CC BY
91
УДК 669.715-154:537.87+537.715.02/09
ИМПУЛЬСНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА РАСПЛАВОВ ЦИНКОВЫХ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ
Н.А. Шабурова
PULSED ELECTROMAGNETIC TREATMENT OF MOLTEN ZINC AND COPPER ALLOYS
N.A. Shaburova
Из известных к настоящему времени способов внешнего воздействия на металлы на стадии расплава наиболее востребованы и популярны ультразвуковая и температурно-временная обработка, а также обработка низкочастотными колебаниями. Накопленные многочисленные экспериментальные данные по указанным способам воздействия свидетельствуют о положительной роли внешних физических воздействий на структурообразование в сплавах различного назначения - деформируемых, гранулируемых и литейных. Наряду с этим появляются и новые методы воздействия на расплавы, результаты которых, несомненно, заслуживают внимания. Об одном из таких методов - обработке расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) - уже неоднократно упоминалось. В работе представлены новые экспериментальные данные по обработке расплавов цинка, меди и медных сплавов.
Ключевые слова: обработка расплавов, цветные металлы, НЭМИ.
From ways of external influence on metals at a melt stage known by this time, the most claimed and popular are ultrasonic and temperature-time processing as well as processing by low-frequency fluctuations. Collected numerous experimental data on the specified ways of influence give evidence of positive role of external physical influences on structurization in alloys of various purpose - deformed, granulated and foundry. Along with it, new methods of influence on melt are appearing, and their results are certainly worthy. One of such methods, namely processing of melt by nanosecond electromagnetic impulses (NEMI), was already repeatedly mentioned. In this work new experimental data on processing melts of zinc, copper and copper alloys are presented.
Keywords: melt processing, nonferrous metals, NEMI.
Схема установки, используемой для обработки расплавов НЭМИ приводилась ранее [1—4].
Эксперимент проводился на металлах и сплавах следующих составов:
- медь марки М1;
- цинк: не менее 99,98 % гп; 0,005 % РЬ;
< 0,001 % Са; 0,0041 % Бе; 0,001 % Си; 0,001 % Яп;
< 0,001 % ЯЬ; <0,0005 % Ає;
- бронза БрАЖ10-3: 9,4 % А1; 3,4 % Бе;
0,01 % Яп; 0,09% Яі; 0,26 % N1; 0,05 % РЬ; 0,83 % гп; остальное медь.
Расплав цинка массой 300 кг обрабатывался НЭМИ при начальной температуре 450 °С в течение 1,5 часа. После этого металл подавался на машину для литья под давлением 711-Б-09. Одновременно в одной форме отливались 8 шаровых анодов.
Сравнительное взвешивание шаровых анодов, отлитых по стандартной методике и с использованием НЭМИ, показало, что аноды, отлитые по опытной методике, весят на 15-20 % больше (в среднем 0,37 и 0,45 кг). При этом во всех ано-
дах, обработанных по стандартной методике, имелись усадочные поры в центральной части.
Изучение темплетов показало, что в обработанном НЭМИ металле значительно уменьшаются размеры пор (с 8-15 мм до 4-7 мм) и полностью отсутствует усадочная раковина.
Фотографии макроструктур цинковых анодов приведены на рис. 1. На приведенных снимках видны существенные различия в макроструктуре. Так в структуре необработанного металла у поверхности имеется зона шириной около 4-5 мм, в которой располагаются дисперсные столбчатые кристаллы толщиной в среднем 0,1-0,15 мм. В центральной части отливки преобладают крупные равноосные кристаллы диаметром 1-1,5 мм.
У обработанного металла также имеются две зоны кристаллизации. Но зона подкорковых столбчатых кристаллов имеет ширину порядка 9-11 мм, а размеры кристаллов по результатам измерения методом случайных секущих в 1,5-2 раза превышают размеры кристаллов необработанного металла. В верхней трети части слитка в зоне равно-
а) б)
Рис. 1. Макроструктура темплетов чистого цинка: а - образец сравнения; б - обработанный НЭМИ
осных кристаллов хорошо видны единичные рассредоточенные усадочные поры размером 0,1 мм.
Микроструктурные исследования на оптическом микроскопе различных зон слитка подтвердило укрупнение зеренной структуры в обработанном НЭМИ металле (рис. 2).
а) б)
Рис. 2. Микроструктура зон столбчатых кристаллов шаровых анодов, х25: а - исходный; б - обработанный НЭМИ
Исследования изломов образцов цинка показали, что в обоих случаях металл имеет хрупкий межкристаллический излом рис. 3.
Исследовались тонкие пленки меди, полученные методом термовакуумного напыления на по-ликоровые подложки. Напыление проводилось по стандартной методике, в одном случае использовалась обычная электротехническая медь, во втором - обработанная в жидком состоянии НЭМИ в течение 10-15 минут.
Тонкие металлические пленки по своей природе представляют собой объекты с весьма разнообразными физическими свойствами, а многообразие и изменчивость этих свойств существенно расширяют возможности их практического применения. При создании и использовании пленочных материалов с заданными характеристиками необходимо знать основные закономерности изменения свойств тонких пленок.
Известно, что переход от массивных образцов к кристаллам малых размеров или тонким пленкам приводит к изменению параметра решетки. Так параметр решетки тонких пленок А1, Ы, РЬ и Ag «докритической» толщины уменьшается с уменьшением толщины [5], а Пинскер [6] обнаружил увеличение параметра решетки тонких пленок Си с уменьшением толщины. Показано [5], что изменение параметра решетки тонких пленок ванадия и хрома зависит от условий получения пленок, в частности от давления остаточных газов во время конденсации.
