Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 10
1.1 Технологии обработки расплава электрическим током 10
1.2 Обработка жидкого и кристаллизующегося расплава постоянным и переменным электрическим током 12
1.3 Обработка жидкого и кристаллизующегося расплава импульсно-периодическим электрическим током 26
1.4 Анализ существующих гипотез электропереноса 35
1.5 Теоретические модели воздействия электрического тока на металлический расплав 43
1.6 Выводы и задачи исследования 54
2 Методика проведения исследований 57
2.1 Общий план исследований 57
2.2 Стенд для исследования токового воздействия на металлический расплав 57
2.3 Исходные материалы 59
2.4 Условия плавки, заливки и токовой обработки расплава 61
2.5 Определение химического состава сплава и металлографические исследования 66
2.6 Определение твердости спплавов 67
2.7 Определение жидкотекучести сплавов 67
2.8 Термический и дифференциальный анализ 70
2.9 Обработка экспериментальных данных и численное моделирование 71
3 Результаты исследования структуры и свойств сплавов, подвергнутых воздействию постоянным электрическим током 72
3.1 Исследование влияния постоянного электрического тока на изменение химического состава по сечению образца 72
3.2 Исследование влияния постоянного электрического тока на кристаллизацию сплавов 81
3.3 Исследование влияния постоянного электрического тока на структуру сплавов 87
3.4 Исследование влияния постоянного электрического тока на микротвердость, твердость и жидкотекучесть сплавов 95
3.5 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 101
3.6 Выводы по главе 103
4 Разработка математической модели воздействия электрического тока на отливку 105
4.1 Анализ сил, действующих на компоненты расплава при электропереносе 105
4.2 Обсуждение и расчет полученных данных электропереноса в расплавах 110
4.3 Сопоставление результатов эксперимента с результатами моделирования 114
4.4 Выводы по главе 115
5 Промышленная апробация технологии обработки сплавов постоянным электрическим током в литейной форме 117
5.1 Оценка технологических возможностей применения метода обработки кристаллизующегося расплава в литейной форме электрическим током 117
5.2 Разработка литейной технологии изготовления колосника с подводом постоянного электрического тока в полость литейной формы 121
5.3 Разработка технологии производства выходного вкладыша форсунки для водоугольного топлива 124
5.4 Выводы по главе 127
Основные выводы 129
Список литературы
- Обработка жидкого и кристаллизующегося расплава импульсно-периодическим электрическим током
- Условия плавки, заливки и токовой обработки расплава
- Исследование влияния постоянного электрического тока на кристаллизацию сплавов
- Обсуждение и расчет полученных данных электропереноса в расплавах
Введение к работе
Актуальность работы. Для повышения качества и свойств отливок все большее применение находит метод токового воздействия на кристаллизующийся расплав. Накопленные экспериментальные и теоретические данные свидетельствуют о возможности воздействия на металлический расплав в литейной форме электрическим током с целью управления потоками ионов и изменения содержания компонентов по сечению отливки. Такой технологический прием дает возможность получать литые изделия с повышенным содержанием требуемых компонентов в поверхностном слое отливки и снижать их содержание в теле отливки или решать обратную задачу – перемещать «вредные» компоненты из поверхностных слоев в тело отливки. В связи с этим представляет большой теоретический и практический интерес проведение целенаправленного исследования влияния постоянного электрического тока на кристаллизационные параметры и параметры электропереноса в отливках ответственного назначения.
Актуальность темы диссертационной работы также подтверждена выполнением научно-исследовательских работ в рамках реализации Минобрнауки РФ проекта развития кооперации российских вузов и производственных предприятий по созданию высокотехнологичного производства (договор №13.G25.31.0082, 2010– 2012 гг.) и соглашение №14.132.21.1661 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, (Мероприятие 1.3.2 – Проведение научных исследований целевыми аспирантами) по теме: «Разработка способа увеличения содержания легирующих компонентов в поверхностном слое отливки под действием постоянного электрического тока».
