автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Применение электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств латуни Л-63

Vb Oft

Г В досовская I ясу^рА^шмая^кадемия Приборостроения и Информатики

, ъ fttH №

На правах рукописи.

Sa -

Балуков Борис Евгеньевич

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ С ЦЕЛЫО ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛАТУНИ

Л-63.

Специальность 05.02 01- Материаловедение в машиностроении (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена на ОАО "Каменск-Уральский завод по обработке цветнчх металлов" и в

Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики

Научные руководители: доктор технических наук, профессор В.И. Куманин,

кандидат технических наук, с.н.с. Д.К. Фигуровскии

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Б.И.Семенов

к.т.н., доцент Л.П. Чупятова

Ведущее предприятие: Государственное предприятие Всероссийский научно-

исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов

Защита диссертации состоится года в часов на заседании

специализированного совета К063.93.01 в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики /СО

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь специализированггого советаМГАПИ /.'7, И.) .

У.

Актуальность работы: Сплавы цветных металлов и, в частности, сплавы на основе меди широко используются в машиностроении и приборостроении. Повышение надежности и долговечности деталей приборов, машин, рабочих элементов станков для электроэррозионной резки, упругих элементов манометров является весьма актуальной проблемой.

Наряду с качеством материала важное место занимает проблема повышения выхода годной продукции. В абсолютном большинстве случаев процесс изготовления готового изделия включает в себя многочисленные стадии передела, от лигья до волочения и отжига. Качество полуфабрикатов и выход годного в значительной мерс зависят от структуры и качества заготовки.

Цель работы: Целью настоящей работы является разработка способа управления процессом кристаллизации, обеспечивающего повышение качества слитка, технологичности материала и, в конечном счете, увеличение выхода годного полуфабрикатов и повышения надежности и долговечности службы материалов в изделиях.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1 .Анализ причин значительного рассеяния механических и эксплуатационных характеристик латуни Л-63 в условиях серийного промышленного производства.

2.Проведение количественного структурного и фазового анализа литой латуни Л--63 без использования электромагнитного перемешивания (ЭМП) в процессе кристаллизации.

3.Разработка и изготовление оборудования, необходимого для реализации эксплуатационных режимов ЭМП в процессе кристаллизации.

4.Исследование влияния различных режимов ЭМП на изменение структурных и фазовых характеристик сплава, оценка их количественного соотношения, размеров и стабильности.

5.Анализ механических, технологических и эксплуатационных свойств латуни Л-63, полученной с использованием ЭМП и без пего, оценка степени рассеяния этих свойств сплава и их стабильности при воздействии ЭМП.

А

Научная пови та:

1. Научно обоснована возможность управления процессом кристаллизации лагуни J1-63 с помощью ЭМП, обеспечивающая получение требуемой но \слопням эксплуатации структуры материала.

2. Осуществлен расчет установки электромагнитного перемешивания (ЭМП), который обеспечиваег движение расплава в заданных направлениях для создания необходимых тепловых условий формирования определенной структуры слитка. Предложена конструкция оригинального индуктора ЭМП для установки полунепрерывного литья.

3. Показано, что в латуни JI-63 при постоянном химическом составе можно получать различное количественное соотношение аир фаз в зависимости oi режимов ЭМП.

4. Установлено, что ЭМП в процессе кристаллизации слитка приводит к формированию более однородной структуры по объему елигка по сравнению с полунепрерывным литьем без ЭМП.

5. Показано, что применение ЭМП обеспечивает повышение однородности механических и эксплуатационных свойств латуни Л-63.

Практическая значимость:

1. Разработан новый технологический процесс получения полуфабрикатов п готовых изделий из лагуни Л-63, включающий электромагнитное перемешивание расплава в процессе выплавки слитков. Составлена технологическая карта ТКЦМО 15-Л 63/5-2.

2. Экспериментально установлен оптимальный режим ЭМП применительно к латуни Л-63, выпускаемой на ОАО "Каменск-Уральский завод ОЦМ".

3. Достигнуто повышение уровня выхода годного латуни Л-63 при использовании ЭМП по стадиям передела:

-литье с 92% до 97%, -прессование ог 79% до 85%, -волочение с 93.7% до 97%.

Общий выход годного по новой технологии, включающей ЭМП, составил 80% по сравнению с 68% по старой технолог ии.

4. Повышен в 2-2,5 раза эксплуатационный срок службы манометров с упругими элементами из латуни Л-63, изготовленной по новой технологии с применением ЭМП.

5. Разработана и внедрена в производство промышленная установка для ЭМП в процессе кристаллизации.

Реализация результатов работы: Результаты исследования внедрены в промышленное производство на ОАО "Каменск-Уральский завод ОЦМ" Разработаны технологические карты процесса получения полуфабрикатов из латуни Л-63 с использованием ЭМП.

На ОАО "Электрон" опробованы и внедрены в промышленное производство чувствительные элементы манометров общего назначения, изготовленные из латуни Л-63, отлитой с применением ЭМП.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на Международной конференции "Нетрадиционные электромеханические л электрические системы" г. Севастополь, 1995 г., Всероссийской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра" г. Чебоксары, 1997 г., на 2-й и 3-й Международных конференциях "Нетрадиционные электромеханические и электрические системы в г. Щецин (Польша) и Алуште (Украина), 1996 и 1997 г г.

Публикации: Основное содержание диссертации изложено в 16 печатных работах.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы (66 наименований) и содержит ) ^ страниц машинописного тескста с б О иллюстрациями.

В первой главе рассмотрены основные способы физического воздействия на жидкий расплав в процессе его кристаллизации. К такт) способам следует отнести механическое, вибрационное, ультразвуковое и электромагнитное перемешивание (ЭМП) расплава. Механическое перемешивание подразумевает использование струй инертных газов или специальных конструкционных элементов, погруженных в расплав, и, соответственно, ограничением этого метода является насыщение расплава газами или необходимость использования жаропрочных и жаростойких конструкций для

перемешивания. Вибрационные и ультразвуковые виды перемешивания свободны от этих недостатков, однако, по сравнению с электромагнитным перемешиванием не обладают комплексностью воздействия на жидкий металл. При использовании ЭМГ1 можно выделить три основных вида воздействия электромагнитного поля на расплав: непосредственно перемешивание, формирование поверхностей слитка (формообразование слитка) и левитационные эффекты - уменьшение или усиление силы тяжести за счет электромагнитных сил. Важнейшей особенностью ЭМГ1 является возможность регулирования скорости и направления движения расплава в широком диапазоне за счет изменения характеристик электромагнитного поля, что приводит к реальной возможности управления теплоотводом и величиной переохлаждения кристаллизующегося металла.

Таким образом, использование электромагнитного перемешивания является одним из действенных путей управления структурой сплавов, позволяющих оказывать влияние на целый ряд факторов:

- снижение структурной макро- и микронеоднородности;

- управление фазовым состоянием сплавов;

- диспергирование структурных и фазовых составляющих;

- частичное или полное подавление порообразования;

- снижение химической неоднородности;

- уменьшение количества неметаллических включений.

