автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование влияния электрического тока на структурообразование и свойства высококачественных отливок

На правах рукописи

Куценко Андрей Андреевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ОТЛИВОК

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2014

Новокузнецк — 2014

005549110

Работа выполнена на кафедре материаловедения, литейного и сварочного производства в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Научный руководитель Селянин Иван Филиппович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Материаловедение, литейное и сварочное производство» СибГИУ (г. Новокузнецк) Официальные оппоненты: Тен Эдис Борисович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технология литейных процессов» Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (г. Москва)

Дробышев Александр Николаевич, кандидат технических наук, ведущий инженер технологического отдела управления главного механика ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» (г. Новокузнецк)

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный

технический университет им. И.И. Ползунова» (г. Барнаул)

Защита состоится «30» июня 2014 года в 13ш часов на заседании диссертационного совета Д212.252.04 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, ауд. ЗП.

Факс: (3843) 465792; e-mail: d212_252_04@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», а также на сайте «http://www.sibsiu.ru/dis/index.php?show=disert&dsovet=5».

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайте ВАК и официальном сайте СибГИУ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью организации) просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.

Автореферат разослан «¿/ » ил^Э^ 2014 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета Р.

д.х.н., профессор Горюшкин Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 №13.025.31.0082, 20102012 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:

1. 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 РЬ-Бп.

2. Исследовать влияния постоянного электрического тока на процессы кристаллизации, структурообразования и электропереноса в алюминиевых сплавах (АК12,

сплав Al+2,1 % Si) и в легированных хромом чугунах (ЧХ16, чугун с 1,4 % Сг), определить оптимальные условия токового воздействия на расплав в литейной форме.

3. Исследовать влияние постоянного электрического тока на жидкотекучесть модельного сплава Pb-Sn и алюминиевых сплавов (АК12, сплав Al+2,1 % Si).

4. Разработать математическую модель механизма воздействия постоянного электрического тока на параметры электропереноса компонентов расплава в литейной форме.

5. Апробировать результаты исследований в производственных условиях при получении высококачественных отливок из чугуна с повышенным содержанием хрома в поверхностном слое.

Научная новизна:

1. 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.

2. Установлено, что наибольший эффект электропереноса компонентов расплава в литейной форме достигается для сплавов с широким интервалом кристаллизации и при вертикальном расположении анода и катода.

3. 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%.

4. 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.

5. 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. per. 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:

1. 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.

2. Результаты исследования влияния постоянного электрического тока на жид-котекучесть модельного сплава Pb-Sn и алюминиевые сплавы.

3. 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.З «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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор литературных данных современной практики использования различных методов обработки металлических расплавов электрическим током, применяемым в литейном производстве и электропереноса (ЭП) компонентов в сплавах.

На основании проведенного анализа литературных данных сделаны выводы и поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе приведена методика проведения исследований.

Объектами исследования были выбраны следующие сплавы: модельный сплав Pb-Sn из компонентов технической чистоты 99,9%); алюминиевые сплавы АК12 (ГОСТ 1583-93) и сплав с содержанием кремния 2,7 % (0,9 % Си; 0,2 % Mg; до 1,5% Fe; сумма примесей - не более 2 %; остальное АГ); чугун ЧХ16 (ГОСТ 7769-82) и чугун, легированный 1,4 % Сг (2,5 % С; 1,8 % Si; 0,9 % Мп; 0,6 % Си; менее 0,1 % Р и % 5).

Плавку шихты для получения Pb-Sn сплавов заданного состава осуществляли в печи Таммана в керамическом тигле. Плавки алюминиевых сплавов проводили в печи сопротивления, плавку чугуна - в печи ППИ-0,06, в производственных условиях-ИСТ-0,16.

Обработку расплавов постоянным электрическим током (ПЭТ) в процессе кристаллизации осуществляли с помощью созданного стенда, включающего в себя источник постоянного тока, регулятор мощности, модули измерения и регистрации аналоговых сигналов АЦП/ЦАП ZET 210 и ZET 220 и предварительный усилитель ZET 412, выпускаемых серийно предприятием ЗАО «Электронные техно-

логии и метрологические системы» (г. Москва). Ток через расплав пропускали вдоль оси образца вплоть до его полного затвердевания (для чугунов на 40 °С ниже эвтектоидного превращения).

В экспериментах варьировались следующие параметры воздействия ПЭТ на расплав: плотность тока (/'=2,8 ■ 104—2,6■ 105 А/м2), полярность электродов, горизонтальное и вертикальное положение образца в литейной форме. В процессе экспериментов регистрировались значения силы тока, напряжения, температуры в нескольких точках образца. Контроль температуры осуществляли хромель-алюмелевыми и вольфрамрениевыми термопарами. Численное дифференцирование термических кривых охлаждения расплава в форме осуществлялось на базе авторского программного обеспечения «Tempol».

