способ изменения крупности зерна отливок из технических расплавов

область техники

изобретение относится к литейному производству. изобретение рассматривает способ управления крупностью зерна для обеспечения возможности получения отливок любой конфигурации и из любых технических расплавов, обладающих единой заданной структурой по любым сечениям, что адекватно получению отливок без анизотропии служебных свойств.

предшествующий уровень техники

в настоящее время при производстве отливок из гомогенных расплавов для управления их структурой применяются (во всем объеме) методы либо измельчения, например, с помощью ультразвуковых бегущих полей, либо - методы выращивания крупных или моноструктур.

при необходимости получения отливок из гетерогенных расплавов для измельчения структуры применяются различные методы модифицирования и обработки ультразвуковыми, электромагнитными полями. перечисленные средства являются единственными для обеспечения формирования отливок с заданными структурой и, следовательно, с заданными служебными свойствами при прочих равных условиях.

известен способ получения моноструктур, который основан на создании в расплаве переохлаждений, соответствующих (ориентировочно) максимуму линейной скорости роста кристаллов (сsосhrаlski J.Z., рhуsik. сhеm. 1917, Bd 92, S.219.; сhаlmеrs в. рriпсiрlеs оf Sоli-difiсаtiоп, 1968, р. 280).

известный способ принят в качестве прототипа для заявленного решения.

эффективность применения приведенных способов в большой мере зависит от типа расплава, объема отливки, условий теплоотбора (скорости понижения температуры, направления работы холодильников). при этом из-за практической невозможности идентифицировать условия теплоотбора в периферии расплава и с его центральных зон - отливка складывается, естественно, с анизотропией балла крупности зерна.

раскрытие изобретения

*--* настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению крупности зерна отливок за счет направленной кристаллизации расплавов в гравитационных полях центрифуг в условиях равномерного объемного охлаждения. достигаемый при этом технический результат заключается в возможности получения 0 отливок любой конфигурации и из любых технических расплавов, обладающих единой заданной структурой по любым сечениям, что адекватно получение отливок без анизотропии служебных свойств.

указанный технический результат достигается тем, что в способе изменения крупности зерна отливок из технических расплавов, заключающемся в формировании направленной 5 кристаллизации при охлаждении расплава, при кристаллизации осуществляют равномерное объемное охлаждение расплава со скоростью (2í10)°C/ceк в искусственно созданном центрифугой гравитационном поле при равномерно увеличивающемся коэффициенте гравитации в диапазоне от 10 до 1000. 0 указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

описание фигур чертежей

настоящее изобретение поясняется следующими иллюстрациями: на фиг. 1 - схематично показаны нормированные зависимости таммана; фиг. 2 - приведен график зависимости величины зерна отливки от создаваемого переохлаждения; фиг. 3 - схема исходного потенциального рельефа; фиг. 4 - схема искаженного потенциального рельефа; фиг. 5 - показан график зависимости величины зерна отливки от коэффициента гравитации; фиг. 6 - керамическая оболочковая форма фиг. 7 — центрифуга для получения отливок; фиг. 8 - подготовленный для промышленного применения кристаллизатор Kп-1000; фиг. 9 - то же, что на фиг. 8, вид с другой стороны; фиг. 10 - слиток, полученный на кристаллизаторе Kп-1000; фиг. 11 - кольцевая изложница; фиг. 12 - показан график изменения размера зерна в образцах из A99; фиг. 13 - показан график изменения размера зерна в образцах из Aл4.

принцип осуществления изобретения

теоретически предсказана и экспериментально подтверждена возможность получения центробежным способом отливок со структурами от монометаллических до ультрадисперсных из любых технических расплавов при изменении интенсивности гравитационного поля центрифуги.

научное значение явления состоит в получении принципиально

новой информации о поведении расплавов металлов в искусственных гравитационных полях при кристаллизации. наибольший интерес представляет процесс зародышеобразования и роста кристаллической фазы в условиях равномерного охлаждения. в отличие от имеющейся информации о монотонном уменьшении размера зерна с ростом коэффициента гравитации получены и обоснованы сведения о наличии явно нелинейной данной зависимости.

практическая ценность изобретения заключается в получении 0 универсального метода управления структурой отливки в диапазоне от монокристаллической до ультрадисперсной без использования модифицирования и вибрационных средств.

теоретическое доказательство состоит в следующем. анализируя нормированные зависимости таммана (фиг. 1), можно представить себе, что формирование в расплаве

переохлаждения, равного ^{a 0} P* однозначно приведет к получению отливки с максимально измельченной структурой за счет форсированного роста количества зародышей (даже в гомогенной системе) при ограниченном объеме расплава - без введения дополнительных модификаторов.

