RU2102183C1

RU2102183C1 - Process of treatment of technically pure metal

Info

Publication number: RU2102183C1
Application number: RU93039916A
Authority: RU
Inventors: А.В. Марков; В.С. Кравченко
Original assignee: Институт металловедения и физики металлов
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: metallurgy, treatment of melts with elastic vibrations, for example, ultrasonic ones, refining of metals. SUBSTANCE: process includes melting of metal, its crystallization and ultrasonic treatment that is conducted with excitation of alternating stresses not below yield point of treated metal. In agreement with first version ultrasonic treatment is carried out during crystallization of ingot. According to second version it is conducted after completion of crystallization of ingot in process of its cooling. EFFECT: increased physical homogeneity by elimination of polygonization boundaries with preservation of initial purity or prevention of their formation. 2 cl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к обработке расплавов упругими колебаниями, например ультразвуковыми, и может быть использовано при рафинирующих переплавах. The invention relates to metallurgy, in particular to the processing of melts by elastic vibrations, for example ultrasonic, and can be used for refining remelts.

В однофазных литых металлических материалах в процессе охлаждения слитка формируются в литом зерне полигонизационные границы, существенно ухудшающие технологические и эксплуатационные свойства литого металла. In single-phase cast metal materials, during the cooling process of the ingot, polygonization boundaries are formed in the cast grain, which significantly degrade the technological and operational properties of the cast metal.

Известен способ обработки металлов, например, зонная плавка (очистка), включающая последовательное (зонное) плавление металла, ультразвуковую обработку жидкой ванны, кристаллизацию [1]
Однако известный способ не обеспечивает получение металла высокой частоты без полигонизационных границ.A known method of processing metals, for example, zone melting (cleaning), including sequential (zone) melting of the metal, ultrasonic treatment of a liquid bath, crystallization [1]
However, the known method does not provide high-frequency metal without polygonization boundaries.

Техническим результатом изобретения является повышение физической однородности чистого металла путем устранения полигонизационных границ в чистых металлах с сохранением их исходной чистоты, либо путем предотвращения образования границ. The technical result of the invention is to increase the physical homogeneity of pure metal by eliminating polygonization boundaries in pure metals while maintaining their original purity, or by preventing the formation of borders.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе обработки металла высокой чистоты, включающем расплавление металла, его кристаллизацию и ультразвуковую обработку, ультразвуковую обработку ведут с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести обрабатываемого материала. Ультразвуковую обработку ведет при кристаллизации слитка. Ультразвуковую обработку можно проводить и после окончания кристаллизации слитка в процессе его охлаждения. The essence of the invention lies in the fact that in the method of processing high-purity metal, including the melting of the metal, its crystallization and ultrasonic treatment, the ultrasonic treatment is carried out with excitation of alternating stresses not less than the yield strength of the processed material. Ultrasonic treatment is carried out during crystallization of the ingot. Ultrasonic treatment can also be carried out after the crystallization of the ingot is completed during its cooling.

Формирование первичного литого зерна при кристаллизации металлических расплавов происходит при встрече растущего (растущих) кристаллитов, рост которых начался из различных центров. Граница встречи кристаллитов становится границей первичного зерна, которая окружает кристаллит в произвольной форме. The formation of primary cast grains during crystallization of metal melts occurs when meeting growing (growing) crystallites, the growth of which began from various centers. The boundary between crystallites becomes the boundary of the primary grain, which surrounds the crystallite in arbitrary shape.

В процессе охлаждения слитка без полиморфных превращений происходит переход напряженного состояния первичного зерна, повышенное значение свободной энергии, вызванного большим количеством несовершенств в кристаллической решетке: дислокации, вакансии, примесные выделения, к состоянию с меньшей свободной энергией, путем перемещения и группировки дислокаций и вакансий в определенных участках слитка с появлением полигонизационных границ. In the process of cooling an ingot without polymorphic transformations, the stress state of the primary grain undergoes a transition, an increased value of free energy caused by a large number of imperfections in the crystal lattice: dislocations, vacancies, impurity precipitates, to a state with lower free energy, by moving and grouping dislocations and vacancies in certain sections of the ingot with the appearance of polygonization borders.

