Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса 10
1.1 Примесное модифицирование алюминиевых сплавов 11
1.2 Внешние воздействия на металлические расплавы с целью получения модифицирующего эффекта 19
1.3 Особенности использования вторичного сырья при плавке литейных алюминиевых сплавов 43
1.4 Анализ ресурсосберегающих технологий получения алюминиевых сплавов с заданными свойствами 47
1.5 Выводы по главе и задачи работы 50
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований 53
2.1 Применяемые шихтовые материалы и изучаемые сплавы (АК7ч, АК5М2,АМ5) 53
2.2 Плавка 54
2.3 Исследование технологических свойств 55
2.4 Комплексные исследования кристаллизационного процесса и термоЭДС 56
2.5 Исследование механических свойств 59
2.6 Устройство для обработки расплава магнитным полем 59
2.7 Металлографические исследования 66
2.8 Обработка экспериментальных данных 66
ГЛАВА 3. Исследование влияния магнитного поля на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов 68
3.1 Исследование процесса кристаллизации 68
3.2 Исследование микроструктуры 81
3.3 Исследование механических и технологических свойств 87
3.4 Исследование горячеломкости 90
3.5 Исследование различных комплексных технологий получения алюминиевых сплавов из низкосортных шихтовых материалов (на примере сплава АК7ч) 96
3.6 Выводы по главе 100
ГЛАВА 4. Разработка математической модели для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов после обработки различными внешними воздействиями 103
4.1 Влияние скорости охлаждения расплава, обработанного магнитным полем, на размер критических зародышей 103
4.2 Влияние обработки расплава магнитным полем на скорость разделительной диффузии при кристаллизации 115
4.3 Разработка программных приложений «Расчет параметров кристаллизации при обработке расплава внешними воздействиями» и «Расчет доли твердой фазы» 117
4.4 Выводы по главе 125
ГЛАВА 5. Промышленная апробация технологии обработки алюминиевых сплавов магнитным полем при заливке в литейную форму 126
5.1 Результаты исследований влияния обработки магнитным полем на механические свойства алюминиевого сплава АК7ч в условиях ОАО «Редукционно-охладительные установки» 126
5.2 Расчет экономической эффективности технологии обработки расплава магнитным полем 129
5.3 Выводы по главе 138
Общие выводы по работе 140
Библиографический список
- Внешние воздействия на металлические расплавы с целью получения модифицирующего эффекта
- Комплексные исследования кристаллизационного процесса и термоЭДС
- Исследование механических и технологических свойств
- Влияние обработки расплава магнитным полем на скорость разделительной диффузии при кристаллизации
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в промышленных технологиях литья алюминиевых сплавов уделяется внимание разработке и исследованию способов внешних воздействий на расплавы (таких как ультразвук, вибрация, высокотемпературный перегрев, электрический ток, магнитное поле и др.)- Данные воздействия способствуют получению мелкозернистой структуры и повышенным механическим и эксплуатационным свойствам отливок без введения специальных модифицирующих добавок. Основное достоинство внешних воздействий заключается в том, что они не меняют химический состав расплава и не приводят к накоплению нежелательных примесей в литейных сплавах при дальнейших переплавах.
Особенный интерес в технологиях изготовления алюминиевых сплавов представляет обработка расплава магнитным полем в процессе плавки и литья. Так, широкое распространение имеет обработка расплавов в магнитогидродинамических перемешивателях, а также применение электромагнитных кристаллизаторов при непрерывном и полунепрерывном литье слитков.
Однако применение способов обработки расплавов магнитным полем при производстве фасонных отливок сдерживается. Это связано со сложностью создания специальных устройств, позволяющих обрабатывать расплавы непосредственно в литейной форме с учетом конфигурации отливки, и недостаточной изученностью процессов, происходящих при кристаллизации расплавов, подвергнутых обработке магнитным полем. Перспективу представляет разработка и исследование эффективных технологий обработки расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму, что дает возможность получать отливки любой конфигурации и не ограничивать материал формы.
При повышенном содержании вторичного сырья (лома, отходов) в шихте целесообразным является использование термовременной обработки (ТВО) в жидком состоянии, снижающей микронеоднородное состояние расплава, которая в последние годы находит все большее применение при плавке литейных алюминиевых сплавов. Данную обработку можно совмещать с другими внешними воздействиями на расплавы, что позволит экономить чушковые материалы и получать сплавы требуемого качества.