Действие ЭМП оказывается наиболее эффективным в тех случаях, когда в обычных условиях кристаллизации формируются неоднородные и нестабильные структуры, приводящие к значительному рассеянию механических и эксплуатационных свойств. В ряде случаев для таких структур имеет место снижение уровня показателей свойств (ниже требований технических условий).

Одной из таких нестабильных систем, широко используемой в промышленности, является система Си - Zn и, в частности, сплав на ее основе - латунь Л-63.

Двойная латунь Л-63 и пределах марочного состава может находиться в различных фазовых состояниях: от однофазного a-твердого раствора до двухфазной гетерогенной системы оыр, содержащей до 50 объем."-;, р-фязы.

Фазовый состав латуни Л-63 является наиболее важным структурным фактором, определяющим уровень н стабильность технологических и эксплуатационных свойств сплава. И вменение объемного содержания (i-фазы в латуни Л-63, которое в основном связано с различным содержанием меди в пределах марочног о состава Л-63, приводит к существенной разнице в уровне механических свойств.

Таким образом, очевидно, что необходимо создать такие условия формирования фазовой структуры сплава, которые, во-первых, обеспечивали бы достаточно высокий уровень свойств и, во-вторых, приводили бы к снижению рассеяния механических и эксплуатационных характеристик латуни Л-63 в пределах ее марочного состава.

(!а основании проведенного анализа литературных данных для оптимизации механических и служебных свойств, а также снижения их рассеяния был выбран метод управления структурой латуни Л-63 за счет электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

Во второй главе приведены данные но материалу и методикам эксперимента, использованным в работе.

В качестве основною материала для исследования была выбрана латунь Л-63. Все опытно-промышленные плавки были проведены на оборудовании Каменск-Уральского завода ОЦМ. Эксперименты по воздействию ЭМИ в процессе кристаллизации проводили на заводской установке полунепрерывного литья. Конструкция индуктора для ЭМП разработана совместно с Уральским Государственным Техническим Университетом. Металлографический анализ структуры проводили на оптическом микроскопе "Неофог-2". Количественный анализ фазовых и структурных составляющих был осуществлен на установке "Эпикванг". Измерение размера и распределения структурных и фазовых составляющих проводилось не менее, чем на 200 зернах. Кратковременные механические свойства - временное сопротивление разрушению стн, относительное удлинение 5 и сужение >(/ при комнатной и повышенной

температурах определяли при испытаниях на растяжение на установке "Zwick". Точность поддержания температуры в процессе испытания составляла ±2-3°С. Суммарная ошибка измерения механических свойств при комнатной температуре не превышала 1%, а при повышенных - 2%.

Для оценки эксплуатационных характеристик проволоки из латуни J1-63 для чувствительных элементов манометров проводили определение релаксационной стойкости (коэффициент релаксации сто/окон-100%). Релаксацию напряжений определяли методом изгиба образцов проволоки вокруг цилиндрической оправки. Температура испытания составляла 80°С, что соответствует максимальным температурным условиям эксплуатации манометра общего назначения.

В третьей главе приведено описание, а также элементы расчета устройства -индукционного электромеханического преобразователя энергии (ПЭМПЭ), обеспечивающего электромагнитное перемешивание (ЭМП) расплава латуни J1-63 в процессе кристаллизации при отливке слитков круглого сечения диаметром 163 мм. Проведены оценка распределения электромагнитного поля над магнитопроводами и по торцам ИЭМПЭ с учетом его конструктивных особенностей, а также расчет усилий, развиваемых ИЭМПЭ в объеме кристаллизующегося металла, качественная оценка распределения скорости у границы твердая - жидкая фазы.

Разработанный ИЭМПЭ состоит из отдельных модулей - магнитопроводов в форме прямоугольного параллелепипеда с прямоугольными пазами, обращенными к рабочему объему. Между собой магнитопроводы объединены кольцевыми катушками.

С целью снижения затухания электромагнитного поля в рабочем пространстве, корпус ИЭМПЭ и корпус кристаллизатора выполнены из немагнитной стали IX18H9T, а гильза кристаллизатора - из меди М2.

Использованный в работе ИЭМПЭ рассчитан на питание от трехфазной сети промышленной частоты (50 Гц) с диапазоном изменения линейного напряжения 152 -500 В, что обеспечивает широкий диапазон изменения электрических парамегров ИЭМПЭ, в частности, фазный ток 1ф = 33,71 -115 А.

В разработанном НЭМГ1Э можно реализовать комбинации при соединении катушек (ЛгВХСУ, ЛЛХгВВ, АВСАВС, /\ZZBBA, ААВВСС, ЛгВЛгВ и другие сочетания) с целью получения различного распределения поля в рабочем объеме, что обусловлено конструктивным исполнением ИЭМПЭ. При проведении экспериментальных и опытно-промышленных отливок были использованы схемы включения обмоток ИЭМПЭ с 60° фазной зоной (ЛХВХСУ) и с 60°-60°-240° (АА7^ВВ) при сог ласованном и встречном направлении бегущего магнитного поля относительно направления вытягивания слитка (табл.1).

Таблица 1.

Условные обозначения режимов ЭМП._

№ режима Схема подключения индуктора Направление электромагнитного поля -согласованное (4) и встречное (11) с направлением вытягивания слитка

1 А2.ВХСУ (4-)

2 Агвхсу (Т)

3 /\AZZBB (4-)

4 Алг/лт (Т)

При классической схеме А/ВХСУ по длине магнитопровода всегда существуют два полюса. При схеме ААггВВ есть моменты рабочего времени, когда на длине магнитопровода существует относительно рабочего объема только один полюс. Для схемы AAZZBB в течение 1/3 периода времени Т наблюдается не бегущее, а пульсирующее магнитное поле, аналогично однофазному режиму включения обмоток (рнс.1). Таким образом, схема с 60°-60°-240° фазной зоной (АА22.ВВ) создает как бы наложение двух режимов: перемещение расплава вдоль оси кристаллизатора и вибрации перпендикулярно оси.

Расчет усилий, развиваемых ИЭМПЭ в жидком металле, был проведен на основании ранее известных, методик с использованием метода разбиения на условные расчетные объемы жидкого металла в кристаллизаторе. Эти объемы были представлены в виде тороидов с высотой, равной зубцовому шагу ИЭМПЭ, и толщиной, равной глубине проникновения электромагнитного поля в металл.

Рис. 1. Схема силовых воздействий на расплав металла при однофазном индукторе (а) и трехфазном нндукторе (б): 1 - расплав металла; 2 - индуктор; 3 - основная траектория движения расплава; 4 - силы, действующие на металл.

Изменение усилия в радиальном направлении рассчитывалось для трех уровней: первого - с толщиной расчетного тороида, равной половине глубины проникновения электромагнитного поля в металл; второго - с толщиной, равной глубине проникновения; третьего - с толщиной, равной 1,5 глубины проникновения. В работе приведены зависимости F(r) как без учета, так и с учетом твердой фазы кристаллизующегося слитка, а также приведены зависимости глубины проникновения поля в металл, скорости поля и угла \\/г от скольжения.