Степень разработанности темы. В последние годы доказано, что электрический ток влияет на структуру, фазовый состав и физико-химические свойства литых заготовок – происходят изменения в распределении фазовых составляющих в отливке; уменьшается размер дендритного параметра и формирование более однородной структуры; наблюдается увеличение твердости, плотности, прочности и пластичности литого металла; снижается жидкотекучесть сплавов; повышается скорость растворения модификатора; происходит дегазация расплава. Наиболее обширные исследования в этом направлении проведены Г. Н. Миненко, Ри Хосе-ном, И. Ф. Селяниным, Д. А. Дорофеевым, А. В. Ивановым, С. Л. Тимченко и др. Однако стройной общепризнанной теории токового воздействия на расплав пока нет. Из-за недостаточно полной теоретической и технологической проработки вопросов токового воздействия на кристаллизующуюся отливку применение на практике данного метода весьма ограничено.
Цель работы. Комплексное исследование влияния электрического тока на процессы кристаллизации, структурообразования, электропереноса в алюминиевых сплавах и легированных чугунах для управления составом, структурой и свойствами по сечению отливок и в промышленной апробации способа повышения качества литых заготовок.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Установить закономерности влияния режимов токового воздействия на параметры кристаллизующегося расплава, его структуру, величину электропереноса компонентов, применительно к доэвтектическому, эвтектическому и заэвтектиче-скому составам модельного сплава Pb–Sn.
-
Исследовать влияния постоянного электрического тока на процессы кристаллизации, структурообразования и электропереноса в алюминиевых сплавах (АК12,
сплав Al+2,7 % Si) и в легированных хромом чугунах (ЧХ16, чугун c 1,4 % Cr), определить оптимальные условия токового воздействия на расплав в литейной форме.
-
Исследовать влияние постоянного электрического тока на жидкотекучесть модельного сплава Pb–Sn и алюминиевых сплавов (АК12, сплав Al+2,7 % Si).
-
Разработать математическую модель механизма воздействия постоянного электрического тока на параметры электропереноса компонентов расплава в литейной форме.
-
Апробировать результаты исследований в производственных условиях при получении высококачественных отливок из чугуна с повышенным содержанием хрома в поверхностном слое.
Научная новизна:
-
Впервые установлено, что при изменении полярности токового воздействия на расплав в литейной форме приводит к изменению его кристаллизационных параметров: интервал кристаллизации, время кристаллизации, значение температуры солидус, продолжительность эвтектического превращения в сплаве.
-
Установлено, что наибольший эффект электропереноса компонентов расплава в литейной форме достигается для сплавов с широким интервалом кристаллизации и при вертикальном расположении анода и катода.
-
Изучено влияние электрического тока на жидкотекучесть Pb–Sn и Al–Si сплавов и впервые установлено, что у сплавов с максимальным интервалом затвердевания токовое воздействие приводит к снижению жидкотекучести на 17–19 %, а у чистых металлов и сплавов эвтектического состава – до 3%.
-
Разработана математическая модель, описывающая механизм воздействия постоянного электрического тока на параметры электропереноса компонентов расплава в литейной форме, учитывающая объемный модуль упругости расплава и эффект самодиффузии компонентов, позволяющая на основе экспериментальных данных рассчитать подвижность компонента в электрическом поле и величину его эффективного заряда.
-
Получены регрессионные уравнения, позволяющие оценить влияние плотности электрического тока на компонентный состав сплава у анода и катода, твердость и жидкотекучесть литейных алюминиевых сплавов и легированных хромом чугунов. Ряд регрессионных уравнений впервые учитывает полярность подвода электрического тока к отливке.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты работы расширяют представления о процессах формирования структуры и свойств отливок из алюминиевых сплавов и легированных хромом чугунов, подвергнутых воздействию постоянного электрического тока. Установлено, что за счет воздействия постоянным электрическим током определенной плотности на кристаллизующийся в литейной песчано-глинистой форме легированный чугун и алюминиевые сплавы можно изменить содержание компонентов в поверхностном слое и в теле отливки, а также воздействовать на структуру и твердость сплавов. Постоянный электрический ток уменьшает жидкотекучесть сплавов, вызывает макроскопическое перемещение микрообъемов расплава, обламывает и измельчает растущие кристаллы дендритов, выравнивает температуру по сечению отливки.
