ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ
|
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.
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.
1. В ходе планируемого при помощи последовательного симплекс метода поискового эксперимента установлены диапазоны параметров вибрации (частота и амплитуда), позволяющие предотвратить формирование зоны столбчатых кристаллов в структуре слитков меди диаметром 40 мм. Показано, что при вибрационной обработке с частотой V = 15- 23 Гц и амплитудой А = 0,5 - 2,5 мм устраняется транскристаллизация в структуре медных слитков.
2. При помощи регрессионного анализа экспериментальных данных выведены эмпирические зависимости доли столбчатых кристаллов, средней площади сечения зерна, среднего размера дендритной ячейки в структуре слитков меди диаметром 65 мм, полученных наполнительным литьем, временного сопротивления разрушению при растяжении, относительного удлинения и твердости меди по Виккерсу от параметров вибрации. Без наложения вибрации на расплав меди средняя площадь сечения зерна в структуре медных слитков диаметром 65 мм составляет 8 мм2, размер дендритной ячейки равен 9,133 мкм, а вибрационная обработка расплава с частотой V = 18 Гц и амплитудой А = 1,5 мм позволяет снизить эти параметры до 0,43 мм2 и 1,8 мкм соответственно. При этом временное сопротивление разрушению увеличивается с 169,1 до 253,1 МПа, относительное удлинение с 32,1 до 59,3%, а твердость по Виккерсу с 35,4 до 57,7 НУ. Кроме того, наблюдается выравнивание параметров структуры и механических свойств меди по сечению слитка.
3. В ходе лабораторного эксперимента установлены параметры вибрации (V = 25 Гц, А = 0,4 мм), позволяющие устранить зону столбчатых кристаллов в структуре литой бронзы БрКд1. При этом средняя площадь сечения зерна в структуре слитка бронзы БрКд1 диаметром 40 мм без наложения вибрации составляет 5,97 мм2, а с вибрационной обработкой - 0,6 мм2, средний размер дендритной ячейки равен 6,93 и 1,68 мкм соответственно.
4. Микрорентгеноспектральный анализ с помощью микроанализатора «САМЕВАХ» показал, что при вибрационной обработке с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм подавляется разделительная диффузия кадмия и тем самым снижается внутридендритная микроликвация в слитках БрКд1. Химический анализ промышленных слитков бронзы БрКд1 диаметром 192 мм, полученных полунепрерывным литьем, свидетельствует о том, что при вибрационной обработке снижается обратная ликвация кадмия. Установлено, что при наложении вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм коэффициент ликвации кадмия к изменяется по сечению слитка от 0,91 до 1,65, а в контрольном слитке, отлитом без вибрации - от 1 до 1,19.
5. Промышленными экспериментами установлено, что формирование твердой корочки в слитке при непрерывном литье кадмиевой бронзы начинается не с мениска расплава в кристаллизаторе, а на глубине 20 мм с существованием зоны плотного контакта жидкого металла со стенкой кристаллизатора. Применение вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм при полунепрерывном литье слитков из бронзы БрКд1 диаметром 192 мм способствует уменьшению глубины лунки жидкого металла до 150 мм, в то время как без вибрации она составляет 200 мм.
6. Результаты металлографического анализа промышленных слитков показали, что при вибрационной обработке измельчается макро- и микроструктура бронзы БрКд1. Показано, что при вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм средняя площадь сечения зерна в структуре бронзы БрКд1 составляет 0,6 мм2, а средний размер дендритной ячейки 36 мкм, тогда как в слитках, полученных без вибрации эти показатели составляют 2 мм и 47 мкм соответственно. При этом применение вибрации кристаллизатора в процессе полунепрерывного литья кадмиевой бронзы БрКд1 позволяет получать слитки с равномерными структурой и свойствами по их сечению.
7. Результаты промышленных экспериментов показали, что при вибрационной обработке бронзы БрКд1 с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм практически полностью устраняются все поверхностные дефекты - складчатость, поперечные трещины, надрывы и поверхность становится гладкой, что позволяет повысить технологический выход годного на 5 - 10 % за счет исключения из технологического процесса операции обточки слитков перед обработкой давлением.
8. Полученные экспериментальные данные положены в основу разработки технологического регламента полунепрерывного литья меди и бронзы с применением вибрационной обработки расплава в процессе кристаллизации. Параметры вибрационной обработки меди следующие: частота V = 18 - 19 Гц, амплитуда А = 1,4 - 1,6 мм, а кадмиевой бронзы - частота V = 24 - 26 Гц, амплитуда А = 0,3 - 0,5 мм. Установлено, что применение данной технологии существенно повышает качество получаемых слитков за счет снижения брака по горячим трещинам, ликвации и поверхностным дефектам. Технология прошла промышленные испытания на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» и рекомендована к внедрению на ряде заводов по обработке цветных металлов.