Качественная оценка распределения скорости от границы "твердая - жидкая фаза" показала, что под воздействием аксиальных ускорений, сообщаемых поверхностному слою расплава объемными электромагнитными силами, скорость движения расплава возрастает, начиная от зоны, расположенной на стороне набегающего ноля, и почти до зоны выхода поля из расплава. Таким образом, меняя напг < чше движения

электромагнитного поля, можно переносить зону наиболее активного движения в верхнюю или нижнюю области расплава в кристаллизаторе.

В четвертой главе описано влияние ЭМП на структуру и свойства латуни Л 63 в литом состоянии.

Исследование макро- и микроструктуры слитков из латуни Л-63 постоянного состава (36,5% У.п) проведено после обычной кристаллизации и после кристаллизации с наложением электромагнитного поля по четырем режимам (табл. 1) при напряжении 90, ПО и 130 В (табл.2). Наложение ЭМП и возникающее при этом перемешивание расплава приводит к изменению условий кристаллизации и, как результат, к изменению макроструктуры сли гка.

Макроструктура слитка, полученная при обычной кристаллизации, состоит из 3-х четко выраженных зон: мелкозернистая на поверхности (корка), зона столбчатых кристаллов и зона равноосных кристаллов. При кристаллизации с наложением ЭМП с увеличением напряжения зона столбчатых кристаллов уменьшается, одновременно уменьшается размер зерна. При этом после кристаллизации по режимам 2 и 4 наблюдается транскристаллизация.

Микроструктура сплава Л-63 в литом состоянии после обычной кристаллизации и после крпсталлизанин с ЭМП по всем исследованным режимам двухфазна. Однако, влияние ЭМП на микроструктуру существенно. Во-первых, воздействие ЭМП приводит к измельчению зерна «-фазы в 6-15 раз (табл. 2). Во-вторых, количество р-фазы в структуре после ЭМП в 1,5-2,5 раза больше, чем в структуре без ЭМП. Кроме того, распределение р-фазы по объему слитка более однородно (табл. 3) и она мелколнсперсна. Средний размер частиц р-фазы составляет в литом состоянии 6.5 мкм + 1.5 мкм, а после ЭМП от 1,6 мкм до 3.5 мкм ± 0.1 мкм (табл. 2).

Согласно диаграмме состояния Си - Zn, кристаллизация латуни Л-63 в условиях равновесия должна происходить при 902°С по перитектической реакции : Ь + а = р, т.е кристаллизация сплава начинается с образования в жидкой фазе дендритов а-фазы. ЭМП приводит к разрушению образовавшихся дендритов и, соответственно, к увеличению количества центров кристаллизации, а, следовательно, к росту

эффективной скорости зарождения. Экспериментально обнаруженное понижение температуры кристаллизации в условиях ЭМП на ~ 10°С также увеличивает скорость зарождения. Все выше сказанное способствует измельчению зерна а-фазы при ЭМП.

Таблица 2.

Влияние параметров ЭМП на размер а- и р-фазы в литой латуни Л-63.

Режим ЭМП Линейное напряжение, В Размер зерна а-фазы, мкм Размер Р-фазы, мкм

без ЭМП 0 300 - 600 6,5

90 74 3.5

I 110 33 3,5

130 18 1,9

90 71 2,9

2 110 22 1,6

130 28 2,65

90 54 2,7

3 ПО 42 2,7

130 32 2,8

90 31 2,1

4 110 22 2,2

130 20 2,1

Таблица 3.

Влияние параметров ЭМП на количество р-фазы в литой латуни Л-63.

№ режима /т.-./нейное напряже-/ние фазы, В 1 2 3 4

Кол-во р-фазы, % у/ ✓Средне-^Лсвадратич-хное отклонение, % Кол-во р- / фазы, % уГ уСре/те-хмадратич-упое отклонение, % Кол-во р-фазы, %уг уСредне-.✓мюдратич-Июе отклонение, % Кол-во Р" у* фазы, % /Средие-/квадратич-/ное отклонение. %

0 (без ЭМП)

90 12 ^^^ ±1,5 17 ±0,5 20 ^^^ +1,8 21 ±0,9

110 17 ±0,5 15 — ±0,7 19 ±1,35 18 ^^^ ^^^ ±0,7

130 15 ±0,7 14 +0,65 18 +0,85 22 ^^^ ±0,9

Увеличение количества р-фазы связано с тем же процессом. Образование р-фазы происходит на границе раздела а-фаза - жидкость, и чем мельче частицы а-фазы, тем больше поверхность контакта и более глубоко идет реакция.

Таким образом, при кристаллизации в условиях ЭМП, проведенной при различных параметрах электромагнитного поля, уменьшается размер зерна а-фазы.

увеличивается количеаво р-фазы ло 12 - 20%, размер частиц р-фазы уменьшается и распределение р-фазы по объему слитка становится более однородным.

Такое воздействие ЭМИ на структуру литой латуни Л-63 оказывает существенное влияние на се механические свойства. Временное сопротивление разрыву, определенное в интервале юмперазур 700 - 850°С увеличилось после кристаллизации с применением ЭМИ в среднем на 50% по сравнению с обычным литьем.

Особенно важной характеристикой для данного сплава является его пластичность в горячем состоянии. 11осле обычного литья пластичность латуни Л-63 неоднородна по объему слитка и относительное удлинение изменяется при температуре горячего прессования 700-760°С от !0 до 50% (рис. 2,3). Влияние ЭМП на эту характеристику неоднозначно. Воздействие на процесс кристаллизации ЭМП по режимам 2 и 4 изменяет характер зависимости относительного удлинения от температуры испытаний по сравнению с исходным состоянием незначительно. Разброс значений этой характеристики по объему остается существенным. В то же время воздействие по режимам 1 и 3 приводит к значительному сужению полосы разброса и относительное удлинение остается на уровне максимальных значений характерных для этого сплава 35-45% в ишервале температур горячей деформации.

Таким образом, применение ЭМП по режимам 1 п 3 обеспечивает высокую горячую пласт ичносн. латуни Л-63, однородное^ свойств по объему при высокой прочности материала. Это связано с особенностями микроструктуры - дисперсностью фаз, мелким зерном и однородностью структуры по обьему слитка.

В пятой главе рассмотрено влияние ЭМП на структуру и свойства проволоки из латуни Л-63.

Исследование структуры и свойств латуни Л-63, отлитой по обычной технологии и с применением ЭМП. проводилось после горячей пластической деформации (прутки диаметром 9,2 мм), на промежуточной стадии передела (проволока диаметром 2 мм) и в состоянии поставки (проволока диаметром 1.5 мм).

Рис. 2. Изменение относительного удлинения б от температуры испытаний литой латуни Л-63. 1 - без использования ЭМП; 2-е использованием ЭМП. (а) - режим №1 (АгВХСУ (I)); (б) - режим №2

(АгВХСУ (Т)).

Рис. 3. Изменение относительного удлинения 5 от температуры испытаний литой латуни Л-63. 1 - без использования ЭМП; 2-е использованием ЭМП. (а) - режим №3 (ААггВВ (1)); (б) - режим №4 (АА7^ВВ

<Т)).