Разработана математическая модель, описывающая механизм воздействия постоянного электрического тока на параметры электропереноса компонентов расплава в литейной форме.
Создан стенд для исследования токового воздействия на металлический расплав, оснащенный комплектом современных аналоговых и цифровых приборов, компьютерной системой измерения, управления и обработки результатов. Разработана программа для ЭВМ «Tempol» (свид. РФ о гос. рег. программ для ЭВМ № 2012610147), позволяющая осуществлять математическую обработку измерений по специальному алгоритму. Создано устройство для определения жидкотекучести расплава после его обработки электрическим током непосредственно в устройстве. Реализована технология изготовления колосника и выходного вкладыша форсунки для сжигания водоугольного топлива с подводом постоянного электрического тока в полость литейной формы.
Методология и методы исследования.
Задачи исследований диссертационной работы направлены на выявление закономерностей электропереноса компонентов расплава в литейной форме, влияния воздействия тока на кристаллизацию, структуру и свойства отливок.
Экспериментальные исследования проводились с использованием аналитического и испытательного оборудования центра коллективного пользования «Материаловедение» при Сибирском государственном индустриальном университете. Использовались рентгенофлуоресцентный волнодисперсионный спектрометр последовательного действия XRF-1800 (Shimadzu, Япония), оптический микроскоп Olympus GX-71 с программным обеспечением Siams Photolab 700. Использовались компьютерные методы термического анализа, дифференциального термического анализа.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты комплексного исследования влияния электрического тока на процессы кристаллизации, структурообразования и электропереноса, применительно к модельному сплаву Pb–Sn, литейным алюминиевым сплавам и легированным хромом чугунам.
-
Результаты исследования влияния постоянного электрического тока на жид-котекучесть модельного сплава Pb–Sn и алюминиевые сплавы.
-
Математическая модель, описывающая механизм воздействия постоянного электрического тока на параметры электропереноса компонентов металлического расплава в литейной форме.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов основывается на широком использовании современных методов и методик исследования металлических сплавов, применении аппарата математической статистики для обработки результатов экспериментов и их сравнительном анализе с известными литературными данными, высокой эффективностью предложенных технологических решений, подтвержденной результатами промышленных апробаций.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов», посвященной 80-летию кафедры литейного производства СибГИУ (Новокузнецк, 2012); Научно-технической конференции с международным участием «Литые материалы и ресурсосберегающие технологии» (Владимир, 2013); IX международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники – 2013» (Przemysl , Польша, 2013); IV Международной научно-
практической конференции «Организационно-экономические проблемы повышения эффективности металлургического производства» (Новокузнецк, 2013).
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе, в 5 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, в 1 свидетельстве о государственной регистрации компьютерной программы для ЭВМ.
Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка отдельных задач исследования, создание стенда для исследования токового воздействия на металлический расплав, проведение опытных плавок, изучение процессов кристаллизации, структурообразования, электропереноса и жидкотекучести исследуемых сплавов, обработка и анализ полученных результатов, проведение численных расчетов и формулирование выводов.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует п.3 «Исследование влияния обычных, наномодифицирующих, электрических, магнитных, механических и других видов обработки на свойства расплавов, отливок и литейных форм» паспорта специальности 05.16.04 - литейное производство (технические науки).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и списка литературы, включающего 143 наименования. Диссертация содержит 158 страниц, в том числе 43 рисунка и 16 таблиц.
