книги / Теория литейных процессов

формирование статистически разупорядоченных зон расплава, где достигается наибольшая его гомогенность.

Независимо от природы и механизма изменения физических свойств жидкой фазы алюминия можно сделать вывод, что для оптимизации механических свойств отливок расплавы должны насыщаться легирующими добавками при температурах, превышающих порог аномального изменения свойств жидкой фазы на определенную величину. При этом достигается максимальная дисперсность структурных составляющих.

Таким образом, путем термической обработки алюминиевых расплавов можно получить модифицированную структуру и хорошие механические свойства силуминов без дополнительных добавок-модификаторов.

Однако до сих пор отсутствует удовлетворительное объяснение механизма влияния температурной обработки расплавов, в частности алюминиевых, на свойства литого металла. Структурно-чувствительные свойства расплавов алюминия (вязкость, электросопротивление) и концентрация водорода в температурной области 680-1300 °С трижды скачкообразно изменяются. При этом также скачкообразно изменяются энергия активации вязкого течения и тепловой эффект процесса растворения водорода в жидком алюминии. Механизм скачкообразных структурных превращений пока окончательно не выяснен. К наиболее распространенной гипотезе относится гипотеза скрытых переходов, включающая положение «кластерного полиморфизма». Однако представление о жидкой фазе как квазиполикристаллическом теле не согласуется с описаниями таких свойств жидкости, как текучесть, несжимаемость, вязкость и диэлектрические свойства. Кроме того, приводимая гипотеза не объясняет, каким образом полиморфное превращение в кластерах влияет на измельчение структуры отливки.

Теоретические предпосылки «за» и «против» превращений подробно рассмотрены в работах П. С. Попеля.

С точки зрения микроэмульсионного строения жидкости переход от неравновесного состояния расплава к более равновесному сводится к уменьшению площади поверхности разделов капель эмульсии, а также их взаимному растворению друг в друге. С таким переходом связывается улучшение механических характеристик эвтектических сплавов, перегретых выше температуры достижения полной равновесности расплава. Однако такое представление игнорирует процессы массопереноса и не в состоянии объяснить наличие трех и большего числа критических температур, отвечающих скачкам или перегибам кривых структурно-чувствительных свойств сложнолегированных алюминиевых сплавов в указанном ранее температурном интервале.

В практике получения алюминиевых сплавов сложилось представление об отрицательном влиянии высокого перегрева (более 1073 К) на их механические свойства. Однако изменение механических и эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов в зависимости от температуры перегрева носит

сложный характер и оценка температурного воздействия на расплав алюминия неоднозначна.

Из всех известных технологических приемов к наиболее сложным и наименее ясным по характеру протекающих при этом явлений следует отнести технологию подготовки расплава к заливке, несмотря на значительный интерес исследователей к данному вопросу. Это можно объяснить недостаточной изученностью взаимосвязи между строением, свойствами расплавов и качествами получаемых из них отливок.

Резерв повышения эксплуатационных и технологических свойств литейных алюминиевых сплавов содержится в развитии представлений, связанных с явлением металлургической наследственности - передачи наследственной информации о структуре жидкой фазы на структурообразование сплавов в процессе их кристаллизации.

К признакам наследственной информации можно отнести степень микрогетерогенизации расплава и структурные особенности жидкой фазы (стехиометрия комплексов, параметры ближнего порядка структурных агрегатов и т. д.) (В. И. Никитин). На параметры структуры расплава значительное влияние оказывают температура и длительность перегрева жидкой фазы над равновесной температурой плавления, а также термоскоростная обработка, модифицирование, легирование, раскисление, обработка расплава электрическим током, электромагнитным полем и другими физическими воздействиями (А. Г. Пригунова и др., В. И. Муравьев и др.). Качество литых деталей связано также с процессами, проходящими при затвердении и охлаждении отливок. Поэтому исследование строения и структурно-чувствительных свойств расплава с изучением процессов структурообразования, литейных и эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов позволяет установить взаимосвязь между двумя агрегатными состояниями и оценить влияние природы жидкой фазы на процессы формирования структуры и свойств металла. Проведение в этом направлении комплексных исследований позволило бы выявить эффективные методы воздействия на расплав для разработки оптимальной технологии подготовки расплава к заливке в литейную форму.

