Full Text

Введение В настоящее время традиционная технология легирования, используемая при производстве промышленных алюминиевых сплавов, практически исчерпала свои возможности в области увеличения прочностных характеристик материалов. В связи с этим определенное внимание в области повышения прочностных характеристик промышленных алюминиевых сплавов уделяется технологии гранулирования. Методы получения изделий и полуфабрикатов гранулированием на первых стадиях своего развития относились к порошковой металлургии. Однако с начала 80-х гг. прошлого века технология гранулирования уже выделилась в отдельное направление [1, 2]. При определении существенных отличий металлургии гранул от порошковой металлургии можно выделить следующие: 1. В порошковой металлургии элементарные металлические частицы (гранулы, чешуйки, порошинки) получают любым способом - не только разбрызгиванием или распылением расплава, но и механическим истиранием или дроблением слитков, дроблением стружки. Известно, что основной упрочняющий эффект при производстве алюминиевых сплавов гранулированием вносит явление пересыщения твердого раствора легирующими элементами в объемах, больших их предельной растворимости в жидкой фазе. Использование механического истирания или дробления слитков промышленных алюминиевых сплавов сводит к минимуму влияние этого явления. В металлургии гранул элементарные частицы получают исключительно разбрызгиванием или распылением сплава определенного состава, спинингованием расплава с последующим резким охлаждением. 2. Довольно часто в порошковой металлургии применяют смешение частиц разнородных металлов и сплавов с целью получения материала с заданной композицией. В металлургии гранул в основном используются частицы одного и того химического состава [1]. Однако в последнее время проводится большое количество исследований в области создания композиционных материалов именно из гранул различных материалов; получает развитие способ конструирования гранулированных композитов, заключающийся в формировании комбинации гранул различного химического, фазового и фракционного состава в необходимых пропорциях с целью создания гранулированных композитов с заранее заданными свойствами [3, 4]. 3. В отличие от порошковой металлургии, в которой компактирование осуществляется спеканием, обеспечивающим плотность до 95 % от теоретической плотности монолитного материала, в металлургии гранул компактирование осуществляется всесторонним сжатием под высоким давлением до плотности не менее 99,9 % от теоретической [1]. Теоретические исследования и постановка задачи Применение способов получения полуфабрикатов и изделий гранулированием промышленных алюминиевых сплавов доказало свою эффективность. Применение данных методов производства полуфабрикатов позволяет увеличить содержание легирующих элементов сплавов выше предела их растворимости при температуре нагрева под закалку. При нагреве под закалку в твердый раствор всегда будет переходить максимальное количество легирующих элементов. Частицы фазы, выделившиеся в результате распада пересыщенного твердого раствора при горячей деформационной обработке, являются достаточно мелкими и равномерно распределяются в объеме металла, что не приводит к снижению его прочностных и пластических свойств. В то же время эти частицы обеспечивают необходимый запас легирующих элементов для полного насыщения твердого раствора [5]. Другим фактором, влияющим на повышение прочностных свойств гранулированных материалов из алюминиевых сплавов, является тонкая измельченная структура, формирование которой вызвано высокой скоростью кристаллизации. Здесь наблюдается четкая зависимость: чем выше скорость отвода тепла от гранулы, тем выше скорость кристаллизации и тем более высокими прочностными характеристиками будет характеризоваться получаемый гранулируемый материал. Доказано, что сверхвысокие скорости кристаллизации могут привести даже к образованию аморфной структуры. В частности, утверждается, что первоначально поверхностный слой гранул карбида вольфрама с содержанием углерода 3,8 мас. %, с температурой плавления порядка 2550 °С затвердевал при высокой скорости кристаллизации порядка 105-106 °С/с в виде аморфной структуры, а затем распадался на фазы. При этом центральные области гранулы, кристаллизовавшиеся с меньшей скоростью - порядка 103-104 °С/с, не проявляли признаков аморфизации - в них образовывались зерна и начинала появляться микроусадочная пористость [4]. О возможности появления аморфной структуры при сверхвысоких скоростях кристаллизации говорят и самые авторитетные исследователи металлургии гранул [1]. Безусловно, наличие аморфной структуры в образцах гранулированных алюминиевых сплавов невозможно, так как в этом случае произойдет полная рекристаллизация структуры уже при комнатной температуре, но применительно к тугоплавким металлам это