Обработка жидкого и кристаллизующегося расплава импульсно-периодическим электрическим током
Бронза (Cu + 6,0 мас.% Sn) обрабатывалась по той же технологии, что и медь [63, 65, 76]. Кристаллизационные параметры и коэффициент термического сжатия 1 бронзы существенно изменяются, в отличие от меди, при продолжительности облучения расплава 15 минут. Кристаллизационные параметры температуры ликвидус и солидус изменяются при этом так же, как и у чистой меди. Однако, степень уплотнения расплава от 1200 ОС до температуры ликвидус, в отличие от меди, наоборот уменьшается при облучении до 15 минут.
Для структуры исходного образца характерны строго направленные крупные (порядка 70 мкм толщиной) главные оси дендритов -твердого раствора. Вторичные оси дендритов практически отсутствуют. Доля -твердого раствора в структуре составляет 45–50 %. Структура сплава, облученного в течение 20 минут характеризуется более выраженными вторичными осями дендритов со средними размерами 60 мкм толщиной и 210 мкм длиной. Первичные оси толщиной порядка 30 мкм раздроблены и располагаются преимущественно в одном направлении. Облучение расплава бронзы НЭМИ в течение 15 минут повышает жаростойкость бронзы в 1,4 раз, а коррозионностойкость, наоборот, уменьшается в результате измельчения структурных составляющих.
В работах [62, 64, 74, 76] представлены результаты воздействия НЭМИ на промышленные силумины марок АЛ9 (АК7ч) и АК7. Увеличение продолжительности облучения расплава НЭМИ способствует повышению температур начала кристаллизации -твердого раствора, начала и конца кристаллизации эвтектики. По мере повышения продолжительности облучения расплава расширяется температурный интервал кристаллизации, увеличивается продолжительность кристаллизации -твердого раствора, а температурный интервал кристаллизации эвтектики практически не изменяется, хотя продолжительность эвтектического превращения возрастает.
Влияние НЭМИ на свойства жидкого и закристаллизававшегося металла изучали на цинковых сплавах ЦА4 и ЦА4М3 [76]. Исследовали следующие свойства расплавов: жидкотекучесть, вязкость, поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, а также структуру и физико-механические характеристики сплавов. Для измерения жидкотекучести цинкового сплава изготавливали спиральные и прутковые пробы. Анализ свойств облученного и необлученного сплавов показывает, что у облученного цинкового сплава уменьшается поверхностное натяжение, краевой угол смачивания, а также жидкотекучесть. Влияние НЭМИ сказывается также на структуру и физико-механические свойства затвердевшего металла. В структуре цинкового сплава уменьшается количество и размер эвтектических включений, вследствие этого уменьшается жидкотекучесть сплава. В обработанных НЭМИ образцах практически нет резких скачков концентраций алюминия, эвтектические включения равномерно распределены в матрице сплава. Сплав ЦА-4, обработанный НЭМИ в жидком состоянии, имеет в 3 раза больше относительное удлинение, чем необработанный. Для сплава ЦА4М3 отмечается некоторое снижение пластичности, вследствие образования при охлаждении вторичных кристаллов твердого раствора (CuZn )-фазы. Уменьшается удельное электрическое сопротивление затвердевшего цинкового сплава ЦА4, обработанного в жидком состоянии НЭМИ, по сравнению с необработанным. Данный эффект связан с уменьшением эвтектических включений в сплаве.
Изучение локального воздействия НЭМИ на структуру алюминиевого сплава АК7ч приведено в [80]. В результате анализа макроструктуры сплава установлено, что размер зерна из обработанной НЭМИ части слитка на 10-15 % меньше, чем в аналогичной части слитка исходного сплава. Образец, сформированный в локальном поле НЭМИ имеет наименьшие размеры дендритных ячеек а-фазы (размер дендритов уменьшается в 1,15 раза), и железистая фаза AlxSiFe в ходе кристаллизации выделяется в компактной форме. Зафиксировано уменьшение количества макро- и микропор в экспериментальных образцах: во 2-м образце - в 1,8 раза; в 4-м образце - 2,3 раза.
