Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Обзор литературы 13
1.1 Классификация современных методов управления литой структурой
для повышения качества и свойств отливок из цветных сплавов. 13
Термовременная и термоскоростная обработка. 17
Перемешивание металлических расплавов. 20
Фильтрация расплавов 33
Вибрация 37
Электромагнитная обработка 52
Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ)
на металлические расплавы. 5 7
Генерирование наносекундных электромагнитных импульсов 58
Параметры генераторов НЭМИ. 59
Влияние облучения НЭМИ на жидкой фазы на физико-механические свойства алюминиевых и цинковых сплавов. 60
1.8 Выводы и постановка задач исследований 62
Глава 2. Методики и объекты исследований 63
Схема и методика облучения жидкой фазы НЭМИ 63
Методики измерения плотности, объемных изменений и кристаллизационных параметров 64
Стандартные методы исследования структур и свойств металлов 66
Методики измерения физико-механических свойств 66
Измерение теплопроводности 66
Исследования коррозионностойкости 68
Методика исследования жаростойкости с применением дериватографа 69
Исследование износостойкости 70
Элементно-фазовый анализ и электронно-микроскопическое исследование 71
Измерение электросопротивления в твердом состоянии 71 2.7. Обоснование выбора температуры обработки расплавов цветных металлов наносекундными электромагнитными импульсами для повышения теплопроводности 73 Глава 3. Влияние облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные характеристики меди и ее
сплавов 81
Исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на строение (степень уплотнения и коэффициент термического сжатия) меди и бронзы в жидком состоянии. 82
Кристаллизация и структурообразование не- и облученных НЭМИ
меди и бронзы. 83
Физико-механические свойства не- и облученных НЭМИ меди и бронзы. 89
Эксплуатационные свойства не- и облученных НЭМИ меди и бронзы. 91
Элементно-фазовый и структурный анализы не- и облученных меди и бронзы. 92
Микрорентгеноспектральный анализ образцов из бронзы 100
Выводы 108 Глава 4. Исследование влияния облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные характеристики
алюминия и его сплавов (силуминов) 111
Исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические свойства алюминия 111
Влияние продолжительности облучения расплава НЭМИ на 114
кристаллизационные параметры и физико-механические свойства силумина A3 90 (Республика Корея)
Кристаллизация, физико-механические и эксплуатационные свойства промышленных силуминов 115
Выводы 135 Глава 5. Исследование влияния облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и структурообразование, физико-механические и эксплуатационные характеристики магния и
его сплавов 137
Кристаллизация и структурообразование не- и облученного НЭМИ магниевого сплава МЛ 5. 138
Физико-механические свойства не- и облученного НЭМИ магниевого сплава 144
Выводы 146
Заключение: о возможном влиянии НЭМИ на структурообразование и свойства металлических материалов 147
Дырочная концепция эюидкого состояния Я.И. Френкеля при воздействии на него НЭМИ 148
Квазикристаллическая модель расплава при воздействии на него НЭМИ 149
Механизмы влияния НЭМИ на растворимость легирующих элементов и вторичных фаз в металлических сплавах 152
Механизм воздействия НЭМИ на жидкотекучестъ металлических расплавов 154
Изменение энергии связи на структуру сплавов под воздействием НЭМИ 154
О механизме изменения электро- и теплопроводности металлов
и сплавов под воздействием на жидкую фазу НЭМИ 156
Общие выводы по диссертационной работе 159
Список использованных источников 162
Введение к работе
Широко применяемые в практике физические методы воздействия на расплавы в зависимости от вида энергоносителя можно разделить на следующие группы: тепловые, барометрические, гравитационные, механические, электромагнитные, высокоэнергетические (корпускулярные).
В литейном производстве наиболее широко применяют тепловые, механические и электромагнитные методы. Тепловые методы включают термовременную и термоскоростную обработку расплава, а также управление литой структурой путем изменения скорости затвердевания и градиента температуры. Различные механические методы включают взаимодействие путем механического перемещения одних микрообъемов материала относительно других (перемешивание, фильтрация, продувка газами, обработка ультразвуком и вибрацией). Электромагнитные методы заключаются в обработке расплава либо затвердевающей отливки электрическим током и электромагнитными полями. Все эти методы внешнего воздействия на расплавы направлены на повышение качества и свойств отливок из различных литейных сплавов.
Учитывая, что все эти известные методы обработки могут осуществляться на различных этапах литейного передела, важной характеристикой процесса управления литой структурой являются стадийности, отражающие воздействие на шихтовые материалы (I стадия), процесс плавки (II стадия) и внепечную обработку (III стадия), которая может осуществляться в ковше либо непосредственно перед затвердеванием отливки -в литейной форме. Как отмечалось в работах Б.А. Баума, Г.В. Тягунова, Г.Г. Крушенко, В.З. Кисунько, Г.Н. Еланского и В.А. Кудрина, И.А. Новохатского, П.С. Попеля, Ри Хосена и др. максимальный эффект термовременной обработки проявляется при достижении устойчивого равновесного состояния жидких металлов и сплавов.
