УДК 621.744.47

Янчук І.О.

Вінницький національний технічний університет, Україна

ОСОБЛИВОСТІ ДІЇ НИЗЬКОЧАСТОТНОГО ВІБРАЦІЙНОГО

НАВАНТАЖЕННЯ НА ЯКІСТЬ КРИСТАЛІЗАЦІЇ РОЗПЛАВІВ

КОЛЬОРОВИХ МЕТАЛІВ

Вступ

Проблема якісного литва кольорових металів пов’язана з умовами формування дендритної кристалічної структури і розробкою надійних методів управління нею. Отримання дрібнозернистої первинної кристалічної передбачає підвищення границі міцності, ударної в’язкості, підвищеної схильності до пластичної деформації і меншої схильності до тріщиноутворення. Поліпшенню якості сплавів сприяє також отримання металевих заготівок з високою фізичною і хімічною однорідністю, дисперсною кристалічною структурою і стабільно високим рівнем фізико-механічних і експлуатаційних властивостей.

Аналіз останніх досягнень і публікацій

Практично у повному обсязі вплив вібраційного оброблення розплаву на структуроутворення під час кристалізації вивчено в ультразвуковому діапазоні [1]. Одержано також цікаві практичні результати покращання експлуатаційних властивостей ливарних біляевтектичних алюмінієвих сплавів, закристалізованих після дії на розплав низькочастотних коливань [1]. В результаті досліджень було з’ясовано, що механічні коливання, що введені в рідкий метал, зумовлюють подрібнення неметалевих включень, рівномірний їх розподіл по об'єму розплаву, а також збільшують їх поверхневу активність як зародків гетерогенної кристалізації.

Вплив вібрації на кристалізацію розплавів детально досліджувався в роботах [2, 3]. В цих роботах зазначається і експериментально підтверджується, що вібрація розплаву призводить до подрібнення кристалів, однорідності структури, певної орієнтації кристалів та суттєвого зменшення пористості.

Постановка задач та методи їхрозв’язання

Метою роботи є створення науково обґрунтованих технологічних засобів управління формуванням литої структури металевих заготівок в умовах при накладанні зовнішніх теплосилових дій на рідкий метал і метал, що кристалізується.

Згідно поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні основні задачі дослідження:

1) Застосовуються методи фізичного і математичного моделювання для вивчення процесів зародження і росту кристалів, динаміки переміщення ліквуючих фаз в міждентритному просторі, кінетики просування фронту тверднення і формування структурних зон зливка.

2) Вивчення механізму впливу вібрації на зародження і ріст кристалів, процес кристалізації і формування структури металу.

3) Дослідження макро-, мікроструктури і механічних властивостей зразків контрольного і дослідного металу за стандартними методиками.

4) Впровадження рекомендацій з вибору оптимальних параметрів зовнішніх силових дій для отримання якісних металевих заготівок.

5) Необхідно оцінити вплив вібрації на формування кристалічної структури твердіючого розплаву з враховуванням впливу енергії пружних хвиль на зародження і ріст кристалів.

6) Дослідити значення вібраційної складової споживаної енергії при формуванні кристалічних структур, яка полягає в тому, що витрачається на створення в об’ємі розплаву додаткових центрів кристалізації та на обламування гілок зростаючих дендритів.

Виклад основного матеріалу дослідження і обґрунтування отриманих наукових результатів

Тверднення зливків без зовнішніх дій проходить в умовах розвитку гравітаційної конвекції. Теплопередача до границі тверднення в цьому випадку визначається швидкістю руху металу в приграничному шарі, яка змінюється по висоті зливка. В залежності від швидкості конвекційних потоків змінюється і товщина гідродинамічного приграничного шару[2].

