CC BY
75
9. Гвоздев А.Е. Ресурсосберегающая технология термомеханической обработки быстрорежущих вольфрамомолибденовых сталей типа Р6М5 //МИТОМ. 2005. №12. С. 27-30.
10. Влияние термоциклической обработки на структурные превращения в деформированном никеле / И.В. Тихонова [и др.]. Производство проката, 2011. № 3. С. 26-28.
11. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов и сверхпластичности в металлических системах: монография / А.Е. Гвоздев [и др.]. Тула: Издательство ТулГУ, 2011. 114 с.
О. V. Kusovleva
ABNORMAL CHANGES OF STRUCTURE AND PROPERTIESIN METALS AND ALLOYS AT THERMOMECHANLCAL INFLUENCES IN THE CONDITION OF PRETRANSFORMATION
Laws of change of structure and properties of metal systems at thermomechanical influence on them before phase transitions of the first and second sorts are established; optimization of modes of resource saving ways of form change of objects difficult to deform and based on the use of reserves of a pretransitive status plasticity is carried out.
Key words: metals, models, plasticity, durability, a status of pretransformation, alloys, steel, structure, transformation temperature, thermomechanical processing, cycling.
Получено 15.08.2011.
УДК [669.715.055:669.782]:537.81:66.065.5 A.A. Демидов, acn.,
И.М. Кавицкий канд. техн. наук,
А.Е. Гвоздев, д-р техн. наук, проф.,
О.В. Панттохин, канд.техн.наук, доц., директор издательства,
(4872) 35-36-20, ntomach@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЕРЕМЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Исследовано структурообразование алюминиевого сплава эвтектического состава АК-12 и изменение механических свойств при кристаллизации под воздействием переменных электромагнитных полей.
Ключевые слова: металлический сплав, алюминий, механические свойства, кристаллизация, электромагнитное поле.
Химический состав сплава, определенный на спектрометре ПАПУАС-4, приведен в табл. 1. По составу материал соответствует сплаву АК12 по ГОСТ 1583-93.
Таблица 1
Химический состав сплава
Наименование параметров Хим состав, вес. %
Си 8І Бе Мп Zn № Ті РЬ Са
Замер 1 0,02 0,12 15 1 0,34 0,06 0,02 0,01 0,049 <0,01
Замер 2 0,02 0,09 13,1 1,15 0,34 0,07 0,01 0,01 0,074 <0,01
Среднее 0,02 0,11 14 1,07 0,34 0,065 0,015 0,01 0,061 <0,01
Многочисленные исследования показали, что воздействие на сплавы переменными физическими полями оказывает влияние на структуру и свойства материалов, когда они находятся в жидкой и твердой фазе [1]. Известно, что колебания затвердевающей жидкости как звуковые, так и ультразвуковые увеличивают частоту возникновения зародышей; наличие макропотоков в жидкой фазе во время затвердевания также приводит к увеличению числа зародышей; при больших переохлаждениях зарождение одного единственного зерна вызывает лавинообразное нарастание числа зародышей.
Атомы компонентов, входящих в состав сплавов в конденсированной среде, всегда приобретают электрический заряд, превращаясь в положительно или отрицательно заряженные ионы [2]. При воздействии на конденсированную среду переменным электромагнитным полем колеблющиеся электроны взаимодействуют с ионами, образуя механическую колебательную систему. Если частота собственных колебаний атома химического элемента кратна частоте воздействующего переменного электромагнитного поля, то происходит резонанс на гармониках. Кинетическая энергия резонирующих атомов повышается. В результате возрастает их подвижность в растворе, что приводит к флуктуациям. Это позволяет управлять структурообразованием и соответственно свойствами материалов в процессе кристаллизации. Определено, что частота, по отношению к которой собственная частота колебаний атомов алюминия является кратной, составляет 4,57*10-11 Гц, а частота, по отношению к которой собственная частота колебаний кремния является кратной, равна 2,44*10-11 Гц [3,4].
Методика проведения экспериментов приведена ниже.