положение открывает новые перспективы для исследований. На данном этапе необходимо конкретизировать применяемый показатель интенсивности кристаллизации. При реализации процессов кристаллизации слитков или гранул в качестве показателей интенсивности перехода в твердую фазу используют показатели линейной скорости кристаллизации vлин (см/с) и объемную скорость кристаллизации vоб (1/с). Линейную скорость кристаллизации чаще применяют при описании процесса кристаллизации слитков. Ее физический смысл определяется как глубина слитка, закристаллизовавшаяся в единицу времени. В случае кристаллизации слитков объемная скорость кристаллизации прямо пропорциональна линейной скорости кристаллизации. Объемную скорость кристаллизации vоб определить сложнее, поэтому пользуются пропорциональной ей величиной скорости охлаждения vохл (°С/с). В табл. 1 представлено соотношение значений скорости кристаллизации и скорости охлаждения. Понятно, что скорость кристаллизации и охлаждения чешуек зависит от их толщины: чем меньше частица металла, тем выше интенсивность отвода тепла от единицы ее массы и тем выше ее скорость кристаллизации. Полагают, что при получении чешуек из алюминиевых сплавов (при средней толщине 50-100 мкм) существует возможность достичь скорости охлаждения 105-106 °С/с, а для тонких чешуек - до 108 °С/с [1]. Таблица 1 Приближенные значения скорости кристаллизации и охлаждения гранулированных объектов [1] Характеристика объекта, скорость охлаждения vлин, см/с vоб, 1/с vохл, °С/с Время кристаллизации объекта τкр, с Слиток диаметром 1000 мм, получаемый методом непрерывного литья 0,05 1 0,02 50 Слиток диаметром 100 мм, получаемый методом непрерывного литья 0,4 50 1 1 Проволока диаметром 6 мм 10 5×102 10 0,1 Гранулы диаметром 1-4 мм, охлаждение водой - 5×103 100 0,01 Гранулы диаметром 500 мкм, охлаждение водой - 5×104 1000 0,001 Гранулы диаметром 500 мкм, охлаждение на воздухе - 5×102 10 0,1 Гранулы диаметром 50 мкм, охлаждение на воздухе - 5×103 100 0,01 Чешуйки толщиной 50-100 мкм, охлаждение в воде - 5×105 10 000 0,0001 Чешуйки толщиной менее 50 мкм, охлаждение в воде - 5×106 20 000 0,000 05 По сравнению с гранулированием технология получения чешуек позволяет значительно повысить скорость охлаждения (примерно на два порядка). Вместе с тем эта технология имеет и серьезные недостатки по сравнению с методом гранулирования: неоднородность структуры, низкая производительность процесса, малая насыпная масса чешуек и связанные с этим трудности брикетирования. По-видимому, метод чешуек целесообразно применять в том случае, когда гранулирование не обеспечивает для данного сплава необходимых параметров [1]. За рубежом развита технология получения сферических гранул методом распыления струи расплава высокоскоростным потоком инертного газа. Главным недостатком этого метода является захват инертного газа в центр сферической гранулы и большое количество несферических частиц [4]. Струя расплава под воздействием высокоскоростного газового потока дробится сначала на пленки, а затем пленка расплава под действием сил поверхностного натяжения захлопывается и при формировании капли происходит захват инертного газа внутрь частицы. Пузырек внутри частицы является концентратором напряжения. Сокращению внутренней пористости способствует уменьшение диаметра получаемых сферических гранул [4]. В отечественной промышленности широкое распространение получили вибрационный метод литья гранул [5, 6] и метод центрифугования расплава [7]. За счет влияния скорости движения охлаждаемой капли расплава в охлаждающей среде скорости кристаллизации при центрифуговании расплава оказываются гораздо выше скоростей кристаллизации при вибрационных методах, где капля расплава свободно падает в охлаждающую среду [5]. Определенное влияние на процесс получения гранул оказывает скорость вращения разбрызгивателя (например, тигля с расплавом) при центрифуговании расплава. Известен метод получения гранул из жаропрочных никелевых сплавов при сверхвысоких скоростях вращения разбрызгивателя (или распыляемой заготовки) [8]. При этом способе гранулы получают центробежным плазменным распылением вращающейся заготовки со скоростью вращения, определяемой по формуле n = 2,15 · 106(х1 + х2), (1) где n - число оборотов заготовки, об/мин; x1 - минимальный размер гранул годной фракции, мкм; x2 - максимальный размер гранул годной фракции, мкм. Утверждается, что данный способ позволяет получить требуемую массу гранул заданного фракционного состава из предельно минимальной массы исходных гранул, что приводит к экономии металла при получении изделия [8]. Данное утверждение абсолютно справедливо, так как известно, что значительное увеличение скорости вращения тигля-разбрызгивателя позволяет получать более равномерный фракционный состав получаемых гранул [7]. Анализируя исследуемый способ получения гранул [8] и учитывая