Развитие теории и практического использования пристеночной кристаллизации Лапшин, Александр Владиленович

Введение к работе

Актуальность проблемы. Закономерности, присущие процессу кристаллизации литого изделия, наиболее полно исследованы в работах известных отечественных и зарубежных ученых: Г.ф.Баландина, В.Т.Борисова, А.А.Бочвара, Н.Г.Гиршовича, Б.Б.Гуляева, В.И.Добаткина, В.И.Данилова, В.А.Журавлева, Г.П.Йванцова, Й.Б.Куманина, А.А.Неуструева, А.Оно, В.М.Пикунова, Н.Н.Рубцова, А.А.Рыжикова, Ю.А.Самойловича, Д.И.Саратовкина, Г.й.Тимофеева, М.ілемингса, Н.И.Хворинова, Б.Чалмерса и др. Это позволило^разработать фундаментальную научную основу теории кристаллизации отливки. Но некоторые моменты общей теории не развиты в достаточной степени.

Последнее можно отнести к пристеночной кристаллизации. Литературных данных о которой крайне мало, и общепринятым является мнение, что "корковый" слой отливки затвердевает мгновенно и всегда состоит из очень мелких, равноосных /"замороженных"/ кристаллов.

Однако, практически зо всех способах литья затвердевание начинается из зоны контакта с формой. А первичная стадия любого процесса, как правило, является определяющей. Действительно, поперечные размеры столбчатых кристаллов определяются размерами их основ: кристаллических граней, образовавшихся в зоне контакта расплав - форма. С другой стороны,' появляющиеся на стенках первичные кристаллиты в дальнейшем могут отделяться и служить зародышами: чем их больше отделиться, тем более мелкозернистым будет тело отливки, и наоборот. Да и сами по себе поверхностные кристаллы являются неотъемлимой частью общего макростроения отливки.

Приведенные примеры показывают важное значение пристеночной кристаллизации в сформировании макростроения отливок. В свою очередь от макростроения зависят физико-механические и эксплуата-

4 ционше характеристики литых изделий. Но методы, позволяющие управлять формой и размерами кристаллитов в зоне контакта расплав - форма, не разработаны, и резерв повышения качества отливок за счет регулирования кристаллизации в области контакта с охлаждающей поверхностью литейной полости практически не используется

Таким образом, дальнейшее развитие теории и практики формирования отливки в направлениях: экспериментальное и теоретическое исследование процессов, протекающих при затвердевании металлических расплавов при контакте со стенкой литейной формы; изучение формирования и разнообразия поверхностных кристаллитов; изучение влияния поверхностной макроструктуры на макростроение объема и физико-механические свойства литого изделия; разработка и опробование возможных вариантов практического использования пристеночной кристаллизации определяет научную актуальность и практическую значимость настоящей работы.

Цель работы. Развитие теории, методов расчета и управления кристаллизацией в зоне контакта расплав - форма для регулирования макростроения литых изделий и повышения их Физико-механических характеристик.

Научные положения, составляющие основу работы.

I. Процесс кристаллизации металла в зоне контакта со стенкой формы целесообразно и афективно исследовать на основе количественных математических моделей неравновесного затвердевания с учетом влияния гидродинамических, тепловых, основных технологических и физико-химических факторов: способа и скорости заполнения расплавом формы, температуры заливки, интенсивности теплообмена, геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности Форш, химического взаимодействия расплав - форма, состава и типа литейного сплава.

1. С увеличением протяженности и скорости перемещения зоны переохлаждения расплавленного металла вдоль стенки формы размеры кристаллических граней, формирующихся в области контакта с охлаждающей поверхностью уменьшаются.

2. При заполнении литейной полости со скоростью близкой к минимально возможной /когда еще отсутствуют дефекты типа спаев/ расплав натекает на стекку формы периодически и слоями определенной ширины, что приводит к скачкообразному изменению температуры в области контакта расплав - форма. При этом происходит непрерывное и сколь угодно длительное разрастание кристаллитов в области контакта со стенкой формы по направлению перпендикулярному границам между натекающими на эту стенку слоями расплава, если переохлаждение перед кончиками дендритов /в указанном направлении/ не достигает своего наибольшего значения при данной интенсивности теплообмена и к моменту прорастания очередного слоя, следующий еще не начал переохлаждаться.

