Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  4.1 Оценка влияния виброобработки на изменение физико-механических свойств металлических отливок

Рассмотренные в предыдущих разделах результаты лабораторных и промышленных исследований влияния методов внешних воздействий на характер затвердевания слитков и отливок в целом подтверждают их высокую эффективность с точки зрения возможностей управления качеством в процессе затвердевания. Вместе с тем широчайший спектр промышленных отливок и технологий их получения практически полностью исключает возможность разработки универсальных технологических рекомендаций и оборудования без соответствующей привязки к реальным объектам.

При производстве отливок необходимо учитывать специфику их формы и геометрических размеров, совокупность физико-механических и литейных свойств материала, способ его выплавки и доводки, способ литья, тип производства, перечень специально регламентируемых свойств, обуславливаемых условиями эксплуатации и пр. Поэтому разработка каких-либо универсальных рекомендаций, охватывающих весь спектр промышленных отливок, представляется весьма проблематичной. На наш взгляд, более эффективным путем применения вибрационной обработки может быть отработка технологических аспектов и конструктивного оформления для определенных классов, групп или типов отливок.

На практике для большинства отливок наблюдается дифференциация условий заполнения металлом и затвердевания в различных их зонах, что во многом зависит от соотношения толщины стенок отливок, геометрической формы сопряжении, а также удаленности локальных объемов отливки от питающей системы. Различие условий затвердевания в отдельных зонах отливок является источником физической и химической неоднородностей, которая затем оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства изделия. В соответствии с полученными в работе результатами представляется возможным принять, что виброобработка, как дополнительная технологическая операция, может быть достаточно эффективна в части изменения условий затвердевания за счет принудительного перемешивания жидкой фазы в условиях развития эффекта кавитации, обеспечивающего значительное увеличение количества частиц твердой фазы в расплаве и повышение его температурной однородности или локальное изменение температурного поля. При этом виброобработку целесообразно начинать непосредственно с началом заливки, поскольку это будет способствовать повышению жидкотекучести металла и образованию частиц твердой фазы, которые будут транспортироваться в тело отливки.

Вместе с тем, учитывая, что физические свойства используемого конструкционного материала могут существенно колебаться даже в сечении одной отливки, на первом этапе исследований было принято целесообразным получить дифференциальную оценку влияния параметров вибрации на основные свойства материала для отливок простейшей геометрической формы. В настоящем разделе рассмотрено влияние вибрации на свойства чугуна и алюминия в отливках. Выбор именно этих конструкционных материалов объясняется следующими соображениями:

а) чугун как конструкционный материал наиболее широко используется в различного рода отливках и имеет сравнительно высокую жидкотекучесть и низкий коэффициент объемной усадки;

б) алюминий по совокупности свойств является достаточно сложным литейным материалом и в противоположность чугуну имеет большой коэффициент усадки и склонность к заметному изменению макроструктуры в зависимости от условий затвердевания.

Схема отбора образцов из опытных отливокЭксперименты по виброобработке специальных чугунных отливок массой примерно 16 кг в закрытой песчано-глинистой литейной форме были выполнены в условиях литейного цеха Донецкого металлургического завода [168]. Одновременно с опытными отливками изготавливались сравнительные (без вибровоздействия). Вибровоздействие накладывали на литейную форму с опокой, которая жестко крепилась к базовой плите, установленной на упругих элементах. Механический вибратор располагали непосредственно на плите, а характеристики колебаний контролировали с помощью пьезоэлектрического датчика ДН-5. Из полученных отливок отбирались образцы (схема порезки приведена на рис. 4.1) для дальнейших исследований, в процессе которых определялись колебания химического состава, плотности и твердости по высоте отливок. Для испытаний чугуна на разрыв дополнительно отливали цилиндрические образцы диаметром 40 мм. В ходе опытов варьировалась частота виброобработки.

