Влияние вибрации на формирование кристаллической структуры меди и медных сплавов

На правах рукописи

ГОЛОДНОВ Антон Игоревич

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург-2010

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет–УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мысик Раиса Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смолко Виталий Анатольевич

кандидат технических наук, доцент

Поль Виктор Борисович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Магнитогорский

государственный технический

университет имени Г. И. Носова»

Защита состоится 26 марта 2010 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.05 при Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет–УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в зале Ученого Совета (ауд. I) по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, УГТУ-УПИ, ученому секретарю. Факс: (343) 374-38-84, 374-53-35. E-mail: kafedralp@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет–УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Автореферат разослан 24 февраля 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

профессор, доктор технических наук Карелов С. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время во всех отраслях промышленности широко используется продукция из меди и сплавов на основе меди. Среди металлов медь занимает особое место благодаря высокой электропроводности и теплопроводности. По электропроводности медь уступает только серебру и поэтому является важнейшим проводниковым материалом. Она обладает высокой коррозионной стойкостью и технологичностью, что обуславливает ее широкое применение в промышленности как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Основной объем меди и сплавов на основе меди потребляется промышленностью в виде деформированных полуфабрикатов, производство которых непрерывно растет. Научно-технический прогресс в отраслях промышленности, использующих медь и медные сплавы, вызывает непрерывное повышение требований к качеству деформированных полуфабрикатов и деталей, изготавливаемых из медного проката.

Получение качественных слитков из меди и кадмиевой бронзы БрКд1 связано с определенными трудностями. В процессе производства литых заготовок имеет место значительная доля брака по причине образования внутренних и поверхностных дефектов. При литье меди в слитках, как правило, формируется крупнозернистая столбчатая структура, обладающая большой анизотропией свойств, а при литье кадмиевой бронзы имеет место обратная ликвация кадмия, приводящая к неоднородности химического состава и, как следствие, к неравномерности механических свойств по сечению слитка. Появление ликвата на поверхности слитков приводит к преждевременному износу гильзы кристаллизатора и значительно снижает качество поверхности слитка.

Для повышения технологичности сплава необходимо при литье обеспечить равномерное распределение легирующего компонента по сечению слитка, а также получить благоприятную с точки зрения пластической обработки структуру литых заготовок. Одним из способов решения вышеперечисленных проблем является применение вибрационной обработки расплава в кристаллизаторе при непрерывном и полунепрерывном литье.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что исследование влияния вибрационной обработки на структуру и свойства меди и медных сплавов, а также разработка технологического регламента полунепрерывного литья слитков из этих сплавов с использованием вибрационного воздействия на расплав в кристаллизаторе является в настоящее время важной и актуальной.

Цель работы

Исследование особенностей формирования структуры и свойств слитков меди и медных сплавов, склонных к ликвации и образованию трещин, при вибрационном воздействии на расплав в процессе кристаллизации при полунепрерывном литье.

Основное внимание было уделено решению следующих задач:

- исследованию влияния вибрации на формирование структуры и свойств меди и кадмиевой бронзы БрКд1;

- определению оптимальных параметров вибрации, обеспечивающих получение мелкокристаллической структуры и высокий уровень механических свойств медных сплавов;

- разработке технологического регламента полунепрерывного литья медных сплавов с применением вибрации, позволяющей получать качественные литые заготовки.

Научная новизна

1. Установлены и обоснованы параметры вибрационного воздействия на кристаллизующийся расплав меди и кадмиевой бронзы БрКд1, обеспечивающие формирование мелкокристаллической структуры, снижение ликвации в слитках и повышение уровня механических свойств.

2. Получены регрессионные зависимости параметров структуры и свойств меди от частоты и амплитуды вибрации.

3. Установлена закономерность распределения кадмия по сечению слитков кадмиевой бронзы БрКд1 при вибрационной обработке расплава в процессе полунепрерывного литья.

4. Уточнены и расширены представления о механизме вибрационного воздействия на кристаллизующийся расплав.

Практическая значимость работы

Разработаны технологические режимы наполнительного и полунепрерывного литья слитков меди и кадмиевой бронзы БрКд1 с использованием вибрационного воздействия на расплав в процессе кристаллизации, обеспечивающие формирование мелкозернистой кристаллической структуры и высокого уровня механических свойств. Технологические регламенты литья меди и кадмиевой бронзы с применением вибрации прошли промышленные испытания на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов»

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на XIV отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», г. Екатеринбург, 2008 г., научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра», г. Санкт-Петербург, 2008 г., V Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, 2009 г., Международной конференции «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях», г. Якутск, 2009 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка из 121 наименований и приложений, изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, а также показана практическая значимость результатов работы.