Для проведения исследований на модельном сплаве PbSn разработана проба, конструктивно представляющая собой керамический тигель и графитовую пробку специальной конструкции. В тигель осуществлялась загрузка шихты и ее расплавление. Графитовая пробка предназначена для крепления экспериментальной оснастки: кварцевой трубки с двумя электродами по торцам трубки, двух термопар - внутри (Т0в -температура образца) и снаружи кварцевой трубки (Тэ - температура эталона). Расположение термопар в полости тигля и образца подобрано таким образом, что при отсутствии электрического тока в образце термопары фиксируют одинаковую скорость охлаждения сплава во времени (г): dTo^dr xdTj/dr. При отсутствии токового воздействия на образец, дифференциальная запись на термограмме (Тоб-Тз) получится в виде прямой линии, параллельной оси времени (нулевая линия). Все термические эффекты в образце отражаются на термограмме отклонением дифференциальной кривой вдоль оси ординат. Эндотермические эффекты отражаются на термограмме отклонениями дифференциальной кривой относительно нулевой линии вниз, экзотермические - вверх. Для корректного сопоставления термических кривых, они нормировались по времени: готн = 0 - начало кристаллизации и гогн = 1 - окончание кристаллизации расплава.

Для проведения экспериментов на A/-Si сплавах и легированных чу гунах в литейной форме создан комплект специальной литейной оснастки, включающий в себя опоки, литейные модели, электроды и др. Образцы представляли собой цилиндрическую отливку диаметром 28 мм и длиной 220 мм и размещались горизонтально или вертикально в литейной форме. Для имитации формы изделия типа «колосник» использовали Т-образную пробу 55x50x28 мм. Каждый эксперимент включал в себя заливку экспериментального и контрольного образцов в одной литейной форме. Заливка металла осуществляли в песчаные подогретые формы (Тф = 75 °С). Электрический ток пропускали вдоль оси отливки в процессе ее формирования, начиная от жидкого состояния металла вплоть до его полного затвердевания.

Для определения жидкотекучести разработана специальная конструкция прутковой пробы с постоянным сечением канала круглой формы, снабженная тиглем для токовой обработки расплава и последующей его заливки в канал пробы. Мерой жидкотекучести являлась длина полученного прутка (Л).

Статистическую обработку экспериментальных данных производили с использованием Statïstica 6.0, численные расчеты и моделирование выполняли на языке программирования Microsoft Visual Basic 6.0 Professional.

В третьей главе представлены результаты исследования структуры и свойств сплавов, подвергнутых воздействию ПЭТ.

Модельный сплав Pb-Sn

Исследования проводились на модельном сплаве Pb-Sn трех составов: доэв-тектический (27 мае. % Sri), эвтектический (62 мае. % Sri), заэвтектический (76 мае. % Sri).

В доэвтектпческом сплаве (рисунок 1-а) при температуре опыта выпадают частицы твердого раствора на основе РЪ. Без токового воздействия на кристаллизующийся расплав, под действием сил гравитации эти частицы оседают вниз и создают небольшой градиент концентрации по сечению образца (< 1%).

При пропускании ПЭТ через образец возникает ЭП и частицы РЪ начинают перемещаться к аноду. При пропускании ПЭТ в направлении, совпадающем с силой тяжести (нижний электрод - анод), содержание в нижней части образца снижалось до 24 %, в верхней части повышалось до 30 %. При пропускании ПЭТ в обратном направлении (верхний электрод - анод), содержание 5и в нижней части образца увеличивалось до 29 %, в верхней части образца - снижалось до 26 %.

Для эвтектического сплава воздействие ПЭТ на процесс кристаллизации с плотностью 2,6-105 АУм2 не приводит к перераспределению компонентов по высоте образца, и в экспериментах составило величину »0,6-0,8 мае. %.

В заэвтектическом сплаве (рисунок 1-6) при пропускании ПЭТ через образец, частицы начинают переноситься к катоду. При расположении катода в нижней части образца содержание в нижней части образца повышалось до 79 %, в верхней части - понижалось до 72,5 %. При расположении катода в верхней части образца содержание в нижней части образца понижалось до 74,4 %, в верхней части образца — повышалось до 77,5 %.

Таким образом, в системе РЬ-5п при всех концентрациях РЬ стремится к аноду, а 5я - к катоду (эффективный заряд - г РЬ= -1,6; г Зп= +1,4).

Под действием ПЭТ микротвердость структурных составляющих исследованных составов модельного сплава меняется незначительно - наблюдается рост «4 % у анода для доэвтектического и у катода для заэвтектического составов сплава.

В микроструктуре доэвтектического сплава под действием ПЭТ заметно увеличение количества эвтектики, причем, у анода эвтектические кристаллы образуют практически сплошную сетку, происходит увеличение размеров зерен а-фазы.

Микроструктура эвтектического сплава, обработанного ПЭТ, отличалась значительной неоднородностью по высоте образца. В нижней части образца присутствовала эвтектика и небольшое количество кристаллов Бп. В средней части наблюдалась мелкодисперсная эвтектика. Верхняя часть образца содержала большое количество дендритов - кристаллов Бп.

