24 / 4 (73), 2013 УДК 548.52 Поступила 31.10.2013 е. и. МаРУКович, иТМ НаН Беларуси, а. Г. БоРисов, а. и. сеМеНчеНКо, ФТиМс НаН Украины, Ю. а. ЛеБеДиНсКий, а. М. БРаНовиЦКий, иТМ НаН Беларуси ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОНЕНТОВ ПРяМОгО ТЕРМИЧЕСКОгО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИя НЕДЕНДРИТНОЙ МОРфОЛОгИИ влияние составляющих прямого термического метода было изучено по отдельности. Было доказано, что главной причиной для образования недендритной морфологии является присутствие потока расплава. Роль термического ба- ланса сводится к обеспечению движения расплава ниже температуры ликвидус. Поток расплава обеспечивает допол- нительное ветвление вдоль периметра кристалла. Components of direct thermal method were studied separately. It was found that main cause for non dendrite pattern forma- tion is presence of melt flow. The role of thermal balance reduced to provision of conditions to motion of the melt under liquidus temperature. Incoming flow resulted in splitting of crystal interface. Введение. В последнее десятилетие наблюда- ется устойчивый рост интереса производителей отливок к технологиям литья частично закристал- лизованного металла, в частности к методам рео- литья [1]. Одним из наиболее перспективных ме- тодов в этом направлении является прямой терми- ческий метод (ПТМ), преимущество которого состоит в отсутствии необходимости сложного и дорогого оборудования [2]. Вследствие этого та- кой подход особо актуален для малого и среднего производства [3]. Сущность ПТМ заключается в установлении равновесия температур сплава и формы после за- ливки при некоторой температуре ниже ликвиду- са, которая достигается за счет теплообмена между металлом и кокилем. Предполагается, что процесс выравнивания температур происходит очень бы- стро, а затем из-за того, что естественный теплоот- вод от формы в атмосферу незначительный, уста- навливается псевдоизотермический режим, в тече- ние которого общая температура понижается мед- ленно. Формирование недендритной структуры в рамках такой схемы поясняется следующим об- разом: быстрое охлаждение расплава за счет по- глощения теплоты формой приводит к множе- ственному зарождению, а на псевдоизотермиче- ском этапе имеет место медленный рост и глобуля- ризация ростовой структуры [4]. В то же время представляется очевидным, что, помимо чисто тепловой задачи, существенное вли- яние на происходящие процессы будет оказывать и порожденное струей при заливке движение рас- плава. Исходя из сказанного выше, целью настоящей работы было изучение роли «подликвидусного» теплового баланса (установления равновесия тем- ператур сплава и формы после заливки при темпе- ратуре ниже ликвидуса) и движения расплава «по отдельности». Речь идет о двух «противополож- ных» ситуациях – в первом случае выравнивание температур и затухание заливочных потоков про- исходило существенно выше ликвидуса, т. е. «под- ликвидусный» баланс отсутствовал, а успокоив- шийся к моменту достижения ликвидуса расплав перемешивался принудительно («поток без балан- са»). Во втором случае «подликвидусный» баланс имел место, но при этом форма заполнялась плав- ным погружением, т. е. «баланс без потока». Так- же для выявления роли потока было проведено компьютерное моделирование методом фазового поля. Методика экспериментов. Были проведены две серии экспериментов. В первой серии на спла- ве АК7ч с содержанием 6,4–6,5% кремния, 0,9– 1,1% железа, 0,2% магния и меди и меньше 0,2% марганца. Температура ликвидус исследовавшего- ся сплава составляла 616 °С, температура соли- дус – 577 °С. Расплав выдерживали в графито- шамотном тигле при температуре 750 оС, после чего ковшом заливали два образца в цилиндриче- ский стальной кокиль комнатной температуры вы- сотой 80 мм, внутренним диаметром 45 мм и тол- / 25 4 (73), 2013 щиной стенки 2 мм. После заполнения кокиля рас- плавом в него опускали термопару для контроля и записи температуры. Использовали термопару марки ХА в двухканальной соломке диаметром 3 мм. В одном из образцов в процессе охлаждения этой же термопарой осуществляли перемешивание рас- плава в процессе охлаждения движением по окруж- ности формы со скоростью 1–2 оборота в секунду, при этом запись температуры расплава продолжа- ли. Аналогично отливали два образца (без переме- шивания и с перемешиванием) при температуре заливки 620 оС. Условия экспериментов этой серии приведены в табл. 1. Т а б л и ц а 1 Номер эксперимента Температура заливки, °С Температура кокиля, °С Перемешивание 11–260 750 20 Без перемешивания 12–263 620 20 Без перемешивания 13–272 750 20 Перемешивание от 625 °С 