Электро-микроструктурный эффект воздействия на металлический расплав

При получении литейных сплавов с мелкокристаллической структурой основная задача заключается во вовлечении как можно большего числа зародышей кристаллов сплава в процесс структурообразования через создание в расплаве множества центров кристаллизации. Решение этой проблемы состоит в подведении к дозародышам и зародышам центров кристаллизации достаточного количества энергии для образования из них центров кристаллизации, активно участвующих в процессе кристаллизации сплава. Одним из способов, влияющих на результаты процесса кристаллизации сплава, является обработка металлического расплава электрическим полем [1]. Однако этот способ, который способствует возникновениюв расплаве электро-микроструктурного эффекта (ЭМСЭ) [2, 3],имеет многофакторное воздействие на структуру сплава[4, 5].

Для выявления факторов, сочетание которых вызываетЭМСЭ были проведены эксперименты на расплавах Fe-Cсплавов (сталь марки 40Л и серый чугун марки СЧ20). Металлические расплавы этих сплавов перегревали в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой до температур 1500, 1550, 1600 и 1650 ⁰С и производили обработку пульсирующим электрическим полем. Пробы на механические испытания обработанного полем и исходного сплавов заливали при температуре (1450±10)⁰С в стандартные формы. Результаты изменения прочностных свойств под влиянием обработкиэлектрическим полем (??_В) представлены на рис. 1. Из этих данных следует,что с повышением температуры перегрева расплавов чугуна и стали разность их прочностных свойств уменьшается, что связано с цезактивацией центров кристаллизации сплавов [6]. Следует отметитьболее резкое снижениеразности прочностных свойств сплавов при повышении температуры перегрева расплавов у серого чугуна (кривая 1), по сравнению с литой сталью (кривая 2). Для объяснения такого хода кривых (см. рис. 1) можно предположить наличие большего числа включений в расплаве серого чугуна при низких температурах перегрева, активированных обработкой полем и затем участвующих в процессе кристаллизации сплава. Однако высокие температуры перегрева гомогенизируют расплав чугуна и обработка полем становится менее эффективной. Такое же снижение разности прочностных свойств при повышении температуры перегрева расплава, но более плавное, наблюдается и у литой стали (см. рис. 1).

Рис. 1 Зависимость изменения прочностных свойств серого чугуна 1 и литой стали 2 от температуры перегрева их расплавов

Из этого следует, что обработка пульсирующим электрическим полем, в первую очередь, влияет на зародышевую фазу (дозародыши и зародыши центров кристаллизации) литейного сплава.Преобразования, которые происходят в зародышевой фазе жидкого сплава, можно условно подразделить на несколько стадий. На первой стадии возникновения центров кристаллизации (ЦК) происходит образование дозародышей центров кристаллизации (ДЦК) из агрегатированных атомов (комплексов) под влиянием флюктуации энергии в расплаве [7]. Возникновение зародышей центров кристаллизации (ЗЦК) из ДЦКна второй стадиисвязано с получением поверхности раздела между жидкой и твёрдой фазой металлического расплава [8]. Третья стадия протекает при наличии достаточной энергии у ЗЦК, обеспечивающий его рост до размера с критическим радиусом позволяющим участвовать в процессе кристаллизации сплава.

Для объяснения эффекта воздействия пульсирующего электрического поля можно предположить, что на первой стадии появления центров кристаллизации возникает воздействие потоков токоносителей, ускоренных электрическим полем, на атомные комплексы находящиеся в расплаве (рис. 2).

Рис. 2 Схема воздействие токоносителей на атомные комплексы (ДЦК)

Эти атомные комплексы, состоящие из агрегатированных атомов, образуют ДЦК, на которые воздействуют токоносители (электроны 5 и ионизированные атомы 4). Это происходит в силу того, что металлический расплав 1 при помощи электродов 2, находящийся в литейном ковше 3, подвергается влиянию электрического поля Е_эл.п..Обработка металлического расплава электрическим полем приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве и к повышению электрического заряда ДЦК за счёт перехода заряженных частиц (токоносителей) в число атомов, из которых состоит ДЦК. Рост заряда ?Э_эл.зар., обеспеченный присоединёнными заряженными частицами,даёт возможность повысить уровень электрической энергииДЦК. Кроме этого, ускоренные полем токоносителипри столкновении с атомами комплекса передают ему свою кинетическую энергию ?Э_кин., что также способствует увеличению энергии ДЦК [9].На этом периоде воздействия электрического поля также существует возможность возникновения известного явления электрокоагуляции, которое может увеличить число атомных комплексов в расплаве. Следует отметить и наличие оптимального периода обработки металлического расплава электрическим полем [10], т.к. конвективные потоки в расплаве, возникающие от выделения джоулева тепла при длительном воздействии поля,могут привести к растворению образующихся атомных комплексов.