минимальный размер получаемых гранул (~(30-50) мкм) при подстановке данных размерных характеристик в формулу (1), можно получить огромную скорость вращения заготовки n = 2,15·106(30 + 50) = 172 · 106 об/мин. Применение данных скоростей вращения при производстве гранул в промышленных масштабах вызывает определенные технические трудности. Однако применение данного метода позволяет значительно увеличивать первоначальную скорость движения капель расплава (кристаллизуемых гранул), не только ускоряя их доставку к охлаждающей жидкости, но и увеличивая скорость движения в среде, отводящей тепло. Среди других способов исследования в области увеличения скорости отвода тепла от кристаллизуемого объекта можно выделить следующие: 1. Использование различных вспомогательных приспособлений, необходимых для закручивания охлаждающей жидкости (специальных завихрителей). Наличие поточного движения охлаждающей жидкости не только может привести к частичному сбиву «паровой рубашки», но и подводит к затвердевающей капле новые ненагретые объемы воды, снижая при этом градиент перепада температур между охлаждающей жидкостью и кристаллизуемым металлом на 70-80 °С, что, в свою очередь, способствует отводу тепла от расплава [1, 5]. 2. Использование в качестве охлаждающей среды водных растворов веществ, повышающих теплоту парообразования воды. В качестве таких веществ использовались 5-10%-ные водные растворы хлоридов щелочных металлов (например, NaCl) и гидридов окислов щелочных металлов [5, 9-13]. 3. Использование в качестве охлаждающих жидкостей криогенных сред. Однако очевидно, что данный метод повышения скорости кристаллизации металлов за счет ускорения отвода тепла можно считать экзотическим и пригодным только для исследовательских целей. Промышленное применение такого метода сопряжено с целым рядом проблем и сложностей. 4. Значительное уменьшение размеров кристаллизуемых гранул. Однако значительное уменьшение размеров кристаллизуемых гранул до размеров порошков сопряжено с определенными технологическими трудностями. Получить фракцию (скорее порошинку, чем гранулу) размером менее 0,01 мм из расплавленного металла вибрационным методом, капельным способом, центрифугованием расплава невозможно [1, 5]. Получение заданного размера гранулы возможно только методом распыления, но при этом первоначальное охлаждение (в первые моменты движения фракции, оторванной от расплава) неизбежно будет происходить в воздушной среде, что неизменно скажется на скорости отвода тепла от кристаллизуемой порошинки. Таким образом, постановку задачи исследования можно охарактеризовать как необходимость анализа основных способов промышленного получения гранул на предмет возможности дальнейшего увеличения скоростей охлаждения, разработку способов промышленного гранулирования, обеспечивающих сверхвысокие скорости кристаллизации капель расплава, в том числе высокопрочных алюминиевых сплавов. Материалы и методика проведения экспериментов Одним из перспективных направлений повышения качества металлов и сплавов является гранулирование, основанное на применении высоких скоростей кристаллизации расплава материала [1, 5]. Сущность влияния скорости кристаллизации на структуру и свойства многокомпонентных сплавов сводится к созданию тонкого внутреннего строения зерна. Если для алюминия и низколегированных сплавов на его основе решающее влияние на свойства оказывает величина зерна, то для высоколегированных алюминиевых сплавов свойства в литом состоянии определяются главным образом размерами ветвей дендритов и степенью развития дендритной пористости. Увеличение скорости охлаждения жидкой фазы до начала кристаллизации и скорости самого процесса кристаллизации способствует измельчению внутреннего зерна металла за счет уменьшения толщины отдельных ветвей дендрита и увеличения числа этих ветвей [5]. С изменением внутреннего строения неизбежно измельчаются и более равномерно располагаются включения вторых фаз и внутренние микропоры, результатом чего является заметное повышение механических свойств материала. Исходя из возможности получения высокой скорости кристаллизации, простоты устройств и технологии производства, широкое распространение нашел центробежный способ литья гранул. Способ заключается в том, что внутрь вращающегося тигля-разбрызгивателя заливают расплавленный металл, который под действием центробежных сил разбивается на капли, которые выбрасываются через отверстия в цилиндрических стенках тигля в охлаждающую жидкость (воду) [5]. Важно, что при данном способе отливки гранул охлаждение капель, осуществляющееся в воде, обеспечивает достижение весьма высокой скорости охлаждения капель расплава, которая для гранул диаметром 1,0 мм составляет до 106 °С/с. Применительно к сплавам системы Al-Cu-Mg структура гранул, получаемых данным способом, резко измельчена по сравнению со структурой слитка того же