Эффект влияния обработки пульсирующим электрическим полем на механические свойства литой стали

Миненко Г.Н. доц., к.т.н., руководитель Ресурсного центра отраслевого машиностроения Московской области

Одним из способов повышения механических свойств литейных сплавов является воздействие электрическими полями в процессе модифицирования сплава. Использование этого способа имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать в практических условиях его применения.

 При наложении постоянного, переменного и пульсирующего электрических полей на металлический расплав происходит увеличение полной энергия термодинамической системы для расплавленного металла на величину энергии во внешних силовых полях Е_э [1]. Однако величина энергии Е_э, которая будет определяться суммой постоянной составляющей энергии электрического поля Е_constи переменной составляющей энергии электрического поля E_var

                                                           Е_э = Е_const+ E_var,

будет иметь для постоянного, переменного и пульсирующего полей различные соотношения этих составляющих.                    

Для определения влияния различных электрических полей и возникающих под их влиянием токов плотностью j на приращение прочностных свойств ??_В были проведены эксперименты налитой стали марки 40Л. Сталь выплавляли в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой. Опыты по обработке этого сплава электрическими полями производили в процессе модифицирования ферротитаном марки ФТи20 (ввод 0,3 % от массы расплава стали) при постоянной температуре модифицирования (1540±10) ^оС.

Рис. 1 Зависимость приращения прочности литой стали для различных величин плотности токов, возникающих под влиянием электрических полей (1 – пульсирующее поле; 2 – переменное поле; 3 – постоянное поле)

Из зависимостей приведённых на рис. 1 видно, что наибольшая величина приращения прочностных свойств стали ??_В возникла у сплава обработанного пульсирующим полем (кривая 1). Обработка другими полями в процессе модифицирования этого сплава оказалась менее эффективной.

Для объяснения этого явления возможно, использовав ряд Фурье, представить пульсирующий ток I_Пу, возникающий в металлическом расплаве под влиянием такого же по виду электрического поля, как сумму гармонических составляющих колебательного процесса электронов и ионов (токоносителей) воздействующих на процесс образования зародышей из дозародышей центров кристаллизации сплава, т.е.

         I_max           I_max                 2I_max                   2I_max 

I_Пу= ------- + -------- sinωt - --------- cos 2 ωt - ------------- cos 4 ωt - _{. . . . .}.

            π            2                    1 ^. 3 π                     1 ^. 3 ^. 5 π

Первое слагаемое этого ряда не зависит от частоты колебательного процесса ω и является постоянной величиной, второе слагаемое представляет собой переменную составляющую и имеет частоту питающей электрической сети. Следующие члены ряда являются высшими гармониками пульсирующего тока и такие гармонические колебания токоносителей могут накладываться на микрообъёмы расплава, получаемые от растворения частиц модификатора, с находящимися в них дозародышами центров кристаллизации. Тепловой колебательные движения микрообъёмов расплава Х можно представить в виде уравнения

                                               Х = А cos (ω_оt + φ),

где А – амплитуда колебательного процесса;

                        ω_{о -}  частота собственных тепловых колебаний;

                        t – временной параметр колебательного процесса;

                        φ – сдвиг фазы.

Тогда воздействие колебательного процесса токоносителей возможно описать следующим уравнением силы F(t) действующей на микрообъёмы расплава по гармоническому закону

                                   F(t) = F₀cosωt,

где ω _-  частота колебаний токоносителей под действием внешнего поля;

F₀ – сила колебательного процесса токоносителей, воздействующая на микрообъёмы расплава.

            При циклической частоте ωвозмущающей силы F(t), сопоставимой по величине с частотой колебаний микрообъёмов расплава ω₀ энергия Е такого микрообъёма увеличивается на приращение энергии ?Е равное                             

                                               ?Е = - 2 Ф + ? F₀ cos ωt,

                  dr

где  ? = -----  - скоростьколебательного движения микрообъёма расплава;

                 dt      

х – обобщённая координата и r– обобщённый коэффициент трения колебательной системы (микрообъёма в расплаве);

Ф – диссипативная функция колебательного процесса микрообъёма расплава равная  r?.

В таких условиях получения прироста энергии колебательного процесса ?Е локальными микрообъёмами расплава, образующихся от растворяющиеся частиц модификатора, делает дозародыши центров кристаллизации более устойчивыми и повышает вероятность образования из них центров кристаллизации сплава. Кроме этого, под влиянием ускоренных электрическим полем заряженных частиц расплава возникает дополнительное увеличение энергии в микрообъёмах металлического расплава. Это может привести к активации дозародышей центров кристаллизации и росту из них большего числа зародышей центров, участвующих в процессе кристаллизации и, как следствие, к повышению дисперсности структуры сплава.

Для выявления воздействия электрических полей в процессе модифицирования на возникновения зародышей центров кристаллизации были проведены опыты по определению влияния обработки поля на механические свойства литейного сплава при изменении температуры перегрева расплава с последующим модифицированием сплава. Как известно [2], увеличение температуры перегрева расплава приводит к дезактивации имеющихся центров кристаллизации и их количество в единице объёма расплава уменьшается, что позволяет более эффективно использовать процесс модифицирования сплава за счёт  увеличения под влиянием химических элементов модификатора числа зародышей кристаллов, которые участвуют в процессе кристаллизации при меньших величинах переохлаждения сплава. Поэтому в таких температурных условиях проведения модифицирования сплава появляется возможность определения эффективности обработки электрическими полями через сопоставление уровней механических свойств обработанной и исходной модифицированных сталей.