Высокотемпературный тип структуры ближнего порядка можно зафиксировать путем быстрого охлаждения расплава перед заливкой, т.е. термоскоростной обработкой, поскольку скорость структурных превращений в жидкой фазе достаточно низкая, несмотря на сравнительно высокие скорости диффузии. При этом достигается существенное повышение физико-механических свойств металлических сплавов.
В настоящее время представляется возможным управление процессом формирования отливок с определенным комплексом свойств воздействием на расплав несинусоидальных электромагнитных импульсов.
Впервые понятие непериодических (несинусоидальных, в том числе
наносекундных) волн было введено Г. Герцем. Вновь интерес к ним возник в
60-70 годы двадцатого века (B.C. Белкин), когда методы генерирования и
излучения наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) в
проводящую среду попытались применить для построения радиолокационных
систем без несущей частоты с высокой разрешающей способностью.
Характерной особенностью наносекундных электромагнитных импульсов
является их однополярность, что приводит к отсутствию осциллирующих
колебаний в излучаемом поле. Следствием этого выступает наличие
пространственно-временного направленного действия силы за время одного
импульса, создающего условия для воздействия на структуру и физические
свойства металлических сплавов. Рассматривались поля с импульсной
мощностью около 1 МВт и длительностью импульса 1 не, при этом
напряженность электрического поля достигает 105 107 В/м.
Впервые В.В. Крымским, Л.Г. Знаменским, Б.А. Кулаковым исследовалось влияние НЭМИ на свойства жидкого и кристаллизующегося металла на алюминиевых (АК 7 и АК5М) и цинковых (ЦА 4 и ЦА4МЗ) сплавах. Установлено, что обработка расплавов НЭМИ до температуры заливки металлов существенно повышает физико-механические свойства и диспергирует структурные составляющие сплавов.
В связи с этим представляет большой теоретический и практический интерес проведение целенаправленного исследования влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ (ПОН) на кристаллизационные параметры, физико-механические (электро- и теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих) и эксплуатационные (жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость) свойства меди, алюминия, и сплавов на их основе (бронзы, силумины), а также магниевого сплава МЛ 5.
Актуальность темы диссертационной работы также подтверждена выполнением научно- исследовательских работ в рамках:
Гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). № 05-08-01357 (2005 - 2006 гг.) «Исследование влияния облучения расплавов наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на фазовые превращения, теплофизические и физико-механические свойства алюминиевых и медных сплавов»;
Гранта Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края, государственный контракт № 15-344 (2007 г.) «Разработка новой технологии плавки металлических сплавов (медных, алюминиевых, магниевых, чугунов) путем воздействия на жидкую фазу наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств».
Тематики Института Материаловедения ХНЦ ДВО РАН «Методологические, физико-химические и технологические основы создания функциональных материалов и покрытий с мелкокристаллической и аморфной структурой при концентрированном энергетическом воздействии». № 020. 0 602402 (2006 — 2008 гг.): «Исследование влияния облучения наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на строение расплава, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства литейных металлических сплавов».
За разработку «Технологии плавки металлов и сплавов с использованием наносекундных электромагнитных импульсов» в номинации «Лучшая инновация года в литейном производстве» получен диплом на XIII Международной выставке-конкурсе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» как лучший инновационный проект в области металлургии' и машиностроения. 11-14 марта 2008 г., г. Санкт-Петербург.
Цель работы заключалась в комплексном исследовании влияния облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на ее строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства отливок из медных, алюминиевых и магниевых сплавов и разработка на этой основе новой технологии их плавки путем кратковременной обработки расплавов НЭМИ с целью повышения физико-механических и эксплуатационных свойств.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Исследование влияния продолжительности облучения НЭМИ (ПОН) жидких меди и оловянистой бронзы на строение жидкой фазы, процессы кристаллизации и структурообразования, их физико-механические и эксплуатационные свойства.
Исследование влияния ПОН жидких алюминия и силуминов (АЛ 9, АК 7) на строение жидкой фазы, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства.
Исследование влияния ПОН расплава на его строение, процессы кристаллизации и структурообразования, физико-механические и эксплуатационные свойства магниевого сплава МЛ 5.
Элементно-фазовый и рентгеноструктурный анализы не- и облученных в жидком состоянии НЭМИ сплавов.
Совершенствование технологии плавки алюминиевых, медных и магниевого сплавов путем облучения расплавов НЭМИ для повышения их свойств.
