29.03.2018

Внутренние напряжения в слитках непрерывного литья из сплавов алюминия


Рот, Велш, Рёриг в 1942 г. изучали литейные напряжения в слитках непрерывного литья из сплавов алюминий-кремний эвтектического состава. Они нашли, что появление и величина литейных напряжений зависят главным образом от неравномерности хода кристаллизации, а не от скорости литья. С увеличением длины кристаллизатора напряжения уменьшаются. При нагреве слитков для последующей обработки напряжения в слитке устраняются. Структура слитков тем качественнее, чем быстрее проходило затвердевание. С низким кристаллизатором получается более благоприятная структура.

В 1945 г. Дойль определял внутренние напряжения рентгеновским методом в слитках непрерывного литья из сплава RR 59. Напряжения определялись по длине и по окружности слитка. Сумма найденных им напряжений на поверхности слитка согласуется со значениями, полученными немецкими исследователями. Однако вблизи оси слитка напряжения, обнаруженные Дойлем, составляют примерно половину от данных работ Рота и др. Дойль приходит к выводу, что обычный отжиг при 350° или специальный нагрев снижает внутренние напряжения до ничтожной величины.

Дёринг в 1947 г. опубликовал свои исследования относительно склонности сплавов Al-Cu-Mg к растрескиванию при непрерывном литье.

Сплав Al-Cu-Mg-Cu30 с пониженным содержанием меди против обычного (3,0—3,4% Cu и 1,1—1,4% Mg вместо 4% Cu и 0,8% Mg) значительно более склонен к растрескиванию при непрерывном литье, особенно при больших размерах слитка, чем старый (сплав Сu40. Трещины, по-видимому, образуются из-за выделений по границам зерен хрупкого тройного химического соединения, обогащенного медью. Выделения возникают при повышенном содержании магния за счет перемещения меди из кристаллов твердого раствора в химическое соединение, хотя при обычных условиях медь целиком находится в растворе. При повышенном содержании меди и примеси кремния и при пониженном содержании магния большая часть меди входит в твердый раствор; вместе с этим уменьшается количество выделений химического соединения, а также и склонность сплава к трещинам. В случае обычного сплава Al-Cu-Mg с 4% Cu и 0,8% Mg выделений химического соединения не наблюдается и также не происходит растрескивания слитков. Эти явления наблюдаются лишь при непрерывном литье при условии резкого охлаждения слитка.

Из наблюдений Дёринга вытекает, что основное значение имеет взаимное перераспределение меди и магния, тогда как кремний и прочие добавки играют второстепенную роль.

Склонность сплава Сu30 с малым содержанием меди (3,2%) и повышенным содержанием магния (1,3—1,4%) к растрескиванию при непрерывном литье определяется довольно простой закономерностью. Большая химическая близость к алюминию магния по сравнению с медью обеспечивает полное растворение магния в кристаллах твердого раствора, в то же время часть меди при интенсивном охлаждении уходит из твердого раствора в хрупкое химическое соединение, залегающее по границам зерен. Эти выделения и вызывают появление трещин. Увеличивая соотношение медь-магний (как в обычном сплаве Al-Cu-Mg), можно добиться полного исчезновения трещин.

Бейли и Бекер считают, что внутренние напряжения в слитках непрерывного литья вызываются неравномерным отводом тепла.

Додд в 1951 г. изучал внутренние напряжения в слитках полунепрерывного литья из сплава Al-Cu-Mg (4% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Mn). Диаметр слитков 103 мм, длина 1,8 м; слитки разрезали на заготовки длиной 305 мм. Додд исследовал влияние температуры литья (650—700°) и скорости литья (от 100 до 200 мм/мин). Действие скорости литья оказалось особенно сильным. Снижение скорости литья на 50% резко уменьшало напряжения, особенно вдоль слитка. Влияние температуры литья было незначительным, однако это не согласуется с данными вышеупомянутой работы Рота, Велша и Рёрига. Ясно, что возникновение напряжений зависит от сочетания переменных факторов, поэтому результаты Додда не могут считаться безупречными.

После работ Рота, Ботманна и Фосскюллера по усадочным явлениям и напряжениям при непрерывном литье алюминиевых cплавов Зеегер успешно изучал методом систематической разрезки реальное распределение напряжений в слитках непрерывного литья. Он сумел также определить, насколько пригодной является применяемая технология литья и каково влияние условий охлаждения и затвердевания и вида сплава. По характеру распределения напряжений в слитке Зеегер делал заключение об отводе тепла и ходе усадки в слитке. При непрерывном литье с непосредственным охлаждением водой в охлажденном слитке напряжения аналогичны термическим напряжениям в закаленных стальных заготовках. Внутренние слои находятся в условиях всестороннего растяжения, наружные — всестороннего сжатия, при этом напряжения вдоль оси слитка существенно меньше радиальных или тангенциальных напряжений. Это объясняется тем, что при непрерывном литье отвод тепла происходит в основном в осевом направлении. Преобладание радиальных или тангенциальных напряжений обусловливает наблюдаемое разрушение слитков в виде продольных трещин. Трещины начинаются во внутренних слоях слитка и тем раньше, чем больше напряжения и меньше пластичность отливаемого сплава. Пластичность во многом определяется характером литой структуры; например, в сплаве Al-Cu-Mg пластичность уменьшается при наличии грубых хрупких выделений по границам зерен при вытянутой узкой лунке; кроме того, пластичность зависит от соотношения продольных и радиальных напряжений. Установлено, что продольные напряжения в слитке тем больше, чем глубже лунка и чем, следовательно, была больше скорость литья.

Соотношение между продольными и радиальными напряжениями важно потому, что чем больше величина возникающих при охлаждении продольных напряжений, тем меньше пластичность отливаемого материала и меньше возможность выравнивания напряжений.

Абсолютная величина внутренних напряжений в круглом слитке диаметром 300 мм из сплава Al-Cu-Mg оказалась на уровне предела пропорциональности — 12 кг/мм2. Напряжения, значительно превышающие пределы пропорциональности или текучести, в общем, случае маловероятны. Это может быть при крайне неблагоприятных условиях охлаждения и усадки, когда напряжения в центре слитка по всем трем направлениям становятся примерно одинаковыми.

По законам теории прочности предел текучести при многоосевом растяжении тем больше, чем меньше разница в напряжениях по отдельным направлениям. Таким образом, может встретиться случай, когда литейные напряжения достигнут предела прочности (на растяжение) без предварительной деформации; тогда произойдет внезапное разрушение в продольном или осевом направлении. С другой стороны, уже было замечено, что мелкие газовые пузыри и поры в известных условиях уменьшают опасность растрескивания, особенно если предусмотрена горячая или холодная деформация. Это дает основание считать, что мелкие поры и газовые пузырьки повышают пластичность и вместе с этим выравнивают напряжения во всех тех случаях, когда вследствие всестороннего растяжения имеется склонность к хрупкому разрушению.

В плоских слитках литейные напряжения имеют несколько меньшую величину, чем в круглых. При этом нужно учесть, что незначительное снятие напряжений возможно при разрезке слитка, а также с течением времени (до шести лет). Последнее свидетельствует о большой устойчивости литейных напряжений в слитках.

В полых слитках возникающие напряжения невелики и не достигают предела пластичности. Условия охлаждения и усадки в них более благоприятны, чем в цельных слитках.

Обсуждая работу Зеегера, Рот указывает, что он в 1942 г. в совместном с Велшем и Рёригом (см. выше) исследовании отметил, что образец, выбранный Зеегером для исследования (темплет 30 мм толщиной), не совсем удачен, так как при вырезке таких тонких темплетов часть напряжений снимается. Это в особенности относится к продольным напряжениям, и поэтому неудивительно, что определенные Зеегером продольные напряжения оказались на 60% меньше радиальных и круговых напряжений. Кроме того, Рот, в противоположность Зеегеру, считает, что скорость литья имеет лишь ограниченное значение для появления и величины напряжений, однако продольные напряжения могут опасно возрасти в случае неравномерной подачи металла или изменения скорости вытягивания во время отливки.

Из-за того, что внутренние напряжения в слитках непрерывного литья почти полностью снимаются при нагреве для последующей обработки, вредное действие этих напряжений до сих пор (1951 г.) не замечено, если только отсутствуют внутренние трещины. Ho внутренние трещины можно ликвидировать на каждом сплаве путем разработки специальной технологии литья, так что на сегодня практически нет ни одного сплава, который бы не мог быть отлит без трещин. Даже американский сплав 75S, созданный на основе Al-Zn-Mg-Cu и являющийся наиболее склонным к трещинам из всех известных до этого сплавов, без особых трудностей отливается непрерывным способом по соответствующей технологии.

В заключительной статье Зеегер отмечает, что Рот большую часть крупных круглых слитков отливал в низкий кристаллизатор со скоростями в 2—3 раза большими, чем скорости, с которыми Зеегер отливал свои слитки, применяя высокий кристаллизатор. Приводимые Ротом условия литья, особенно очень неравномерная подача расплава, естественно, вызывали более высокие продольные напряжения. При более мягких условиях охлаждения найденные Ротом продольные напряжения оказались на 30—40% ниже радиальных. Его выводы о том, что более глубокая лунка, появляющаяся при повышенной скорости литья, может приводить к увеличению продольных напряжений, не противоречат утверждениям автора (Зеегера). В отношении способа определения продольных напряжений путем вырезки образцов Зеегер не согласен, эти образцы были слишком короткими. У него были образцы толщиной 30 мм. Влияние разрезки слитка, конечно, сказывалось в большей или меньшей степени. Однако с помощью сравнительных опытов можно учесть эту неточность. При этом не принимается во внимание то, что даже в симметричных сечениях при вырезке образцов напряженное состояние должно измениться. Сравнительные опыты с образцами длиной 200 мм дали те же значения напряжений, что и в случае образцов толщиной 30 мм.

Следует упомянуть также о работе венгерского исследователя Альмашеги. Он подтверждает выводы Других ученых и специалистов о появлении трещин на слитках из сплавов Al-Cu-Mg и разрушении эти слитков при разрезке в тех случаях, когда температура литья и условия охлаждения были выбраны неудачно. Жидкий металл должен выстаиваться в печи при надлежащей температуре, затем должен быть перемещай и отлит с такой скоростью, чтобы слиток вышел из зоны охлаждения горячим. Как утверждает автор, с помощью этих основных правил удавалось отливать слитки, не имевшие напряжений.





Яндекс.Метрика