Обработка жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами для управления структурой и свойствами металлических сплавов

• Автор: Дорофеев, Станислав Вячеславович
• Шифр специальности: 05.16.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Комсомольск-на-Амуре
• Количество страниц: 186 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Классификация современных методов управления литой структурой

для повышения качества и свойств отливок из цветных сплавов.

1.2 Термовременная и термоскоростная обработка.

1.3 Перемешивание металлических расплавов.

1.4 Фильтрация расплавов

1.5 Вибрация

1.6 Электромагнитная обработка

1.7 Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов НЭМИ

на металлические расплавы.
1. 7.1 Генерирование наносекундных электромагнитных импульсов
1.7.2 Параметры генераторов НЭМИ.
1.7.3 Влияние облучения НЭМИ на жидкой фазы на физикомеханические свойства алюминиевых и цинковых сплавов.
1.8 Выводы и постановка задач исследований
Глава 2. Методики и объекты исследований
2.1 Схема и методика облучения жидкой фазы НЭМИ
2.2 Методики измерения плотности, объемных изменений и кристаллизационных параметров
2.3 Стандартные методы исследования структур и свойств металлов
2.4 Методики измерения физикомеханических свойств
2.4.1. Измерение теплопроводности
2.4.2. Исследования коррозионностойкости
2.4.3. Методика исследования жаростойкости с применением дериватографа
2.4.4. Исследование износостойкости
2.5 Элементнофазовый анализ и электронномикроскопическое исследование
2.6 Измерение электросопротивления в твердом состоянии
2.7. Обоснование выбора температуры обработки расплавов цветных металлов наносекундными электромагнитными импульсами для повышения теплопроводности
Глава 3. Влияние облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и структурообразование, физикомеханические и эксплуатационные характеристики меди и ее сплавов
3.1 Исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на строение степень уплотнения и коэффициент термического сжатия меди и бронзы в жидком состоянии.
3.2 Кристаллизация и структурообразование не и облученных НЭМИ меди и бронзы.
3.3 Физикомеханические свойства не и облученных НЭМИ меди и бронзы.
3.4 Эксплуатационные свойства не и обученных НЭМИ меди и бронзы.
3.5 Элементнофазовый и структурный анализы не и облученных меди и бронзы.
3.6 Микрорентгеноспектральный анализ образцов из бронзы
3.7 Выводы
Глава 4. Исследование влиянии облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и структурообразование, физикомеханические и эксплуатационные характеристики алюминия и его сплавов силуминов
4.1 Исследование влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ на процессы кристаллизации и структурообразования, физикомеханические свойства алюминия
4.2 Влияние продолжительности облучения расплава НЭМИ на
кристаллизационные параметры и физикомеханические свойства силумина А0 Республика Корея
4.3 Кристаллизация, физикомеханические и эксплуатационные свойства промышленных силуминов
4.4 Выводы
Глава 5. Исследование влиянии облучения жидкой фазы НЭМИ на строение, процессы кристаллизации и етруктурообразованнс, физикомеханические и эксплуатационные характеристики магния и его сплавов
5.1 Кристаллизация и структурообразование не и облученного НЭМИ магниевого сплава МЛ 5.
5.2 Физикомеханические свойства не и облученного НЭМИ магниевого сплава
5.3 Выводы
5.4 Заключение о возможном влиянии НЭМИ на структурообразозание и свойства металлических материалов
5.4.1. Дырочная концепция жидкого состояния Я. И. Френкеля при воздействии на него НЭМИ
5.4.2. Квазикристсшлическая модель расплава при воздействии на него НЭМИ
5.4.3. Механизмы влияния НЭМИ на растворимость легирующих элементов и вторичных фаз в металлических сплавах
5.4.4. Механизм воздействия НЭМИ на жидкотекучестъ металлических расплавов
5.4.5. Изменение энергии связи на структуру сплавов под воздействием НЭМИ
5.4.6. О механизме изменения электро и теплопроводности металлов и сплавов под воздействием на жидкую фазу НЭМИ
Общие выводы по диссертационной работе Список использованных источников
Введение
Широко применяемые в практике физические методы воздействия на расплавы в зависимости от вида энергоносителя можно разделить на следующие группы тепловые, барометрические, гравитационные,
механические, электромагнитные, высокоэнергетические корпускулярные.
В литейном производстве наиболее широко применяют тепловые, механические и электромагнитные методы. Тепловые методы включают термовременную н термоскоростную обработку расплава, а также управление литой структурой путем изменения скорости затвердевания и градиента температуры. Различные механические методы включают взаимодействие путем механического перемещения одних микрообъемов материала относительно других перемешивание, фильтрация, продувка газами, обработка ультразвуком и вибрацией. Электромагнитные методы заключаются в обработке расплава либо затвердевающей отливки электрическим током и электромагнитными полями. Все эти методы внешнего воздействия на расплавы направлены на повышение качества и свойств отливок из различных литейных сплавов.
Учитывая, что все эти известные методы обработки могут
осуществляться на различных этапах литейного передела, важной
характеристикой процесса управления литой структурой являются стадийности, отражающие воздействие на шихтовые материалы I стадия, процесс плавки II стадия и внепечную обработку III стадия, которая может осуществляться в ковше либо непосредственно перед затвердеванием отливки в литейной форме. Как отмечалось в работах Б.А. Баума, Г.В. Тягунова, Г.Г. Крушенко, В.З. Кисунько, Г.Н. Еланского и В.А. Кудрина,
И.А. Новохатского, П.С. Попеля, Ри Хосена и др. максимальный эффект термовременной обработки проявляется при достижении устойчивого равновесного состояния жидких металлов и сплавов.
Высокотемпературный тип структуры ближнего порядка можно зафиксировать путем быстрого охлаждения расплава перед заливкой, т.е. термоскоростной обработкой, поскольку скорость структурных превращений в жидкой фазе достаточно низкая, несмотря на сравнительно высокие скорости диффузии. При этом достигается существенное повышение физикомеханических свойств металлических сплавов.
В настоящее время представляется возможным управление процессом формирования отливок с определенным комплексом свойств воздействием на расплав несинусоидальных электромагнитных импульсов.
Впервые понятие непериодических несинусоидальных, в том числе наносекундных воли было введено Г. Герцем. Вновь интерес к ним возник в годы двадцатого века Белкин, когда методы генерирования и излучения наносекундных электромагнитных импульсов НЭМИ в проводящую среду попытались применить для построения радиолокационных систем без несущей частоты с высокой разрешающей способностью. Характерной особенностью наносекундных электромагнитных импульсов является их однополярность, что приводит к отсутствию осциллирующих колебаний в излучаемом поле. Следствием этого выступает наличие пространственновременного направленного действия силы за время одного импульса, создающего условия для воздействия на структуру и физические свойства металлических сплавов. Рассматривались поля с импульсной мощностью около 1 МВт и длительностью импульса 1 не, при этом напряженность электрического поля достигает . 7 Вм.
Впервые В.В. Крымским, Л.Г. Знаменским, Б.А. Кулаковым исследовалось влияние НЭМИ на свойства жидкого и кристаллизующегося металла на алюминиевых АК 7 и АК5М и цинковых ЦА 4 и ЦА4МЗ сплавах. Установлено, что обработка расплавов НЭМИ до температуры заливки металлов существенно повышает физикомеханические свойства и диспергирует структурные составляющие сплавов.
В связи с этим представляет большой теоретический и практический интерес проведение целенаправленного исследования влияния продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ ПОН на кристаллизационные параметры, физикомеханические электро и
теплопроводность, плотность, твердость, микротвердость структурных составляющих и эксплуатационные жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость свойства меди, алюминия, и сплавов на их основе бронзы, силумины, а также магниевого сплава МЛ 5.
Актуальность


