imp_1_20120907

Металлографические исследования показали следующее. Тип и морфология неметаллических включений на образцах №1–4 идентичные: тонкие цепочки точечных сульфидов, местами по границам зерен, большое количество эвтектических сульфидов, сульфиды неправильной формы, единичные пленочные сульфиды, глинозем, кремнезем.

Микроструктура образцов соответствует нормализованному состоянию – феррито-перлитная. У внешней и внутренне поверхности рамы зерно 7, 8 балла, в центральных областях 8, 9 балла.

5.2.7. ОБЩИТЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ НЭМИ НА РАСПЛАВЫ

Полученные многочисленные экспериментальные данные по воздействию НЭМИ на расплавы цветных и черных металлов позволяет установить ряд общих закономерностей.

1.Предварительная обработка расплава НЭМИ приводит к изменению количества и размеров зон кристаллизации. Крупнокристаллическое строение слитков обработанного НЭМИ металла свидетельствует об уменьшении числа зародышевых центров.

2.В обработанном металле практически мгновенно устанавливается направленный тепловой поток от центра слитка к стенкам изложницы, о чем свидетельствует преобладание строении слитка зоны столбчатых кристаллов. Что, с учетом идентичности процесса разливки, вызвано увеличением коэффициента теплопроводности обработанного НЭМИ металла.

3.Пористость отливок алюминия после 15 минутной обработки расплава НЭМИ меняется незначительно.

4.Установлено, что при изменении длительности обработки НЭМИ такие параметры металла как: степень уплотнения при кристаллизации в различных интервалах температур, продолжительность охлаждения, продолжительность

91

кристаллизации, коэффициент термического сжатия, коэффициент теплопро-

водности, в зависимости от длительности обработки НЭМИ изменяются по экстремальным зависимостям. Причем экстремумы всех перечисленных свойств металлов наблюдаются после 10–15 минутной обработки НЭМИ.

5. Показано, что при воздействии НЭМИ наблюдается изменение формы эвтектических выделений с пластинчатой на игольчатую для доэвтектического алюминий кремниевого сплава, снижение доли неравновесной эвтектики в микроструктуре на 15-20%. При этом, за счет снижения доли эвтектических выделений по границам дендритных ячеек размер их увеличивается с 66 до 85

мкм.

6. Отмечается повышение растворимости основного легирующего элемен-

та в α-фазе основного металла.

7.Предварительная обработка расплава НЭМИ способствует повышению твердости металла на 20–40%.

8.Установлено, что обработка расплава НЭМИ изменяет размеры, морфо-

логию и объемные доли всех структурных составляющих заэвтектического си-

лумина. По мере увеличения длительности обработки, происходит увеличение доли эвтектики в структуре, что связано с обогащением α-фазы легирующими элементами.

9. Под воздействием НЭМИ ширина зоны взаимопроникновения элемен-

тов двух несмешиваемых систем Al-Pb и Zn-Pb снижается в 2-4 раза. При этом глубина проникновения алюминия и цинка в свинец – в 2 раза, а обратного проникновения – 3,5 раза для алюминия и 1,5 раза для цинка. Полученная кон-

центрационная зависимость распределения свинца в алюминиевой области свидетельствует о снижении количества свинца в зоне контакта в два раза.

92

5.3. Физические модели воздействия НЭМИ на структуру и свойства

металлов

С точки зрения современной физики электромагнитные колебания прони-

кая в металл, затухают на глубине, определяемой как толщина скин-слоя. Сле-

довательно, оказывать какого-либо существенного влияния на структуру и свойства металла электромагнитные импульсы не могут. Однако приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют об обратном. Значит, влия-

ние НЭМИ на структуру и свойства происходит опосредованно.

На сегодняшний день существует несколько теорий механизма воздей-

ствия НЭМИ на расплавы. Все они, безусловно, требуют экспериментального подтверждения. Тем не менее, общим для всех теорий является предположение о том, что под действием НЭМИ возникают механические колебания системы,

разрушающие кластерную структуру расплава.

5.3.1.МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Имеются сведения, что в расплавах металлов при воздействии электромаг-

нитных колебаний возникают ультразвуковые колебания. В настоящее время С.Ю. Гуревичем, Ю.В. Петровым, Е.В. Голубевым (ЮУрГУ) проводятся рабо-

ты, посвященные теоретическому исследованию параметров спектров акусти-

ческих импульсов нормальных волн, возбуждаемых лазерным импульсом в ме-

таллической пластине. Этими же авторами была проведена работа по экспери-

ментальному исследованию лазерного возбуждения в металлических пластинах нормальных волн и влиянию механизма термоакустического преобразования на параметры возбуждаемых акустических импульсов.

Возбуждение механических колебаний проводится не только в металличе-

ских образцах, но и жидких расплавах. Так, в работе классифицированы воз-

можные схемы электродинамического индукционного возбуждения колебаний

93

в жидких металлах, оценена интенсивность ультразвука в металле, которую можно получить при параметрах близких к реальным. Подробно рассматрива-

ется схема бесконтактного возбуждения в расплаве упругих колебаний с по-

мощью постоянного магнитного поля и переменного тока. Расчет, проведенный для индукционной плавки алюминия, показывает, что при плавке алюминия в тигле диаметром около 300 мм с постоянным полем 5·104 а/м колебательное давление на расплав составляет 2 атм. Предполагается, что такого давления до-

статочно для получения полезных металлургических эффектов.

Возникновение механических колебаний в металлических образцах воз-

можно и без наложения внешнего магнитного поля. Аналогичная ситуация ха-

рактерна и для расплавов металлов.

Поскольку наблюдаемые при обработке расплавов НЭМИ эффекты схожи с теми, что наблюдаются при ультразвуковой обработке, можно, по всей види-

мости, говорить, что расплав также испытывает давление сил поля, создаваемо-

го генератором НЭМИ.

В связи с особенностью конструкции используемой установки для обра-

ботки расплавов НЭМИ – фактически возбуждение механических колебаний происходит контактным способом. Из-за особенности расположения излучате-

ля ток протекает от излучателя по поверхности расплава и, возможно, эффек-

тивность возбуждаемых колебаний намного больше, чем в приведенных выше работах.

Для теоретического обоснования приведенной гипотезы о механизме вли-

яния НЭМИ на расплавы металлов проведем сравнительный расчет интенсив-

ности колебаний.

Для создания положительных металлургических эффектов электродина-

мическое давление в расплаве должно составлять 1–4 атм или 1–4·105 Н/м2. В

приведенном в первой главе литературном обзоре есть данные об используе-

мых мощностях ультразвука, которые, к примеру, для сплава АЛ9 составляют

7–8 Вт/см2 (7–8·104 Вт/м2, примем для расчета 105 Вт/м2).

94

Для определения колебательного давления системы можно воспользовать-

ся формулой для расчета волнового давления на поверхности

р=Е(1+R)/с, (5.5)

где р – волновое давление, Н/м2; Е – мощность падающей волны, отнесенная к единице площади и единице времени, Вт/см2; R – коэффициент отражения (R=0

при полном поглощении, R=1 при полном отражении); с – скорость распро-

странения волны, м/с. Скорость распространения волны в расплавленных ме-

таллах составляет порядка 103 м/с.

Рассчитаем по (5.5) давление используемых звуковых колебаний:

или в атмосферах – 3,3·10–4 и 6,6·10–4 атм соответственно.

При импульсном возбуждении колебаний падающую импульсную мощ-

ность можно приблизительно рассчитать по формуле

где r – сопротивление проводов, равное 50 Ом; U – напряжение генератора,

равное 8 кВ. Рассчитав по формуле (5.6) значение падающей импульсной мощ-

ности, получим Р=1,2·106 Вт. Площадь свободной поверхности металла в ис-

пользуемом тигле диаметром 80 мм равна 5·10–3 м2. Следовательно, импульс-

ная мощность, приходящаяся на единицу площади равна 2,4·108 Вт/м2.