Накладення вібрації на твердіючий зливок радикально змінює картину поля швидкостей рідкого металу. При дії вібрації відбувається турбулентний рух практично по всьому об'єму рідкого металу , що призводить, на відміну від звичайних умов, до збільшення швидкості зняття теплоти перегріву з усього об'єму зливка і до зменшення тривалості повного затвердіння. Пружні хвилі руйнують граничний шар, інтенсифікують передачу тепла до стінки виливниці, викликають перемішування металу в ядрі зливка, забезпечуючи при цьому рівномірний розподіл температури по перерізу твердіючого розплаву.

Щоб оцінити вплив вібрації на формування кристалічної структури твердіючого розплаву необхідно враховувати вплив енергії пружних хвиль на зародження і ріст кристалів [4].

Значення вібраційної складової енергії при формуванні кристалічних структур полягає в тому, що вона витрачається на інтенсифікацію процесу зародкоутворення (створення в об’ємі розплаву додаткових центрів кристалізації) та на обламування гілок зростаючих дендритів. Утворення при цьому об'ємів переохолодженого металу навколо кожного з уламків і подальший ріст відбувається за рахунок внутрішньої енергії системи. Всі ці процеси призводять до об'ємного тверднення і формування дисперсної кристалічної структури зливка (рис. 2 б), в той час як структура зливка, отримана без вібрації, складається з грубих стовбчастих і рівновісних кристалів (рис. 2а) [7]. Причому, тривалість тверднення провіброваних зливків завжди істотно менше, ніж контрольних зливків. Це пов’язано, по-перше, з тим, що при дії вібраційної складової на рідку фазу інтенсифікується рух розплаву відносно тепловідвідних поверхонь зливків та, по-друге, товщина твердіючої кірки (тепловий бар’єр) при цьому залишається постійною, що в сумі приводить до інтенсифікації процесу зняття тепла перегріву та кристалізації.

Вібрація розплаву призводить до подрібнення кристалів, однорідності структури, певної орієнтації кристалів та суттєвого зменшення пористості [5].

Накладання пружних коливань на розплав сталі зумовлює полікристалічну дрібнозернисту будову розплаву, внаслідок чого межі пружності і міцності такої структури значно вищі, ніж в грубозернистої структури.

Найбільш важливим параметром, що характеризує якісні властивості є дисперсність дендритної структури, яка визначається відстанями між осями дендритів. Зменшення відстані між осями дендритів сприяє отриманню більш міцних і пластичних виливок.

Відстань між осями дендритів розраховується за формулою [6]:

, (1)

де - швидкість кристалізації; - коефіцієнт масоперенесення.

Руйнування гілок дендритів з фронту кристалізації відбувається під дією згинаючих тисків пружної хвилі, наслідком чого є помітне подрібнення первинного зерна дендриту[6]. Максимальна напруга згину , яка обумовлена опірністю дендриту, дорівнює:

, (2)

де d – діаметр гілок дендрита; L – довжина дендрита; – щільність дендрита; і А – частота і амплітуда пружних хвиль; b – діаметр шийки дендрита.

Очевидно, що руйнування дендритів настає при додержанні умови [7]:

≥ _в , (3)

де – максимальна напруга згину; _в – межа міцності дендрита.

Вібраційне оброблення застигаючого розплаву характеризується наявністю макропереміщень об’ємів металу і його перемішуванням, виникненням пружних коливань у розплаві і переміщенням мікрооб’ємів розплаву, виникненням і розвитком кавітації. Саме кавітація в розплаві є головною причиною руйнування дендритів[7].

а)

б)

Рисунок 2 а,б ̶ Структура зливка, отримана без вібрації(а) та з вібрацією(б).

Одним із ймовірних механізмів подрібнення первинного зерна дендриту є зародження в переохолодженій зоні розплаву центрів кристалізації внаслідок значних тисків, які розвиваються при руйнуванні кавітаційної порожнини. Другим механізмом подрібнення зерна є механічне руйнування фронту кристалізації внаслідок деформації кристалів під дією потужних ударних хвиль, що виникають при руйнуванні кавітаційних порожнин. При цьому під дією кавітації біля фронту кристалізації утворюються повторно і руйнуються кавітаційні бульбашки, які викликають підплавлення фронту, що призводить до його поступової ерозії [4].