Рисунок 4.1. Схема отбора образцов из опытных отливок (цифрами обозначен порядковый номер проб)

Основная цель исследований заключалась в определении возможного порога развития кавитационных явлений (и соответственно появления в расплаве большого количества частиц твердой фазы) и степени влияния частоты вибрации на результаты воздействия (как управляющего фактора). Всего было проведено две серии испытаний и получено 20 опытных отливок с фиксированной частотой вибрации в диапазоне 0,5-65 Гц. В качестве критериев эффективности результатов воздействия использовали оценку химической однородности, предел прочности на растяжение, твердость по Бринелю и плотность металла. В ходе предварительных оценок установлено, что заметное проявление эффекта виброобработки наблюдается в отливках, подвергнутых воздействию в режимах, которые близки к теоретическому порогу кавитации. Изменение режимов вибровоздействия в сторону увеличения величины произведения f2 свыше 0,30 не способствовало повышению физико-механических свойств чугуна. Более того, было отмечено некоторое снижение физической однородности по телу отливки и уменьшение плотности металла за счет развития микропористости. Соответственно дальнейшие исследования выполнялись при варьировании частоты вибрации с обеспечением условия f2 = 0,24-0,27. Сравнение полученных в результате исследований данных приведено в табл.4.1 (в числителе приведены средние показатели абсолютных величин, в знаменателе - максимальное отклонение от среднего значения в процентах).

Таблица 4.1. Сравнение физико-химических свойств опытных и сравнительных отливок

Сравнение физико-химических свойств опытных и сравнительных отливок

В целом анализ полученных данных показывает, что частота виброобработки может оказывать значительное влияние на качественные показатели чугуна. Так, исследуемые характеристики металла отливок практически не изменялись при частоте воздействия в диапазоне 0,5-15 Гц, а при частоте вибрации свыше 60 Гц было отмечено заметное снижение плотности и твердости чугуна в отобранных образцах, а также значительное уменьшение показателей прочности чугуна (в большинстве случаев даже ниже, чем в сравнительных отливках). В диапазоне 15-60 Гц наблюдали повышение химической однородности чугуна в большинстве опытных отливок и изменение показателей прочности (как в большую, так и в меньшую сторону). Установлено, что для условий проведенных экспериментов, наилучшие показатели достигались при виброобработке в диапазоне 23-40 Гц при достаточно плавном переходе через точку экстремума. По нашему мнению, наблюдаемое повышение физико-механических свойств отливок следует связывать с принудительным перемешиванием жидкой фазы при виброобработке с определенными частотами в условиях развития кавитационных явлений и роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве. При этом в качестве подтверждения наличия принудительного перемешивания можно рассматривать повышение химической однородности отливок. Безусловно, в этом случае рациональный частотный диапазон виброобработки может значительно изменяться (расширяться или сдвигаться) в зависимости от геометрической формы отливок и критериев, предъявляемых к качеству изделия. Например, увеличение плотности чугуна в отливках, подвергнутых виброобработке, отмечено в диапазоне 23-35 Гц (рис. 4.2.). При более низких частотах вибрация существенного влияния на плотность чугуна не оказывала. Снижение плотности обнаружено при частоте вибрации 65 Гц и выше.

Изменение плотности и жидкотекучести чугуна в зависимости от частоты виброобработки

Рис. 4.2. Изменение плотности (а) и жидкотекучести чугуна (б) в зависимости от частоты виброобработки.

Результаты оценки влияния частоты виброобработки на величину жидкотекучести приведены на рис. 4.2, б. При этом для всех частот виброобработки отливалась сравнительная проба (без воздействия), однако максимальные отклонения результатов для этих проб составили не более 5%. Как видно из приведенных данных, в результате виброобработки жидкотекучесть чугуна повысилась в 1,5-1,8 раза. Вероятно, влияние виброобработки на повышение жидкотекучести объясняется разрушающим действием вибрации на формирующийся в процессе движения первых порций металла твердый каркас. Затем образовавшиеся частицы твердой фазы попадают в жидкую ванну тела отливки и могут оказывать существенное влияние на процессы затвердевания по рассмотренной ранее схеме.

