65311

Розвиток теоретичних основ отримання якісних виливків з мідних та нікелевих сплавів в умовах керованої кристалізації

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Отриманню якісних виливків в умовах керованої кристалізації заважала недостатність відомостей про формування теплових потоків у вказаній системі про теплофізичні властивості матеріалів...

Украинкский

2014-07-28

314.5 KB

0 чел.

PAGE  1

Національна металургійна академія України

Наумик Валерій Владиленович

УДК 621.74.04.002.84

РОЗВИТОК ТЕОРЕТИЧНИХ ОСНОВ ОТРИМАННя ЯКІСНИХ

ВИЛИВКІВ З МІДНИХ ТА НІКЕЛЕВИХ СПЛАВІВ

В УМОВАХ КЕРОВАНОЇ КРИСТАЛІЗАЦІЇ

05.16.04 – Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2010


Дисертацією є рукопис

Робота  виконана  в  Запорізькому  національному  технічному  університеті Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Науковий консультант:        доктор технічних наук, професор

Луньов Валентин Васильович,

Запорізький національний технічний університет,

завідувач кафедри "Машини і технологія ливарного

виробництва", м. Запоріжжя

Офіційні опоненти:                доктор технічних наук, професор

Могилатенко Володимир Геннадійович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

завідувач кафедри ливарного виробництва чорних і

кольорових металів, м. Київ

доктор технічних наук, професор

Хричиков Валерій Євгенович,

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри ливарного виробництва,

м. Дніпропетровськ

доктор технічних наук, професор

Іванова Ліна Олександрівна,

Одеська національна академія харчових технологій,

професор кафедри фізики та матеріалознавства, м. Одеса

Захист відбудеться "28" грудня 2010 р. о 1230  годині на засіданні спеціалізованої вченої  ради Д 08.084.02 у Національній металургійній академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: просп. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, Україна, 49600.

Автореферат розісланий "25" листопада 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д 08.084.02    А.М. Должанський


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. По мірі розвитку сучасного машинобудування постійно зростає потреба у виливках та литих заготовках, підвищуються вимоги до їх надійності, довговічності та собівартості. Специфічні вимоги висуваються до литих виробів, що використовуються в електротехнічній промисловості, в авіаційному та енергетичному машинобудуванні, а також виготовляють з антифрикційних матеріалів, які об’єднує необхідність отримання у виливках заданої макроструктури для забезпечення комплексу експлуатаційних характеристик. Згідно до експертних оцінок біля половини означених виробів виготовляється з мідних та нікелевих сплавів.

Одним з шляхів отримання виливків із заданим рівнем властивостей є їх керована кристалізація, що реалізується за допомогою різних ливарних агрегатів. Відомо, що однією з умов отримання заданої структури  виливка є наявність необхідних температурних градієнтів в системі "матеріал виливка – ливарна форма – охолоджуюче середовище". Для мідних сплавів це досягається за рахунок керованого відбору тепла від графітових форм та формоутворюючих вставок під час вакуумної плавки при здійсненні ливарних процесів, в тому числі – безперервного лиття, а для нікелевих – в печах вакуумної порціонної плавки спрямованою кристалізацією за рахунок занурення залитої ливарної форми, яку було отримано за витоплюваними моделями, в ванну алюмінієвого рідкометалевого кристалізатора.

Отриманню якісних виливків в умовах керованої кристалізації заважала недостатність відомостей про формування теплових потоків у вказаній системі, про теплофізичні властивості матеріалів, що використовуються в ливарному виробництві, як у шихті, так і для здійснення технологічного процесу у відповідних умовах з урахуванням специфічних термокінетичних характеристик даної системи та їх змінення в процесі експлуатації.

Невиявленими лишалися процеси, що відбуваються біля фронту кристалізації сплавів, що містять елементи, які здатні утворювати інтерметалідні фази.

Природні ресурси, а вітчизняні – особливо одних первинних металів (мідь, нікель) є дуже обмеженими, а інших – хоча на даний період і цілком достатніми (алюміній), але процес видобування їх з руд є дуже затратним. Тому все більш гостро встають питання, що пов'язані з отриманням якісних виливків і литих заготовок при неодноразовому використанні матеріалів.

Фактором, що ускладнював відпрацювання технологічних процесів була відсутність оперативних методів прогнозування якості виливків, отриманих в результаті керованої кристалізації.

Відсутність вказаних відомостей не давала можливості розробки раціональних технологічних процесів отримання якісних виливків в умовах керованої кристалізації, через що підвищувався відсоток браку, особливо, за умов неодноразового використання матеріалів.

Отже робота, що присвячена вирішенню важливої науково-практичної проблеми – розвитку теоретичних основ та виробничих засобів здійснення ливарних процесів отримання виливків з мідних та нікелевих сплавів, до яких відповідно умовам їх наступної експлуатації висуваються специфічні вимоги, та прогнозування отриманих результатів шляхом керованої кристалізації при неодноразовому використанні матеріалів із забезпеченням якості литих виробів, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано на кафедрі "Машини і технологія ливарного виробництва" Запорізького національного технічного університету відповідно до:

– Закону України "Про приорітетні напрямки розвитку науки і техніки" від 11.07.2001 р. № 2623-III;

– науково-дослідної роботи "Розробка теоретичних основ і створення обладнання для виробництва прецизійних литих виробів з міді та її відходів" (№ державної реєстрації 0105U000209), в якій автор був виконавцем;

– спільних науково-дослідних робіт Запорізького національного технічного університету і ВАТ "Мотор – Січ": "Вдосконалення технології виробництва виливків методом спрямованої кристалізації" (№ 4618 від 1998 – 2000 рр.), "Вдосконалення технології виробництва виливків ГТД з нікелевих жароміцних сплавів" (№ 4621 від 2001 р.), "Дослідження і розробка технології виробництва лопаток спрямованої кристалізації з використанням зворотних відходів сплавів ЖС32-ВИ і ЖС26-ВИ" (№ 4612 від 2002 р.) і "Вдосконалення технології виробництва лопаток спрямованої кристалізації" (№ 4603 від 2003 р.), в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи стало розвиток теоретичних основ рафінування розплавів та формування виливків з мідних і нікелевих сплавів в умовах керованої кристалізації, відповідно до специфічних вимог їх наступної експлуатації та удосконалення на цій основі технології та установки, що існують, а також розробка нових, таких, що дозволяють отримувати якісні литі вироби при неодноразовому використанні матеріалів.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні задачі:

1. На базі розвитку теоретичних основ реалізації керованої кристалізації з рафінуванням розплаву міді під час вакуумної плавки та механізму кристалізації міді в графітовій формі розробити раціональну технологію отримання високоякісних литих заготовок, в тому числі – безперервнолитих з відходів міді в умовах керованої кристалізації в вакуумі.

2. Розвинути термокінетичні основи впливу на формування в процесі керованої кристалізації структури литих заготовок з бронз, які вміщують олово та свинець, розробити оптимальну технологію і необхідне обладнання для отримання високоякісних суцільнолитих заготовок. Розробити методику і сконструювати установку для експрес-оцінювання ступеня зношування антифрикційних матеріалів. Провести порівняльний аналіз антифрикційних властивостей суцільнолитої та традиційно вживаної деформованої заготовок для підшипників ковзання.

3. Встановити вплив ступеню забрудненості рідкометалевого кристалізатора на відбір тепла в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків з жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки, встановити доцільний термін експлуатації алюмінієвого рідкометалевого кристалізатора, а в результаті, підвищити вихід придатних виливків та показати можливість отримувати якісні виливки з жароміцних нікелевих сплавів із використанням в шихті до 100 % технологічного вороття при застосуванні попередньої термочасової обробки розплаву в комплексі з додатковим легуванням елементами, що піддані суттєвому вигару під час витримки при високих температурах в вакуумі, та подальшої високошвидкісної спрямованої кристалізації.

4. Розробити методику і сконструювати установку для прямого вимірювання теплопровідності металевих матеріалів при різних температурах.

Отримати дані та встановити залежності змінення теплопровідності алюмінію – матеріалу рідкометалевого кристалізатора в діапазоні його робочих температур. Встановити припустимий рівень теплопровідності матеріалу рідкометалевого кристалізатора в розплавленому стані при його робочих температурах в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків з жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки.

Розробити методики оперативного контролю ступеня забрудненості, а отже і зниження теплопровідності алюмінію рідкометалевого кристалізатора в процесі його експлуатації.

5. Розробити метод і сконструювати установку для фізичного моделювання процесів кристалізації як засіб прискорення та здешевлення розробки нових та вдосконалення існуючих технологічних процесів отримання якісних виливків і литих заготовок в умовах керованої кристалізації. Встановити якісні залежності формування макроструктури в тонкому шарі олова на металевій пластині в теплових умовах, що є характерними для формування макроструктури певних перерізів або поверхонь тривимірних виливків з матеріалу, подібного до матеріалу пластини. Застосувати розроблені метод і установку для отримання плоских двовимірних моделей, що відповідають певним перерізам і поверхням реальних тривимірних виливків, сформованих в процесі керованої кристалізації.

6. Впровадити практичні розробки у виробництво та навчальний процес.

Об’єкт дослідження. Процеси, що забезпечують отримання якісних виливків та литих заготовок в умовах керованої кристалізації при неодноразовому використанні вторинних матеріалів в шихті і алюмінію як матеріалу рідкометалевого кристалізатора на агрегатах ливарного виробництва.

Предмет дослідження. Закономірності формування макроструктури  виливків за рахунок теплової взаємодії в системі "матеріал виливка – ливарна форма – охолоджуюче середовище" в умовах реалізації ливарних процесів керованої кристалізації.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі задач було використано фундаментальні положення формування виливків в умовах керованої кристалізації, застосовано комплекс сучасних методів та апаратури.

Вакуумна плавка і керована кристалізація виробів з міді і сплавів на її основі проводилися в установці, яку було зібрано на базі модернізованої печі ОКБ-860, а також в мініелектропечі опору, яку було виготовлено на базі універсального вакуумного посту ВУП-5. Плавки жароміцних нікелевих сплавів проводили на установках типів УВНК-8П, УППФ-3М та ОКБ-860.

За допомогою стандартних і розроблених методик дослідили хімічний склад, структуру, фізико-механічні, теплофізичні властивості матеріалу дослідних зразків при різних температурах.

Склад сплавів вивчали хімічним, спектральним методами, а також на іскровому спектрометрі "SPECTROLAB". Аналіз вмісту газів проводили на газоаналізаторі LECO TN-114.

Фізичну щільність визначали методом гідростатичного зважування.

Показники змочуваності вуглецевої підкладки рідкою міддю визначали методом "лежачої краплі".

Проводили металографічні дослідження макро- і мікроструктури дослідних зразків за допомогою металографічних мікроскопів МІМ-8, МІМ-10 і Neophot. Проводили дослідження та мікроаналіз структурних складових на растрових електронних мікроскопах РЕМ-106І, JSMT-300 та Supra.

Визначали мікротвердість сплавів, що вивчалися, за допомогою приставки "mnp 100" структурного аналізатора "EPIQUANT" і приладу ПМТ-3.

Експериментальні дані обробляли методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Одержали подальший розвиток теоретичні основи реалізації керованої кристалізації з рафінуванням розплаву міді під час вакуумної плавки та механізму кристалізації міді в графітовій формі.