Полигонизация процесс движения и группировки дислокаций в устойчивые ряды. Возникающие новые границы ориентированы произвольным образом по отношению к первичным монокристаллитам. В этих условиях первичный кристаллит может распадаться на ряд полигональных зерен. Границы этих зерен выявляются в виде отдельных ямок травления. Polygonization is the process of movement and grouping of dislocations in stable rows. Emerging new boundaries are randomly oriented with respect to primary single crystals. Under these conditions, the primary crystallite can decompose into a number of polygonal grains. The boundaries of these grains are detected in the form of separate etching pits.

В процессе полигонизации литых металлов при наличии усадочных напряжений вокруг цепочки дислокаций могут конденсироваться вакансии, создавая в отдельных участках границы больших разрыхлений или микротрещин. In the process of polygonization of cast metals in the presence of shrinkage stresses around the chain of dislocations, vacancies can condense, creating in some areas the boundaries of large loosening or microcracks.

Последующая деформация или эксплуатация литого материала при наличии граничных дефектов приводит к межкристаллитному разрушению, в агрессивных средах к ускоренной коррозии. Subsequent deformation or operation of the cast material in the presence of boundary defects leads to intergranular fracture, in aggressive environments to accelerated corrosion.

Вышеперечисленные дефекты могут быть подавлены или значительно ослаблены путем наложения ультразвуковых колебаний на поверхность оболочки кристаллизующегося слитка. Ультразвуковая волна знакопеременных напряжений будет осуществлять одновременно с усилением диффузионных процессов и релаксацию как за счет генерирования новых дислокаций, так и путем вовлечения уже существующих в пластическое течение. В этом случае снижение свободной энергии в первичном зерне будет стимулированным, а не произвольным. Для возбуждения подобного процесса в материале необходимо подвести к материалу акустическую энергию с возбуждением знакопеременных напряжений не менее предела текучести σ_τ обрабатываемого материала.The above defects can be suppressed or significantly attenuated by applying ultrasonic vibrations to the surface of the shell of the crystallizing ingot. An ultrasonic wave of alternating stresses will simultaneously carry out the intensification of diffusion processes and relaxation both due to the generation of new dislocations and by involving existing ones in the plastic flow. In this case, the decrease in free energy in the primary grain will be stimulated, not arbitrary. To excite such a process in a material, it is necessary to bring acoustic energy to the material with the excitation of alternating stresses not less than the yield strength σ _{τ of the} processed material.

В случае, когда ультразвуковую обработку ведут при кристаллизации слитка, обработка препятствует образованию полигонизационных границ, а в случае обработки после окончания процесса кристаллизации обработка устраняет полигонизационные границы. In the case when the ultrasonic treatment is carried out during crystallization of the ingot, the processing prevents the formation of polygonization boundaries, and in the case of processing after the end of the crystallization process, the processing eliminates the polygonization boundaries.

Обработку жидкого металла ведут при кристаллизации, которая сопровождается возникновением и ростом кристаллитов с образованием каркаса слитка, ввод ультразвуковых колебаний приводит к возникновению и росту кристаллов при знакопеременных напряжениях и их релаксации при пластическом течении. Механизм релаксации при пластическом течении с s ≥ σ_τ позволяет препятствовать возникновению и росту полигонизационных границ. В случае s < σ_τ мы наблюдаем процесс возникновения полигонизационных границ, что свидетельствует о наличии порогового значения для протекания внутризеренных релаксационных процессов.The processing of liquid metal is carried out during crystallization, which is accompanied by the appearance and growth of crystallites with the formation of an ingot cage, the introduction of ultrasonic vibrations leads to the appearance and growth of crystals under alternating stresses and their relaxation during plastic flow. The relaxation mechanism in a plastic flow with s ≥ σ _τ prevents the occurrence and growth of polygonization boundaries. In the case s <σ _τ, we observe the process of the appearance of polygonization boundaries, which indicates the presence of a threshold value for the occurrence of intragranular relaxation processes.

В случае обработки кристаллизующегося слитка ультразвуковая обработка приводит к распаду субзерен полигонизационных границ и образованию зеренной структуры. In the case of processing a crystallizing ingot, ultrasonic treatment leads to the decomposition of subgrains of polygonization boundaries and the formation of a grain structure.

Примеры осуществления способа
Технически чистый хром марки ЭРХ (ТУ-14-5-76-76) расплавляют в индукционной печи и заливают в металлическую форму, которая имеет ультразвуковую колебательную систему с волноводами, установленными в отверстия стенки формы. Перед заливкой расплава ультразвуковые колебательные системы подключают к источнику питания.Examples of the method
Technically pure chrome grade ERX (TU-14-5-76-76) is melted in an induction furnace and poured into a metal mold, which has an ultrasonic oscillating system with waveguides installed in the holes of the mold wall. Before pouring the melt, the ultrasonic oscillatory systems are connected to a power source.