Рис. 2 Изменение ?_В от температуры перегрева и модифицирования расплава для пульсирующего (1), постоянного (2) электрического поля и исходной модифицированной стали (3)

Результаты экспериментов по определению влияния обработки расплава стали 40Л на прочностные свойства сплава при различных температурах перегрева и постоянной температуры модифицирования (1540±10) ^оС приведены рис. 2. Относительная погрешность изменений этих свойств не превышала 7,80 %. Из них видно, что увеличение температуры перегрева и модифицирования стали приводят к повышению прочностных свойств стали и при этом для стали обработанной пульсирующим полем (кривая 1) значения ?_В на всём температурном диапазоне гораздо выше, чем для постоянного поля (кривая 2). Значения ?_В для обработанных в процессе модифицирования сталей (кривые 1 и 2), по сравнению с исходной модифицированной сталью (кривая 3), заметно больше, что свидетельствует о позитивном влиянии обработки на результаты модифицирования стали. Следует отметить и темпы повышения этих свойств, судя по наклону кривых у обработанной модифицированной стали (кривая 1 и 2) несколько выше, чем у необработанной модифицированной стали (кривая 3). 

Также на литой стали 40Л были проведены опыты по определению влияния температуры перегрева и модифицирования на пластические свойства литой стали (?_Т). Относительная погрешность изменений этих свойств стали была не более 7,50 %. Данные экспериментов представлены на рис. 3, из которых можно сделать вывод о положительном влиянии на эти свойства перегрева при постоянной температуре модифицирования литой стали.

Рис. 3 Изменение ?_Т от температуры перегрева и модифицирования расплава для пульсирующего (1), постоянного (2) электрического поля и исходной модифицированной стали (3)

Разность величин ?_Т обработанных и исходной модифицированной стали наблюдается при всех температурах перегрева. При этом эффективность от обработки стали в процессе модифицирования пульсирующим полем несколько выше (кривая 1), по сравнению с обработкой постоянным полем (кривая 2).  Увеличение температуры перегрева расплава стали не сказывается на существенном изменении разности величин ?_Т обработанных электрическими полями и исходной модифицированной стали (кривая 3). Следует также отметить отличие в изменении значений прочностных свойств ?_В (см. рис. 2) от пластических свойств ?_Т литой стали 40Л (см. рис. 3), т.к. с ростом температуры перегрева расплава последние стабилизируют свои величины. 

Сопоставление величин механических свойств обработанной и исходной модифицированных сталей (см. рис. 2 и 3) свидетельствует о значительном влиянии электрических полей на возникновение зародышей центров кристаллизации в процессе модифицирования сплава. Более устойчивое состояние зародышевой фазы в металлическом расплаве изменяет механические свойства стали с повышением температуры перегрева жидкого сплава, что подтверждает предположение об изменении количества и состояния дозародышей центров кристаллизации в обработанной в процессе модифицирования полем стали [3].

Для объяснения отличия в эффективности пульсирующего поля от постоянного можно предположить, что при воздействии пульсирующего электрического тока на металлический расплав происходит повышение уровня свободной энергии микрообъёмов, возникших под влиянием растворяющихся в расплаве частиц модификатора. При этом возникает не только передача энергии ускоренных внешним электрическим полем токоносителей микрообъёмам расплава, но и осуществляется наложение на их тепловой колебательные движения колебательного процесса токоносителей. Возникающие под влиянием модификатора дозародыши центров при таком увеличении свободной энергии в микрообъёме расплава снижают свой критический размер и тем самым увеличивают количество зародышей кристаллов в единице объёма расплава, что позитивно сказывается на величине механических свойств литейного сплава.

Таким образом, воздействие пульсирующего электрического поля в процессе модифицирования изменяет условия образования зародышей центров кристаллизации в металлическом расплаве. Эти изменения, по-видимому, связаны с эффектом активации дозародышей центров кристаллизации, образующихся в микрообъёмах расплава под влиянием растворяющихся частиц модификатора. Данная активация связана с колебательным процессом передаваемым токоносителями и поглощением энергии ускоренных полем заряженных частиц микрообъёмами расплава. Позитивные сдвиги в процессе зарождения центров кристаллизации под влиянием обработки полем приводят к возникновению мелкокристаллической структуры сплава и росту его механических свойств. Такие изменения механических свойств позволят уменьшить толщину стенок стальных отливок и, следовательно, повысят рентабельность их производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Minenko G.N. Energy as a Factor Influencing the Crystallization Process for Cast Steel // Magazine “Foundry Management & Technology”, 28, october, 2014.

2.Неймарк В.Е. Модифицированный стальной слиток // «Металлургия», 1977, 200 с.

3.Миненко Г.Н.Влияние термовременной обработки на воздействие электрического поля в процессе модифицирования литой стали // журнал «Литьё Украины», 2014, № 12, с. 19-21.