Розробка відрізняється специфічними даними про співвідношення пружності пари різних елементів-домішок та міді при температурі ведення вакуумної плавки, їх рівноважного коефіцієнту розподілу, даними про коефіцієнти дифузії домішок в рідкій міді, використанням класичної теорії термодинаміки для доведення факту, що чиста мідь в графітовій формі кристалізується за гомогенним механізмом. Це дало можливість обрати раціональний спосіб рафінування розплаву міді від шкідливих домішок, встановити що ефективним способом впливу на формування макроструктури відливки є керований вплив на процеси її первинної кристалізації, що інтенсивне гомогенне утворення центрів кристалізації відбувається вже при незначному переохолодженні розплаву (порядку 3,4 К).

2. Одержали подальший розвиток термокінетичні основи впливу на формування в процесі керованої кристалізації структури литих заготовок з бронз, які вміщують олово та свинець.

Розробка відрізняється урахуванням умов формування поблизу фронту кристалізації структури литих заготовок з бронз (типу БрО5Ц5С5), які є небезпечними з точки зору одночасного утворення під час безперервного витягування крихкої інтерметалідної фази та вкраплень рідкого свинцю. Це дало можливість обґрунтувати кінематичні характеристики режиму витягування та забезпечити отримання суцільнолитих заготовок, що відповідають специфічним вимогам за макроструктурою, твердістю, якістю поверхні.

3. Вперше встановлено вплив ступеню забрудненості рідкометалевого кристалізатора на відбір тепла в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків з жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки.

Раніше в ливарному виробництві подібні дослідження були невідомі. Це дозволило встановити доцільний термін експлуатації рідкометалевого кристалізатора, а в результаті – підвищити вихід придатних виливків, та показати можливість отримувати якісні виливки з жароміцних нікелевих сплавів із використанням в шихті до 100 % технологічного вороття при застосуванні попередньої термочасової обробки розплаву в комплексі з додатковим легуванням елементами, що піддані суттєвому вигару під час витримки при високих температурах в вакуумі та подальшої високошвидкісної спрямованої кристалізації.

4. Вперше, за використанням розроблених методик та установки для прямого вимірювання теплопровідності металічних матеріалів при різних температурах, отримано дані та встановлено залежності змінення в процесі експлуатації теплопровідності алюмінію – матеріалу рідкометалевого кристалізатора в діапазоні його робочих температур.

Раніше такі дослідження були невідомі. Це дало можливість встановити припустимий рівень теплопровідності матеріалу рідкометалевого кристалізатора в розплавленому стані при його робочих температурах в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків з жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки, а також встановити граничні значення коефіцієнту віддзеркалювання та діапазону температур затвердівання матеріалу відібраних від нього зразків, які свідчать про необхідність проведення часткового освіження або повної заміни алюмінію.

5. Вперше, за допомогою розробленого методу фізичного моделювання процесів кристалізації виливків, встановлено якісні залежності формування макроструктури в тонкому шарі олова на металевій пластині в теплових умовах, що є відповідними формуванню макроструктури певних перерізів або поверхонь тривимірних литих виробів з матеріалу, подібного до матеріалу пластини.

У даному вигляді фізичне моделювання виконано вперше. Це дозволило встановити тенденції змінення макроструктури тонкого шару олова під впливом керованих теплових потоків та істотно прискорити і здешевити відпрацювання та вдосконалення технологічних процесів, що забезпечують отримання якісних виливків і литих заготовок в умовах керованої кристалізації.

Практичне значення отриманих результатів.

1. На основі проведених досліджень, отриманих закономірностей, узагальнення і розвитку теоретичних основ реалізації керованої кристалізації з рафінуванням розплаву міді під час вакуумної плавки та механізму кристалізації міді в графітовій формі розроблено технологічні процеси і створено установки для одностадійного рафінування і отримання якісних литих заготовок, в тому числі – суцільнолитих при використанні промислових відходів.

2. Розроблена технологія отримання суцільнолитих заготовок з бронзи, що містить олово та свинець, яка передбачає циклічне витягування і забезпечує отримання заготовок зі структурою та якістю поверхні, які дозволяють використовувати їх при виробництві підшипників ковзання без застосування подальшої механічної і термічної обробки.

Розроблено методику і установку для прискореного випробування антифрикційних матеріалів на зношування. Вперше показано, що безперервнолиті заготовки для підшипників ковзання з бронзи типу БрО5Ц5С5, що характеризуються структурою, орієнтованою уздовж напряму зношування, дрібними рівномірно розподіленими вкрапленнями свинцю і зниженим рівнем твердості, не поступаються і навіть перевершують за зносостійкістю традиційно вживані деформовані.

3. Встановлено доцільний термін експлуатації рідкометалевого кристалізатора, а в результаті підвищено вихід придатних виливків із жароміцних нікелевих сплавів, що були отримані в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації. Показано можливість отримувати якісні виливки з жароміцних нікелевих сплавів із використанням в шихті технологічного вороття.

4. Встановлено причини і закономірності забруднення матеріалу рідкометалевого кристалізатора при отриманні виливків із жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки. Показано, що це забруднення є неминучим, і тому необхідно проводити оперативний контроль його теплопровідності та своєчасне чищення, часткове освіження або цілковиту заміну на свіжий алюміній.

Розроблені методики та установка для прямого вимірювання теплопровідності металічних матеріалів стаціонарним методом при різних температурах дозволили отримати нові дані та встановити залежності змінення теплопровідності алюмінію – матеріалу рідкометалевого кристалізатора в діапазоні його робочих температур.

Розроблено методи оперативного контролю ступеню забрудненості і теплофізичних властивостей рідкометалевого кристалізатора за коефіцієнтом віддзеркалення і за температурним інтервалом кристалізації його матеріалу – алюмінію.

Впровадження методики оперативного контролю теплопровідності рідкометалевого кристалізатора в процесі його експлуатації за зміненням діапазону температур затвердівання на ВАТ "Мотор – Січ" дозволило отримати економічний ефект станом на 2009 р. у розмірі 891500 гривень на рік (акт від 05.11.2009 р.).

Ефективність та перспективність розроблених методів підтверджено випробуваннями на ДП "Івченко – Прогрес". Розробником авіадвигунів їх рекомендовано для широкого застосування на підприємствах авіаційного та енергетичного машинобудування як в Україні, так і за її межами (акт від 12.07.2010 р.).

5. Розроблений метод фізичного моделювання кристалізації реальних тривимірних виливків на двовимірних моделях і сконструйована установка для його реалізації дозволяють істотно скоротити і здешевити відпрацювання та оптимізацію нових та існуючих технологічних процесів отримання якісних виливків з різних металів та сплавів в умовах керованої кристалізації. Розроблені метод і установка впроваджені в учбовий процес кафедри "Машини і технологія ливарного виробництва" Запорізького національного технічного університету (акт від 15.04.2010 р.).

Технічна новизна і практичне значення роботи підтверджені чотирма патентами України на винахід.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, що наведені в дисертаційній роботі, були отримані автором самостійно. У тих, що опубліковані в співавторстві, пошукачеві належать:

– аналіз існуючих способів рафінування розплаву міді, участь в розробці способу рафінування розплаву відходів міді від кисню за допомогою шайби, виконаної з щільного графіту, в процесі індукційної плавки як у вакуумних, так і у відкритих печах [30];

– аналіз і участь в розвитку теоретичних основ і практичних методів рафінування розплаву та отримання високоякісних литих заготовок з чистої міді в процесі керованої кристалізації, у тому числі – при безперервному литті [7, 9, 39, 42];

– вивчення механізму кристалізації чистої міді в графітовій формі [9];

– участь в створенні устаткування для здійснення розроблених технологічних процесів виготовлення якісних литих заготовок з міді, вивчення властивостей матеріалу дослідних зразків, узагальнення отриманих результатів [17, 40, 45, 49];

– проведення термокінетичних розрахунків і розробка оптимального режиму пульсуючого витягування при отриманні суцільнолитих заготовок з олов’яної бронзи [24, 44];

– розробка прискореного методу визначення зносостійкості антифрикційних матеріалів і устаткування для його здійснення, проведення експериментів і узагальнення отриманих результатів [20, 22];

– аналіз якісних показників зразків бронзи з різним вмістом свинцю, участь в розробці металографічного методу визначення вмісту свинцю в свинцевій бронзі [4];

– участь в дослідженнях властивостей виливків з жароміцних нікелевих сплавів, отриманих в умовах керованої кристалізації та впливу на них структури, легування та модифікування, аналіз і узагальнення отриманих результатів [6, 31, 33, 35, 37, 38];

– участь в постановці і проведенні виробничих і лабораторних експериментів щодо використання технологічного вороття при отриманні якісних виливків з жароміцних нікелевих сплавів, узагальнення отриманих результатів [19, 32, 50, 51, 53];

– вивчення впливу попередньої термочасової обробки розплаву та наступної керованої кристалізації на властивості виливків з жароміцних нікелевих сплавів, аналіз і узагальнення отриманих результатів [1 – 3, 36, 46];

– розробка методу і установки для визначення коефіцієнта теплопровідності металевих матеріалів при різних температурах, проведення експериментів, аналіз і узагальнення отриманих результатів [5, 8, 27, 41];

– дослідження причин забруднення рідкометалевого кристалізатора в процесі його експлуатації при виготовленні виливків методом високошвидкісної спрямованої кристалізації [34];

– розробка методу оцінки і контролю ступеня забрудненості, а отже – рівня теплопровідності алюмінієвого рідкометалевого кристалізатора в процесі його експлуатації за коефіцієнтом віддзеркалення, випробування розробленого методу [13];

– розробка методу фізичного моделювання процесів кристалізації виливків та установки для його здійснення; вивчення теплових потоків, що дозволяють керувати ростом плоских кристалів в процесі моделювання; застосування розробленого методу для моделювання кристалізації певних плоских перетинів реальних виливків та литих заготовок [28, 29].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на міжнародних і республіканських конференціях. Основними з них є: Республіканська конференція "Пути повышения качества и экологичности литейных процессов" (Одеса, 20 – 22 травня 1998 р.); VII та X Міжнародні конференції "Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів" (Запоріжжя, 29 вересня – 1 жовтня 1998 р., 8 – 10 жовтня 2008 р.); IXXII Міжнародні конференції "Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах" (Запоріжжя, 18 – 22 вересня 2000р., 12 – 16 травня 2003 р., 19 – 22 вересня 2006 р., 22 – 25 вересня 2009 р.); Міжнародна конференція "Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра" (Київ, 8 – 9 жовтня 2002 р.); Міжнародна конференція "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций" (Київ, 24 – 27 листопада 2003 р.); I та IIIVI Міжнародні конференції "Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок" (Алушта, 20 – 25 вересня 2004 р., 18 – 23 вересня 2006 р., 17 – 22 вересня 2007 р., 22 – 27 вересня 2008 р., 14 – 19 вересня 2009 р.); II Міжнародна конференція "Молодежь в авиации: новые решения и перспективные технологии" (Алушта, 12 – 16 травня 2008 р.); I та II Міжнародні конференції "Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве" (Краматорск, 15 – 20 вересня 2008 р., 7 – 14 вересня 2009 р.); Всеросійська науково-технічна конференція "МАТИ – Сварка ХХI века" "Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве" (Москва, 20 – 21 листопада 2003 р.); V Міжнародна науково-практична виставка-конференція "Литьё 2009" ( Запоріжжя, 24 – 26 березня 2009 р.).

