48

МИНИСТЕРСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ РФ

Рыбинский государственный авиационный технический

университет имени П. А. Соловьёва

Кафедра Материаловедения, литья и сварки

ШАТУЛЬСКИЙ А. А.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

И ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ»

(Рекомендовано для аспирантов,

обучающихся по специальности 05.16.01. «Материаловедение и

термическая обработка металлов и сплавов»)

Рыбинск, 2011 г.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ЛИТЬЯ С НАПРАВЛЕННОЙ

КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ

Цель работы: Изучение технологических процессов изготовления отливок методом литья с направленной кристаллизацией, теоретическое и экспериментальное определе­ние скорости кристаллизации и температурного по­ля формы.

1.1. Краткая теория

Сущность метода литья с направленной кристаллизацией заключается в том, что расплав за­ливается в специальную, нагретую до температуры ликвидуса сплава форму, в которой обеспечивается односторонний теплоотвод. Это позволяет получить отливку с вытянутыми столбчатыми зернами или даже монокристаллитную, состоящую из одного зерна. При изготовлении рабочих лопаток стремятся к тому, чтобы кристаллы затвердевшего металла были ориентированы вдоль оси ло­патки, то есть вдоль направления действующих центробеж­ных сил. Это повышает жаропрочность, пластичность, усталостную прочность, а также ударную вязкость в указанном направлении, прежде всего, за счет устранения границ зерен, перпендикулярных оси главных напряжений и снижения количества усадочных дефектов в отливке. Существуют две принципиально различные технологии изготовления отливок: первая при непосредственном контакте расплава с поверхностью холодильника, и вторая при кристаллизации через слой формы.

При непосредственном контакте расплава с водоохлаждаемым медным холодильником происходит интенсивное охлаждение тонкого слоя металла. В результате этого в нем образуется мелкая равноос­ная структура, из которой затем в результате конкурентного роста происходит оттеснение тех зерен, ориентация которых удалена от кристаллографического направления [001],и формируется столбчатая структура направленных зерен 1 - 5 мм в поперечнике рис.1.1,а. Формирование такой структуры проводится в отдельной стартовой полости, распо­ложенной в нижней части формы, а затем текстурированная структу­ра прорастает в полость отливки. Таким образом, процесс направ­ленной кристаллизации происходит в два этапа: образование столб­чатой структуры и ее частичный рост под непосредственным воздейс­твием холодильника и рост столбчатых зерен за счет снижения мощ­ности верхней секции нагревателя. Преимуществом этого способа получения отливок являются прос­тота конструкции установки и отсутствие в тепловом узле каких-ли­бо движущихся деталей.

Второй способ проще, безопаснее, однако затвердевание отлив­ки происходит при этом значительно медленнее, так как теплоотвод осуществляется через слой керамики и зазор, возникающий между не­ровной поверхностью формы и кристаллизатором. Важно отметить, что величина зазора зависит от многих факторов, и учесть ее изменение при выборе скорости кристаллизации бывает очень трудно. Из-за ма­лого температурного градиента невозможно глубокое переохлаждение тонкой придонной части расплава, в результате на нижней поверхнос­ти формы образуется несколько крупных зерен (от 1 до 10 на 1 см^2). Эти зерна также имеют произвольную ориентировку, и между ними в процессе роста происходит конкурентный отбор. Однако по­давление "лидером" более слабого конкурента требует в данном слу­чае немалого времени, так как ему необходимо перекрыть вторичными ветвями дендритов значительную поверхность фронта кристаллизации. Поэтому достаточно часто сильно разориентированные (до 30^оС и более) зерна сосуществуют по всей длине отливки, или наблюдается вытеснение одного зерна другим на значительном расстоянии от ос­нования рис.1.1, б. В этом случае межзеренная граница выходит на боковую кромку отливки. При наличии крупных зерен их количество и ориен­тация в партии отливок чрезвычайно разнообразны. Отрицательное влияние такой структуры будет проявляться при эксплуатации изделия в условиях термосмен, когда на границах зерен из-за анизотро­пии свойств будут достаточно быстро появляться трещины, приводя­щие к его разрушению.

а)

б)

Рис.1.1 Отливки, полученные методом литья с направленной кристаллизацией

В настоящее время в рамках метода разработано большое коли­чество способов литья с направленной кристаллизацией, которые от­личаются:

-по направлению кристаллизации расплава: сверху или снизу;

-по способу отвода теплоты от отливки: водоохлаждаемый крис­таллизатор, обдув отливки воздухом, погружение в расплав лег­коплавкого металла или соли;

-по конструкции формы: с непосредственным контактом расплава с поверхностью кристаллизатора или с охлаждением через форму;

-по способу заполнения полости формы расплавом: обычная заливка или погружение формы в расплав;

-по способу управления процессом кристаллизации: регулирование нагрева формы, изменение скорости вытягивания формы из зоны действия печи подогрева, воздействие электрическим током на жидкий металл и т.д.