Цель работы. Исследование влияния обработки расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму на кристаллизацию, механические и технологические свойства алюминиевых сплавов и разработка ресурсосберегающей технологии их получения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Создать лабораторное оборудование для обработки расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму.
2. Исследовать влияние переменного магнитного поля при заливке в литейную форму на кристаллизацию и свойства сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5.
3. Разработать математическую модель для расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов после обработки внешними воздействиями при плавке и заливке в литейную форму.
4. На основании проведенных исследований разработать технологию получения литейных алюминиевых сплавов с использованием вторичного сырья - лома, отходов, и включающую комплексную обработку расплава внешними воздействиями (термовременной обработкой и магнитным полем).
5. Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении алюминиевых сплавов для отливок.
Научная новизна.
1. Экспериментально доказано модифицирующее влияние обработки расплава магнитным полем при заливке в литейную форму на структуру, механические и технологические свойства алюминиевых сплавов. Установлено, что под влиянием магнитного поля полное время затвердевания алюминиевых сплавов увеличивается, а температурный интервал кристаллизации уменьшается.
2. Предложен механизм влияния магнитного поля при заливке в литейную форму на формирование структуры алюминиевых сплавов.
3. Впервые исследовано влияние комплексной обработки расплавов ТВО и магнитным полем на кристаллизацию и свойства алюминиевых сплавов. Обосновано использование ТВО перед обработкой магнитным полем при использовании в шихте повышенного количества вторичного сырья.
4. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитать параметры кристаллизации алюминиевых сплавов (критический размер зародыша кристаллизации и количество зародышей кристаллизации в единице объема расплава), обработанных различными внешними воздействиями.
Практическая ценность работы.
Предложено устройство для обработки металлических расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму, которое не ограничивает материал формы, конфигурацию и массу отливок.
Показано, что обработка расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму является перспективной технологией, позволяющей получать сплавы с мелкозернистой структурой и заданными свойствами. При этом не требуется использование модифицирующих добавок.
Разработана и в промышленных условиях опробована комплексная обработка расплавов ТВО и магнитным полем с целью получения алюминиевых сплавов для отливок с требуемым уровнем свойств и минимальным использованием чушковых материалов в шихте.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования влияния переменного магнитного поля при заливке в литейную форму на кристаллизацию, механические и технологические свойства литейных алюминиевых сплавов АК7ч, АК5М2, АМ5.
2. Результаты численного расчета параметров кристаллизации (критический радиус зародыша, количество зародышей в единице объема расплава) алюминиевых сплавов после обработки внешними воздействиями.
3. Результаты реализации комплексной обработки расплавов ТВО и магнитным полем при заливке в литейную форму в производственных условиях при получении алюминиевых сплавов для отливок с использованием вторичного сырья в шихте.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования; металлических сплавов, применения аппарата математической статистики для обработки результатов экспериментов и их сравнительном анализе с •" некоторыми известными литературными данными.
Личный вклад автора.
Автору принадлежит научная постановка задач исследования, проведение опытных плавок, изучение процессов кристаллизации, комплекса механических и технологических свойств алюминиевых сплавов, проведение численного расчета параметров кристаллизации алюминиевых сплавов, обработка и анализ полученных результатов, формулирование выводов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (г. Ново-кузнецк, 2007 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2007 г.); VII Международном научно-техническом симпозиуме «Наследственность в литейных процессах» (г. Самара, 2008 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 публикациях, в том числе в 3 статьях в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 162 страницах, содержит 28 таблиц, 28 рисунков. Список литературы составляет 136 наименований.
В первой главе приведен обзор литературных данных современной практики использования различных технологий обработки металлических расплавов, приводящих к получению мелкозернистой структуры и повышенным свойствам сплавов. Показано, что применение модифицирующих присадок наряду с повышением уровня свойств литейных сплавов может привести при дальнейших переплавах к изменению химического состава и снижению качества отливок. Рассмотрены экспериментальные и теоретические исследования по влиянию внешних воздействий на расплавы в процессе плавки, заливки и кристаллизации. Данные воздействия позволяют измельчить структурные составляющие сплавов и повысить их технологические и механические свойства.
Показано, что одним из наиболее перспективных способов внешнего воздействия на расплав является обработка магнитным полем при плавке и кристаллизации. Однако, обработка расплавов магнитным полем при заливке в литейную форму практически не исследована, имеющиеся результаты носят отрывочный характер. Также недостаточно информации о конструкции опытных установок для данных технологий. Отмечено, что механизм физико-химического воздействия магнитного поля на процесс кристаллизации сплавов исследован недостаточно как в экспериментальном, так и теоретическом плане.
