Нурадинов Абди Сайдахматович. Управління формуванням структури металевих заготівок шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави

brief description

Нурадинов Абди Сайдахматович. Управління формуванням структури металевих заготівок шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави. : Дис... д-ра наук: 05.16.02 2007

Нурадинов А.С. «Управління формуванням структури металевих заготівок
шляхом теплосилових дій на твердіючі сплави»
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.02 «Металургія чорних металів». Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2007.
Дисертаційна робота присвячена теоретичному та експериментальному узагальненню закономірностей процесів кристалізації, термокапілярного масопереносу ліквуючих домішок, формування кристалічної структури і властивостей твердіючих литих заготівок в умовах теплосилових дій на рідкий та твердіючий розплав.
Методами фізичного і математичного моделювання та натурними експериментами визначено основні закономірності тепломасопереносу в рідких та твердіючих сплавах в умовах диференційного тепловідводу, зовнішнього тиску, вібрації та газоімпульсного перемішування. Доведена важлива роль конвекції в формуванні структури зливків та отримано кількісний зв'язок процесів кристалізації і структуроутворення сплавів зі значенням температурного градієнту по перерізу зливків.
Аналітично та експериментально підтверджена гіпотеза про те, що просування ликватів в міждендритних ділянках твердіючих сплавів відбувається не внаслідок молекулярної дифузії, а в результаті розвитку капілярного і конвективного масопереносів і пов’язано з виникненням міжфазних сил на границі ліквуючих речовин і зростаючих кристалів. Встановлено кількісний зв'язок кінетики просування ліквата з параметрами зовнішнього тиску.
Експериментально доведено, що реалізація механізму дії вібрації на твердіючий розплав пов’язана з умовами зовнішнього тепловідводу: при інтенсивному тепловідводі механізм дії вібрації на розплав полягає в руйнуванні фронту кристалізації за рахунок ударних навантажень пружних хвиль, а в умовах слабкого тепловідводу в створенні центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації. Науково обґрунтовані оптимальні параметри газоімпульсного перемішування сплавів.
Віброобробка твердіючих сталевих, чавунних та алюмінієвих зливків забезпечила суттєве подрібнення макро- і мікроструктури в сталі, утворення тонкодиференційної графітної евтектики в чавуні, рівномірний розподіл евтектики в алюмінієвому сплаві, підвищення на 15-45% пластичних властивостей сталі та на 33-54% алюмінієвого сплаву, а також суттєво зниження остаточних напруг в сталевих зливках та зварювальних швах.
Розроблені обладнання та технологія вібрації пройшли промислову перевірку на ряді підприємств країн СНД при одержанні якісних литих заготівок для відповідальних деталей газо- і нафтопромислового устаткування.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:
1. На основі теорії подібності розроблені методики і універсальні фізичні моделі, дозволяючи вивчати процеси тверднення сплавів в умовах накладення теплових (регульований і диференцований тепловідвід, термочасова обробка) і силових (вакуум, тиск, вібрація, газоімпульсна обробка) дій на рідкий метал і сплав, що кристалізується.
2. Експериментально підтверджена гіпотеза про те, що переміщення ліквуючих домішок в міждендритному просторі твердіючих сплавів відбувається, головним чином, не в наслідок молекулярної дифузії, а обумовлене розвитком термокапілярного і конвекційного масопереносів і пов'язане з виникненням міжфазних сил на границі ліквуючих речовин з поверхнею зростаючих кристалів. Доведено, що при твердненні сплавів зміною співвідношення швидкостей кристалізації і руху лікватів (R/V, а також накладенням зовнішнього тиску на розплав, можна суттєво впливати на розвиток хімічної і зональної неоднорідності литих заготовок. Показано, що при швидкості кристалізаціїR8 х 10-2мм/с іРвн.135 кПа виносу лікватів на границю тверднення розплаву камфена не відбувається.
