К вопросу о формировании недендритной структуры в слитках алюминиевых сплавов

УДК 669.715:621.74

К ВОПРОСУ О ФОРМИРОВАНИИ НЕДЕНДРИТНОЙ СТРУКТУРЫ В СЛИТКАХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Г.И. Эскин, докт. техн. наук, C.r. Бочвар, канд. техн. наук, В.И. Ялфимов

Обсуждается роль В.И. Добаткина в развитии теории и практики непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов с формированием предельно измельченной, недендритной структуры. Приведены новые результаты, подтверждающие влияние кавитационного воздействия на предельное измельчение структуры слитков сплава типа 1960 с применением лигатурного прутка Al-5 % Ti-1 % B.

Ключевые слова: недендритное зерно, кавитация, кристаллизация, модифицирование.

Concerning Development of a Non-Dendritic Structure in Aluminuim Alloy Ingots. G.I. Eskin, S.G. Bochvar, V.I. Yalfimov.

The paper discusses V.I. Dobatkin's role in development of theory and practice of continuous aluminium alloy ingot casting resulted in development of an ultimately refined non-dendritic structure. New data which corroborate the effect of cavitation treatment with application of Al-5 % Ti-1 % B master alloy bars on ultimate refinement of the 1960-type alloy ingot structure are shown.

Key words: non-dendritic grains, cavitation, solidification, modification.

На протяжении всей своей творческой деятельности основоположник теории и практики непрерывного литья легких сплавов выдающийся ученый-металловед, член-корреспондент РАН Владимир Иванович Добат-кин придавал особое значение условиям формирования структуры литого металла.

Именно этот подход определил его интерес к новым способам внешнего воздействия на процесс кристаллизации, таким как литье слитков в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК), электромагнитное перемешивание ванны расплава (ЭМП), ультразвуковая обработка расплава (УЗО) или гранулирование расплава. Во многом успешное развитие и применение указанных новых методов литья стало возможным благодаря его пристальному интересу и активному участию в их разработке.

В.И. Добаткин всегда подчеркивал, что краеугольным моментом в разработке методов литья является понимание, каким образом идет формирования основных элементов структуры слитка. Именно поэтому сама возможность предельного измельчения структуры слитка и формирования недендритного

(субдендритного) зерна также оказалась в сфере его интересов.

Обычно структуру слитка характеризуют двумя параметрами - размером зерна в целом и размером дендритного параметра или дендритной ячейки (линейным размером сечения дендритной ветви).

Если за счет каких-то факторов измельчить зерно до размеров дендритной ячейки, то образуется предельно измельченная структура, которую ранее называли субдендритной или додендритной, а в настоящее время принято в отечественной и мировой литературе называть недендритной структурой. Поэтому и процесс ее формирования правильно называть недендритной кристаллизацией.

Первые слитки диаметром 170-270 мм с недендритной структурой были получены в ВИЛСе в 1967-1968 гг. на сплаве 1960 системы А1-7п-Си-М^-7г с применением ультразвуковой обработки расплава в жидкой ванне слитка. В течение последующих нескольких десятилетий в промышленных условиях на ряде металлургических заводов (КУМЗ, ВСМПО) был освоен процесс недендритной кристаллизации с УЗО при непрерыв-

ном литье слитков малых, средних и крупных сечений из самых различных конструкционных алюминиевых сплавов. Одновременно с этим в ВИЛСе был освоен процесс недендритной кристаллизации магниевых сплавов с применением УЗО.

Следует особо указать, что наряду с технологическими разработками процесса непрерывного литья слитков легких сплавов с недендритной структурой в ВИЛСе под руководством В.И. Добаткина велись фундаментальные исследования механизма формирования предельно измельченного зерна.

Заметим, что сейчас уже в мировой и отечественной литературе считается хорошо известным, что между размером дендритного параметра (или среднестатистического линейного размера дендритной ячейки) и скоростью охлаждения расплава при кристаллизации существует жесткая связь. В обычных координатах эта зависимость имеет гиперболический характер, а в логарифмических -прямая линия.

Впервые это установил В. И. Добаткин в годы войны во время разработки технологии непрерывного литья слитков из алюминиевых сплавов на ВСМПО. В монографии «Непрерывное литье и литейные свойства сплавов», которую в предисловии к книге академик А.А. Бочвар и профессор С.М. Воронов назвали выдающимся трудом в области литья, зависимость размера дендритного параметра от скорости кристаллизации была опубликована в виде гиперболической кривой (рис. 1).

Рис. 1. Гиперболическая зависимость размера дендритной ячейки (дендритного параметра) от скорости кристаллизации слитков по В. И. Добаткину [1]

Последующие исследования показали, что, если с применением кавитационной обработки расплава при УЗО многократно увеличить число зародышей кристаллизации перед фронтом затвердевания, то точно так же, как размеры дендритного параметра в зависимости от скорости охлаждения расплава при кристаллизации, будут вести и размеры предельно измельченных недендритных зерен [2].

