CC BY
77
УДК 669.715-154:537.87 + 537.87 + 669.715.02/.09
ВОЗДЕЙСТВИЕ НАНОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА РАСПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Н.А. Шабурова
Работа посвящена исследованию способа воздействия на кристаллизующийся расплав, позволяющий существенно влиять на его физикомеханические свойства. Исследуемый сплав А1-4%Си предварительно подвергался облучению на стадии кристаллизации наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ). После этого исследовалось влияние НЭМИ на протекание процессов старения, предварительно закаленных и деформированных образцов. Проводилось измерение таких физических характеристик металла, как твердость, удельное электросопротивление, микроструктура. Получены данные, подтверждающие влияние предварительной импульсной обработки на свойства металла.
В настоящее время на производстве применяется большое разнообразие способов улучшения качества металла, воздействуя на него на стадии кристаллизации. Новым способом обработки кристаллизующихся расплавов является воздействие наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ).
В работе [1] приведены результаты воздействия НЭМИ на свойства жидкого металла. Изучали алюминиевые сплавы АК7, АК5М и цинковые сплавы ЦА4 и ЦА4МЗ влияние импульсного воздействия на свойства жидкого и закристаллизовавшегося металла. Исследовали следующие свойства расплава: жидкотекучесть, вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, а также струюуру и физико-механические свойства.
В проводимых экспериментах использовался генератор НЭМИ типа ОМ* со следующими характеристиками. Длительность импульса 0,5 не, амплитуда более 5 кВ, мощность в одном импульсе более 1 МВт, частота повторения импульсов до 1000 Гц. Большая мощность и малая длительность импульса приводили к возникновению импульсов электромагнитных полей с напряженностью до 107 В/м [1]. Воздействие НЭМИ на расплав осуществляли погружением излучателя в металл, изолировав его от контакта с жидким металлом с помощью кварцевого стекла, прозрачного для наносекундных электромагнитных волн.
Плавку проводили в шахтной печи типа СШОЛ в тигле из жаропрочной стали, покрытом огнеупорной краской на основе электрокорунда. Температуру контролировали по показаниям пла-тино-платинородиевой термопары, встроенной в печь, и дополнительно хромель-алюмелевой термопары непосредственно в расплаве. Излучатель был выполнен в виде латунной трубки диаметром 14 мм и помещен в кварцевую пробирку диаметром 20 мм. Длина трубки 500 мм.
Металл расплавляли, перегревали АК5М до 780 °С, ЦА4 до 480 °С, облучали НЭМИ 10 мин, в течение которых температура алюминиевого сплава опускалась до 660 °С, цинкового - до 420 °С, и заливали в формы. Сплавы без облучения обрабатывали аналогично.
Исследования показали, что у алюминиевого сплава повышается жидкотекучесть, уменьшается поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, у цинкового сплава уменьшается поверхностное натяжение, краевой угол смачивания и жидкотекучесть. Прочность на разрыв для алюминиевого сплава несколько увеличивается, для цинкового не меняется. Относительное удлинение для алюминиевого сплава возрастает незначительно, для цинкового - более чем в 3 раза.
Было отмечено, что в обработанном НЭМИ образце кремний расположен в виде равномерных компактных включений, а в необработанном - неравномерных, иглообразных. В структуре цинкового сплава уменьшается количество и размер легкоплавких эвтектических включений (агп+аО (из-за этого снижается жидкотекучесть).
Полученные данные позволили предположить, что под действием НЭМИ может измениться переохлаждение расплавов и увеличиться количество кристаллизационных зародышей, т.е. принцип действия НЭМИ близок к тому, что происходит при электромагнитном перемешивании металлов [1].
Ри Э.Х., Ри Хосен [2, 3] изучали влияние длительности облучения жидкой фазы НЭМИ на кристаллизацию, структурообразование и физико-механические свойства алюминия (гранулированный алюминий, 99,78 % А1), силумина А390 (17 % 81, 4 % Си, 0,2 % М§), а так же меди и оловянной бронзы Брб.
