Литейные сплавы и плавка

Трухов А.П., Маляров А.И.

Академия, 2004 г.

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.

Выше был рассмотрен тепловой способ, или изменение скорости затвердевания и теплоотвода от жидкого металла в литейную форму. 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 модификаторам I рода 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 °С для алюминиевых сплавов) наблюдается измельчение зерна при значительном увеличении перегрева (например, 200 °С для тех же алюминиевых сплавов). Объясняется это тем, что в период заполнения формы поток металла разрушает ветви дендритов и обломки твердой фазы действуют модифицируют  на сплав, так как в этом случае имеется полное структурное соответствие.

Гораздо большее значение имеют модификаторы II рода, 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 нетастабильности 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 ΑΙ, ΤΊ, Се и La для модифицирования серых чугунов.

К комплексным модификаторам можно отнести одновременную добавку 0,003 % В, 0,003 % Bi и 0,01 % AI 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 чугуна.

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 XX 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».