Заливку хрома производили при температуре 2000^oC в металлическую форму, в которой начинается кристаллизация слитка. Ультразвуковую обработку стенки формы осуществляли с амплитудой 0,8 мкм, что соответствует возбуждению знакопеременных напряжений в оболочке слитка 0,8 кг/мм², приводит к наложению знакопеременных напряжений того же значения в кристаллизующемся металле. Вместе со снижением температуры металла идет увеличение толщины оболочки слитка. В момент достижения 1850^oC процесс кристаллизации прекращается, выключают источник питания электромеханических преобразователей и слиток охлаждается без ультразвуковой обработки.Chromium was poured at a temperature of 2000 ^° C into a metal form in which crystallization of the ingot began. Ultrasonic processing of the mold wall was carried out with an amplitude of 0.8 μm, which corresponds to the excitation of alternating stresses in the shell of the ingot 0.8 kg / mm ² leads to the imposition of alternating stresses of the same value in the crystallizing metal. Along with a decrease in the temperature of the metal, an increase in the thickness of the shell of the ingot occurs. At the time of reaching 1850 ^° C, the crystallization process stops, the power source of the electromechanical transducers is turned off, and the ingot is cooled without ultrasonic treatment.

В случае обработки слитка после окончания кристаллизации процесс ведут следующим образом. Заливают хром при температуре 2000^oC в металлическую форму. По термопаре, заложенной в стенку формы, определяют температуру в различные моменты после заливки металла до температуры 1850^oC. В момент достижения температуры 1850^oC включают источник питания электромеханических преобразователей и начинают процесс ультразвуковой обработки. Режим обработки имеет следующие параметры. Ультразвуковая вибрация стенок формы с амплитудой колебательного смещения 0,8 мкм, знакопеременные напряжения в оболочке слитка при этой амплитуде 0,8 кг/мм². Для чистого хрома предел текучести при кристаллизации, полученный экспериментально, составляет 0,7-0,8 кг/мм².In the case of processing the ingot after crystallization is completed, the process is carried out as follows. Pour chrome at a temperature of 2000 ^o C in a metal form. Using a thermocouple embedded in the mold wall, the temperature is determined at various points after pouring the metal to a temperature of 1850 ^o C. At the time the temperature reaches 1850 ^o C, the power source of the electromechanical transducers is turned on and the ultrasonic processing process is started. The processing mode has the following parameters. Ultrasonic vibration of the walls of the mold with an amplitude of vibrational displacement of 0.8 μm, alternating stresses in the shell of the ingot at this amplitude of 0.8 kg / mm ² . For pure chromium, the crystallization yield strength obtained experimentally is 0.7-0.8 kg / mm ² .

Измерение малоугловых границ на образцах слитка с обработкой показали, что в слитке с режимом обработки, где s_t была менее 0,8 кг/мм², наблюдались малоугловые границы (угловые минуты) 1,5; 3; 3; 4; 6; 6; 7; 7; 9; 10; 10; 14; 14; 16; 17; 20; 25.Measurement of small-angle boundaries on samples of the ingot with processing showed that in the ingot with the processing mode, where s _t was less than 0.8 kg / mm ² , small-angle boundaries (angular minutes) of 1.5 were observed; 3; 3; 4; 6; 6; 7; 7; nine; ten; ten; fourteen; fourteen; 16; 17; 20; 25.

Для аналогичных образцов из слитков хрома с обработкой при s_t, равной 0,8 кг/мм², разориентировка отсутствовала, что свидетельствует об отсутствии полигонизационных границ и повышении внутризеренной физической однородности.For similar samples from chromium ingots with processing at s _t equal to 0.8 kg / mm ² , there was no misorientation, which indicates the absence of polygonization boundaries and increased intragranular physical uniformity.

Claims

1. A method of processing technically pure metal, including molten metal, crystallization, ultrasonic treatment, characterized in that the ultrasonic treatment is carried out in the process of crystallization of the ingot with the excitation of alternating stresses not less than the yield strength of the processed material.

2. A method of processing technically pure metal, including molten metal, crystallization, ultrasonic treatment, characterized in that the ultrasonic treatment is carried out after crystallization of the ingot during its cooling with excitation of alternating stresses not less than the yield strength of the processed material.