Использовался генератор НЭМИ (ГНИ-01-1-6), имеющий следующие характеристики: полярность импульсов - положительная; амплитуда импульсов на нагрузке - 50 Ом - 6000 В; длительность импульсов на половинном уровне - 0,5 не; максимальная допустимая частота следования генерируемых импульсов - 1 кГц.
Нагрев алюминия и его сплава производили до температуры 900 °С, после пятиминутной выдержки при этой температуре обрабатывали жидкий алюминий НЭМИ в течение 5,10, 15,20 и 25 минут. Затем после отключения генератора, определялась интенсивность гамма-проникающих изучений в процессе охлаждения со скоростью 20 °С/мин до температуры 300 °С. Параллельно строилась термограмма кристаллизации.
Определялись следующие кристаллизационные параметры: температура кристаллизации для алюминия и температуры ликвидуса и солидуса для А390; температура, при которой нарушается линейная зависимость изменения интенсивности гамма-проникающих излучений от температуры после затвердевания; интенсивность гамма-проникающих излучений; степень уплотнения гете-рофазного расплава при кристаллизации алюминия и А390; продолжительность кристаллизации алюминия и АЗ 90 и охлаждения жидкой фазы от 900 °С до температуры кристаллизации; коэффициент термического сжатия при охлаждении в указанном интервале температур.
Полученные результаты исследования влияния облучения НЭМИ на кристаллизационные параметры жидкой фазы и физико-механические свойства гранулированного алюминия показали, что параметры и свойства А1 существенно изменяются: четко прослеживается экстремальная зависимость кристаллизационных параметров и физико-механических свойств от продолжительности облучения НЭМИ. Так, теплопроводность алюминия и силумина АЗ 90 зависит от времени облучения жидкой фазы НЭМИ, максимальные ее значения наблюдаются при продолжительности обработки 7-10 минут [2].
Все кристаллизационные параметры меди и бронзы так же изменяются от продолжительности обработки НЭМИ по экстремальной зависимости [3].
Исследования автора посвящены изучению влияния НЭМИ на свойства отливок сплава А1-4 % Си. Для проведения сравнения исследовался металл двух плавок. В первом случае расплав облучали НЭМИ в течение 15 минут при температуре 650 °С, во втором, расплав нагревался до 650 °С и выдерживался в течение 15 минут без облучения. Температурно-временные показатели изготовления отливок полностью совпадали.
Облучение расплавов проводили следующим образом. Специальным генератором создавался однополярный импульс тока. Один электрод генератора погружался в тигель с расплавом, а второй закреплялся на корпусе тигля. В проводимых экспериментах использовался генератор НЭМИ типа со следующими характеристиками. Длительность импульса 0,5 не, амплитуда более 5 кВ, мощность в одном импульсе более 1 МВт, частота повторения импульсов до 1000 Гц, напряженность до 107 В/м.
Во всех случаях, с облучением и без, металл разливался в земляную форму.
Из отливок облученного НЭМИ и необлученного металла были изготовлены образцы, которые затем подвергались термической обработке по следующему режиму: закалке с 505-510 °С с выдержкой 16 часов и последующему старению при температурах 100, 130, 160 и 190 °С. Помимо этого часть металла после закалки была подвергнута холодной пластической деформации на 15 %, после которой проводилось старение при 160 °С.
Далее проводилось измерение твердости по Виккерсу и электропроводности на приборе ИЭ-1М. Исследования микроструктуры проводил на оптическом микроскопе ЫеоркЛ 21.
На рис. 1 приведены сравнительные кривые изменения твердости образцов в процессе старения при 100,130, 160 °С.
Столь незначительное отличие исходной твердости свидетельствует об отсутствии влияния НЭМИ на упрочнение закаленного металла.