2. При помощи регрессионного анализа экспериментальных данных выведены эмпирические зависимости доли столбчатых кристаллов, средней площади сечения зерна, среднего размера дендритной ячейки в структуре слитков меди диаметром 65 мм, полученных наполнительным литьем, временного сопротивления разрушению при растяжении, относительного удлинения и твердости меди по Виккерсу от параметров вибрации. Без наложения вибрации на расплав меди средняя площадь сечения зерна в структуре медных слитков диаметром 65 мм составляет 8 мм2, размер дендритной ячейки равен 9,133 мкм, а вибрационная обработка расплава с частотой V = 18 Гц и амплитудой А = 1,5 мм позволяет снизить эти параметры до 0,43 мм2 и 1,8 мкм соответственно. При этом временное сопротивление разрушению увеличивается с 169,1 до 253,1 МПа, относительное удлинение с 32,1 до 59,3%, а твердость по Виккерсу с 35,4 до 57,7 НУ. Кроме того, наблюдается выравнивание параметров структуры и механических свойств меди по сечению слитка.
3. В ходе лабораторного эксперимента установлены параметры вибрации (V = 25 Гц, А = 0,4 мм), позволяющие устранить зону столбчатых кристаллов в структуре литой бронзы БрКд1. При этом средняя площадь сечения зерна в структуре слитка бронзы БрКд1 диаметром 40 мм без наложения вибрации составляет 5,97 мм2, а с вибрационной обработкой - 0,6 мм2, средний размер дендритной ячейки равен 6,93 и 1,68 мкм соответственно.
4. Микрорентгеноспектральный анализ с помощью микроанализатора «САМЕВАХ» показал, что при вибрационной обработке с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм подавляется разделительная диффузия кадмия и тем самым снижается внутридендритная микроликвация в слитках БрКд1. Химический анализ промышленных слитков бронзы БрКд1 диаметром 192 мм, полученных полунепрерывным литьем, свидетельствует о том, что при вибрационной обработке снижается обратная ликвация кадмия. Установлено, что при наложении вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм коэффициент ликвации кадмия к изменяется по сечению слитка от 0,91 до 1,65, а в контрольном слитке, отлитом без вибрации - от 1 до 1,19.
5. Промышленными экспериментами установлено, что формирование твердой корочки в слитке при непрерывном литье кадмиевой бронзы начинается не с мениска расплава в кристаллизаторе, а на глубине 20 мм с существованием зоны плотного контакта жидкого металла со стенкой кристаллизатора. Применение вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм при полунепрерывном литье слитков из бронзы БрКд1 диаметром 192 мм способствует уменьшению глубины лунки жидкого металла до 150 мм, в то время как без вибрации она составляет 200 мм.
6. Результаты металлографического анализа промышленных слитков показали, что при вибрационной обработке измельчается макро- и микроструктура бронзы БрКд1. Показано, что при вибрации с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм средняя площадь сечения зерна в структуре бронзы БрКд1 составляет 0,6 мм2, а средний размер дендритной ячейки 36 мкм, тогда как в слитках, полученных без вибрации эти показатели составляют 2 мм и 47 мкм соответственно. При этом применение вибрации кристаллизатора в процессе полунепрерывного литья кадмиевой бронзы БрКд1 позволяет получать слитки с равномерными структурой и свойствами по их сечению.
7. Результаты промышленных экспериментов показали, что при вибрационной обработке бронзы БрКд1 с частотой V = 25 Гц и амплитудой А = 0,4 мм практически полностью устраняются все поверхностные дефекты - складчатость, поперечные трещины, надрывы и поверхность становится гладкой, что позволяет повысить технологический выход годного на 5 - 10 % за счет исключения из технологического процесса операции обточки слитков перед обработкой давлением.
8. Полученные экспериментальные данные положены в основу разработки технологического регламента полунепрерывного литья меди и бронзы с применением вибрационной обработки расплава в процессе кристаллизации. Параметры вибрационной обработки меди следующие: частота V = 18 - 19 Гц, амплитуда А = 1,4 - 1,6 мм, а кадмиевой бронзы - частота V = 24 - 26 Гц, амплитуда А = 0,3 - 0,5 мм. Установлено, что применение данной технологии существенно повышает качество получаемых слитков за счет снижения брака по горячим трещинам, ликвации и поверхностным дефектам. Технология прошла промышленные испытания на ОАО «Ревдинский завод по обработке цветных металлов» и рекомендована к внедрению на ряде заводов по обработке цветных металлов.
Подобные работы
- Влияние термической обработки и модифицирования расплава на структуру и свойства электротехнической меди
Бакалаврская работа, технология конструкционных материалов. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2018