Влияние электрического поля на взаимодействие модификатора с жидким сплавом

Электрофизическое воздействие на металлический расплав внешним электрическим полем в процессе его модифицирования имеет сложную физическую природу. Для получения оптимальных результатов от обработки электрическим полем следует уточнять физическую модель процесса с целью учёта особенностей данного технологического процесса получениямодифицированного литейного сплава.

Вне зависимости от того к какому роду относится модификатор, он должен хорошо растворяться в металлическом расплаве и обеспечить высокую степень его усвоения сплавов. Для выполнения этих условий применяется обработка электрическим полем в процессе модифицирования сплава. При растворении частицы модификатора в расплаве происходит увеличение концентрации химического вещества модификатора в микрообъёмах расплава, контактирующих с частицами модификатора, и возникновению на поверхности частиц двойного электрического слоя. Это происходит за счёт изменения уровня энергии Ферми[1]химического вещества модификатора и сплава. Одновременно под влиянием высокой температуры жидкого сплава и внешнего электрического поля протекает ионизация атомов, входящих в химический составмодификатора, что увеличивает общее количество токоносителей (ионов и электронов) в объёме расплава. Токоносители ускоряются электрическим полем и влияют на величину межфазной энергии [2] на границе поверхности частицы и металлического расплава, что изменяет скорость растворения модификатора. Увеличение концентрации токоносителейтакже создаёт условия для дополнительного выделения джоулева тепла в непосредственной близости от растворяющейся частицы модификатора и интенсифицирует конвективные потоки в металлическом расплаве. Такое ускорение процессов массопереноса позитивно влияет наповышение скорости растворения модификатора, что приводит к росту степени его усвоения сплавом [3].

Рис. Схема взаимодействиячастиц модификатора с жидким сплавом под влиянием электрического поля

Для пояснения процесса взаимодействия частиц модификатора с жидким сплавом под влиянием электрического поляможно представить этотпроцесс в виде схемы (см. рис.), на которой частица модификатора (ЧМ позиция 1) находится под воздействием потоков токоносителей (5), возникающих от наложения электрического поля на металлический расплав. В результате такого влияния происходит выделение джоулева тепла, ускорение процессов массопереноса (8) растворяющегося вещества модификатора и образование микрообъёма жидкого сплава с повышенной концентрацией ионизированных атомов и электронов (6), которые повышают тепловыделение в жидком сплаве и ускоряют конвективные потоки (7) в расплаве (2).Помимо этого, воздействие потока токоносителей на частицу модификатора приводит к изменению состояния её поверхности и образованию двойного электрического слоя (4). Наложение электрического поля и вызванного им направленного движения токоносителей вызывает увеличение заряда двойного электрического слоя (9), образующихся под влиянием модификатора, дозародышей центров кристаллизации (10), зародышей центров кристаллизации (11) и центров кристаллизации (ЦК).Рост электрического заряда двойного электрического слоя приводит к увеличению поверхностной энергии зародышевой фазы сплава и повышает тем самым вероятность её участия в процессе кристаллизации сплава.

Изменяющееся во времени электрическое поле вызывает колебательный процесс у токоносителей, которые предают энергию этого процесса (3) в первую очередь дозародышам центров кристаллизации (10), т.к. они находятся в локальном объёме с повышенной концентрациейтоконосителей (6). Под влияниемэлектрического поля также возможно протекание процесса электрокоагуляции мелких неметаллических включений находящихся в расплаве, что повышает вероятность их участия в процессе кристаллизации сплава. Такое комплексное воздействие электрического поля на сплав в процессе модифицирования приводит к возникновению электро-микроструктурного эффекта (ЭМСЭ), который сказывается на величине структурно-чувствительных свойств жидкого сплава и, как следствие, на повышении его механических свойств.