Видно, что старение при 100 °С (см. рис. 1а) как для облученного, так и для необлученного образца не позволило достичь максимума твердости за все время старения. Однако, если для необлученного образца характерно равномерное повышение данного показателя, то для облученно-
Серия «Математика, физика, химия», выпуск 7
153
го имеется площадка. Во всем временном интервале появления площадки, значения твердости облученного образца практически не изменяются. Образование площадки при старении обусловлено, по-видимому, либо частичным растворением зон Г.П. и началом образования частиц мета-стабильных фаз, либо затуханием процесса образования зон при большом инкубационном периоде появления метастабильных фаз [4].
Время старения, часы
а)
Время старения, часы в)
Время старения, часы
в)
Рис. 1. Изменение твердости сплава AI-4 % Си в процессе старения:
а-при 100 °С, 6-при 130 °С, в -при 160 °С
При повышении температуры старения характер зависимости твердости изменяется: на кривых появляются максимумы (см. рис. 16, в), связанные с переходом от зонного старения к фазовому. Причем, чем выше температура старения, тем меньше эффект старения (прирост твердости относительно твердости закаленного образца) и достигается он за меньшее время. Так для необ-лученного образца максимум твердости 35,4 НУ достигается через 8 часов выдержки при 130 °С. При 160 °С максимум твердости 34,2 НУ достигается уже через 7 часов. При 130 °С наибольшая твердость облученного образца 31,9 НУ достигается 16-часовой выдержкой. При 160 °С максимум твердости 31,3 НУ достигается для облученного образца уже через 14 часов. При повышении температуры старения величина максимума снижается не столь значительно как для необлученного образца.
В целом, следует отметить, что облученный образец менее склонен к старению, чем необлу-ченный. Для наглядности, на рис. 2 представлена зависимость эффекта старения для двух сплавов от температуры старения. Под эффектом старения понимается разница твердости закаленного образца и после соответствующего режима старения.
На образцах после закалки, пластической деформации при комнатной температуре и старении при 160 °С так же замерялась твердость на
яеоблученкый
100 110 120 130 140 1S0 100 170 180 190 200 210
Температура, *С
Рис. 2. Зависимость эффекта старения сплава АМ%Си от температуры старения
приборе Виккерса. На рис. За показаны графики зависимости твердости этих образцов от длительности старения при 160 °С.
Проведенное контрольное старение закаленных образцов дало практически те же результаты, что и предшествующая термическая обработка.
Максимум твердости необлученного образца составляет 34 НУ и достигается она за 8 часов старения. Максимальная твердость облученного образца 32 НУ достигается за 15 часов старения.
Таким образом, как и в предыдущем случае можно говорить о замедлении и снижении эффективности процессов старения после облучения расплава металла НЭМИ.
Пластическая деформация на 15 % при комнатной температуре, предшествующая старению, существенно повышает прочностные свойства как облученного, так и необлученного металла (твердость непосредственно после деформации возрастает на 13,1 и 12,9 ед. НУ соответственно). Помимо начального повышения твердости, очевидно, что деформация интенсифицирует процессы старения. В результате чего максимум твердости необлученного образца 49,2-49,5 НУ наблюдается через 7-8 часов старения. Наибольшая твердость облученного образца 48,6 НУ отмечена через 11-12 часов старения.
ЧЧЧ'ПЧ Ч '"ГТП^ГН .........НТТ..
0 2 4 е 8 1012 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Время старения, ч
а)
Время старения, ч б)
Рис. 3. Влияние длительности старения при 160 °С образцов, закаленных и подвергнутых пластической деформации на твердость (а) и электросопротивление (б)
По всей видимости, предварительная пластическая деформация оказывает гораздо большее влияние на облученные образцы. Что выражается в более существенном снижении времени старения, необходимом для достижения максимальной твердости (с 15 ч до 11-12 ч у облученного образца, с 8 ч до 7-8 ч у необлученного). Так же, если для закаленных образцов, эффекты старения отличались существенно - 5,8 и 3,9 НУ соответственно для необлученного и облученного образца, то после пластической деформации они, повышаясь по абсолютному значению, имеют уже меньшее различие (8,3 и 7,5 НУ соответственно для необлученного и облученного образца).