состава. Проведены эксперименты по повышению скорости кристаллизации гранул совместным действием завихрений водных потоков и охлаждением в водных растворах веществ, повышающих теплоту парообразования воды. В качестве таких веществ использовались 5-10%-ные водные растворы хлоридов щелочных металлов (NaCl) и гидридов окислов щелочных металлов. Переход ламинарного движения потока охлаждающей жидкости в турбулентное производился с помощью завихрителей. Проведенные эксперименты показали наибольшую эффективность данных воздействий с точки зрения повышения скорости кристаллизации гранул. Получение гранул сплавов системы Al-Cu-Mg проводили центробежным способом на специально изготовленной лабораторной установке [14]. Принципиальная схема установки представлена на рисунке. Установка для центробежного разбрызгивания гранул состоит из корпуса 1, одновременно являющегося корпусом закалочного бака, внутрь которого поступает охлаждающая жидкость (техническая вода) 2. В центральной части закалочного бака находится внешний вращающийся кожух 3 и внутренний вращающийся тигель 4, в который через отверстие в верхней части поступает расплав металла 5. Вращение внешнего вращающегося кожуха 3 и внутреннего вращающегося тигля 4 синхронизировано. Расплавленный металл за счет центробежных сил выдавливается в отверстия внутреннего тигля и, пролетая через отверстия внешнего подвижного кожуха, попадает в закалочную среду [14]. Известно, что при скорости вращения тела, погруженного в воду, более 6000 об/мин, как и для данного устройства, вода за счет формирования воздушного потока и водной воронки отбрасывается от него и возникает прослойка воздушной среды между поверхностью вращающегося разделительного кожуха-стакана и поверхностью воронки охлаждающей жидкости. Благодаря конструкции устройства удается свести к минимуму траекторию полета капли расплава в воздушной среде и в результате сохранить температуру капель расплава в момент соприкосновения с охлаждающей жидкостью равной температуре расплава в разливочной емкости, что, в свою очередь, способствует увеличению скорости кристаллизации. Охлаждаясь в воде, гранулы опускаются на дно внешнего корпуса и вместе с технической водой выгружаются через патрубок 6 в донной части устройства. Электродвигатель 8 через систему валов и муфт 7 обеспечивает вращательное движение внешнего кожуха-стакана 3 и внутреннего перфорированного тигля 4 с заданной скоростью. Рис. Принципиальная схема установки для получения гранул со сверхвысокими скоростями кристаллизации [14] Важным является тот факт, что скорость вращения тигля с расплавленным металлом, которая задает требуемую поступательную скорость движения капель, обеспечивает сбив «паровой рубашки» вокруг кристаллизирующейся гранулы [14, 15]. Промывка и рассеивание гранул по фракциям проводились по традиционным для порошковой металлургии методикам. Однако при сушке гранул применялась сушка горячим потоком воздуха на вибрационном сушильном транспортере. Это проводилось с целью уменьшить степень окисления поверхности гранул за счет наличия паров воды при медленном высыхании. Гранулы имели однородный гранулометрический состав и диаметр около 1 мм. Выход годного при литье гранул составил около 90 %. Расчетным путем установили скорость охлаждения гранул при данном способе кристаллизации. Полученные гранулы в дальнейшем готовили к обработке давлением. Нагрев проводили до температуры 420 оС, время нагрева t составляло 8 ч. Далее гранулы подвергались горячему прессованию с получением прутка, профиля. Прессование проводили в лабораторной оснастке на гидравлическом прессе усилием 6000 кН с коэффициентами вытяжки l, равными 20-30. Закалку изделий проводили с температуры 480-500 оС и с последующим искусственным старением при температуре 190 оС в течение 8 ч. Результаты исследований и их обсуждение Проведенные исследования структуры и механических свойств полученных гранулированных материалов подтвердили теоретические предположения. Определено значительное повышение механических свойств сплавов при увеличении скорости кристаллизации гранул. Установлено, что основным препятствием на пути увеличения скорости кристаллизации гранулы диаметром около 1,0 мм является формирование «паровой рубашки», образующейся за счет передачи тепла от кристаллизуемого объекта пограничным слоям охлаждающей жидкости. Как только температура близлежащих слоев воды превысит температуру кипения, образуется паровая оболочка. За счет низкой теплопроводности пара отвод тепла от охлаждаемой гранулы резко замедляется. Экспериментально установлено, что для удаления (сбива) паровой рубашки требуется, чтобы первоначальная скорость движения капли расплава в момент ее входа в охлаждающую жидкость была достаточно высокой. Первоначальная скорость движения гранулы определяется на основании недостаточности времени для передачи требуемого