В микроструктуре заэвтектического сплава по всей высоте образца, наряду с эвтектикой наблюдаются протяженные дендритные кристаллы Бп. Направление осей первого порядка дендритов преимущественно совпадает с направлением отвода тепла (снизу-вверх) и продольной осью образца. При воздействии ПЭТ на расплав дендриты вытянуты в направлении от катода к аноду. При смене полярности наблюдается хаотичная ориентировка осей дендритов по отношению к продольной оси образца, не совпадающая с направлением отвода тепла.

Таким образом, пропускание ПЭТ различной полярности через сплав РЪ-Бп оказывает влияние на размер и направленность роста дендритов: в одном случае способствует, в другом - препятствует этому процессу.

Воздействие ПЭТ любой полярности на расплав незначительно понижает температуру ликвидус (ТО сплава - 0,4-0,6 °С. Общее время кристаллизации сплава (т0б) зависит от направления тока и увеличивается на 1,5-2,1 % за счет увеличения времени кристаллизации эвтектики (гэ). Температурный интервал кристаллизации уменьшается из-за роста температуры солидус (Гц). Величина переохлаждения при прохождении сплавом температуры эвтектического превращения (АТ$) зависит от компонентного состава сплава и при увеличении плотности тока увеличивается. Максимальная разница температур (Т0Б-ТЭ) зависит от плотности тока и имеет незначительные отличия при смене полярности для эвтектического состава сплава, в сплавах доэвтектического и заэвтектического составов данная разница достигает 24-36 %. На рисунке 2 приведены термограммы доэвтектического состава модельного сплава РЬ-Бп, подвергнутого воздействию ПЭТ различной полярности (/=1,3-105 А/м2).

Рисунок 2 - Нормированные термограммы доэвтектического состава модельного сплава РЬ-Бп

Относительное время начала интенсивного тепловыделения в образце (т"т„) и (Хоб -Тэ) при изменении полярности тока меняется. Данные факты свидетельствуют об изменении темпа выделения твердой фазы в расплаве и о влиянии теп-

лот Джоуля-Ленца и Пельтье на процессы кристаллизации. В частности, теплота Пельтье выделяется на границе раздела фаз и при движении тока на встречу фронта кристаллизации способствует снятию концентрационного переохлаждения перед фронтом, и тем самым уменьшает вероятность образования новых центров кристаллизации. При движении тока в направлении фронта кристаллизации теплота Пельтье меняет знак и наоборот - увеличивает концентрационное переохлаждение перед фронтом кристаллизации и повышает вероятность образования новых центров кристаллизации.

Экспериментально установлено, что обработка расплава РЬ-Бп ПЭТ в жидком состоянии приводит к снижению его жидкотекучести. Максимальные снижение жидкотекучести наблюдается у составов сплавов с максимальным интервалом затвердевания (рисунок 3).

Рисунок 3 - Условно-истинная жидкотекучесть сплава РЬ-Бп на прутковой пробе постоянного сечения в зависимости от способа воздействия на расплав в жидком состоянии

Металлографический анализ шлифов начальных сечений затвердевшего потока расплава показал, что в структуре сплава, не подвергнутого обработке ПЭТ, наблюдаются разветвленные четко очерченные дендриты оловянной фазы. Для сплава, подвергнутого воздействию ПЭТ, дендритная структура отсутствует, и оловянная фаза имеет мелкодисперсную структуру, наблюдается образование мелких глобулярных (недендритных) кристаллов ¡5-фазы.

Постоянный ток вызывает макроскопическое перемещение микрообъемов расплава в противоположных направлениях, обламывает и измельчает растущие кристаллы дендритов. За счет эффекта перемешивания температура расплава выравнивается по сечения тигля установки, расплав охлаждается как высокотеплопроводное тело, интенсивность охлаждения резко возрастает. Именно температурный фактор приводит к уменьшению жидкотекучести сплава, хотя температура нулевой жидкотекучести смещается ближе к 7>. Аналогичный эффект проявляется при перемешивании расплава.

Алюминиевые сплавы

Исследование воздействия ПЭТ на сплав АК12 показало, что с ростом плотности тока в образце, Т$ увеличивается на 3-6 °С и АТ$ - на 0,3—1,0 °С, рост то6 составил 10-13% (погрешность измерения температуры «0,6 °С). В процессе затвердевания образца на дифференциальных кривых наблюдается более интенсивное выделение тепла при т£тн=0,61-0,64. Эксперименты на сплаве АК12 показали, что ЭП компонентов по высоте образца под действием ПЭТ практически не происходит.

Структура исходного сплава АК12 состоит из эвтектики и некоторого количества избыточных кристаллов кремния. Размер зерна эвтектики — около 50 мкм. В микроструктуре образцов, подвергнутых ПЭТ, наблюдается изменении конфигурации эвтектики и ее разрушение (рисунок 4-а). На отдельных участках можно наблюдать более тонкое дифференцированное строение эвтектики размером 12-16 мкм.

