автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Развитие теории и практического использования пристеночной кристаллизации

Р Г Б ОД

2 5 НОЛ 1988

на правах рукописи УДК 621.74

ЛАПШИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИЛЕНОВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИСТЕНОЧНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

С.-Петербург 1996

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники Р£, д.т.н., профессор

Баландин Г.ш.

Заслуженный деятель науки и техники Р£, д.т.н., npofeccop

Магницкий О.IU

Д.т.н., профессор

Макаров P.C.

Ведущая организация - АО "Автодизель" /г.Ярославль/

Защита состоится 26 декабря 1996 года в 16 часов на заседг нии диссертационного совета Д 063.33.08 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: I95251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, Химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГГУ.

Автореферат разослан /^ ноября 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Казакевич Г.С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО ГЙКА РАБОТЫ

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.'£лешнгса, 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 во 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 Формировании макростроения отливок. В свою очередь от макростроения зависят физико-механические и эксплуата-

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 эффективно 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, температур« заливки, интенсивности теплообмена, геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности Лорды, химического взаимодействия расплав - форма, состава и типа литейного сплава.

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

3. 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 сгенку *орш мениска зеркала расплава, поднимающегося при заливке. Установлено влиярше 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 кристаллита™. 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 даие в условиях большой интенсивности теплообмена, когда расплав контактирует с металлической водо-охлачдаемой стенкой формы, можно элективно 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 литок поверхности способа и скорости заливки расплавленного металла в *орму, температуры расплава, интенсивности теплообмена, геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности литейной полости, химического взаимодействия расплава с рабочей поверхностью *ор"и 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.

Результата 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 алюминиевых 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

никеля.

Выявленные закономерности пристеночной кристаллизации были использована для уменьшения пористости бронзовых колоколов. Работа проводилась в процессе воссоздания утраченной классической те} нологии литья, которой пользовались колокалолитейщики 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-шя расплава на стенку формы в процессе ее 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 формы 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 большой интенсивности ох-лакдзния.

о. Разработанная Зизико-матеиагичэская модель разрастания кристаллитов в зоне контакта расплав - стенка Формы, ее теоретический анализ и методы расчета.

6. ¡.!еталлогратические исследования влияния пристеночной кристаллизации на макростроение объема и физико-механические свойства лишх изделий.

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

Апробация работы. Основные материал,! диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-техническом семинаре "Перспективы применения регенерации песков при малоотходной технологии получения отливок" /Челябинск, 1986 г./, на зональной научно-технической конференции "Разработка технологических процессов литья, проектирование оснастки и анализ качества отливок.с использованием <ВМ" /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" /Нижний Нозгоюод, . 1991 г./, на научно-технической конференции "Оптимизация технологических процессов и управления качеством при производстве фасонных отлиивок" / Рыбинск, 1993г./, на Ж и IX Республиканских научно-технических конференциях "Теплофизика технологичес-

ких процессов" /Рыбинск, 1392, 1996 г.г./, при защч-е кандидатской диссертации в специализированном совете Государственного научно-исследовательского, проектного и конструкторского института сплавов и обработки цветных металлов "Гипроцветметобработка" /Москва, 1989г./, на выездном заседай™ головного Совета "Машиностроение", секция "Технологии заготовительных производств" /Рыбинск, 1994г./, на семинаре кафедры "Металловедение и литейное производство" и на НТО Рыбинской государственной технологической академии /Шбинск, 1994, 199э г.г./, на НТ'С в АО "Всероссийский институт легких сплавов" / ВМС, Москва, 1996г./, на семинаре 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 .

СОДЕКАШ РАБОТЫ

Литературный обзор. На основании проведенного анализа литературных данных выбраны основные технологические и г'изико-хи-шчеехие Факторы, пси помоги которых молшо управлять криеталли-запией в зоне кон пакта расплав - форма. Забран математический аппарат, который может быть использован для описания кинетики развития пристеночной кристаллизации. Намечет возможные варианты практического использования кристаллизации в зоне контакта расплав - Яютя для управления макрос троением литых изделий, и соответственно, для повыгешн их физико-механических и эксплуатационных характеристик. Анализ литературы, цель работы и принцип разделения сложного явления на более простые части послужили основанием для постановки основных задач исследования, которые и определили содержание и название основных разделов диссертации.

Основная методика и исследованные сплавы. Опытные отливки получали путем погружения плоеного металлического холодильника с закрепленной на нем асбестовой обечайкой з расплав, находящийся з тигле плавильной печи сясшролируекой темпера турой. Холодильник имел регулируемое водяное охлаждение и шарнирно крепился к втоку автоматического механизма перемещения. При этом плавно регулируемая скорость погружения соответствовала скорости подъема уровня расплава в *орме, для чего в стенке обечайки выполнялось отверстие /верхнее или нижнее/ или вертикальная щель. Такая методика позволяла относительно легко и самое главное очень точно исследовать все выбранные технологические и физико-химические гакторы.

Процесс кристаллизации в зависимости от этих факторов изучался путем химического травления о ¡тливки на микро- и макроструктуру. Размеры граней крисаллоз непосредственно выходящих

на литую поверхность, затвердевшую в контакте с холодильником, оценивали в .двух взаимно перпендикулярных направлениях /по методу сек утвдх/.

Для изучения пристеночной кристаллизации был использован ряд модельных и промышленных сплавов на основе систем олово -свинец, цинк - олово , алюминий - кремний, медь - цинк, медь --олово и на основе никеля.

■ Исследование особенностей натекания расплава на стенку формы в процессе ее заполнения. В ходе проведения экспериментов установлено, что в условиях большой интенсивности теплообмена /при изменении температуры расплава порядка нескольких десятков град, в сер/и скорости заливки близкой к минимальной /когда еще нет спаев/ расплав натекает на поверхность формы прерывисто и слоями определенной ширины, хотя его уровень поднимается непрерывно. Этот процесс хорошо виден визуально. В предельном случае характер прерывистости натекания остается на поверхности отливки з виде следов от периодических заворотов еще пластичного, но уже успевшего слегка закристаллизоваться в момент остановки основания периметра смачивания. Для всех исследованных сплавов ширина натекающих на поверхность формы слоев составляла з среднем несколько миллиметров, а глубина остающихся следов от заворотов 10...20 мкм. Установленное явление ранее нигде не описывалось, хотя присущая процессу деформация поверхности мениска расплава отмечалась в ряде известных работ А.И.Вейника, В.А.Ефимова. Объяснение природы установленного явления било сделано с прив -лечением учения о гистерезисе углов смачивания согласно которому в зоне контакта жидаость - твердая поверхность возможно образование метасгабяльних краевых углов смачивания, отличающихся как в'большую, так и в меньшую стороны от-равновесного угла.

Рис. I. Схема прерывистого натекания расплава /I/ на

расположенную под произвольным углом / У / твердую поверхность /2/, У - вертикальная ось.

Схема на рис. I иллюстрирует механизм прерывистого натека-ния расплава I на располосешуга под произвольным углом f поверхность формы 2. При очередной остановке /нижняя пунктирная линия/ краевой угол л основании составляет ^о , а высота мениска h0 . За счет непрерывного поступления расплава из литниковой системы высота мениска увеличивается до , а угол-до 1}q /сплошная

линия АВ/. С этого момента металлостатический напор превышает силу сопротивления, .цействующую в области основания мениска/^очка А/. И расплав резко натекав г на стенку формы. При этом основание мениска перемещается по поверхности формы, и 'металлостати-ческий напор уменьшается. Это приводит в конечном итоге к остановке движения мениска /верхняя пунктирная линия/, когда перестает действовать сила инерции. Высота мсшска /с основанием в точке Aj/ и его краевой угол принимают свои первоначальные значения fl0 и , соответственно. 3 дальнейшем процесс периодически повторяется до окончания заливки.

