Повышение качества отливок из жаропрочных сплавов путем фильтрационной очистки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74.045

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ПУТЕМ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ

В.К. Дубровин

Неуклонно возрастающие в современных условиях рыночной конкуренции требования к качеству и эксплуатационным характеристикам литых деталей заставляют производителей литья изыскивать новые резервы технологии. Одной из таких возможностей является внутриформенная фильтрационная очистка расплава, которая позволяет в значительной степени сократить количество неметаллических включений в заливаемом металле в период заполнения им полости литейной формы.

В зарубежной практике в последнее десятилетие интерес к фильтрационному рафинированию расплавов значительно возрос. На Российских предприятиях, производящих литые детали, применение фильтров встречается значительно реже, преимущественно при литье алюминиевых сплавов. Это связано, возможно, с малыми объемами изготовления отечественных фильтров для литейного производства и высокой ценой данной продукции зарубежного производства.

Рафинирование жидких сплавов при их прохождении через фильтр происходит двумя путями:

-механическим отделением крупных неметаллических включений;

- адгезионной очисткой тонкодисперсных неметаллических включений.

Оба указанных механизма фильтрования, как правило, реализуются одновременно [1].

Эффективность рафинирования расплавов во многом зависит от режима фильтрования, который оценивается критической скоростью течения расплава в каналах фильтра.

Процессы объемной фильтрации описываются законом Дарси: для ламинарной фильтрации

уп=к^, (1)

для турбулентной

7, (2)

где Кп и Кт- коэффициенты ламинарной и турбулентной фильтрации, м/с; J - гидравлический уклон (градиент фильтрации); Ул и Ут - соответственно скорости фильтрации при ламинарном и турбулентном режимах движения расплава, м/с.

При фильтровании расплава с верху вниз гидравлический уклон равен:

•/=(Яме + Яф)/Яф, (3)

где Яф - высота (толщина) фильтра, м; Яме - высота столба расплава над фильтром, м.

Коэффициенты ламинарной и турбулентной фильтрации соответственно равны:

*л =

4Ау :

п Ч2г

2 В

(5)

где П - пористость фильтра, % или доля; с/„ -средний диаметр пор фильтра, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; V - коэффициент кинематической вязкости расплава, м2/с; А и В - коэффициенты, характеризующие вязкостный и инерционный параметры пористой среды фильтра. Для обычных пор А=70, 5=1,05. На практике значения А иВ могут колебаться соответственно в пределах 50...105 и 0,85...1,3.

Таким образом, для ламинарного режима характерна линейная зависимость скорости фильтрации от градиента давления, а для турбулентного -квадратичная.

Следует отметить, что турбулентное движение расплава в порах фильтра характеризуется

значительными потерями давления (лА7 ), вызванными возникновением в нем инерционных сил. Поэтому фильтрационное рафинирование сплава следует осуществлять с максимальной скоростью и при ламинарном режиме его движения в порах фильтра.

При высоких скоростях фильтрации происходит отрыв неметаллических включений от поверхности фильтра. Для устранения этого явления производится расчет допустимой скорости фильтрации по данным.

При ламинарном режиме

к,=-

/ N 2~

1- 1 °

(1

\ 9КВ

(6)

допустимая скорость фильтрации, м/с;

где

Гакр - критическая скорость расплава на уровне центра частицы, м/с;

й?экв - эквивалентный диа-

метр канала, м.

Г? =

СхРме$

(7)

ко-

где а - размер неметаллических частиц; (ртр эффициент трения; — нормальная сила притяжения частиц к поверхности фильтра, Н; Сх - коэффициент сопротивления частицы; рме - плотность металла, кг/м"”; 5 - площадь контакта металла с фильтром, м2.

При турбулентном режиме допустимая скорость будет зависеть от положения центра частицы между ламинарным пограничным слоем и турбулентным ядром [2].

(8)

К, = С {2d3KB/af при а/2 ><5Л ;

Кг = 1,44 К,43

1/7

V ^бл

при а/2 «5л . (9)

Из приведенных уравнений видно, что на допустимую скорость фильтрации влияет размер неметаллических частиц. Их влияние показано на рис. 1. Допустимая скорость фильтрации быстро уменьшается с увеличением размера частиц.

Размер неметаллических частиц а, мкм

Рис. 1. Влияние размера неметаллических частиц на допустимую скорость фильтрации

Расчеты показывают, что частицы размером 1 мкм будут смываться потоком при скоростях фильтрации 20...40 м/с, а частицы размером 10 и 100 мкм соответственно при 3...6 и 0,3...0,5 м/с.

Эти данные еще раз подтверждают предположение, что наиболее эффективное рафинирование сплавов будет обеспечиваться при ламинарном режиме.