В работах [81-83] проведены экспериментальные данные по изучению влияния электроимпульсного воздействия на процессы кристаллизации сплава АК7ч непосредственно в литейной форме, при этом, варьировали содержанием примеси Fe и температурой заливки.
Для исследования затвердевания металлического сплава под действием электроимпульсного воздействия во всем объеме литейной полости использовали специально разработанную установку, состоящую из двух графитовых трубок внутренним диаметром 60 мм, длиной 220 мм и толщиной 5 мм, двух кварцевых трубок, двух медных электродов в виде проволоки 0 3 мм, песчано-глинистой формы, двух асбестовых крышек с прорезью под заливку и генератора электромагнитных импульсов.
Условия плавки, заливки и токовой обработки расплава
Комплект оснастки для выполнения измерений включает набор термопар различного типа в сборе, удлинительных проводов и устройства компенсации холодного спая термопары КХС-9.
Заливку образцов осуществляли в песчано-глинистые подогретые формы (Тф = 75 0С) при температуре на 60С выше температуры ликвидус.
Плавку чугуна осуществляли в печи ППИ-0,06 с перегревом на 60 ОС выше температуры ликвидус и выдержкой в течение 8–10 мин. Заливка металла в песчаные подогретые формы (Тф = 75 0С) производилась ковшом емкостью 25 кг. Контроль температуры чугуна в тигле индукционной печи и в ковше перед заливкой в литейную форму осуществлялся вольфраморениевой термопарой ВР5/20 погружения в комплекте с измерительным комплексом.
Для исследования микроструктуры сплавов, полученных в экспериментальной пробе на модельном сплава Pb–Sn, вырезали четыре темплета по высоте полученного образца. Для исследования микроструктуры сплавов при литье в песчано-глинистые формы использовали темплеты, вырезанные из образцов в непосредственной близости от места установки электрода в образец. Подготовку шлифов осуществляли с использованием шлифовально-полировальной машины Saphir 320 (АТА, Германия). Микроструктуру чугуна изучали после травления металла в 4 % растворе азотной кислоты. Оценка микроструктуры чугунов производилась по ГОСТ 3443-87. Микроструктуру алюминиевого сплава и Pb–Sn сплава изучали после травления поверхности шлифа в концентрированной азотной кислоте с многократными полировками.
Металлографические исследования проводилось с помощью инвертированного металлографического микроскопа OLIMPUS GX-51 при различных увеличениях в светлом поле, при увеличении х 50, х 100, х 200, х 500. Определение размеров структурных составляющих производили с помощью программного обеспечения микроскопа и пакета прикладных программ для металлографических исследований Siams Photolab 700.
2.6 Определение твердости спплавов
Твердость по Роквеллу определяли по ГОСТ 9013-59, твердость по Бринеллю определяли по ГОСТ 27208-87 на темплетах, вырезанных из образцов в непосредственной близости от места установки электрода в образец.
Микротвердость поверхностного слоя шлифов измеряли на цифровом микротвердомере HVS-1000 по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 9450-76, при нагрузке на индентор 50 гс и температуре 20 0C. Расстояние между отпечатками составляло 20–50 мкм, погрешность измерений ± 0,2 мкм.
Результаты определения твердости и микротвердости экспериментальных сплавов принимались как среднее из трех испытаний.
Определение жидкотекучести сплавов
В известных устройствах для определения жидкотекучести обработка расплава током производится вне самого устройства, что вызывает определенные неудобства [115]. С целью устранения указанного недостатка в настоящей работе предложена специальная конструкция пробы с постоянным сечением канала круглой формы, снабженная тиглем для токовой обработки расплава и последующей его заливки в канал пробы.