Силумин плавили в тигле, расположенном в муфельной печи. Для проведения металлографических исследований отливали образцы диаметром 9 мм и длиной 45 мм. Образцы заливали в песчано-глинистые сухие формы. В процессе кристаллизации подвод электромагнитного поля к образцам от генераторов осуществляли через выпор и литниковый стояк.
Эксперименты проводили с использованием двух генераторов: низковольтного с частотой доЗЗООкГци высоковольтного с напряжением до
15 кВ и частотой до 22 кГц. Характеристики генераторов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики генераторов
№ Показатель Един. измер. Г енератор низковольтный (Г-1) Г енератор высоковольтный (Г-2)
1 Выходная мощность Мах Вт 5 15
2 Выходная мощность Мт Вт 0,3 0,5
3 Закон регулирования мощности — Линейный
4 Электросопротивление объекта воздействия (внешнее сопротивление) Ом До 1,0 До 1,0
5 Максимальное напряжение на выходе В 10 15 000
6 Закон регулирования напряжения — Линейный
7 Закон регулирования тока — Линейный
8 Пределы регулирования частоты: —
8.1 Минимальная частота кГц од од
8.2 Максимальная частота кГц 3300 22
9 Закон регулирования частоты — Линейный
10 Вид колебания — Синусоида
При работе с генератором Г-2 образец подключали через искровик. Из одного тигля заливали три образца: исходный образец, не обработанный электромагнитным полем; второй образец, обработанный электромагнитным полем с частотой 457 Гц, третий образец, обработанный электромагнитным полем с частотой 244 Гц. На рис. 1 приведены микрострост-руктуры всех трех образцов при увеличении 500. На снимках темные включения - алюминий, светлые включения - кремний. На микрофотографиях видно, что при обработке частотой, по отношению к которой минимальная частота колебаний атомов алюминия являлась кратной, укрупняются включения алюминия, а при обработке частотой, по отношению к которой минимальная частота колебаний атомов кремния являлась кратной, укрупняются включения кремния.
а б в
Рис. 1. Сплав АК12 (х 500): а - исходная микроструктура; б - микроструктура после обработки частотой, по отношению к которой собственная частота колебаний атомов алюминия является кратной; в-микроструктура после обработки частотой, по отношению к которой собственная частота колебаний атомов кремния является кратной
С использованием генератора Г-1 определяли воздействие переменного электромагнитного поля частотой от 12 до 2650 кГц.
При изучении воздействия электромагнитного поля на образец в процессе кристаллизации продолжительность обработки составляла 3 ... 4 минуты, начиная от момента заливки формы жидким металлом. Этого времени достаточно для полной кристаллизации образца.
При обработке сплава электромагнитным полем в процессе кристаллизации проявляется скин-эффект. Толщина скин-слоя зависит от частоты проходящего электрического тока, физических свойств и химического состава материала. Усредненные данные по физическим свойствам сплава АК12 приведены в работе [5].
Однако, как следует из определенного ГОСТ 1583-93 химического состава сплава АК12, в нем допускается довольно большой предел по содержанию элементов, существенно влияющих на электропроводность, таких, как Мп, Си, Л, Бе. Поэтому для достоверности расчетов возникла не-
обходимость определить удельное сопротивление конкретного исследуемого сплава.
Для определения удельного сопротивления сплава АК12 из отлитого образца, закристаллизовавшегося без воздействия электромагнитного поля, выточили цилиндр диаметром 8,1 и длиной 70 мм. Определение электромагнитного сопротивления Я осуществляли с использованием измерительного моста Р4833 при температуре 20 °С. Среднее значение из 10 измерений сопротивления этого образца определено равным 0,0009 Ом. Точность определения Я составляет ± 5,6 %. По сопротивлению образца и его геометрическим размерам определили удельное электрическое сопротивление р=0,66*10'6 Ом*м. Точность определения р составляет ±6,1 %. Удельная электропроводимость а=15*105 См/м. Величину удельного электрического сопротивления сплава при температуре плавления определяли по формуле
Р577=Р*(1+ао*АГ), (1)
где р577 - удельное электрическое сопротивление при температуре плавления 577°С; А1= 577°С - 20 °С; Оо=460*10'5 °С'1 - температурный коэффициент электрического сопротивления; р577=0,66*10"6 *(1+460*10’5 *(577 - 20))= =2,3*Ю‘6Ом*м.