На основании проведоингдх экспериментов и выражений, описывающих боковую поверхность жидкости в поле действия силы тякес-ти была получена формула, определяющая расстояние А Ид , на которое происходит периодическое перемещение оснований мениска при условии, что в течении этого перемещения уровень залитого расплава существенно не изменяется:

где £Г - поверхностное натяжение на границе расплав - среда /воздух/,^ - плотнось расплавленного металла, £ - ускорение свободного падения, ^ - угол отклонения рабочей поверхности Форш.

Проверка вчраскения /I/ проводилась по основной методике при погружении медцого холодильника в расплав олова. При прочих равных условиях положение рабочей поверхности холодильника /угол у/ меняли от опыта к опыту. Результаты экспериментов представлены на рис. 2.

х

I i

3

I

О

i 1

с Л

¿о но бо ¿о юо 120 m {во m

У ГОЛ НАКЛОНА ПОВЕРХНОСТИ тоАШНШ, ГрАА Рис. 2. Зависимость шрина / Акц / слоев олова, натекающих на холодильник, от угла наклона его поверхности /V/ О - опытные данные; —« - рас^е^ные данные.

С ни;.м хорошо согласуются расчетные данные, полученные по Формуле /I/.

Анализ графика на рис. 1 показывает, -то выражение /I/ справедливо при условии При чем при У Д -> с?о. При 1>0 - в вчрашении /I/ значете ^¿Л необходимо приравнивать к нулю на основании того, что зеркало расплава просто п-изически нэ могет быть вогнутым в случае жСмачивания им поверхности формы. При ^'5 2/н выражение /I/ вообще перестает работать.

Шло установлено, что на начальной стадии заполнения формы натекание мениска носит неустойчивый характер. Связано это с тем, что процесс натекания аналогичен движению волны по поверхности щлкости, которая до возникновения движения н»ходилзсь в покое. Скорость распространения таких волн выражается известной в гидравлике формулой Лагран>ха, из которой следует, т'то скорость на-текашя мениска постоянно возрастает с увеличением глубины объема расплава ^ . В начальной стадии заполнения глубина объема тала, расплав не так резко натекает на стенку *ормя,.и его уровень успевает слегка подниматься. Это приводит к некоторому запаздыванию остановки мениска. 3 результате ширина слоев натекающих на поверхность "орш больше, чем по выражению /I/. Но г. к. скорость подъема уровня при заливке остается постоянной, а скорость нарекания возрастает, упомянутое запаздывание с каждым последующим слоем становится все короче и ширина слоев все меньше. При достижении предельного значения глубины ванны , ширина слоев уже практически не изменяется и описывается выражением /I/. Для металлических расплавов ^ = 19...20 мм.

Шражение /I/ все более утрачивает свою справедливость и с увеличением скорости подъема уровня расплава. При этом наблюда-

ется уг.е обратная картина: ширина слоев по мере возрастания скорости заливки постоянно увеличивается. По аналогии с приведенными выше рассуждениями это происходит из-за все большего запаздывания остановки натекания. При превышении скорости подъема уровня \/ некоторого критического значения начинается непрерывное перемещение основания мениска вдоль стенки формы. Например для олова натекающего на медный холодильник I Ц* - 90°/ при V = 1...3 мм/с 0,8 мм при У = 4. ..10 мм/с М= 1...4 мм, а

при У 30 ш/с наблюдается непрерывное натекание.

Установленный механизм натекания расплава на стенку формы позволяет задавать определенное температурное поле в зоне контакта расплав - форма. Это /как будет показано ниже/ играет чрезвычайно ванную роль в процессе кристаллизации пристеночной области.

Исследование теплокинегического затвердевания расплавленного металла в зоне его контакта со стенкой формы. Первоначально были разработаяы методики, позволяющие фиксировать изменение температуры в исследуемой области. Для этого был использован принцип предварительною прогрева рабочего спая термопары в объеме расплавленного металла. 3 дальнейшем прогретый спай помещался в зону контакта с Нормой. Это позволило устранить погрешность связанную с инерционностью термопары и записать при помощи графопостроителя процесс изменения температуры в указанной области. В результате были получета экспериментальные кривые, отражающие кинетику изши0:шя температуры расплава перед намерзающей на стенку сюрмы твердой корочки. Анализ температурных кривых показал, что разрастание кристаилитов вдоль стенки формы происходит в условиях переменного по величине переохлаждения расплава ниже равновесного ликвидуса, и это согласуется с известной теорией.

В дальнейшем была сделана проверка о возможности допущения, что в зоне контакта расплав - >тхзрма перед растужиыи в ноль охлаждающей поверхности кристаллитами основной теплопоток одномерен и направлен перпендикулярно этой поверхности. Для этого были решены одно- и двухмерная задачи по известному варианту квазиравновесного затвердевания, в котором условно принимается, что теплота фазового перехода равномерно выделяется внутри интервала кристаллизации, ограниченного равновесными значениями ликвидуса и соли-гдуса. Численное моделирование показало, что указанное допущение вносит в расчеты погрешность в среднем равную 11%, по' сравнению с двухмерным вариантом, при котором учитывались кооставляющая общего тепло потока, направленная параллельно охлаждающей поверхности в намерзающую на стенке ,'ч>рш твердую корочку и натекающий на зеркало свежий расплав , имеющий температуру заливки.

Определенное значение погрешности допустимо, поэтому, для существенного облегчения расчетов теплокине^ическая или неравновесная: модель затвердевания расплава в зоне контакта с Нормой бела, принята такте одномерной. В основе указанной модели лежит известный вариант, заимствованный из трудов научной /литейной/ школы МВТУ им. Баумана. Согласно выбранной 'додели затвердевание расплава начинается после его переохлаждения ниже равновесного ликвидуса на интервал метастабильности. С этого момента в расплаве появляются первые зародыш, имеющие шарообразную форму. Температура расплава продолжает понижаться пока теплота затвердевания от первых кристаллитов еще отводится основным теплопо"оком. С увеличением величины переохлаждения в процесс вовлекаемся все большее количество новых центров кристаллизации. Когда суммарное выделение от них теплоты затвердевания превышает возможности теплоотдачи в форму, переохлаждение снимается приближаясь к мини-

ыальной величине необходимой для завершения процесса.

Решение этой модели для объемного затвердевания было найдено й.Л.Воробьевым, при этом были сформулированы известные в теории литейных процессов 1-я и ¿-я задачи, названные его именем. Но указанные задачи нельзя было использовать непосредственно для расчетов пристеночной кристаллизации. Для осуществления этого потребовалось искать решение точно на границе расплав - Форма. При этом был использован метод конечных разностей.

Однако препятствием для численных расчетов явилось полное отсутствие в литературе данных о значениях кинетических параметров кристаллизации: скоростей зарождения K/V и роста кристаллитов jj^ при переохлаждении расплава на один градус ниже интервала метастабильности AT : степенного показателя, характеризующего зависимость ат величины переохлаждения общего количества центров кристаллизации и степенного показателя, характеризующего механизм роста кристаллитов в переохлажденном расплат ^

зе J41 . Не оказалось и приемлимых методик, позволивших бы определить их. В этом основное затруднение для штюкого использования неравновесных моделей вообще, хотя они и блине всех к реальному процессу.