Публікації. Основні матеріали і результати дисертації опубліковані в 53 роботах, з яких: 26 – у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України (з них 11 – без співавторів), 4 патенти України на винахід, а також 23 тези доповідей в матеріалах конференцій.

Перераховані публікації не містять матеріалів кандидатської дисертації здобувача та не пов'язані з нею.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Вона викладена на 353 сторінках, включаючи 49 таблиць, 108 рисунків, список використаних джерел з 266 найменувань, а також трьох додатків у вигляді двох актів опробування та впровадження отриманих науково-технічних результатів у виробництво та акту впровадження фізичного моделювання в учбовий процес.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її мету і задачі, висвітлено наукове і практичне значення, особистий внесок здобувача, а також положення, що виносяться на захист.

У першому розділі наведено огляд технічної літератури з питань отримання якісних виливків з міді, нікелю, алюмінію та їх сплавів. В даній галузі працювали Курдюмов А.В., Чернега Д.Ф., Галдін Н.М., Нільсен Х., Хімушин Ф.Ф., Чернишов Ю.П., Могилатенко В.Г. та інші вчені.

Наведена загальна характеристика перелічених металів, розглянута шихта, що використовується для виготовлення виливків, особливості ведення плавки і рафінування розплаву від шкідливих домішок.

Особливу увагу приділено процесам затвердівання і кристалізації, методам їх дослідження, моделювання та факторам, що впливають на формування структури виливків. В цій області відомі труди Гуляєва Б.Б., Вейника А.И., Шаліна Р.Є., Реп’яха С.І., Хричикова В.Є., Іванової Л.О. та інших вчених.

Розглянуто існуючі методи отримання виливків та литих заготовок в умовах керованої кристалізації, такі як безперервне лиття, спрямована кристалізація, вирощування монокристалів та існуюче устаткування для їх практичної реалізації.

На основі літературних даних та проведеного аналізу сучасного стану проблеми сформульовано мету дослідження та задачі, які необхідно вирішити для її досягнення.

У другому розділі викладені загальні методичні положення роботи.

Досліджували хімічний склад, механічні властивості, макро- та мікроструктуру чистої міді та її сплавів, нікелевих сплавів та алюмінію.

Розроблено прилад для прямого вимірювання теплопровідності металічних матеріалів стаціонарним методом (рис. 1).

Рис. 1. Схема приладу для прямого вимірювання теплопровідності литих металів та сплавів: 1 – електропіч опору; 2 – алюмінієвий нагрівальний блок; 3 – зразок; 4 – охолоджуючий блок; 5, 6, 8, 9, 10 – термопари; 7, 11, 12, 13 – вторинні прибори; 14 – терморегулятор; 15 – екран; 16 – охолоджувач; 17 – резервуар охолоджувача; 18 – відцентровий насос; 19 – мірний циліндр; 20 – перекриваючий вентиль.

Нагрівальний блок установки виконаний з алюмінію, що дозволяє визначати теплопровідність при підвищених (до 400 оС) температурах. Горизонтальний канал для установки зразка виключає виникнення конвекційних потоків уздовж останнього, замкнута система охолоджування знижує витрату дистильованої води і дозволяє легко підтримувати постійну температуру охолоджувального блоку, автоматичний регулятор підтримує постійною температуру зразка.

Коефіцієнт теплопровідності дослідного зразка визначали за формулою:

,          (1)

де Т1Т2 – різність температур на відстані l в зразку перерізом S, крізь який  передається кількість теплоти Q, яка дорівнює:

,          (2)

де С – теплоємність води; V– об'єм води, що проходить крізь систему охолодження за час τ; Т – різність температур води, на вході в охолоджуючий блок та виході з нього.

Розроблені методика та прилад дозволяють отримувати унікальні дані про теплофізичні властивості металічних матеріалів при різних температурах, які було неможливо отримати ніякими з відомих непрямих методів.

На основі відомих залежностей коефіцієнту віддзеркалювання поверхні та діапазону температур твердіння алюмінію від ступеню його чистоти розроблено методики та обладнання для оперативного контролю у виробничих умовах ступеню забрудненості матеріалу рідкометалевого кристалізатора за зміненням даних параметрів відібраних від нього зразків.

На основі відомого факту, що свинець практично не розчиняється в міді, через що кількість специфічних вкраплень на поверхні шліфа є прямо пропорційним його вмісту в сплаві розроблено металографічний метод визначення кількості даного елементу в бронзі.

На основі сконструйованого обладнання розроблено метод для здійснення прискорених випробувань антифрикційних матеріалів на поверхневе зношування в умовах тертя ковзання за результатами замірів відбитків, що лишилися.

Розроблено метод фізичного моделювання процесів кристалізації виливків, що не вимагає застосування об'ємних моделей, а, отже, і подальшого виготовлення темплетів та шліфів. Метод дозволяє в результаті керування процесом кристалізації тонкого шару олова, що нанесено на зразок з матеріалу, близького до сплаву, кристалізація якого моделюється, отримати плоскі моделі, що відповідають макроструктурі певних перерізів та поверхонь реальних виливків та литих заготовок, що були отримані в умовах керованої кристалізації.

У третьому розділі розглянуті питання, що пов’язані з отриманням якісних литих заготовок з відходів чистої міді та її сплавів.

Технічне використання міді, передусім, обумовлене її високою електро- і теплопровідністю, а отже, передбачає високий ступінь чистоти металу.

Розроблено спосіб, що дозволяє за допомогою шайби зі щільного графіту, в якій зроблена певна кількість вільно розташованих отворів, здійснювати ефективне рафінування розплаву міді від кисню під час індукційного переплаву, як в вакуумі, так і на відкритому повітрі.

Для подальшого розвитку теоретичних основ отримання високоякісних мідних литих заготовок з наявних відходів, в тому числі – малорозмірних, систематизовано та узагальнено відомості щодо пружності пари основних елементів – домішок у міді при температурі ведення переплаву у вакуумі, їх розчинності у твердій та рідкій міді. Отримано дані про коефіцієнт дифузії домішок в мідному розплаві.

Встановлено кут змочування графітової підложки рідкою міддю та на базі класичної теорії кристалізації показано, що чиста мідь у графітовій формі кристалізується за гомогенним механізмом. Таким чином, макроструктура литого виробу визначається виключно інтенсивністю охолодження під час первинної кристалізації.

Процеси керованої кристалізації литих заготовок після вакуумного переплаву мідних відходів здійснювалися на установках, сконструйованих на базі печі типу ОКБ-860, за двома варіантами. Згідно першому литі заготовки отримували в спеціальних тигель-формах (рис. 2).

Рис. 2. Схема модернізованої вакуумної індукційної печі на базі установки ОКБ-860 та технологічного процесу отримання високоякісних литих заготовок з відходів міді: 1 – індуктор; 2 – алундова труба; 3 – графітова тигель-форма; 4 – водоохолоджуваний мідний піддон; а – загрузка шихти; б – розплавлення; в – вакуумне рафінування розплаву; г – керована кристалізація.

Литі заготовки, отримані з відходів міді в графітових тигель-формах за різними режимами керованої кристалізації, мали щільну рівновісну або спрямовану структуру без усадкових дефектів.

Хімічний аналіз показав, що за допомогою керованої кристалізації в умовах вакуумної переплавки мідних відходів досягається рівень чистоти до 99,99 % Cu.

Зразки міді після вакуумно-індукційного переплаву за міцністю практично не поступалися деформованим зразкам, а за пластичністю перевершували їх вдвічі.

За другим варіантом керованої кристалізації виготовляли безперервнолиті мідні профілі формування яких відбувалося в графітовій вставці, що розташована в мідному водоохолоджуваному кристалізаторі (рис. 3). Отримувана заготовка намотувалася на барабан, розташований або всередині, або поза вакуумною камерою.

Рис. 3. Принципова схема дослідної установки для отримання безперервнолитих профілів в вакуумі: 1 – графітовий тигель; 2 – індуктор; 3 – вставка графітова; 4 – азбестова прокладка; 5 – водоохолоджуваний кристалізатор; 6 – підставка; 7 – станина; 8 – ролик притискний; 9 – ролик ведучій; 10 – механізм витягування; 11 – електродвигун; 12 – намотувальний барабан; 13 – механізм намотування; 14 – заготовка; 15 – запобіжна заслінка; 16 – розплав міді.

Дослідження властивостей отриманих заготовок засвідчило, що питомий електроопір зразків знаходився в межах 1,692·10-8 – 1,704·10-8 Ом·м, що повністю відповідає вимогам, які висуваються до провідникових матеріалів з міді для сучасної електротехнічної та електронної промисловості.

Макроструктура безперервнолитих заготовок була щільною, без дефектів. Напрям росту кристалітів свідчив про те, що формування заготовки відбувалося за наявності плоского фронту кристалізації.

Кут нахилу стовпчастих кристалів залежав від швидкості витягування мідної заготовки. Збільшення швидкості кристалізації призводило до зменшення кута нахилу стовпчастих кристалів. При швидкості витягування більше за 7 м на годину, кут нахилу кристалів ставав меншим за 10о, що призводило до утворення на поверхні стрічки в місцях зміни товщини і в тонких (менше 0,5 мм) її перетинах тріщин і раковин.

Якісні заготовки були одержані при швидкості витягування 5 – 6 м за годину, кут нахилу стовпчастих кристалів складав при цьому 15 – 30о. При менших швидкостях витягування також отримували якісні вироби, але при цьому істотно знижувалася продуктивність установки.

Для оцінки рівня механічних властивостей отриманих профілів провели випробування на перегин. Критерієм стійкості міді проти "водневої хвороби" є кількість перегинів, яку витримає зразок до руйнування. Згідно вимого ГОСТ 13813-60 достатньою для безкисневої міді є здатність зразка типу пластини витримати 10 перегинів. Дослідний зразок стрічки завтовшки 1,2 мм витримав 17, а стрічки завтовшки 0,5 мм – 50 перегинів.

Хімічний аналіз показав, що отримані з відходів безперервнолиті вироби відповідають марці М0б ДСТУ ГОСТ 859:2003 і містять 99,97 % Cu.

Таким чином, литі заготовки, отримані з відходів міді після вакуумного переплаву і керованої кристалізації, відрізнялися щільною спрямовано орієнтованою структурою, за рівнем властивостей і складу відповідали вимогам, що пред'являються до безкисневої міді, за міцністю практично не поступалися деформованим зразкам, а за пластичністю перевершували їх вдвічі.

Безперервнолиті заготовки також були отримані з латуні та бронзи. При цьому, якщо для латуні процес витягування був безперервним, то для бронзи, щоб уникнути обривів заготовки, довелося застосувати циклічне витягування.

Проведеними дослідженнями доведено, що температура розплаву для малорозмірних заготовок з міді повинна бути на рівні 1200 – 1250 оС. При середньому вмісті олова 5 % температура ліквідусу складає 1050 оС. В роботі експериментально встановили, що температура виливка на виході з кристалізатора при витягуванні заготовки з оптимальною швидкістю складає біля 650 оС. На основі відомого співвідношення встановили, що доля твердої фази всередині графітової вставки при цьому складає не менше ніж 80 %, що забезпечує відсутність протікань при отриманні суцільнолитих заготовок.

