CC BY
56
mu г: гшшгггта
3 (67), 2012-
Complex rezearch of influence of duration of liquid phase irradiation by electromagnetic impulses on parameters of liquid state parameters is carried out.
Э. х. РИ, ХОСЕН РИ, С. В. ДОРОФЕЕВ, А. С. ЖИВЕТЬЕВ, Т. С. ЖЕРНОВА, Г. А. КНЯЗЕВ, ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»
УДК 539.186: 537, 621.74(07)
влияние облучения жидкои фазы наносекундными электромагнитными импульсами на процессы кристаллизации и структурообразования, свойства меди и оловянистой бронзы
Проводили комплексное исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (ПОН) на параметры жидкого состояния (степень уплотнения Д1ж и коэффициент термического сжатия аж при охлаждении), кристаллизационные характеристики (температура начала и конца кристаллизации tл и tс, продолжительность кристаллизации ткр, степень уплотнения гетерофазного расплава при кристаллизации Д/кр), физико-механические (плотность, теплопроводность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (жаростойкость, износостойкость, корро-зионностойкость) свойства меди и оловянистой бронзы (Си + 6,0 мас.% Sn).
Генератор НЭМИ (ГНИ-01-1-6) имеет следующие характеристики:
• полярность импульсов - положительная;
• амплитуда импульсов на нагрузке 50 Ом -6000 В;
• длительность импульсов на половинном уровне - 0,5 нс;
• максимально допустимая частота следования генерируемых импульсов - 1 кГц;
• задержка выходного импульса относительно фронта импульса запуска - 120 нс;
• максимальный ток, потребляемый генератором во всем диапазоне питающих напряжений, не более 17 А при частоте 61 кГц.
Методика облучения расплава НЭМИ. Воздействие НЭМИ на жидкую фазу осуществляли погружением излучателя в расплав, изолировав его от контакта с жидким металлом с помощью
кварцевого или алундового наконечника, прозрачного для наносекундных электромагнитных волн. Плавку проводили в алундовом тигле на установке «Параболоид-4» конструкции ЦНИИТМШ. В качестве излучателя использовали стальной стержень диаметром 6 мм.
Строение жидкой фазы. Установлено, что минимальные значения степени уплотнения расплава от температуры перегрева 1300 °С до температуры начала кристаллизации Д/ж-1л и коэффициента термического сжатия аж (а!) наблюдаются при ПОН, равной 15 мин, т. е. расплав подвергается меньшей усадке с более медленным темпом сжатия (усадки) при охлаждении.
Строение жидкой меди изменяется по обратной зависимости, чем у оловянистой бронзы: с увеличением продолжительности облучения до 10-минутного степень уплотнения жидкой фазы Д1ж-гкр возрастает, а коэффициент термического сжатия аж, наоборот, уменьшается. Следовательно, жидкая фаза подвергается большей усадке с более быстрым темпом сжатия при охлаждении.
Кристаллизация. Минимальные значения кристаллизационных параметров ^кр для меди, ^ и tс для бронзы) наблюдаются при ПОН, равной 10 и 15 мин соответственно для меди и оловянистой бронзы. При этом степень уплотнения расплава при кристаллизации меди возрастает, а при кристаллизации оловянистой бронзы, наоборот, уменьшается. Коэффициент термического сжатия а2 в твердом состоянии для меди уменьшается до 10-минутного облучения НЭМИ, а для бронзы, наобо-
рот, увеличивается до 15-минутного облучения расплава НЭМИ.
Структурообразование оловянистой бронзы .
В отличие от равновесного состояния в литом сплаве обнаруживается 5-фаза (Си3^п8) в составе эвтектоида (а+5).
Для структуры исходного, необлученного НЭМИ образца характерны строго направленные крупные (толщиной около 70 мкм) главные оси дендритов а-твердого раствора. Вторичные оси дендритов практически отсутствуют. Доля а-твер-дого раствора в структуре составляет 45-50%. В структуре облученных НЭМИ сплавов в течение 5 и 10 мин имеются компактные оси дендритов. Доля а-твердого раствора в структуре составляет 50-55% для обоих образцов. Первичные и вторичные оси дендритов имеют практически одинаковые размеры: толщина первичных осей дендритов около 40 мкм, средняя толщина осей вторичных дендритов около 50-60 мкм, длина вторичных осей дендритов - 170-220 мкм соответственно. На структуре сплава, облученного в течение 15 мин, заметны некоторые существенные изменения: главные оси дендритов средней толщиной 50 мкм имеют преимущественную ориентацию в одном направлении. От главных осей дендритов отходят компактные вторичные оси толщиной около 60 мкм и длиной около 180 мкм. Доля а-твердого раствора составляет 60-70%. Структура сплава, облученного в течение 20 мин, характеризуется более выраженными вторичными осями дендритов со средними размерами: толщина 60 мкм и длина 210 мкм. Первичные оси толщиной порядка 30 мкм раздроблены и располагаются преимущественно в одном направлении.