Для нахождения значений кинетических параметров был использован по аналогии с рядом публикаций научной /литейной/ школы Ленинградского политехнического института метод параметрической идентификации. Планировалось, что варьируя входными кинетическими параметрами процесса, до совпадения с заданной точностью расчетной температурной зависимости с экспериментальной, мокно получить их истинные значения. Минимизация целевой функции была реализована путем использования на ЗВМ последовательного симплекс-метода оптимизации с автоматическим выбором шага. Для моде-

лирозэния был выбран расплав технически чистого алшиния, для которого хорошо известны теплофизические характеристики, и получена экспериментальная кривая, характеризующая кинетику изменения температуры затвердевающего расплава в зоне контакта с поверхностью стального водоохла.-даемого холодильника. Однако, первые же проведенные расчеты показали, что в оперируемом пягимерном факторном пространстве однозначно из любого исходного симплекса определяется только один кинетический параметр м! . Остальные из-за их математической взаимозависимости при практически одинаковых расчетных и экспериментальной термических кривых приняли совергенно различные значения. Но дальнейшее математическое моделирование показало, что, если известно значение А Т , а скорости зарождения и роста зародышей объединены произведением \/Ку уН , то многоэкстремальность задачи устраняется, и из любого исходного симплекса однозначно определяются истинные значения параметров , ^I , и указанного произведения, И это позволяет производить все необходимые расчеты при любых других условиях литья , отличных от тех, при которых была получена экспериментальная кри-зая.

С другой стороны из теории литейшх процессов известно, что интервал метастабильносга для реальных условий плавки находится в пределах долей градуса. Поэтом}/ допустимо принять его равным кулю. Как показала математическая пшверка ото вносит минимальную погрешность, не превыпатсглую нескольких процентов.

Таким образом найденное решение задачи о неравновесном затвердевании расплава в зоне контакта со стенкой 'ормы совместно с разработанными методиками по экспериментальному Фиксированию изменения температуры в указанной области и методикой по определению конкретных значений кинетических параметров кристаллизации, позволяют рассчитывать ход переохлащцения расплава перед растушц-

ми вдоль охлаждаощей поверхности кристаллитами. Важность такого расчета с -ночки зрения регулирования процесса пристеночной кристаллизации трудно переоценить.

Исследование влияния на макпостроен^з литой поверхности основных технологических и физико-химических факторов. Эксперименты выполнялись при помогу уже описанной основной методики. На данном этапе оценивались размеры только тех граней объемных кристаллов, которые непосредственно выходят и видны на изучаемой лигой поверхности. В дальнейшем именно эти грани будут для краткости называться просто зерна.

Установлено, что в условиях литья на медный холодильник легкоплавких металлов и сплавов на основе олова, висмута и свинца размеры зерен удается изменять в довольно широких пределах /в 3...7 раз/ уже путем регулирования температуры затеваемого расплава и микрогеометрии охлаждающей поверхности. Но все же для управления размерами зерен в более широких пределах /особенно эт каса,ется сплавов с более высоком температурой на основе алюминия и меди/ наряду с указанными факторами необходимо принимать во внимание способ и скорость заливки, интенсивность теплообмена, геометрию стенки формы, химическое взаимодействие огнеупорного покрытия с расплавом, состав и тип литейного сплава.

Установлено, что наиболее эффективно с точки зрения получения крупных размеров зерен заполнять формы струей металла, падающей с высоты не более о ..Л мм, или струей, стекающей по наклонной к горизонту стенке -орш, или делать это при помощ вер-тикально-ш.елевок системы. В перечисленных случаях расплав подается по касательной к у?® залитому объему, не перемешивается и постоянно обновляется в пристеночной области свежими порциями, имеюп^ми оптимальную температуру. Этого невозможно добиться,

когда заливаемый металл перемеривается с уже имеющимся объемом, или когда он заполняет Лорму сифоном.

Установлено, что при прочих равных условиях наиболее крупные зерна образуются при скорости заливки, близкой к минимальной, при которой еще отсутствуют дефекты типа спаев.

Установлено, что оптимальная температура заливки для получения крупных зерен находится примерно на 10% выше ликвидуса.

Установлено, что даже Рачительное повышение или снижение интенсивности теплообмена от оптимального уровня существенно измельчает макростроение литой поверхности. Интересно отметить, что наиболее крупные зерна на всех исследованных металлах и сплавах удалось получить только при достаточно большой интенсивности теплообмена в зоне контакта расплав - стенка формы. Это связано с резким сужением переохлажденной облаети перед рас гукали кристаллитами .

Установлено, что в случае использования огнеупорного покрытия для получения крупных зерен необходимо, чтобы оно не взаимодействовало с расплавленным металлом. При этом для покрытий, в состав которых входят окислы металлов, выявлено, что первоначально инерт-ная окраиенная поверхность реагирует с расплавом в ходе каждой последующей заливки и становится все более активной с точки зрения зародыжеобразования, т.е. зерна все более измельчаются.

Установлено, что инертность краски восстанавливается, если с нее снять тончайший поверхностный слой, или сделать перерыв между заливками в течении нескольких часоз. 3 первом случае активные /смачиваемые/ участки краски удаляются механически, во-втором - они дезактивируются за счет смещения находящихся на поверхности ионов металла /образующихся при химическом реагировании расплава и краски/ вглубь огнеупорного покрыпия и замещения их атомами кислорода.

Установлено, что геометрия 'чормы проявляется во влиянии угла наклона стенки на интенсивность перемешивания расплава, и на .шрину натекающих на стенку слоев в условиях периодического механизма нарекания, и во влиянии характерного размера литейной полости на процесс теплообмена.

Установлено, что влияние микрогеометрии рабочей поверхности форш проявляется в основном не через изменение смачивания, а через изменение интенсивности теплообмена. Например при прочих равных условиях придание рабочей поверхности медного холодильника шероховатости / Я2 ~ 20 мки/ мо:хет приводить к резкому /на порядок/ уменьшению зерен на отливках по сравнению со случаем, когда поверхность холодильника была полированной / Яо. = 0,01мкм/

Установлено, что з наиболее широких пределах регулировать размеры зерен можно на поверхности отливок из чистых металлов или сплавов, образующих твердое растворы. При содержании в сплаве заметного количества эвтектики на процесс пристеночной кристаллизации существенное влияние оказывает каким компонентом обогащены первичные дендриты твердого раствора. Если этот компонент является и лидирующей Фазой эвтектики, то для образования между первичными дендри,пами эвтектических колоний не требуется значительного переохлаждения, и они однородно и последовательно встраиваются в кристаллическую структуру. При прочих равных условиях для указанного случая характерны гораздо более крупные размеры зерен, чем когда первичные дендриты обогащены компонентом не лидирующей Фаз:?, что приводит к глубокому междендритному переохлаждению с выпаданием множества очень мелких эвтектических зерен. В сплавах с перитектикой так же наблюдалось резное /в десятки раз/ изменение размеров зерен сразу при переходе состава через перитектическую точку.

Особо хочется отметить, что в ходе проведенных эксперимен-

?ов обнарукэно ранее неизвестное явление, касающееся непрерывного разрастания одних и тех те зерен вдоль охлаждающей поверхности, т.е. перпендикулярно основному теплопотоку. 3 результате, например были получены литие поверхности /с габаритными размерами 50...100 х 20...30 мм/, которые затвердели в контакт с металлическими водоохлащцаемьпли холодильниками и оказались сформированными всего из нескольких крупных зерен. -Закт удивительный, если учесть, что при этом расплав терял температуру со скоростью несколько десятков градусов в секунд/. 3 известной литературе ранее подобные .¿¡акты не описывались.

На основании проведенного анализа большого количества экспериментальных данных предложена классификация поверхностных зерен, которые могут образовываться при контакте со стенкой формы, через которую идет основной теплопоток. Всего было выявлено три типа: равноосные, ромбовидные и полосчатые. При полосчатом типе зерна самые крупные, и они вытянуты в одном направлении вдоль всей литой поверхности отливки. При этом в каждом из выделенных типов возможны колебания размеров в самых широких пределах. Для полосчатых зерен имеется в виду колебания размеров только в направлении перпендикулярном направлению, в котором они вытянуты. В зависимости от конкретных условий как и в объеме на поверхности возможны комбинации из различных типов зерен. Главное, что показали проведенные эксперименты заключается в том, что поверхностные зерна по своим формам и размерам гак -''в многообразны как и кристаллы объема. И их ыошно с успехом регулировать даже в условиях большой интенсивности охлаждения. И это значительно расширило принятые ранее теоретические представления.

Разработка физико-математической модели, методов расчета и управления поверхностной кристаллизацией. Било учтено, что наиболее слонным является получение крупнозернистой макроструктуры

на лигой поверхности. Поэтому в основу модели было полонено установленное явление непрерывного разрастания одних и тех же зерен вдоль охлаждающей стенки формы. Шло отмечено, что указанное явление происходит в условиях прерывистого натекания расплава. При этом /как следует из предыдущего раздела/ зерна - это видимые на литой поверхности грани- объемных кристаллов. Поэтому схему процесса можно представить следующим образом, рис. 3.

формы: I - расплав; 2 - стенка формы; 3 - кристаллиты; 4 - центры кристаллизации; 5 - зерна /грани кристаллитов, выходящие на литую поверхность/. Прерывисто натекающий расплав I на стенку формы 2 создает прерывистое распределение в зоне контакта температуры Т в направлении оси 7- . 3 'свою очередь прерывистость температуры создает прерывистость процесса пристеночной кристаллизации, в результате которой кристаллиты 3 начинают прорастать очередной слой ра-

сплава /лфино/, как только в нем снимется первоначальный пе-

регрез, и область, контактирующая с формой начнет переохлаждаться ниже равновесного ликвидуса Ти • меРе этого роста в направ-

лее увеличивается. 3 результате перед раступрш кристаллитами образуется все большее количество нов;« центров кристаллизации 4, Но они еще окончательно не оформились и большинство из них не имеют благоприятной кристшио графической ориентировки к росту вдоль стенки йоргу. Поэтому они вязну? з развитых дендритных ветвях кристаллитов, которые з предыдущих /нижних/ слоях уже естественно выклинились и имеют оптимальную ориентировку к росту вдоль оси I . Ло как бнло установлено, кристаллиты способны непрерывно прорастать слой за слоем на любое заданное расстояние вдоль стенки формы, только если выполняются с гте.дуютзде условия: температура в зоне контакта с формой очередного слоя к моменту прорастания дендрит а: я предыдущего ,должна быть не меньше температуры ликвидуса, а время окончания прорастания отдельного слоя долкно быть всегда не более, чем время достижения расплавом в зоне контакта с Нормой наибольшего переохлаждения АТп при данных условиях. Вели в процессе заливки расплав подается по касательной к уже залитому и постоянно обновляется све;:мми порциями в пристеночной области, которые натекают на стенку >"ормы всегда при од,ной и той же температуре металла, то приведение вше условия могут быть выражены следуто'цими неравенствами.

лэнии оси Ъ переохлаждение перед кончикаш дендритоз ДТ все бо-

где - премя снятия в зоне контакта с •'-ормой первоначально-

го пзрэгреза ра.-плава к-ге ~Т~и ;

У' - скорость подъема уровня при заполнении расплавом литейной полости. При этом величины, входящие в условие /2/ и /3/ прямо или косвенно отражают влияние всех ранее исследованных технологических и физико-химических факторов. Например, параметр зависит от состава и типа литейного сплава. Время Т^ - от температуры заливки, интенсивности теплообмена, геометрии и микрогеометрии "ормы, способа заливки. От аналогичных факторов /что и ^ / зависит и Д7и1, но при этом добавляется еще.состав и тип сплава, химическое взаимодействие расплав - *орма.

Значение величин и А можно определить для конкретных условий экспериментально при помощи разработанных методик. Или первоначально снять термическую кривую в более "мягких" условиях /например при меньшей интенсивности теплообмена/, и при помощи разработанной методики параметрической идентификации определить кинетические параметры крис раллизадии для конкретного сплава. После чего выполнить моделируюггие расчеты при любах других условиях литья.

В ряде случаев /для математического моделирования особенно/ ■■•ребуется иметь более детальное представление о ходе процесса пристеночной кристаллизации. Для этого был сформулирована в обобщенных переменных следующая математическая модель, отражающая рост кристаллитов вдоль стенки формы при периодическом натекаши тс плава: . ,///«,

-я-и-в^-сИ)

иЪ-^г) ОН - ^г* ; "ро

Р - ■! ■ & Тт . п _ / - Тер ит~ 1 ' Тц ~Тср ' ^ " П - Тер ■>)

Т - вроня ; (X - темпера «уролроводность расплава ; где ¿6 - длина кристаллитов /зерен/ в направлении их роста вдоль стенки формы; Т - переменная температура в зоне контакта расплав - форма /определяется согласно найденному решению задачи о неравновесном затвердевании/; /ср - температура охлаждающей форму среда; ^ - характерный размер литейной полости. Из наложенных ограничений следует, что модель /4/ описывает развитие процесса только после снятия в зоне контакта расплав - форма первоначального перегрева и в одном слое. И этого оказывается достаточно, т.к. прерывистый характер натекания закладывает известное время запаздывания пристеночной кристаллизации от слоя к слою, и процесс в каждом последующем слое как бы повторяется заново. По моде .ли /4/ с учетом указанного времени запаздывания и установленных условий /2/ и /3/ можно просчитать и проанализировать рост крис таллитслз последовательнс ело;" за слоем вдоль стенки формы на любое заданное расстояние. Модель /4/ была реиена методом конечных разностей. При этом параметр «Х был принят равным £ /для дендритного механизма/. Для нахождения значения параметра ^ был использован метод параметрической иидентификации, согласно которому при помощи симплекс-мзтода оптимизации искалось такое значение расчетного времени, которое совпадало бы с заданной точностью с аналогичным экспериментальным временем прорастания кристаллитов на определенное расстояние. При этом было учтено, что суммарное время роста кристаллитов вдоль стенки форм равно времени намораживания твердо* корочки на аналогичное расстояние только, когда литая поверхность состоит из зерен ромбовидного типа и процесс пристеночной кристаллизации идет без остановки. Указанное время намораживания легко определяется метолом

декантирования /слива/. Согласно разработанной методике был определен параметр для технически чистого алюминия /уу м/(с'К^) . Проверка разработанной физико-математической модели подтвердила ее соответствие реальному процессу. Например расчетным путем было определено, что зерна полосчатого типа на литой поверхности отливки из алюминия могут быть получены при следую-¡щи технологических условиях: при толщине стальной водоохлаждае-мой форш равной 3 ш; при вертикальном ее положении и полированной рабочей поверхности; при характерном размере литейнзйполости равном 10 мм; при температуре заливаемого расплава 973К, при скорости подъема уровня в пределах мм/с при заливке ме-

талла в торму через вертикально-щелевую систему. Сравнение с экспериментальными данными показало, что погрешность расчетов находится в пределах 2... 115».

Таким образом разработанный Физико-математический аппарат и составленный пакет прикладных программ на ЭВМ позволяет определить комплекс технологических параметров, при котором будет обеспечиваться непрерывное разрастание кристаллитов вдоль охлаждающей сгепки ;,ормы, и .литая поверхность будет крупнозершстой /с полосчатыми зернами/, можно подчеркнуть еще раз, ч1Г,о это с?;?-:.': 'зюжный в достижении случай. Если же требуется получить более мелкие размеры зерен, то для этого достаточно изменить в принципе любой параметр из определенного комплекса. Это можно легко сделать с учетом ранее полученных закономерностей. Например при увеличении;* скорости подъема уровня в пределах, установленных для непрерывного разрастания, зерна полосчатого типа будут становиться все более узкими. При дальнейшем увеличении скорости /при ее выходе за установленные пределы/ размеры зерен /уже ромбовидного типа/ будут постоянно уменьшаться вплодь до возникновения очень мелких равноосных зерен. Т. е., и это еле,дует подчеркнуть,

разработанная модель в своем общем виде универсальна. Она позволяет управлять кристаллизацией и регулировать размеры зерен, оформляющих литую поверхность в самых вироких пределах от очень мелких до соизмеримых с самой поверхностью отливки.

