Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 9
1.1 Влияние метода вибрации на расплав 9
1.1.1 Объемная вибрация 11
1.1.2 Механизм влияния вибрации на кристаллизующийся расплав .14
1.1.3 Экспериментальные исследования цветных сплавов 18
1.1.4 Теоретические исследования в области влияния вибрации на кристаллизацию металлов 24
1.1 5 Применение принципа термодинамики необратимых процессов.27
1.1 6 Влияние теплофизических условий на затвердевание сплава 29
1.2 Жидкотекучесть сплавов 31
1.3 Выводы по состоянию вопроса и задачи работы 40
Глава 2. Методика исследования 42
2.1 Общий план исследований 42
2.2 Автоматизированный измерительный комплекс 43
2.3 Методика исследования литейных и механических свойств 44
2.3.1 Технология плавки и заливки 44
2.3.2 Жидкотекучесть 44
2.3.3 Линейная усадка 49
2.3.4 Механические свойства 51
2.3.5 Исследование пористости в сплавах 52
2.4 Исследование микроструктуры сплавов 52
2.5 Макроанализ строения металлов 53
2.6 Исследование влияния вибрации на кристаллизацию сплавов 54
2.7 Обработка экспериментальных данных 55
Глава 3. Разработка программно - методического обеспечения дифференцирования термических кривых охлаждения 56
3.1 Погрешности при снятии термических кривых в отливках 56
3.2 Сглаживание и фильтрация сигнала 59
3.3 Алгоритмы обработки и численного дифференцирования 60
Глава 4. Результаты исследования 69
4.1. Исследование жидкотекучести 69
4.1.1 Металлическая проба 69
4.1.2 Спиральная проба ; 77
4.2 Исследование плотности сплава 84
4.3 Металлографические исследования 85
4.4 Исследования твердости 89
4.5 Влияние вибрации на усадочные процессы 90
Глава 5. Исследование вибрационного воздействия на AL-Si сплавы с использованием натурного моделирования 92
5.1 Исследование скорости течения расплава по каналу пробы 92
5.2 Температурные исследования 97
5.3 Термический анализ 106
5.4 Численное моделирование доли твердой фазы 112
5.5 Расчет контактного взаимодействия отливка-форма под действием вибрации 116
5.6 Математическое моделирование затвердевания отливок под действием вибрации 117
Глава 6. Использование, опытно-производственная апробация и внедрение результатов исследований 128
6.1 Расчет экономической эффективности вибрационной технологии изготовления отливок 130
Заключение 132
Выводы 133
Библиографический список 135
Приложение 1 145
- Теоретические исследования в области влияния вибрации на кристаллизацию металлов
- Алгоритмы обработки и численного дифференцирования
- Влияние вибрации на усадочные процессы
- Математическое моделирование затвердевания отливок под действием вибрации
Теоретические исследования в области влияния вибрации на кристаллизацию металлов
Объяснение процесса кристаллизации отливок не только при обычных условиях литья, но и при вынужденном движении расплава, независимо от способа приведения его в движение дают не все существующие на данный момент теории кристаллизации отливок и слитков.
Добаткин В. Д. [28] дает этому следующее объяснение: любое пермешивание расплава ускоряет процесс охлаждения его в форме, следовательно, ускоряется и начало равноосной кристаллизации, в результате сокращается зона столбчатых кристаллов и измельчается зерно в центральной части слитка.
В. О. Гаген-Торн [29] в своей теории предполагает, что перемешивание расплава независимо от способа перемешивания мешает образованию сплошной корки на свободной поверхности расплава, залитого в изложницу, а также на поверхности стенки изложницы. Свободные кристаллы, появляющиеся на поверхности стенок и свободной поверхности расплава, при перемешивании разносятся по всему объему расплава и являются затравками для равноосной кристаллизации.
