Оптимизация периода обработки электрическим полем Fe-C сплавов

            Целью оптимизации периода обработки электрическим полем жидкого сплава является минимизация затрат электрической энергии при получении максимального повышения прочностных свойств сплава. Для решения этой задачи была использована зависимость прочностных свойств сплава от значений такой структурно-чувствительной характеристики, как электропроводность литейного сплава [1, 2].

      Общая зависимость изменения удельной электропроводности жидкого сплава во времени имеет вид представленный на рис. 1.  

Рис. 1 Общий вид графической зависимости изменения электропроводности ȵ во времени τ кристаллизации Fe-C сплавов

На данной графической зависимости можно выделить несколько периодов изменения величин электропроводности, которые связаны с процессом кристаллизации сплава:

1. Период от τ_о до τ_н, который связан с прогревом электродов измерительной ячейки;
2. Период от τ_н до τ_ж-т, определяющий время прохождения от начала измерений до жидко-твёрдого состояния сплава (линия «ликвидуса»);
3. Период от τ_н до τ_т-ж, связанный со временем от начала измерений до твёрдо-жидкого состояния сплава (линия «солидуса»);
4. Период от τ_ж-т до τ_т-ж, который связан со временем протекания от линии «ликвидуса» до линии «солидуса» сплава;
5. Период от τ_н до τ_тв, определяющий время прохождения от начала измерений до твёрдого состояния сплава;
6. Период от τ_т-ж до τ_тв, который связан со временем протекания от линии «солидуса» до твёрдого состояния сплава;
7. Период от τ_ж-т до, τ_тв, который связан со временем протекания от линии «ликвидуса» до твёрдого состояния сплава.

В качестве примера можно рассмотреть изменения значений ȵ (в процентах к её первоначальной величине ȵ_н) для серого чугуна марки СЧ25 по периодам процесса кристаллизации этого сплава показанные на рисунке 2.  

Рис. 2 Диаграмма изменения значений ȵ для серого чугуна марки СЧ25 по периодам процесса кристаллизации сплава

            На первом периоде процесса кристаллизации сплава происходит прогрев электродов измерительной ячейки и берётся за начало этапа измерений ȵ сплава, находящегося выше температуры «ликвидуса». На следующих периодах изменение величины ȵ наблюдается её рост во всём диапазоне температур сплава (см. рис. 1). Наибольшие значения ȵ зафиксированы между температурами линии «солидуса» до твёрдого состояния сплава.

          Для определения влияния состояния сплава, определённого по значениям электропроводности сплава, на эффективность обработки электрическим полем было произведено воздействие поля на отдельные вышеуказанные временные периоды процесса кристаллизации сплава. Обработка электрическим полем на первом периоде времени процесса кристаллизации сплава (см. рис. 3) не даёт положительных результатов Ϭ_В, т.к. состояние сплава не изменяется и измерительная ячейка не фиксировала изменения значений электропроводности.  

Рис. 3 Диаграмма изменения значений прочности Ϭ_В серого чугуна марки СЧ25 под влиянием обработки электрическим полем по периодам процесса кристаллизации сплава  

          Однако обработка на втором периоде процесса кристаллизации сплава приводит к росту значений прочности Ϭ_В. Поэтапная обработка на всех остальных периодах даёт существенный прирост величины прочности сплава. Максимальное значение увеличения Ϭ_В (см. рис. 3) было получено при наибольших величинах ȵ в диапазоне от твёрдо-жидкого до твёрдого состояния сплава (см. рис. 2). Это можно объяснить началом позитивного влияния электрического поля на формирование зародышей центров кристаллизации сплава. Поэтому судить о наибольшей эффективности обработки электрически полем определённого литейного сплава можно по результатам измерения значений электропроводности в периоде между твёрдо-жидким и твёрдым состояниями сплава. Это условие связано с получением в обрабатываемом сплаве электро-микроструктурного эффекта (ЭМСЭ), который даёт возможность обрабатывать сплав в узком временном диапазоне при минимальных затратах электрической энергии [3].

          Таким образом, по оптимальному изменению электропроводности в процессе кристаллизации сплава можно определять наиболее эффективный период обработки сплава электрически полем и получать ЭМСЭ для увеличения прочностных свойств литейного сплава. Это даст возможность снизить вес отливок за счёт уменьшения толщины их стенок и получить экономический эффект, величина которого зависит от программы производства литых заготовок деталей для машиностроения.

           ЛИТЕРАТУРА

1. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. – М.: Металлургия, 1978. 248 с.
2. Миненко Г.Н. Электрографический метод прогнозирования прочностных свойств литой стали и чугуна. «Литьё Украины», 2021, № 3, с. 16 – 18
3. Миненко Г.Н. Метод прогнозирования прочностных свойств чугуна. «Литьё Украины», 2021, № 2, с. 20 - 22

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.

Тел.: +7(909) 634-95-97. E-mail: minen29ko2009@ya.ru

Литье Украины, №2, 2022