Исследование влияния пристеночной кристаллизации на макростроение и Физико-механические свойства литых изделий. При этом исследования проводились по следующим направлениям: влияние структуры лигой поверхности на свойства сапой э^ой поверхности; влияние пристеночной кристаллизации на кристаллическое строение и свойства объема литого изделия.

Что касаемся сзойс гв. само"; литой' поверхности. Здесь в качестве характерного яримзра было рассмотрено влияние размеров зерен на поверхностную коррозию. Оказалось, например, что в условиях одинаковой интенсивности теплообмена с увеличением размеров зерен скорость коррозии цинковых отливок можно снизить в 1,5 раза, а отливок из сплава АЛ5 в 1,7 раза.

Относительно изучения взаимосвязи поверхностной кристаллизации с формированием макростроения и свойств объема отливки-. Здесь были исследованы два основных случая. 1-ый случай относится к варианту, при котором первичные кристаллиты, образовавшиеся в зоне контакта с формой з дальнейшем не переплавляются и не отрываются перегретым расплавом из центра залитого объема. Так происходит при .литье в металлические шормы или формы, в которых используются холодильники. При этом естественно возникает вопрос: каковы объемные характеристики видимых с ллтой поверхности зерен? Т.е. какова их толщина? Ответ на вопрос можно найти з известной -теории, согласно которой кристаллиты от стенки формы вглубь расплава будут расти до тех пор пока их остановят аналогичные кристаллиты, но растущие от противоположной стенки литейной полости, или когда их блокируют кристаллиты, зародившиеся перед

ниш з результате развития переохлацдедая расплава, вследствие недостаточно крутых температурных градиентов. Таким образом основываясь на известных теоретических представлениях можно выбрать такую технологию ли"?ья, прИ которой температурше градиенты в расплаве будут достаточно высокими и однонаправленными, и пристеночше хрис саллитк будут расти в глубь объема на любое заданное расстояние. Очень важно, что при этом их поперечные сечения буду? определяться размерами граней, выходящих на литую поверхность. Т.е. регулируя посредством разработанного метода размеры этих Прзней /зерен/ можно самым существенным образом изменять размеры кристаллитов, составляющих тело отливки, рис,

Тип ЬЕрен НА литой ПОВЕРХНОСТИ

РАВНООСНЫЕ

ронеовиАные

ПОЛОСЧАТЫЕ -

---А

з: о-

.Рис. 4. Макрос троение отливок в зависимости от типа поверхностных криссаллитов /зерен/: а - мелкозернистое столбчатое; б - крупнозернистое столбчатое; я - пластинчатое. >3 данном случае речь идет о так называемых столбчатых кристаллах, но не только о них. Оказалось, что за счет управления пристеночной кристаллизацией возможно получать самые разнообразные и не-

о:шдаянке обтюмные структуры. Например, если литая поверхность состоит из зерен полосчатого типа^рис 4в, то макрос троение объема при его затвердевании в одном направлении и с круты»® температурными градиентами принимав с вид пластинчатого, в ¡-otodom чрисгаллы преимущественно вытянуты в двух взаимно пеопендикуляр-них направлениях. В принципе ого новая ранее не описанная разновидность макростроения объема. Или другой пример, когда за счет управления пристеночной кристаллизацией удалось получить внутри крупных пластинчатых кристаллов объемные сегменты в виде букв, которые имели мелкозернистое столбчатое макрос троение. Па-к а это экзотика, но кто его знает, что будет определять литейное производство ближайшего будущего.

Интересные результаты получились и при количественной оценке качества отливок. Установлено, что в условиях одной и той же интенсивности теплообмена и, соответственно, одинаковой степени дисперсности ииктюструк пурных сос кавлянтагс увеличение поперечных размеров столбчатых кристаллов за счет управлячия пристеночной кристаллизацией': приводит к су: .есгвенпому повышению Физико-механических свойств .литых изделий как для сплава на основе алюминия /АЛ5/, так и для медного сплава /ЩЗЗА/. 3 целом за счет управления пристеночной кристаллизацией оказалось возможным при прочих равных условиях увеличить прочность отливок на 1СЦ17;>, пластичность на 20...36'/£, плотность на 0,4„0,75i. Доведенные металлографические исследования и анализ литературных данных показали, что указанный положительны'* рф'тетст в основном связан с более эффективным питанием затвердевающего дендритного остова, если он Формируется из более крупных кристаллитов

2-ой из исследованных случаев использования пристеночной кристаллизации для управления Формировавей объема, прямо противоположен только что рассмотренному. Действительно, во многих ли-

•гейшх технологиях з силу ряда обсгоя?здьс?з с пропяться не совершенствовать столбчатое макрос "роение, а напротив подавлять его и получать в обливках мелкокрис?аллическую равноосную структуру. Но и здесь также можно использовать результаты работы, вследствие универсальности разработанной модели пристеночной кристаллизации.

В качестве конкретного примера рассмотрим литье бронзовых килограммовых колокольчикоз в сухие песчано-глинистые Формы. Колокольчик - отливка тонкостенная с развитой рабочей поверхностью,

поэтому процесс затвердевания начинается уже по ходу заливки в форму расплава, который спокойно заполняет литейную полость благодаря ее очень плавным изгибам. В результате создаются благоприятные условия для роста зарождающихся кристаллитов вдоль охлаждают(их стенок. При этом зерна растут в узкой переохлажденной области, быстро заклиниваются друг другом и, как показали результаты металлографического анализа, они имеют средние размеры порядка нескольких мм, т.е. довольно крупные, 3 дальнейшем из намерзтмх корочек растут навстречу друг другу столбчатые кристаллы и формируется, так называемое гранскрисгаллитное макростроэ-ние, которое всегда нежелательно, а для колоколов особенно, т.к. в месте стыка столбчатых кристаллов возникает зона концентрированных пор. Сюда же оттесняются и различные вредные примеси.

хйхк правило с транскристаллизацией борются модифицированием, но для колоколов это совершенно не^приемлимо. Поэтому решено было подавить гранск.тис «аллигацию за счет массового отделения зародышей от стенок Форш, для чего требуется, чтобы кристаллиты зароздались на охлаждающих поверхностях разрозненно и имели бы со стенкой формы минимальную площадь контакта, тд не успевали значительно разрастаться. При этом необходимо стимулировать от-рмв поверхностных крис"аллигов. Все вышесказанное было обеспече-

но за счет интенсивного пэреиезицапия залитого расплава из-за выгорания органического вещества, предварительно втертого в облицовочный ело? Формы. В результате в процессе заливки температура расплава по высоте затигого объема втгоавнивалась, что естественно приводило к расширению области переохлаэдения. При это?: в зоне контакта с формой возникало гораздо больнее количество свободных, незаклиненных друг другом з корке кристаллитов, которые в подавляющем большие лве имели неблагоприятную нрис11 алло графическую ориентировку для роста вдоль охл&~даюп?1х стенок и поэтому минимальную площадь контакта с формой. Перепепивание расплава, которое заканчивалось ужз после окончания зализ:от способствовало отрыву приповерхностшх кристаллитов, которые в дальнейшем слуттили готовыми централи при тсристаллизации объема расплава. 3 результате макростроение обливки стало мелкозернистым, равноосным, поры значительно уменьшились и рассосредо^очились, плотность бронзы увеличилась с £566 кг/м3 до 8653 кг/м3.