Перспективу представляет использование комплексной технологий обработки расплава внешними воздействиями, особенно при использовании повышенного количества вторичного сырья в шихте.
На основании анализа литературных данных сделаны выводы и поставлены цель и задачи исследования.
Во второй главе приведены методики проведения исследований.
В третьей главе представлены результаты исследований влияния магнитного поля на процесс кристаллизации и свойства алюминиевых литейных сплавов АК7ч, АМ5, АК5М2. Проведен анализ влияния различных видов внешних воздействий на расплав, а также влияния комплексной обработки, включающей ТВ О и обработку магнитным полем при заливке с использованием в шихте до 100 % вторичного сырья.
В четвертой главе представлены основные положения разработанной математической модели, позволяющей рассчитать параметры кристаллизации алюминиевых сплавов, обработанных внешними воздействиями (магнитным полем и ТВ О). Приведены результаты расчетов параметров кристаллизации алюминиевых сплавов с использованием разработанных программных приложений.
В пятой главе представлены результаты промышленной апробации разработанных технологий. Проведен анализ экономической эффективности применения обработки расплавов магнитным полем и комплексной обработки (ТВ О и магнитным полем) в сравнении с технологией модифицирования, применяемой на производстве.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертации.
Внешние воздействия на металлические расплавы с целью получения модифицирующего эффекта
В последнее время все большее внимание уделяется исследованию способов, позволяющих получить модифицированную структуру сплава без введения специальных модифицирующих добавок. Одним из наиболее эффективных способов гарантированного повышения качества отливок при одновременном снижении материальных и энергетических затрат на их изготовление является разработка и освоение новых методов литья, основанных на использовании внешнего воздействия на жидкий и кристаллизующийся расплав на всех этапах формирования структуры и свойств литых изделий.
Согласно [30], применением внешних физических воздействий можно активировать твердые примеси, которые будут служить центрами кристаллизации. Принудительное перемещение расплава относительно намерзшей корки широко используется для улучшения свойств отливок. Часть кристаллов фронта затвердевания смывается и замешивается в расплав. Эти кристаллы могут являться центрами кристаллизации (при малых перегревах), дополнительно измельчать структуру и повышать служебные свойства отливок.
Для принудительного перемешивания используются различные вибрационные воздействия: вибрация модифицирующего колокольчика, заливочной воронки [31], формы с использованием низких частот (30...150 Гц) [32, 33, 96-99] или ультразвуковых колебаний [33, 100, 101, 103]. Также применяются способы перемешивания расплава в форме, среди которых наиболее изученным является перемешивание сплавов в центробежной форме путем применения изменяемой скорости вращения [34, 35]. Однако находят применение и другие методы воздействия на расплав: электромагнитные [36, 37, 40-46, 47-65], гидродинамические (с использованием энергии струи заливаемого металла, струи инертного газа, пропускаемого через жидкий металл залитой отливки [31, 38]). Различные варианты высокотемпературной печной обработки (ТВО, ТСО, ПТВО) также используются для гомогенизации расплава и измельчения структуры отливок [38-40, 68-73, 76-78, 80-85].
Несмотря на то, что все эти способы требуют значительных затрат времени и электроэнергии, применения сложного и дорогостоящего оборудования, а также абсолютного соблюдения температурных режимов плавки, они дают достаточно хорошие показатели измельчения размеров зерна и увеличения центров кристаллизации по сравнению со способами примесного модифицирования, эффект применения которых зависит от равномерного распределения элемента-модификатора в объеме расплава, в ряде случаев ограничен по времени, а сами элементы-модификаторы могут влиять на изменение химического состава сплава. При этом методы физического воздействия на расплав позволяют использовать в некоторых случаях в составе шихты до 100% лома, возврата и отходов производства. Наилучшие результаты достигаются при комплексной технологии применения различных способов модифицирования, например, комплексной обработки расплава ТВО и вибрацией [38], ТВО и электрическим током [46]. Перед началом проведения операции модифицирования расплава необходимо провести анализ различных вариантов его обработки и выбрать наиболее оптимальный для данных условий производства отливок.
Электрический ток при воздействии на кристаллизующийся расплав оказывает эффективное влияние на его движение, процессы тепломассопереноса, а также позволяет управлять структурой и свойствами литых изделий. Одновременно, ток дополнительно прогревает отливку и стабилизирует температурное поле по времени и в объеме, так как является внутренним источником энергии. Это существенно снижает возможность образования дефектов в отливке (особенно таких, как недолив), предотвращение появления которых особенно важно при получении тонкостенных деталей.