ВЕРХ^Е-

Рисунок 4 - Микроструктура сплава АК12 (х500) (а) и разница в

содержании 5; между анодом и катодом в образцах из сплава А1 + 2,7% 57 (б)

Твердость образцов сплава АК12 у катода увеличивается на 16—19 %, у анода — 6-12%. При горизонтальном положении образца в литейной форме рост твердости значительно ниже: у катода - 5-6 %, у анода — 3-4 %.

Таким образом, токовое воздействие на сплав АК12 приводит к заметному изменению параметров кристаллизации и структуры сплава, оказывает влияние на размер и морфологию эвтектических фаз, но перераспределение компонентов в составе сплава под действием постоянного электрического тока не происходит.

Воздействие ПЭТ на алюминиевые сплавы с содержанием 2,7 % £7 в процессе кристаллизации приводит к уменьшению АТна 5-9 °С, при этом наблюдается небольшое понижение на 1—2 °С и повышение на 4-7 °С.

На рисунке 4-6 приведены результаты исследования ЭП 57 в доэвтектическом алюминиевом сплаве с содержанием 2,7 % 57 при горизонтальном и вертикальном подводе ПЭТ к образцу.

Таким образом, на алюминиевых сплавах установлено, что важным технологическим параметром, оказывающим влияние на ЭП компонентов в металлическом расплаве, является место подвода электрического тока к отливке в литейной форме. Эффективность токовой обработки расплава резко снижается при подводе электродов к отливке в горизонтальной плоскости.

Микроструктура образцов алюминиевого сплава с содержанием 2,7 % 57, содержит отдельные дендриты а-твердого раствора, вытянутые вдоль оси образца. В образцах, подвергнутых ПЭТ, объем, занимаемый дендритами в образце, уменьшается с увеличением плотности тока, первичные кристаллы а-твердого раствора и 5/ практически исчезают или занимают относительно малый объем, особенно у катода образца. Это можно объяснить тем, что с ростом плотности тока в расплаве растет скорость образования центров зарождения первичных кристаллов а-твердого раствора и предотвращается рост дендритов, что создает эффект модифицирования сплава.

Исследования твердости образцов данного сплава показали ее прирост по сравнению с необработанными током образцами: у катода - на 13-17 %, у анода — на 4-11%.

Воздействие ПЭТ на алюминиевые сплавы приводит к снижению их жидкоте-кучести, У сплава АК12 наблюдается снижение жидкотекучести на 2,1-3,2 %, у силумина с содержанием 2,7 % 57 снижение составило 22-26%.

Сведения об ЭП компонентов в алюминиевых сплавах, полученных в процессе исследований, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Электроперенос в алюминиевых сплавах

Компонент 2п Си № Мп 77 57 А1 Мя

мае. % 0,0470,071 0,1170,171 0,5540,719 0,0210,024 0,0110,012 2,4452,660 96,1296,47 0,0220,046

относительная разни- _ ца концентраций. % 3,4% 10,3% 4,8% -3,2% -44,6% -15,9% 0,2% ^1,8%

направление движения к аноду к аноду к аноду к катоду к катоду к катоду к аноду к катоду

Легированные чугуны

Обработка ПЭТ легированных хромом чугунов в процессе кристаллизации в литейной форме сопровождается уменьшением АТ^ на 6-11 °С за счет незначительного понижения на 1-3 °С и повышение на 5-8 С. Зафиксировано увеличение тоб за счет увеличения тэ на 9-11%. Температура эвтектоидного превращение (ТЕ) в чугунах ЧХ16, подвергнутых воздействию ПЭТ, на 6-14 °С выше, чем у исходных, при этом время протекания эвтектоидного превращения возрастает на 50-60 %.

На рисунке 5-а приведены результаты изменения концентрации Сг между анодом и катодом в образцах из легированных чугунов в зависимости от плотности ПЭТ. Ионы Сг имеют эффективный заряд :Сг = —1,10 и двигаются к аноду. Наиболее эффективным следует считать ЭП при положении анода внизу отливки. В чугунах с содержанием 1,4 % Сг, его разница между анодом и катодом составила 0,241 % Сг, в чугуне ЧХ16 - 1,97 % Сг. При плотности тока более у'=1,0105 А/м2 положение анода и катода в литейной форме начинает оказывать значительное влияние на эффективность ЭП.

Металлографический анализ чугунов марки ЧХ16 показал (рисунок 5-6), что в образцах без токовой обработки карбиды имеют размеры порядка 3-5 мкм, а в образцах подвергнутых ПЭТ они становятся дисперснее, значительно уменьшаясь в размерах до 0,8—1,5 мкм.

Твердость исходных образцов по сечению практически не меняется и составляет 40-41 НИС. Твердость образца с обработкой ПЭТ достигает 46-47 НЯС. Микротвердость карбидов хрома и железа составляет в среднем 760 НУ, микротвердость светлых участков выше - 1260 НУ.