Влияние ЭМП на механические свойства и структуру латуни Л-63 прослеживается на всех этапах изготовления готовой продукции. Так после горячей пластической деформации (диаметр прутка 9,2 мм) относительное удлинение латуни, выплавленной с применением ЭМП, оказалось существенно выше, чем в латуни, изготовленной обычным литьем (табл. 4): в исходном состоянии 5 = 48%, а после применения ЭМП - до 60 - 70%. Высокая пластичность оказывает благоприятное влияние на эффективность последующих технологических операций передела латуни. Так при холодном волочении проволоки из латуни Л-63 с диаметра 9,2 мм до 1,5 мм выход годного составляет 93,7%. Воздействие ЭМП в процессе полунепрерывного литья приводит к существенному увеличению пластичности латуни Л-63 и, как результат, обеспечивает увеличение выхода годного на стадии волочения с 09,2 мм до 01,5 мм до 97%.

Таблица 4.

Механические свойства горячедеформированной латуни Л-63, выплавленной с

использованием ЭМП.

Линейное напряжение, В Номера режимов

1 2 3 4

ов, МПа^-—" ^^^ 5, % с», МГТа^—^^ ^^^ 8, % ов, МПд^-^" б, % ств, МПа,— 3, %

0 (без ЭМП) 320^-— ~~48

90 400^--—^59 ------ 340^—^— бГ 320^^--— 52

110 400^-—^'66 ---------- 380^.—1 68

130 450^-—-^70 340________________ 405^---"~71

Увеличение пластичности связано с диспергированием структуры при воздействии ЭМП, наследованием особенностей структуры на всех этапах технологического передела, включая структуру готового изделия. Так размер зерна а-фазы в латуни Л-63, отлитой с применением ЭМП, после горячей пластической деформации в 1,5 раза меньше, чем в латуни, отлитой по обычной технологии (табл. 5).

ЭМП оказывает существенное влияние на однородность структуры по объему прутка. Воздействие ЭМП уменьшает среднеквадратичное отклонение размера зерна а-и р-фазм в 5-10 раз.

Таким образом, можно сдела1ь вывод. что использование ')М11 в процессе полунепрерывного лигья, по сравнению с литьем без ЭМП, позволяет получить более однородную мелкодисперсную структуру, более однородные евонсгва но длине проволоки и, как результат, повышение выхода г одного из-за уменьшения обрывов в процессе волочения проволоки

Таблица 5.

Значения объемной доли |!-фазы н размер зерен а- и р-фаз в горячепрессопанной

латуни Л-63, выплавленной но различным режимам.

Режим выплавки Линейное напряжение, В Размер зерна а-фазы, мкм yS yS Средне-квадратич-/ НОС ОТКЛ., мкм Размер зерна р-фазы, мкм Средне-квадратич-нос откл., мкм Количество р-фазы, % Среднс-квадратнч-/ ноеоткл.,%

без ЭМП 0 ------- ----±Х5

1 90 ---^±0Л5 —^±0^5 __—' ±Го

110 +0J —

130 —------- ---------

2 90 —----

110 гя^^-—±о^5

130 10Д>_______^25 ---±025 5,2^.---""""io^

3 90 —■—^+0^5 ---±М)

ПО ---"~±0,2 —±0^2 5

130 —""* ±0^2 — ±Тд)

4 90 ±СЦ5 —"""""iO^S

110 —- ±<и --

130 —^—^±0,3 __-—"±Ь5

Готовые изделия - проволока из латуни Л-63 для чувствигельного элемент манометра, проволока для электроэрронюнных станков, эмаль - провод - применякнея в твердом, полутвердом и мягком состояниях, при этом механические свойства

проволоки регламентируются ГОСТ 1066-80. Результаты исследования ЭМП на механические свойства проволоки диаметром 1,5 мм из латуни Л-63 в состоянии поставки приведены в таблице 6, ЭМП проведено по режиму №1 при линейном напряжении 130 В.

Таблица 6.

Механические свойства проволоки из латуни Л-63.*

Состояние поставки ств, МПа Среднеквадратичное откл., МПа 5, % Среднеквадратичное откл., %

Твердое состояние 668 ^^^ 706 ±191 +89.

Полутвердое состояние 420 ^^ ^^^ 400 ±100 ^^^ ^^ ±39 15,5 ^^^ —16,0 +6,6 ^—+4,5

Мягкое состояние 370 ^^ — 366 ±75 +30 40,0 ^^ — 39,0 +13,0 ±5,8

♦Примечание: в числителе - указаны значения свойств сплава без ЭМП, а в знаменателе - с ЭМП.

Значения механических свойств проволоки из латунн Л-63 во всех случаях удовлетворяют требованиям ГОСТ 1066-80.

Влияние ЭМП проявляется в уменьшении среднеквадратичного отклонения этих характеристик, т.е. в существенном снижении разброса свойств по длине проволоки, т.е. увеличении их стабильности. При этом у всех исследованных образцов из проволоки, отлитой с использованием ЭМП показатели прочности и пластичности соответствовали требованиям ГОСТ, в то время как у 20% образцов из проволоки, отлитой по обычной технологии, показатель прочности оказался ниже требований ГОСТ.

Таким образом, можно сделать вывод, что использование ЭМП в процессе полунепрерывного лнтья позволяет получить более однородную мелкодисперсную структуру и, как результат, более однородные свойства по длине проволоки.

Работоспособность пружин из проволоки для рабочего органа манометра определяется степенью релаксации напряжений. На рис. 4 (а) и (б) приведены результаты испытаний проволоки из латуни Л-63 на релаксационную стойкость.

Испытания проводились но методике, описанной в главе 2 при icMiiepanpe 80°С, соответствующей температурному режиму эксплуатации манометров.

Как видно из рис. 4 (а) и (б), релаксационная стойкосп, проволоки, полученной из латуни, выплавленной с использованием ЭМИ по режимам AAZZBB (i) п AZBXCY (4), значительно выше, чем в исходном состоянии. Проволока, полученная из латуни с применением ЭМП по режимам с приложением поля навстречу движению слитка, имеет релаксационную стойкость на уровне исходною состояния пли несколько ниже.

В таблице 7 приведен коэффициент релаксации проволоки из jiaiyim .1-63, выплавленной по различным режимам ЭМП в процессе кристаллизации. Можно сделать вывод, что наибольшую релаксационную стойкость, т.е. наименьший коэффициент релаксации, обеспечивает следующий режим ЭМП: AAZZBB п AZBXCY, направление ноля совпадает с движением слитка н напряжение 90 и НО В. При этом после литья с применением ЭМП по режимам: AZBXCY (1) (режим Л'аI) и AAZZBB ( I) (режим №3) коэффициент релаксации уменьшается в 2 - 10 ра>. чю приводит к увеличению работоспособности пружин in латуни.

Рис. 4. Релаксационная стойкость лат>ни Л-63. Температура испытаний 80°С -соответствует температурному режиму эксплуатации манометров, основной элсмеш которых изготовлен из Л-63 0 1,5 мм. Схема включения обмоток индуктора: (а) -А7ВХСУ: (б) - ААХгВВ.

Таблица 7.