Чугуны. Известно, что для достижения максимума прочностных свойств конкретному химическому составу чугуна должен соответствовать определенный перегрев расплава над линией ликвидуса. Поэтому выбор оптимальных температурных режимов плавки чугуна необходимо связывать с характером изменения структурно-чувствительных свойств расплавов при нагреве или охлаждении.

Из политермы плотности d расплава Fe-C следует, что в процессе его охлаждения на участке 0-1 наблюдается уплотнение расплава с последующим разуплотнением на участке 1-2. При 1540 °С (точка 2) происходит резкое уплотнение расплава (2-3), далее значение d возрастает по линейному закону. Увеличение d на участке 0-1 обусловлено влиянием температурного фактора, а

падение его на участке 1-2 можно было бы объяснить «кипением» расплава изза выделения микропузырьков окиси углерода. На участке 2-3 «кипение» расплава прекращается (рис. 5.14). Однако правильность такого объяснения сомнительна ввиду очень узкого интервала температур, в котором протекает дегазация. По мере роста концентрации углерода, примерно до эвтектического состава, температурный порог уплотнения (ТПУ) расплава снижается, а степень

уплотнения d , - d 2 100% достигает максимума при 3,9 мае. % С (табл. 5.7).

Л

Если учесть, что с увеличением содержания углерода в чугуне растворимость кислорода возрастает, то уменьшение степени уплотнения расплавов при содержаниях углерода более 3,9 мае. % нельзя объяснить только явлением газовыделения.

Температура, °С

Рис. 5.14. Политерма плотности жидкого чугуна

Таблица 5.7

Зависимость температурного порога и степени уплотнения железоуглеродистых расплавов от содержания углерода

Возможно, что предполагаемые изменения газосодержания являются своего рода «вторичным» эффектом. Непосредственная же причина проявления ТПУ расплава связана со статистическим упорядочением расплава при охлаждении и статистическим разупорядочением его при нагреве.

Положение ТПУ зависит не только от химического состава чугуна, но и от скорости охлаждения расплава. Было исследовано влияние скорости

охлаждения расплава Fe-C и жидких чугунов на положение ТПУ. Сплав перегревали до 1675 °С, выдерживали при этой же температуре в течение 600 с, после чего измеряли интенсивность у-квантов в режиме охлаждения до температуры начала кристаллизации. Затем расплав снова нагрели до 1675 °С, после 600-секундной выдержки охлаждения с более медленной скоростью и измеряли интенсивность у-излучений.

Установлено, что по мере роста скорости охлаждения для всех исследованных расплавов характерно снижение ТПУ (точка 2 на политерме d) в сторону низких температур (табл. 5.8).

Таблица 5.8

Зависимость температурного порога и степени уплотнения жидких чугунов

Степень уплотнения расплава А/ мало изменяется со скоростью охлаждения, хотя наблюдалась тенденция некоторого ее роста. Это можно объяснить некоторым уменьшением газосодержания при повторном переплаве.

Особый интерес представляет собой исследование влияния активных раскислителей (Ai, Ce, Y, La) на характер политерм плотности. Если в исходном сплаве Fe-C-Si (3.6 мае. % С и 2,0 мае. % Si) положение ТПУ соответствует 1540 °С, то при введении 0,25-0,5 мае. % алюминия оно смещается в сторону более высоких температур (1675-1690 °С).

Эффект уплотнения и положение ТПУ также зависит от вида и концентрации легирующих элементов. При легировании чугунов (по мае. %: 3,1 С; 1,8 Si; 0,5 Мп; 0,1 Р; 0,06 S) ТПУ смещается в сторону высоких температур. Так, при введении титана 1,5 мае. % уплотнение расплава начинается при 1612 °С. Исключениями являются расплавы, легированные

мёдью и никелем (соответственно 3,0 и 5,0 мае. %), у которых ТПУ находится при более низких температурах, чем у исходного чугуна.