15 20 25

плотность тока,¡-10-А А/м2

а) б)

Рисунок 5 - Разница в содержании Сг между анодом и катодом в образцах тированных чугунов (а), и микроструктура ЧХ16 (х500) (б)

из ле-

Для исследования распределения Сг под действием ПЭТ по сечению Т-образной отливки, имитирующей колосник, проведено исследование элементного состава чугуна с 1,4 % Сг методом пошагового картирования (рисунок 6). Полученные результаты показывают, что за счет воздействия ПЭТ на кристаллизующийся расплав в литейной форме удалось обеспечить содержание Сг в рабочей части образца около 1,6 %, что больше содержания в исходном жидком металле на 0,2 %. Максимальный приток Сг в рабочую часть образца обеспечили слои, находящиеся на удалении 5-10 мм от центра картирования, где содержания Сг в металле снизилось до 0,4-0,6 %. Затылочная часть образца в меньшей степени обеднена Сг.

§ I •■ '// Ш

1 О.*- "1

| 0.6 • 0,4 - --•1

¿1 /

гттшяи

•ттвРЫШО

1Г, :

О

з-^

О з-О

ю о а

И

-О

О

г-ск

Х.Л , г

< 2

О ол

Рисунок 6 - Распределение хрома по сечению отливки (а) и вид отливки с нанесенной координатной сеткой (б)

Данный факт связан с особенностью затвердевания образца в литейной форме, а именно, с высокой скоростью затвердевания тонкой затылочной части. Место сопряжения тонкой затылочной и более толстой рабочей части образца образует

термический узел, в котором максимально долго находится расплав в жидком состоянии и из которого под действием электрического тока Сг перемещается в сторону анода - рабочей части образца.

Сведения об ЭП компонентов в легированных хромом чугунах, полученных в процессе исследований, приведены в таблице 2.

На основе полученных экспериментальных данных была проведена их статистическая обработка с использованием пакета БТАПвТГСА 6.0, применительно к сплавам, имеющих практическое применение.

Таблица 2 - Электроперенос в чугунах, легированных хромом

Компонент V Ш Си Мп Сг 77 я; С

мае. % 0,0340,035 0,3770,391 0,670,72 1,4721,814 1,22115,994 0,0060,007 1,671,98 2,432,59

относительная разница концентраций, % 0,0% 11,0% 4,1% -6,9% 12,3% 0,0% -1,8% -6,1%

направление движения нет данных к аноду к аноду к катоду к аноду пет данных к катоду к-катоду

Содержания Сг в легированных чугунах у анода:

%Сг+ = 0,260 • %Сг + 0,097 •; ■ 10"4 + 1,456, (1)

(^=7,4; ¿>=0,25; Л2=0,937; 1,4< %Сг < 16,0; 1,3-105 <7< 1,9105).

Содержания 5/ в алюминиевых сплавах у катода:

%5Г = 0,103 ■ %5£ + 0,024 ■ у • 10~4 + 2,534 , (2)

(^=6,9;/>=0,033; Л2=0,868; 2,58< < 2,91; 1,3-105 <] < 1,9-105).

Изменение твердости (ДН, МПа) алюминиевых сплавов у анода (ДН+) и у катода (ДН~):

ДН+ = 5,215 ■ (%51 - 2,68) + 2,194 •; • 10~4 , (3)

(Рр=61,9; р=0,022; 112=0,694; 2,68<%81 < 11,9; 6,5-Ю4 <у <2,6-105).

ДН' = 9,704 ■ (%51 - 2,68) + 3,849 •) ■ Ю-4 , (4)

(Рр=552; р=0,01б; 112=0,985; 2,68<%Б1 < 11,9; 6,5-104 <] <2,6-105).

Изменение жидкотекучести (Д мм) алюминиевых сплавов:

Л = 5,962 ■ + (0,029 ■;2 - 1,362 ■;) ■ Ю-4 + 27,969 , (5)

(7у=805,1; р=0,009; Л2=0,998; 2,68< %&'< 11,9; 5,7-104 <у < 1,9-105).

В четвертой главе приведена математическая модель, описывающая механизм воздействия ПЭТ на параметры кристаллизации металлического расплава в литейной форме, а также выполнено сопоставление результатов эксперимента с теоретическими исследованиями.

За основу анализа сил при ЭП была использована физическая модель, наиболее полно разработанная Дж. Фриделем, и которая утверждает, что на ионы компонентов расплава действует сила «электронного ветра», способствующая их движению от катода к аноду. Данная модель была дополнена условием механического равновесия, вытекающее из третьего закона механики. Металлические расплавы обладают динамической сдвиговой вязкостью ц и объемным модулем упругости Кс. Упругие свойства ньютоновских жидкостей (металлических расплавов) проявляются при импульсах воздействия Ах, меньших характерного времени релаксации упругих напряжений (Ахр). При Ах< Ахр, ньютоновские жидкости разрушаются хрупко, как тела, не обладающие вязкостью.