Значения коэффициента релаксации проволоки из латуни J1-63 после литья по

Режим Линейное напряжение, В

ЭМП 0 90 ПО 130

1 _ 0,04 0,04 0,24

2 _ 0,44 0,44 _

3 _ 0,12 0,12 0,26

4 0,38 _ 0,48

без ЭМП 0,40 _ _

В главе шесть обсуждены результаты выпуска опытно-промышленных и промышленных партий латуни J1-63 с использованием ЭМП в процессе кристаллизации.

В качестве основных были выбраны два режима ЭМП: режим № 1 - Цгшн, = ПО -130 В, схема подключения индуктора AZI3XCY, направление электромагнитного поля, совпадающее с направлением вытягивания слитка (I); режим № 3 - Цпнн. = ПО - 130 В, схема AAZZBB и направление поля (i).

Общая масса слитков в опытно-промышленной партии составила 60 тонн.

Проведенный анализ микроструктуры литых образцов из опытно-промышленной партии показал, что независимо от содержания меди в литой латуни содержание ß-фазы находится на уровне 15-18% для режима №1 и на уровне ~20% для режима №3. Размер зерен после проведения ЭМП значительно меньше, а их распределение значительно более однородно, по сравнению с металлом, не прошедшим ЭМП.

Выход годного на стадии литья слитков, прошедших ЭМП, составил 97%, по сравнению с 92% для слитков без ЭМП.

Последующая горячая деформация слитков проводилась в соответствии с существующей технологией на ОАО "Каменск-Уральский завод ОЦМ" по СТП 09-03-85 (ТКПР/ЦМО 15-Л63/5-1). Выход годного прессованной продукции (отношение количества принятой ОТК продукции к количеству израсходованного для ее

изготовления металла) составил для металла, прошедшего ЭМП, 85%, при .лом потерн были связаны только с технологическими отходами. В то же время, выход годного прессованной продукции без ЭМП на заводе за период с 1993 по 1997 год не превышал 79%.

При дальнейшей переработке с 0 9,2 мм до 4,5 мм и с 0 4,5 мм до 1,5 мм выход годного проволоки из латуни, полученной с применением ЭМП составил соответственно 98,6% (без ЭМП 96%) и 97% (без ЭМП 93,7%).

Снижение температуры начала рекристаллизации проволоки из сплава, прошедшего ЭМП на ~ 50 - 100°С позволило рекомендовать снижение температуры отжига для получения проволоки в полутвердом и мягком состояниях на 50°С, что обеспечило снижение энергозатрат от 3 до 5%.

На основании результатов испытаний опытно-промышленной партии латуни Л-63, выплавленной с использованием ЭМП, была разработана и выпушена на ОАО ''Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов" Технологическая карта ТКЦМО 15-Л 63/5-2 "Изготовление слитков из латуни Л-63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации".

Результаты опробования проволоки из латуни Л-63, выпущенной в соответствии с новой технологической схемой (использование ЭМП), для чувствительных элементов манометров показали увеличение срока ее службы при эксплуатации в условиях повышенных температур (80 - Н)0оС) в 2 - 2,5 раза. Как показали испытания в пределах установленного гарантийного срока эксплуатации манометров с упругими элементами из латуни Л-63, изготовленной по новой технологии, выход приборов из строя (нестабильность контрольных показаний) снижен в 5 - 6 раз и сост авляет около 5"« о г общего количества приборов.

Общие выводы:

1. Установлена и научно обоснована возможность управления процессом кристаллизации латуни Л-63 с помощью ЭМИ.

2. Осуществлен расчет установки ''МП. который обеспечивае! движение расплава в заданных направлениях для создания необходимых тепловых условий формирования определенной структуры слитка.

3. Показано, что в л.ттуни Л-63 при постояшюм хнмююском составе можно получать разлитые количественные соотношения а п ß фаз в зависимости от режимов электромагнитного перемешивания.

4. Показано, что применение ЭМГ1 при кристаллизации позволяет получать более стабнльный фазовый состав латутш Л-63, коюрый наследуется на всех технолопгческих этапах нередела сплава (количество ß фазы увелтгшвзется в 1,5-2 раза).

5. Установлено, что ЭМП в процессе кристаллизации приводит к формированию более однородной структуры по объему слитка по сравнению с литьем без ЭМП. Уменьшается сре;ц[с-квадрапгп[ое отклонспне количества и размера ß-фазы в 3-10 раз.

6. Показано, что примените ЭМП обеспечивает повышение механических свойств латуни Л-63. В температурной интервале горячей деформации сплава относительное удлинение увеличивается в 1,5 раза, при этом разброс значений этой характеристики уменьшается с 40 до 5° о.

7. Установлено, чю для изделии (упругие элементы манометра) из латуни Л-63, полученных при использовании ЭМП в процессе кристаллизации литых заготовок, основное эксплуатационное свойство - релаксацнотшая стойкость увеличивается в 10 раз.

8. Разработан новый технолог!niecKini процесс получения полуфабрикатов из латуни Л-63, вклточаюияш ЭМП расплава в процессе выплавки елгтков. Составлена технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2.

9. Экспериментально установлены два оптимальных режима ЭМП применительно к латутш Л-63 (режим №1 - схема подключения индуктора AZBXCY, Umm. = 110 - 130 В, направление электромагнитного поля совпадает с направлением вытягивания елнтка и режим №3 - схема подключения индуктора AAZZBll, 1.'лпи. = 110- 130 В, направление электромагнитного поля совпадает с направлением вытягивания слитка), обеспечивающие повышение эксплуатационных и технологических характеристик сплава.

10. При использовании ЭМП достшнуто повышение уровня выхода годного латуни Л-63 по стадиям нередела:

- лтьс с 92<\>до 97°.,: прессование с 79"« до 85"«; коломенки с 93.7"о до 97"..,

Общин выход годною но разработанной техно.тотп. мелтчаюшем ")М11. еоеыкп i N0"<., но сравнению с 6Х"о по ci apon юхнолошп.

11. Наказано, чю в пределах \ ci,тепленною тарлшппною срока же г uva кип m маночефов с упрушмп члеметачн т .;ииуии Л-63. тки о пленном по кокой юхнолошп (ie\uo юшчса;аи карга 1КЦМО 13-.163 5-2) г.ыход приборов ш ci роя (пееибплыюеп. контрольных показании) снижен г. 5-6 pai. срок службы при чатиулкщнп изделии повышен в 2-2.5 рл;а -акт промышленной» онробмвання на предпрпяшн ( )Д< ) "Электрон".

Основные но.чожч'ннн нкчччнаппп опубликованы в naóoiav:

1. Балукоп 1>.1С., Сарапулов Ф.Н., (.'окупов Б.Л.. Крнвонншенко ,\.II.. Фшуровеиш Л.К.. Токарь B.C., Трусков С.Д.. Юрьев lO.li. Специальная электрическая vanilina в лшенном деле. / ' >лекiроi ехшпесктie системы автотранспортных средств и их роботизированных произволе!». Сб. научи, трчдов.. МДМИ, М.. 1995. -С. 155-159.