Н. И. Хворинов [30] считает, что при перемешивании расплав разрушает фронт кристаллизации, обломки кристаллов разносятся по всему объему расплава и становятся затравками кристаллизации расплава впереди фронта кристаллизации. При увеличении интенсивности движения (вибрация), число обломков возрастает, что вызывает сокращение столбчатой зоны и приводит к измельчению зерна в отливках и слитках.
По теории А. Оно [31] имеется два фактора воздействия вибрации на структуру затвердевания. Первый фактор состоит в том, что колебания способствуют смачиванию расплавом поверхности формы, а это в свою очередь облегчает теплоотвод от расплава через стенку формы. Но поскольку в обычных условиях поверхность расплава покрыта оксидными пленками, то трудно ожидать однородного его контакта с этой стенкой. Колебания разрушают покровные пленки, облегчают смачивание поверхности формы, в результате скорость охлаждения расплава увеличивается, т. е. облегчается зарождение кристаллов, вследствие этого измельчается структура наружного слоя слитков. Второй фактор заключается в том, что наложение колебаний способствует разобщению шейкообразных кристаллов со стенкой литейной формы. Если металлический расплав содержит достаточно растворенного вещества для формирования дендритных кристаллов при затвердевании, то принудительные колебания могут способствовать формированию равноосных кристаллов.
Когда металл затвердевает в вибрирующей форме, то колебания должны быть эффективны лишь постольку, поскольку они способствуют разобщению кристаллов со стенкой формы в области контакта стенки с поверхностью расплава. Если форма вибрирует во время заливки металла, то вызванное вибрацией волновое движение поверхности расплава будет способствовать разобщению кристаллов со стенкой формы до тех пор, пока не образуется стабильная твердая корочка. Так как верх твердой корочки имеет выступающую часть на уровне свободной поверхности расплава, и выступающие дендриты могут быть источником поставки равноосных кристаллов, то наложение поверхностных колебаний на расплав в форме эффективно даже в период после формирования твердой оболочки, т. е. после завершения заливки расплава [32].
Имеются основания предполагать, что вибрация наиболее эффективна для разобщения кристаллов со стенкой в начальный период затвердевания.
При вибрации у макроструктуры затвердевшего слитка появилась тенденция формирования зоны равноосных кристаллов [33]. Металл, затвердевший в форме, которую подвергали вибрации до тех пор, пока толщина твердой корочки не достигла приблизительно 5 мм, имел такую же структуру, как и в случае застывания в вибрирующей форме в течение всего периода затвердевания. Если же форму поддерживали в стационарных условиях до тех пор, пока толщина твердой корочки не достигала -10 мм и затем подвергали вибрации до завершения затвердевания, то в окончательной макроструктуре не наблюдали тенденции к формированию равноосной области. Структура в этом случае была подобна структуре металла, затвердевшего в стационарных условиях.
Описанные эксперименты ясно показали, что наложение вибраций наиболее эффективно в начальный период затвердевания, поскольку в этот период они стимулируют отделение кристаллов от мест их зарождения на стенке формы.
Ввиду того, что отделившиеся кристаллы могут расплавляться в горячей жидкости при очень высокой температуре заливки, то вибрацию металла следует осуществлять непрерывно до тех пор, пока температура расплава не снизится до определенного уровня, при котором отделившиеся кристаллы могут сохраниться, т.е. не расплавиться полностью [34].
Кроме измельчения зерна, вибрация способствует очищению расплава от газов и твердых неметаллических включений. Чернов Д. К. [1] указывает, что «достаточно произвести сравнительно небольшое движение расплава» для всплывания газового пузыря.
Процесс очистки алюминиевых сплавов рассмотрен в работе [35]. По мнению авторов вибрация и ультразвук способствуют удалению из жидких силуминов водорода за счет увеличения его диффузионной подвижности в расплавах. Инерционные колебания при вибровоздействии будут передаваться пузырькам, и способствовать их удалению из расплава. Кроме того, вибрация усиливает эффект модифицирования доэвтектических силуминов натрием. Авторами предполагается, что это происходит из-за более равномерного распределения в расплаве модифицирующих добавок. Существует и насколько других предположений, хотя единой стройной теории нет.