Разработка и опообозагме конкретных вариантов практического использования пристеночной кристаллизации. Разработана и опробована в ггроизводс"венных условиях Рыбинского моторостроительного производственного объединения /в н.в. АО "Рыбинские моторы"/ технология литья в кокиль отливок из сплава АЛ5 для тракторного двигателя. 3 результате ряда мероприятий, з том числе и по регулированию поперечных размеров столбчатых кристаллов за счет управления пристеночной кристаллизацией, был получен существенный полояигельнай з'-Фект, связанный главным образок с возрастанием :изико-механкческих свойств изделия /например, пластичность увеличилась с 0,4 до 5,6М и экономией металла /до 30 '% на одну отливку/.

Результаты проведенных экспериментов и найденные при этом технологические режимы, позволяющие за счет управления присеноч-

ной кристаллизации получать слизки с различным макростроением из металлов и сплавов на основе олова, свинца, цинка, алюминия, меди^/огут быть напрямую перенесеш на непрерывное литье заготовок тип? полос со специальными свойства™ з крис гаялизаторы вращения, условия загзердовакия и в том и в другом случае идентична и легко управляемы.

Применение результатов работы возможно в тех способах литья методом направленной кристаллизации и монокрисгаллическом литье, в которых используются холодильники. Для этого были проведены исследования па жаропрочном никелевом сплаве Жо-К, для чего была соответствующим образом модернизирована промышленная вакуумная печь. Исследования показали, что в зоне контакта с холодильником можно получать значительно более крупные, чем обычно, "стартовые" крисраллиш. И за счет этого регулировать поперечные размеры столбчатых кристаллов и уменьшать их разоривнтировку в отливках типа лопаток ГТД и, соответственно, улучшать их качество. Благодаря этому же можно при прочих равных условиях значительно /более чем в 2 раза/ познсить и вероятность прорастания един отзенпого кристалла через затравочное отверстие в перегородке при пблучении монокристаллических отливок.

Дня реализации управления прис теночной крисгаллизациет'-' разработана новая конструкщия хигля,, имеющего сквозную полость. При этом оказалось возмогшим совместить одним компактным устройством операции плавки, заливки и последующего обогрева формы. С использованием описанного тигля были проведет опи^ние заливки на промышленном оборудовании, которые показали, что применение разработанного устройства весьма эффективно. При общей схеме возможны так же многочисленнее модификации, коеорие позволяют частично оставлять или полностью выливать расплав из плавильной полосЛ1 тигля, обеспечивать элективное питание затвердевающей

отливки, з&'цдацать расплавленный металл о? окисления. Разработаны технологии для управления пристеночно;; кристаллизацией с использованием тиглей обычной геометрии.

Новизна вышеупомянутых технологических решений за^щена 16ю а.о. и патентами.

Результаты работа применены и при литье церковных колоколов. При э?оы был использован разрабосанный метод устранения гранскрис-галлизацпи за сче? массового отделения пристеночных кристаллитов, о чем уже говорилось более подробно. Хотелось бы отме 'ить особо, что наряду о этим возникла необходимость Фактически восстанавливать утраченную классическую колокололитейную технологию и заниматься акустикой. К настоящему времени отлито насколько гармонии-шх наборов колоколов, которые звонят на различных церковных и концертных звонницах в городах и селах Ярославской области. Колокола экспонировались на всероссийских выставках и там получили положи"ельную оценку известных звонарей.

ЗА&ИОЧЕНИ

3 рамках развития общей теории формирования отливки определены закономерности, разработаны иеподд расчета и управления крисгаллизационшп®; процессами з зоне контакта расплаз - сенка уор.«, направленные на регулирование макрос''1 роения и повышения качества ли-цх изделий. При этом конкретике результаты работы сводятся к следующему.

I. Исследованы особенности нагекания расплавленного --еталла на стенку формы в процессе ее заполнения. В результате обнаружено новое явление: периодическое и послойное натэя^нис »зниска серкача расплава на стенку формы. Определено, ц^о 'ширина натекаю-.щ;х слоев зависит от скорости подъеме уровня расплава; от глубины ушз залитого объема; от пелишни поверхностного нашт-ения пасплов-

окружающая среда; от плотности расплавленного металла; от предельных /максимального и минимального/ значений краевых углов, возникающих при деформации боковой поверхности мениска в процессе

его перемещений и остановок вдоль сгенки форда; от угла наклона рабочей поверхности формы. Приведенные зависимости описаны математически.

2. В процессе заполнения Форш исследована кинетика изменения температуры перец корочкой затвердевающего расплава в области его контакта с охлаждающей поверхностью. Па основании полученных экспериментальных данных и известной теории найдено решение матемагической модели неравновесного затвердевания в указанной области, в котором в отличии от известных приемов принято, что для реальных условий плавки промышленных сплавов их интервал метастабильности равен нулю, а взаимозависимые /в математической модели/ кинетические параметры/ скорости зарождения и роста кристаллитов в переохлажденном расплаве/ объединены в один общий параметр. Разработана расчетно-зкспериментальная методика определения для конкретного .литейного сплава неизвестных значений кинетических параметров неравновесного затвердевания.

3. В результате проведенных экспериментов на модельных и промышленных сплавахМз. основе олова, свища, висмута, цинка, алюминия, меди, никеля/ и их теоретического анализа установлены новые закономерности влияния на макростроение поверхности отливки следующих Факторов: способа и скорости заполнения расплавом лилейной полости; температуры заливаемого расплава; геометрии и микрогеометрии рабочей поверхности Формы; интенсивности 'теплообмена мелсду расплавом и Формой; химического взаимодействия расплава с огнеупорным покрытием на поверхности литейной полости; состава и типа сплавов.

4. Установлено, что эффективно регулировать размеры кристаллитов на литой поверхности можно уже в процессе заливки литейной

полости. При этом с учетом выявленных закономерностей влияния на процесс основных технологических и ""изико-химических -"акторов были получены саше разнообразные поверхностше кристаллиты даже в условиях их формирования в области контакта с водоохлаждаемой металлической стенкой -орш. Например, в указанных условиях были получегп как мелкие, видимые только под увеличением, так и очень крупные, вытянутые вдоль всей литок поверхности кристаллиты. Предложена классификация поверхностных кристалли"ов, которые могут образовываться в условиях больней интенсивности 'теплообмена. Согласно этой г-слассигТ'Яхадаи поперхноегше кристаллита разбиты на три группы /по форме, размерам и ориентировке/.

-5. Разработана физико-математическая модель, описывающая разрастание поверхностных кристаллитов вдоль охлаждающей поверхности формы. ;.!одель объединяет все полученные закономерности и с*ормулярованше частные физико-математические модели /периодического нагекания мениска зеркала расплава и неравновесного затвердевания в зоне конпактл. расплав - стенка форш/. Определены условия непрерывного разрастания одних и .>ех же поверхностных кристаллитов вдоль стенки формы, в которую направлен основной тепло-поток. Разработана расчетно-эксперикентальная методика определения значения кинетического параметра, характеризующего скорость роста кристаллитов вдоль стенки Формы при переохлаждении расплавленного металла.

5. Предло:.:ен метод упюазлешя лакросгроздаеи литой поверхности, согласно которому первоначально определяется комплекс технологических и физи-со-тжетческих параметров, обеспечивающий непрерывное разрастание кристаллитов вдоль охлаждающей поверхности формы, р'о сагнГ сложны!; в реализации случай, когда литая поверхность, затвердевшая при теплообмене больпоГ интенсивности, состой? из крутых и соизмерило; с ней по размерам кристаллитов.