Площадь контакта F фильтрующегося расплава с поверхностью фильтра определяется по формуле 4 тМА

F = —у±, (Ю)

«п

где т - пористость фильтра, м3/кг; - масса

фильтра, кг; т = п/рп Т , где рп г - плотность пористого тела, кг/м3.

Данные расчетов площади поверхности контакта фильтра с расплавом приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значения площади поверхности контакта фильтра с расплавом

(/п-103, м Дь-102, м 5,ь'102, м2 F103, м2

2,0 3,0 0,35 14,7

2,0 2,0 0,33 9,24

2,0 2,0 0,24 6,72

Объемный расход металла в единицу времени через фильтр будет определяться выражением:

в = гл%. (И)

где £ф - площадь фильтра, м2.

Следовательно, площадь фильтра для получения отливки массой М при заданном оптимальном времени заливки т0ПТ будет определяться по выражению

— М/Ръ&е ^ОПТ^Л • (12)

В целом эффективность фильтрационного рафинирования расплавов с помощью пенокерамических фильтров можно оценить по формуле 1

с=сп

1 + ка

яфп2

(13)

(1-п)Ч2

где С - содержание включений в расплаве после его фильтрации, %; С0 - содержание включений в расплаве до фильтрования, %; Ка - коэффициент, характеризующий адгезионную активность материала фильтра.

Проведенный теоретический анализ показывает, что для повышения эффективности фильтрационного рафинирования металлических расплавов необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

- использовать мелкопористые фильтры;

- увеличивать толщину фильтров;

- материал фильтра должен максимально смачиваться неметаллическими включениями, находящимися в расплаве и минимально самим расплавом;

- пористость и диаметр пор фильтра, гидравлический уклон должны обеспечивать фильтрование расплава с максимальной скоростью при соблюдении ламинарного режима фильтрации;

- площадь фильтра должна гарантировать заполнение литейной формы металлом за оптимальное (требуемое) время.

Для внутриформенной фильтрационной очистки могут применяться различные типы фильтров:

- сетчатые стекловолоконные;

- прямоточные, в виде керамических пластин со сквозными отверстиями;

-зернистые, в виде зерен различных огнеупорных материалов, расположенных между двумя керамическими пластинами;

- открытоячеистые пенокерамические.

(»»»»»т»тш»»яшш% т я я я » я‘» шш*»»»щл

• » я*»'»ттт»т»т,*»%

»яяяШшмяят «'я я Ъ * » я я т* я-я я-я т ш я т т % я я я я м ш л. т.« '» а * •

• а.» я я * ■ * * ш-яя а 9 ч к ■ ■ • -И•'■'«-'¿'Цп

• « ■ *;* • «-» тш ш

> *>,««'* а т т,' т т:' и т: » ш

> •,«.*.*» *•••» • щ\* т * л

‘а « » М-» «I я 1й

а* * *■* «-а ■ «Г» в’| яЦ

а) 6)

Рис. 2. Фильтры: а - сетчатый стекловолоконный; б - прямоточный

В сетчатых и прямоточных фильтрах (рис. 2) реализуется первый путь, при этом эффективность очистки мало зависит от толщины фильтра. В качестве фильтрующего элемента довольно широкое применение при получении алюминиевых и чугунных отливок нашла стеклосетка марки КС 11-ЛА, изготовленная из крученых нитей на основе щелочного стекла № 11 (БЮг - 94...96 %, 1Ча20 - до

0,6 %, А1203 - до 4 %) с ячейкой 1,5x1,5. Однако, для фильтрации сплавов с более высокой температурой заливки, содержащих включения меньшего размера, целесообразно применять зернистые или пенокерамические фильтры. Зернистые насыпные фильтры можно устанавливать практически только в заливочную воронку, к тому же это связано с определенными неудобствами. Применение пенокерамических фильтров показало наибольшую эффективность их работы. В этом случае в полной мере реализуются механизмы улавливания неметаллических включений, в том числе размером значительно меньше ширины ячейки фильтра, вплоть до нескольких микрон. В тонких каналах фильтра включения обосабливаются в структуре потока, благодаря чему создаются условия для их отделения и удержания под действием гидродинамических, гидростатических и поверхностных сил. Изменение сечения фильтрующего канала в пенокерамических фильтрах приводит к изменениям скорости движения расплава, при этом в результате действия гидравлических сил легкие включения всплывают, а тяжелые опускаются. Их отделению способствует вращение металла в застойных зонах поры. При таком механизме фильтрации ее эффективность прямо пропорционально зависит от толщины фильтрующего элемента. Следует также отметить, что реальный путь, пройденный металлом внутри пенокерамического фильтра, равен сгМе=1/2ПН, где Н - геометрическая высота фильтра, т. е. он примерно в 1,5 раза больше, чем в прямоточном фильтре за счет извилистости пор.