Научная новизна работы:
Впервые установлены новые закономерности изменения строения жидкой фазы, кристаллизационных параметров, структурообразования, физико-механических и эксплуатационных свойств металлических сплавов при воздействии на расплавы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ):
Установлена новая закономерность изменения строения жидкой фазы (степень уплотнения ~А]Ж и коэффициент термического сжатия аж при охлаждении от температуры перегрева до температуры начала кристаллизации tKp для чистых металлов и tn для сплавов) от ПОН расплава наносекундными электромагнитными импульсами. Аномальное изменение параметров жидкого состояния -Дтж и аж наблюдается при ПОН, равной 10... 15 минутам в зависимости от вида металлов и их сплавов.
Выявлена также общая закономерность изменения кристаллизационных параметров (tKp, -AJKp, ткр) для чистых металлов (Си, А1) и (тл, tc, -AJn-C5 -AJd, Тл-с5 тэ) для сплавов (бронзы, силуминов и магниевого сплава МЛ 5) от ПОН. Как правило, все кристаллизационные парметры изменяются от ПОН по экстремальной зависимости с максимумами или минимумами их значений при ПОН, равной 10... 15 минутам.
Физико-механические и эксплуатационные свойства исследованных металлов и сплавов также изменяются от ПОН по экстремальной зависимости с максимумами их значений при облучении расплава в течение 10... 15 минут. При этом теплопроводность исследованных металлов и сплавов без исключения повышается в 1,5...2,0 раза. Метод облучения жидкой фазы НЭМИ в течение 10... 15 минут является единственным способом повышения теплопроводности металлов и сплавов.
Повышение ПОН способствует измельчению структурных составляющих (а-твердых растворов, эвтектики и эвтектоида) в силуминах, оловянистой бронзе и магниевом сплаве МЛ5.
Увеличение ПОН приводит к изменению фазового состава а-твердого раствора, эвтектики и эвтектоида в оловянистой бронзе и силуминах.
Предложена новая совершенствованная технология плавки силуминов, оловянистой бронзы и магниевого сплава МЛ5 путем обработки расплава НЭМИ для повышения их физико-механических и эксплуатационных свойств.
Таким образом, существенное изменение строения расплава, кристаллизационных параметров и физико-механических свойств от ПОН расплава фиксируется при 10-15 минутном облучении расплава НЭМИ. Практическая ценность работы
Предложена новая технология плавки металлических сплавов для повышения их теплопроводности в 1,5....2,0 раза в зависимости от вида сплавов путем кратковременной обработки расплава НЭМИ (10... 15 минут). Она может быть применена для производства алюминиевых расплавов с целью повышения их теплопроводности (Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 30 октября 2008 г. Заявка № 2007124216/02(026375) «Способ обработки жидких алюминия и силумина наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения их теплопроводности»).
Для достижения максимальных значений физико-механических и эксплуатационных свойств металлических сплавов необходима определенная ПОН расплава (Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 1 ноября 2008 г. Заявка №2007124218/02(026377) от 27.06.2007 г. «Способ обработки жидкой меди наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) для повышения ее жаро- и коррозионностойкости»).
Предложенная новая технология плавки силуминов и магниевого сплава рекомендована Комсомольскому-на-Амуре авиационному производственному объединению «КнААПО», Амурскому
судостроительному заводу (г. Комсомольск-на-Амуре), судостроительному заводу ОАО «Аскольд» (г. Арсеньев Приморского края) для выплавки бронзы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
обсуждались на 9 международных, всероссийских и региональных научно-
технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах:
Международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических
материалов» (Третьи Самсоновские чтения) (г. Хабаровск, 2006 г.);
Международной научно-практической конференции «Повышение
эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2006 г.); 6-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); Втором «Форум возрождения китайской северо-восточной старой промышленной базы: научно-техническое сотрудничество Китая и СНГ» (Форум-2006, г.Харбин, КНР); JCRSAMPT 2006 «JOrNT China-Russia Symposium on ADVANCED MATERIALS PROCESSTNG TECHNOLOGY» (Harbin, P.R. Cnina); Международном VIII Российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии 2007» (г.Хабаровск, 2007г.); восьмом съезде литейщиков России (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.); 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); XI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 1 монография, 17 научных статей, получено 2 положительных решения на выдачу патентов. Материалы диссертации приведены в отчетах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы. Основная часть диссертации
изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 6 таблиц, библиографию из 230 наименований.
Достоверность научных результатов. Достоверность
экспериментальных данных достигалась путем широкого использования современных методов и методик исследования металлов и сплавов.
Личный вклад автора. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты, полученные автором самостоятельно. При этом автор проводил исследования в лабораторных и промышленных условиях, и ему принадлежит разработка новой технологии плавки металлических сплавов.
Работа выполнялась в лабораториях Тихоокеанского государственного университета, ОАО «КнААПО» и института материаловедения ДВО РАН (г. Хабаровск).
Автор выражает признательность научному консультанту профессору, д. т. н. Ри Хосену, к.т.н. Якимову В.И., сотрудникам кафедры «Литейное производство и технология металлов» ХГТУ, работникам Института материаловедения ДВО РАН, оказавшим содействие при выполнении данной диссертационной работы.
