МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ДЕФЕКТОВ В

Часть V
ВОПРОСЫ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ
И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ
УДК 621.74.019
Е. Ю. Карпова, Н. И. Габельченко, Н. И. Канатов, А. А. Сапрыкин, К. И. Кривобоков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОВЫХ ДЕФЕКТОВ
В ПРОЦЕССЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ*
Волгоградский государственный технический университет
e-mail: mitlp@vstu.ru
В работе изучен механизм образования газовых дефектов в железоуглеродистых сплавах на физической
модели. Установлено, что образование газовых несплошностей зависит от соотношения скоростей затвердевания и изменения газовой концентрации в зоне, прилегающей к фронту кристаллизации.
Ключевые слова: газовые дефекты в отливках, моделирование процесса образования газовых раковин.
In this paper we studied the mechanism of formation of gas defects in iron-carbon alloys on the physical model.
It was shown that the formation of gas discontinuities depends on the ratio of the solidification velocity and changes
in gas concentration in the zone adjacent to the crystallization front.
Keywords: gas defects in castings, modeling of the formation of blowholes.
Нарушение сплошности литого металла
в результате наличия в нем газовых включений
занимает до 25 % в общем перечне естественных дефектов литых заготовок. Свести эти виды дефектов до нуля невозможно, поэтому задачей теории и практики может служить их
*
минимизация [1].
Для предотвращения возможности образования газовых дефектов в отливках необходимо
иметь представление о гидро-газодинамических процессах, происходящих в расплавах,
и физической картине образования газовых
включений в нем.
Первое до некоторой степени известно и сводится к тому, что в любом сплаве находится
определенное количество газов, растворимость
которых скачкообразно увеличивается при расплавлении металла и снижается до нуля при его
кипении [2]. С охлаждением металла растворимость газа уменьшается и при его кристаллизации газы интенсивно выделяются.
При постоянной температуре растворимость газа зависит от его природы и давления,
которое он оказывает на металл.
Растворение в жидком металле больших количеств газа является предпосылкой газовых
дефектов в отливке. При охлаждении раство*
Работа выполнялась при финансовой поддержке
Минобрнауки РФ (соглашение № 14.B37.21.1274).
римость газов уменьшается, и они выделяются
в металле. Механизм этого процесса не полностью противоположен механизму растворения
газов, так как обратная диффузия атомов газа
из внутренних частей отливки к периферии затруднена. Скорость охлаждения расплавленного металла до его затвердевания значительно
больше скорости нагрева металла до расплавления. При таких условиях обратная диффузия
газов протекает медленнее, чем скорость образования твердой корки в отливке, и газ остается
в металле. С другой стороны, в результате быстрого охлаждения наружных частей отливки
растворимость газов в них быстро падает. Поэтому диффузия газов происходит от внешних
слоев отливки к внутренним, и в конце кристаллизации сплава газы выделяются в молекулярной форме в виде самостоятельных газовых
включений или заполняют усадочные раковины, образовавшиеся из-за недостаточного питания отливки.
Основное количество газов, растворенных
в жидком металле, выделяется в виде самостоятельной фазы, т. е. образует пузырьки, если выполнено условие [3]:
Ргаз > Ратм + Рмет + Рσ,
где Ргаз – парциальное давление газа в металле;
Ратм – атмосферное давление газов в форме над
жидким металлом; Рмет – металлостатическое дав-
121
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
ление, равное произведению высоты столба жидкого металла над местом образования газового
пузырька и плотности жидкого металла; Рσ – давление газа в пузырьке с радиусом r на окружающий металл с поверхностным натяжением σ.
Газы, выделившиеся в жидком металле до
его затвердевания, не образуют раковин в отливке. Газы, выделившиеся в период кристаллизации металла, вязкость которого сильно выросла, как правило, остаются в отливке. Газовые раковины часто возникают в отливках из
сплавов с большим интервалом кристаллизации
и низкой степенью эвтектичности (ковкий и
модифицированные чугуны) [4].
Получить физическую картину образования
газовых раковин довольно затруднительно изза невозможности создания условий наблюдения реального процесса кристаллизации высокотемпературных расплавленных сред. Поэтому литейщикам приходится прибегать к более
доступным методам исследования.
С целью качественного изучения механизма
образования газовых раковин, имеющих эндогенный характер, использовали метод моделирования, который является довольно эффективным при экспериментальном изучении физических процессов. Для этого применялась методика, которая позволила визуально проследить
и зафиксировать процесс образования газовых
дефектов в прозрачной кристаллизующейся
модели [5].
В качестве моделирующего состава применялся салол (фенилсалицилат – С13Н10О3) –
вещество, используемое исследователями при
изучении процессов, протекающих в затвердевающем металле.
Характерные свойства салола: низкая температура плавления –42 °С; прозрачность (в жидком состоянии); способность не разлагаться
при нагреве; сходная с металлом кристаллическая структура; низкая линейная скорость кристаллизации. Значения линейной скорости
кристаллизации салола лежат в пределах 0,5–
4 мм/мин. Максимальная линейная скорость
(4 мм/мин) остается практически постоянной
при температуре от 0 до 20 ºС.