3. На експериментальній установці з використанням термостатованих фізичних моделей вивчені теплофізичні умови тверднення модельних і сталевих зливків в полі пружних хвиль. Показано, що величина теплових потоків, які підводяться до границі тверднення, в умовах вібраційної обробки на 25-30% більше, ніж без вібрації. Це призводить до скорочення часу тверднення зливків в залежності від марки сталі до 50%.
4. Математичним моделюванням установлено, що при звичайних умовах тверднення об'єму металу, втягнутого в конвекційний рух, розповсюджується тільки на глибину області градієнтного перепаду температур, а при вібраційній обробці спостерігається хаотичний рух, практично, всього об'єму рідкого металу. Це призводить до збільшення швидкості зняття теплоти перегріву з усього об'єму розплаву до 30% і, відповідно, росту швидкості кристалізації на 25 30%.
5. Експериментально доведено, що механізм дії вібрації на кристалізацію і структуроутворення модельних і металічних сплавів залежить від їхньої природи, характеру і інтенсивності зовнішнього тепловідводу. Показано, що основним фактором дії вібрації на формування структури литої заготовки є руйнування фронту тверднення за рахунок ударних навантажень пружних хвиль в умовах інтенсивного тепловідводу або в створенні великої кількості центрів кристалізації за рахунок розвитку кавітації в умовах слабкого або направленого однобічного тепловідводу.
Доведено, що формування кристалічних структур зливків із залізовуглецевих і алюмінієвих сплавів здійснюється за тим самим механізмом, що й зливків з модельних сплавів.
6. Установлено, що вібрація інтенсифікує тепловідвід від твердіючої безперервнолитої заготовки за рахунок інтенсифікації теплових потоків, які підводяться до границі тверднення, забезпечує мінімальну товщину затверділої корки, вирівнює нерівномірність фронту кристалізації в наслідок обламування дендритів і зменшує в наслідок цього імовірність утворення "перемичок". За рахунок осідання уламків дендритів значно зменшується глибина рідкої лунки (в модельних експериментах в 2-4 рази).
Найбільший ефект вібраційної дії на твердіючу заготовку досягається при підведенні віброімпульсу в зону вторинного охолодження. При цьому посилюється тепловідвід від заготовки в зоні кристалізатора на 8% і в зоні вторинного охолодження на 12%.
7. Дослідженнями тепло- і масообміну з використанням фізичної моделі кристалізатора МБЛЗ при газоімпульсній обробці розплаву з малою амплітудою (0,04 м) і високою частотою імпульсів (120900 хв.-1) встановлено, що вона викликає розвиток потужних турбулентних потоків по осі заготовки, які розповсюджуються до самої верхньої зони вторинного охолодження. Вихори, які утворюються при цьому, створюючи інтенсивний рух розплаву, здійснюють силову дію на границю тверднення і викликають обламування вершин дендритів.
Установлено, що при великих частотах пульсації (600900 хв.-1) за рахунок осідання уламків дендритів глибина рідкої лунки зменшується до 2 разів. За результатами фізичного моделювання рекомендувани наступні параметри газоімпульсного перемішування: частота 150 180 хв.-1; ампліту-да 60 100 мм; глибина занурення труби 180 190 мм.
8. Показано, що вібраційна обробка зливків зі сталей марок 20, 60 і Х18Н9Т, сірого чавуну СЧ18-36 і алюмінієвого сплаву АК5М2 викликає: подрібнення дендритної структури в 2-10 разів і мікроструктури в 1,62,5 рази; усуває транскристалізацію в нержавіючій сталі; забезпечує утворення тонкодиференційованої графітної евтектики і подрібнення в 2 рази евтектичних аустенітно-графітних колоній в чавуні; подрібнення в 2-2,5 рази структури і рівномірний розподіл евтектичної складової в зливку зі сплаву АК5М2. Вібраційна обробка підвищує на 1545% пластичні властивості сталей і 3354% алюмінієвого сплаву, знижує залишкові напруження в сталевих зливках на 2029%, а в зварних швах в 1,52,5 рази.
9. Отримані в дисертаційній роботі результати вивчення закономірностей кристалізації і структуроутворення сплавів при накладенні вібрації на рідкий метал і метал, що кристалізується дозволили розробити технологію і апробувати її на низці заводів при отриманні литих заготовок для відповідальних деталей нафто- і газопромислового устаткування. Очікуваний економічний ефект при цьому складає 300 400 у.о. на тонні сталі у виробі.