Процессы кристаллизации и теплофизические свойства материалов, применяемых при производстве отливок и слитков в вакууме

УДК 621.74.04+621.746.6+621.74.01

Канд. техн. наук В. В. Наумик Национальный технический университет, г. Запорожье

ПРОЦЕССЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК И СЛИТКОВ В ВАКУУМЕ

Рассмотрена роль теплопроводности системы "металл-форма-охлаждающая среда" в процессе кристаллизации при различных методах получения отливок и слитков в вакууме.

Известно, что в процессе первичной кристаллизации металла или сплава в форме во многом определяется его окончательная структура, а следовательно, и весь комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств изделия.

По мере развития современных высокотехнологичных отраслей машиностроения и соответствующего повышения уровня требований к деталям и элементам конструкций, все большее значение приобретает возможность получения заданно-ориентированной структуры в отливках, непрерывнолитых профилях (например, из антифрикционных материалов) и литых заготовках, подлежащих дальнейшей обработке давлением.

Направление роста кристаллов в процессе формирования первичной структуры отливок и слитков обеспечивается градиентом температур в заданном направлении. Величина градиента определяется интенсивностью направленного теплоотвода от кристаллизующегося металла, через форму, в окружающую форму, охлаждающую среду, а также интенсивностью отвода тепла от последней.

Таким образом, металл в форме, саму форму и окружающую среду, обеспечивающую отвод тепла от неё, можно рассматривать, как единую, взаимосвязанную систему, определяющую особенности кристаллизации отливки или слитка.

В общем случае, процесс теплопередачи осуществляется тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. В процессе формирования структуры отливки или слитка в системе "металл-форма-охлаждающая форму среда", в особенности в случае проведения процесса в вакууме, определяющей является теплопроводность.

Рассмотрим роль теплопроводности вышеуказанной системы в процессе формирования заданно-ориентированной структуры при различных методах получения отливок и слитков в вакууме.

В авиационном и энергетическом машиностроении для получения прецизионных отливок из жаропрочных никелевых сплавов с заданно-ориентированной

структурой распространен метод высокоскоростной направленной кристаллизации. При этом керамическая литейная форма 1, наполненная жидким расплавом, погружается в ванну с жидким алюминием 2, выполняющую роль кристаллизатора (рис. 1) [1]. Следовательно, градиент температур, задающий направление роста кристаллов в отливке, определяется в первую очередь теплопроводностью жидкого алюминия, в который погружается залитый блок, а также теплопроводностью керамической литейной формы и самого никелевого сплава в форме.

Рис. 1. Схема установки для направленной кристаллизации с охлаждением в расплаве легкоплавкого металла

По технологии, разработанной в Запорожском национальном техническом университете [2], слитки из медных сплавов получают в графитовой тигель-форме 1 с применением медного водоохлаждаемого поддона 2 (рис. 2). При этом градиент температур, задающий направление роста кристаллов в слитке, определяется соответственно теплопроводностью меди -материала водоохлаждаемого поддона, графита - материала тигель-формы и медного сплава, залитого в неё.

© В. В. Наумик, 2006

32

СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУИНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1

В случае получения непрерывнолитых профилей из медных сплавов теплоотвод осуществляется медным водоохлаждаемым кристаллизатором 2 через графитовую вставку 1 (рис. 3). При этом, как и в предыдущем случае, градиент температур и направленность роста кристаллов в слитке определяются теплопроводностью материала кристаллизатора, графита и самого медного сплава.

Рис. 2. Схема модернизированной вакуумной электропечи, предназначенной для получения высококачественных слитков из отходов меди

Прямое измерение теплопроводности в исследованиях встречается редко по причине сложности этого процесса. Более распространена косвенная оценка теплопроводности металлов по их электропроводности, основанная на известных соотношениях Видемана-Франца и Лоренца [3]. Однако данный метод не обеспечивает достаточной точности производимых измерений, поскольку при этом учитывается только одна составляющая полной теплопроводности металла -электронная, имеющая общую природу с электропроводностью, и не учитывается решеточная теплопроводность, определяемая структурой испытуемого материала.

Рис. 3. Схема модернизированной вакуумной электропечи, предназначенной для получения непрерывнолитых профилей из медных сплавов

Достаточно точное измерение полной (электронной и решеточной) теплопроводности материала возможно только путем проведения прямого эксперимента.

В Запорожском национальном техническом университете разработано и изготовлено специальное устройство для экспериментального определения теплопроводности металлов стационарным методом [4]. Особенность данного метода состоит в том, что температура в отдельных точках образца не изменяется в процессе проведения эксперимента.

С помощью разработанной установки экспериментально были определены коэффициенты теплопроводности некоторых чистых материалов. Полученные результаты в достаточной степени согласуются со справочными данными (коэффициент корреляции г = 0,99) (табл. 1).

Также был определен коэффициент теплопроводности жаропрочного никелевого сплава - материала газотурбинных лопаток, получаемых методом высокоскоростной направленной кристаллизации (табл. 1).