В.И. Якимов с сотрудниками при кристаллизации алюминиевого сплава использовали [41] эффект Пельтье, который возникает между жидкой и твердой фазой при воздействии постоянного тока на жидкий расплав. Направленная кристаллизация в этом случае создается от анода к катоду, что позволяет управлять процессом кристаллизации кокильных отливок.
Обработка расплава электрическим током приводит к повышению механических свойств металла отливки. Исследуя влияние электрического тока на микроструктуру и свойства алюминиевых сплавов, А.В. Дорофеев, А.Б. Килин и А.С. Тертишников выявили [42, 43], что при пропускании тока через расплав возникает магнитное поле, которое создает силы, снижающие скорость движения макрообъемов расплава на границе раздела фаз. В результате структура металла отливки становится мелкозернистой.
Комплексные исследования кристаллизационного процесса и термоЭДС
Жидкотекучестъ определяли по спиральной пробе (канал пробы выполнен в виде спирали, расположенной в горизонтальной плоскости, в сечение которого трапеция с основаниями 5 и 8 мм и высотой 11 мм) и по прутковой пробе (длина канала 330 мм, диаметр прутка 6 мм). Жидкотекучесть оценивали по длине канала проб, залитого металлом.
Пористость сплавов оценивали по пятибалльной шкале ВИАМ согласно ГОСТу 1583-93 [116], приведенной в таблице 2.2.
Для выявления макроструктуры образец механически обрабатывали до чистоты Ra не более 1,6 мкм и травили в 20% растворе NaOH. Для измерения линейного размера пор использовали стендовый микроскоп Stemi 2000-С «Zeiss». Количество и размер пор определяли как среднее арифметическое трех измерений. Содержание водорода определяли по методу вакуум-нагрева. Горячеломкостъ определяли по кольцевой пробе. Оценку горяче ломкости производили по ширине кольца пробы.
Комплексные исследования кристаллизационного процесса и термоЭДС
Исследования проводили на установке, приведенной на рисунке 2.2, по методике [117]. В металлической опоке 1 с помощью песчано-глинистой смеси и модели - стержня диаметром 26 мм и длиной 300 мм - получали цилиндрическую полость 2. Перед заливкой полость формы с двух сторон закрывали графитовыми пробками 3. Литейную форму устанавливали на основание 4. Заливку металла в форму производили через воронку 5.
В полости формы по оси цилиндрического образца устанавливали хромель-алюмелевые термопары 6. Изменение температуры кристаллизующегося сплава в координатах «температура-время» фиксировалась измерительным комплексом с интервалом времени 1 секунда [117].
Измерительный модуль «Темполь» представляет собой комплекс приборов серии «Адам» и состоит из 24-битного аналогового цифрового преобразователя IPC CON 7018, обеспечивающего 16-битовую точность, и преобразователя промышленного интерфейса (RS232 - com port) ICP CON 7250, обеспечивающего подключение к стандартному последовательному порту персонального компьютера.
Измерительный комплекс предназначен для измерения аналогового сигнала в интервале от 15 мВ до 5 В от датчиков и устройств практически любого типа и позволяет производить сбор, регистрацию и хранение аналоговых сигналов на жестком диске ПЭВМ по 2048 каналам. В состав измерительного комплекса входят первичные датчики, УВК на базе ПЭВМ типа IBM PC и контроллеры.
Для сбора информации использовался IBM PC совместимый компьютер с программным обеспечением, включающим программу сбора данных - «Adam.bas» и программу преобразования, сглаживания данных -«Eva.exe».
С целью измерения термоЭДС сплавов в полость формы устанавливали два медных провода 7 марки ПВС 2 х 0,75 с расстоянием 200 мм и разностью температур между ними 20 - 50 С. После заливки возникала термоЭДС, которая фиксировалась измерительным комплексом.
Отвод тепла от образцов из сплавов различного состава осуществлялся через одну и ту же песчано-глинистую форму с определенной теплопроводностью, влияние которой носило практически постоянный характер.
Для исследования процесса кристаллизации литейных алюминиевых сплавов использовались методы термического анализа (ТА), дифференциального термического анализа (ДТА), а также измерение термоЭДС.