Таким образом, в микроструктуре исходного образца и облученных в течение 5, 10 и 20 мин доля а-твердого раствора в структуре составляет 45-50%, что соответствует диаграмме состояния Си^п. Иная картина наблюдается для сплава, облученного НЭМИ в течение 15 мин у него доля а-твердого раствора в структуре составляет 6070%. Следовательно, наиболее значительные изменения микроструктуры сплава Си+ 6%Sn наблюдаются при 15-минутном облучении расплава НЭМИ.
На сканирующем электронном микроскопе ЕУ0-50ХР (фирма «Карл Цейс») исследовали микроструктуру образцов из бронзы, подвергнутых облучению НЭМИ в жидком состоянии в течение 5, 10, 15 и 20 мин, при увеличениях от 30 до 5000 (для особых участков шлифа). Исследованию подвергали участки образцов, находящихся на различных расстояниях от поверхности слитка (край, середина и центр).
ггм^гг/^штггг /107
-3 (67), 2012 / IUI
Микроструктура исходной бронзы состоит из неоднородного a-твердого раствора, имеющего дендритное строение, и эвтектоида (a+5). При увеличении 1000 эвтектоид имеет скелетообразное строение. Микроструктура характеризуется неоднородностью, зависящей от расстояния от поверхности слитка. Следует также отметить, что в литом сплаве формируется значительное количество усадочных пор, особенно в центральной зоне слитка, где кристаллизация идет более медленным темпом.
Облучение расплава НЭМИ в течение 5 мин существенно изменяет процесс структурообразо-вания. Наблюдается тенденция измельчения структурных составляющих (a и эвтектоид) сплава. Уменьшаются фазовая неоднородность, количество эв-тектоида и его размеры независимо от местоположения исследуемых зон. Кроме того, в структуре также резко уменьшается количество усадочных пор. С увеличением ПОН до 10 мин включения эвтектоида становятся более компактными в результате их дробления (диспергирования) под воздействием НЭМИ. Дальнейшее облучение расплава НЭМИ (15 мин) способствует более интенсивному измельчению структурных составляющих. Скелетообразное строение эвтектоида превращается в более компактную форму, что видно при больших увеличениях (1500 и 4000). Крупные одиночные включения эвтектоида имеют сотовое строение независимо от места нахождения зон. При 20-минутной продолжительности облучения расплава НЭМИ эвтектоид кристаллизуется в виде цепочек. Таким образом, при длительном облучении расплава вновь проявляется фазовая неоднородность и увеличиваются размеры эвтектоида.
Микрорентгеноспектральный анализ. Анализу подвергали центр (ЦД) и край (КД) дендрита a-твердого раствора, включения эвтектоида (a + 5 -Cu31Sn8), среднее содержание Cu и Sn в a-твердом растворе эвтектоида (a + 5 - Cu31Sn8).
По характеру распределения Cu и Sn в отраженных электронах и рентгеновских излучениях Cu Ka-L и Sn La-L в различных участках необлу-ченного НЭМИ сплава (карты) видно, что медь и олово распределяются в металлической основе a-твердого раствора неравномерно в зависимости от места анализа (профили). Компоненты сплава сравнительно равномерно распределяются в металлической основе по выбранным профилям. Однако по профилям содержания Cu и Sn существенно отличаются. В местах скопления эвтектоида (a + Cu31Sn8) содержание меди резко уменьшается, а содержание олова резко возрастает.
На рис. 1, а, б приведено распределение Си и Sn по сечению дендрита a-твердого раствора. В цен-
1чи/^гrr fr.rrrjj^rnrf,
IUU I 3 (67), 2012-
Продолжительность облучения, мин
Рис. 1. Распределение элементов в различных фазах бронзы в зависимости от продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ
тре дендрита (ЦД) медь растворяется больше, чем в его периферии (КД). Следовательно, в твердом растворе наблюдается прямая ликвация меди и обратная ликвация олова. Облучение НЭМИ жидкой фазы в течение 5-15 мин приводит к более равномерной фазовой однородности по сравнению с не-облученной бронзой, о чем свидетельствуют результаты рентгеновских излучений. Наблюдается тенденция снижения растворимости меди в центре и крае дендрита твердого раствора (рис. 1, а), а характер распределения олова имеет обратную зависимость, чем медь (рис. 1, б). Такой характер растворимости олова в твердом растворе можно объяснить измельчением электронного соединения Cu31Sn8 и уменьшением его количества под воздействием НЭМИ в составе эвтектоида, в конечном итоге, частичным растворением электронного соединения в a-твердом растворе.
