Сучасні способи отримання литих виробів з максимальним подрібненням кристалічної структури передбачають застосування зовнішніх впливів на рідкий та тверднучий метал, серед яких: теплові, барометричні, електромагнітні, гравітаційні, механічні, високоенергетичні. З позицій ефективності та економічності виробництва представляє інтерес комбінація методів регульованого тепловідведення і вібраційної низькочастотної обробки, які мають істотний вплив на процеси тверднення. Передача імпульсу рідкому або тверднучому металу через стінку ливарної форми пов'язана з енергетичними втратами. Тому найбільш вигідним є спрямування імпульсу безпосередньо до розплаву через занурений в нього вібруючий хвилевід. Реалізація такого способу дозволяє використовувати його для отримання виливків в піщано-глинистих формах, які легко руйнуються. Тверднення виливків в таких формах супроводжується живленням їх рідким металом з відкритим надливом.

У роботі [1] вивчено можливість управління структурою виливка через відкриту поверхню надливу з використанням вібруючого кристалізатора, зануреного в поверхневий шар розплаву у формі з низькими теплофізичними характеристиками. Фізичне моделювання, проведене на сплаві органічної речовини: камфен – 90%, трициклен – 10%, дозволило спостерігати та фіксувати зародження, зростання кристалів на нерухомому сталевому кристалізаторі, заглибленому на 8-10 мм під дзеркало розплаву. А також зародження, зростання та відрив кристалів від кристалізатора, який вібрував з частотою 50 Гц та амплітудою 0,5 мм, осідання їх на дно форми під дією сил гравітації з утворенням «конуса осадження», що створює відповідні умови для формування дрібнокристалічної структури при твердненні .

Перевірку встановлених при фізичному моделюванні закономірностей здійснено на розплавленому алюмінію А7 з використанням аналогічних режимів вібрації у ливарній формі з волограну, теплопровідність якого становить 0,16 Вт/(м·К), теплоємність 1,185 кДж/(кг·К). Дві серії експериментів, проведених в умовах природного охолодження від температури 670 ^оС на повітрі з нерухомим і вібруючим кристалізатором, показали, що обробка металу, що твердне, вібруючим кристалізатором сприяє 16-кратному зменшенню розміру макрозерна в порівнянні з виливками, отриманими при об'ємному твердненні в відсутності кристалізатора. Присутність у розплаві нерухомого кристалізатора призводить до зменшення щільності виливка на   0,42%, вібруючого – до збільшення щільності на 1,2%. Використання вібруючого кристалізатора забезпечує підвищення характеристик міцності в 1,87 рази в порівнянні з виливками, отриманими у волограновій формі без кристалізатора і при його нерухомому положенні. Пластичність зразків при цьому підвищується більш ніж у 3 рази.

Суттєвим фактором впливу на процес тверднення та структуру виливка має гідродинамічне перемішування усього об’єму розплаву, яке виникає при вібрації кристалізатора в його поверхневому шарі. Для визначення ефективних параметрів оброблення в роботі проведено оцінку цього впливу.

Обурення від вібруючого кристалізатора поширюється в частині розплаву, що не затвердіває, у вигляді усіченого конуса 1, аналогічно тому, як це спостерігається при ультразвуковій, електрогідроімпульсній і магнітно-імпульсній обробці [2, 3] (рис. 1).          З рівняння Бернуллі випливає умова перебігу розплаву в «трубі змінного перерізу» (конусі):

P ∙ V ∙ S = const.                                                         (1)

Тобто, питома потужність (P ∙ V = W) у конусі з відстанню (від торця до низу) падає за законом:

,                                                               (2)

де індекс 1 відноситься до вершини конуса, а індекс 2 – до його основи.

Рис. 1. Схема збудження від торця кристалізатора, що вібрує

Зону 1 (рис. 1) назвемо зоною максимального впливу, а зону 2 – зоною вторинного впливу. Завдання полягає в тому, щоб перемішати розплав, оброблений в зоні 1 з необробленим в зоні 2. Оцінимо мінімальний час обробки всього розплаву. Кристалізатор (див. рис. 1) здійснює коливання з амплітудою А та періодом Т. Тоді максимальна швидкість руху кристалізатора і відповідно розплаву складе:  ν = А/(0,25Т).

За час, що дорівнює напівперіоду коливання 0,5Т, потік розплаву переміститься від торця кристалізатора в зону 2. Потім кристалізатор переміщується у зворотному напрямку, при цьому частково змішується оброблений та необроблений розплави.

Логічно прийняти, що в зоні 1 W₁/W₂≈e або S₂/S₁≈e, тоді R/r =  = 1,64. Несладно показати, що h = (R-r)/tg30^o = 1,1 r. У свою чергу, об’єм зони 1:

.

Якщо прийняти, що r = 4·10^-3 м; Т = 0,02 с, щільність розплаву ρ = 2400 кг/м³; маса розплаву М = 0,5 кг, максимальна амплітуда переміщення торця кристалізатора визначається геометричними розмірами ексцентрика, що створює вібрації кристалізатора при обертанні. Візьмемо А = 5·10^-4 м. Тоді обсяг всього розплаву V_p = 0,5/2400 = 2,1·10^-4 м³, V_k = 3,93·10^-7 м³. Їхнє відношення може відповідати мінімальній кількості циклів навантаження, за які необроблений розплав потрапляє в зону 1. Але це ідеальний випадок. У цьому випадку кількість циклів можна оцінити таким значенням:

Як показано у роботі [3], це число циклів доцільно потроїти. Тоді мінімальний час обробки розплаву, що рекомендується, при вибраних параметрах кристалізатора і розплаву складе величину:

c.

При цьому максимальна швидкість переміщення торця кристалізатора і розплаву складе А/(0,25Т) = 0,1 м/с.

Таким чином, в процесі віброобробки кристалізатором розплаву, в якому починають утворюватися частинки твердої фази, розвиваються гідродинамічні потоки, що сприяють перемішуванню розплаву і розповсюдженню в його об’ємі кристалів, які утворилися на кристалізаторі. Представлений алгоритм розрахунку часу обробки розплаву вібруючим кристалізатором показує, що ефективність обробки залежить від радіусу кристалізатора r, максимальної його амплітуди А, періоду коливань Т та об’єму розплаву.

Література:

1. Шейгам В.Ю., Пригунова А.Г., Кошелєв М.В., Нурадінов А.С., Дука В.М., Шеневідько Л.К., Вернидуб А.Г.  Управління структурою виливка через відкриту поверхню надливу // Процеси лиття, 2021. – №4. – С.30-39.

2. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов / О.В. Абрамов, В.И. Добаткин, В.Ф. Казанцев и др. – М.: Наука, 1986. – 275 с.

3. Tsurkin V.N., Ivanov A.V., Cherepovskii S.S., Vasyanovich N.A. Comparative analysis of functional possibilities of methods of pulse treatment of a melt // Surf. Eng. Appl. Electrochem, 2016. – Volume 52(№2). – P. 181–185.