14–277 620 20 Перемешивание от 620 °С Во второй серии экспериментов использовали сплав АК5М2 (температура ликвидус 626 оС), ко- торым заполняли цилиндрический стальной ко- киль комнатной температуры высотой 60 мм, вну- тренним диаметром 20 мм и толщиной стенки 4 мм. Заполнение кокиля осуществляли двумя раз- личными способами: в первом случае проводили обычную заливку из ковша, во втором случае ко- киль помещали в специальное устройство (рис. 1) и заполнение осуществляли путем плавного погру- жения кокиля в расплав. Условия экспериментов приведены в табл. 2. Т а б л и ц а 2 Температура заливки, °С Заполнение заливкой, номер эксперимента Заполнение погружением, номер эксперимента 750 21–729 27–731 705 22–717 28–719 665 23–714 29–716 645 24–710 30–706 635 25–701 31–702 630 26–699 33–700 Полученные образцы разрезали по вертикаль- ной оси, из средней части полуцилиндра вырезали полудиск, одну из поверхностей которого полиро- вали, травили и исследовали металлографически. Результаты и обсуждение. Для оценки воз- можности реализации «доликвидусного» и «под- ликвидусного» балансов были проведены расчеты температур [4], при которых (в зависимости от условий заливки) наступает тепловой баланс меж- ду расплавом и формой. Расчеты вначале проводи- ли для самой высокой температуры заливки, по- скольку, как очевидно, снижение температуры за- ливки приводит к снижению температуры баланса, т. е. если для высокой температуры баланс был «подликвидусным», то для всех более низких тем- ператур заливки он тем более был таковым. Для первой серии экспериментов (кокиль боль- шого объема с тонкой стенкой) при заливке 750 °С температура баланса составляла 635 °С («надлик- видусные» условия), при заливке 620 ºС–590 °С («подликвидусные» условия). Для второй серии экспериментов (кокиль мало- го объема с толстой стенкой) уже для самой высо- кой температуры заливки 750 °С температура ба- ланса была 390 °С, таким образом, все экспери- менты этой серии проводили в условиях «подлик- видусного» баланса. На рис. 2 показана морфология образцов, полу- ченных в экспериментах серии 1. Как видно из ри- сунка, при заливке без принудительного переме- шивания снижение температуры заливки с 750 °С (рис. 2, а) до 620 °С (рис. 2, в) приводит к извест- ному [5] переходу от дендритной к недендритной структуре. Интересно отметить, что практически такая же недендритная структура формируется в случае принудительного перемешивания образ- ца, залитого при 750 °С (рис. 2, б). Исходя из того фундаментального факта, что одинаковость мор- фологий обозначает одинаковость условий роста, возникает вопрос – каким образом одинаковые условия роста могли создаться при высокотемпе- Рис. 1. Устройство для заполнения кокиля погружением: 1 – стальной кожух; 2 – термовата; 3 – стальной рабочий кокиль без дна 26 / 4 (73), 2013 ратурной заливке с принудительным перемешива- нием и низкотемпературной заливке без принуди- тельного перемешивания? Здесь важно отметить, что ключевым момен- том является одинаковость условий в процессе ро- ста, т. е. не в какой-то произвольный начальный момент времени, а к моменту достижения темпе- ратуры ликвидус. Очевидно, что с «тепловой» точ- ки зрения в этот момент условия существенно раз- личаются. Если при заливке 750 °С теплообмен между расплавом и формой уже завершился и охлаж- дение системы идет за счет теплоотвода во внеш- нюю среду, то при заливке 620 °С при достижении ТL = 616 °C поглощение тепла расплава формой еще продолжается. С точки зрения движения расплава картина по- лучается следующая: для случая заливки при 750 °С длительность процесса заливки (и соответственно перемешивания расплава в форме струей расплава) составляла 2–3 с. Некоторое остаточное движение расплава в форме наблюдалось еще 4–5 с, таким образом, общее время «заливочного» перемешива- ния составляло порядка 8 с. По температурной кривой было определено, что от момента начала эксперимента до достижения ТL прошло 14 с. Из сказанного выше следует, что «заливочное» дви- жение расплава затихает до того, как начинается процесс кристаллизации, и в таких условиях ре- зультирующая структура является дендритной (рис. 2, а). В то же время, если в такой экспери- мент ввести принудительное перемешивание (ко- торое начиналось при 625 °С), система подходила к ликвидусу с движением расплава, при этом структура получается недендритной (рис. 2, б). Поскольку, как очевидно, для случая заливки при 620 °С перемешивание расплава при достиже- нии ТL = 616 °C продолжается, представляется воз- можным отметить, что «одинаковость условий» роста при высокотемпературной заливке с прину- дительным перемешиванием