В работах [36-40] экспериментально подтверждено мнение о том, что вибрационное воздействие на расплав связано с теплофизическими условиями его затвердевания. При формировании кристаллических структур вибрационная энергия расходуется не только на разрушение ветвей дендритов и создание в системе дополнительных центров кристаллизации, но и на повышение интенсивности теплоотвода от расплава к стенкам изложницы. Это приводит к повышению темпа кристаллизации расплава и значительному (на 25-30 %) ускорению затвердевания слитка. Как видно из представленного материала, среди исследователей нет единого мнения и четкого математического описания процесса вибрационного воздействия на кристаллизующиеся металлы. Имеющиеся теоретические исследования и математические модели условно можно разбить на несколько групп.
Алгоритмы обработки и численного дифференцирования
При анализе данных часто возникает задача их фильтрации, заключающаяся в устранении одной из составляющих зависимости у(х,). Наиболее часто целью фильтрации является подавление быстрых вариаций y(xi), которые чаще всего обусловлены шумом. В результате из быстроосциллирующей зависимости y(xj) получается другая, сглаженная зависимость, в которой доминирует более низкочастотная составляющая.
Наиболее простыми и эффективными методами сглаживания можно считать регрессию различного вида. Однако регрессия часто уничтожает информативную составляющую данных, оставляя лишь наперед заданную пользователем зависимость.
Другим популярным методом следует считать скользящее усреднение. Скользящее среднее для каждой точки вычисляется путем усреднения значений предыдущих точек. Чтобы результат скользящего усреднения был более адекватным, применяют центрированный алгоритм расчета по предыдущим и последующим значениям.
Иногда требуется выделить среднемасштабную составляющую сигнала, уменьшив как более быстрые, так и более медленные его компоненты. Одна из возможностей решения этой задачи связана с применением полосовой фильтрации на основе последовательного скользящего усреднения .
Обычные (не робастные) алгоритмы сглаживания, записанные в ориентации на оценивание полезного сигнала и его производных в текущиеые отсчеты (момента времени); тем- самым, с использованием алгоритмов сглаживания в сущности решается задача фильтрации: 1. алгоритм текущего среднего; 2. алгоритм экспоненциального сглаживания первого порядка. Робастные алгоритмы сглаживания, обеспечивающие надежное выделение полезного сигнала из результатов измерений, содержащих помеху типа эпизодических грубых «выбросов» основу их составляют алгоритмы оценивания медианы, релейно-экспоненциального сглаживания первого, второго, и третьего порядков, и так называемые адаптивные многоструктурные операторы: 1. медианный алгоритм; 2. алгоритм релейно-экспоненциального сглаживания первого порядка; 3. алгоритм на основе робастного фильтра, сглаживающего как сам сигнал, так и скорость его измерения. Исследование приведенных алгоритмов показало, что они не позволяют, параллельно со сглаживанием, находить производную, не прибегая к конечным разностям. 3.3 Алгоритмы обработки и численного дифференцирования В качестве сглаживающего выбран алгоритм, обеспечивающий получение сглаженной термической кривой охлаждения (без изменения формы кривой на участках быстрого изменения температуры) и устраняющий помеху типа «ступенька», связанную с погрешностью аналого-цифрового преобразователя. В основе алгоритма лежит кусочно-экспоненциальная сплайн-аппроксимация с применением оконной функции Кайзера-Бесселя для подавления импульсной помехи, позволяющая непосредственно находить значение производной любой степени, не прибегая к конечным разностям. Разработанный алгоритм представлен в виде исполняемого программного модуля "Eva.exe" , производящего предварительную обработку термической кривой и программного модуля "Expn.exe", обеспечивающего фильтрацию, сглаживание и численное дифференцирование данных термического анализа. Блок-схемы алгоритмов приведены на рисунках 3.2 и 3.3. Перед началом преобразования данных термического анализа необходимо в окне параметров задать требуемый отрезок времени (tH -момент начала расчета; tK- момент окончания расчета) и шаг преобразования (dt), а так же параметр сглаживания (п - число соседних точек). При большом значении параметра сглаживания (п 10) время начала преобразований рекомендуется устанавливать таким, чтобы температура в этот момент была максимальной. Это необходимо для более точного совпадения сглаженной и исходной кривых в начальный момент времени. Тмакс и Тмин устанавливают верхнюю и нижнюю границы графика.