2. Ьалуков Ь1... Сарапулов Ф.Н.. Сокупов БД., I (рудников Ю.С.. Карташопа Н.Д . Крнвонншенко Л.И.. Гокарт. B.C.. К >рьеп Ю.Н.. Ipvci/ов С.Д. ' Tieicipmiai пиите иоздеме i пне ш металлы. Иеешпк Уральскою юеударе! вечною icxiiiimcckoio Miimepcincia. "Современные проблемы »iiepieniKii. электромеханики н iJieicipoieMio.ioiiiii. M 2. "'Х'гектромсханпка н электроюмюлошя" МТУ. hicaiepiiii6vpi. 1995. - С. 261-269.

3. Балуков Ij.Ii.. Фшуровекип Д.К.. Юрьев Ю.Н.. (руеков С.Д.. Сокхнов Б.Д.. Прхднпков Ю.С.. Крившпиценко Д.И. Влияние члектроматишою перемешивания на eipviciypv сплава Л-бЗ. ■'/ Весшнк Уральскою юеударс1ве(тою ¡ехнпчеекою унпверешеи. "Современные проблемы энергетики, электромеханики н элемронгхнолопш. Ч. 2. ''Элекфомехашпса и элскгро1е.чноло(ия" МТУ. lircaiepnmnpr. 1995. - С. 270-274.

4. Ьалуков H.I.. Сокупов Б.Д.. Прудников Ю.С.. Юрьев Ю.Н.. Крнвонншенко Д.И. Применение магнитной схемы замещения в расчете пнднсюров для ((елей элетаромапшшою перемешивания. "Управление процессами с1р>К1\рообраинишш( металлических сплавов г. жидком п тердом состояниях". Сб. паут. 1р\доп.. Ml ДИН. M . 1995. - С. 71-82.

5. Балуков Б.Е., Сокунов Б.Л.. Сараттулов Ф.Н.. Фигуровсюш Д.К., Юрьев Ю.Н., Кривоншценко А.И. Элементы расчета устройств индукционного воздействия на жидкие металлы. / "Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях". Сб. научн. трудов., MI AI 1И, М., 1995. - С. 47-62.

6. Балуков Б.Е., Фнгуровсктш Д.К., Соколова M.JI. Формирование сгруктуры металлических сплавов в результате электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации. / "Управление процессами стр}тсгурообразоваиия металлических сплавов в жидком и твердом состоящих". Сб. научн. трудов.. МГАПИ, М., 1995. - С. 3-26.

7. Балуков Б.Е., Фшуровскин Д.К, Токарь B.C. Влияние электромагнитного перемешивания на структуры бронзы и нейзильбера. / "Уттравление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком и твердом состояниях". Сб. научи, трудов., МГЛТ1И. М., 1995.-С. 27-38.

8. Бал\-ков Б.Е., Фшуровскин Д.К., Сокунов H.A. Совместное влияние электромагнитного перемешпвашш и модифицирования на структуру н механические свойства нейзильбера. / "Управление процессами структурообразования металлических сплавов в жидком н твердом состояниях". Сб. научн. трудов., МГАПИ, М., 1995. - С. 38-42.

9. Балуков Б.Е., Кумагапт В.И., Токарь B.C., Чертов Л.М., Ахмедов Р. Влияние термической обработки на залечивание лшенных мпкропор. / "Управление процессами структурообразования металлических с1тлавов в жидком и твердом состояниях". Сб. научн. трудов., МГАПИ. М., 1995. - С. 42-46.

10. 1 ¡алуков Б.Н., Сокунов H.A., Юрьев Ю.Н., Трусков С.А. Электромагнитное воздействие на жидкие металлы. // International Scientific-Tcchnical conference on unconventional electrotechnical systems, julv 10-15, 1995. Sevastopol. Ukraine, Szczecin, 1995. - P. 307-312.

11. Балуков Б.Е., Токарь B.C., Свтпппт В.И, Юрьев Ю.Н., Трусков С.А., Сокунов Б.А., Прудников Ю,С„ Карташова В.А., Крнвотптщепко А.И. Состояние разработок в области эдеюромашнтното псремсиптвання металлов и сплавов. "Вопросы совершенствования электротехнолоптческото оборудования и электротехнолоппТ', Сб. научн. трудов, УГТУ, Екатерпнбурт, 1996. - С. 15-18.

12. Балуков Б.Е., Фшуровский Д.К., Соколова МЛ., Юрьев Ю.Н., Сокунов Б.Д. Формирование структуры сплавов цветных металлов при электромагнитном воз. лгствии в процессе кристаллизации. / "Вопросы совершенствования электротехноло! пчеекого оборудования и элекфотехнологий", Сб. научи, фудов, У1ТУ, Екатеринбург , 1996. - С. 18-24.

13. Балуков Б.Е., Сарапулов Ф.Н., Сокунов Б.Л., Прудников Ю.С., Каришюва В.Д., Мартемьянов Ю.В., Нюняев В.П., Трусков С'.Л., Фшуровский Д.К. Электротехноло! ичсскис установки для элекфомапнмиого перемешивания шкчных металлов и сплавов. // Тезисы доклада Всероссийской научной конференции "Электротехнология: сегодня и завтра". Чебоксары, Изд-во Чув. ун-та, Чебоксары, 1997.-С. 33-34.

14. Балуков Б.В., Сокунов Б.Д., Прудников Ю.С., Карташова В.Л., Трусков СЛ., Юрьев Ю.Н. Элемешы расчета устройств для ЭМП жидких металлов. / В кн.: "Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологий". Сб. научи, трудов МТУ, Вып. 2., Екатеринбург, 1997. - С. 7-9.

15. Балуков Б.Е., Фшуровский Д.К., Сокунов Б.Л., Юрьев Ю.Н. Использование нетрадиционных элсктро1ехнологий для управления структурообразованпем при кристаллизации тяжелых цветных металлов. // Сб. научи, трудов. - Proceedings of the 2nd Intrnationa! Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems. - Technical University Press, Szczecin, 1996. - V. 2. - P. 177-182.

16. Балуков Б.E., Сокунов Б.Д., Сарапулов Ф.Н., Фшуровский Д.1С. Технология отливки сплавов на основе меди в электромагнитном поле. / Сб. научн. трудов -Proceedings of the 3d International Scientific and Technical Conference on Unconventional Electromechanical and Electrotechnical Systems. - Technical University Press, Szczecin. 1997. - V. 3. - P. 445-449.

Подписано в печать 2.11.98г. Формат 60x84. 1/16.

Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз, Заказ 121._

МГ АНИ

/ -'///7 у ^

У ' " . ,

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики

.1 I

'¡С* I На правах рукописи.

Балуков Борис Евгеньевич

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ЛАТУНИ Л-63.

Специальность - 05.02.01.- Материаловедение в машиностроении

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., проф. В.И. Куманин, к.т.н., с.н.с. Д.К. Фигуровский

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ:

стр.

ВВЕДЕНИЕ. 4

ГЛАВА 1. Литературный обзор. 6

1.1. Электромагнитное воздействие на расплавы металлов и сплавов. 8

1.1.1. Формирование струи расплава электромагнитным полем. 10

1.1.2. Левитационные эффекты под действием электромагнитного

поля. 11

1.1.3. Электромагнитное перемешивание расплава. Особенности формирования структуры при ЭМП. 12

1.1.4. Технологические схемы, использующие устройства для ЭМП

расплавов. 18

1.1.5. Применение электромагнитного воздействия при

кристаллизации сплавов на основе меди. 21

1.2. Структурные особенности латуни Л-63. 23 ГЛАВА 2. Материалы и методика эксперимента. 34

2.1. Приготовление образцов и их обработка. 34

2.2. Металлографический анализ. 38

2.3. Механические свойства при комнатной и повышенной 38 температурах.