Чтобы сформировать недендритную структуру литого металла (слитка, гранулы и др.) вместо дендритной, нужен избыток центров кристаллизации перед фронтом затвердевания. При этом совершенно неважен способ размножения зародышей кристаллизации. При медленной и средней скоростях охлаждения расплава при затвердевании, как правило, работает механизм гетерогенной кристаллизации, в том числе с применением ультразвуковой обработки расплава, а при быстрой кристаллизации гранул и чешуек начинает работать гомогенный механизм с переохлаждением расплава.

Для получения большого числа зародышей затвердевания при гетерогенной кристаллизации можно использовать разные методы.

Однако исследования, проведенные в ВИЛСе, показывают, что ультразвуковая обработка расплава с развитой акустической кавитацией оказывается достаточно универсальным средством получения недендритной структуры при кристаллизации алюминиевых и магниевых сплавов для самых различных условий затвердевания отливок.

Необходимость участия кавитации в процессе формирования недендритного зерна демонстрирует диаграмма на рис. 2, на которой для слитка диаметром 70 мм сплава 1960 системы А!-7п-М^-Си-7г показан переход от дендритной к недендритной кристаллизации.

Следует отметить, что в работах [3-6] для формирования недендритной структуры ультразвуковую (кавитационную) обработку проводили в жидкой ванне слитка. УЗО расплава в жидкой ванне позволяла смочить и вовлечь в процесс кристаллизации огромное число субмикроскопических твердых включений, всегда присутствующих в реальном расплаве, и активизировать процесс зародышеобразо-

Интенсивность УЗО, Вт/см2

Рис. 2. Влияние интенсивности УЗО расплава и постепенного повышения активности акустической кавитации (I)II)III) от порога (II) к режиму развитой кавитации (III) на эволюцию типа структуры слитков алюминиевого сплава 1960 диаметром 70 мм:

1 - недендритное зерно; 2 - дендритный параметр

ния в поток расплава на пути в кристаллизатор модифицирующих лигатурных прутков. Однако исследователями разных стран (например, [7]) были установлены определенные ограничения такой технологии. Дело в том, что в структуре прутка большая часть активных зародышей кристаллизации (бори-ды или карбиды титана) размером 1-3 мкм находится в виде агломератов размером до 40 мкм. Последние задерживаются по пути в кристаллизатор в рафинирующих устройствах. До слитка доходит только малая часть зародышей кристаллизации (порядка 10-15 %) и измельченная структура остается дендритной.

В тоже время модифицирование потока расплава с помощью лигатурных прутков позволяет по-новому осмыслить возможности УЗО расплава для формирования недендритной структуры.

В этом случае УЗО проводят в потоке расплава в кристаллизатор (рис. 3), когда в расплав одновре-

вания входящих в состав сплава переходных металлов (И, 7г и др.).

В тоже время технология УЗО расплава в жидкой ванне слитка обладает определенными ограничениями:

- в составе сплава должны быть обязательно добавки переходных металлов, таких как И, 7г и др. Применение УЗО расплава при кристаллизации сплавов без указанных добавок, хотя и позволяет измельчить структуру, но не обеспечивает протекания недендритной кристаллизации;

- для формирования недендритной структуры в слитках крупных сечений необходимо применять несколько источников ультразвука;

- многокристаллизаторное литье также требует использования большого числа источников ультразвука.

В последние годы в практике модифицирования структуры слитков алюминиевых сплавов начали активно применять метод введе-

Рис. 3. Принципиальная схема непрерывного литья слитков алюминиевых сплавов с УЗО и введением лигатурного прутка в поток расплава на пути в кристаллизатор:

1 - магнитострикционный преобразователь ультразвука;

2 - рабочий инструмент - излучатель; 3 - кристаллизатор; 4 - слиток; 5 - тепловая насадка на кристаллизатор; 6 - устройство для непрерывного введения в расплав лигатурного прутка; 7 - миксер с расплавом

менно вводят лигатурный пруток. Отпадает необходимость привязки УЗО расплава непосредственно к жидкой ванне слитка, а процесс предельного измельчения структуры слитка идет за счет формирования огромного числа (избытка) зародышей кристаллизации из продуктов растворения лигатурного прутка.

Как оказалось, применение кавитацион-ной обработки потока расплава с продуктами растворения прутка на пути в кристаллизатор (рис. 4) позволяет разрушить агломераты активных зародышеобразующих частиц бори-дов или карбидов титана и многократно уве-

б

Рис. 4. Микроструктура

личить эффект модифицирования структуры слитка до формирования предельно измельченного недендритного зерна.

