Комплексное воздействие электрического поля на процесс модифицирования сплава

Воздействие электрического поля на процесс модифицирования литейного сплава, может быть описано сложной, многофакторной физической моделью [1, 2]. Однако влияние отдельных факторов в этой модели не учитывают их взаимодействия, что может привести как позитивным, так и к негативным результатам самого процесса внепечной обработки литейного сплава. Это обстоятельство можно проиллюстрировать схемой приведённой на рис.1.

Рисунок. 1 Схема взаимодействия основных технологических факторов (ТФ) и факторов ЭМСЭ (Ф) в процессе модифицирования (ПМ) литейного сплава

За технологические факторы (ТФ) процесса модифицирования (ПМ) на схеме (см. рис. 1) приняты:

- ТФ1 - размер частиц вводимого модификатора;

- ТФ2 - химический состав модификатора;

- ТФ3 - способ ввода модификатора;

- ТФ4 - температура модифицируемого литейного сплава;

- ТФ5 - время выдержки модифицированного сплава;

- ТФ6 - химический состав сплава;

-ТФ7 - термо-временная обработка сплава до модифицирования.

К факторам (Ф) воздействия электрического поля на металлический расплав могут быть отнесены:

Ф1 - скорость растворения введённого в жидкий сплав модификатора;

Ф2 - энергетическое воздействие потока электронов, ускоренных электрическим полем, на центры кристаллизации сплава;

Ф3 - резонансное воздействие колебательного процесса электронов на дозародыши и зародыши центров кристаллизации;

Ф4 - электрокоагуляция неметаллических включений, находящихся в модифицируемом сплаве;

Ф5 - изменение величины электрического заряда в двойном электрическом слое дозародышей и зародышей центров кристаллизации;

Ф6 -  изменение уровня межфазной энергии на границе раздела твёрдой и жидкой фаз в металлическом расплаве.

Максимальный эффект от воздействия электрического поля на процесс модифицирования возможен, во-первых, при соблюдении оптимальных технологических факторов ТФ для определённого литейного сплава и, во-вторых, при наложении на расплав электрического поля с параметрами, приводящими к возникновению факторов Ф, которые вызывают увеличение числа центров кристаллизации, повышение дисперсности структурных составляющих сплава и повышение механических свойств модифицированного литейного сплава [3]. Отклонение по оптимальной величине даже одного фактора ТФ может привести к нейтрализации положительного влияния на процесс кристаллизации факторов Ф и падению прочностных свойств модифицированного чугуна [4].

Следует отметить, что положительное воздействие на структуру модифицированного сплава оказывает, возникающий от совместного действия факторов Ф, электро-микроструктурный эффект (ЭМСЭ). Это влияние ЭМСЭ приводит к протеканию гетерогенного процесса на границе раздела между жидкой и твёрдой фаз [5], результатом которого является появление гетерогенного синтеза и увеличение за счёт него числа дозародышей и зародышей центров кристаллизации в жидком сплаве.

Для определения воздействия на эффективность процесса модифицирования обработки электрическим полем были проведены эксперименты на сером чугуне при различных процентах ввода модификатора ФС75. Как показали опыты на чугуне марки СЧ25 (см. рис. 2), выплавленного в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой, происходит существенное повышение прочностных свойств обработанного электрическим полем модифицированного серого чугуна (кривая 2), по сравнению с необработанным модифицированным серым чугуном (кривая 1).

Рисунок. 2 Графики изменения прочностных свойств модифицированного чугуна (кривая 1) и обработанного в процессе модифицирования электрическим полем чугуна (кривая 2) в зависимости от процента ввода модификатора (М)

Максимальные величины предела прочности для этих чугунов были зафиксированы при различных процентах ввода модификатора, т.е. для процесса модифицирования под воздействием электрического поля процент ввода модификатора М2 был больше, чем для процесса модифицирования исходного чугуна М1. Кроме этого наблюдалось возникновение синергетического эффекта, при котором среднее значение прочностных свойств при оптимальном режиме обработки электрическим полем было больше суммы прочностных свойств от процесса модифицирования (кривая 1) и от одного воздействия электрического поля на исходный чугун (т. 3). Появление этого эффекта можно объяснить комплексным воздействием факторов Ф, которые приводят к появлению ЭМСЭ.

Явление «перемодифицирования» серого чугуна, которое наблюдается при проценте ввода модификатора свыше оптимального, т.е. для чугунов с величинами процента ввода модификатора М1 и М2, приводит к смещению зон падения прочности обработанного серого чугуна (кривая 2) относительно необработанного модифицированного чугуна (кривая 1). Однако для обработанного электрическим полем чугуна падение значений прочности происходит более плавно и смещено в область с более высокими процентами ввода модификатора, что свидетельствует о более стабильном протекании процесса модифицирования серого чугуна.

Таким образом, результаты экспериментов позволяют определить зоны максимального увеличения прочностных свойств чугуна при оптимальном проценте ввода модификатора, т.к. увеличение процента ввода модификатора сверх оптимальной величины снижают его прочностные свойства. Для обработанного электрическим полем чугуна влияние на процесс модифицирования явления «перемодифицирования» проходит более сглажено, но и его надо учитывать при отработке технологии получения модифицированного серого чугуна. Появление ЭМСЭ, который возникает при соблюдении оптимальных режимов технологических факторов ТФ и оптимальных параметрах значений факторов Ф обработки сплава в процессе модифицирования электрическим полем, способствует протеканию гетерогенного процесса на границе раздела фаз в жидком чугуне. Такое комплексное влияние факторов ТФ и Ф приводит к упрочнению структуры чугуна, существенно повышает прочностные свойства и стабилизирует результаты процесса модифицирования. Это безусловно приведёт к повышению марочности сплава и снижению брака по механически свойствам модифицированных литейных сплавов, что обусловлено получением положительного экономического эффекта.

Литература:

1. Миненко Г.Н. Особенности электрофизического воздействия на свойства модифицированных Fe-C сплавов, журнал «Литьё Украины», 2017, № 3 (199), с. 6-8.
2. Миненко Г.Н. Многофакторность воздействия электрического поля на модифицирование металлического расплава, журнал «Литьё Украины», 2016, № 3 (187), с. 16-17.
3. Миненко Г.Н. Воздействие электрофизических полей на внепечную обработку литейных сплавов», журнал «Литейщик России», 2013, № 1, с. 43-45.
4. Миненко Г.Н. Особенности механизма воздействия электрического поля на процесс модифицирования серого чугуна», журнал «Литьё Украины», 2014, № 11 (171), с. 7-9.
5. Готтштейн Г. Физико-химические основы материаловедения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. – 400 с.