Удельная электропроводимость при 577 °С а577=4,2*105 См/м.
Используя эти значения по методике [6] рассчитали толщину скин-слоя в зависимости от частоты воздействующего электрического тока.
Толщину скин-слоя определяли по формуле
,-Г~
Т/да-А'М),сг ? (2)
где 5 - толщина слоя, мм; со - угловая скорость тока; ц = 1,000023 - магнитная проницаемость проводника; ц,о = 1,26*10’6 Гн/м - магнитная посто-
янная; а - удельная электропроводимость.
Результаты расчетов скин-слоя при температуре 20 °С приведены в табл. 3, а при температуре 577 °С - в табл. 4.
Таблица 3
Толщина скин-слоя в зависимости от частоты при температуре 20 °С
Частота, кГц 0,244 0,457 12 12,2 15 17 18 120 122 137 150
Толщина скин-слоя, мм 26,24 19,17 3,74 3,71 3,35 3,14 3,05 1,18 1,17 1,11 1,06
Частота, кГц 174 180 1096 1200 1220 1370 1830 2440 2610
Толщина скин-слоя, мм 0,98 0,97 0,39 0,37 0,37 0,35 0,30 0,26 0,25
Таблица 4
Толщина скин-слоя в зависимости от частоты при температуре 577° С
Частота, кГц 0,244 0,457 12 12,2 15 17 18 120 122 137 150
Толщина скин-слоя, мм 49,52 36,18 7,06 7,00 6,32 5,93 5,77 2,23 2,21 2,09 2,00
Частота, кГц 174 180 1096 1200 1220 1370 1830 2440 2610
Толщина скин-слоя, мм 1,85 1,82 0,74 0,71 0,70 0,66 0,57 0,50 0,48
Из данных табл. 4 следует, что при температуре плавления скин-слой должен проявиться уже при частоте воздействующего электромагнитного поля 120 кГц. При более низких частотах толщина скин-слоя превышает радиус образца (4,5 мм).
Как следует из анализа микроструктур, явно выраженный скин-слой появляется только при частоте воздействующего электромагнитного поля 2440 кГц. На рис. 2 приведены фотографии микроструктур различных участков поперечного сечения этого образца. Толщина скин-слоя, измеренная визуально с помощью объектмикрометра, составляет ~ 0,4 мм, что хорошо согласуется с проведенными расчетами. Кроме этого, выявлен переходной слой, толщиной ~ 2 мм. В центральной части образца наблюдаются крупные дендриты. Структура центральной части идентична структуре сплава в исходном состоянии. Такое изменение структуры в поперечном сечении образца, подвергнутого в процессе кристаллизации воздействию электромагнитного поля высокой частоты, не случайно.
По определению скин-слоем считается приповерхностный слой проводника, в котором ток по направлению от поверхности к центру уменьшается в 2,71 раза. Это не означает, что далее по направлению к центру ток отсутствует. Просто его величина уменьшается. Таким образом, общая толщина слоя, в котором происходят структурные изменения в условиях данного эксперимента, составляет 2,4 мм.
а б в
Рис. 2. Микроструктура силумина, обработанного в процессе кристаллизации электромагнитным полем частотой 2440 кГц (х 500): а - центр образца; б - переходная зона; в - край образца
Следовательно, при определении толщины слоя, в котором происходят структурные изменения в процессе кристаллизации при воздействии электромагнитного поля высокой частоты, нужно учитывать не только частоту колебаний, но и такие параметры, как ток и напряжение. Это требует дальнейших исследований.
При обработке расплава электромагнитным полем частотой ниже 1200 кГц явно выраженный скин-слой не наблюдается, а микроструктура образца огрубляется в направлении от периферии к центру.
На рис. 3,а приведена микроструктура образца, закристаллизовавшегося под воздействием переменного электрического тока частотой 120 кГц, на рис. 3,6 - частотой 150 кГц, на рис. 3,в - частотой 1200 кГц.
В результате проделанной работы получены данные по влиянию переменных электромагнитных полей малой мощности в интервале частот от 244 Гц до 2440 кГц на структурообразование сплава алюминий - кремний, а также установлено следующее.