Если же требуется получить любые более мелхие по размерам зерна, то для этого достаточно изменить какой-либо параметр из указанного' выше комплекса. Это можно сделать на основе качественного анализа выявленных закономерностей пристеночной кристаллизации.

7. Исследовано влияние характера и механизма 7оптирования кристаллитов в зоне контакта расплав - Форма на макрос троение объема литого изделия. При этом рассмотрено два основных варианта: когда первичная корочка на стенке Формы в дальнейгем практически не оплавляется, и когда она оплавляется или-разрушается перегретым расплавом. При помо.'.лг управления пристеночной кристаллизацией получен ряд принципиально новых разновидностей макростроения объема литых изделий. Например, в случае непрерывного роста одних и тех se кристаллитов вдоль стенки Форш, в которую направлен основной теплоотвод, объем отливки состоит из сросшихся пластинчатых кристаллов, вытянутых в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Или разновидность макростроения, когда внутри крупных объемных кристаллов заключены сегменты, состояло из значительно более мелки:: кристаллов и иметпдае заранее заданную геометрию.

8. На раде промышленных сплавоз на основе алюминия /сплав АЛ5/ и меди /латунь ЛЦЗЗА/ изучено влияние поперечных размеров столбчатых кристаллов на Физико-механические свойства отливок. При этом поперечные размеры столбчатых кристаллов регулировались за счет управления пристеночной кристаллизацией в условиях равнозначной интенсивности охлаждения, что обеспечило независимость полученных данных от дисперсности микроструктурных составляющих. Установлено, что при прочих разных условиях с увеличением поперечных размеров столбчатых кристаллов качество лижх изделий

улучшается. 3 целой за счет управления пристеночной кристаллизацией оказалось возможным при прочих равных условиях увеличить

прочисть оштавок н% 10... 17/5, пластичность на 20...36Н, плотность на 0,4, ..0,7;з. Результаты металлограгнческ:::: исследована^ позволяют сделать вывод, что укозаншП положительный результат связан с более ойТекгившм питанием затвердзваюттих отливок, имекш^их более крупнозернистое макростроение.

9. Проведенные исследования тгокчззли, что за счет управления размера-® кристаллов непосредственно на литой поверхности чо.тно снизить скорость коррозии цинковых о'гл'лэок в 1,5 раза; а отливок из сплава АЛ5 з 1,7 раза.

10. Применение полученных закономерностей пристеночной кристаллизации позволяет стимулировать разобщение кристаллитов со стенками Формы. При литье колокольной бронзы в сухие песчано-глинистые формы за сиет этого было обеспечено «Тюркиловаше в отливках мелкозернистого равноосного макрос троения вместо транс-крис''аллитной столбчатой структуры. 3 результате было устранено скопление пор в сгенке отливки, и повышена плотность бронзы с 8566 до 8653 кг/м3.

11. На основе управления кристаллизационныш процесса:® в зоне контакта расплав - форма разработана технология литья в кокиль отливок из сплава АЛо. Производственное опробование показало высокую эффективность разработанной технологии в сравнении с базовой. При этом пластичность отливок повысилась примерно в 14 раз /при сохранении той ":е прочности/. А зконог.ая металла на одну отливку составила ЗСП.

П. Для ряда мееаллов на основе олога, свинца, цинка, алю-».•шмя и меди определены технологические ре-'имы, поззоляюр^е при помо";и управления пристеночной кристаллпзацией получать в кристаллизаторах вращения непрерывно литые заготовки типа полос с различным .макростроением и значит с различннш качесгвеяшш харач "зрис тикат.гл.

13.Результат работа гослутилп оснозоГ- разработанных технологий для получения отливок методами направленной кристаллизации /в '"ом числе и для получения мою кристаллит но го литья/. При этом предложен целый комплекс взаимосвязанных технических решений, загущенный в общей сложности 16-ю а.с. и патента:,:и на изобретения.

14. Результаты работы использованы при литье колоколов. При этом основная технология литья воссоздана на базе старой русской колокололитейной школы. .По разра.ботанной технологии отлито несколько комплектов колоколов, которые экспонировались на всероссийских выставках, полу«или хорошую оценку и в пас тощее время звучат в нескольких храмах Ярославской области.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Лапшин 1.3. Некоторые особенности нарекания расплава на стенку лилейной формы //Инженерно-физический гздэнал. - I9S0. -TS?. - SS6. - С. 1029.

2. Лапшин А. 13. Улучшение качества отливок со столбчатой макроструктурой //Литейное производство. - 1990. - U7. - С.5-6.

3. Лапшин А.З. Исследование структурообразования в корковом слое отливки //Инженерно-физический журнал. - 1991. - Т.51. - $3. - С. 503-504.

4. Лаганн А.З. Повышение качества отливок, получаемых литьем в кокиль //.Литейное производство. - 1991. - Ж. - 0. 29.

5. Лапшин A.B. Особенности процесса кристаллизации в поверхностном слое отливки // Изв. вузов. Черная металлургия. - I9S2.-Ш. - С. 99-10?.

5. Лапшин A.B. Влияние огнеупорной краски на структурообра-зование з поверхностном слое кокильных алюшниевих отливок //Литейное производство. - 1992. - "53. - 0. 16-17.

7. Допглш .1.3, Лсследоввтае роста зерен в корковой слое отливки //Изв. АН PJ. \5эталлн. - 1СЙ2. - "Н. - С.61-56.

с, Лаптгин A.B. Структура коркового слоя отливок из эвтектических сплавов //Литейное производство. - 19ГЗ. - Ж. - C.I0-II.

9. Лагг-яи \.В. Макростроекиз поверхности литнх изделий// Изв. АН РФ. Металлы. - 1994. - :?2. - С. 45-50.

10. Лапган A.B. Зозеркеиствованио технологии направленного затвердевания отлизок //Литейное производство. - 1994. - ','-2. -

1С-IS.

11. Ла.1Е:ин A.B. Некоторые подхода к расчетам процесса кристаллизации расплава в зоне контакта со стенкой литейной 'ерш //Изв. АН Pi. Металлы. - 1994. - ,;п6. - 0. 21-25.

Лапшин А.З, Определение значений параметров неравновесных моделей затвердевания . .// Литейное производство.-1094. - - С.25-27.

13. Лагегин A.B. Некоторые особенности натекания расплавленного металла на стенку литейной Формы //Изв. вузов. Черная металлургия. - 1995. - "'2. - С. 60-32.

14. Лаиг.ин A.B. Влияние методов залив:«! на литую структуру коркового слоя отливки// Изв. вузов. Черная металлургия. - 1995.-;:?3. - 3. 59-61.

15. Лапуин A.B. Опыт производства художественных отливок из медных сплавов на малых предприятиях //Литейное производство. -1995. - Ш. - С. 17-18.

16. Лапищ A.B. .Возможности тиглей со сквозной внутренней полостью // Литейное производство . - 1994 . - № 12 . - С. 17 -18 .

17. Лапгин A.B. Некоторые особенности натекания расплава на с гонку литейной Формы //Ред. Ин^.-Физ. АН БССР. - Минск,

1990. - 0,15 а.л-. - Деп в ВЖГЛ 07.05.90, г03182 - 350.

13, Лапыин A.B. Исследование структурообразования в корковог слое отливки /Ред. Пнж.-физ. ж. АН БССР. - Минск, Г991. - 0,25 а.л. - Деп. з ШЖГИ 24.0-l.SI. V?I728-3S.

IS. Лебедев П.З., Лашяк А.З. Особенности формирования кристаллической структуры з зоне контакта с металлическим холодильником //Совершенствование технологических процессов в литейном производстве: Сб. ЯШ. - Ярославль, 1935. - С. 8I-S4.

20. Лагкин A.D. Особенности кристаллизации в зоне контакта расплав - форма //Интенсификация и совершенствование технологических процессов в штейном производстве: Сб. ЯШ. - Ярославль, 1907. - С. 96-99.

21. Лаппин А.З. Исследование кристаллизации р, зоне контакта, расплав - форма с применением ЭВ'1 //Прогрессивная технология и применение 33!,I в литейном производстве: Сб. ЯШ, - Ярославль,

i'^Oc;. - о, о2-со.

22. Лапшин A.B. Определение неизвестных параметров неравновесных моделей дендритной кристаллизации в корковом слое отливки //Прогрессивные технологические процессы и высококачэственчпе сплавы в литейном производстве: Сб. РАТИ,- Рыбинск, ICSI. -

С. 34-37.

23. Лапшин А.З. Управление качеством отливок на основе исслг довагия процесса кристаллизации в зоне контакта расплав - зодоох-ла-даемая форма //Перспективj применения регенерации песков при малоотходной технологии получения обливок: "ез, докл. /Уральский доч научно-технической пропаганды общества "Знание".-Челябинск, I9G3. - С. 63.

24. Лапкин А.З. Анализ пвсленшх расчетов затвердевания отливок при литье ¡шмора-иваниеи //Рг.зрабо технологических процессов ж^ья, проектирование оснастки и анализ качества отливок

с испочьзова-шогд ОТ.!; Тес. г,о?л, /РАО,- Ярославль, 1990. -0. 13-19.

2и. Лапшин А.З. Определение неизвестных киие^иизс:дах пара-ме -ров неравновесного за^взрдевагшг /.■'Разработка технологических процессов ли'ьл, прост'тт'Гпова::ие оснастки п анализ качества отливок с использованном 3X1: Тез. до-;л. /РАТК. - Ярославль, 1990. -

"ч Т"У го

о. 1(-lu,

2С. Яап.'ин \.'3. Повышение качества отлизок грч литье в металлические \ормш //Лолышэнпе технического удовня и совершенствование технологических процессов производства отливок: Тез. докл. Д крайне коз рзсцубликанское давление 31-ГГ 0 .'.'ашяг-ю строительной промышленности. - Днепропетровск, 19?0. - 0. 59.

27. Лапшин А.З. Управление ышкрострутг^/рой коркового слоя отливок //Прогрессивные технологические процессы-и охрана труда в линейно-металлургическом производстве: Тез, докл. Аэшегородское областное правление ИГО Яашинсспросительной промышленности. -Ки:ш!ий Новгород, 1991. - 3. GÔ-87.

.28. Лапшин A.B. Устройство плавильной печи для заливки и последующего обогрева. с.ормш //Прогрессивные технологические процессы и охрана труда в литейно-металлургичэскош производстве: Тез. докл. /Пишеготзодское областное правление НТО 'а:иностроительной промышленное ти. - Нишний Новгород, 1991. - 0.103-104.

29. Лагшлш А.З. шакоострукщура на поверхности отливок // Оптимизация технологичзс six процессов и управлений качеством при производстве '-асонннх сштчзок: Тез. докл./ PATI. - Ярославль, 1993. - С. 26.

30. Лапшин A.D. .'.Ьдедарование процесса нрис?гшшзации в зоне контакта, расплав - стенка лите#'.но? *ормы //Опшпшзация технологических процессов и управление качеством три производство гТасоншх отливок: Тез. докл./ РАТЛ. -Рыбинск, 1993. - 0. 25.

31. Лапшин Л.В. Регулирование формирования .>п?о-'. иозсрхносгп с целью повышения качества о^липок// Теплофизика технологических процессов: Тез. докл./РРАГА. - Рыбинск, ICS6. - 3.7-8

32. Лапшин A.B. Разработка и исследование метода управления с 'олбчагой структурой отливок из цветных сплавов при литьз в металлические формы: Автореферат дас. канд. техн. наук,- ш., 1989,23 с.

33. Разработка технологического процесса получения роторов методом направленного затвердевания: отчет о НИР /заключительный,/ /РАТИ; Руководитель Лапшин A.B. - ЗТР01С10003045; Инв.70291004269

- Рыбинск, 1990. - 25'с.

34. A.c. 1280753 СССР, ЩС! В22Д15/00. УстроГство для получения отливок направленной кристаллизацией /А.В.Лапшин, П.В.Лебедев. - 73645555/02;Заязлено 19.II.64; Опубл. 15.12.92; Бал. 746,

35. A.c. I2990I6 СССР, MIC! В22Д15/00. Устройство для получения моиокрис галлических отливоь* из шаропрочшх сплавов /А.З.Лап-

: ин, П.В.Лебедев, - 73306391; Заявлено 20,11.84; Опубл. I5.I2.92J Вшл.7 46.

36. A.c. 1812714 СССР, Ш В22Д27/04. Устройство для получения отливок направленным затвердеванием/ А.З.Лашин. -S457II38; Заявлено 1.10.90; Опубл. 20.03.96 ; Бюл. № .

37. A.c. 1775940 СССР, В22Д27/04. Устройство для направленной кристаллизации / А.В.Лагашчн,- 24&9039; Заявлено Х.Об.«*.

38. Патент I781927 Р£, MI® В22Д27/04. Устройство для напршв< ленного за^всрдеват-гля отливок/ А.З.Лапшин.- Опубл. 27.02.95.

39. Патент 2010673 Р2, 5В^2Д27/04.Ус тройство для упршв-ЛЭГЛ-1Я за "зео,даванием о ляявок/ А..]З.Л:ш;т.;н,- Опубл. 15.04.94,

40. Патент 2015834 РЗ,- :ГМ 5322Д27/04. Способ направленной ш)ис та.ллизац"!х м ус'ъойство для его осу>зс?влзния / А.В,Лапшин.

- Опубл. 15.07.94.

41. Г!э.т.20252П ?:,, Ж 5П22Д27/04.Способ управления кристач-^пческой структурой копкотюго слоя оглятт /А.Б.Лслпто.-Опубл. 00.12.94.

4-2. Пат.2040302 Р5, .'.[Ж В22Д27/04.Способ направленного зат-пзрдэвания о^лтпогс /А.З.Латт'пч. - Огг.'бл. 27.07.95.

43. Пат.20<Ш50 F,, ""НИ 0В2.2Д27/04. Способ литья с направлении! затвердеванием о>'ливо': /А.В.Лагглип. - Опубл. 10.01.95.

-14. Пат.2023152 P-¿, ГШ 5322Д27/04.Устройство для направленно:" кристаллизации /Д.В.Лапшин, - Спубл. 10.01.95.

45. Пат.2025151 К, Ш 6322Д27/04.Способ лч-ья с направленным затвердеванием отливок /А.В.Лзил-гн.- Опубл. 10.01.95.

16. Па".2025210 PI, Ж 5В22Д27/04.Устройство для обогрева металла в литекной Форме М.З.Лапглин. - Опубл. 30.12.94.

47. Регенне о выдаче патента ?1, Ш В23Д15/00.Устройство для направленного затвердевания /А.З.Хаппин,- '^4943827; Заявлено "0.05.92.

40. Решение о выдаче патента PÍ, *Ш В22Д15/00.Устройство для направленного затвердевания отливок /А.З.Ладаин,- "1-4943858; Заявлено I0.0G.92.

49. Пат,2050223 р:,, Ztí 6В22Д27/04.Устройство для иапразлеп-пого затвердевания отливок /А.В.Лаи.л;н.- Опубл. 20.12,95.

Научное издание

Александр Владиленович Лапшин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Лицензия ЛР №020284 от ! 3.11.91 г.

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1.8

Тираж 80 Уч. из. л. 2

Заказ 98

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Рыбинск, ул. Пушкина, 53