Сущность термического анализа заключается в том, что происходящие в металлах процессы изменения агрегатного состояния, аллотропические превращения, растворение или выделение избыточных фаз и т.д. сопровождаются определенным тепловым эффектом. При регистрации изменения температуры исследуемого сплава в процессе нагрева или охлаждения тепловой эффект, сопровождающий превращение, проявляется в виде нарушения плавного хода кривых. Это позволяет установить температурные и временные интервалы превращений в сплаве, а в ряде случаев и их интенсивность.
Более надежные результаты обеспечивает метод дифференциального термического анализа. Сущность его состоит в том, что с помощью быстродействующего электронного оборудования для изучения кристаллизации расплава анализируют кривую охлаждения в координатах температура-время, производную кривой охлаждения, дифференциальную кривую в координатах теплота-время. По кривым ДТА можно оценить характер кристаллизации, определить соотношения между количествами теплоты, выделившимися при образовании фаз и рассчитать количество твердой фазы, образующейся при фазовых переходах [118-120].
ТермоЭДС относится к термоэлектрическим явлениям, которые представляют собой совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах. ТермоЭДС возникает в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Величина термоЭДС зависит от разности температур горячего и холодного контактов и от материала проводников. ТермоЭДС материала чувствительна к присутствию примесей, к ориентации кристаллических зерен, термической и холодной обработке материала. Пики термоЭДС приходятся на температуру фазовых превращений [45, 121].
Исследование механических и технологических свойств
Результаты исследований показали, что обработанные магнитным полем сплавы имеют более высокий уровень механических и технологических свойств.
В таблице 3.4 приведены показатели механических и технологических свойств сплава АК7ч (в зависимости от состава шихты): исходного (без обработки); обработанного магнитным полем; подвергнутого комплексной обработке ТВО и магнитным полем. Параметры магнитного поля составили: индукция 0,5 Тл и угол наклона устройства 45. Режимы ТВО были выбраны согласно таблице 2.3.
Из анализа полученных данных видно, что при обработке магнитным полем сплава АК7ч наблюдается увеличение показателей временного сопротивления разрыву в 1,10...1,18 раза и относительного удлинения в 1,41...1,95 раза; при обработке магнитным полем сплава АК5М2 временное сопротивление разрыву повышается в 1,12 раза, относительное удлинение - в 1,66 раза; обработка магнитным полем сплава АМ5 увеличивает временное сопротивление разрыву в 1,11 раза, относительное удлинение - в 1,47 раза. Комплексная обработка расплавов ТВО и магнитным полем способствует еще большему повышению данных показателей: для сплава АК7ч временное сопротивление на разрыв и относительное удлинение увеличились соответственно в 1,15...1,24 раза и 1,47...2,43 раза; для сплава АК5М2 - в 1,16 раза и 1,83 раза соответственно; для сплава АМ5 - в 1,08 раза и 1,52 раза соответственно.
При сравнении обработанного магнитным полем сплава АК7ч с исходным (при различных составах шихты) выявлено: повышение жидкотекучести - на 9,6...12,2 см. Жидкотекучесть сплава АК5М2 при обработке магнитным полем увеличивается на 8,8 см; сплава АМ5 - на 4,7 см. У сплава АК7ч, подвергнутого комплексной обработке, жидкотекучесть увеличивается на 11,2...15,9 см, у сплава АК5М2 — на 12,7 см; у сплава АМ5 — на 7,9 см в сравнении с исходным сплавом.
Обработанный внешними воздействиями сплав АК7ч имеет балл пористости 2-3, тогда как в исходном состоянии - 3-4 (в среднем); сплав АК5М2 в исходном состоянии имеет балл пористости 3-4, а в обработанном - 2-3.
Содержание водорода в сплаве АК7ч при его обработке магнитным полем снижается до 26...40 % (в зависимости от состава шихты); в сплаве АК5М2 - до 25 %; в сплаве АМ5 - до 30 %. Комплексная обработка ТВО и магнитным полем позволяет снизить содержание водорода в сплаве АК7ч до 32...51 % (в зависимости от состава шихты); в сплаве АК5М2 - до 34 %; в сплаве АМ5 - до 45 %.
Полученные результаты можно объяснить следующим образом. При обработке расплава магнитным полем влияние электромагнитных сил способствует уменьшению скорости движения газовых и неметаллических включений в потоке расплава, проходящего через устройство, так как они, являясь по физической сути диамагнетиками, подвергаются «торможению» магнитным полем и после заливки в литейную форму накапливаются в литниковой чаше. В результате газосодержание в сплаве и его пористость уменьшается, что приводит к повышенному уровню механических свойств. Об этом свидетельствуют данные, представленные в таблице 3.4.
