Кристаллизация

Ультразвуковая обработка расплавов до и во время кристаллизации является эффективным способом улучшения их структуры и механических свойств. Эффективность и экономичность этой обработки зависит от ряда факторов — обрабатываемости расплава ультразвуком, условий кристаллизации, примесей и т. д.

Под обрабатываемостью ультразвуком понимают совокупность всех изменений в металле, наступающих под действием ультразвука, например, изменение среднего размера зерна данной фазы, изменение относительного содержания этой фазы и др. Обрабатываемость зависит от глубины распространения ультразвука и от физических свойств расплава.

Распространение ультразвука в расплаве зависит от его плотности, вязкости, волнового сопротивления и поверхностного натяжения на границе между излучателем и расплавом.

Результатом воздействия ультразвуковых колебаний на кристаллизующийся металл являются структурные изменения, происходящие в металле:

• уменьшение средней величины зерна;
• устранение столбчатой структуры и образование равноосного зерна;
• изменение характера распределения фаз (по количеству, степени измельчения и взаимному расположению);
• повышение однородности слитка, уменьшение степени развития ликвационных процессов;
• равномерное распределение неметаллических включений.

Структурные изменения большей частью приводят к улучшению ряда механических и технологических свойств обрабатываемых материалов. Однако степень и характер изменения свойств оказываются неодинаковыми для разных металлов и сплавов, обладающих приблизительно одной степенью обрабатываемости. Эти изменения свойств зависят от типа кристаллической решетки, характера распределения фаз, свойств границ между зернами и других факторов, связанных с природой материала.

Необходимость и возможность ультразвуковой обработки рассматриваются в каждом конкретном случае и для каждого производства в отдельности.

Способы введения ультразвуковых колебаний в расплав металла

При литье в изложницы:

• Непосредственное введение колебаний в расплав. Ультразвуковой излучатель погружается в расплав металла. Наиболее простой способ, однако излучатель при этом быстро разрушается.
• Наложение колебаний на изложницу. Сама изложница становится ультразвуковым излучателем, для этого её материал должен хорошо проводить ультразвук.

При непрерывном и полунепрерывном литье:

• Введение колебаний в зону кристаллизации через расплав. Колебания вводятся способом, схожим с описанными для изложниц. Ультразвуковой излучатель погружается в расплав вблизи зоны кристаллизации.
• Наложение колебаний на кристаллизатор. Кристаллизатор становится ультразвуковым излучателем.

Исследование изломов

Одним из показателей качества кристаллической структуры выплавленного металла является равномерность структуры излома полученного слитка. Фотографии ниже показывают влияние ультразвука на характер излома медного слитка, выплавленного из вторичного материала невысокого качества.

За фотографии благодарим наших научных партнёров — Кафедру технологии литейных процессов МИСиС и лично Владимира Дмитриевича Белова.

без ультразвука	с ультразвуком

На снимке слева видна незначительная неравномерная пластическая деформация с крупными неметаллическими, в том числе оксидными, включениями. Справа пластическая деформация значительна и гораздо более равномерна без крупных дефектов, неметаллические включения не видны.

без ультразвука	с ультразвуком

Эти снимки сделаны при большем увеличении. Слева видны дефекты поверхности излома и частицы неметаллических включений. Справа мы видим классический ямочный излом, в ямках видны мельчайшие, раздробленные ультразвуком, частицы неметаллических включений.