Особенности развития акустической кавитации в расплаве были подробно изложены в работах [4-6], укажем здесь только, что коллапс кавитационных пузырьков (рис. 5) с образованием сверхбыстрых микротечений (до 100 м/с) и локальных импульсов давления (до 100 МПа) приводит к разрушению агломератов дисперсных зародышеобразую-щих частиц на отдельные частицы.

Кавитационный взрыв

\_Ядро л

Линии циркуляции —^ жидкости __

Рис. 5. Схлопывание (коллапс) кавитационного пузырька с развитием интенсивных акустических течений в месте схлопывания

Кроме того, следствием акустической кавитации расплава является вовлечение в процесс кристаллизации огромного числа дополнительных центров кристаллизации из числа ультрадисперсных частиц «планктона», когда за счет их смачивания они становятся потенциальными зародышами центров кристаллизации. Это создает дополнительные уникальные возможности модифицирования структуры слитков.

Таким образом, применение ультразвуковой (кавитационной) обработки потока расплава с введением лигатурного прутка настолько повышает количество образующих зародышевых центров кристаллизации, что позволяет для большинства алюминиевых сплавов сформировать в слитке предельно измельченную недендритную структуру.

На рис. 6 представлены микроструктуры опытных слитков сплава 1960 диаметром

Рис. 6. Микроструктура слитков сплава 1960:

а - литье без применения УЗО расплава и введения лигатурного прутка системы М-И-В

40 мм без легирования переходными металлами (8,7 % 7п; 2,4 % М^; 2,2 % Си; 0,01 % 7г; 0,01 % И, ост. А1), полученных по разным вариантам литья: грубая дендритная структура (литье без применения УЗО); мелкая дендритная структура (введение лигатурного прутка А1 - 5 %И - 1% В в поток расплава) и предельно измельченная недендритная структура (введение лигатурного прутка и УЗО).

На эффективность разрушения агломератов зародышеобразующих частиц в лигатурном прутке и тем самым повышение их модифицирующей способности сильное влияние оказывает интенсивность развития кавитацион-ных процессов в расплаве при УЗО расплава.

На рис. 7 представлено влияние УЗО расплава на эффективность достижения недендритной структуры в слитках сплава 1960 в зависимости от интенсивности кавитационной обработки потока расплава в кристаллизатор.

Рис. 7. Диаграмма измельчения зеренной структуры слитков сплава 1960 в зависимости от концентрации вводимого с лигатурным прутком титана и кавитационной обработки разной интенсивности:

1 - введение прутка, литье без УЗО потока расплава;

2 - введение прутка с УЗО потока расплава (2 кВт);

3 - то же с УЗО (2 кВт) и дополнительной УЗО (4 кВт) потока расплава; 4 - дендритный параметр

Хорошо видно, что повышение кавитационной активности позволяет получить предельное измельчение при более экономном введении лигатурного прутка. Заметим, что без кавитационной обработки введение лигатурного прутка не позволяет получить недендритную структуру даже при больших концентрациях вводимого модификатора.

К этому следует добавить, что прогресс в области электроники в последние годы в России и за рубежом позволил создать современные источники ультразвука - полупроводниковые генераторы небольших габаритов с автоматической подстройкой режимов УЗО [8]. Это дополнительно расширяет возможности новой технологии в металлургии легких сплавов.

Заключение

Проведенные исследования подтверждают, что основополагающий принцип формирования недендритной структуры за счет активного кавитационного воздействия при современном развитии ультразвуковой техники позволяет органически встроиться в технологию непрерывного литья с более эффективным использованием модификаторов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Добаткин В.И. Непрерывное литье и литейные свойства сплавов. - М.: Оборонгиз, 1948. -148 с.

2. Добаткин В.И., Белов А.Ф., Эскин Г.И., Боровикова С.И., Гольдер Ю.Г. Новая закономерность кристаллизации металлических материалов/Научное открытие. Диплом № 271//От-крытия. Изобретения. 1983. № 10. C. 1.

3. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия. Изд. 2-е, пер. и доп. - М.: Металлургия, 1988. - 232 с.

4. Добаткин В.И., Эскин Г.И. Недендритная структура в слитках легких сплавов//Цветные металлы. 1991. № 12. C. 64-67.

5. Eskin G.I. Ultrasonic Treatment of Light Alloy

Melts. - Amsterdam: Gordon & Breach Science Publishers, 1998. - 334 p.

6. Эскин Г.И. Закономерности формирования недендритной структуры в слитках и гранулах из легких и жаропрочных никелевых сплавов//Пер-спективные технологии легких и специальных сплавов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. C. 194-212.

7. McKay B.J., Nunner G., Geier G.F., Schumacher P. Impurities in Al-5Ti-B grain refiner rod //International Journal of Cast Metals Research. 2009. V. 22. № 1-4. P. 212-215.

8. Эскин Г.И. Бочвар С.Г., Ялфимов В.И. Новое в технике ультразвуковой обработки расплава легких сплавов//Цветные металлы. 2008. № 3. C. 105-110.