Кроме того, можно предположить, что в процессе кристаллизации расплава после его обработки внешними воздействиями (магнитным полем, ТВО и магнитным полем) при заливке происходит образование виртуальных связей между его компонентами. Под виртуальными нужно понимать связи, время существования которых составляет примерно 10" с. Таким образом, увеличивается полное время движения атома при перескоке из одного положения в соседнее, а, следовательно, снижается скорость и коэффициент диффузии атомов компонентов расплава, что приводит к измельчению микроструктуры обработанных внешними воздействиями сплавов. Это подтверждается данными таблицы 3.3 и микроструктурами алюминиевых сплавов, представленными на рисунках 3.12-3.15.
Влияние обработки расплава магнитным полем на скорость разделительной диффузии при кристаллизации
В общем, механизм модифицирующего влияния магнитного поля на расплав возможно описать с привлечением термодинамических и кинетических представлений о процессе кристаллизации [128].
Можно предположить, что в процессе кристаллизации расплава после его обработки внешними воздействиями (магнитным полем, ТВО и магнитным полем) при заливке происходит образование виртуальных связей между атомами его компонентов. При этом увеличивается полное время движения атома при перескоке из одного положения в соседнее. Следовательно, снижается скорость и коэффициент диффузии атомов компонентов расплава, что приводит к увеличению степени переохлаждения и измельчению микроструктуры обработанных внешними воздействиями сплавов.
Для выявления эффективности влияния различных внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся расплав был проведен сравнительный анализ процесса кристаллизации алюминиевого сплава АК7ч. Шихта сплава АК7ч состояла из 10...15 % чушковых материалов и 85...90 % лома и отходов. Технологические режимы внешних воздействий описаны в п.3.6.
В таблице 4.4 приведены полное время затвердевания {тп) залитого в песчано-глинистую форму сплава АК7ч, определенное экспериментально и рассчитанное по закону квадратного корня % jr2 , а также относительная доля твердой фазы (т0), выпадающей вблизи температуры солидус, определенная по методу ДТА.
Из данных, приведенных в таблице 4.4, следует, что между расчетными и экспериментальными значениями полного времени затвердевания тп наблюдается хорошее соответствие.
Таким образом, анализируя значения полного времени затвердевания сплава и доли твердой фазы, выпадающей вблизи температуры солидус, можно сделать вывод, что наиболее эффективными технологиями обработки расплава внешними воздействиями является обработка расплава магнитным полем при заливке в литейную форму и комплексная обработка расплава ТВО и магнитным полем. Также действенной технологией является обработка расплава электрическим током при кристаллизации.
Результаты расчетов подтверждают предложенный механизм влияния магнитного поля на формирование структуры, в соответствии с которым обработка струи расплава данным воздействием способствует при кристаллизации снижению скорости диффузии атомов компонентов и уменьшению температурного интервала «ликвидус-солидус». Предварительная ТВО еще больше интенсифицирует процесс.
Для определения кристаллизационных параметров в среде визуального программирования Delphi 2007 for Win32 incl UPDATE 1 было разработано программное приложение «Расчет параметров кристаллизации» (рисунок 4.3).
Программа позволяет рассчитать критический радиус зародышей, количество зародышей в единице объема расплава в зависимости от экспериментально определенных переохлаждения расплава и интервала времени зародышевания (рисунок 4.4). Интерес представляет тот факт, что программное приложение учитывает возможность одновременного расчета параметров для исходного расплава, расплава, обработанного одним из видов внешних воздействий (магнитное поле, электрический ток, вибрация, инертный газ), а также расплава с комплексной технологией обработки, включающей ТВО, и сравнение данных расчетов с помощью гистограмм.
Программа позволяет проводить расчеты для алюминия, алюминиевых сплавов марок АК7ч, АМ5, АК5М2, углеродистой стали, чугуна. Результаты расчетов записываются в файл, находящийся в директории «e:\Crystallization.doc».
Исходные данные [129, 130] для расчетов приведены в таблице 4.5. В таблице 4.6 представлены результаты расчетов с помощью программного приложения для сплава АК7ч (из файла «Crystallization.doc»). В качестве внешнего воздействия было выбрано магнитное поле с индукцией 0,5 Тл. В каждом случае было проведено по 8 экспериментов, в таблице приведены средние значения. Интервал времени зародышевания и переохлаждение расплава были выбраны, исходя из экспериментальных кривых охлаждения.