Металлографическую оценку качества отливок осуществляли в соответствии с ГОСТ 3443-87. Во всех отобранных чугунных образцах (необработанных и подвергнутых виброобработке) графит пластинчатый прямолинейный ПГФ1 с размерами графитных включений от ПГД90 до ПГД80 в необработанных отливках и от ПГД45 до ПГД90 в чугуне, подвергнутом виброобработке (частота обработки 30-40 Гц). В большинстве исследованных образцов максимальный размер пластин графита в опытном чугуне в 2-3 раза меньше, чем в сравнительном. В чугуне, полученном с виброобработкой, наблюдается также большее количество мелкопластинчатого и междендритного графита при более равномерное распределение графита типа ПГР1. Это нашло свое выражение в отсутствии чередования участков с мелко- и грубопластинчатым графитом, которые были выявлены в образцах чугуна, полученного без обработки (в сравнительном чугуне распределение графита неравномерное ПГР2). Во всех исследуемых образцах структура металлической основы - пластинчатый перлит (Пт1) в количестве 90-94% (П92, Ф8) с межпластинчатым расстоянием 0,3-1,3 мкм (ПД 0,5 - ПД 1,0). В некоторых случаях отмечены участки цементитной сетки по границам первичных зерен, сопровождаемой фосфидной эвтектикой. В отличие от опытного чугуна, в сравнительном чугуне встречаются грубые выделения цементита с фосфидной эвтектикой.

Таким образом, в результате выполненных исследований показано, что виброобработка в режимах развития кавитационных явлений в определенном диапазоне частоты воздействия может обеспечить повышение предела прочности и твердости в среднем на 20-25% и показателя жидкотекучести чугуна в среднем в 1,5-1,8 раза. Между тем, достижение максимального эффекта для каждого из вышеперечисленных показателей достигалось на различных частотных диапазонах, что, видимо, предопределяет требование корректировки режимов обработки применительно к конкретным промышленным отливкам и предъявляемым критерием качества.

Эффект влияния вибрации на формирование кристаллической структуры и развитие усадочных дефектов легко просматривается на рис.4.3. Анализируя строение и механические свойства опытных алюминиевых слитков нетрудно выделить несколько диапазонов частот колебаний, в которых достигались наилучшие результаты. Проявление положительного эффекта в диапазоне 4-6 Гц для горизонтальной плоскости вибрации и в диапазоне 10-12 Гц для вертикальной плоскости вибрации следует связывать с возникновением на поверхности расплава одноузловых стоячих волн [95]. При этом следует обратить внимание, что абсолютные значения собственной частоты колебаний жидкости в сосуде для вертикальной плоскости вибрации примерно в 2 раза выше, чем при горизонтальной, что хорошо согласуется с визуальными наблюдениями. В остальных случаях виброобработка осуществлялась с амплитудно-частотной характеристикой, соответствующей порогу кавитации. Установлено, что повышение практически всех исследуемых показателей наблюдается при вибрации в вертикальной плоскости в диапазоне 38-42 Гц в сопровождении энергичных всплесков металла. Сопоставляя полученные результаты, можно отметить, что максимальный эффект виброобработки был достигнут в тех случаях, когда обеспечивалось интенсивное образование частиц твердой фазы за счет разрушения твердой корочки на поверхности расплава. Это хорошо согласуется с рассмотренной ранее моделью влияния кавитационных явлений на дробление частиц твердой фазы в расплаве. При этом проявление оптимумов по исследуемым показателям совпадает с максимальным измельчением макрозерна в опытных отливках.

Общий вид поперечного сечения опытных алюминиевых слитков, отлитых без вибровоздействия и с вибровоздействием

Рис.4.3. Общий вид поперечного сечения опытных алюминиевых слитков, отлитых без вибровоздействия (а) и с вибровоздействием (б)

Обобщая исследования, выполненные на отливках из чугуна и алюминия, необходимо отметить, что наложение колебаний на отливку в процессе затвердевания может обеспечить значительное повышение ее качественных показателей, а большинство из положительных эффектов, достигаемых при вибрационной обработке, в целом находятся в прямой взаимосвязи с процессами образования частиц твердой фазы в расплаве и их количеством. Вместе с тем, положительный эффект для равных качественных показателей достигается на различных амплитудно-частотных режимах. Следовательно, при разработке промышленных технологий представляется целесообразным выполнять дополнительные сравнительные исследования для нескольких режимов обработки с последующим сопоставительным анализом полученных результатов.

  4.1 Оценка влияния виброобработки на изменение физико-механических свойств металлических отливок
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