У якості представника була обрана бронза типу БрО5Ц5С5, яка містить три легуючі додатки: олово, цинк і свинець. Згідно діаграмам стану цинк при вмісту 5 % не утворює крихких інтерметалідних фаз. Свинець взагалі практично не розчинюється у твердій міді і утворює глобулярні частинки. Олово утворює з міддю декілька інтерметалідних поєднань, серед яких є досить крихкі. Тому у даній роботі, в першу чергу, розглядали вплив олова на особливості безперервного лиття стрічкових заготовок із бронзи.

У випадку малорозмірних заготовок у вигляді стрічок інтегральний фронт кристалізації наближається до плоского. При цьому, поблизу твердої фази розплав збагачується легуючими елементами – оловом, цинком і свинцем, що входять до складу бронзи.

При безперервному литті глибина рідкої ванни набагато перевищує поперечний переріз заготовки. Тому для визначення концентрації легуючого елементу поблизу фронту кристалізації можна застосувати рівняння Іванцова Г.П.:

,        (3)

де СР – концентрація елементу поблизу фронту кристалізації, %;

С0 – середня концентрація елементу у розплаві, %;

К0 – рівноважний коефіцієнт розподілу;

R – швидкість кристалізації, см/с;

Х – відстань від фронту кристалізації, см;

DР – коефіцієнт дифузії легуючого елемента у розплаві, см2/с.

Рівноважний коефіцієнт розподілу легуючого елементу К0 дорівнює відношенню граничної розчинності легуючого елементу у твердій та рідкій фазі. Згідно до діаграми стану Cu – Sn максимальна розчинність олова при температурі 800 оС дорівнює 13,5 %. Відповідно, К0 при цій концентрації складає 0,27.

На рис. 4. наведено отриманий згідно останньої формули розподіл концентрації олова поблизу фронту кристалізації для різних швидкостей кристалізації R. На відстані Х в розплаві переважає дифузійний масообмін. Максимальна концентрація олова на фронті кристалізації досягає 18,44 %.

Рис. 4. Розподіл концентрації олова поблизу фронту кристалізації:

X – зона дифузійного массообміну за відповідної швидкості кристалізації R.

Існують літературні дані про те, що, за умов вмісту олова більше, ніж 6 %, в структурі бронзи поряд із α-розчином утворюється крихка інтерметалідна фаза, згідно до двухкомпонентної діаграми стану Cu – Sn, це є β-фаза (Cu5Sn).

Згідно термокінетичним розрахункам міжфазний натяг між розплавом бронзи та β-фазою дорівнює 47,27 МДж/м2, критичний радіус зародка – r* = 2,5∙10–7 см, що цілком відповідає умовам утворення інтерметалідної фази і доводить можливість утворення β-фази (Cu5Sn) при кристалізації бронзи в процесі безперервного лиття. Це може призвести до виникнення дефектів і навіть обриву литої заготовки.

Зростання концентрації олова на фронті кристалізації відбувається не миттєво, для цього потрібен деякий час. У формоутворюючій графітовій вставці масоперенос здійснюється, переважно, за рахунок дифузійних процесів на відстані Х. Довжина зони дифузійного масообміну Х залежить від швидкості кристалізації R.

В табл. 1 наведений час формування підвищеної концентрації олова на фронті кристалізації при швидкості кристалізації 0,1 см/с.

Час формування підвищеної концентрації олова на фронті кристалізації дорівнює максимальному часу безперервного витягування заготовки, після чого треба зупинити витягування на деякий час для зниження концентрації олова до середньої у бронзі (5 %), щоб запобігти утворенню на фронті кристалізації значної кількості крихкої фази і руйнації литої заготовки.

Після зупинки витягування починається процес гомогенізації, коли концентрація олова в кожній точці рідкої фази прямує до постійного значення (5 %), за якого розплав набуває рівномірного хімічного складу. Розрахований час гомогенізації в зоні дифузійного масообміну наведено в табл. 1.

Отримані результати термокінетичних розрахунків були використані при відпрацюванні технологічного процесу одержання безперервнолитої бронзової заготовки на розробленій для цього установці.

Таблиця 1

Час формування підвищеної концентрації олова на фронті кристалізації

Довжина зони дифузійного масообміну Х, см

Час формування підвищеної концентрації

олова, с

Час гомогенізації концентрації олова в зоні дифузійного масообміну, с

2∙10–3

0,12

0,06

3∙10–3

0,28

0,19

4∙10–3

0,50

0,26

5∙10–3

0,77

0,40

6∙10–3

1,11

0,57

7∙10–3

1,52

0,78

8∙10–3

1,98

1,02

9∙10–3

2,51

1,29

1∙10–2

3,10

1,59

2∙10–2

12,38

6,38

3∙10–2

27,86

14,36

4∙10–2

49,54

25,53

5∙10–2

77,40

39,90

Провели дослідні плавки по виготовленню суцільнолитих заготовок з бронзи БрО5Ц5С5 із застосуванням двох режимів витягування: безперервно та з періодичними зупинками.

На початку безперервного витягування заготовки дефектів не спостерігалося. Але через 20 секунд на одній із сторін стрічки почали утворюватись дефекти у вигляді рванин, які швидко поширювались. Ще через 30 секунд стрічка обірвалася. Таким чином, виходячи з даних, наведених в табл. 1, для отримання якісних заготовок для підшипників ковзання, що не вимагають подальшої механічної обробки, необхідно забезпечити довжину зони дифузійного масообміну меншою за 2∙10–2 см (див. виділений фрагмент таблиці), тобто тривалість безперервного витягування має бути не більшою 2 – 3 секунд.

При дослідженні за допомогою растрового електронного мікроскопа були виявлені малорельєфні темні зони, які можна розглядати як центри крихкої руйнації (рис. 5). Згідно результатам рентгеноспектрального мікроаналізу, в цій зоні вміст свинцю та цинку знаходився в межах марочного складу, вміст олова перебільшував марочний майже вдвічі. Це підтверджує наявність на поверхні руйнації крихкої інтерметалідної β-фази.

Рис. 5. Мікроструктура поверхні руйнації заготовки з бронзи БрО5Ц5С5:

1 – точка руйнації.

За другим варіантом заготовка витягувалася протягом двох секунд після чого процес зупиняли на одну секунду. В результаті була отримана заготовка, що відповідала специфічним вимогам за макроструктурою та якістю поверхні, пов’язаним з наступними умовами її використання.

Таким чином, встановлено, що причиною виникнення дефектів при безперервному литті заготовок з олов’яних бронз типу БрО5Ц5С5 є одночасне утворення поблизу фронту кристалізації глобулярних частинок рідкого свинцю, який практично не розчиняється в рідкій міді, та крихкої інтерметалідної β-фази (Cu5Sn).

Встановлено, що необхідною умовою отримання якісної бронзової заготовки для підшипників ковзання є витягування за режимом, яким передбачено, періодичні зупинки для гомогенізації рідкої фази поблизу фронту кристалізації.

За результатами проведеного комплексу досліджень та термокінетичних розрахунків (див. табл. 1) визначено, що оптимальна тривалість періодів витягування при безперервному литті заготовок з бронзи типу БрО5Ц5С5 складає 2 – 3 секунди, а необхідних зупинок – не менше, ніж 1 секунда.

За допомогою розробленого пристрою для експрес-оцінювання ступеня зношування антифрикційних матеріалів показано, що отримані за розробленою технологією суцільнолиті зразки бронзи БрО5Ц5С5, що характеризуються низьким рівнем твердості та орієнтованою вздовж напряму зношування макроструктурою, за стійкістю до лінійного поверхневого зношування перевершують деформовані, що традиційно використовуються при виготовленні підшипників ковзання. Показано, що зменшення вмісту свинцю в бронзі для підвищення ливарної технологічності є недоцільним, оскільки призводить до зменшення її зносостійкості.

У четвертому розділі досліджено отримання якісних виливків з жароміцних нікелевих сплавів з використанням власного технологічного вороття в умовах керованої кристалізації.

Статистичним аналізом виробничих даних встановлено, що основною причиною відбраковування є невідповідність виливків вимогам, що висуваються до їх макроструктури. В роботі встановлено, що причиною цього є зниження теплопровідності рідкометалевого кристалізатора через його забруднення під час експлуатації.

Жароміцні нікелеві сплави, що використовуються в сучасному авіаційному двигунобудуванні, експлуатуються в жорстких умовах та відрізняються складною системою легування і є дуже коштовними матеріалами. Виливки з них отримують порціонним вакуумним переплавом готового робочого сплаву, в процесі чого більшість легуючих елементів з їх складу піддається вигару, пропорційному температурі нагріву розплаву та терміну витримки в даних умовах, що неодмінно впливає на властивості матеріалу у разі використання технологічних відходів.

Ще однією задачею, яку необхідно вирішити в зазначеному випадку, є забезпечення однорідності розплаву перед початком процесу кристалізації, для чого може бути використано відомий метод термочасової обробки. З літератури та власних досліджень відомо, що в результаті термочасової обробки суттєво знижується структурна неоднорідність рідкого металу, що призводить до його суттєвого переохолодження відносно ліквідусу при кристалізації та, як результат, до суттєвого подрібнення структурних складових. Однак, під час витримки металу при високій температурі, навіть під захисною атмосферою аргону також відбувається вигар більшості легуючих елементів. Особливо, вигорають алюміній, реній та вуглець.

Дослідили зразки зі спрямованою макроструктурою з жароміцних нікелевих сплавів, які було отримано на установках типу УВНК-8П. Шихта при цьому складалась з 50 % свіжого робочого сплаву та 50 % технологічного вороття, а також зі 100 % технологічного вороття після попередньої термочасової обробки, яку проводили в вакуумній печі типу УППФ-3М під захисною атмосферою аргону з тиском 1·10-4 Па.

Зразки були щільними без явних усадкових дефектів. Макроструктура поверхні зразків складалася з 4 – 6 стовбчастих кристалів.

Середні показники механічних властивостей при кімнатній температурі та тривалої міцності при 975 оС зразків, що були отримані з 50 % свіжого робочого сплаву та 50 % технологічного вороття, відповідали рівню вимог технічних умов.

Хімічний аналіз зразків, що були отримані зі 100 % технологічного вороття після попередньої термочасової обробки розплаву показав, що через вигар вміст окремих легуючих елементів зменшився нижче рівня, припустимого згідно до вимог ТУ 1-92.177-91. Найбільше піддавались вигару вуглець, алюміній, хром та реній. На рівні вимог ТУ лишався вміст молібдену, кобальту, танталу, ніобію та вольфраму.

Середня міцність матеріалу цих зразків, при кімнатній температурі, а також тривала міцність при 1000 оС були декілька нижчими за вимоги ТУ. Одночасно пластичність цього матеріалу перевищувала означені вимоги приблизно в три рази.

Як відомо, саме пластичність є показником ступеню чистоти та однорідності основи ливарного сплаву, а також рівня комплексу фізико-механічних властивостей, що може бути принципово досягнуто. Рівень міцності матеріалу може бути підвищений до необхідного додатковим легуванням жароміцного сплаву.