На кафедре литейного производства ЮУрГУ разработан один из вариантов производства пено-

керамических фильтров, применительно к литью по выплавляемым моделям жаропрочных никелевых сплавов, в частности лопаток газотурбинных двигателей и установок. Технология получения пенокерамических фильтров включает нанесение жидких огнеупорных покрытий на вспененный открытоячеистый пенополиуретан, который получают, добавляя специальные вспенивающие реагенты при полимеризации полиуретана. Полученный материал имеет только частично открытую пористость (неретикулированная структура), поэтому он подвергается ретикуляции путем объемного взрыва газовой смеси в специальных автоклавах. Преимуществом ретикулированного вспененного полиуретана является идеально регулярная пористая структура с максимально высокой пористостью (до 96 %), поэтому его используют в качестве носителя при получении фильтров. После нанесения огнеупорного покрытия путем погружения вспененного пенополиуретана в жидкую огнеупорную суспензию, отжимке или продувке сжатым воздухом для удаления избытков суспензии из пор, его подвергают сушке и последующей прокалке. В процессе обжига полиуретан выгорает, а керамика образует объемный фильтр.

Разработанная технология позволяет получать открытоячеистые пенокерамические фильтры пористостью 60...70% с размерами пор 0,5...5 мм, обеспечивающие оптимальный режим фильтрации никелевого сплава в условиях вакуумной заливки.

За основу принималась суспензия на гидролизованном этилсиликате с использованием в качестве наполнителя порошков электрокорунда с технологическими добавками, улучшающими спекание, повышающими прочность керамики и технологичность суспензии.

Желательная температура обжига фильтра должна быть 0,8.. .0,9 от температура заливки сплава, для жаропрочных никелевых сплавов 1400... 1500 °С Такие температуры обеспечивают высокую прочность фильтров, что гарантирует их хранение, транспортировку и установку в форму без поломок.

20 (СиКа)

А - а-А12Оз; М - муллит 3 АЬОз^Юг; К - р-кристобаллит віОг; Т - ТІО2 Рис. 3. Дифрактограмма прокаленного фильтра

Предельные скорости ламинарной фильтрации при (Ке„= 10) и значения коэффициента фильтрации при (П = 0,7)

Таблица 2

£?п'103, М 0,25 0,5 2,0 3,0 4 5,0

Кл-Ю^м/с 32,0 16,0 14,0 2,6 2,0 1,6

Ял-Ю^м/с 1,90 7,6 122,6 225,6 490 765,7

Таблица 3

Скорость турбулентной фильтрации (Кел = 500) и значения коэффициента фильтрации при (П=0,7)

4-І О3, м 0,25 0,5 2 3,0 4 5

Кт-10і, м/с 1600,00 800,0 200 133,2 100 80

а:т- і о3, м/с 239,00 338,0 676 828,0 956 1069

Данные рентгенофазового анализа прокаленного фильтра (рис. 3) свидетельствуют о наличии только оксидных фаз, термодинамически устойчивых в условиях заливки металла.

Для жаропрочных никелевых сплавов, имеющих при температуре 1560+10 °С кинематическую вязкость 8-Ю“7 м2/с, значения предельной скорости расплава, коэффициента фильтрации для ламинарного режима приведены в табл. 2, а для турбулентного режима соответственно в табл. 3.

Экспериментально установлено, что для фильтрационного рафинирования отливок из жаропрочного никелевого сплава массой 8... 10 кг с оптимальной массовой скоростью заливки 0,9... 1,1 кг/с эффективно зарекомендовали себя фильтры высотой 20 мм и диаметром 60 мм (рис. 4).

Анализ дефектности лопаток газотурбинных двигателей, залитых через пенокерамические фильтры,

Рис. 4. Пенокерамический фильтр

показал улучшение качества литой поверхности, снижение общего брака по засорам, рентген- и люмконтролю по сравнению с отливками, изготовленными без применения фильтрации расплава, что позволило увеличить выход годных лопаток на 8... 15%. Также с положительным эффектом данные пенокерамические фильтры применялись при получении отливок из магниевых сплавов. Возможно их эффективное приме-

нение и при литье других сплавов цветных и черных и металлов.

Литература

1. Тэн, Э.Б. Рафинирование металлических раставов фильтрованием / Э.Б. Тэн // Черная металлургия. - 1991. -№ 3. - С. 63-65.

2. Инженерные расчеты по теории литейных процессов / под ред. В.М. Щуголя. - Алма-Ата: «Рауан», 1991. - 224 с.