При движении компонента 1 к аноду, имеющего парциальный атомный объем Vb на компонент 2, действует выталкивающая сила F¡2 по направлению к катоду равная:

4 _2/, dnt

где с)гс/и/ — относительный избыток атомов компонента 1 в локальном объеме при их перемещении к аноду за промежуток времени Ах< Атр, когда расплав в этой области проявляет упругие свойства; dn/dr - скорость поступления атомов компонента 1 в локальный объем.

Уравнение (6) выведено с использованием реологической модели упруго-вязкого тела Максвелла с временем релаксации тр= 1СГ5-1СГбс, характерное для ньютоновских жидкостей.

Следует подчеркнуть определяющую роль вязкости в процессах ЭП. Так, модельный эвтектический сплав (62% РЬ, 38% Sn) кристаллизуется по варианту чистого металла, переходит от жидкого к твердому, минуя промежуточные жидко-твердое и твердо-жидкое состояния. Применяемые в экспериментах плотности тока не выявили эффекта разделения РЬ и Sn при ЭП. Вязкость и жидкотекучесть сплавов в интервале ATis связаны обратно пропорциональной зависимостью. Следовательно, эвтектические сплавы при максимальном значении Л (рисунок 3) имеют минимальные значения г|, что способствует возникновению обратного макроскопического движения расплава при ЭП, и, одновременно, приводит к минимальному значению выталкивающей силы F¡¡ на ионы Sn, которая определяет молекулярную диффузию компонентов из анодной к катодной области.

«Электронный ветер» действует на оба компонента, но эффект разделения их по направлению движения к аноду или катоду зависит от влияния компонентов на вязкость расплава в целом и от их индивидуальных диффузионных подвижностей. Как правило, компонент, имеющий меньший парциальный атомный объем (V), или ионный радиус (г„) будет при ЭП двигаться к катоду и, наоборот, к аноду переносится компонент с большими значениями V и ги, так как выталкивающая сила F¡2, действующая на компонент с минимальными V и ги, будет максимальна. В системах Pb-Sn и Al-Si (рисунок 1 и 4) при всех концентрациях РЬ и Al стремятся к аноду, Sn и Si к катоду, т.к. парциальный атомный объем свинца (VPb = 203,4ag) больше парциального объема олова (VSn = 181,5ag); парциальный атомный объем алюминия (VAi = 111,Зад) больше парциального объема кремния (Fsi = 97,12аъ0).

На подвижность компонентов в расплаве действует также электрохимический фактор, т.е. разность их электроотрицательностей Ax=x¡-x2■ Так, Xo=l,56; ^„=1,31. Хром образует с углеродом более прочные карбиды, чем Fe. В расплаве системы Fe-Cr-C связи карбидного типа сильнее ограничивают подвижность атомов Сг, чем Fe, поэтому более подвижный ион Fe будет при ЭП двигаться к катоду, а ион Сг к аноду (рисунок 6).

Предлагаемая модель ЭП позволяет рассчитать подвижность b¡ эффективного заряда :¡ i-ro компонента в электрическом поле на основе экспериментальных данных:

Д C¡ 1 „ Ъ{кТ

C¡ 61 рх Die

где М— масса образца; С„ АС, - средняя концентрация и изменение средней концентрации ¡-компонента при ЭП; 3 — средняя плотность сплава; I — сила тока; р — удельное электросопротивление сплава; т - время эксперимента по ЭП; £>, - коэффициент самодиффузии ¿-компонента; Т — средняя температура; к - постоянная Больцмана; е - заряд электрона.

Сведения об ЭП компонентов в алюминиевых сплавах и чугунах, полученных расчетным путем по модели, приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Электроперенос в литейных сплавах (расчет по модели)

Растворитель/примесь Примесь Эффективный заряд, г*

ионный радиус, А плотность, кг/м3 мае. % другие исследования1 расчет по модели (7)

РЬ/8п 0,690 7 287 26,0-27,0 +1,08...+1,40 +2,31

Эп/РЬ 1,190 И 342 23,0-25,0 -1,4...-1,6 -1,43

АН Ре 0,645 7 874 0,554-0,719 нет данных -0,12

А1/Мп 0,460 7 440 0,021-0,0240 нет данных +0,14

АНШ 0,400 2 330 2,445-2,660 -1,000...+0,12 +1,39

Ре / С г 0,535 7 150 1,4-16,0 -1,10...-1,25 -2,24

Ре/Эг 0,400 2 396 1,37-1,83 +1,1...+3,1 +1,03

Ре/С 0,200 2 267 2,41-2,47 +2,3...+11,3 +3,34

— согласно данным Д.К. Белащенко, В. А. Михайлова, A.A. Ахкубекова, A.A. Скеорцова

В пятой главе представлены результаты промышленной апробации разработанной технологии обработки ПЭТ отливок ответственного назначения. В условиях ОАО «Завод «УНИВЕРСАЛ» (г. Новокузнецк) была реализована технология изготовления отливки типа «Колосник» типоразмера КУ. Было установлено, что увеличивается объёмная доля карбидов хрома и уменьшаются их средние размеры в рабочей части колосника, карбиды имеют размеры в 2,5-3 раза меньше, чем в колосниках, не подвергнутых токовой обработке.