Подставив полученное значение импульсной мощности в уравнение (5.5), получаем Римп=0,8·105 Н/м2 (или 0,8 атм).

95

5.3.1. ЖИДКОСТНО-КЛАСТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЭМИ

Одна из гипотез о влиянии НЭМИ на свойства расплавов основана на кла-

стерной модели расплавов. Теория кластеров рассматривает расплав как соче-

тание двух структурных составляющих: кластеров (микрообъемов с упорядо-

ченным расположением частиц, аналогичных кристаллическому – структуры ближнего порядка) и разделяющей кластеры бесструктурной «разупорядочен-

ной» зоны с хаотическим расположением частиц, как правило, более «рыхлой».

Кластеры и бесструктурная зона термодинамически неустойчивы и в ре-

зультате флуктуации энергии они непрерывно локально «перерождаются» друг в друга. Соотношение объемов, занимаемых кластерами и разупорядоченной зоной, определяется температурой расплава и продолжительностью облучения расплава НЭМИ.

Продолжительность жизни кластеров велика по сравнению с продолжи-

тельностью цикла колебаний частиц в жидких металлах (10–14 –10–13 с), а их размеры на несколько порядков превышают размеры атомов.

Под воздействием НЭМИ возможны возникновение в расплаве энергети-

ческих флуктуаций, изменение структуры ближнего порядка в расположении атомов, уменьшение размеров кластеров, сокращение продолжительность их жизни, снижение температуры разупорядоченности.

Снижение температуры разупорядоченности расплава вызывает изменение степени уплотнения и коэффициента термического сжатия расплава при охлаждении, физических свойств расплава, кристаллизационных параметров и в конечном итоге физико-механических и эксплуатационных свойств получа-

емых металлических сплавов.

Уменьшение доли кластеров приводит к изменению свойств: снижению вязкости, поверхностного натяжения, повышению растворимости и равномер-

ности распределения легирующих элементов в жидкой фазе.

96

Под воздействием НЭМИ уменьшение поверхностного натяжения на гра-

нице расплав–кристалл вызывает снижение значений критического размера за-

где М – молекулярный вес; TS – температура плавления; ρ – плотность; L –

скрытая теплота плавления; Т – степень переохлаждения кристаллизующего-

ся расплава.

Обработка расплавов НЭМИ изменяет их энергетическое состояние,

уменьшая поверхностное натяжение на межфазной границе кристалл–расплав и неметаллические включения–кристалл. Всё это способствует формированию

дополнительных центров кристаллизации и измельчению зерна.

В случае кристаллизации металла на поверхности неметаллических вклю-

чений (например, аустенита на оксидах кремния и других элементов) обработка расплава НЭМИ способствует удалению крупных частиц в процессе облучения расплава, диспергированию оставшихся «витающих» частиц, повышая поверх-

ностную энергию. Для уменьшения поверхностной энергии возможно само-

произвольное «налипание» кластеров на этих включениях до критического размера зародышевых центров. При этом не требуется кристаллографического

соответствия кристаллизирующейся фазы с неметаллическими включениями.

Электромагнитные импульсы наводят в расплавах токи. Они могут иметь большую величину из-за малого электросопротивления расплава. На движу-

где V – скорость движения заряда, E – напряженность электрического поля; q

– величина заряда; B – магнитная индукция;

Действие силы F приводит к тому, что заряды «придавливаются» к внеш-

ней поверхности. Сила Лоренца создает разность давлений, тем самым, вовле-

кая в движение жидкость: от периферии к центру и наоборот. Все это вызывает

97

интенсификацию массопереноса и блокирует рост дендритных ветвей. При этом после некоторого переохлаждения более вероятна объемная кристаллиза-

ция, исключающая образование зоны столбчатых кристаллов и определяющая однородную мелкозернистую структуру в отливках.