Проведены исследования поверхности полученных пленок на туннельном микроскопе (рис. 4). При сравнении поверхностей видно, что облученная медь (рис. 4, б) имеет меньшую высоту шероховатостей, чем необлученная (рис. 4, а).
Бронза БрАЖ 10-3 в количестве 300 кг обрабатывалась НЭМИ в ковше в течение 10 мин. В ходе проведения эксперимента отмечено:
- температура на поверхности расплава металла перед облучением составляла 1100 °С, после 10-минутного облучения 1230°;
- разница в усадке контрольных образцов и деталей (втулок) составила порядка 5 мм.
а)
Рис. 3. Изломы образцов цинка: а -
а)
Рис. 4. Поверхности
Были проведены испытания на растяжения, определены твердость и плотность образцов. Результаты испытаний приведены в табл. 1-3.
Исследование микроструктуры на растровом электронном микроскопе ШОЬ 1ЯЫ-6460ЬУ показало идентичный фазовый состав образцов: а-фаза на основе меди и алюминия (матрица), эвтектоид (а+у2), свинцовисто-медная фаза и неметаллические оксидные включения. В обоих образцах указанные эвтектоидные и свинцовистые фазы распределены неравномерно в плоскости шлифа и имеют неправильную форму.
Анализ микроструктуры травленных образцов показал, что в необработанном образце наблюдаются дендриты различных размеров. В обработанном НЭМИ образце дендриты мельче и более однородны по размерам.
Характеристики
б)
исходного; б - обработанного НЭМИ
б)
напыленных пленок
В обоих образцах наблюдаются выделения неравновесной эвтектики по границам дендритов и эти выделения имеют неправильную форму и носят фрагментарный характер. Следует отметить, что в обработанном НЭМИ образце выделения неравновесной эвтектики имеют меньший размер.
Таким образом, по результатам проведенных исследований можно отметить следующее.
Обработка расплава цинка приводит к повышению плотности металла, снижению пористости отливки. Укрупнение микроструктуры исследуемых образцов ввиду идентичности процесса разливки обработанных и необработанных НЭМИ образцов можно объяснить снижением количества примесных частиц в расплаве обработанного НЭМИ образца.
Таблица 1
:плава БрАЖ 10-3
Образец Предел прочности, МПа Предел текучести условный, МПа Относительное удлинение, % Относительное сужение, %
Необработанный НЭМИ 50,6 11,8 21 28
Обработанный НЭМИ 50 14,4 23,4 25,6
Шабурова Н.А.
Таблица 2
Твердость образцов бронзы БрАЖ 10-3
Образец Твердость HRB
Необработанный НЭМИ 64,5
Обработанный НЭМИ 70,7
Таблица 3
Плотность образцов бронзы БрАЖ 10-3
Образец Плотность, г/см3
Необработанный НЭМИ 8,573
Обработанный НЭМИ 8,642
Что касается напыленных медных пленок. Известно, что процесс конденсации и структура образующейся пленки существенно зависят от кинетических параметров конденсации: температуры подложки, плотности падающего молекулярного пучка, определяющей концентрацию адсорбированных атомов, характера взаимодействия осаждаемых атомов с подложкой, ее потенциальным рельефом и т. п. [7]. Следовательно, большая равномерность покрытия при использовании обработанной НЭМИ меди свидетельствует о влиянии импульсной обработки на силы межатомного взаимодействия и формировании однородного молекулярного пучка.
Сравнительный анализ образцов бронзы БрАЖ10-3 показывает, что повышение температуры на поверхности расплава в процессе облучения на 120 °С можно объяснить тем, что воздействие НЭМИ на расплав приводит к возникновению на поверхности расплава тока и, как следствие, разогрев металла.
Механические свойства металла после обработки практически не изменились. Следует отметить для обработанных образцов снижение твердости на 10 %, некоторое повышение предела текучести и относительного удлинения.
Так же, как и для чистых металлов отмечено небольшое повышение плотности облученного образца.
В микроструктуре исследуемых образцов также имеются небольшие отличия: в облученном образце отмечено уменьшение размеров и количества эвтектических и свинцовистых фаз. Сравни-
тельный анализ микроструктур показывает, что кристаллизация облученного образца протекает более равномерно.
Литература
1. Крымский, В.В. Изменение свойств цветных металлов под воздействием наносекундных электромагнитных импульсов: препринт / В.В. Крымский, Ю.Д. Корягин, Н.А. Сарычева. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 16 с.
2. Шабурова, Н.А. Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов на расплавы цветных металлов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». - 2006. - Вып. 7. -№ 7(62). - С. 152-156.
3. Крымский, В.В. Радиационно-динамические явления в расплавах цветных металлов /В.В. Крымский, Н.А. Шабурова //Изв. вузов. Физика. - 2009. -№ 8/2. - С. 524-527.
4. Корягин, Ю.Д. Комбинированная обработка литейных алюминиевых сплавов в жидком и твердом состоянии /Ю.Д. Корягин, Н.А. Шабурова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». -2009. - Вып. 13. - № 36(169). - С. 51-55.
5. Изменение параметра решетки тонких пленок ванадия и хрома / Н. Т. Гладких, А.И. Песин, И.Е. Проценко и др. // УФЖ, 1973. - Т. 18, № 2. -С. 208-211.
6. Пинскер, З.Г. Дифракция электронов / З.Г. Пинскер. - М.: Изд-во АН СССР, 1949. - 406 с.
7. Комник, Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты / Ю.Ф. Комник. - М.: Атомиздат, 1979. - 264 с.
Поступила в редакцию 11 октября 2Q11 г.