С использованием разработанной технологии токовой обработки расплава в процессе его кристаллизации в литейной форме изготовлен опытный образец выходного вкладыша форсунки для водоугольного топлива. После эксплуатации вкладыша в течение 500 часов при давлении топлива до 0,6 МПа применительно к условиям эксплуатации ЗАО «Научно-производственное предприятие «СИБЭКО-ТЕХНИКА» (г. Новокузнецк) износ поверхности вкладыша составил менее 1 мм, что обеспечивает рост эксплуатационного ресурса вкладыша до 2000 часов, при этом ресурс исходных вкладышей составлял 500-600 часов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе методов термического анализа и дифференциального термического анализа установлены новые закономерности изменения кристаллизационных параметров и структурообразования модельного сплава РЬ-Бп, легированного чугуна и алюминиевого сплава. Впервые экспериментально установлено, что за счет изменения полярности подвода к образцу постоянного электрического тока меняются кристаллизационные параметры сплава: интервал кристаллизации на 1,5-3,7%, общее время кристаллизации на 1,5-2,1%, значение температуры солидус до 2,3 °С.

2. Экспериментально установлено, что за счет воздействия постоянным электрическим током определенной плотности на кристаллизующиеся в литейной пес-чано-глинистой форме легированные чугуны и алюминиевые сплавы можно изменить содержание компонентов в поверхностном слое и в теле отливки. Для легированных хромом чугунов минимальная плотность тока в отливке для эффективного массопереноса составила 1,4-1,6-105 А/м2, (относительная разница концен-

траций О между анодом и катодом - 13,2 %) для сплава А1+2,1 % £7 - 1,9-2,1-Ю5 А/м2 (относительная разница концентраций 57 между анодом и катодом — 20,6 %).

3. Экспериментально установлено, что местп подвода электродов к отливке в литейной форме оказывает существенное влияние на электроперенос компонентов в расплавах. Так, эффективность токовой обработки алюминиевого расплава в горизонтальной плоскости снижается в 5—12 раз по сравнению с обработкой расплава в вертикальной плоскости.

4. Постоянный электрический ток уменьшает жидкотекучесть сплавов, вызывает макроскопическое перемещение микрообъемов расплава, обламывает и измельчает растущие кристаллы дендритов, выравнивает температуру по сечению отливки. Пропускание электрического тока через расплав плотностью более 104 А/м2 приводит к снижению жидкотекучести для доэвтектических сплавов — до 19 %, эвтектических - до 3 % и заэвтектических - до 17 %.

5. Получены регрессионные уравнения, связывающие плотность тока, компонентный состав сплава, твердость и жидкотекучесть для литейных алюминиевых сплавов и легированных хромом чугунов. Ряд регрессионных уравнений впервые учитывает полярность подвода электрического тока к отливке.

6. Предложена математическая модель, описывающая механизм воздействия постоянного электрического тока на параметры кристаллизации металлического расплава в литейной форме, учитывающая роль вязкости и диффузии в процессах электропереноса. Теоретически обосновано, что компоненты, имеющие меньшие парциальные атомные объемы или ионные радиусы, будут при электропереносе двигаться к катоду и, наоборот, к аноду переносятся компоненты с большими значениями атомного объема и радиуса.

7. Результаты исследований реализованы в производственных условиях при получении отливок ответственного назначения «колосник» и «выходной вкладыш форсунки». Так, в рабочей части отливки колосника увеличилась объемная доля карбидов хрома на 7-12% и уменьшились их средние размеры в 2,5-3 раза, по сравнению с отливками, не подвергнутыми токовой обработке в литейной форме. Промышленные испытания выходного вкладыша форсунки для сжигания водо-угольного топлива показали увеличение его стойкости в 2,7-3,4 раза, т.к. после его эксплуатации в течение 500 часов при давлении топлива до 0,6 МПа износ поверхности вкладыша составил менее 1 мм.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях перечня ВАК:

1. Карпенок, В. И. Практика эксплуатации пневмомеханических форсунок для водоуголь-ного топлива / В. И. Карпенок, В. И. Федяев, И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. А. Куценко // Известия вузов. Чёрная металлургия. -2010. —№ 12. - С. 46-48.

2. Селянин, И. Ф. Совершенствование технологии производства отливок из жаропрочных и жаростойких чугунов / И. Ф. Селянин, А. И. Куценко, В. Б. Деев, С. Н. Старовацкая, А. А. Куценко // Известия вузов. Чёрная металлургия. -2011. - № 6. - С. 31-35.

