнению ряда исследователей, благоприятные условия самопроизвольного зарождения создаются за счет главным образом повышения вероятности флуктуации плотности и энергии в результате возникновения знакопеременного давления при распространении упругой волны и развития кавитации в расплаве [35, 72, 92]. В статье И. И. Теумина указывается на то, что скорость зарождения центров кристаллизации при действии ультразвука может возрастать за счет снижения величины поверхностного натяжения на границе кристалл — расплав в результате действия вязкого трения расплава на границе с растущим зародышем [114].

Отдельные исследователи, например, предполагают, что ультразвук способствует появлению дополнительных центров кристаллизации за счет диспергирования кристаллов, уже появившихся в расплаве [92, 141].

Эта точка зрения также находит подтверждение при анализе работ В. И. Данилова и его сотрудников [48, 64]. Например, в статье В. И. Данилова и Г. X. Чеджеметова показано, что скорость кристаллизации переохлажденного салола при действии ультразвука резко (во много раз) возрастает, если в расплаве уже имеются твердые кристаллики (затравка) [48]. По мнению этих авторов, диспергирование твердой фазы в расплаве существенно влияет на процесс кристаллизации переохлажденного расплава при воздействии ультразвука. Аналогичный эффект описан в работе А. П. Капустина на примере тимола [64].

Для возбуждения ультразвуковых колебаний в расплаве указанными способами применяется колебательная система, состоящая из магнитострикционного преобразователя-двигателя, трансформатора упругих колебаний и инструмента, с помощью которого упругие колебания вводятся в расплав. Источником упругих колебаний является преобразователь-двигатель, где электрический ток от генератора высокой частоты преобразовывается в механические колебания ¹.

Наиболее ответственной деталью колебательной системы для возбуждения ультразвуковых колебаний в расплаве, согласно схемам на рис. 160, является инструмент. Он должен обладать высокой жаропрочностью и стойкостью против эрозии и растворения в расплаве конкретного металла или сплава. Поиски материала для инструмента пока не дали положительных результатов. Так, нанесение на стальной инструмент покрытий из окиси алюминия и двуокиси циркония лишь незначительно увеличивает срок его службы. Применение вольфрама также не решает проблемы: вольфрам под действием ультразвуковых колебаний практически хорошо растворяется в расплаве любого металла. Возможно использование керамических инструментов. Необходимыми свойствами, по данным фирмы «Atlas-Werke», обладает фарфор-адростан, но он плохо переносит тепловые удары и поэтому пригоден для длительной работы, например при непрерывном литье [140].

Следует подчеркнуть, что трудности, связанные с выбором материала для инструмента, делают пока практически невозможным широкое использование ультразвука в металлургии и в литейном производстве.

Однако есть еще одно препятствие, затрудняющее использование ультразвука. Это необходимость в генераторах и двигателях большой мощности для обработки более или менее значительных объемов расплава.

По данным И. И. Теумина, при обработке стали введением ультразвуковых колебаний в расплав инструментом снизу (рис. 160, а)к преобразователю-двигателю требуется подвести от 1,0 до 2,0 кВт на 1,0 кг при частоте 16—30 кгц. При введении колебаний инструментом сверху (рис. 160, б) по тем же данным требуется 0,5—1,0 кет на 1,0 кг. Если учесть, что существующие генераторы имеют наибольшую выходную мощность 9,5 кВт   (УЗГ-10),   то  теоретически возможно обработать расплав в первом случае для слитка массой 5—10 кг, во втором — 10—20 кг. Если же учесть, что существующие двигатели имеют наибольшую мощность 4,0 кВт (ПМС-15), то практически масса обрабатываемого расплава не может превышать 4—8 кг. При этом необходимо учитывать, что мощность, потребляемая генератором УЗГ-10, составляет около 20 кВт.

Заметим, что для обработки низкочастотной вибрацией того же количества расплава требуется значительно меньшая мощность. Например, при литье сталей через виброзаливочные устройства требуется мощность, равная всего 2 кВт.