Металографічний аналіз нетравлених та травлених реактивом Марбле шліфів (рис. 6) показав, що в зразках, що були виплавлені зі 100 % технологічного вороття після попередньої термочасової обробки у порівнянні з отриманими зі свіжої шихти значно зменшились кількість та розміри евтектичних карбідів, що свідчить про суттєвий вигар вуглецю. Тип та морфологія карбідів залишилися практично незмінними. Одночасно збільшилися кількість та розміри евтектичної γ+γ΄-фази. Вочевидь, до неї перейшла частина тих карбідоутворюючих елементів, що вивільнилися.

Рис. 6. Структурні складові зразків зі спрямованою макроструктурою жароміцного нікелевого сплаву ЖС-32ВІ, що були виплавлені на свіжій шихті (а), та зі 100 % технологічного вороття після попередньої термочасоваї обробки (б) × 200.

З жароміцних нікелевих сплавів часто виготовляють виливки із внутрішніми порожнинами, тобто із використанням внутрішніх стержнів, тому окреме питання складає їх поведінка в умовах утрудненої усадки. З метою вивчення впливу спрямованої кристалізації на тріщиностійкість жароміцних нікелевих сплавів дослідили якісні показники тонкостінних зразків із внутрішнім стрижнем з матеріалу, що характеризується практично нульовою податливістю (алунду), отриманих в результаті керованої рівновісної та спрямованої кристалізації.

На зразках з рівновісною макроструктурою було виявлено гарячі тріщини з окисленими краями, що проходили по межам окремих макрокристалів. Встановлено, що зародження цих тріщин відбувалося по карбідному каркасу перпендикулярно поверхні зразка (рис. 7).

Рис. 7. Гарячі тріщини в зразках після рівовісної кристалізації (а) та бездефектний зразок після високошвидкісної спрямованої кристалізації (б).

На зразках зі спрямованою макроструктурою окремі поздовжні гарячі тріщини спостерігалися лише по межам "паразитних" кристалів, виникнення яких обумовлено порушенням умов кристалізації. На зразках із монокристалічною макроструктурою гарячих тріщин виявлено не було.

Дослідження показали, що спрямована кристалізація зразків, у порівнянні з рівновісною, призводила до більшої однорідності хімічного складу металу, суттєвого подрібнення його дендритної структури та помітного підвищення мікротвердості всіх структурних складових жароміцного нікелевого сплаву.

Таким чином, показано можливість отримувати якісні виливки з жароміцних нікелевих сплавів із використанням в шихті до 100 % технологічного вороття при застосуванні попередньої термочасової обробки розплаву в комплексі з додатковим легуванням елементами, що піддані суттєвому вигару під час витримки при високих температурах в вакуумі, та подальшої високошвидкісної спрямованої кристалізації.

У п’ятому розділі розглянуто алюміній як основний елемент здійснення технологічного процесу високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків із жароміцних нікелевих сплавів на установках типу УВНК-8П – матеріал рідкометалевого кристалізатора. До розплавів металів, що можуть бути використані в якості рідкометалевого кристалізатора, висувається ряд специфічних вимог. У виробничих умовах у цій якості, зазвичай, використовують алюміній.

Головною теплофізичною властивістю алюмінію як матеріалу рідкометалевого кристалізатора є теплопровідність. Як відомо, теплопровідність алюмінію є однією з найвищих серед металічних матеріалів. Результати мікроаналізу показали, що під час експлуатації при здійснені процесу високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків із жароміцних нікелевих сплавів алюмінієвий рідкометалевий кристалізатор в наслідок взаємодії з матеріалом керамічної ливарної форми, обмазкою ванни і матеріалом самої ванни кристалізатора, вуглецевим матеріалом, що обсипається з нагрівачів, і жароміцним нікелевим сплавом, що непередбачено потрапив в нього, неминуче забруднюється кремнієм, залізом, вуглецем, нікелем, кобальтом і іншими компонентами робочого сплаву, що призводить до зниження його теплопровідності. Тому необхідно періодично здійснювати контроль цього параметру, щоб мати змогу своєчасно замінити забруднений рідкометалевий кристалізатор на свіжий алюміній і запобігти порушенню необхідних теплових умов спрямованої кристалізації.

За допомогою розробленої установки вивчили змінення теплопровідності алюмінію – матеріалу рідкометалевого кристалізатора після різної кількості проведених плавок на установці типу УВНК-8П при температурах 100, 200, 300 та 400 оС. Зразки для вимірювання були виготовлені з матеріалу, що було відібрано від ванни рідкометалевого кристалізатора через кожні три до 39 плавок.

Встановлено, що в процесі перших 15 плавок теплопровідність матеріалу рідкометалевого кристалізатора в твердому стані знижується приблизно в 2 рази.

Регресійний аналіз отриманих результатів показав, що зниження теплопровідністі алюмінію λ при означених температурах зі збільшенням кількості циклів проведених плавок  n відбувається за степеневими залежностями із коефіцієнтами кореляції від –0,97 до –0,98:

;         (4)

;         (5)

;         (6)

.         (7)

Отримано залежності теплопровідності зразків алюмінію після певної кількості плавок від температури. Апроксимацією визначено коефіцієнти теплопровідності алюмінію в твердому стані, що відповідають температурі його плавлення.

Найбільше практичне значення з точки зору високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків із жароміцних нікелевих сплавів має теплопровідність рідкометалевого кристалізатора при температурах, до яких він реально розігрівається під час здійснення процесу.

Оскільки експериментальне визначення теплопровідності рідкого металу є дуже складною задачею, було застосовано непрямий метод її оцінки за електропровідністю при відповідній температурі. На основі закону Відемана – Франца і Лоренца з використанням літературних даних по електропровідності та теплопровідності алюмінієвих сплавів, що були близькі до досліджуваних за показниками теплопровідності та відомого факту, що електропровідність алюмінію при плавленні знижується в 2,2 рази було отримано формулу для визначення теплопровідності алюмінію λ рідкометалевого кристалізатора при різних температурах t в розплавленому стані:

,       (8)

де χ660 – отримана в роботі електропровідність твердого алюмінію при температурі 660 оС після певної кількості плавок n в твердому стані, м/(Ом·мм2).

Результати розрахунків наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Теплопровідність алюмінію рідкометалевого кристалізатора у розплавленому стані при різній температурі після різної кількості плавок

Кількість плавок,  n

Теплопровідність λ, Вт/(м·К), при температурі, оС

700

800

900

1000

1100

1200

3

69,2

65,7

62,5

59,6

57,1

54,7

6

59,8

56,8

54,1

51,6

49,4

47,4

9

54,3

51,6

49,2

47,0

45,0

43,2

12

50,4

47,9

45,7

43,6

41,8

40,1

15

47,4

45,0

42,9

41,1

39,3

37,8

18

44,9

42,7

40,7

38,9

37,3

35,9

21

42,8

40,7

38,8

37,1

35,6

34,2

24

41,0

39,0

37,2

35,6

34,2

32,8

27

39,4

37,5

35,8

34,2

32,9

31,6

30

38,0

36,1

34,5

33,0

31,7

30,5

33

36,7

34,9

33,3

31,9

30,6

29,5

36

35,5

33,8

32,3

31,0

29,7

28,6

39

34,4

32,8

31,3

30,0

28,2

27,7

За допомогою розробленого прискореного методу і приладу показано можливість оцінювання ступеню забрудненості, а отже і зниження теплопровідності, матеріалу рідкометалевого кристалізатора за зміненням коефіцієнту віддзеркалювання виготовлених з нього шліфів.

За допомогою розробленого методу і приладу досліджено змінення температур ліквідус та солідус алюмінію рідкометалевого кристалізатора в процесі його експлуатації. Встановлений досить чіткий зв’язок між цими параметрами та теплопровідністю рідкометалевого кристалізатора при температурах експлуатації (рис. 8) дозволяє рекомендувати у виробничих умовах здійснювати контроль ступеню забрудненості його матеріалу за температурним інтервалом кристалізації.

Рис. 8. Взаємозв’язок між температурою солідус та теплопровідністю алюмінію рідкометалевого кристалізатора при 900 оС.

За результатами проведених досліджень припустимий строк експлуатації алюмінію рідкометалевого кристалізатора при отриманні відливків із жароміцних нікелевих сплавів на установках типу УВНК-8П складає не більше, ніж 12 циклів. При цьому, його теплопровідність в рідкому стані при 900 оС має складати не менше, ніж 40 Вт/(м·К), чому відповідають: коефіцієнт віддзеркалювання зразків алюмінію не менше, ніж 94,5 %, температура ліквідусу – не нижче, ніж 655 оС, і солідусу – ніж 645 оС.

В умовах ВАТ "Мотор – Січ" впроваджено оперативний контроль теплопровідності рідкометалевого кристалізатора за діапазоном температур його твердіння. Очікуваний річний економічний ефект згідно стану на 2009 р. складає 891500 грн. (акт від 05.11.2009 р.).

Ефективність та перспективність розроблених методів контролю теплопровідності матеріалу рідкометалевого кристалізатора за зміненням коефіцієнту віддзеркалювання поверхні та діапазону температур твердіння підтверджено випробуваннями на ДП "Івченко – Прогрес". Розробником авіадвигунів їх рекомендовано для широкого застосування на підприємствах авіаційного та енергетичного машинобудування як в Україні, так і за її межами. (акт від 12.07.2010 р.).

Результати проведених досліджень зміни структури, теплофізичних та фізико-механічних властивостей алюмінію в наслідок його забруднення дозволяють також прогнозувати поведінку ливарних сплавів на його основі в процесі формування виливків, при використанні металу після багаторазових переплавів.

У шостому розділі розглянуто фізичне моделювання кристалізації згідно розробленій методиці на зібраній установці як спосіб прогнозування результатів лиття, отриманого в результаті керованої кристалізації для прискорення та здешевлення розробки нових та вдосконалення існуючих технологічних процесів отримання виливків із заданою макроструктурою.

В якості основи для зразків використовували металеві смуги довжиною 200 мм, шириною 20 мм і товщиною 2 мм, що були виготовлені з міді та ніхрому.

Проведені дослідження особливостей теплопередачі при фізичному моделюванні довели можливість управління тепловими потоками, що визначають умови утворення двовимірних кристалів олова, за рахунок зміни матеріалу основи зразка, швидкості його пересування відносно нагрівача та кристалізатора та інтенсивності відведення тепла від кристалізатора (рис. 9).

Рис. 9. Схема теплових потоків під час фізичного моделювання процесів кристалізації: 1 – нагрівач; 2 – зразок; 3 – кристалізатор.

Провели експерименти по моделюванню реальних процесів керованої кристалізації та отримали на зразках в тонкому шарі олова картини, що відповідають макроструктурі певних перерізів та поверхонь реальних тривимірних виливків з мідних та нікелевих сплавів (рис. 10).

Спрямована кристалізація

а

Рівновісна кристалізація

б

Рис. 10. Фізичне моделювання керованої кристалізації виливків з жароміцних нікелевих сплавів: а – лопатка з жароміцного нікелевого сплаву; б – модель на основі ніхрому.

Це дозволило встановити якісні тенденції змінення макроструктури тонкого шару олова, що формується під впливом керованих теплових потоків, які є відповідними формуванню макроструктури певних перерізів або поверхонь тривимірних литих виробів з матеріалу, подібного до матеріалу пластини в умовах керованої кристалізації.

висновкИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення важливої науково-практичної проблеми, що виявляється у розвитку теоретичних основ та виробничих засобів здійснення ливарних процесів отримання виливків з мідних та нікелевих сплавів, до яких відповідно умовам їх наступної експлуатації висуваються специфічні вимоги та прогнозування отриманих результатів шляхом керованої кристалізації при неодноразовому використанні матеріалів із забезпеченням якості литих виробів.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити ряд основних висновків:

1. Аналіз технічної літератури та сучасного стану спеціальних методів лиття показав, що роботи, присвячені розвиненню теоретичних основ та практичних методів отримання якісних виливків та литих заготовок в умовах керованої кристалізації з багаторазовим використанням матеріалів, є актуальними.

2. Для одержання достовірних даних про теплофізичні властивості та інші якісні показники досліджуваних матеріалів розроблено нові методики досліджень та створено відповідне устаткування для прямого вимірювання теплопровідності металів і сплавів; для контролю теплопровідності рідкометалевого кристалізатора по коефіцієнту віддзеркалення і по температурному інтервалу твердіння; металографічний метод визначення вмісту свинцю в бронзі, прискорений метод випробування антифрикційних матеріалів на зношування, пристрій і спосіб фізичного моделювання кристалізації виливків.

3. Показано, що вакуумний переплав у комплексі зі спрямованою кристалізацією відходів міді забезпечує їх рафінування за рахунок випаровування домішок з розплаву у вакуумі при температурі 1200 – 1250 оС та їх відтиснення в процесі спрямованої кристалізації. При цьому отриманий метал досягає рівня чистоти до 99,99 % Cu, та відповідає марці М0б згідно вимог ДСТУ ГОСТ 859:2003.

За використанням класичної теорії термодинаміки доведено, що чиста мідь в графітовій формі кристалізується за гомогенним механізмом, отже єдиним засобом регулювання розміру та форми зерна у відливці є керований вплив на процеси її первинної кристалізації. Інтенсивне гомогенне утворення центрів кристалізації відбувається вже при незначному переохолодженні розплаву (порядку 3,4 К).

Розроблено технології та створено обладнання для отримання якісних литих заготовок, в тому числі – суцільнолитих із заданою макроструктурою.

4. Визначено, що для отримання якісних суцільнолитих заготовок з олов’яної бронзи типу БрО5Ц5С5 необхідно застосовувати циклічне витягування. Максимальна припустима тривалість періоду безперервного витягування складає не більше, ніж 2 – 3 секунди, а необхідна зупинка для вирівнювання хімічного складу розплаву біля фронту кристалізації має тривати не менше, ніж 1 секунду. В іншому випадку, в структурі бронзи одночасно утворюються крихка інтерметалідна β-фаза (Cu5Sn), та включення рідкого чистого свинцю, що призводить до появи поверхневих дефектів та обриву заготовки.

За допомогою розробленого пристрою для експрес-оцінювання ступеня зношування антифрикційних матеріалів показано, що отримані за розробленою технологією суцільнолиті зразки бронзи БрО5Ц5С5, що характеризуються низьким рівнем твердості та орієнтованою вздовж напряму зношування макроструктурою, за стійкістю до лінійного поверхневого зношування перевершують деформовані, що традиційно використовуються при виготовленні підшипників ковзання.

5. Показано, що основною причиною відбракування виливків із жароміцних нікелевих сплавів (більше ніж половина проаналізованих випадків), що були отримані в процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації, є їх невідповідність вимогам нормативних документів за макроструктурою. Основним напрямом підвищення виходу придатних виливків є постійний контроль та оперативне корегування властивостей рідкометалевого кристалізатора, що забезпечує наявність в системі "матеріал виливка – ливарна форма – охолоджуюче середовище" необхідних для коректного протікання технологічного процесу спрямованої кристалізації температурних градієнтів.

Проведені дослідження дозволяють зробити висновок, що оптимальний термін служби рідкометалевого кристалізатора складає не більше ніж 12 плавок.

6. Показано, що попередня термочасова обробка розплаву і високошвидкісна спрямована кристалізація жароміцних нікелевих сплавів дозволяють, навіть за умов використання в шихті 100 % технологічного вороття, отримувати щільні виливки, що характеризуються рівномірним хімічним складом, орієнтованою структурою та високим запасом пластичності.

Деяке зниження рівня міцності пояснюється вигаром легуючих елементів в процесі неодноразових переплавів і може бути виправлене за рахунок додаткового легування сплавів.

Спрямована кристалізація, порівняно з рівновісною, забезпечує значно більшу однорідність структури, що забезпечує підвищення комплексу фізико-механічних властивостей та стійкості нікелевих сплавів до утворення тріщин.

7. Встановлено причини і закономірності забруднення матеріалу рідкометалевого кристалізатора при отриманні виливків із жароміцних нікелевих сплавів в печах вакуумної порціонної плавки. Мікроаналізом показано, що в наслідок взаємодії з матеріалом керамічної ливарної форми, обмазкою ванни і матеріалом самої ванни кристалізатора, вуглецевим матеріалом, що обсипається, і жароміцним нікелевим сплавом, що непередбачено потрапив в нього, алюміній забруднюється кремнієм, залізом, вуглецем, нікелем, кобальтом і іншими компонентами робочого сплаву. Показано що це забруднення є неминучим і тому необхідно проводити оперативний контроль теплопровідності матеріалу рідкометалевого кристалізатора, його своєчасне чищення, часткове освіження або цілковиту заміну.

За допомогою розробленої методики і установки встановлено, що теплопровідність матеріалу рідкометалевого кристалізатора в твердому стані в процесі перших 15 плавок знижується приблизно в 2 рази. Встановлено температурні залежності теплопровідності зразків алюмінію після певної кількості плавок.

Отримані розробленим методом розрахунково-експериментальні дані про коефіцієнт теплопровідності рідкого алюмінію дозволяють зробити висновок, що для коректного протікання технологічного процесу високошвидкісної спрямованої кристалізації виливків з жароміцних сплавів в печах вакуумної порціонної плавки необхідно забезпечити теплопровідність матеріалу рідкометалевого кристалізатора при робочій температурі на рівні не менше ніж 40 Вт/(м·К).

Розроблено методи оперативного контролю ступеню забрудненості, а отже і рівня теплофізичних властивостей рідкометалевого кристалізатора за коефіцієнтом віддзеркалення і за температурним інтервалом кристалізації його матеріалу – алюмінію. Встановлено, що для матеріалу рідкометалевого кристалізатора зниження коефіцієнту віддзеркалювання зразків менше, ніж 94,5 %, температури ліквідусу нижче 655 оС, і солідусу – нижче 645 оС свідчить про критичний ступінь його забрудненості і термінову необхідність проведення чищення, часткового освіження або цілковитої заміни на свіжий алюміній.

Впровадження методики контролю теплопровідності рідкометалевого кристалізатора при вакуумному виготовленні виливків з жароміцних нікелевих сплавів на установках типу УВНК-8П в умовах ВАТ "Мотор – Січ" станом на 2009 р. дає річний економічний ефект в розмірі 891500 грн. (акт від 05.11.2009 р.).

Ефективність та перспективність розроблених методів підтверджено випробуваннями на ДП "Івченко – Прогрес". Розробником авіадвигунів їх рекомендовано для широкого застосування на підприємствах авіаційного та енергетичного машинобудування, як на Україні, так і за її межами (акт від 12.07.2010 р.).

8. Показано, що фізичне моделювання процесів кристалізації виливків з використанням плоских моделей за допомогою розробленого методу та сконструйованого обладнання дозволяє істотно скоротити час на відпрацьовування нових та вдосконалення існуючих технологічних процесів, які забезпечують отримання якісних виливків і литих заготовок із заданою макроструктурою.

Розроблений метод фізичного моделювання кристалізації виливків і сконструйована установка для його здійснення впроваджені в учбовий процес кафедри "Машини і технологія ливарного виробництва" Запорізького національного технічного університету (акт від 15.04.2010 р.).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ викладено в публікаціях:

1. Клочихин В.В. Свойства жаропрочных никелевых сплавов после ВТОР / Клочихин В.В., Жеманюк П.Д., Цивирко Э.И., Наумик В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2000. – № 1. – С. 41 – 46.

2. Цивірко Е.І. Об`ємна та спрямована кристалізація нікелевих сплавів / Е.І. Цивірко, В.В. Клочихін, О.Г. Коломойцев, В.В. Наумик // Металознавство та обробка металів. – 2000. – № 3. – С. 5 – 11.

3. Цивирко Э.И. Процессы кристаллизации, структура и свойства отливок из никелевых жаропрочных сплавов / Э.И. Цивирко, П.Д. Жеманюк, В.В. Клочихин, В.В. Наумик, В.В. Лунёв // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2001. – № 10. – С. 13 – 17.

4. Бялик Г.А. Металлографический метод определения содержания свинца в свинцовистых бронзах / Бялик Г.А., Наумик В.В., Пархоменко А.В., Адамчук С.И. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2002. – № 2. – С. 60 – 61.

5. Наумик В.В. Определение теплопроводности литых металлов и сплавов / Наумик В.В., Бялик Г.А., Лунёв В.В. // Електротехніка та електроенергетика. – 2003. – № 1. – С. 38 – 40.

6. Кудин В.В. Влияние модификаторов на склонность жаропрочного сплава к образованию ТПУ фаз / Кудин В.В., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Лысенко Н.А., Жеманюк П.Д. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2003. – № 2. – С. 20 – 25.

7. Луньов В.В. Безперервне лиття в вакуумі прецизійних заготовок з міді та її сплавів / Луньов В.В., Бялік Г.А., Пархоменко А.В., Наумик В.В. // Теория и практика металлургии. – 2003. – № 4. – С. 26 – 29.

8. Наумик В.В. Методика контроля теплопроводности металлических материалов для энергетических установок / Наумик В.В., Бялик Г.А., Лунёв В.В. // Вісник двигунобудування. – 2004. – № 4. – С.111 – 114.

9. Бялик Г.А. Рациональная ресурсосберегающая технология получения высококачественных слитков из отходов меди. / Г.А.Бялик, В.В. Наумик, С.И. Адамчук, В.В. Лунёв // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2005. – № 1. – С. 104 – 111.

10. Наумик В.В. Изменение теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при вакуумном литье жаропрочных сплавов / Наумик В.В. // Проблеми трибології. – 2006. – № 1. – С.31 – 35.

11. Наумик В.В. Вплив коефіцієнту теплопровідності на формування структури металу при зварюванні і литті / Наумик В.В. // Зносостійкість сплавів, відновлення та зміцнення деталей машин: Наукове видання / [Бережний С.П., Бриков М.М., Бриков М.М. та ін.]; за загальною редакцією Попова В.С. – Запоріжжя: Вид-во ВАТ "Мотор – Січ", 2006. – С. 229 – 235.

12. Наумик В.В. Процессы кристаллизации и теплофизические свойства материалов, применяемых при производстве отливок и слитков в вакууме / Наумик В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2006. – № 2. – С. 32 – 34.