получение переохлаждений соответствующих ^{A 0} P* приведет к форсированному росту линейных размеров кристаллов, что имеет место для систем гомогенного и гетерогенного типа.

обобщая последние выводы можно синтезировать алгоритм по управлению крупностью зерна отливки, когда управлявшим 5 параметром является переохлаждение. в этом случае зависимость величины зерна отливки (произведенной любым способом) от значения величины переохлаждения имеет вид, приведенный на фиг.2.

требуемое переохлаждение в расплаве (кроме обычных путей ~ ~ охлаждения) можно создать, формируя в расплаве поле давлений

любым образом распределенное. учитывая, что зависимость температуры кристаллизации расплава имеет вид:

Tкp = Tкp ^{+ otP} * (1) где m р J- х гр p X θ кр , кр _ температуры кристаллизации при давлении Px и нормальном Po; α - коэффициент принятой модели, то можно получить искомую зависимость величины переохлаждения

δт от Px в предположении, что расплав термостабизизирован на

уровне температуры кристаллизации T ^K P : рϊ ро

δT=T£ _P -Tк _P ^{= αP} * ₍₂₎

значения величины α для ряда металлов:

алюминий - 6,4 • 10 ^~2o C м ² /Mн

железо - 3,0 • 10 ^"2o C м ² /Mн

медь 4,2 • 10 ^"2o C м ² /Mн

никель ' 3,7 - 10 ^'2 °C м ² /Mн.

отсюда следует, что для создания ощутимого переохлаждения

(адекватного значения интервалов метастабильности) необходимо сформировать в расплаве давление в несколько десятков нм/м ² , что при производстве, например, фасонных отливок в керамических формах просто неприемлемо.

можно представить себе несколько иной способ использования давления для форсированного роста твердой фазы либо за счет повышения скорости зародышеобразования ⁿ (AT ⁾ ₅ либо линейной скорости роста ^ ^- ^ кристаллов. действительно, используя зависимость степени переохлаждаемости расплава от скорости охлаждения, можно изначально переохладить весь расплав до уровня,

например, равного ^ / ^• T ¹ M ⁿ _и; затем, сформировав в расплаве давление

P _Xi 4C ^A To _P t- ^ώT S>

(3) получить желаемый результат по структурообразованию отливки. аналогичный результат может быть получен применительно к задаче укрупнения структуры:

в данном случае для устойчивого управления структурой р р отливки необходимы гораздо меньшие давления ^{Xl X} 2 так как:

δT£ > дTϊpt-δTi

δTj} > ^д T _O pt ^~ δTiн _rм ^p)

учитывая то обстоятельство, что значение, например,

производной dn /o ⁽ A ^{T )} в интервале ^ ^{м op} превышает 10 ^lϋ , нетрудно рассчитать требуемое давление, необходимое для увеличения скорости зародышеобразования в заданное количество раs Z: _p= <Z -l)n( δT£ )

Ciiι*/cJCδT) ₍₆₎ что, в конечном итоге, будет определять крупность зерна отливки.

при направленной кристаллизации расплавов и их объемном равномерном охлаждении в нелинейных гравитационных полях центрифуг к приведенному механизму влияния на ⁿ и ⁷ ^ получаемого давления за счет наличия центробежных сил ц : p _χ -o,θ5γxк _{g (7)}

где ϊ - удельный вес расплава,

X - удаление расплава от оси вращения; Kg - коэффициент гравитации добавляется искажение за счет ч исходного потенциального рельефа и, как следствие, появление существенных предпосылок к

5 форсированному росту твердой фазы.

рассмотрим исходный потенциальный рельеф (фиг. 3).

атом, находясь в потенциальной ямке (Xi) из-за симметрии потенциального рельефа равновероятно может переместиться в направлении +X или -X. анализ зависимостей таммана

где U ⁰ - высота потенциального рельефа;

R - газовая постоянная; в - постоянная вещества; -^ σ - поверхностное натяжение;

то - температура плавления приводит в выводу, что идентичное увеличение ⁿ C ^δ T) _MO жнo получить увеличивая δт либо уменьшая U ⁰ .

наличие центробежной силы ч равной: F _ц = m WSc = Hi gk _g , _Q ч где т ¹ - масса атома; ω - угловая скорость вращения расплава; с потенциальной энергией

E(x) = -XF _ц = - m'ω ² x ² (10)

25 приводит к искажению исходного потенциального рельефа (фиг.

4). на самом деле, для перемещения атома из X, ямки в X _i+ i необходима энергия активации

u° = π ^o - |г = ιт ^o - -| m ^x tл.