и низкотемператур- ной заливке без принудительного перемешивания заключается в движении расплава в момент роста кристаллов. Таким образом, роль «подликвидусно- го баланса» сводится к тому, что низкая температу- ра заливки приводит к сохранению движения рас- плава к моменту достижения ТL. В заключение рассмотрения этой группы экс- периментов также отметим, что совместное дей- ствие перемешивания заливочной струей и прину- дительного перемешивания приводит к некоторо- Рис. 2. Микроструктура образцов: а – Тзал = 750 °С без перемешивания; б – Тзал = 750 °С с перемешиванием; в – Тзал = 620 °С без перемешивания; г – Тзал = 620 °С с перемешиванием / 27 4 (73), 2013 Рис. 3. а–г – заполнение заливкой; д–з – заполнение погружением. Температура расплава: а, д – 705 °С; б, е – 665; в, ж – 635; г, з – 630 °С 28 / 4 (73), 2013 му измельчению структуры (рис. 2, г) по сравне- нию с их отдельным действием (рис. 2, в, б). Как отмечалось ранее, во второй серии экспе- риментов ставилась задача создания условий «под- ликвидусного баланса», но без заливки (переме- шивания заливочной струей). Эта задача решалась за счет заполнения кокиля путем плавного погру- жения в расплав. Параллельно для контроля этот же кокиль заливали традиционным образом. Как видно из рис. 3, а–г, в этом случае (аналогично пер- вой серии экспериментов (см. рис. 2, а, в) умень- шение температуры заливки приводит к известно- му [5] переходу от дендритной к недендритной структуре. В то же время при заполнении того же кокиля путем его погружения в расплав для тех же температур расплава (включая «подликвидусный баланс») во всех случаях имела место четко раз- личимая дендритная структура (рис. 3, д–з). Таким образом, аналогично первой серии экспериментов можно сделать вывод о ключевой роли потока и необязательности «подликвидусного баланса» в формировании розеточной морфологии. Для оценки влияния потока на морфологию растущего кристалла также было выполнено компьютерное моделирование с использованием модели фазового поля (детально методика опи- сана в [6]). Расчеты выполняли для сплава Al – 7 мас.% Si. Влияние потока имитировалось путем искусственного удаления (смывания) примеси, на- капливающейся перед растущим кристаллом. На рис. 4 показаны результаты численного эксперимента. Как видно из рисунка, воздействие потока при- водит к дополнительному ветвлению кристалла и формированию расщепляющейся морфологии, характерной для недендритного роста. Выводы 1. Основной причиной формирования неден- дритной структуры в рамках прямого термическо- го метода реолитья является движение расплава в момент роста кристаллов. 2. Недендритная морфология формируется не- зависимо от причин природы потока в процессе кристаллизации. 3. Воздействие потока на межфазную поверх- ность приводит к переходу от регулярной дендрит- ной морфологии к хаотически ветвящейся. Публикация подготовлена при финансовой поддержке Государственного фонда фундамен- тальных исследований Украины (проект Ф54/145–1) и Белорусского республиканского фонда фунда- ментальных исследований (проект Т13К-017). Рис. 4. Результаты моделирования: а – начальная стадия формирования дендрита без смывания примеси; б – ветвление кри- сталла при наличии смывания примеси Литература 1. S i m J. G., C h o i B. H., Y a n g Y. S., K i m J. M., H o n g C. P. Development of a nucleation accelerated semisolid slurry making method and its application to rheo-diecating of ADC10 alloy // ISIJ International. 2010. Vol. 50. N 8. P. 1165–1174. 2. B r o w n D. J., H u s s e y M. J., C a r r A. J., B r a b a z o n D. Direct thermal method: new process for development of globular alloy microstructure // International journal of cast metals research. 2003. Vol. 16. N 4. Р. 418–426. 3. Б о р и с о в А. Г. Методы реолитья, перспективные для малого производства изделий из алюминиевых сплавов // Про- цессы литья. 2013. № 4. C. 33–46. 4. C a r r A. J., B r o w n D. J., H u s s e y M. J., L u m s d e n N., S c a l a n M. Modelling and experimental development of the direct thermal method of rheocasting // International journal of cast metals research. 2007. Vol. 20. N 6. Р. 325–332. 5. Б о р и с о в А. Г. Розеткова та дендритна морфологія первинної фази при литті алюмінієвого сплаву в металевий кокіль // Металознавство та обробка металів. 2010. № 4. С. 13–18. 6. М а р у к о в и ч Е. И., Б р а н о в и ц к и й А. М., Л е б е д и н с к и й Ю. А. Моделирование роста дендритов при кри- сталлизации с малым переохлаждением силуминовых сплавов на основе метода фазового поля // Весці НАН Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2009. № 1. С. 4–13.