Влияние ультразвуковой обработки расплава на структуру и свойства катанки из сплавов цветных металлов

Статья опубликована в журнале «Металлург» № 10, 2012 г.

Грот Александр Николаевич1; Красильников Дмитрий Александрович1, Рассохин Вячеслав Анатольевич2; Твердов Виталий Игоревич3; Жихарев Павел Юрьевич4; Голенков Михаил Александрович4
1 ООО «Александра-Плюс» Россия, г. Вологда, E-mail: mail@alexplus.ru
2 ООО «Завод Уралпрокат», Россия, г. Каменск-Уральский
3 Научный исследовательский технологический университет «МИСиС», Россия, Москва
4 ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина». Россия, Москва

Статья поступила 10.04.2012 г.

Описан практический опыт применения обработки ультразвуком материалов при производстве прутков из медных сплавов. Приведены результаты сравнительных исследований микроструктуры катанки, результаты физико-механических испытаний готовой продукции и данные о протекании технологических процессов.

Отмечено, что ультразвуковые колебания, вводимые в расплав, интенсифицируют процесс дегазации, способствуют дополнительному перемешиванию, препятствуют возникновению дендритной ликвации и концентрации неметаллических включений на границах зерен. Все это положительно влияет на формирование однородной структуры металла в процессе кристаллизации.

Ключевые слова: ультразвуковая обработка; дегазация; структура металла; дендритные ликвации; неметаллические включения.

Ультразвуковая обработка расплавов черных и цветных металлов с целью улучшения их свойств неоднократно описана в научно-технической литературе[1] [2] [3]. Ультразвуковые (УЗ) колебания, вводимые в расплав, интенсифицируют процесс дегазации, способствуют дополнительному перемешиванию, препятствуют возникновению дендритной ликвации и концентрации неметаллических включений на границах зерен, что положительно влияет на формирование однородной структуры металла в процессе кристаллизации.

В настоящее время ряд металлургических предприятий, специализирующихся на выпуске продукции из металлов и сплавов, в течение длительного времени успешно эксплуатирует разработанное ООО «Александра-Плюс» оборудование для УЗ-обработки металла при непрерывном и полунепрерывном литье заготовок. Среди них можно выделить ОАО «Панком-Юн» (бывший завод «Центролит», г. Одесса, где оборудование установлено на вертикальных кристаллизаторах с 2006 г.) и ОАО «Катех-Электро» (г. Киев, где аналогичное оборудование используется с 2008 г.). Применение ультразвука в технологическом процессе позволило гомогенизировать структуру медной заготовки и минимизировать количество ликвационных участков (вплоть до их полного отсутствия), благодаря чему сократилась обрывность проволоки при волочении, улучшились ее пластичность и свариваемость.

Ультразвук применяется для обработки не только цветных, но и черных металлов. Оборудование ООО «Александра-Плюс», разработанное совместно с ФГУП «ЦНИИчермет им И. П. Бардина» в рамках государственного контракта, использовалось в кислородно-конвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» при непрерывной разливке слябовых заготовок из автолистовых сталей в 2009—2011 г. Основные принципы волнового резонансного воздействия для улучшения структуры непрерывнолитых слябов были отработаны в ходе экспериментов[4].

Рис. 1. Принципиальная схема кристаллизатора установки полунепрерывной горизонтальной вытяжки с пьезокерамическим УЗ-преобразователем: 1 — полуволновой пьезокерамический УЗ-преобразователь; 2 — стенка миксера; 3 — литая заготовка; 4 — графитовая втулка; 5 — охлаждающая жидкость; 6 — внешняя втулка корпуса кристаллизатора; 7 — кристаллизатор; 8 — жидкий металл

В общем случае УЗ-обработка расплавов металлов при разливке на МНЛЗ и УПНРС улучшает внутреннюю структуру слитка, повышает качество поверхности благодаря минимизации количества поверхностных дефектов, стабилизирует процесс литья, сокращает расход энергии, увеличивает выход годного. При этом УЗ-оборудование по принципу действия значительно проще по сравнению с альтернативными системами (например, электромагнитного перемешивания или динамического мягкого обжатия), позволяющими получить сходные положительные эффекты. В рамках опытно-конструкторской работы, реализованной в 2011 г. совместно с ООО «Завод Уралпрокат», которое производит цветной металлопрокат, в том числе из медно-никелевых сплавов, исследовано влияние воздействия ультразвука, вводимого в расплав, на микроструктуру заготовки. Испытания проводили на машине полунепрерывной горизонтальной вытяжки, оснащенной модулем для ввода УЗ-колебаний в расплав. После обследования оборудования и анализа возможных схем размещения УЗ-излучателей был принят способ, схема которого представлена на рис. 1. УЗ-излучатель 1 размещен непосредственно на внешней втулке корпуса кристаллизатора 6 перпендикулярно оси вытяжки заготовки. Механические колебания высокой интенсивности, возбуждаемые излучателем 1, индуцируют во втулке 6 объемные волны, которые, проходя сквозь стенки кристаллизатора 7 и графитовую втулку 4, воздействуют на затвердевающий расплав.