30 ^{+ 2 ц} 2 ⁱ _{( п)}

для альтернативного перемещения в направлении -X аналогичная энергия равна:

суммарное изменение энергии активации равно:

^J - ^x (iз)

при отсутствии ч (фиг. 3) поток атомов расплава к твердой фазе можно определить следующим образом:

K ₁ = n "V р где т *- ^r n _k - число атомов, контактирующих с зародышем; v - частота колебания атома; р - вероятность перемещения атома в направлении присоединения; аналогичный поток "дырок" перемещается, естественно, в направлении -X (здесь и далее имеется в виду не массоперенос, а одноатомное перемещение к границе раздела фаз).

поток атомов в направлении + X (без вывода) равен:

где S — поверхность присоединения атомов;

V

совместный анализ выражений (14) и (15) показывает, что их отношение равно:

в реальных условиях литейного производства при Kg»l значе- ние 2»i даже без учета соответствующих переохлаждений δт. данное обстоятельство и объясняет возможность формирования твердой фазы в нелинейных гравитационных силовых полях.

в принципе, можно оценить адекватное по интенсивности влияние Kg приведенное (или пересчитанное) к δт

γ теiιμ ^)

ю δn s m ^г g ε = l,ll-10 ^"4 rα

6T ₀ KT ₍₁₉ ) где тц - значение переохлаждения, полученного естественным путем.

таким образом доказана некоторая адекватность по влиянию на _j г процесс формирования из расплава твердой фазы при наличии внешнего неравномерного гравитационного поля, например, создаваемого центрифугой.

в этой связи очевидна зависимость (аналоничная фиг.2) величины зерна отливки от коэффициента гравитации, начиная с 10 (минимально установленный порог, ниже которого картина зародышеобразования повторяет существующие сегодня традиционные процессы кристаллизации), (фиг. 5). величина зерна d (полученная в статике) с ростом Kg несколько уменьшается, что объяснимо изломом дендридов и модифицированием расплава обломками. дальнейший рост Kg до 1000 приводит к проведению

кристаллизации в зоне максимума зависимости ⁿ t ^ώ T) или ^ ¹ ^- S ^ , то есть в зоне резкого увеличения размера зерна, вплоть до моноструктуры. после величины коэффициента гравитации, равной 1000, картина изменения зерна при кристаллизации не имеет видовых изменений.

далее, о увеличением Kg кристаллизация проводится в зоне максимума ^n* ( ^δ T) или ¹¹ ^ ^{g )} ₅ что приводит к резкому росту количества центров кристаллизации, то есть к уменьшению размера

зерна при Kg=Kц, ^ц

после достижения минимального размера зерна dц он начинает несколько повышаться, что может быть, очевидно, объяснено сопутствующим ростом давления в расплаве, уменьшением диффузии, повышением вязкости.

рассматриваемая эпюра (фиг. 5) может иметь место, естественно, лишь в случае, когда побудительной причиной к началу кристаллизации является наличие гравитационного силового поля требуемой интенсивности и квазитермостатирование расплава.

в хода исследований проводились работы на следующих металлах и сплавах: A99, BAл5, BAл8, Aл4, P9, жC6K, PC-AlOMg.

в ходе экспериментов была подробно исследована область от 10 до 1000 при скоростях сопутствующего охлаждения рабочего расплава (2- 10) ⁰ CVc.

при этом были получены и ультрадисперсные и моноструктуры, причем моноструктуры получены без затравок, а монокристалл при скорости роста (0,5-1) мм/с имел плотность дислокаций не выше 5«10 ⁶ см ^"2 .

схема и фотографии кристаллизатора, который использовался для экспериментов, приведены на фиг. 8 и 9. используемый для промышленного применения кристаллизатор (Kп-1000) - кристаллизатор попова - максимальный диаметр слитка 1000 мм - показан на фиг. 10. слиток весом 100 кг и диаметром 1000 мм, полученный в кристаллизаторе Kп-1000 из материала A99, показан на фиг. 10. на фиг. 12 и 13 показаны технологические графики крупности зерна для A99 и Aл4.

таким образом, получено практическое подтверждение теоретических предпосылок.

на основе данного изобретения может быть решена полностью научная задача динамического стимулирования зародышеобразования и роста кристаллической фазы в нелинейных стационарных силовых полях. кроме этого, появляется возможность построения анали-

и тических детерминированных алгоритмов уверенного управления структурообразованием отливок.

практическая роль изобретения заключается в возможности получения отливок любой конфигурации и из любых технических расплавов, обладающих единой заданной структурой по любым сечениям, что адекватно получение отливок без анизотропии служебных свойств.

кроме отмеченного, следует обратить внимание на некоторые побочные эффекты:

- отсутствие пор;

- отсутствие неспаев;

- существенное уменьшение газосодержания (более чем в 10 раз);

- повышение плотности отливок.