Облучение расплавленных металлов НЭМИ обеспечивает возможность кинетически более легкого перемещения атомов из одного устойчивого состо-

яния в другое и ускоряет процессы диффузии и растворения легирующих эле-

ментов. Благодаря этому скорость растворения легирующих элементов повы-

шается более чем в 3,0 раза.

Диффундирующие ионы являются направленным электронным «ветром» от растворяемого макроэлемента. Концентрация ионов вокруг еще не раство-

рившейся макрочастицы легирующего элемента уменьшается, происходит ин-

тенсификация отвода продуктов взаимодействия и ускорение диффузионной стадии, являющейся лимитирующим звеном процесса растворения легирую-

щих элементов и вторичных фаз. В результате повышается растворимость и обеспечивается равномерность распределения легирующих элементов в базо-

вом сплаве.

Под воздействием НЭМИ возможно также изменение типа связей, возни-

кающих между элементарными частицами в расплаве. Элементарные частицы в жидкости подобно в кристалле, сближаются на определенное расстояние, ко-

торое обеспечивает «квази-решетке» наибольшую термодинамическую ста-

бильность. Расстояние, на которое сближаются частицы, определяется взаимо-

действием сил, действующих в структуре ближнего порядка.

Сила притяжения возникает благодаря взаимодействию электронов с по-

ложительно заряженным ядром собственного атома, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов. Сила отталкивания возникает в резуль-

тате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении. Сила отталкивания проявляется при сильном сближении и растет интенсивнее, чем силы притяжения.

98

Уравновешивание сил происходит при сближении элементарных частиц на расстояние а0. Этому сближению способствует минимум энергии связи Есв, что делает структуру ближнего порядка термодинамически стабильным. Она опре-

деляет температуру плавления, температурный коэффициент линейного рас-

ширения и др.

Уменьшение параметра кристаллической решетки и увеличение амплиту-

ды колебания атомов от равновесного положения в меди и алюминии при об-

лучении их жидкой фазы НЭМИ в течение 10–15 мин позволяет сделать сле-

дующее предположение (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Изменение энергии связи при сближении атомов в жидких ме-

таллах под воздействием НЭМИ: а0 и аб0 – межатомные расстояния в необлу-

ченных и облученных жидких металлах соответственно; Есв и Е0св– энергии связи в необлученных и облученных жидких металлах.

Под воздействием на жидкую фазу НЭМИ кривая энергия связи смещается в сторону меньшего значения dо. При этом, по-видимому, абсолютная величина энергии связи Еºсв уменьшается. По этой причине облучение расплава НЭМИ обеспечивает возможность энергетически и кинетически более легкого пере-

мещения атомов из одного устойчивого состояния в другое и ускоряет процес-

сы диффузии и дезактивирует кластеры.

99

5.3.3. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ

Некоторая доля энергии, падающей на поверхность металла электромаг-

нитной энергии, преобразуется в Ленц-Джоулеву теплоту в скин-слое металла.

Но для импульсов длительностью в единицы и десятки наносекунд эта доля пренебрежимо мала.

На рис. 5.19 схематически показано прямое ЭМАП. Как видно из рис. 5.18,

наносекундные электромагнитные импульсы (НЭМИ) с выхода генератора 1

поступают на излучающий индуктор 2, который может принимать любую фор-

му и размеры: накладной, проходной, плоский, объемный, осеили зеркально-

симметричный, в виде меандра или фазированной решетки и т.д. Излучаемые индуктором 2 НЭМИ достигают поверхности металлического образца 3, в по-

верхностном слое (скин-слое) которого преобразуются в акустические импуль-

сы примерно той же временной формы и той же длительности. Последние рас-

пространяются в образце в направлении излучения, достигают противополож-

ной его поверхности, где регистрируются приемником, например, пьезопреоб-

разователем, электрические сигналы с которого поступают на вход регистрато-

ра наносекундных акустических импульсов (НАИ). Если металлический обра-

зец 3 поместить в магнитное поле, то эффективность прямого ЭМАП суще-

ственно возрастает.

100