Достоинством выбранной схемы является простота установки системы наложения колебаний. В качестве недостатка можно отметить потери подводимой колебательной мощности вследствие наличия внутренней полости с охлаждающей жидкостью и множества переходов с разнородными материалами и средами (сталь—вода—графит—расплав), что, однако, не снижает эффективности установки.

Опытную схему опробовали при производстве прутков из сплава МНЖКТ с вытяжкой через графитовую втулку диам. 12 мм. Первые метры прутка вытягивались в штатном режиме без наложения УЗ-колебаний, последующие — с включенными акустическими преобразователями, работающими на резонансной частоте ~19 кГц.

Для анализа результатов испытаний были отобраны две группы образцов: в первую входили образцы, полученные при стандартных условиях вытяжки; во вторую — при установившемся режиме УЗ-воздействия.

Оценка качества полученных литых заготовок выполнена специалистами НИТУ «МИСиС», которые проводили металлографические исследования отобранных образцов. Анализ макроструктуры шлифов, вырезанных из серединной части каждого образца, различий не выявил, однако при фрактографических исследованиях структуры изломов выявлено различие микроструктур обработанных ультразвуком образцов.

Исследование поверхности разрушения проводили на электронном сканирующем микроскопе при увеличениях в 300—3000 раз. Результаты приведены на рис. 2 и 3. На образце (см. рис. 2, а) видны многочисленные светлые области, которые представляют собой неметаллические включения, образовавшиеся в процессе литья. Следы пластической деформации незаметны. В образцах металла, подвергнутого УЗ-обработке (см. рис. 2, б), подобных областей не наблюдается.

Рис. 2. Микроструктура образцов литых заготовок, полученных без УЗ-воздействия (а) и с воздействием УЗ (б). ×300; ×1000; ×3000
Рис. 3. Образцы без воздействия УЗ (а) и с воздействием УЗ (б). ×3000

Сравнивая микроструктуру образцов, полученных без воздействия и с воздействием УЗ (см. рис. 3) можно отметить существенное уменьшение размера зерна в образце, обработанном УЗ.

Сходные результаты получены при исследовании микроструктуры излома образцов, полученных при производстве медной катанки в ООО «Катех-Электро» (рис. 4 и 5) На рис. 4, а, б заметны неметаллические включения (НВ) размерами от 10 до 100 мкм. Следы пластической деформации практически отсутствуют.

Микроструктура образцов (см. рис. 5) характеризуется классическим ямочным изломом (см. рис. 5, б), что свидетельствует о значительной пластической деформации, предшествующей разрушению. В ямках заметны микрочастицы, которые, по-видимому, являются раздробленными НВ (см. рис, 5, б и в).

Рис. 4. Микроструктура излома образца, не подвергавшегося УЗ-обработке (ООО «Катех-Электро»)
Рис. 5. Микроструктура излома образцов, после УЗ-обработки (ООО «Катех-Электро»)

На основании результатов исследования можно сделать вывод о том, что УЗ-обработка расплава привела к существенному диспергированию НВ и к уменьшению размера зерна, благодаря чему полученная заготовка обладает более высокой пластичностью по сравнению с заготовками, не подвергавшимися УЗ-обработке. Это подтверждается сравнительной проверкой качества медной катанки серийного производства и по улучшенной технологии. Исследования проводили в ЗАО «ПП «Азовкабель», куда поставлялась катанка производства ОАО «Панком-Юна», обработанная ультразвуком. Всего было переработано 20 т металла, изготовленного по улучшенной технологии. Проверке подвергали:

  • внешний вид катанки;
  • физико-механические параметры катанки и проволоки, изготовленной из нее;
  • удельное электросопротивление;
  • процесс волочения проволоки;
  • процесс отжига;
  • процессы скрутки и уплотнения жил.

В табл. 1 приведены результаты входного контроля катанки серийного производства (индекс «С») и обработанной УЗ (индекс «У»), в табл. 2 — физико-механические свойства отожженной проволоки диам. 2,57 мм.

Таблица 1. Результаты испытаний медной катанки
Параметр Норма параметра Вид катанки
«С» «У»
Относительное удлинение, % Не менее 30 42 40
Прочность при растяжении, МПа Не менее 160 180 183
Скручивание с раскручиванием Не менее 10/10 Выдержала Выдержала
Скручивание до разрушения Не менее 35 37 50
Таблица 2. Результаты испытаний физико-механических свойств проволоки
Физико-механические свойства Номер образца Норма Значение для проволоки из катанки
«С» «У»
Относительное удлинение, % 1 Не менее 30 33 32
2 33 33
3 33 36
4 33 35
5 26 35
Временное сопротивление разрыву, МПа 1 20—28 25 26
2 25 25
3 25 25
4 25 25
5 26 25

Анализ результатов, приведенных в табл. 1 и 2, показывает следующее:

  • катанка, прошедшая УЗ-обработку (серия «У») выдерживает большее количество скручиваний до разрушения;
  • относительное удлинение проволоки из катанки серии «У» в среднем на 9 % выше, что свидетельствует о более высокой пластичности меди.

При волочении катанки серии «С» в отдельных бунтах наблюдалась обрывность проволоки по маршруту волочения, причиной этого является неоднородность свойств меди по ее длине. При сварке концов бухт катанки серии «С» из десяти произведенных сварок без обрыва происходят только две. При волочении катанки серии «У» указанных явлений не наблюдалось: случайные обрывы по маршруту волочения и разрывы в местах сварки отсутствовали.

В процессе отжига проволоки из катанки серии «С» во многих случаях наблюдался недоотжиг отдельных бухт, которые приходилось отжигать повторно со следующей партией. Проволока, произведенная из катанки серии «У», в повторном отжиге не нуждалась.

При скрутке и уплотнении секторных жил из проволоки, полученной из катанки «С», в местах сварки происходил разрыв ориентировочно до 50% случаев. В отдельных местах после плющения медь расслаивалась. Случались эпизодические обрывы проволоки не в местах сварки. Наблюдалось явление неоднородной пластичности по длине проволоки. При использовании проволоки из катанки серии «У» подобных проблем не возникало.

Заключение. Таким образом, на основании проведенных исследований структуры, физико- механических испытаний и сравнительного анализа технологических процессов можно утверждать, что:

  • ультразвуковая обработка расплава при его кристаллизации приводит к измельчению зерна, разрушению и удалению неметаллических включений, что отражается в виде увеличения пластичности металла;
  • использование заготовок, подвергнутых воздействию ультразвуком, стабилизирует протекание процессов волочения, отжита, скрутки и уплотнения, повышает выход годного, сокращает эксплуатационные затраты, связанные с повторным проведением отдельных технологических операций;
  • готовая продукция из заготовок, полученных с применением УЗ, имеет однородную структуру по всей длине и обладает повышенной пластичностью.

Библиографический список

  1. ^ Абрамов В. О., Абрамов О. В., Артемьев В. В. и др. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. — М.: Янус-К, 2006. — 688 с.
  2. ^ Ефимов В. А., Эльдарханов А. С. Технологии современной металлургии. — М.: Новые технологии, 2004. — 784 с.
  3. ^ Эскин Г. И. Обработка и контроль качества цветных металлов ультразвуком. — М.: Металлургия, 1992. — 124 с.
  4. ^ Голенков М. А., Жихарев П. Ю. Разработка перспективных способов волнового резонансного воздействия для улучшения структуры непрерывнолитых слябов // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2010. № 1. С. 41—46.

Effect of ultrasonic melt treatment on structure and properties of wire rods from non-ferrous alloys

Grot A. N.; Krasilnikov D. A.; Rassokhin V. A.; Tverdov V. I.; Zhikharev P. U.; Golenkov M. A.

Practical experience of using technologies of ultrasonic materials' treatment in manufacturing of copper alloy rods is described. Results of comparative analysis concerning microstructure of wire rod, results of physic-mechanical tests of finished products as well as the data on course of technological process are shown. It is noted that the ultrasonic oscillations injected into melt intensify the process of degassing contribute to an additional mixing, prevent from formation of dendritic liquation and the concentration of nonmetallic inclusions on the grain boundaries. All of this give a positive effect on the formation of a metal's homogeneous structure during solidification.

Keywords: ultrasonic treatment; degassing; structure of metal; dendritic liquation; nonmetallic inclusions.