Переход к следующей стадии образования центров кристаллизации - возникновение ЗЦК происходит после приобретения ДЦК достаточной для этого величины энергии.На поверхностивозникших ЗЦК под влиянием имеющегося электрического заряда образуется двойной электрический слой (ДЭС). Он способствует переходу ЗЦК в более стабильное состояние, по сравнению с ДЦК, помимо этого, благодаря имеющемуся заряду, ЗЦК взаимодействует с потоками токоносителей. Это взаимодействие обусловлено влиянием колебательного движения токоносителей, возникшим под воздействием пульсирующегоэлектрического поля, с ЗЦК. Такое влияниеколеблющихся заряженных частиц на ЗЦК, имеющим ДЭС, можно представить (см. рис. 3) в видесхемы, накоторой ЗЦК приобретает дополнительную энергию?Э_к.п. от колебаний потоков токоносителей. Рост энергетического уровня у ЗЦК позволяет ему приобрести размер критического радиуса R_кр., что резко повышает вероятность его участия в процессе кристаллизации сплава.

Рис. 3 Схема воздействие токоносителей на ЗЦК

Общий прирост энергии ЗЦК ?Э_общ. можно представить как сумму приращений энергии роста электрического заряда ?Э_эл.зар., кинетической энергии ?Э_кин. и от энергии колебательного процесса токоносителей?Э_к.п., т.е.

                                      ?Э_общ. = ?Э_к.п. + ?Э_эл.зар. + ?Э_кин.

Прирост энергии ?Э_общ. позволяетЗЦК перейти на стадию образования ЦК, т.к. эта энергия увеличивает величину поверхностной энергии раздела фаз, и доводит размер ЦК до величиныне меньшейR_кр.. Это даёт возможность такому ЦК участвовать в процессе кристаллизации сплава.

Подтверждением изменения микроструктуры металлического расплава обработанного пульсирующим электрическим полем служат данные величин кинематической вязкости расплава стали[11]. Измерения этой структурно-чувствительной характеристики свидетельствуетобувеличениивязкости расплава, чтовозможно за счёт роста числа ЦК сплава, образовавшихся изДЦК и ЗЦК. Повышениеих активности и образование большего количества ЦК можно объяснить наличием электро-микроструктурного эффекта(ЭМСЭ), вызванногопульсирующимэлектрическим полем [5]. Условием возникновения ЭМСЭ является присутствие в расплаве ДЦК и ЗЦК, которые можно активизировать воздействием потоковтоконосителей, передающим им свой электрический заряд,кинетическуюэнергию и энергию колебательного процесса.Неметаллические включения также возможно активизироватьэлектрическим полем при условии если включения имеют в поверхностном слое структурное соответствие с кристаллической решёткой сплава[6].  Обработка электрическим полем и связанный с ней прирост энергии ?Э_общ. зародышевой фазы сплава оказывает комплексное воздействие на расплав,которое имеет многофакторный характер. Эффект от обработки зависит также от длительности воздействия поля и температурысплава [12, 13].

Таким образом, обработка металлических расплавовпульсирующим электрическим полем приводит к воздействию токоносителей на ДЦК и ЗЦК, находящиеся в расплаве. Под влиянием потоков токоносителейвозрастает энергияДЦК и ЗЦК, изменяются структурно-чувствительные свойства расплава и величина поверхностной энергии, что сказывается на условиях роста ЦК из ДЦК и ЗЦК. Такое комплексное влияниеэлектрического поля на расплавы литейных сплавов создают условия для возникновения ЭМСЭ в расплавахFe-C сплавов. Воздействие ЭМСЭ на ДЦК и ЗЦК даёт возможность повысить число ЦК в металлическом расплаве. Это приводит к упрочнению структуры и росту механических свойств сплава, что позитивно влияет на уменьшение металлоёмкости отливок и, следовательно, на снижение их веса.

Литература: