10.3. ТОНКОЕ ФИЛЬТРОВАНИЕ РАСПЛАВА В ПОЛЕ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

При производстве отливок и слитков из алюминиевых сплавов необходимо проводить фильтрацию расплава от твердых примесей. Одновременно с дегазацией расплава этот процесс входит в общий комплекс рафинирования жидкого металла и повышения чистоты деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов для изделий ответственного назначения (фольги, крупногабаритных панелей, плит, штампованных заготовок и др.). С этой целью применяют фильтры разной конструкции (например, с использованием кускового флюса, керамических труб, стеклосетки). Для изготовления сетчатых фильтров используют различные стеклоткани со следующими размерами ячейки:

Марка стеклоткани ССФ-0,4 ССФ-1 ССФ-2 ССФ-3 ССФ-4

Размеры ячейки, мм 0,4x0,4 0,6x0,6 1,0x1,0 1,3x1,3 1,7x1,7

Чем меньше размер ячейки, тем более тонкие включения могут бьггь задержаны на фильтре, т.е. может быть осуществлено фильтрование более высокой степени. Еще большего эффекта достигают при использовании многослойных фильтров из стеклоткани с минимальным размером ячейки 0,4 - 0,6 мм. Однако исследованш] [1, 4] показывают, что при увеличении числа слоев сетки с ячейкой 0,6x0,6 мм до двух необходимо увеличить столб жидкого металла до 500 мм, а с применением более тонкой ячейки 0,4x0,4 мм или с увеличением числа слоев с ячейкой 0,6x0,6 мм до трех расплав не удается фильтровать из-за капиллярных ограничений даже при увеличении столба жидкого металла более 500 мм. В то же время развитие в жидкости акустической кавитации способствует преодолению

капиллярных ограничений благодаря звукока-пиллярному эффекту [1, 4]. Поэтому использование ультразвука для осуществления тонкого фильтрования через многослойные сетчатые фильтры можно представить как самостоятельный процесс очистки расплава от твердых включений в сочетании с процессом ультразвуковой дегазации, когда у поверхности многослойного фильтра создают зону развитой акустической кавитации.

Фрактографический анализ излома многослойного фильтра (табл. 10.7) из стеклоткани с размерами ячейки 0,4x0,4 мм показывает, что в этом фильтре задерживаются очень маленькие частицы примесей.

10.7. Фрактографический анализ излома многослойного фильтра из стеклоткани с размерами ячеек 0,4x0,4 мм

Тонкое фильтрование расплава через многослойные фильтры из стеклоткани (т.н. Узфиральс-процесс) оказывает комплексное действие на расплав, очищая последний как от твердых неметаллический включений, так и водорода (табл. 10.8).

10.8. Влияние тонкого фильтрования расплава на механические свойства (высотное направление) прессованных полос сечением 65x200 мм из слитков (диаметр 270 мм) сплава 1163Т

* Малоцикловая усталость

КРИСТАЛЛИЗАЦР1Я РАСПЛАВА В ПОЛЕ АКУСТР1ЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

10.4. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ РАСПЛАВА В ПОЛЕ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ

Возникновение в жидком металле кавитации оказывает сильное каталитическое действие на систему расплав - неметаллические твердые примеси, превращая последние в активные центры кристаллизации. Нелинейный характер процесса образования кавитационных пузырьков, протекающего аналогично цепной реакции, позволяет достаточно быстро (за несколько периодов звуковой волны, что на частоте 18x10 Гц составляет 100 - 200 мкс) сформировать у поверхности излучателя- ультразвука устойчивую область кавитации, проходя через которую, непрерывно поступающий в лунку слитка жидкий металл пополняется активными зародышами кристаллизации.

Возникновение кавитации при ультразвуковой обработке и потери акустической мощности на ее развитие приводят к появлению в жидком металле интенсивных течений, которые меняют обьгшое для спокойных условий литья направление движения горячего металла от поверхности ванны к фронту. При этом происходит видимое спрямление поверхности кристаллизации и некоторое увеличение объема лунки. Перегрев под действием ультразвуковой обработки фиксируется даже на расстоянии 1-2 мм от поверхности кристаллизации (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Топография акустических крупномаспггабных течений в жидкой ванне слитков диаметром 270 мм при литье технически чистого алюминия марки А7 (7) и сплава 1960 (2): а - литье без УЗО; б - литье с УЗО

Переход на сплав, процесс кристаллизации которого характеризуется формированием переходной области, позволяет отметить дополнительное влияние ультразвуковой обработки на характеристики переходной области. Из-за образования усадочного зазора между слитком и нижней частью кристаллизатора в случае литья слитка в спокойных условиях переходная область при приближении к периферии слитка расширяется. Применение УЗО (несмотря на запас дополнительного тепла перегрева) способствуют уменьшению размеров переходной области, так как воздействие УЗО уменьшает усадку металла и тем самым приближает поверхность слитка к кристаллизатору.