В ходе исследования на экспериментальной
установке получали направленный фронт кристаллизации и варьировали скорость его продвижения.
Наблюдение за процессом роста газовых
пузырьков осуществляли с помощью бинокулярной лупы при увеличении 25 и 50 крат.
В результате проведенных исследований
было обнаружено, что газовые поры образуются либо на стыке двух граней соседних кристаллов сразу же после зарождения этих кристаллов, и дальнейшее поведение таких пузырьков определялось соотношением скоростей
их роста и продвижения фронта кристаллизации (рис. 1), либо непосредственно на гранях
кристаллов (рис. 2).
2
1
4
3
Рис. 1. Схема зарождения и роста газового пузырька
на стыке граней двух кристаллов
1
2
Рис. 2. Схема зарождения газовых пузырьков на грани
растущего кристалла
Способность отрыва пузырька от кристалла
и его всплытия проявлялась только у пузырьков
второго типа.
Скорость роста газового пузырька зависит
от изменения плотности газов на границе раздела твердой и жидкой фаз, и, следовательно,
в определенных пределах является величиной
постоянной. Скорость продвижения фронта
кристаллизации по условиям эксперимента
можно изменять, варьируя температуру воды
в нагревательной емкости и «холодильнике».
122
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ
Таким образом, различные варианты соотношения скоростей дают возможность наблюдения принципиально различных вариантов
механизма образования газовых дефектов в теле отливки.
Было также отмечено, что соотношение
скорости роста газового пузырька и скорости
затвердевания расплава влияет на его форму
и размер. Так, если скорость роста газового
включения равна скорости затвердевания расплава, то образуется цепочка несплошностей
преимущественно цилиндрической или каплевидной формы (рис. 1). Такие поры могут поражать все тело отливки, нарушая тем самым ее
герметичность.
Если же скорость кристаллизации опережает скорость роста газового пузырька, то образуется отдельная пора или небольшая раковина
(рис. 3).
Рис. 3. Схема образования отдельной поры (раковины)
Таким образом, описанный метод моделирования позволил получить достаточно наглядную картинку процесса зарождения и роста газовых дефектов и установить, что механизм образования газовых несплошностей зависит от
соотношения скоростей затвердевания и изменения газовой концентрации в зоне, прилегающей к фронту кристаллизации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ильинский, В. А. Исследование особенностей формирования дендритных структур сталей / В. А. Ильинский, Н. И. Габельченко, Л. В. Костылева, Е. Ю. Карпова,
Н. П. Житникова // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч.
ст. № 11 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2009. – (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»). – С. 74–78.
2. Аверин, В. Азот в металлах / В. Аверин [и др.]. – М.:
Металлургия, 1976. – 224 с.
3. Тодоров, Р. П. Дефекты в отливках из черных сплавов / Р. П. Тодоров, П. Ц. Пешев. – М.: Машиностроение,
1984. – 184 с.
4. Ильинский, В. А. Влияние дисперсности первичной
структуры на эксплуатационную надежность анодных
штырей эелектролизеров / В. А. Ильинский, Н. И. Габельченко, Л. В. Костылева, Е. Ю. Карпова // Известия
ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 4 / ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – (Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении»). – С. 158–162.
5. Бушмин, В. Е. О моделировании процесса образования газовых дефектов в отливках / В. Е. Бушмин. –
В кн.: Технология производства санитарно-технического и
отопительного оборудования: сб. трудов НИИсантехники,
№ 54. – М.: НИИсантехники, 1980. – 124 с.
УДК 621.74-034.13:621.785
Н. И. Габельченко, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский, Е. Ю. Карпова, Э. А. Мажитова
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ РОСТА ДЕНДРИТНЫХ ВЕТВЕЙ*
Волгоградский государственный технический университет
e-mail: mitlp@vstu.ru
В работе представлены результаты определения скорости роста дендритных ветвей, выполненные на
основе развитых представлений о подобии дендритных структур и границе дендритного роста при кристаллизации сталей и сплавов. Установлено, что расчетные значения скорости роста дендритных ветвей хорошо
коррелируются с опытными данными.
Ключевые слова: кристаллизация, дендритная кристаллизация, скорость роста дендритных ветвей.
The results of determining the rate of dendritic branches growth, made on the basis of the developed concepts of
dendritic structures similarity and the boundary of the dendrite growth during crystallization of steels and alloys are
represented in the paper. It was found that the calculated values growth rates of the dendritic branches are well correlated with experimental data.
Keywords: crystallization, dendritic crystallization, the growth rate of the dendritic branches.
*
Многочисленные попытки рассчитать скорость роста дендритных ветвей на основе
функциональной зависимости от степени переохлаждения жидкой фазы были проанализиро*
Работа выполнялась при финансовой поддержке
Минобрнауки РФ (соглашение №14.B37.21.1274).
ваны в работе [1] и оказались безуспешными.
Вместе с тем, дендритная форма роста является
преобладающей при кристаллизации промышленных сплавов и проблема требует решения
даже по чисто практическим соображениям.
Анализ скорости линейного роста дендритных кристаллов выполняли на основе развитых