2.4. Определение релаксационной стойкости. 39 ГЛАВА 3. Разработка конструкции индукционного электромехани- 41

ческого преобразователя энергии.

3.1. Конструкция и геометрические размеры установки для электромагнитного перемешивания. 42

3.2. Электрические параметры и схемы включения обмоток. 49

3.3. Электромагнитные характеристики. 52

3.4. Расчет усилий, развиваемых индуктором, в рабочем объеме

расплава под действием электромагнитного поля. 63

ГЛАВА 4. 73

4.1. Влияние ЭМП на структуру и свойства латуни Л-63 в литом

состоянии. 73

4.2. Влияние ЭМП на микроструктуру и фазовый состав латуни

Л-63. ВО

4.3. Влияние ЭМП на механические свойства латуни Л-63. 90 ГЛАВА 5. Влияние ЭМП на структуру и свойства проволоки из

латуни Л-63. 96

ГЛАВА 6. Выпуск опытно-промышленных партий латуни Л-63 с

использованием технологии ЭМП. 118

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 125

ПРИЛОЖЕНИЯ: 132

Приложение №1. Технологическая карта ТКЦМО 15-Л63/5-2. 132

Приложение №2. Акт промышленного опробования на предприятии ОАО "Электрон" чувствительных элементов манометров общепромышленного назначения из латуни марки Л63, отлитой с применением электромагнитного перемешивания. 136

Приложение №3. Акт внедрения результатов НИР. 137

ВВЕДЕНИЕ.

Повышение уровня развития машиностроительной и приборостроительной отраслей предполагает разработку и изготовление материалов для деталей и узлов различного рода приборов и механизмов, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность.

Контактные группы релейных систем, чувствительные элементы приборов для измерения давления, пружинные материалы, режущий инструмент для эррозионных станков, соединительные узлы интегральных схем и т.д. - все эти изделия, являющиеся важнейшими материалами продукции машиностроительного, электро- и электроннотехнического назначения, изготавливаются из сплавов на основе меди.

Одним из широко распространенных сплавов, используемых в машиностроении и приборостроении является латунь Л-63. Основными требованиями, которые предъявляются к этому сплаву, использующемуся для деталей манометров, пружинных элементов реле, эмаль-провода, электродов - является стабильность уровня механических и эксплуатационных свойств изделий из латуни.

Как показал опыт Каменск-Уральского завода ОЦМ, являющегося основным поставщиком латунного проката отечественной промышленности, достижение высоких эксплуатационных характеристик не всегда обеспечивается из-за высокого рассеяния механических свойств полуфабрикатов (прутков, проволоки) из латуни Л-63 в пределах ее марочного состава.

Опыт решения подобных проблем показывает необходимость совершенствования технологических процессов на всех этапах передела сплава от литья до получения полуфабрикатов волочением в виде проволоки, путем управления структурой сплава.

Для решения этой задачи могут быть использованы различные пути влияния на структуру и свойства сплава: дополнительное легирование сплава, совершенстбование и разработка новых процессов обработки давлением, термическая обработка литых заготовок, управление кристаллизацией сплава в процессе литья.

Настоящая работа позволяет решить проблему управления структурой латуни Л-63 с целью повышения уровня и стабильности свойств сплава за счет использования электромагнитного воздействия в процессе кристаллизации расплава.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ причин нестабильности структуры и свойств сплава Л-63, отливаемого по традиционной заводской технологии. Поиск решений получения однородной мелкозернистой структуры и стабильных свойств латуни Л-63, которые обеспечат повышение качества полуфабрикатов и готовых изделий.

2. Разработка новой технологии литья латуни Л-63 с применением электромагнитного перемешивания в процессе кристаллизации.

3. Разработка специального технологического оборудования для реализации электромагнитного перемешивания латуни Л-63 в процессе кристаллизации.

4. Определение параметров и режимов литья с электромагнитным перемешиванием, обеспечивающих повышение служебных свойств полуфабрикатов и готовых изделий.

ГЛАВА 1.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Качество металлических изделий, полученных обработкой давлением, в значительной степени определяется структурой и уровнем свойств литых заготовок, их физической и химической неоднородность. Проблема эта очень широкая, и одним из главных вопросов в ней является знание литой структуры металла и возможность управлять последней с тем, чтобы обеспечить конечную структуру, отвечающую необходимому комплексу свойств изделия после различных обработок литой заготовки.

Так как для большинства изделий полученные отливки являются только заготовками и требуют дальнейшей обработки, то одно из основных требований, предъявляемых к литому материалу, является пластичность. С точки зрения формирующейся при литье структуры повышение пластичности может быть достигнуто, во-первых, устранением столбчатой зоны слитка как области грубой, анизотропной структуры, во-вторых, измельчением и повышением однородности зерен слитка и, в-третьих, изменением фазового состояния сплава. Формирование однородной мелкозернистой структуры обеспечивает высокую технологичность металла как на стадии горячей деформации, так и последующих переделах.

В качестве основных пороков слитков следует отметить наличие усадочной раковины, центральной пористости, что связано с уменьшением объема металла при кристаллизации. Также к дефектам литого металла следует отнести образование газовых пузырей и неметаллических включений. Формирование газовых пузырей связано с насыщением металла газами, в то время как включения могут образовываться в процессе раскисления металла, размыва огнеупоров, окисления расплавов и т.д. Отдельно следует отметить развитие в слитках неоднородности по химическому составу - ликвации, которая тем больше, чем больше разница в растворимости элемента в жидкой и твердой фазах. Учитывая это, следует подчеркнуть, что свойства материала, его качество определяется не только зеренной структурой, но и такими дефектами, как пористость, неметаллические включения, ликвация. Вместе с тем, важно отметить, что

микро- и макроструктура и дефекты, сформировавшиеся при литье заготовок, могут сохраняться в процессе дальнейшей технологической обработки материала.

Таким образом, целесообразно уже в процессе литья сформировать оптимальную, с точки зрения последующей технологической обработки, структуру, а также снизить дефектность материала по основным показателям: пористости, количеству неметаллических включений, неоднородности химического состава.

Учитывая, что перечисленные выше нежелательные особенности макро- и микроструктуры и дефекты литого металла возникают, главным образом, из-за неравномерности распределения температурных полей по объему слитка, а также вследствие постепенного изменения химического состава жидкой ванны в процессе кристаллизации и недостаточной подпитки кристаллизующихся участков расплавом, применение различных физических воздействий, создающих движение расплава, должно оптимизировать структуру и снизить количество дефектов.

Можно выделить несколько способов физического воздействия на расплав: механическое, вибрационное, ультразвуковое и электромагнитное перемешивание (ЭМП) расплава [1,2].