Глава 1. Состояние вопроса

В главе представлен обзор технической литературы, касающейся проблемы получения качественной продукции из медных сплавов, содержащих в своем составе легкоокисляющиеся и легкоиспаряющиеся компоненты, такие как кадмий, бериллий, хром, фосфор и другие.

Получение качественных слитков из кадмиевой бронзы сопряжено с большими технологическими трудностями. Прежде всего, это большая склонность сплава к обратной ликвации. Появление кадмия на поверхности слитков приводит к износу гильзы кристаллизатора и значительно снижает качество поверхности слитка. При литье слитков кадмиевой бронзы по традиционной технологии наблюдается формирование крупной, неоднородной по сечению слитка макроструктуры. При такой структуре возрастает вероятность образования трещин в слитке и снижения механических свойств сплава. Низкая пластичность сплава в литом состоянии и обратная ликвация кадмия не позволяет прокатывать литые заготовки. Требуется введение дополнительной операции горячего прессования перед прокаткой, что приводит к повышению трудоемкости и энегрозатрат, а также к снижению выхода годного при производстве полуфабрикатов из кадмиевой бронзы БрКд1.

Одним из способов снижения обратной ликвации кадмия в литых заготовках и повышения пластических свойств является измельчение макро- и микроструктуры слитков. Изменить характер структуры возможно с помощью внешних воздействий на кристаллизующийся расплав. В настоящее время известно несколько способов воздействия на расплав в процессе кристаллизации: введение в кристаллизующийся расплав микрохолодильников, электромагнитное перемешивание, вибрационная обработка и др. Достоинством этих методов является то, что они позволяют получать требуемую структуру без внесения в расплав дополнительных примесей, отрицательно влияющих на свойства сплава. В условиях непрерывного и полунепрерывного литья наиболее технологичным способом является вибрационная обработка расплава в кристаллизаторе. В результате выполненного анализа литературных данных по рассматриваемой в работе проблеме сформулированы задачи диссертационной работы.

Глава 2. Методики исследования

В ходе проведения работы использованы как методики по ГОСТ, так и оригинальные методики. Перечислены материалы и оборудование, применяемые для проведения лабораторных и промышленных экспериментов.

В процессе выполнения настоящей работы проводились эксперименты по отработке технологии вибрационного воздействия на кристаллизующийся расплав. Исследования проводились на кадмиевой бронзе БрКд1 и меди марки М2. Плавка металла осуществлялась в промышленной индукционной трехфазной одноканальной печи ИЛК–1,6. Для вибрации расплава использовали лабораторный вибростол (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция лабораторного вибростола:

1 – основание; 2 – плита; 3 – вибратор; 4 – пружина; 5 – изложница

На плиту вибростола устанавливали изложницу, предварительно подогретую до температуры 250°С. Жидкий металл, нагретый до температуры 1130°C, заливался в изложницу, совершающую колебательные движения. В лабораторных экспериментах использовали медные изложницы с диаметром рабочей полости 40 мм и 65 мм, высота полученных слитков 50 мм и 400 мм соответственно. При получении слитков диаметром 40 мм колебания прекращали через 1 – 2 минуты после заливки, а для слитков диаметром 65 мм – через 5 – 7 минут. Для оценки эффективности вибрационного воздействия заливался контрольный слиток без наложения вибрации.

Для поиска оптимальных параметров вибрации применяли последовательный симплексный метод (ПСМ). ПСМ представляет собой непараметрическую процедуру, то есть заключается в простом сравнении полученных откликов. При использовании ПСМ план эксперимента формируется из точек области исследования, расположенных в вершинах симплекса. Поскольку область исследования в нашей работе представляет собой плоскость, симплексом в данном случае является треугольник. После проведения эксперимента производится сравнение результатов, полученных в вершинах симплекса, друг с другом. В результате определяется от какой из вершин следует отказаться прежде всего, а это уже указание на то, в каком направлении следует двигаться. Таким образом, достаточно провести один дополнительный опыт, чтобы сформировать новый симплекс и уточнить направление движения в область оптимальных значений.