Стальной кокиль выполнен разъемным по вертикали для облегчения его освобождения от залитого металла. Вдоль продольной оси в кокиле предусмотрено отверстие с воронкой для ввода в форму расплавленного металла 1, в нижней части кокиля имеется круглый канал диаметром 5 мм для формирования прутка 2.
Для разборки, сборки и последующей фиксации двух половин кокиля предусмотрены два штыря 3. Верхняя часть кокиля заканчивается двумя фиксаторами 4, с помощью которых осуществляется крепление тигля к верхней части кокиля.
Тигель, служащий сосудом для обработки расплава электрическим током и выпуска его через отверстие, имеющееся в донной части, представляет собой цилиндр 5 с крышкой 6 и днищем 7, графитовым электродом 8, огруженный в верхней части цилиндрическим балластом 9 с электрическим контактом для предотвращения всплывания графитового стержня в расплаве 10. В крышке 6 имеется отверстие для заливки расплава в тигель, снабженное бортиками для удобства заливки. Цилиндр 5 крепится к днищу 7 электрической сваркой. Графитовый электрод 8 также представляет собой цилиндр с конической нижней частью, которая фиксируется в днище 7 тигля. Средняя часть графитового электрода вставляется в отверстие в крышке тигля 6, снабженного керамическим изолятором 11 для предотвращения контакта графитового электрода с корпусом тигля. Верхняя часть графитового электрода плотно вставляется в балласт 9 с электрическим контактом 10. В днище тигля 7 имеется коническое отверстие 12 с керамической вставкой 13 для предотвращения контакта графитового электрода с корпусом тигля. В нижней части тигля в стенке имеется круглое отверстие для вставки в полость тигля термопары в кварцевом колпачке 14. Тигель крепится к кокилю через асбестовую прокладку 15 четырьмя болтами 16. Асбестовая прокладка снижает разогрев кокиля теплом расплавленного металла тигля и облегчает демонтаж конструкции после заливки кокиля жидким расплавом.
Тигель, крышка, днище кокиля изготовлены из стали. Для изготовления балласта с электрическим контактом используется медь, в качестве керамических изоляторов могут быть использованы втулки для трубчатых электронагревателей.
На верхнюю часть кокиля накладывается асбестовая прокладка, сверху устанавливается тигель, соединение фиксируется четырьмя болтами. В тигель вставляется крышка с графитовым электродом с балластом и электрическим контактом. Графитовый электрод фиксируется в нижнем отверстии днища тигля. В боковое отверстие тигля вставляется кварцевый колпачок с термопарой. К корпусу подключается отрицательный контакт, к электрическому контакту графитового электрода – положительный контакт источника тока.
Исследование влияния постоянного электрического тока на кристаллизацию сплавов
На сводном рисунке 3.11 приведены изображения микроструктур модельного сплава (72 % Pb, 28% Sn) после различных токовых воздействий. Показана структура верхних, средних и нижних частей слитков.
Как видно из полученных результатов, в исходном состоянии (без обработки электрическим током) в микроструктуре наблюдается значительное количество ос-фазы и разрозненные эвтектические выделения. В сплаве, подвергшемся обработке электрическим током плотностью 6,5x10 А/м , заметно увеличение количества эвтектики (причем, эвтектические кристаллы образуют практически сплошную сетку) и снижение количества свинцовистой фазы. В верхней части слитка этот эффект наиболее ярко выражен. При увеличении плотности тока до 1,3-10 А/м доля эвтектики в структуре вновь уменьшается, в то же время происходит увеличение размеров зерен ос-фазы.
Сплав эвтектического состава (62% Sn, 38 % Pb), микроструктура которого представляла собой однородную механическую смесь кристаллов составляющих его компонентов (рисунок 3.12). 5 2
Структуры сплавов (62% Sn, 38 % Pb) (х50) Микроструктура сплавов эвтектического состава, обработанных постоянным током, отличалась значительной неоднородностью по высоте отливки. В нижней части отливки присутствует эвтектика и небольшое количество кристаллов второго компонента. В средней части наблюдалась мелкодисперсная эвтектика. Верхняя часть образца содержит большое количество дендритов – кристаллов олова. Такая неоднородность в фазовом составе отливки, по-видимому, могла сформироваться под действием приложенного во время кристаллизации постоянного электрического тока.