Научная новизна заботы. Установлен, исследован и математически описан механизм прерывистого натекания на стенку fopim мениска зеркала расплава, поднимающегося при заливке. Установлено влияршє прерывистости натекания на процесс пристеночной кристаллизации расплава.

В области контакта со стенкой формы экспериментально исследована кинетика изменения переохлаждения расплавленного металла перед растущими вдоль стенки формы кристаллитами. На основании полученных данных и математического моделирования разработан вариант решения неравновесной модели затвердевания, позволяющий рассчитывать кинетику переохлаждения расплава в указанной области. Разработана методика определения значений кинетических параметров, входящих в предложенный вариант решения неравновесной модели затвердевания расплава в зоне контакта с формой.

Установлено, что даже в условиях большой интенсивности теплообмена, когда расплав контактирует с металлической водо-охлачдаемой стенкой формы, можно эффективно регулировать размеры кристаллитов на литой поверхности: от очень мелких равноосных /видимых только при увеличении/ до крупных, вытянутых вдол всей литой поверхности. Предложена классификация поверхностных кристаллитов, формирующихся в условиях большой интенсивности теплообмена, по их *орме, размерам и ориентировке. Установлены закономерности перехода одних типов поверхностных кристаллитов в другие.

Установлены новые закономерности влияния на макросгроение литої: поверхности способа и скорости заливки расплавленного металла, в *орму, '^пемпературьт расплава, интенсивности теплообмена, геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности литейной полости, химического взаимодействия расплава с рабочей поверхностью *ор'Ъ1 состава и типа литейных сплавов.

. Определены условия и разработана физико-математическая модель непрерывного роста одних и тех же кристаллитов вдоль стен ки Формы в процессе ее заполнения. Предложен метод расчета этой модели, и разработана методика определения значения входящего в модель кинетического параметра, характеризующего скорость роста кристаллитов в расплаве, переохлажденном в зоне контакта с формой .

Изучено влияние пристеночной кристаллизации на макростроение объема литого изделия. Установлено, что за счет регулирования Формирования поверхностных кристаллитов можно получать принципиально новые разновидности кристаллического строения тела отливки. Например получать отливки, состоящие из нескольких вытянутых вдоль всего объема и ориентированных в двух взаимно -

перпендикулярных направлениях кристаллов, или отливок, в которых внутри крупных пластинчатых кристаллов заключены объемные сегменты, с заданной геометрией и состоящие из мелких макрозерен.

Изучено влияние поперечных размеров столбчатых кристаллов, регулируемых путем управления пристеночной кристаллизацией, на физико-механические свойства литых изделий, имеющих равнозначную дисперсность какроструктурных составляющих.

Научная, практическая и культурная ценность работы. Полученные результаты расширяют теорию формирования отливки. Это выражается в том, что обнаружены новые закономерности, разработаны методы расчета и управления ростом кристаллитов в зоне контакта с формой; предложена классификация кристаллитов на литой поверхности, формирующихся в условиях большой интенсивности охлаждения; установлены новые взаимосвязи между механизмом образования поверхностных кристаллитов и макростроением объема и качества литых изделий; получены новые разновидности макростроения отливок.

Результаты работы могут найти свое применение практически в любом виде литья. Но процесс управления пристеночной кристаллизацией тонкий, поэтому его целесообразно использовать для отливок ответственного назначения. В частности в ходе выполнения работы разработана и опробована в производственных условиях технология литья в кокиль алйминиевых отливок, используемых для изготовления деталей к тракторному двигателю. Определены технологические режимы, и прорежена схема получения из ряда металлов и сплавов на основе олова, свинца, цинка, алюминия и меда в кристаллизаторах вращения непрерывно литых заготовок, имеющих различное макростроение и различные йизико-механичес-кие свойства. Разработаны и запатентованы технологии, обеспечивающие повышение качества направленно закристаллизованных и монокристаллических отливок, из яаропрочных сплавов на основе

8 никеля.