Был проведен комплекс исследований, в ходе которых определены коэффициенты теплопроводности 13-ти образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора, отобранных после каждых трех циклов процесса высокоскоростной направленной кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов [5]. Измере-

Таблица 1 - Коэффициенты теплопроводности основных материалов, определяющих градиенты температуры при получении отливок и слитков с заданно-ориентированной структурой

Металл Температура определения теплопроводности, К Теплопроводность,^, Вт /

экспериментальная по справочным данным

Си 300 399,2 401,2

А1 295 226,7 221,5

Бе 298 71,3 74,0

№-сплав 333 61,72 -

А1 кристаллизатора 3 плавки 373 194,7 -

673 141 -

1473 73,4 -

А1 кристаллизатора 39 плавок 373 114,8 -

673 45 -

1473 16,9 -

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006

33

ния проводили при 100, 200, 300 и 400 °С. Анализ полученных результатов показал, что с увеличением количества проведенных плавок теплопроводность уменьшается по степенной зависимости и после 39 циклов снижается более чем в 4 раза.

Однако наибольшее практическое значение для процесса высокоскоростной направленной кристаллизации имеет теплопроводность алюминия в жидком состоянии при температурах соответствующих кристаллизации отливок из жаропрочных никелевых сплавов.

Известно, что при плавлении металлов резко возрастают амплитуды колебаний атомов, исчезает дальний порядок и возрастает общий позиционный беспорядок. Всё это приводит к скачкообразному увеличению рассеяния электронов и соответствующему снижению электропроводности и теплопроводности [6].

Поскольку экспериментальное определение теплопроводности жидких металлов связано с большими трудностями и не обеспечивает достаточной точности, вполне корректной является косвенная её оценка по табличной величине электропроводности при соответствующей температуре с использованием соотношений Видемана-Франца и Лоренца.

Известно, что электропроводность алюминия при плавлении снижается в 2,2 раза [6].

Теплопроводность твердых образцов алюминия жидкометаллического кристаллизатора при температуре плавления (660 °С) определяли аппроксимированием.

Для определения коэффициентов в соотношении Видемана-Франца-Лоренца были использованы литературные данные по теплопроводности и электропроводности алюминиевых сплавов с теплопроводностью, близкой к материалу опытных образцов [7].

Коэффициенты теплопроводности жидкого алюминия при температуре кристаллизации жаропрочного никелевого сплава для соответствующих образцов жидкометаллического кристаллизатора (табл.1) рассчитывали используя зависимость электропроводности жидкого алюминия от температуры, выведенную на основании литературных данных [6].

Основной огнеупорной составляющей керамической формы при изготовлении отливок с направленной кристаллизацией из жаропрочных никелевых сплавов является электрокорунд. Согласно литературным данным [8], коэффициент его теплопроводности определяется следующей зависимостью:

X = 2,09 + 0,0016  t °С.

Коэффициент теплопроводности графита - материала тигель-формы и вставки определяется соотношением [8]

X = 140 - 0,035  t °С.

Анализ приведенных зависимостей, а также экспериментальных данных подтверждает, что теплопроводность металлических материалов и графита определяется её электронной составляющей и потому с повышением температуры снижается в связи с увеличением рассеяния электронов на узлах решетки. Для коэффициента теплопроводности керамики как неметаллического материала определяющей является его решеточная составляющая и с повышением температуры он повышается, поскольку увеличивается амплитуда колебаний атомов.

Описанные литературные и экспериментально полученные зависимости теплопроводности как одного из основных теплофизических свойств материалов, используемых при осуществлении различных технологических процессов, позволяют аналитически просчитать градиенты температур, возникающие в каждом конкретном случае. Это в свою очередь дает возможность спрогнозировать структуру получаемых отливок и слитков, а следовательно, и уровень их физико-механических и эксплуатационных свойств, что крайне важно при разработке сложных технологических процессов.

Список литературы

1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е.Б. Качанов и др. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.

2. Рациональная ресурсосберегающая технология получения высококачественных слитков из отходов меди / Бялик Г.А., Наумик В.В., Адамчук С.И., Лунёв В.В. // "Н^ матерiали i технологи в металургй та машинобу-дуванш", № 1, 2005. - С. 104-111.

3. Мискар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. - М.: "Мир". - 1968. - 464 с.

4. Декларацшний патент Украши № 4291 МПК 7601 № 25/18 (Видано 17.01.05) Наумик В.В., Бялж Г.А., Лунь-ов В.В. Пристрш для визначення теплопровщност зраз-ка матерiалу.

5. Наумик В.В. Изменение теплофизических свойств жид-кометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов // Проблеми трибологи, 2006, № 1. - С. 31-35.

6. Ершов Г.С. Строение и свойства жидких и твердых металлов / Г.С.Ершов, В.А.Чистяков. - М.: Металлургия,

1978. - 248 с.

7. Нильсен Х. Алюминиевые сплавы [Справочник] / Отв. ред. Х. Нильсен и др.; Пер. с нем. - М.: Металлургия,

1979. - 678 с., ил.

8. Справочник машиностроителя по ред. М.А. Саверина Т. 1. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1951. -1035 с.

Одержано 12.09.2006

Розглянуто роль теплопровiдностi системи "метал-форма-охолоджувальне середовище" в процес Kpucmani3a^'i при pi-зних методах отримання вiдливкiв та зливтв у eaKyyMi.

The role of heat conduction in system "metal-form-cooling environment" during crystallization process at different methods of cast and ingots receiving in vacuum was shown.