количества теплоты, необходимого для превращения близлежащих слоев воды в пар в объеме, не превышающем 1 % от объема гранулы. Таким образом, скорость первоначального движения капли в расплаве зависит от физических свойств расплава металла, геометрических параметров тигля и параметров охлаждающей жидкости. В частности, теоретически определено и экспериментально доказано, что необходимая первоначальная скорость движения капли прямо пропорционально зависит от радиуса капли, плотности расплава металла, коэффициента теплоотдачи капли охлаждающей среде, градиента температур (разницы температуры кристаллизуемой капли и температуры охлаждающей жидкости) и обратно пропорционально зависит от массы капли расплава (гранулы), объемной массы паровой среды, удельной теплоты парообразования охлаждающей среды, удельной теплоемкости охлаждающей среды и градиента температур между температурой парообразования охлаждающей среды и ее рабочей температурой. При выявленной начальной скорости движения гранул расчетная скорость охлаждения гранул достигает скоростей охлаждения чешуек, имеющих гораздо меньшую толщину, чем гранулы. Известны скорости кристаллизации чешуек (плоских небольших пластин неправильной формы и малой толщины) до 108 оС/с при их кристаллизации на медных подложках (медных плитах) [1, 16, 17]. Однако за счет их маленькой толщины довольно сложно проводить дельнейшее брикетирование и прессование полуфабрикатов из полученных чешуек. Это является серьезным препятствием на пути промышленного использования формирования пресс-изделия из чешуек. Установлено, что при разбрызгивании расплава можно в определенных пределах регулировать величину частиц. В случае распыления и охлаждения расплава газом скорость охлаждения при одинаковых размерах частиц меньше, чем при центробежном разбрызгивании в воду. Однако метод распыления позволяет получать частицы меньших размеров и за счет этого приблизиться к скоростям охлаждения, достигаемым при центробежном разбрызгивании расплава в воду. Однако при промышленном использовании этой технологи возникает та же проблема, что и при брикетировании, прессовании полуфабрикатов из чешуек. Таким образом, предлагаемая технология получения гранул алюминиевых сплавов центрофугованием расплава с использованием явления сбива «паровой рубашки» является единственной технологией гранулирования, которая обеспечивает заданный размер гранул с высокой скоростью их кристаллизации и дает возможность ее промышленного применения. Таблица 2 Механические свойства прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg, полученных по разным технологиям Сплав Технология получения Предел прочности, МПа Условный предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Источник Д16 Прессование из слитка (1) 450 400 16 [16, 18, 19] Д16 Прессование из гранул (2) 559-566 419-436 13,9-15,7 [1, 4, 20] Д16 Прессование из гранул (3) 620-625 460-468 9,1-10,5 Получен. данные Д1 Прессование из слитка (1) 410 250 15 [16, 18, 19] Д1 Прессование из гранул (2) 546 355 17,5 [1, 4] Д1 Прессование из гранул (3) 582-584 390-398 11,4-12,8 Получен. данные Применительно к сплавам системы Al-Cu-Mg установлено увеличение прочностных свойств прутковых полуфабрикатов, полученных с применением предлагаемой технологии гранулирования. В табл. 2 представлены механические свойства сплавов Д1 и Д16 в состоянии поставки Т1 (закаленные и искусственно состаренные) из прессованных образцов, полученных по традиционной технологии прессования прутка из слитка (1); прессования из гранул, полученных без сбива «паровой рубашки» при кристаллизации гранул (2); и по предлагаемой технологии (3). Заключение В результате проведенных исследований определена наибольшая эффективность явления сбива «паровой рубашки» при охлаждении капли расплава в водной среде с точки зрения повышения скорости кристаллизации гранул алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg. Предлагаемая технология позволяет получать качественные гранулы из алюминиевых сплавов Д1, Д16, которые в дальнейшем используются в качестве сырьевого полуфабриката при изготовлении деталей прессованием, горячей объемной штамповкой или спеканием (после обязательного предварительного брикетирования). На основании теоретических и экспериментальных исследований можно оценить перспективность разрабатываемой технологии. Проведенный технико-экономический анализ показал, что при крайне незначительном удорожании себестоимости изготовления полуфабрикатов и изделий из сплавов системы Al-Cu-Mg возможно увлечение прочностных характеристик прессованных гранулированных материалов на 15-18 % применительно к ранее рассмотренным алюминиевым сплавам.

About the authors

M. V Zharov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

References

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 13

Refbacks

• There are currently no refbacks.