13. Наумик В.В. Упрощённый метод контроля загрязнённости жидкометаллического кристаллизатора / Наумик В.В., Бялик Г.А. // Вісник двигунобудування. – 2006. – № 4. – С. 123 – 125.

14. Наумик В.В. Физическое моделирование процессов кристаллизации отливок и слитков / Наумик В.В. // Восточно – Европейский журнал передовых технологий. – 2006. – № 6. – С. 34 – 38.

15. Наумик В.В. Контроль теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора по коэффициенту отражения / Наумик В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2007. – № 2. – С. 29 – 32.

16. Наумик В.В. Влияние кратности переплава на основные свойства алюминиевых литейных сплавов / Наумик В.В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – № 5. – С. 48 – 52.

17. Наумик В.В. Разработка рациональной экологически безопасной технологии переработки отходов меди и сплавов на её основе. / Наумик В.В., Бялик Г.А., Адамчук С.И., Лунёв В.В. // Теория и практика металлургии. – 2007. – № 6 – С. 13 – 21.

18. Наумик В.В. Изменение температур затвердевания жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации / Наумик В.В. // Вісник двигунобудування. – 2008. – № 1. – С. 91 – 95.

19. Наумик В.В. Перспективы использования возврата при получении качественных отливок с управляемой кристаллизацией / Наумик В.В., Цивирко Э.И., Лунёв В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2008. – № 1. – С. 37 – 43.

20. Наумик В.В. Ускоренный метод испытания антифрикционных материалов на износ / Наумик В.В., Бялик Г.А. // Вісник двигунобудування. – 2008. – № 2. – С. 125 – 127.

21. Наумик В.В. Получение качественных отливок и слитков из некоторых цветных металлов и сплавов при кратном использовании материалов в условиях управляемой кристаллизации / Наумик В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2008. – № 2. – С. 50 – 54.

22. Наумик В.В. Выбор оптимальной технологии изготовления антифрикционных материалов // Наумик В.В., Бялик Г.А. // Вісник донбаської державної машинобудівної академії. – 2009. – № 1 – С. 232 – 235.

23. Наумик В.В. Загрязнение жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации / Наумик В.В. // Вісник двигунобудування. – 2009. – № 2. – С. 73 – 75.

24. Наумик В.В. Одержання заготівок для вкладишів підшипників ковзання із олов’янистої бронзи методом безперервного лиття / Наумик В.В., Бялік Г.А., Адамчук С.І., Самойлов В.Є. // Вісник донбаської державної машинобудівної академії. – 2010. – № 3. – С. 202 – 207.

25. Наумик В.В. Получение качественных отливок методом высокоскоростной направленной кристаллизации на установках типа УВНК-8П. / В.В. Наумик // Вісник двигунобудування. – 2010. – № 1. – С. 104 – 107.

26. Наумик В.В. Разработка оптимального режима прерывистой вытяжки при получении качественных цельнолитых заготовок из оловянной бронзы / Наумик В.В. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2010. – № 1. – С. 99 – 103.

27. Деклараційний патент 4291 Україна, МПК G 01 N 25/18 Пристрій для визначення теплопровідності зразка матеріалу / Наумик В.В., Бялік Г.А., Луньов В.В.; заявник та власник патенту Запорізький національний технічний університет – № 20040402824; заявл. 16.04.04; видано 17.01.05, Бюл. № 1.

28. Патент на корисну модель 22375 Україна, МПК С 30 В 21/00 С 30 В 35/00 Спосіб фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів / Наумик В.В., Бялік Г.А., Луньов В.В.; заявник та власник патенту Запорізький національний технічний університет – № u200611455; заявл. 31.10.06; видано 25.04.07, Бюл. № 5.

29. Патент на корисну модель 22376 Україна, МПК С 30 В 21/00 С 30 В 35/00 Пристрій для фізичного моделювання процесів кристалізації виливків і зливків металів та сплавів / Наумик В.В., Бялік Г.А., Луньов В.В.; заявник та власник патенту Запорізький національний технічний університет – № u200611456; заявл. 31.10.06; видано 25.04.07, Бюл. № 5.

30. Патент на корисну модель 24175 Україна, МПК С 22 В 9/04 Спосіб рафінування розплаву брухту міді / Адамчук С.І., Бялік Г.А., Луньов В.В., Наумик В.В., Омельченко О.В.; заявник та власник патенту Запорізький національний технічний університет – № u200700157; заявл. 05.01.07; видано 25.06.07, Бюл. № 9.

31. Долгов Б.В. Качество отливок из жаропрочных сплавов после высокоскоростной направленной кристаллизации / Долгов Б.В., Наумик В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И. // Пути повышения качества и экологичности литейных процессов: Материалы конференции, 20 – 22 мая 1998 г.; под ред. Л.А. Ивановой. – Одесса: ОГПУ, 1998. – С. 84 – 86.

32. Долгов Б.В. Структура и свойства отливок, полученных с использованием возврата жаропрочных сплавов и направленной кристаллизации / Б.В. Долгов, Н.А. Лысенко, В.В. Наумик, Э.И. Цивирко // Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Збірник наукових праць ЗДТУ. 29 вересня – 1 жовтня 1998 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. – С. 83 – 84.

33. Клочихин В.В. Трещиноустойчивость отливок из жаропрочных никелевых сплавов / Клочихин В.В., Коломойцев А.Г., Бялік Г.А., Наумик В.В. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 24 – 26.

34. Наумик В.В. Взаимодействие жидкометаллического кристаллизатора с материалом керамической формы и обмазкой кристаллизатора при высокоскоростной направленной кристаллизации / Наумик В.В., Бялик Г.А., Пирожкова В.П. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 31 – 32.

35. Бялик Г.А. Зависимость электрических параметров от кристаллографической ориентации монокристаллических лопаток ГТД / Бялик Г.А., Гонтаренко В.И., Наумик В.В., Пархоменко А.В. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 33 – 34.

36. Клочихин В.В. Рафинирование сплава ЖСЗДК-ВИ высокотемпературной обработкой расплава / Клочихин В.В., Жеманюк П.Д., Наумик В.В., Цивирко Э.И. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 38 – 40.

37. Кудин В.В. Влияние модификаторов на склонность жаропрочных сплавов к образованию ТПУ фаз / Кудин В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Пархоменко А.В. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 57 – 59.

38. Кудин В.В. Влияние гафния и циркония на структуру и фазовый состав жаропрочных сплавов / Кудин В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Пархоменко А.В. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. 18 – 22 вересня 2000 р. – Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. – С. 60 – 62.

39. Лунёв В.В. Непрерывное литьё в вакууме прецизионных заготовок из меди и сплавов на её основе / В.В. Лунёв, Г.А. Бялик, А.В. Пархоменко, В.В. Наумик, С.И. Адамчук // Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Международной научно–технической конференции (8 – 9 октября 2002 г., г. Киев). – К.: ГВЦ "Видавництво "Політехніка", 2002. – С. 85 – 88.

40. Бялик Г.А. Технология послойной наплавки меди с управляемой кристаллизацией в вакууме / Бялик Г.А., Наумик В.В., Лунёв В.В., Адамчук С.И. // "МАТИ – Сварка ХХI века" "Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве" Доклады Всероссийской научно-технической конференции. 20 – 21 ноября 2003 г.: Сб. докл. – М.: "МАТИ" – РГТУ им. К.Э. Циолковского. – 2003. – С. 24 – 27.

41. Наумик В.В. Установка для определения теплопроводности литых металлов и сплавов // Наумик В.В., Бялик Г.А., Лунёв В.В. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць Х Міжнародної науково-практичної конференції. 1216 травня 2003 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 123 – 125.

42. Бялик Г.А. Получение медных заготовок повышенной чистоты переплавом в вакууме отходов меди / Бялик Г.А., Наумик В.В., Адамчук С.И. // Современные проблемы сварки и ресурса конструкций: Сборник стендовых докладов Международной конференции, 24 – 27 ноября 2003 г. – Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2003. – С. 14 – 15.

43. Наумик В.В. Роль теплопроводности в управлении процессами кристаллизации / Наумик В.В. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць ХI Міжнародної науково-практичної конференції, 19 – 22 вересня 2006 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – С. 175 – 178.

44. Адамчук С.И Получение высококачественных бронзовых заготовок для подшипников скольжения методом направленной кристаллизации // Адамчук С.И., Бялик Г.А., Наумик В.В. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць ХI Міжнародної науково-практичної конференції, 19 – 22 вересня 2006 р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – С. 178 – 180.

45. Бялик Г.А. Технология получения высококачественных заготовок из отходов меди / Бялик Г.А., Адамчук С.И., Наумик В.В., Омельченко О.С. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник наукових праць ХI Міжнародної науково-практичної конференції, 19 – 22 вересня 2006р. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. – С. 180 – 182.

46. Елькин А.В. Термовременная обработка жаропрочных сплавов и методы улучшения качества слитка получаемого из возврата литейного производства / Елькин А.В., Зеленюк А.Н., Наумик В.В. // Молодёжь в авиации: новые решения и перспективные технологии: Материалы II Международной конференции, 12 – 16 мая 2008 г. – Алушта, 2008. – С. 130 – 131.

47. Наумик В.В. Зміна теплофізичних властивостей рідкометалевого кристалізатора та їх контроль / Наумик В.В. // Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів: Збірка матеріалів XI Міжнародної науково-технічної конференції, 8 – 10 жовтня 2008 р., Запоріжжя. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. – С. 35 – 38.

48. Наумик В.В. Отримання якісних виливків із жароміцних нікелевих сплавів в умовах спрямованої кристалізації та із використанням технологічних відходів / Наумик В.В. // Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх оброблення для підвищення надійності та довговічності виробів: Збірка матеріалів XI Міжнародної науково-технічної конференції, 8 – 10 жовтня 2008 р., Запоріжжя. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2008. – С. 38 – 40.

49. Наумик В.В. Технологические особенности получения высококачественных слитков из отходов меди / В.В. Наумик, Г.А. Бялик, С.И. Адамчук, В.В. Лунёв // Литьё – 2009: Материалы V Международной научно-практической конференции. Запорожье, 24 – 26 марта 2009 г. – Киев: Редакция журнала "Процессы литья" при участии МП "Информлитье", 2009. – С. 125 – 127.

50. Гнатенко О.В. Производство жаропрочного никелевого сплава с использованием возврата / Гнатенко О.В., Клочихин В.В., Наумик В.В. // Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве: Материалы II международной научно-технической конференции, 7 – 14 сентября 2009 г. Под общ. ред. А.Н. Фесенко. – Краматорск: ДГМА, 2009. – С. 56 – 57.

51. Елькин А.В. Исследование причин возникновения дефектов на поверхности отливок из возврата жаростойкого сплава ВЖЛ12Э-ВИ при ультрафиолетовом свечении (УФС) // Елькин А.В., Наумик В.В., Зеленюк А.Н. // Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве: Материалы II международной научно-технической конференции, 7 – 14 сентября 2009 г. Под общ. ред. А.Н. Фесенко. – Краматорск: ДГМА, 2009. – С. 80 – 82.

52. Наумик В.В. Источники и закономерности загрязнения жидкометаллического кристаллизатора на установках типа УВНК-8П / Наумик В.В. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник матеріалів XII Міжнародної науково-технічної конференції, 22 – 25 вересня 2009 р., Запоріжжя. Відп. ред. В.В. Луньов. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. – С. 170 – 172.

