РАФИНИРУЮЩАЯ ОБРАБОТКА РАСПЛАВА УЛЬТРАЗВУКОМ

10.2. РАФИНИРУЮЩАЯ (ДЕГАЗИРУЮЩАЯ) ОБРАБОТКА РАСПЛАВА УЛЬТРАЗВУКОМ (ДО НАЧАЛА КРИСТАЛЛИЗАЩ1И)

Для получения качественного литого металла (слитков или отливок) расплав до начала кристаллизации подвергают рафинирующей обработке с целью снижения в жидком металле концентрации водорода и твердых неметаллических примесей (оксидов и др.).

Поведение жидких металлов с дисперсными оксидными включениями должно подчиняться общим закономерностям коллоидной химии, т.е. системы должны быть термодинамически неустойчивыми и самопроизвольно коагулировать. Этого на практике не происходит из-за малой подвижности частиц и адсорбции водорода у их поверхности.

Механизму и количественным характеристикам связи водорода и оксидов посвящен ряд исследований [2]. Если гомогенные жидкие расплавы без оксидов способны к образованию пересьцценных растворов водорода при кристаллизации, то в реальных жидких металлах, содержащих оксиды, может легко идти гетерогенное образование зародышей пузырьков на подложке из оксида.

Подложка (частица оксида) может иметь собственную кривизну поверхности или отдельные участки вогнутой поверхности в виде трещин и щелей с радиусом кривизны. В этом случае анализ распределения водорода в объеме жидкого металла, содержащем планктон дисперсных частиц оксида с криволинейньпи участками поверхности, показывает, что возможно существование линз молекулярного водорода при концентрации даже ниже равновесного значения.

Объем молекулярного водорода на частицах оксида алюминия, достаточный для удержания их от оседания в расплаве алюминия, равен приблизительно 1/2 суммарного объема твердых частиц [2]. Поэтому и количе-

ство водорода, находящегося в жидком алюминии в виде скоплений, пропорционально концентрации оксида. По этим данным можно судить о количестве водорода в расплаве, находящемся в молекулярной форме на взвешенных частицах неметаллических примесей.

Доля свободного (молекулярного) водорода составляет 0,001 - 0,02 % по объему, однако роль этих дырок в жидком металле чрезвычайно велика, так как они служат зародышами кавитации и дегазации расплава и определяют поведение последнего в процессе рафинирования и кристаллизации.

Кавитационная обработка расплава обеспечивает аномально быстрый диффузионный рост зародышей газовых пузырьков до размеров, способных подняться на поверхность ванны с расплавом [1].

Если при отсутствии поля ультразвука пузырек медленно растворяется из-за диффузии газа из пузырька в жидкость, то в условиях пульсации поверхности пузырька возникает напракленная диффузия газа из жидкости в пузырек. Складьшаясь с нормальной статической диффузией газа из пузырька в жидкость, процесс однонаправленной или, как ее часто называют, выпрямленной диффузии может превысить нормальную диффузию газа из пузырька при определенных значениях звукового давления.

Расчеты на ЭВМ [1] системы уравнений, связьшающих диффузию водорода из расплава в пузырек с динамикой последнего в поле переменного звукового давления (например, с амплитудой 10 МПа для трех значений начального радиуса пузырька Rq соответственно 100, 10 и 1 мкм), подтвердили, что в результате однонапракленной диффузии дакление внутри пузырька водорода в алюминии растет на два, три и пять порядков (рис. 10.3).

ff.S f,0 1,5 г.о Период звуковой волиё!, Т 6)

Рис. 10.3. Влияние диффузии водорода на динамику кавитащюнной полости при звуковом давлении 10 МПа, обеспечивающем режим развитой кавитации при следующих значениях начального радиуса

а - 10-; б - Ю; в - 10 ; 1 - результаты расчетов с учетом диффузии, 2 - расчеты без учета диффузии

Активное развитие в жидком металле акустических течений, усиливающихся при кавитационных режимах обработки ультразвуком, позволяет представить механизм ультразвуковой дегазации жидкого металла в виде следующих стадий:

зарождение пузырьков водорода на поверхности твердых частиц примесей собственных оксидов металла при звуковых давлениях, превышающих величину адгезии жидкого металла к твердой поверхности;

рост пузырьков водорода в результате диффузии газа, направленной внутрь пузырька из раствора, в зависимости от размеров исходного зародыша, начальной концентрации водорода в расплаве, амплитуды звукового давления и времени кавитационного воздействия;

коагуляция отдельных пульсирующих пузырьков в результате развития акустических микротечений, развивающихся вблизи кавити-рующих пузырьков;

адсорбционный перенос на поверхность крупного газового пузырька твердых частиц оксидов, являющихся основой для возникновения кавитационных зародышей;

ускоренный вьшос на поверхность ванны с расплавом пузырьков газа за счет развития акустических макропотоков.

Эффективная дегазация расплава возможна только в условиях протекания активной кавитации и действия акустических течений (рис. 10.4).

Ультразвуковое рафинирование расплава под действием поля приводит не только к удалению водорода (рис. 10.5), но и к удалению твердых включений оксидов, которые флотируются вместе с пузырьками водорода и вьшосятся на поверхность ванны с жидким металлом.

2 4

Амплитуд

6 Ю 12 Н 1в fB колебании истошматм

Рис. 10.4. Влияние амплитуды колебаний источника ультразвука на эффективность дегазации (удаления водорода из расплава):

1 - технически чистого алюминия А7; 2 - промышленного сплава АМгб; /- нет кавитации; - начало кавитации; / - развитие кавитации

%о.г

о I г J f 5 t

Длиыш слитка, м

Рис. 10.5. Изменение содержания водорода в расплаве АМгб при литье крупногабаритного плоского слитка с размерами сечения 1700x300 мм и расходе расплава 80 кг/мин в зависимости от мощности (2-11 кВт) ультразвуковой обработки в прилеточной коробке

В табл. 10.2 приведены результаты рафинирующей ультразвуковой обработки (УЗО) литейного сплава типа АЛ9 [1, 3].

Очистка расплава от твердых неметаллических включений оксидов приводит к повышению его жидкотекучести (табл. 10.3).

В табл. 10.4 и 10.5 показано влияние ультразвуковой рафинирующей обработки расплава на качество крупногабаритных плоских слитков и толстых листов, а в табл. 10.6 - изменение механических свойств точных отливок под действием ультразвуковой дегазации расплава.

10.2. Влияние длительности ультразвуковой обработки на содержание в расплаве массой 45 кг водорода и твердых неметаллических включений *2

* Метод первого пузырька.

* Обсчет на приборе Квантимет-720

10.3. Влияние ультразвуковой дегазации расплава на жидкотекучесть алюминиевых сплавов для фасонных отливок

* Определяется по длине спирали.

10.4. Содержание водорода Н2, относительная пористость П и коэффициент затухания ультразвука /Туз в плоских слитках из сплава АМгб сечением 1700x300 мм в зависимости от уровня мощности ультразвуковой обработки потока расплава

10.5. Влияние УЗО потока расплава на склонность к расслоению листов из сплава АМгб толщиной 10 мм [1]

10.6. Влияние ультразвуковой рафинирующей обработки на механические свойства точных отливок из сплава АЛ40 [1]