Выявленные закономерности пристеночной кристаллизации были использована для уменьшения пористости бронзовых колоколов. Работа проводилась з процессе воссоздания утраченной классической те} нологип литья, которой пользовались колокалолигейщики конца XIX века. Учитывая переориентацию духовных ценностей можно считать указанный раздел работы вкладом в развитие культуры.

Таким образом полученные результаты работы являются рашениег, актуальной научной проблемы, связанной с развитием теории и практического использования пристеночной кристаллизации, и это имеет ванное народохозяйственное значение.

На защиту выносится;

1. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и метод расчета разработанной физико-математической модели натека-ния расплава на стенку формы в процессеее заполнения.

2. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и метод расчета сформулированной /на основе известной теории/ физико-математической модели неравновесного затвердевания металлического расплава в зоне контакта с поверхностью с(ормы перед намерзающей твердой корочкой.

3. Экспериментальные исследования, теоретический анализ и выявленные закономерности влияния на макростроение литой поверхности основных технологических и физико-химических параметров: способа и скорости заливки расплавленного металла в литейную полость, температуры заливаемого расплава, интенсивности охлаждения, геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности пюрмы, УЖ-мического взаимодействия расплава с огнеупорным покрытием на стенке формы, состава и типа литейного сплава.

4. Описание и классификация кристаллитов, которые могут возникать на лито:': поверхности в условиях большо:'- интенсивности охлаждения.

с5. Разработанная ':изико-матеиагическая модель разрастания кристаллитов в зоне контакта расплав - стенка Формы, ее теоретический анализ и методы расчета.

6. і.їеталлогратические исследования влияния пристеночной кристаллизации на макростроение объема и физико-механические свойства лищх изделий.

7. Разработанные технологические решения использования результатов работы при литье в кокиль, в непрерывном литье, при лигье отливок с направленной и монокристаллическон структурами, при литье церковных колоколов.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-техническом семинаре "Перспективы применения регенерации песков при малоотходной технологии получения отливок" /Челябинск, 1988 г./, на зональной научно-технической конференции "Разработка технологических процессов литья, проектирование оснастки и анализ качества отливок -с использованием ЗЗМ" /Рыбинск, 1990г./, на У республиканской научно-технической конференции "Повышение технического уровня и совершенствование технологических процессов производства отливок" /Днепропетровск, 1990г./, на областной научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы и.охрана труда в литейно-металлургическом производстве" /Нип'ний Нозготод, . 1991 г./, на научно-технической конференции "Оптимизация технологических процессов и управления качеством при производстве фасонных отлиивок" / Рыбинск, 1993г./, на У1- и IX Республиканских научно-технических конференциях "Теплофизика технологичес-

ких процессов" /Рыбинск, 1992, IS96 г.г./, при защите кандидатской диссертации в специализированном совете Государственного научно-исследовательского, проектного и конструкторского института сплавов и обработки цветных металлов "Гипроцветметобработка" /Москва, 1989г./, на выездном заседании головного Совета "Машиностроение", секция "Технологии заготовительных производств" /Рыбинск, 1994г./, на семинаре кафедры "Металловедение и литейное производство" и на НГС Рыбинской государственной технологической академии /Рыбинск, 1994, 199э г.г./, на НТС в АО "Всероссийский институт легких сплавов" / ВЯЛО, Москва, 1996г./, на секмнаре кафедры "Теория и технология литейных сплавов" /С.-Петербургский государственный технический университет, 1996г./.

Публикации. По теме .диссертации опубликовано 18 статей в различных центральных журналах, 4 статьи в межвузовских сборниках. Получено 16 а.с. и патентов на изобретения. Издано 9 тезисов докладов на различных конференциях. Две работы на правах рукописи. Всего 49 работ.

Личный вклад автора. Представленные в работе данные экспериментов, теоретический анализ, расчеты и технологические решения получены автором только на основе личного труда. 46 из 49 работ по теме диссертации написаны без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, перечня основных условных обозначений, восьми разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Изложена на 292 страницах машинописного текста, содержит 15 таблиц, 60 рисунков, библиографический список включает 271 наименование .