Степень уплотнения легированных расплавов (2,52-4,0 мае. %) меньше, чем нелегированных (4,30-4,52 мае. %), за исключением титановых (7,35-10,72 мае. % при 1,0-1,5 мае. % Ti) и молибденовых (5,25-5,83 мае. % при 1,0-1,5 мае. % Mo). Таким образом, температурный порог и степень уплотнения расплавов зависят от вида и количества раскислителей и легирующих элементов. Вышеизложенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что уплотнение жидких чугунов при охлаждении и разуплотнение при нагреве обусловлены, по-видимому, существенным изменением их структуры: статистическим упорядочением расплавов при охлаждении и статистическим разупорядочением их при нагреве, что подтверждается результатами измерения вязкости и электросопротивления. Электросопротивление резко уменьшается в момент статистического упорядочения расплавов, а вязкость, наоборот, возрастает.

Таким образом, наиболее правильным объяснением причины наблюдаемых явлений в жидких чугунах следует считать наличие критических температур, характеризующих переход жидкой фазы в качественно новое состояние с большей или меньшей степенью уплотнения в структуре ближнего порядка расположения атомов компонентов чугуна. Надо полагать, что такой переход способен вызывать определенные изменения в кинетике зарождения и роста кристаллов твердой фазы и насыщения металла газами или дегазации.

В рамках предложенного механизма структурных изменений расплава можно ожидать, что при его нагреве выше ТПУ создаются необходимые условия более интенсивного удаления неметаллических включений, растворения графитных частиц и формирования новой структуры расплава, соответствующей данному химическому составу независимо от природы шихтовых материалов (без учета неконтролируемых вредных примесей, не удаляемых термовременной обработкой расплава). При этом влияние наследственности шихтовых материалов на свойства и качества получаемых отливок ослабляется или полностью исчезает.

Явление разуплотнения жидкой фазы при ее нагреве выше ТПУ целесообразно широко использовать для повышения эффективности процесса легирования чугуна и других металлических сплавов.

По-видимому, легирование жидких чугунов должно быть произведено при температурах, превышающих ТПУ, так как в этих условиях атомы металла слабо «связаны» между собой, вследствие чего облегчается взаимодействие атомов железа и легирующих элементов и происходит равномерное распределение их в расплаве. Отсутствие обоснованного способа выбора оптимальных температурных режимов легирования чугуна приводит к недостаточному усвоению легирующих элементов, удалению неметаллических включений, низким механическим и эксплуатационным свойствам.

Исходный чугун вышеуказанного состава перегревали до различных температур и легировали при этих же температурах. При этом определяли оптимальную температуру перегрева, при которой достигается максимум прочности <тв. Оптимальная температура перегрева (кривая 1 на рис. 5.15) исходного чугуна находится на 30-50 °С выше ТПУ (1520 °С) жидкого сплава. Повышенная прочность чугуна, перегретого до 1540-1560 °С, обусловлена гомогенизацией жидкой фазы (дорастворением графитных частиц, частичным удалением неметаллических включений и т. д.) за счет образования более «рыхлой» структуры ближнего порядка. Чрезмерный перегрев вызывает интенсивное окисление металла, активацию его взаимосвязи с материалами футеровки плавильного агрегата, что безусловно должно приводить к снижению прочности закристаллизованного сплава.

Рис. 5 .15. Зависим ость <х„ от температуры

перегрева и легирования

При низких температурах легирования (1350-1450 °С) жидкого чугуна медью в количестве 1,0 мае. % (кривая 2 на рис. 5.15) наблюдается отрицательный эффект. Значение <тв значительно ниже исходного чугуна при тех же температурах перегрева. Только при высоких температурах (более 1520 °С) появляется эффективность легирующего действия меди. Отрицательное влияние меди при небольших перегревах над точкой ликвидуса (1235 °С) связано с интенсивным ростом нерастворенных графитных включений под действием графитизирующего влияния меди. В случае

легирования чугуна карбидообразующими элементами, например хромом (0,5 мае. %), значение сгв значительно выше (кривая 3 на рис. 5.15), чем у нелегированного, во всем интервале исследованных температур перегрева. Это влияние связано с более интенсивным дорастанием графитных частиц в присутствии хрома.