При нажатии на кнопку «Пуск» начинается преобразование. Если файл выбран, то он открывается для чтения и из его имени с новым расширением ".csv" формируется имя выходного файла. Он создается в формате текстового файла с разделением запятыми. Данный формат поддерживается табличным процессором MS Excel 2000.
Для подсчета числа измерений вводится переменная kolX. Пока не достигнут конец входного файла и время меньше момента окончания (times tK) и пользователь не нажал кнопку «Стоп» считывается строка исходных данных ) и из нее выделяются BpeMH(times), ЭДСХесЫ) и температурная поправка с). Если время попадает в заданный интервал и разность между текущим временем и последним сохраненным значением соответствует указанному интервалу (timesimes0id dt), то происходит преобразование по следующему правилу: если ЭДС 52,4 С, то значение температуры вычисляется по формуле: T_ra=24,81-eds+cjc, иначе происходит увеличение переменной Temp на 1 пока по таблице не будет найдено значение TXA_plus[Temp] eds, тогда температура вычисляется по формуле: T_ra=Temp+cjc+(edsXA_plus[Temp])/0,041. Последний член данной суммы - дробная часть температуры, получаемая линейной интерполяцией двух соседних значений таблицы. Переменная kolX увеличивается на единицу.
После нахождения температуры строится график первичных измерений и заполняются массивы Х[ко1Х]=гіте и Y[l,kolX]=T_ra, необходимые для передачи в сглаживающую подпрограмму "Ехрп". В случае, когда значение первое (kolX=l) или noaneAHee(time tk-dt) - то оно повторяется в массиве к -раз (к - половина интервала сглаживания).
Влияние вибрации на усадочные процессы
Сплав, имеющий измельченную и однородную литую структуру, как правила, имеет и более высокую плотность, чем сплав с неоднородной структурой. Исследованию были подвергнуты образцы всех залитых проб как в металлический кокиль, так и песчано-глинистую форму. Для определения плотности металла использовали метод гидростатического взвешивания темплетов, вырезанных на трех участках — у стояка, в середине и в конце спирали или прутка. На основании измерений плотности на каждом уровне рассчитывали среднее значение по пробе.