Для изучения дендритного строения литых образцов использовали оптический микроскоп LECO-SA2000 со встроенной цифровой камерой SONY DVC-R500. Измерение среднего размера дендритной ячейки осуществляли с помощью программного продукта SIAMS Photolab 700.

Глава 3. Влияние вибрации на структуру и свойства меди

Вибрационной обработке кристаллизующегося расплава посвящено множество работ. Хорошо известно, что такого рода воздействие оказывает положительное влияние на процесс формирования мелкокристаллического строения литых заготовок. Однако в настоящее время не определены параметры вибрации, позволяющие влиять на кристаллическую структуру меди и медных сплавов. Кроме того, не существует однозначного мнения о механизме влияния вибрации на процесс кристаллизации металлов и сплавов.

Поскольку при литье кадмиевой бронзы существуют определенные трудности, связанные с токсичностью и низкой температурой кипения кадмия, первоначально лабораторные эксперименты проводились на модельном металле. Кадмиевая бронза по теплофизическим свойствам незначительно отличается от меди, поэтому в качестве модельного металла была использована медь марки М2.

Поиск оптимальных параметров проводили с помощью последовательного симплексного метода. Вибрация может осуществляться с различными параметрами. Применение ультразвуковой и высокочастотной вибрации негативно влияет на здоровье обслуживающего персонала и приводить к преждевременному выходу из строя оборудования. Кроме того, вибрация водоохлаждаемого кристаллизатора с высокой частотой может приводить к возникновению кавитационных процессов в воде, что приведет к резкому снижению теплоотвода от гильзы кристаллизатора. В связи с этим в работе исследовали влияние низкочастотной вибрации (0 – 50 Гц). Для определения оптимальных параметров вибрации необходимо определить начальную точку, то есть значения параметров, от которых мы начнем продвигаться в сторону лучших значений, и установить шаг варьирования для каждого параметра. За исходную точку приняли амплитуду колебаний А = 0,5 мм и частоту колебаний = 5 Гц. За шаг варьирования частоты принято значение 5 Гц, а амплитуды – 0,25 мм. На основании исходных данных был сформирован план первого эксперимента, который представлен в табл. 1.

Таблица 1

Параметры опытов в вершинах симплекса №1

Номер опыта	А, мм	, Гц
1	0,25	10
2	0,75	10
3	0,5	2,5

Поскольку цель эксперимента заключалась в определении оптимальных параметров, позволяющих получать медные слитки с мелкой, однородной по их сечению структурой, в качестве параметра оптимизации выбрана доля столбчатых кристаллов в структуре медных слитков Z. Кроме доли столбчатых кристаллов в структуре слитков контролировалась средняя площадь сечения зерна S. Результаты металлографического исследования слитков меди, полученных в ходе трех первых опытов и контрольного слитка представлены в табл. 2

Таблица 2

Результаты металлографического анализа слитков меди

Номер опыта	Z, %	S, мм2
1	94	2,53
2	64	1,89
3	89	2,32
Без вибрации	100	3,67

Согласно табл. 2 вибрационное воздействие на кристаллизующуюся медь с параметрами, приведенными в табл. 1, оказывает положительное влияние на структуру меди. Так, на всех полученных образцах доля столбчатых кристаллов и средняя площадь зерна меньше, чем в контрольном слитке. Наихудший результат наблюдается в опыте №1, где доля столбчатых кристаллов составила 94%. На основании сравнения полученных результатов определены параметры вибрации для опыта №4. В результате формируется новый симплекс. Таким образом, происходит перемещение в факторном пространстве в сторону оптимальных параметров. Схема перемещения симплексов в факторном пространстве представлена на рис. 2. Результаты экспериментов представлены в табл. 3.

Рис. 2. Схема перемещения симплексов в процессе поиска оптимальных параметров вибрационного воздействия на кристаллизующийся расплав меди

Таблица 3

Результаты экспериментов по поиску оптимальных параметров

вибрационного воздействия на медь

Номер опыта	А, мм	, Гц	Z, %	S, мм2
4	1	2,5	70,5	2,04
5	1,25	10	60,5	1,7
6	1	17,5	37	1,2
7	1,5	17,5	0	0,98
8	1,25	25	44,8	1,6
9	1,75	25	37,1	1,3
10	2	17,5	31,1	1,09
11	1,75	10	58,6	1,6