1. Воздействие переменными электромагнитными полями на расплав силумина путем пропускания электрического тока через образец в процессе кристаллизации оказывает существенное влияние на процесс кристаллизации уже при малой мощности поля.
2. Степень изменения структуры силумина под воздействием переменных электромагнитных полей на расплав путем пропускания электрического тока через образец в процессе кристаллизации зависит от частоты электрического тока.
3. При обработке сплава в процессе кристаллизации электромагнитным полем частоты килогерцового диапазона металлографическим путем
в поперечном сечении образца выявлено наличие скин-слоя и мелкозернистого переходного слоя.
4.Структурообразованием силумина в процессе кристаллизации можно управлять воздействием электромагнитными колебаниями, имеющими частоту, по отношению к которой собственная частота колебаний атомов хотя бы одного из химических элементов, входящих в состав сплава, является кратной.
а б в
Рис. 3. Микроструктура силумина, обработанного в процессе кристаллизации электромагнитным полем (х 500): а - частотой 120 кГ\ц; б - частотой 150 кГц; в - частотой 1200 кГц
Приведенные в работе результаты могут быть использованы при получении отливок с различными свойствами по сечению, а также при химико-термической обработке силуминов путем пропускания через детали электрического тока определенной частоты.
Таким образом, получены данные по влиянию воздействия переменных электромагнитных полей на структурообразование сплава АК-12 при кристаллизации. Определенна толщина скин - слоя сплава АК - 12 в интервале температур от 20 до 577 °С при различных частотах.
Список литературы
1. Физическое металловедение. Вып.2 / под ред. Кана; пер. с англ. М.: Мир, 1985. 492 с.
2. Физическая энциклопедия. Т. 1. М.: Советская энциклопедия. 1988. 704 с.
3. Кавицкий И.М., Рушаник Б.А., Демидов А.А. Механизмм воздействия модификаторов при структурообразованиии высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярнымм графитом //Литейщик России. 2008. № 10. С 25-29.
4. Способ обработки расплавов сплавов: пат. 2344900 Рос. Федерация, опубл. 2009.01.27.
5. Марочник сталей и сплавов http://www.splav.kharkov.com/main.php.
A. A. Demidov, I.M. Kavitskii, А.Е. Gvozdev, О. V. Pantukhin
CHANGING THE STRUCTURE OF PROCESSING CHANGES SIL UMIN-GOVERNMENTAL ELECTROMAGNETIC FIELDS IN THE CRYSTALLIZATION PROCESS
The structure formation of aluminum alloy eutectic AK-12 and the mechanical properties during crystallization under the Impact of alternating electromagnetic fields is presented.
Key words: a metal alloy, aluminum, mechanical properties, crystallization, an electromagnetic field.
Получено 15.08.11.
УДК 621.941.25
С.А. Астахов, инженер, (4872) 33-24-70, tms@tsu.tula.ru.
А.В. Сидоркин, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-23-10, tms@tsu.tula.ru,
А.А. Маликов, д-р техн. наук, проф., зав.кафедрой, (4872) 33-23-10, tms@tsu.tula.ru , (Россия, Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ
Рассматривается ряд аспектов, связанных с экспериментальным исследованием жесткости важнейших элементов технологической системы. Выработана методика по выбору технологического оборудования для обработки опытных партий деталей в лабораторных условиях.
Ключевые слова: жесткость, токарный станок, точность, деформации, обработка.
В лабораториях Тульского государственного университета на протяжении ряда последних лет проводятся экспериментальные исследования различных процессов механической обработки деталей, сопровождающихся существенными силовыми нагрузками, либо имеющих в наличии нежесткие элементы технологической системы - обрабатываемые заготовки [1]. При этом основным и самым распространенным типом технологического оборудования, используемого в качестве базового элемента для создания экспериментальных установок, были и остаются универсальные токарные станки [2].
Для шевингования-прикатывания зубчатых колес с венцом, ширина которого не превышает Ь=20...25 мм, при т=2...3 мм возможной становится обработка на токарных станках при условии критичного подхода к оценке жесткости последних (в особенности оценки жесткости суппортной