На рисунке 4.15 представлены результаты исследований плотности сплава в зависимости от режима вибрационной обработки. По оси абсцисс отложена величина жидкотекучести в металлической пробе. Из полученных результатов следует, что под действием вибрации плотность сплава растет, причем вибрация в горизонтальной плоскости оказывает большее влияние на плотность сплава, чем иные исследуемые режимы. Комбинированное вибрационное воздействие увеличивает жидкотекучесть, но резко снижает плотность сплава. т -, Металлографические исследования проводили как на макро-, так и на микро-уровне. На макро уровне оценивалась шероховатость поверхности спирали или прутка, для песчано-глинистой формы оценивалась величина засора нижней поверхности формовочной смесью, для прутка - наличие спаев и открытых газовых раковин. На микро-уровне исследовалась дисперсность литой структуры, которая определялась по усредненной максимальной длине включений кремния, найденной как среднеарифметическое из десяти максимальных оценок. Сравнительная микроструктура образов отлитых в песчано-глинистую форму без вибрации и с вибрацией в обеих плоскостях представлена на рисунках 4.16-4.18 Сравнительная микроструктура образов отлитых в металлическую форму без вибрации и с вибрацией в обеих плоскостях представлена на рисунках 4.19-4.20 Сравнительная макроструктура образов отлитых в песчано-глинистую форму без вибрации и с вибрацией в обеих плоскостях представлена на рисунке 4.21 Из анализа микроструктур представленных на рисунках 4.16-4.20 установлено, характер формирующейся структуры виброобработанной отливки отличается от сравнительной. Практически во всей плоскости шлифа наблюдается достаточно равномерное распределение структурных составляющих. Вибрация не зависимо от выбранного режима способствует измельчению зерен а-раствора. Под действием вибрации уменьшается газовая пористость. Из анализа макроструктур (рисунок 4.21) четко видно измельчение структуры, а также измельчение игольчатых включений, не зависимо от выбранного режима вибрации. Описанные изменения структуры приводят к повышению его твердости, прочности. Для исследования твердости сплава, подвергнутого различным режимам вибрационного воздействия в процессе затвердевания, использовались образцы, вырезанные из нижних частей стояков заливаемых проб на жидкотекучесть. Значение твердости определялось как среднеарифметическое из десяти измерений в поле среза образца. Образцы, залитые с вибрацией, имели на 8-12% большее предусадочное расширение (ПР), чем образцы, полученные без вибрации. При комнатной температуре величина линейной усадки образцов подвергнутых вибрации и без нее составила 0,57-0,58% и 0,53-0,54% соответственно. Минимальное предусадочное расширение наблюдается при комбинированной обработке расплава вибрацией в двух плоскостях, максимальное - при обработке расплава вибрацией в горизонтальной плоскости. Окончание эвтектической остановки совпадает с окончанием роста предусадочного расширения и соответствует температуре (определяемой в центре образца) в 550-560 С в зависимости от состава сплава. Анализ кривых охлаждения, снятых для различных режимов виброобработки расплава на образцах диаметром 30 мм показал, что при наличии вибрации формы время затвердевания заметно уменьшается на 20-35%, температура ликвидус снижается на 1-2 С, температура солидус - на 2-5 С. ПР у Алюминиевых сплавов происходит значительно выше TS; поэтому ПР связанно в первую очередь с выделениями газов, а потом уже с увеличением удельного объема. Вблизи TL количество кристаллов мало, газов выделяется немного. С уменьшением температуры, если темп кристаллизации велик, быстро нарастает количество твердой фазы и соответственно, интенсивно усиливается газовыделение, причем образующимся пузырькам все труднее удалятся из отливки, поэтому ПР интенсивно нарастает. При вибрации образование твердого каркаса происходит при более низких температурах, чем без вибрации. При вибрации происходит частичное обрушение сформировавшегося каркаса. Обломки кристаллов становятся новыми центрами кристаллизации при более низких температурах, что приводит к ускорению кристаллизации в этой области температур. Чем меньше выпадает кристаллов кремния в жидком растворе при температуре вблизи ликвидуса и чем больше в твердожидком состоянии вблизи температуры солидус, тем выше предусадочное расширение. Кристаллизация идет по объемному варианту с уменьшением размера зерна. Кроме того более высокое ПР связано не только с выделением кремния, но и с более интенсивным газовыделением из расплава. В процессе вибрации происходит ускорение процессов газообмена, что приводит к расширению объема твердо-жидкой фазы [83-84].
Математическое моделирование затвердевания отливок под действием вибрации
Исследования температурных характеристик текущего в каналах пробы расплава свидетельствуют о том, что в пробах залитых с вибрацией, поступающий во вторую контрольную точку расплав имеет на 40-45С более низкую температуру, чем его температура в первой контрольной точке. Для проб, заливаемых без вибрации, температура расплава во второй контрольной точке отличается от температуры в первой точке на 15-20 С. Аналогичную картину наблюдали и в третьей контрольной точке - 10-15 Си 6-10 С соответственно для проб, заливаемых с вибрацией и без нее.