Для определения влияния электрического поля на состояние зародышевой фазы, находящейся в жидком сплаве, были проведены эксперименты при различных температурах перегрева расплава. Температурымодифицирования и заливки образцов для измерений величин кинематической вязкости, плотности расплава и прочности сплава не изменялись и были постоянными для каждого сплава. Опыты проводили на литой стали марки 40Л и на сером модифицированном чугуне марки СЧ25. Расплав серого чугуна перегревали в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой до температур 1400, 1450, 1500 и 1550 ⁰С, модифицировали ФС75 (0,4% от массы сплава) при температуре (1390±10) ⁰С и проводили обработку пульсирующим электрическим полем. Пробы на механические испытания обработанного полем и исходного модифицированных чугунов заливали при температуре (1380±10) ⁰С в стандартные формы.

Таблица 1

Результаты данных экспериментов представлены в табл. 1, изкоторых видно, что максимальное относительное увеличение плотности жидкого сплава (d), относительное увеличение величины кинематической вязкости (υ) и относительное изменение прочностных свойств (?_В) под влиянием ЭМСЭ зафиксированы у модифицированного серого чугуна при температуре 1450 ^oC. При дальнейшемувеличении температуры расплава происходит снижение величин этих характеристик, что можно объяснить потерей наведённой полем активности зародышевой фазы, включающей 19, 11 и ЦК (см. рис.), серого чугуна.Эти изменения свидетельствуют также о снижении разности между данными величинами у обработанного и исходного модифицированных чугунов с повышением температуры расплава, что подтверждает наличие активированной обработкой полем зародышевой фазысерого чугуна. Резкое снижение этих величин при повышении температуры расплава серого чугуна происходит в следствии падения числа центров кристаллизации в единице объёма расплава.

Расплав литой стали марки 40Л также получали в индукционной печи ИСТ-0,16 с кислой футеровкой и нагревали его до температур 1450, 1500, 1550 и 1600 ⁰С, модифицировали ФТи20 (0,3% от массы сплава) при температуре (1430±10) ⁰С с обработкой пульсирующим электрическим полем. Пробы на механические испытания обработанной полем и исходной модифицированных сталей заливали при температуре (1400±10) ⁰С в стандартные формы.

Таблица 2

Результаты этих опытов представлены в табл. 2, исходя из которых можно сделать вывод о влиянии температуры нагрева расплава стали на относительное увеличение плотности жидкого сплава (d), относительное увеличение величины кинематической вязкости (υ) и относительное изменение прочностных свойств (?_В) сплава. Максимальные величины этих характеристик и свойств получены под действием ЭМСЭ при температуре расплава стали не превышающей 1450 ⁰С. С увеличением температуры расплава происходит снижение данных значений, что позволяет предположить наличие активированной полем зародышевой фазы, дезактивированнойзатем перегревом расплава. Следует отметить уменьшение разности величин измеряемых свойств обработанной и исходной модифицированныхсталей с повышением температуры расплава, что наблюдалось и у модифицированного серого чугуна.

В результате применения обработки электрическим полем в процессе модифицирования литейных сплавов происходит изменение их микроструктуры расплава за счёт роста числа центров кристаллизации, увеличение плотности расплава и изменение величины кинематической вязкости, что позитивно сказывается на процессе кристаллизации сплавов и росте прочностных свойств сплава. Возникающий в металлическом расплаве под влиянием электрического поля ЭМСЭ связан с совместным действием на процесс модифицирования сплавов многих факторов [4], обеспечивающих качественное и количественное преобразование зародышевой фазылитейного сплава.

Таким образом, приведённые экспериментальные результаты и предлагаемая схема воздействия электрическим полем в процессе модифицирования литейных сплавов позволяют считать, что в расплаве под влиянием многих факторов возникает ЭМСЭ. Он приводит к изменению состояния зародышевой фазы в металлическом расплаве, которая и определяет строение структуры модифицированного сплава. Направленное влияние ЭМСЭна структуру сплавовдаст возможность получать заданные механические свойства с оптимальными экономическими затратами при производстве модифицированных литейных.

Литература: