Физические методы управления формированием структуры металлов

Анотація

В настоящей работе преследовалась цель разработать научно-обоснованные методы управления формированием литой структуры металлических заготовок на первом этапе производства металлопродукции. На модельной и металлической системах изучена возможность управления структурой заготовок внешними физико-термическими воздействиями на расплав в процессе его затвердевания (перегрев, интенсивность охлаждения и вибрация). Физическое моделирование, проведенное на плоской модели слитка из сплава камфена с трицикленом, позволило, регулируя интенсивность теплоотвода при затвердевании расплава, в режиме реального времени наблюдать зарождение и рост центров кристаллизации, определять скорость продвижения фронта и продолжительность общего времени затвердевания в зависимости от режимов вибрации. Полученные на модельном сплаве данные о специфике процесса кристаллизации, обусловленного внешними физико-термическими воздействиями, используя разработанную методику, пересчитаны на объекты из металла и проверены при исследовании формирования структуры слитков из алюминия технической чистоты марки А5. Интенсивность теплоотвода от затвердевающего металла регулировали заливанием перегретого до 750 °С расплава в формы с различной толщиной стенок и теплопроводностью, что обеспечило изменение скорости охлаждения от 0,3 °С/с до 5 °С/с. При повышении интенсивности теплоотвода и воздействии вибрацией на затвердевающий расплав меняется кинетика процесса кристаллизации, вследствие чего увеличивается однородность и дисперсность кристаллической структуры слитков.

Результаты физического моделирования и экспериментов, проведенных на металле, хорошо согласуются. Общей тенденцией является существенное уменьшение размеров элементов макро- и микроструктуры под воздействием вибрации. Величина зерен и кристаллов в среднем уменьшается в 3–5 раз, в таком же соотношении уменьшается и их размерный фактор, приближаясь к 1. Микроструктура слитков однородная, мелкокристаллическая. Установлено, что, используя различное сочетание рассмотренных факторов воздействия, можно управлять процессами кристаллизации и структурообразования. Отрицательное влияние больших перегревов на формирование дисперсной дендритной структуры можно практически нивелировать, регулируя интенсивность теплоотвода или воздействуя вибрацией на жидкий и затвердевающий металл.