Содержание меди в a-твердом растворе эвтектоида (a + Cu31Sn8) возрастает (до -92-93 мас.%) до 15-минутного облучения жидкой фазы НЭМИ (рис. 1, в), а содержание олова, наоборот, уменьшается до -7,5 мас.% (рис. 1, г). Следовательно, можно сделать вывод о том, что при облучении жидкой фазы возрастающей продолжительностью (до 20 мин) намечается тенденция увеличения растворимости олова в первичных дендритах a-твердого раствора и уменьшения ее в металлической основе эвтектоида (без первичного a-твердого раствора и 5-фазы). Последнее обстоятельство должно смещать состав оловянистой бронзы в сторону меньшей перитек-тичности и эвтектоидности. Это в свою очередь, по-видимому, должно способствовать кристаллизации мелкодисперсной электронной фазы типа Cu3iSn8 в составе эвтектоида при 15-минутном облучении расплава НЭМИ. При этом микронеоднородность распределения олова в металлической основе бронзы существенно уменьшается, что хорошо видно на рентгеновских излучениях Cu Ка-L
и Sn Lа- L. При ПОН, равной 20 мин, растворимость олова в первичных дендритах а-твердого раствора уменьшается, а в металлической матрице эвтектоида, наоборот, возрастает (рис. 1, б-г), что приводит к кристаллизации большего количества эвтектоида более крупного размера. При этом вновь проявляются микронеоднородности по распределению олова в металлической основе, о чем свидетельствуют результаты рентгеновских излучений.
Физико-механические свойства. Исследовали влияние ПОН жидкой фазы на электро- и теплопроводность, плотность, твердость, параметр кристаллической решетки меди. На рис. 2 приведены результаты этих исследований.
Минимальная твердость и максимальная теплопроводность облученной меди наблюдаются также при 10-минутной обработке НЭМИ жидкой фазы; теплопроводность возрастает в 1,5 раза, а твердость уменьшается на 2,7 ед. по НВ; коэффициент электросопротивления изменяется по зависимости, обратной теплопроводности.
Максимальная плотность меди при 20 °С наблюдается при 10-минутной обработке жидкой фазы; при этом период кристаллической решетки а (рис. 2) меди приобретет минимальное значение.
На рис. 3 приведены зависимости теплопроводности, твердости и плотности бронзы от ПОН расплава. Получены следующие результаты: теплопроводность бронзы, облученной НЭМИ в жидком состоянии в течение 15 мин, возрастает в 2,0 раза, а твердость - в 1,24 раза; максимальная плотность также наблюдается при 15-минутной обработке жидкой бронзы.
Эксплуатационные свойства меди и бронзы. Удельный прирост массы образца из меди в зависимости от ПОН изменяется по экстремальной зависимости и имеет минимальное значение (максимальная жаростойкость) при 10-минутной обра-
ши^ г г^ггштггг /100
-3 (67), 2012/ 1иу
Рис. 2. Влияние продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на физико-механические свойства меди
ботке НЭМИ жидкой фазы; значение коэффициента коррозии до 5-10 мин обработки НЭМИ резко снижается (примерно в 2 раза), а затем незначительно возрастает. При облучении жидкой фазы в течение 10 мин наблюдаются максимальные значения жаростойкости (в 1,25 раза) и коррозионно-стойкости (в 2,0 раза).
Установлено, что удельный прирост массы образцов из бронзы до 10 мин облучения возрастает,
Рис. 3. Влияние продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на физико-механические свойства бронзы (6,0% Би)
а затем, при 15 мин облучения, резко снижается в 2 раза; при 20 мин снова возрастает; коэффициент коррозии К до 5-15 мин облучения резко увеличивается, а при дальнейшем увеличении ПОН незначительно уменьшается.
Таким образом, облучение НЭМИ жидкой фазы меди и оловянистой бронзы в течение 10-15 мин существенно изменяет их физико-механические и эксплуатационные свойства.