Аналіз швидкості течії розплаву по каналах проби показав, що під дією вібрації вона збільшується в 1,2 рази на початкових ділянках проби, потім спостерігаються періодичні швидкісні коливання руху потоку розплаву по каналу проби.

Середня швидкість металу в перерізі каналу може бути визначена за формулою [7]:

, (4)

Звідки,

, (5)

де Н- гідравлічний напір; g- прискорення вільного падіння

. (6)

Підставляємо (5) в (4), та отримуємо розрахункову формулу для визначення втрат напору:

, (7)

. (8)

Гідравлічні характеристики проби (див. Таблиця), що розраховані за експериментальними даними (в дужках наведені значення при вібраційному впливі на розплав) наступні: коефіцієнт втрат напору на тертя=0,041 (=0,048), сума опорів в ливникової системі становить =2,450 (=2,697), а коефіцієнт витрати ливникової системи =0,538

(=0,520) [7].

Таблиця - Результати розрахунків

№ п/п	Н, мм	, мм/с
Без вібрації
1	127,4	851	0,041	2,45	0,538
З вібрацією( ; А=0,4 мм)
1	127,7	823	0,048	2,696	0,52

При дії вібраційної складової середня швидкість потоку металу по каналу проби стає меншої, ніж без вібрації, тому з (7) і (8) виходить, що _віб > і _віб >, а _віб <_.

Висновки

Отже, вказані явища зумовлюють або можуть зумовити корисну зміну процесів та наслідків кристалізації, зменшуючи температуру переохолодження, скорочуючи тривалість кристалізації, і, головне, подрібнюючи структуру, передовсім – завдяки збільшенню кількості центрів кристалізації.

В умовах дії вібрації зовнішній вплив проявляється у значній інтенсифікації теплообміну із зовнішнім середовищем, інтенсифікації потоків вздовж фазової межі, руйнуванні контактів між дендритами, оплавленні їх вторинних осей та відламуванні первинних. У результаті створюються сприятливі умови для формування подрібненої мікроструктури, що сприяє підвищенню пластичних властивостей при невеликому підвищенні межі міцності. Вібрація також викликає подрібнення макро- та мікроструктур, підвищує густину та пластичні характеристики металу в литому стані.

Розроблені універсальні методики і фізичні моделі дозволяють отримувати різні кристалічні структури сплавів в залежності від параметрів зовнішніх теплосилових дій на розплав і можуть бути використані для проведення наукових досліджень в галузі кристалізації і структуроутворення заготівок із кольорових металів.

Перелік літератури

1. Пастухова Е.А. Вплив низькочастотних пружних коливань в кавітаційному режимі на розплав алюмінію в литому стані [Текст] / Е.А.Пастухова, E.A Попова, Л.Є. Бодрова // Зб. наук. тр. IV семінару "Оптимізація складу, структури і властивостей металів, оксидів, композиційних, нано-та аморфних матеріалів ". 2002 року. – Р.144-162

2. Ефимов В.А.Физические методы воздействия на процессы затвердевания сплавов[Текст] / В.А.Ефимов, А.С. Эльдорханов– М.: Металлургия, 1995. –272с.

3. Абрамов О.В. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле[Текст] /. – М.: Металлургия, 1972. – 235 с.

4. Термодинамический анализ условий зарождения и роста кристаллов при виброобработке // Черная металлургия. – 1989. – №9. – С.27.

5. Эльдорхамов А.С. Исследование условий роста кристаллов в поле упругих волн // Процессы лиття [Текст] / А.С. Эльдорхамов. – 1995. – №4. – С.49.

6. Крижанівський Є.І. Вплив вібрації на кристалічну структуру долотної сталі [Текст] /

Є.І.Крижанівський, Л.Д.Пітулей, Д.І.Феденчук. – С.2-3.

7. Морин С.В. Комплексное исследование вибрационного воздействия на кристализацию и свойства отливок из алюминиевых сплавов [Текст] / С.В. Морин. – 2005. –168с.