ЭЛЕКТРО-МИКРОСТРУКТУРНЫЙ ЭФФЕКТ В СЕРОМ ЧУГУНЕ

Для определения зависимости прочностных свойств от физического состояния жидкого сплава, за счёт измерения удельной электропроводности, и твёрдости сплава после воздействия на металлический сплав электрического поля были проведены опыты с использованием метода Бокса-Уилсона [1, 2].

          В общем виде задачу нахождения связи показателя прочности серого чугуна (Ϭ_В) с величинами относительной удельной электропроводности (∆ȵ) расплава чугуна [3] и поверхностной твёрдостью чугуна по Бринеллю (НВ) можно представить в виде уравнения

                                         Y = f (X₁, X₂),

                              где Y – функция отклика (Ϭ_В);

                                     X₁ – фактор (∆ȵ);

                                     X₂ - фактор (НВ).

На основе серии опытов находили описание поверхности отклика вокруг «нулевой» точки. Затем проводили опыты при движении по градиенту для определения оптимума искомой функции. Количественный анализ функции отклика требовал оценки коэффициентов уравнения плоскости линейной модели

                            Y = B₀ + B₁X₁ + B₂X₂,

          где Y – значение функции отклика;

          B₀, B₁ и B₂ – неизвестные коэффициенты уравнения плоскости.

Для вычисления коэффициентов уравнения плоскости использовали метод наименьших квадратов, который в случае двухмерного плана (типа 2²) позволяют вычислить величину коэффициентов уравнения по формуле         

                              B_i = ∑ Y_i X_i /N ,     

          где Y_i – значение функции отклика в i-ом опыте;

                 X_i – нормированные значения факторов;

                  N – число опытов.

Проверка адекватности принятой модели отклика проводилась с использованием F – критерий Фишера. Для серого чугуна марки СЧ20 была получена модель поверхности отклика представленная на рис. 1.  

Рис. 1 Модель локальной поверхности отклика зависимости прочностных свойств чугуна СЧ20 от относительной удельной электропроводности ∆ȵ и твёрдости сплава НВ

Опыты проводили по градиенту от точки 0 в направлении точки 1 для достижения оптимальных результатов функции отклика Y. Уравнение регрессии, связывающее величину Ϭ_В (Y) с факторами ∆ȵ (X₁) и НВ (X₂) имело вид

Y = 214 + 0,246 X₁ + 0,103 X₂

Прирост прочностных свойств серого чугуна после обработки жидкого сплава электрическим полем в точке 1, по сравнению с данными в точке 0 (см. рис. 1), составил 49,950 МПа, что свидетельствует о наличии электро-микроструктурного эффекта (ЭМСЭ).

Анализ микроструктуры серого чугуна показал, что после воздействия электрического поля (см. рис. 2), происходит значительное изменение формы формы              

Рис. 2 Микроструктура серого чугуна СЧ20 обработанного электрическим полем (слева) и исходного чугуна (справа) х 100 (не травлено)

и числа включений свободного графита.  Этим и объясняется рост прочностных свойств обработанного серого чугуна, т.к. включения графита являются концентраторами напряжений в металлической матрице чугуна.

Такие изменения в структуре чугуна обусловлены влиянием обработки электрического поля на образование зародышей центров кристаллизации графита в расплаве чугуна. К основным факторам воздействия электрического поля можно отнести: изменение заряда двойного электрического слоя на поверхности зародышей графита [4]; интенсивность протекания гетерогенных процессов в расплаве серого чугуна на границе раздела твёрдых и жидких фаз [5]; ускорение диффузионных процессов в расплаве чугуна под влиянием выделения джоулевой теплоты [6]; увеличение свободной энергии в объёмах расплава окружающих центры кристаллизации чугуна [7]. Совокупность этих факторов сказывается на процессе кристаллизации и свойствах серого чугуна в отливках [8].

Таким образом, данные опытов с использованием планирования экспериментов наглядно показали возникновение ЭМСЭ в расплаве серого чугуна под воздействием обработки электрическим полем. Применение этого эффекта при оптимальных режимах обработки даёт возможность повышать марку чугуна и снижать процент брака чугунных отливок по механическим свойствам, что положительно скажется на рентабельности производства литых заготовок деталей для машиностроения.  

     ЛИТЕРАТАУРА

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В, Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. - «Наука», 1976, 279 с.
2. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. М.– «Металлургия», 192 с.
3. Миненко Г.Н. Электрографический метод прогнозирования прочностных свойств литой стали и чугуна. «Литьё Украины», 2021, № 3, с. 16 – 18
4. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. - М., «Металлургия», 1978, 248 с.
5. Миненко Г.Н. Особенности процесса воздействия электрического тока на металлический расплав. «Литейщик России», 2011, № 7, с. 29-30.
6. Миненко Г.Н. Физическое воздействие на жидкие сплавы и композиционные материалы. Изд. «LAP», 2018, ISBN: 978-613-9-25082-9, с. 75.
7. Миненко Г.Н. Механизм обработки Fe-C сплавов электрическим полем. «Литьё Украины», 2021, № 3, с. 16 – 18
8. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.: Машиностроение, 1966, 562 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Миненко Георгий Николаевич,  кандидат технических наук, доцент, руководитель Ресурсного центра отраслевого машиностроения министерства образования Московской области;

140002 Московская область, г. Люберцы, Октябрьский пр., 114.

 моб. тел.: +7(977) 544-66-76.

E-mail: minen29ko2009@ya.ru

Литье Украины, 2022, №3-4,