Механическое перемешивание подразумевает использование струй инертных газов или специальных конструкционных элементов, погруженных в расплав, и, соответственно, ограничением этого метода является насыщение расплава газами или необходимость использования жаропрочных и жаростойких конструкций для перемешивания. Вибрационные и ультразвуковые виды перемешивания свободны от этих недостатков, однако, по сравнению с электромагнитным перемешиванием не обладают комплексностью воздействия на жидкий металл. Дело в том, что говоря об ЭМП, можно выделить три основных вида воздействия электромагнитного поля на расплав: непосредственно перемешивание расплава, управлящего теплоотводом при кристаллизации, формирование поверхностей слитка (формообразование слитка) и, наконец, левитационные моменты - уменьшения или усиления действия силы тяжести за счет электромагнитных сил. Кроме того, при ЭМП можно регулировать движение расплава в широком диапазоне, изменяя характеристики поля.

1.1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА РАСПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ И

СПЛАВОВ.

Одним из направлений электротехнологических процессов является электромагнитное воздействие (ЭМВ) на жидкий металл, в частности, электромагнитное перемешивание (ЭМП), основанное на использовании целенаправленного возбуждения в проводящей среде — МГД-эффекта посредством приложенных извне магнитных полей.

Основные направления развития и практического применения магнитной гидродинамики рассмотрены в работах Цаплина и Л.А.Верте [3-6], а также в обзорах [7,8]. Следует отметить, что исследование влияния электромагнитного поля на расплавы проводили, главным образом, на сталях, а также - на чугунах и сплавах алюминия.

Среди устройств, обеспечивающих создание электромагнитных полей в расплавах, целесообразно выделить кондукционные, в которых электрический ток подводится к жидкому расплаву извне, и индукционные, где ток индуцируется в расплаве с помощью электромагнитного поля. Причем индукционные устройства могут создавать вращающее магнитное поле — магнитная индукция постоянна по величине и изменяется по направлению, и бегущее магнитное поле — меняется как величина, так и направление магнитной индукции (по классификации Л.А.Верте).

Исходя из анализа работ по ЭМП, а также ряда экспериментальных исследований [9,10], показана целесообразность использования индукционных цилиндрических устройств не с вращающимся, а с бегущим электромагнитным полем.

Индукционные устройства с вращающимся магнитным полем обладают рядом недостатков. Наиболее серьезными из которых являются возникновение осевой ликвации, а также невозможность управления распределением зон столбчатых и равноосных кристаллов в объеме кристаллизующегося металла.

У индукционных устройств с бегущим магнитным полем такие недостатки отсутствуют.

Собственно бегущее магнитное поле можно определить как квазистационарное магнитное поле, синусоидально меняющееся во времени в каждой точке пространства,

причем все точки, имеющие одинаковую амплитуду и фазу колебания во времени, перемещаются в пространстве прямолинейно с постоянной скоростью. При этом, строго говоря, поле вдоль своего направления распространения не должно иметь ни начала, ни конца: оно должно простираться из бесконечности в бесконечность. Практически можно реализовать только поле, ограниченное в пространстве, а если его протяженность достаточно велика (в сравнении с пространственным периодом поля), то такое поле не будет заметно отличаться от безграничного и вполне может быть названо бегущим, что на практике обычно и делается.

При использовании индукционных устройств с бегущим магнитным полем в объеме расплава возникают токи, замыкающиеся по контуру, соответствующему форме катушки. При взаимодействии этих токов с бегущим магнитным полем возникают усилия, имеющие направление, совпадающее с направлением бегущего поля. Помимо этого, возникают усилия, отжимающие расплав от границ объема, в котором он находится. Под воздействием этих усилий возникает механическое воздействие на объем кристаллизующегося металла.

Необходимо отметить, что установки ЭМП обладают низкими коэффициентами мощности и полезного действия. Поэтому, при разработке установок ЭМП главное внимание уделяется не энергетическим характеристикам установок, а их технологической эффективности, которая зависит от: интенсивности электромагнитного поля; схемы соединения обмоток, определяющих распределение нормальной и аксиальной составляющих электромагнитного поля в рабочем объеме; направления магнитного поля вдоль вертикальной оси индуктора; эквивалентной электропроводности рабочего тела и материала кристаллизатора, частоты питающей сети, определяющей глубину проникновения поля в металл.

При взаимодействии расплава с электромагнитным полем можно выделить три наиболее важных, с точки зрения качества получаемого металла, процесса, протекающих в жидких металлах и сплавах под действием электромагнитного поля: формирование струи расплава, изменение кажущегося относительного удельного веса и само перемешивание расплава.

1.1.1. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУИ РАСПЛАВА ЭЛЕКТРОМ АГНИТНЫМ

ПОЛЕМ.

С увеличением частоты действующего электромагнитного поля электромагнитные силы переходят из центральной части в периферийную и могут удерживать расплав в "трубе", обжимая жидкий металл. Это и позволяет проводить бесконтактное формообразование [11,12] или хотя бы поддерживать и стабилизировать струю металла с боковых сторон за счет высокочастотной составляющей поля [13]. Для сплавов на основе алюминия при частоте 1=2400 Гц возможно полное удерживание жидкого металла до формирования слитка. Использование вместо огнеупорных стенок электромагнитов, создающих поле с частотой 10-1600 Гц, запатентовано в работе [11], причем отмечается необходимость ограничения мощности поля, чтобы не было перегрева металла индуктируемыми вихревыми токами.

В работах [14,15] показано, что сдерживание волнения на поверхности металла связано с торможением потока расплава в кристаллизаторе под действием магнитного поля. Кроме того, торможение расплава снижает разъедание стенок формы и предотвращает затягивание примесей в расплавленный металл. Использование электромагнитного регулирования потоков стали в установке непрерывного литья для предотвращения затягивания щлакообразующей смеси в кристаллизатор позволило снизить количество включений в 4 раза при скорости литья 2-2,3 м/мин и в 5 раз при скорости литья 0,5-1 м/мин [15]. Тормозящее воздействие магнитного поля (в частности, переменного [16]) может быть связано с возникновением симметричных циркулирующих потоков в расплаве, которые накладываются на истекающие из "стакана" потоки. При этом меняется форма мениска.

Управление формой струи расплава (зубчатость боковых кромок, высота мениска) может осуществляться сочетанием электрического поля, приложенного между валками, и магнитного поля, действующего в направлении литья ленты [17].

Интересными представляются результаты работы по исследованию влияния электромагнитных сил на качество заготовки, выполненной на модельном материале —

Бп [18]. Показано, что рост частоты электромагнитного поля в пределах 1,75-15,4 кГц приводит к снижению волнистости заготовки.

Таким образом, электромагнитное воздействие (главным образом высокочастотная составляющая поля) используется для формирования струи расплава, попадающей в кристаллизатор, и позволяет улучшать поверхность заготовок, уменьшать количество в них неметаллических включений, захватываемых из шлака или стенок формы, и способствует сохранению стенок формы или кристаллизатора.

1.1.2. ЛЕВИТАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ.

В работе [13] подчеркивается, что жидкий металл в процессе литья удерживается в пространстве электромагнитным полем, имеющим две составляющие: стабилизирующую высокочастотную, которая обжимает, поддерживает металл с боковых сторон, и низкочастотную "левитационную", которая снижает в