Изменение режимов вибрационного воздействия приводит и к изменению тепловой картины в полости пробы. Изменение амплитуды вибрационных воздействий на расплав в вертикальной плоскости практически не меняет температурную картину, представленную на рисунке 5.3. Изменение положения изотерм на графике лежит в пределах ошибки температурных измерений. При вибрационном воздействии на расплав в горизонтальной плоскости наблюдается некоторое повышение температуры расплава, поступающего в последнюю контрольную точку пробы, и в экспериментах составило 3-7С. Влияние режима вибрации на эту величину установить не удалось.
Использование комбинированного вибрационного воздействия на расплав в двух плоскостях также приводит к повышению температуры в последней контрольной точке пробы. Зависимость повышения температуры от режимов вибрации экспериментально также установить не удалось.
В процессе экспериментов установлено, что перепад температуры между двумя контрольными точками в пробе подвергнутой воздействию вибрации в первый момент времени выше в 2-2,5 раза, чем перепад температуры у проб без вибрационного воздействия, но затем картина диаметрально меняется. Через 2-3 секунды с момента прохождения расплавом двух контрольных точек температурный градиент для проб без воздействия вибрации начинает расти быстрее, чем величина АТ/Атдпя проб, подвергнутых вибрации. В обоих случаях его рост продолжается до достижения расплавом температур фазового эвтектического перехода. В целом под воздействием вибрации величина перепада температур между двумя контрольными точками ниже на 20-30 С, чем у проб, залитых без вибрации (рисунок 5.4).
На наш взгляд еще одним немаловажным фактором, оказывающим влияние на тепловую картину изучаемого процесса для песчаной формы, является процесс газовыделения. При вибрационном воздействии газовыделение из расплава значительно выше, что приводит к дополнительному разогреву материала формы выделяющимися из расплава газами.
Поскольку тепловой поток лимитируется сопротивлением поверхности раздела металл-форма, радиальным градиентом температуры металла можно пренебречь. После того как элементарный объем жидкого металла попадает в канал пробы и перемещается со скоростью и, он охлаждается во всех точках по радиусу равномерно. Потери тепла за счет теплопроводности в направлении движения металла незначительны, и их можно не учитывать. Тепловой баланс рассматриваемой системы может быть представлен как тепло, отводимое из элемента объема металла при кристаллизации и тепло, воспринимаемое формой через поверхность.
На рисунке 5.5 приведена схема протекания металла через канал формы с приведенным размером г. где р и Ькр плотность и теплота кристаллизации расплава соответственно кг/мэ и Дж/кг; г - радиус канала пробы, м; а - коэффициент теплоотдачи на поверхности раздела металл-форма, Вт/м -К; A=(Aj+A )/2 -путь проходимый металлом по каналу пробы. - средняя температура формы в интервале времени кристаллизации; Тщ =Ть-т$ ; %, zs-время достижения сплавом температур ликвидус и солидус;
Из выражения (18) определим коэффициент теплоотдачи На основании результатов дифференциального термического анализа и серии расчетов, получены значения коэффициента теплоотдачи в зависимости от температуры протекающего по каналу пробы расплавленного металла для трех контрольных точек при различном перегреве металла над температурой ликвидус. На рисунках 5.6-5.9 приведены результаты расчетов при максимальной температуре заливки сплава в форму, равную 750С при вибрационном воздействии на расплав в вертикальной плоскости с частотой 50 Гц и амплитудой 1,2 мм.
Как видно из полученных данных, коэффициент теплоотдачи между металлом и формой в зависимости от температуры сплава меняется практически линейно. В момент попадания жидкого металла в канал пробы, он максимальный, обеспечивая и рост отводимой в форму теплоты.
