Механизм формирования структуры композита под воздействием электрического поля

Поэтому особенно важно использовать внешнее воздействие физическими полями  с целью позитивного влияния на условия формирования структуры сплава АКМ в области контакта ЧК с металКак известно [1, 2], в основе требований для получения упрочнённой структуры алюмоматричных композиционных материалов (АКМ) лежит решение проблемы взаимодействия структуры сплава с частицами композита (ЧК). От прочности композиционного материала в этой зоне, помимо свойств сплава и материала КЧ, зависит величина механических свойств всего АКМ в целом.лической основой.

Одним из способов влияния на свойства АКМ является его обработка электрическими полями. В результате проведённых исследований [3, 4, 5] было выявлено, что наложение электрического поля на расплав алюмоматричного композита  приводит к увеличению прочностных свойств АКМ. Это явление упрочнения структуры и рост прочностных свойств можно объяснить действием на жидкий сплав с введёнными в него ЧК  рядом физических факторов. К этим факторам следует отнести: электрическое воздействие; кинетическое влияние и гидравлическое состояние металлического расплава.

Фактор электрического воздействия возникает по причине увеличения заряда двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности ЧК под влиянием наложенного на расплав электрического поля. Это происходит в условиях повышения концентрации токоносителей около твёрдой поверхности ЧК за счёт движения электронов и ионов в жидком сплаве, вызванного  электрическим полем [6]. Исходя из теоретических представлений о взаимодействии твёрдой поверхности неметаллического включения и металлического расплава [7, 8], следует, что работа образования межфазной поверхности Ϭ равна разности свободных энергий до  F₁  и после роста заряда ДЭС на ЧК F₂, делённой на изменение величины площади поверхности ∆S. Воздействие электрофизической обработки приводит к снижению разности свободных энергий на величину повышения энергии заряда ДЭС ∆Q, т.е.

                                       (F₂ - F₁) - ∆Q

                                 Ϭ = ---------------- .                                          (1)

                                               ∆S

Снижение уровня работы образования межфазной поверхности создаёт условия для возникновения переходного слоя (ПС) толщиной в несколько межатомных расстояний на границе раздела сплава и ЧК [9], который находится в диффузионной области обтекания ЧК потоками металлического расплава. Следовательно, воздействие электрического фактора процесса обработки электрическим полем АКМ содействует снижению энергетического барьера, препятствующего возникновению ПС. Величина энергетического барьера ∆G связана с несоответствием параметров кристаллических решёток ЧК и сплава [10], определяемая соотношением

                                                   (ỡ_спл. - ỡ_чк)²

                                      ∆G = К ----------------,                                     (2)

                                                          ỡ_спл.

         где К – коэффициент пропорциональности;

               ỡ_спл. – параметр кристаллической решётки сплава;

               ỡ_чк  - параметр кристаллической решётки ЧК.

Следствием этого является падение работы образования межфазной поверхности (поверхностного натяжения), что улучшает смачиваемость ЧК металлическим расплавом. Стадии процесса формирования упрочнённого промежуточного слоя на поверхности частицы композита схематично представлены на рисунке 1.

Рис. 1 Стадии процесса формирования упрочнённого промежуточного слоя на поверхности частицы композита

Совместное действие факторов обработки расплава КМ электрическим полем возможно представить как многостадийный процесс. На первой стадии после ввода ЧК в металлический расплав происходит образование на поверхности ЧК ДЭС. На второй стадии при наложении на жидкий сплав электрического поля с напряжённостью Е (см. рис.) возникает направленное движение токоносителей, что вызывает увеличение заряда ДЭС. На третий стадии , после роста заряда ДЭС, создаются условия для возникновения ПС на ЧК. Конвективные потоки (КП), присутствующие в расплаве КМ на всех стадиях процесса, могут как улучшать, так и ухудшать условия образования на частицах ПС. Так на третий стадии процесса, при длительной обработки полем и выделении дополнительного количества джоулева тепла, произойдет за счёт растворения частичное разрушение ПС на ЧК. Это существенным образом негативно может сказаться на формировании структуры КМ.

На расплав КМ помимо электрического фактора влияет и кинетический фактор, который изменяет условия протекания гетерогенных процессов на границе раздела фаз [11]. Он связан с ускорением массопереноса в жидком сплаве с контактирующими с ним ЧК. Диффузионный  массоперенос, возникающий от конвективных потоков в металлическом расплаве при выделении джоулева тепла в межэлектродном пространстве, повышает скорость конвективных потоков в расплаве, что интенсифицирует диффузию в гетерогенных процессах. Кинетика этого процесса характерна для гетерогенного процесса, которому в общем виде можно дать математическое описание в виде уравнения

                            W_м = K_м*F_чк-р*∆C,                                                        (3)

где W_м – скорость протекания гетерогенного процесса;

K_м – коэффициент массопередачи гетерогенного процесса;

F_чк-р - поверхность контакта фаз (ЧК и расплава);

∆C -  движущая сила гетерогенного процесса.