Максимальное упрочнение и наилучшие эксплуатационные свойства наблюдаются при температурах перегрева выше ТПУ примерно на 30-50 °С (табл. 5.9). Особенно сильно при выбранном режиме перегрева усиливается

оптимальных температурных режимов легирования (Ри Хосен и др.) чугунов для достижения максимально возможных прочностных свойств и устранения влияния отрицательных наследственных свойств шихтовых материалов. Выплавка чугуна и его легирование производятся при температурах нагрева, не превышающих более 30-50 °С температуры ТПУ.

Исследование совместного влияния температуры легирования и скорости охлаждения (толщины литых образцов) на эффект легирования чугунов (рис. 5.16) показало, что максимум <тв наблюдается при температуре, превышающей примерно на 30 °С температуру ТПУ.

При диаметре образца 17 мм при температуре ввода хрома свыше 1450 °С чугун имеет отбельную структуру. Наличие данных по влиянию легирующих элементов на положение ТПУ позволяет установить очередность вывода легирующих элементов в расплав с целью достижения минимального значения ТПУ для снижения температуры нагрева жидкого чугуна.

Ниже приводятся результаты исследования влияния температуры легирования высокохромистого чугуна тугоплавкими присадками на механические свойства, твердость, скорость износа и количество удаленных неметаллических включений.

1350 1450 1550 1650

Температура, °С

Рис. 5.16. Влияние толщин литых образцов и температуры легирования чугунов на предел прочности на растяжение

По заводской технологии (завод «Амурлитмаш», г. Комсомольск-на- Амуре) тугоплавкие феррохром, феррованадий, ферромолибден, никель вводят на дно тигля вместе с шихтой, что приводит к значительному окислению легирующих элементов в процессе плавки, неравномерному их распределению по высоте тигля печи (табл. 5.10).

Таблица 5.10

Распределение химических элементов по высоте тигля

__________индукционной печи ИСТ-04______________________

Как видно, по высоте тигля печи имеет место значительная ликвация по удельному весу. Это приводит к различию в свойствах отливок. Для устранения отрицательных последствий ликвационных явлений и уменьшения угара легирующих элементов исследовалось влияние температуры перегрева.

Плавка высокохромистого чугуна производилась в кислой индукционной печи ИСТ-04. Ферросплавы марок ФМ 1, ФХ 650, ФМ 1 и Ni вводили в расплав при 1400, 1500, 1550 и 1600 °С. Установлено, что ввод ферросплавов в жидкий чугун при 1500-1550 °С является наиболее оптимальным с точки зрения повышения механических свойств, износостойкости, усвоения легирующих элементов и количества удаленных неметаллических включений (табл. 5.11). В табл. 5.12 приведены результаты исследования влияния способа и температуры ввода в жидкий чугун ферросплавов на состав неметаллических включений.

Влияние способа и температуры ферросплавов в лсидких чугунах на механические свойства и количество неметаллических включений

Таблица 5.12

Влияние способа и температуры ввода в жидкий чугун ферросплавов на состав неметаллических включений

Структура литых лопаток дробеметного аппарата отличалась более равномерным чередованием дисперсных участков карбида и матрицы, что обеспечивало равномерность свойств в различных сечениях и более высокие эксплуатационные свойства.

Оптимальная температура плавки чугуна и его легирования оказалась выше ТПУ (1470-1490 °С) на 30-50 °С. При этом содержание хрома, никеля, молибдена и ванадия соответственно возрастало на 9,7; 10,8; 16,7 и 25 % по сравнению с заводской технологией ввода их на дно тигля. При этом практически устранялась ликвация компонентов по удельному весу по высоте тигля печи.

5.5.3.Влияние термоскоростной обработки расплавов на структурообразованис и механические свойства отливок из алюминиевых сплавов и чугунов

Высокотемпературный тип структуры ближнего порядка жидкой фазы можно зафиксировать путем быстрого охлаждения расплава перед заливкой термоскоростной обработкой (ТСО), поскольку скорость структурных превращений в жидкой фазе достаточно низкая, несмотря на сравнительно большие скорости процессов диффузии. Установлено, что для жидкого алюминия время релаксации предполагаемого структурного превращения,