Сплав заэвтектического состава (76% Sn, 24 % Pb), в микроструктуре по всей высоте образца, наряду с эвтектикой, наблюдаются протяженные дендритные кристаллы олова (рисунок 3.13).
Дендриты такой величины сформировались вследствие активно их роста в условиях длительного охлаждения расплава с печью. Направление осей первого порядка дендритов преимущественно совпадает с направлением отвода тепла (снизу-вверх) и продольной осью образца. К верхней части образца был приложен положительный электрод, к нижней – отрицательный. Таким образом, дендриты вытянуты в направлении от Катода к аноду (рисунок 3.13–2).
При смене полярности (рисунок 3.13–3) наблюдается хаотичная ориентировка осей дендритов по отношению к продольной оси образца, не совпадающая с направлением отвода тепла. Развитию дендритов в продольном направлении, возможно, препятствует электрический ток, проходящей через образец.
Таким образом, пропускание электрического тока через сплав Pb–Sn оказывает значительное воздействие на микроструктуру и фазовый состав кристаллизующегося сплава, меняя ее в пределах одного образца от эвтектического до заэвтектического. Полярности постоянного электрического тока оказывает влияние на направленность роста дендритов: в одном случае способствует, в другом – препятствует этому процессу.
В образцах, подвергнутых ПЭТ, объем, занимаемый дендритами в образце, уменьшается с увеличением плотности тока, первичные кристаллы -твердого раствора и Si практически исчезают или занимают относительно малый объем -на шлифах наблюдались очень редкие дендриты -твердого раствора. Действие электрического тока приводит к измельчению выделений эвтектической составляющей сплава, особенно у катода образца, наблюдается дробление дендритов а-твердого раствора Si. Это можно объяснить тем, что с ростом плотности тока в расплаве растет скорость образования центров зарождения первичных кристаллов -твердого раствора и предотвращается рост дендритов, что создает эффект модифицирования сплава.
Результаты металлографического анализа свидетельствуют о том, что токовое воздействие на алюминиевые сплавы приводит к заметному изменению параметров кристаллизации и микроструктуры сплава. Токовая обработка расплава оказывает влияние на размер и морфологию как эвтектических, так и первичных фаз.
Металлографический анализ исследованных чугунов позволил выявить следующее. Структура исследуемых чугунов представляет собой мартенситную металлическую основу с достаточно большим количеством остаточного аустенита, включениями цементита и карбидов легирующих элементов (рисунок 3.16 и 3.17).
Микроструктура чугунов (16 % Сг) (х500) На полированной поверхности шлифов, изготовленных из образцов подвергнутых токовому воздействию, видны участки разной травимости, что является следствием химической неоднородности образца, возникшей при кристаллизации. Возможно, резкая неоднородность в виде чередующихся полос явилась следствием токовой обработки расплава, различается содержание легирующего элемента С г в твердом растворе.
На всех изображениях хорошо видны четко очерченные карбиды хрома (рисунок 3.18). Однако, можно заметить, что в образцах без токовой обработки карбиды имеют размеры порядка 2-3 мкм, а в случае применения токовой обработки расплава становятся дисперснее, значительно уменьшаясь в размерах до 0,5-1 мкм. Особенно четко этот эффект проявился на образцах с содержанием 16 % С г и с плотностью тока7=1,3-10 А/м .