При этом ∆C функционально связано с суммой действующих на расплав КМ факторов электрического поля Фi (формулы 1 и 2), т.е.

         Кроме перечисленных факторов на расплав КМ воздействует также и фактор гидродинамического состояния металлического расплава [5]. Влияние данного фактора проявляется при перемешивании металлического расплава с введёнными в него ЧК. Основываясь на теории В. Нерста [8] можно предположить, что соотношение значения коэффициент диффузии D и величины эффективного пути диффузии σ в пограничном слое даст увеличение коэффициента скорости растворения K согласно формулы

                                                      D

                                          K = --------- .                                          (4)

                                                     σ

Величина K возрастает с уменьшением σ и ростом D, которые наблюдаются при изменении гидродинамической обработки расплава за счёт его перемешивания, что может привести к растворению ПС на ЧК. Это свидетельствует о необходимости исключения длительного перемешивания расплава АМК, т.к. оно приведёт к росту величины энергетического барьера ∆G (см. формулу  2), и затруднит участие ЧК в процессе кристаллизации сплава КМ, что может привести к возникновению на них концентраторов напряжений и падению прочностных свойств АМК.

         На рис. 2 приведена структура исходного, необработанного АМК, на которой справа расположена ЧК и слева от неё находится ПС, примыкающий к алюминиевому сплаву. Следует отметить, что поперечный размер ПС у необработанного АМК существенно меньше, чем ПС у обработанного электрическим полем АМК (см. рис. 3).                    

Рис. 2 Структура исходного, необработанного АМК (справа ЧК и слева от неё ПС, примыкающий к сплаву)                  

Рис. 3 Структура обработанного электрическим полем АМК (справа ЧК и слева от неё ПС, примыкающий к сплаву)

В таком небольшом по размерам ПС может  возникнуть значительное число  дислокации, что послужит причиной появления концентраторов напряжений в структуре АМК при его механическом нагружении [12]. Это свидетельствует об эффективном воздействии обработки электрическим током на формирование ПС, который способствует сращиванию структуры сплава со структурой ЧК, снижает концентрацию напряжений  и тем самым упрочняет структуру самого АМК.

При получении жидким сплавом с введёнными в него ЧК определённой величины переохлаждения, зависящей от теплоотвода литейной формы, энергетические изменения, вызванные вышеуказанными факторами воздействия электрического поля, повлияют на процесс кристаллизации АМК. На границе раздела сплав – ЧК происходит возникновение упрочнённого ПС между ЧК и твёрдым сплавом, что позитивно сказывается на формировании структуры  композита.

Таким образом, получение более прочной структуры у АМК возможно за счёт обработки его расплава электрическим полем, которое влияет на возникновение на поверхности введённых в расплав частиц ПС. Этот слой атомов сплава образуется при снижении уровня межфазной энергии и улучшения условий смачиваемости ЧК жидким сплавом [11]. Можно предположить, что он позволяет упрочнить  структуру АМК за счёт снижения числа концентраторов напряжений в единице объёма ПС, которые перераспределяются в большем объёме ПС. Такие изменения в структуре позитивно скажутся на механических свойствах отливок из АМК и вызовут повышение их эксплуатационных свойств, по сравнению с заготовками деталей полученными с применением традиционных технологий.                

ЛИТЕРАТУРА

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Пирайнен В.Ю. Специальные материалы в машиностроении. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004, 640 с.
2. Фистуль В.И. Новые материалы. М.: «МИСиС», 1995, 142 с.

    3. Миненко Г.Н. Механизм воздействия электрического поля на алюмоматричные материалы, журнал «Литьё Украины», 2018, № 5, с. 2 – 3.

4. Миненко Г.Н. Физическая модель процесса воздействия электрического поля на композиционные материалы, «Литьё Украины», 2018, № 9, с. 2 - 4.
5. Миненко Г.Н. Влияние гидродинамической обстановки в расплаве на изменение прочности композиционного материала, журнал «Литьё Украины», 2020, № 4, с. 15 – 19.
6. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. - М., «Металлургия», 1978, 248 с.
7. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. – Л.: «Химия», 1976. – 388 с.
8. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Краткий курс физической химии. – М.: «Металлургия», 1979. – 368 с.
9. Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. Формирование отливок в процессе затвердевания и охлаждения сплава. – М., «Машиностроение», 1976, 216 с.
10. Ребиндер П.А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия. М.: «Наука», 1978. – 196 с.
11. Вертман А.А., Самарин А.М. Свойства расплавов железа. – М.: «Наука», 1969. 280 с
12. Шмитт-Томас К.Г. Металловедение для машиностроения. Справочник. Пер. с нем.. М.: Металлургия, 1995, 512 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

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

Московская область, г. Люберцы, Октябрьский пр., 114. моб. тел.: +7(909) 634-95-97. 

E-mail: minen29ko2009@ya.ru

«Литьё Украины», 2020, № 6, с.14-17