Для всех температур старения, кроме 100 °С наблюдается экстремальное изменение электросопротивления. Максимум данного показателя по временной шкале совпадает с соответствующим максимумом твердости. Что можно объяснить протекающими при старении процессами. Так на стадии образования зон Г.П. наблюдается повышение электросопротивления, при переходе к фазовому старению электросопротивление сплавов уменьшается. Отсутствие максимума данного показателя на кривых старения при 100 °С показывает, что при этой температуре протекает только зонная стадия.
Значения электросопротивления начальных гомогенизированных закаленных обработанных и необработанных НЭМИ образцов практически совпадают (0,0415 и 0,0418 Ом-м2/м соответственно). По мере увеличения времени выдержки наблюдается повышение электросопротивления, причем как для облученного, так и для необлученного наиболее интенсивное повышение наблюдается при 130 °С и 190 °С. При этих же температурах достигается и наибольший прирост данного показателя.
Для всех закаленных и деформированных образцов, состаренных при 160 °С наблюдается достаточно резкое увеличение электросопротивления в процессе старения. Следует отметить, что максимальное значение данной характеристики для деформированных образцов достигается на-много быстрее, чем максимум твердости (см. рис. 36).
Серия «Математика, физика, химия», выпуск 7 <155
Несмотря на близкие свойства закаленных облученного и необлученного металла проведенный металлографические исследования позволили обнаружить существенные различия микроструктуры образцов - а именно - полное отсутствие эвтектической фазы в виде так называемых «иероглифов» в облученном образце. Фаза эвтектического состава а+СиАЬ выделяется в виде тонких игл по границам зерен (рис. 4). Структура же необлученного образца представлена как игольчатой фазой, так и характерной для данных сплавов иероглифообразной эвтектикой (см. рис. 4). Размеры зерен для двух сплавов близки.
В настоящее время работа продолжается. Планируется изучить влияние высокотемпературной механической обработки на свойства металла. А так же провести аналогичные эксперименты на сплаве другого состава.
25kU Х300 50мт 03 50 BES
а) 6)
Рис. 4. Микроструктуры необлученного (а) и облученного (б) образцов соответственно после закалки
и длительного старения при 190 °С, ХЗОО
Таким образом, проведенные исследования наглядно свидетельствуют о наличии влияния НЭМИ на свойства сплава цветного металла. Это влияние проявляется в замедлении и снижении эффективности процессов старения, а так же изменении структуры сплава.
Литература
1. Знаменский Л.Г., Крымский В.В., Кулаков Б.А. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах: Монография. - Челябинск: Изд-во ЦНТИ, 2003. - 130 с.
2. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на кристаллизацию, структурообразование и физико-механические свойства алюминия (гранулированный алюминий, 99,78% А1) и силумина АЗ90 / Э.Х. Ри, Хосен Ри, С.В. Дорофеев и др. // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР. В 4 ч. 4.1: Материалы международной научно-практической конференции. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «КиАГТУ». - 2006. - С. 101.
3. Влияние обработки меди и бронзы в жидком состоянии наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на кристаллизацию, структурообразование и физико-механические свойства / Э.Х. Ри, Хосен Ри, С.В. Дорофеев и др. // Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР. В 4 ч. 4.1: Материалы международной научно-практической конференции. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «КиАГТУ». - 2006. - С. 97.
4. Фридляндер И.Н. Закономерности старения алюминиевых сплав // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1980. - № 8. - С. 22-28.
5. Знаменский Л.Г., Крымский В.В., Кулаков Б.А. Электроимпульсные нанотехнологии в литейных процессах. - Челябинск: Изд-во ЦНТИ, 2003. - 125 с.
6. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение / Б.С. Белкин, В.А. Бухарин, В.К. Дубровин и др. - Челябинск: Изд-во Татьяны Лурье. - 2001. - 117 с.
Поступила в редакцию 23 сентября 2006 г.