Обсуждение и расчет полученных данных электропереноса в расплавах
Допустим, что к аноду переносится компонент 1 с V L, имеющий площадь поверхности b1—AV1 , где А=Ь ж . Введем объемные доли компонентов щ — У±С1, где ct - объемные концентрации, моль/см . Тогда выталкивающая сила со стороны потока V1I1 у анода на поток У2І2: F12 = PSt = — Kc + -AT]V1 —, (4.10)
Сила F]2 действует в каждом локальном объеме по длине образца на компонент 2 в направлении к катоду. Сила F]2 действует на атомы компонента 2 в течении времени т - времени / t 5 \ б релаксации упругих напряжений ( т 10 - 10 с), пропорциональна модулю сжимаемости Кс, динамической вязкости т/, парциальному объему V± и скорости поступления компонента 1 в анодную область под действием силы электронного ветра. Следует подчеркнуть определяющую роль вязкости в процессах электропереноса. Исследователи, как правило, связывают появление больших значений эффективных зарядов z с образованием комплексов АиВт, содержащих значительное число атомов, и имеющих средние поперечные размеры более 20А [95, 101, 126].
Но такие комплексы резко «загущают» расплав, т.е. вязкость таких расплавов (rj) достигает больших значений, а, следовательно, в соответствии с (4.10) достигает больших величины выталкивающая сила Fn, действующая на компонент 2, который имеет большую диффузионную подвижность, чем компонент 1. Электронный ветер действует на оба компонента, но эффект разделения их по направлению движения к аноду или катоду зависит от их влияния на вязкость расплава в целом и от их индивидуальных диффузионных подвижностей (ДП). ДП зависит от многих факторов. Как правило, элемент, имеющий меньшие парциальные атомные объемы (V) или ионные радиусы (г„) будут при ЭП двигаться к катоду и наоборот, к аноду переносится элемент с большими значениями V и ги. Так в системе Pb - Sn при всех концентрациях свинец стремится к аноду, а олово к катоду, т.к. парциальный атомный объем и ионный радиус свинца больше этих параметров олова.
На подвижность компонентов в расплаве действует также электрохимический фактор, т.е. разность их электроотрицательностей Ах=Х]-Х2. Элемент, имея большую электроотрицательность, образует виртуальные связи, тем самым, резко увеличивает локальную вязкость расплава и имеет намного меньшую подвижность, чем элемент с меньшей электроотрицательностью. Поэтому элемент с большей электроотрицательностью стремится к аноду. Чем выше разность в значениях геометрических и электрохимических параметров примеси и растворителя, тем выше будет величина z .
Углерод, азот, водород и бор, имея малые значения ги по отношению к геометрическим параметрам растворителя, во всех переходных металлах при ЭП направляются к катоду [95, 100, 101].
Если вязкость расплава мала, а геометрические и электрические параметры компонентов по V, ги их близки, то электроперенос в такой системе будет отсутствовать, что, например, наблюдается в расплавах Zn-Cd в широком интервале концентрации [95, 128].
Особенно показательно исследование жидких металлических систем в интервале ATis, где одновременно существует жидкая и твердая фазы и расплав обладает большой вязкостью, и когда время релаксации упругих напряжений (Кс - растет) увеличивается приблизительно на 2 - 3 порядка, позволит получить дополнительную информацию для выявления основных закономерностей, протекающих при ЭП. Высокое значение rj позволяет достичь стационарного режима в течении десятка минут (20-40 минут как показали опыты) в образцах диаметром 10-15 мм. Большое значение rj препятствует образованию обратных конвективных макроскопических потоков даже в таких условиях эксперимента. Для достижения стационарного режима в жидком состоянии ЭП обычно исследуют в тонких капиллярах (диаметр 0,5-1,5 мм) и отжиг ведут в течении, как минимум, 2,0-2,5 суток.
Так как в интервале ATLS при максимальных Кс и rj выталкивающая сила F\2 по (4.7), разделяющая компоненты по направлению движения к аноду и катоду, достигает также максимальных значений, то обработка результатов опытов ЭП по общепринятой методике позволит выявить причины появления очень больших значений эффективных зарядов компонентов расплава.