53. Зеленюк А.Н. Повышение выхода годного литья при выплавке качественных заготовок для литья отливок из жаростойкого сплава ВЖЛ12Э-ВИ // Зеленюк А.Н., Наумик В.В., Елькин А.В. // Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Збірник матеріалів XII Міжнародної науково-технічної конференції, 22 – 25 вересня 2009 р., Запоріжжя. Відп. ред. В.В. Луньов. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2009. – С. 173 – 175.

Анотація

Наумик В.В. Розвиток теоретичних основ отримання якісних виливків з мідних та нікелевих сплавів в умовах керованої кристалізації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – ливарне виробництво. – Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2010.

Дисертація присвячена розвитку теоретичних основ отримання в процесі керованої кристалізації якісних виливків з міді, мідних та нікелевих сплавів при неодноразовому використанні матеріалів. Вдосконалено існуючі та створено нові технологічні процеси та обладнання для їх здійснення.

Розвинуто теоретичні основи реалізації керованої кристалізації з рафінуванням розплаву міді під час вакуумної плавки та механізму кристалізації міді в графітовій формі. Показано можливість використання технологічного вороття жароміцних нікелевих сплавів. Розроблено методи вимірювання теплопровідності металічних матеріалів при різних температурах та в різному агрегатному стані. Отримано відповідні залежності для алюмінію рідкометалевого кристалізатора. Розроблено методи оперативного контролю теплопровідності. Розроблено спосіб та сконструйовано установку для фізичного моделювання кристалізації виливків.

Ключові слова: мідь, вторинні матеріали, рафінування, керована кристалізація, безперервне лиття, олов’яна бронза, нікелевий сплав, макроструктура, теплопровідність, фізичне моделювання.

Аннотация

Наумик В.В. Развитие теоретических основ получения качественных отливок из медных и никелевых сплавов в условиях управляемой кристаллизации. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук по специальности 05.16.04 – литейное производство. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2010.

Диссертация посвящена вопросам, связанным с получением качественных отливок из медных и никелевых сплавов в процессе управляемой кристаллизации при неоднократном использовании материалов.

Обобщены и развиты теоретические основы управляемой кристаллизации с рафинированием расплава отходов меди в процессе вакуумной плавки. Получены специфические данные о соотношении упругости пара основных элементов при температурах ведения вакуумной плавки. Систематизированы данные о растворимости примесей в твёрдой меди и равновесном коэффициенте распределения. Получены данные о коэффициентах диффузии примесных элементов в расплаве меди.

Показано, что медь в графитовой форме кристаллизуется по гомогенному механизму, а следовательно, структура отливок определяется исключительно условиями теплоотвода в процессе первичной кристаллизации.

На основе существующей вакуумной установки ОКБ-860 собрано оборудование для реализации разработанных технологических процессов получения из вторичных материалов в результате управляемой кристаллизации высококачественных литых заготовок, в том числе цельнотянутых.

Установлены причины возникновения дефектов при непрерывном литье заготовок из бронзы. Показана необходимость остановок для гомогенизации жидкой фазы вблизи фронта кристаллизации. Определена оптимальная длительность периодов вытягивания и остановки при непрерывном литье заготовок из бронзы БрО5Ц5С5.

При помощи разработанных методики и установки для ускоренного испытания антифрикционных материалов на износ, показано, что непрерывнолитые заготовки из бронзы типа БрО5Ц5С5, характеризующиеся структурой, ориентированной вдоль направления износа и пониженным уровнем твёрдости, не уступают и даже превосходят по износостойкости традиционно применяемые деформированные.

Показана возможность использования технологического возврата жаропрочных никелевых сплавов при производстве качественных ответственных отливок в процессе направленной кристаллизации.

Показано, что основной причиной брака отливок из жаропрочных никелевых сплавов, полученных в результате высокоскоростной направленной кристаллизации, является несоответствие требованиям нормативных документов по макроструктуре. Основным направлением повышения выхода годных отливок являются постоянный контроль и оперативная корректировка теплопроводности жидкометаллического кристаллизатора, обеспечивающего наличие необходимых температурных градиентов при формировании направленной или монокристаллической макроструктуры.

Установлены причины и изучены закономерности загрязнения жидкометаллического кристаллизатора в процессе его эксплуатации при получении отливок из жаропрочных сплавов с направленной макроструктурой.

Разработаны методика и установка для прямого контроля теплопроводности металлических материалов при различных температурах стационарным методом.

Полученные разработанным методом расчётно-экспериментальные данные о коэффициенте теплопроводности жидкого алюминия позволяют сделать вывод, что для корректного протекания технологического процесса высокоскоростной направленной кристаллизации отливок из жаропрочных сплавов на установках типа УВНК-8П необходимо обеспечить теплопроводность материала жидкометаллического кристаллизатора при рабочей температуре на уровне не менее 40 Вт/(м∙К).

Разработаны методы оперативного контроля степени загрязнённости и теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора по коэффициенту отражения его материала – алюминия, и по температурному интервалу его затвердевания. Внедрение методики оперативного контроля теплофизических свойств жидкометаллического кристаллизатора в процессе эксплуатации по его температурному диапазону затвердевания на ОАО "Мотор – Сич" позволяет получать экономический эффект в размере 891500 гривен в год в ценах 2009 г.

Для ускорения и удешевления отладки технологических процессов разработан способ и изготовлена установка для физического моделирования кристаллизации отливок. Показана возможность управления тепловыми потоками, определяющими условия образования двумерных кристаллов олова, и формирования на образцах различных типов макроструктуры от равноосной до направленной и монокристаллической.

Ключевые слова: медь, вторичные материалы, рафинирование, управляемая кристаллизация, непрерывное литьё, оловянная бронза, никелевый сплав, макроструктура, теплопроводность, физическое моделирование.

summary

Naumyk V.V. Development of theoretical basis for the high-quality casts obtaining from copper and nickel alloys in the conditions of the guided crystallization. – Manuscript.

Dissertation on the competition of doctor graduate degree of engineering sciences on speciality 05.16.04 – foundry. – National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2010.

Dissertation is devoted to development of theoretical bases of the high-quality casts obtaining in the process of the guided crystallization from a copper, copper alloys and nickel alloys at the repeated use of materials. Existing is improved and new technological processes and equipment are created for their realization.

It is developed the theoretical bases of purifying of fusion of copper, of mechanism of its crystallization in a graphite form, of forming of structure of bronze at the continuous casting. Possibility of the use of technological return of heatproof nickels alloys is improved. It is developed the methods of measuring of heat conductivity of metallic materials at different temperatures and in the different aggregate states. The proper dependences are got for the aluminium of liquid-metal crystallizer. The methods of operative control of heat conductivity are developed. It is developed the method for physical modeling of crystallization of casts and proper equipment is created.

Keywords: copper, secondary materials, purifying, guided crystallization, continuous casting, tin bronze, nickel alloy, macrostructure, heat conductivity, physical modeling.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64372. НАУКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ВІДТВОРЕННЯ РОДЮЧОСТІ ҐРУНТІВ ТА ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ ЗЕРНО-БУРЯКОВИХ СІВОЗМІН ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ 763 KB
  Умовою інтенсивного ведення галузі землеробства є розширене відтворення родючості ґрунту за допомогою науково-обґрунтованих систем землеробства, які враховують ґрунтово-кліматичні умови, ландшафтні особливості і екологічну безпеку довкілля.
64373. ПРОГНОЗУВАННЯ, ДІАГНОСТИКА І ПРОФІЛАКТИКА УСКЛАДНЕНЬ ІНФЕКЦІЙНО-ЗАПАЛЬНОГО ГЕНЕЗУ У ОБПЕЧЕНИХ В ГОСТРІЙ СТАДІЇ ОПІКОВОЇ ХВОРОБИ 219 KB
  Результати лікування пацієнтів з поширеними та критичними опіками за площею ураження шкіри на сьогодні не можуть бути визнані задовільними. Незважаючи на певний прогрес в лікуванні такого контингенту травмованих завдяки обґрунтуванню та широкому застосуванню в останні роки раннього...
64374. РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ВЛАШТУВАННЯ БУРОНАБИВНИХ ПАЛЬ З ГІДРОФОБІЗОВАНИМ ПРОШАРКОМ У ПРОСАДОЧНИХ ҐРУНТАХ ІІ ТИПУ 915 KB
  Відомо що при влаштуванні буронабивних паль в просадочних ґрунтах ІІ типу для зниження негативного тертя що діє у просадочному шарі та підвищення несучої здатності рекомендується застосовувати антифрикційні покриття поліетиленові плівки пластик бітумні матеріали.
64375. Сучасні тенденції розвитку професійної технічної освіти у Польщі 158 KB
  Соціально-економічні перетворення, що відбулися в Україні впродовж останнього десятиліття, призвели до суттєвої реструктуризації багатьох галузей, зникнення одних напрямів і виникнення інших.
64376. ПАТОГЕНЕЗ НАБРЯКУ-НАБУХАННЯ ГОЛОВНОГО МОЗКУ ТА ОБҐРУНТУВАННЯ ОПТИМАЛЬНОЇ ФАРМАКОТЕРАПІЇ ПРИ ТЯЖКІЙ ЧЕРЕПНО-МОЗКОВІЙ ТРАВМІ 511.5 KB
  У зазначений термін до патологічного процесу залучаються всі системи життєзабезпечення організму розвивається набрякнабухання мозку вторинне ушкодження центральної нервової системи ЦНС причинами якого є ішемія гіпоксія і токсемія...
64377. СУСПІЛЬНО-ГЕОГРАФІЧНІ ПРОЦЕСИ ЗАСЕЛЕННЯ ПІВНІЧНОЇ БЕССАРАБІЇ 770 KB
  Метою роботи є обгрунтування теоретико-методологічних основ суспільногеографічних на прикладі ретроспективноекістичних досліджень історикогеографічного регіону аналіз утворення поселень і формування поселенської мережі...
64378. СОРБЦІЙНО ЗДАТНІ МЕТАЛОВМІСНІ ГІДРОГЕЛІ НА ОСНОВІ КОПОЛІМЕРІВ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ 291.5 KB
  Перспективними для використання в згаданих галузях є гідрогельні металонаповнені матеріали на основі кополімерів полівінілпіролідону ПВП з метакрилатами оскільки відзначаються широким спектром фізико-механічних та фізико-хімічних властивостей.
64379. Патогенетичні особливості розвитку імунних, метаболічних та мікроциркуляторних порушень в дітей, хворих на гостру позалікарняну пневмонію 153 KB
  Достатньо частою формою поразки органів дихання у дітей є пневмонії Самсыгина Г. Але згідно до експертної оцінки вважають що захворюваність на гостру пневмонію складає від 4 до 20 випадків на 1000 дітей у віці від 1 місяця до 15 років...
64380. КРИМІНАЛЬНО-ВИКОНАВЧА СИСТЕМА У БОРОТЬБІ З «ВОРОГАМИ НАРОДУ» В ЗАХІДНІЙ УКРАЇНІ 179 KB
  Подруге потребує комплексної реконструкції і сам процес становлення спеціальних репресивних органів у структурі НКВС що займалися виявленням ворогів народу а також типологізація каральновиправних установ в яких вони відбували покарання.