Затвердевание металлов

Оно А.

Металлургия, 1980 г.

Воздействие вибраций  и перемешивания на литые структуры

Ранние теории

Хорошо известно, что принудительные колебания и перемешивание расплава во время затвердевания (ультразвуковые и механические колебания, продувка газами, наложение вращающихся магнитных полей, взаимодействующих электромагнитных полей) очень эффективно измельчают структуру при затвердевании, но механизм измельчения зерна изучен недостаточно.

Полагают, что при наложении колебаний зерно измельчается главным образом в результате разрушения

дендритных кристаллов. Для объяснения того факта, что волны периодически изменяющихся давления и разрежения способствуют измельчению зерна, предложена гипотеза [30], согласно которой при воздействии волны давления уменьшается критический размер стабильных зародышей металла, дающего усадку при затвердевании. Но при этом трудно объяснить, как выживают зародыши в период волны разрежения, которая увеличивает критический размер. Если при наложении колебаний зерно измельчается в результате облегчения зародышеобразования в расплаве, то трудно объяснить, почему этот же фактор не содействует зародышеобразованию чистых металлов.

Показано также, что вынужденное колебание расплава в литейной форме экономично только при отливке слитков малых размеров, так как основная часть энергии колебаний поглощается формой.

Факторы модифицирующего воздействия вибраций

Считают, что имеется два важных фактора модифицирующего воздействия вибраций на структуры затвердевания. Первый фактор состоит в том, что колебания способствуют смачиванию расплавом поверхности формы, а это в свою очередь облегчает теплоотвод от расплава через стенку формы. Но поскольку в обычных условиях поверхность расплава покрыта оксидными пленками, то трудно ожидать однородного его контакта с этой стенкой. Колебания разрушают покровные пленки, облегчают смачивание поверхности формы, в результате скорость охлаждения расплава увеличивается, т. е. облегчается зарождение кристаллов, вследствие этого измельчается структура наружного слоя слитков.

Второй фактор заключается в том, что наложение колебаний способствует разобщению шейкообразных кристаллов со стенкой литейной формы. Чтобы кристаллы, растущие на стенке формы, разобщались, желательно сужение их корневой части. Для металлов, затвердевающих с плоским фронтом кристаллизации, например чистых металлов, невозможно отделение кристаллов от стенки формы. Однако если металлический расплав содержит достаточно растворенного вещества для формирования дендритных кристаллов при затвердевании, то принудительные колебания могут способствовать формированию равноосных кристаллов.

Вибрации поверхности расплава

Часто полагают, что при наложении колебаний весь расплав в форме приходит в движение. Однако даже простой эксперимент на водяной модели (рис. 82) опровергает это предположение.

Однолитровый химический стакан, заполненный на три четверти водой, был помещен на вибратор, который  двигался с амплитудой 0,2 мм и частотой 50 циклов/с В стакан с водой вводили несколько капель чернил и наблюдали за их движением. Несмотря на наличие очень мощных поверхностных колебаний, чернила в центральной области находились в застое и не рассеивались (см. рис 82) Даже после увеличения амплитуды колебании до 0,6 мм, при котором движение жидкости на поверхности стало более бурным, поведение чернил в нижней области стакана не изменилось.

Подобный эффект можно ожидать и в случае металлических расплавов. Следовательно, когда металл затвердевает в вибрирующей форме, то колебания должны быть эффективны лишь постольку, поскольку они способствуют разобщению кристаллов со стенкой формы в области контакта стенки с поверхностью расплава. Если форма вибрирует во время заливки металла, то вызванноё вибрацией волновое движение поверхности расплава будет способствовать разобщению кристаллов со стенкой формы до тех пор, пока не образуется стабильная твердая корочка. Так как верх твердой корочки имеет выступающую часть на уровне свободной поверхности расплава (рис. 83), и выступающие дендриты могут быть источником поставки равноосных кристаллов, то наложение поверхностных колебаний на расплав в форме эффективно даже в период после формирования твердой оболочки, т. е. после завершения заливки расплава.

Период эффективного использования вибраций

Выше было отмечено, что кристаллы разобщаются со стенками формы в начальной стадии затвердевания и осаждаются, формируя равноосную зону. Имеются основания предполагать, что вибрация наиболее эффективна для разобщения кристаллов со стенкой в начальный период затвердевания и это подтверждено простым экспериментом [31]. На рис. 84 изображена макроструктура затвердевания алюминия чистотой 99,8%, залитого при температуре 750° С в графитовую форму диаметром 35 мм и глубиной 100 мм в условиях статического состояния и наложения вибраций.

Макроструктура такого слитка в статических условиях состояла только из столбчатых зерен (рис. 84). При вибрации у макроструктуры затвердевшего слитка появилась тенденция формирования зоны равноосных кристаллов (рис. 84, б). Металл, затвердевший в форме, которую подвергали вибрации до тех пор, пока толщина твердой корочки не достигла приблизительно 5 мм, имел такую же структуру (рис. 84, в),как и в случае застывания в вибрирующей форме в течение всего периода затвердевания (рис. 84,6).

Если же графитовую форму поддерживали в стационарных условиях до тех пор, пока толщина твердой корочки не достигала ~10 мм и затем подвергали вибрации до завершения затвердевания, то в окончательной макроструктуре (рис. 84, г) не наблюдали тенденции к формированию равноосной области. Структура в этом случае была подобна структуре металла, затвердевшего в стационарных условиях (рис. 84, а).