Таким образом можно значительно повысить плотность отливки, равномерно распределить ликвирующие примеси в замкнутом объеме затвердевающего сплава, снизить дендритную и зональную неоднородность, увеличить скорость затвердевания и измельчить кристаллическую структуру ЛИТ,я. Внешние воздействия весьма существенно влияют не только на процессы тепломассообмена, но и на гидродинамику конвективного и теплокапиллярного перемещения фаз. К наиболее важным результатам такого влияния можно отнести следующие воздействие на устойчивость границы кристаллизации и формирование кристаллической структуры литья перемещение центров кристаллизации и плавающих кристаллов из зоны двухфазного состояния в объем затвердевающего расплава всплывание неметаллических включений и газов термокапиллярное перемещение ликватов в междендритном пространстве и дендритную неоднородность сплава смывание ликвациоиных элементов с. В работе 1 систематизированы различные внешние воздействия, с помощью которых можно управлять литой структурой рис. Рис. Химический метод объединяет совокупность методов управления, связанных с изменением состава сплава, т. Физические методы включают воздействия, осуществляемые за счет энергетического взаимодействия системы сплавов с окружающей средой без изменения химического состава сплава. Каждый из рассмотренных классов воздействия подразделяется на группы. Химические методы управления литой структурой состоят из двух групп. Эго, вопервых, процессы, связанные с легированием микро менее 0, мас. Вторая группа объединяет все методы рафинирования удаления примесей из расплава. В особую вспомогательную группу отнесены защитные методы, которые непосредственно не влияют на литую структуру, а лишь способствуют стабилизации качества путем сохранения результатов воздействия. Например, выдержка расплава в атмосфере аргона, гелия и азота в автоматических дозирующих устройствах позволяет устранить негативное влияние окислительной атмосферы и тем самым снизить газосодержание в расплаве повышает стабильность технологического процесса получения качественных отливок. Тепловые методы включают термовременную и термоскоростную обработку расплава, а также управление литой структурой путем изменения скорости затвердевания и градиента температуры. Барометрические методы заключаются в создании внешнего давления, отличного от атмосферного от глубокого вакуума до кристаллизации под сверхвысоким давлением взрывом. В гравитационных методах воздействуют на структуру за счет изменения силы тяжести от невесомости до высокоскоростного центрифугирования, включая центробежное литье. Электромагнитные методы заключаются в обработке расплава либо затвердевающей отливки электрическим током и электромагнитными полями. Особый интерес представляют развивающиеся в последние годы методы корпускулярной обработки, например, лазером, плазмой или микрочастицами с высокой энергией. За счет воздействия на более глубокие уровни структуры сплавов они позволяют получать принципиально новые свойства. Реализация обработки расплава с изменением его химического состава может осуществляться с помощью либо совместно с энергетическими взаимодействиями. С практической точки зрения весьма важно, что вследствие термодинамической нестабильности ряда методов управления литой структурой и ускоренной релаксацией активного состояния ввиду высокой термодинамической подвижности атомов в расплаве происходит угасание эффекта во времени. Нестабильность во времени может также вызываться неконтролируемым удалением либо, наоборот, проникновением в систему химически активных элементов за счет взаимодействия с атмосферой, шлаком либо футеровкой печи. Поэтому важно согласовать длительность жизнедеятельности последствий воздействия с технологическим циклом. Учитывая, что известные методы обработки могут осуществляться на различных этапах литейного передела, в качестве второй характеристики процесса управления литой структурой целесообразно вести термин стадийности, отражающий воздействие на шихтовые материалы I стадия, процесс плавки II стадия и внепечную обработку III стадия, которая может осуществляться в ковше либо непосредственно перед затвердеванием отливки в литейной форме 1.