При ультразвуковой обработке расплава в лунке слитка с развитием кавитационных процессов сужение переохлажденной зоны расплава вблизи фронта кристаллизации происходит благодаря внутреннему источнику теплоты без предварительного перегрева расплава в миксере. Кроме того, расплав в лунке непрерывно пополняется допотшительными заро-дьппами кристаллизации при проходе через зону кавитационной обработки.

Сформированная структура слитка состоит из почти равноосных зерен и носит название недендритной [1, 4, 5] Слитки с недендритной (субдендритной) структурой могут быть получены в промышленных условиях для большинства высоколегированных алюминиевых сплавов, имеющих в своем составе модификаторы.

Термин недендритная структура отражает генезис ее формирования, когда в специфических условиях ультразвуковой обработки затвердевающего расплава создается громадное число центров кристаллизации, а рост их ограничен температурными условиями и развитие каждого дендрита заканчивается на начальной стадии формирования основной оси. Эти представления легко укладываются в общую схему кристаллизации дендрита (предложена А.А. Бочваром). В соответствии с этой схемой модификаторы зародьпиевого типа могут привести к измельчению ветвей дендритов при столь сильном эффекте моди-фидарования, когда размер зерна станет соизмеримым с размером сечения ветви дендрита.

На рис. 10.7 представлена диаграмма эффективности измельчения структуры слитка в зависимости от условий возникновения и развития кавитации. Здесь можно вьщелить три характерных участка: участок докавитационных режимов обработки I, участок возникновения и упорядочения кавитационных процессов в расплаве II и, наконец, участок режимов развитой кавитации III - основньгх режимов обработки расплава ультразвуком, приводящих к существенному измельчению литой структуры вплоть до формирования недендритного зерна.

Интенсивность уйьтразЗукй

Рис. 10.7. Диаграмма измельчения структуры слитка при воздействии ультразвука на процесс кристаллизации

(пунктирными линиями отделены режимы ультразвуковой обработки): I - II - область формирования дендритного зерна; / - область формирования несубдеддритного зерна; 1 - диаграмма измельчения зерна; 2 - диаграмма измельчения дендритной ячейки

Подтверждением правильности изложенного механизма ультразвукового воздействия на процесс формирования недендритной структуры являются результаты микрорентге-носпекгрального анализа дендритной ликвации.

На рис. 10.8 приведены изоконцентраты меди в недендритной и дендритной структурах слитка сплава Д16, анализ которых доказьтает, что недендритное зерно развивается последовательно по всем направлениям при увеличении радиуса, но без членения на дендритные ветви. По мере роста недендритного зерна из-за встречного роста другах недендритных зерен его форма может несколько отклоняться от сферической (см. левую часть рис. 10.8, а). Аналогачные изоконцентраты, построенные для крупной дендритной ветви (см. рис. 10.8, б), свидетельствуют о том, что развитие ветви происходит также по всем направлениям, но неравномерно.

Применение технологаи УЗО в производстве сплавов позволяет расширить пределы модифицирования цирконием и титаном без образования включений первичных интерме-таллидов (табл. 10.9). При высоком содержании модификаторов зародышевого действия в том случае, когда образующиеся интерметал-лидные фазы возникают и растут в поле акустической кавитации, их размеры и форма существенно отличаются от интерметаллидов, кристаллизующихся без воздействия ультразвука. Применение УЗО ведет к формированию большого числа дисперсных интерметаллидов компактной формы вместо вытянутых кристаллов при литье слитков без УЗО.

Рис. 10.8. Изоконцентраты дендритной ликвации меди в зерне недендритной {а) и дендритной (б) структур слитка из сплава Д16.

(Штриховкой отмечено залегание эвтектики по границе дендритной ячейки)

10.9. Влияние концентрации модификатора зародышевого типа и УЗО на формирование в слитках диаметром 74 мм недендритной структуры без первичных интерметаллидов

*1 Формируется недендритная структура. *2 Имеются первичные интерметаллиды.