3. ' Куценко, А. И. Исследования структуры и свойств хромистого чугуна при токовом воз-

действии на кристаллизующийся расплав / А. И. Куценко, И, Ф. Селянин, В. Б. Деев, С. Н. Старовацкая, А. А. Куценко // Вестник кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5 - С. 54-58.

4. Селянин, И. Ф. Воздействие постоянного электрического тока на формирование поверхностного слоя отливки / И. Ф. Селянин, А. А. Куценко, А. И. Куценко, С. Н. Старовацкая // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 2012. - № 12. - С. 34-36.

5. Селянин, И. Ф. Влияние контактной разности потенциалов на зародышеобразование в металлических расплавах / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, Н. А. Козырев//Литейщик России. -2012. -№ 10. - С. 21, 22.

6. Селянин, И. Ф. Влияние зонной структуры металлических расплавов на интенсивность зародышеобразования новой фазы / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, А. М. Гурьев // Литейщик России. - 2012. — № 10. - С. 22-25.

Публикации в периодических изданий и труды научно-практических конференций:

7. Selyanin, I. F. / Influence of direct current on the surface layer of a casting // I.F. Selyanin, S. N. Starovatskaya, A. A. Kutsenko, A. I. Kutsenko // Steel in translation. - 2012. - № 12. -P. 814-816.

8. Селянин, И. Ф. Особенности кристаллизации и структурообразования литейных сплавов при физическом модифицировании / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, О. Г. Приходько,

A. И. Куценко, А. А. Куценко // Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии. — 2011. - № 28. - С. 47-52.

9. Селянин, И. Ф. Механизм модифицирующего воздействия термовременной обработки, магнитных и электрических полей на металлические расплавы / И. Ф. Селянин,

B. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, О. Г. Приходько // Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов». -Новокузнецк: Издательский центр СибГИУ, 2012. - С. 71-74.

10. Селянин, И. Ф. Основы концепции проблемы модифицирования металлических расплавов / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, О. Г. Приходько // Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов». - Новокузнецк : Издательский центр СибГИУ, 2012. - С. 3-11.

11. Селянин, И. Ф. Электростатическая природа образования зародыша // И. Ф. Селянин,

B. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, О. Г. Приходько // Сборник трудов всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика литейных процессов». — Новокузнецк : Издательский центр СибГИУ, 2012. - С. 57-60.

12. Селянин, И. Ф. Анализ процесса образования зародыша критических размеров при кристаллизации расплава / Селянин И. Ф., Деев В. Б., Куценко А. И., Куценко А. А., Алхи-мов В. Н. // Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии. —2012. -№ 30. — С. 31-34.

13. Селянин, И. Ф. Обработка металлических расплавов высокотемпературным перегревом и электромагнитными воздействиями для получения модифицирующего эффекта / И. Ф. Селянин, В. Б. Деев, А. И. Куценко, А. А. Куценко, В. Н. Алхимов // Вестник горнометаллургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии.-2012.-№ 30. - С. 41-43.

14. Селянин, И. Ф. Анализ электронной структуры металлов и сплавов и особенности зародышеобразования в расплавах/ Селянин И. Ф., Деев В. Б., Куценко А. И., Куценко А. А., Приходько О. Г.// Вестник горно-металлургической секции российской академии естественных наук. Отделение металлургии. - 2012. - № 30. - С. 135-142.

15. Разработка способа увеличения содержания легирующих элементов в поверхностном слое отливки под действием постоянного электрического тока: отчет о НИР (заключ.) / рук. И. Ф.Селянин; исп. А. А Куценко и др. - Шифр темы «2012-1.3.2-12-000-20014990»; № ГР 01201371640; Инв.№ 73/2013. -Новокузнецк : СибГИУ, 2013.-209 с.

16. Куценко, А. А. Влияния постоянного электрического тока на жидкотекучесть алюминиевых сплавов / А. А. Куценко // Сборник трудов IV Международной научно-практической конференции «Организационно-экономические проблемы повышения эффективности металлургического производства». — Новокузнецк : Издательский центр СибГИУ, 2013. —

C. 46-50.

17. Селянин, И. Ф. Воздействие постоянного электрического тока на формирование поверхностного слоя отливки на модельном сплаве Pb-Sn / И. Ф. Селянин, А. А. Куценко, С. Н. Старовацкая, А. И. Куценко // Ползуновский альманах/ - 2013. -№ 2. - С. 13-18. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ:

18. Свид. РФ о гос. per. программ для ЭВМ № 2012610147. Программа сбора, первичной обработки и численного дифференцирования экспериментальных данных натурного эксперимента «Tempol» / А. И. Куценко, Р. М. Хамитов, С. В. Морин, А. А. Куценко // Заявка №2011618271. Приоритет01.11.2011 г. Опубл. 10.01.2012г.

Изд. лиц. № 01439 от 05.04.2000. Подписано в печать 29.04.2014. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,10. Уч. изд. л. 1,24. Тираж 120 экз. Заказ № 343.

654007, Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Издательский центр СибГИУ