Влияние постоянного электрического тока во время кристаллизации расплава в литейной форме на качество поверхности конструкционной стали

Е. Жбанова, Д. Багатенко, П. Жбанов
Криворожский национальный Университет

В работе установлено, что за счет воздействия на металлический расплав в литейной форме электрическим током можно получить литые изделия с повышенным содержанием легирующих элементов в поверхностном слое отливки. Для практической реализации данного процесса следует использовать постоянный электрический ток, так как он создает направленную кристаллизацию от катода к аноду, для Mn разница концентрации между анодом и катодом составляет 26% стали марки 35ГЛ, что позволяет управлять процессом кристаллизации отливок и способствует перемещению легирующих элементов во внутренних слоях отливки в процессе ее охлаждения и кристаллизации.

Экспериментально установлено, что места подвода электродов к отливке в литейной форме оказывают существенное влияние на электропереноса компонентов в расплавах. Так, эффективность токовой обработки стального расплава в горизонтальной плоскости снижается в 4-8 раз по сравнению с обработкой расплава в вертикальной плоскости за счет конвективных потоков. Токовая обработка сплавов приводит к росту твердости сплава - на катоде твердость возрастает на 7%.

Вступление

Проблема улучшения структуры литой стали предметом многочисленных исследований [[1],[2],[3]]. Для повышения качества и свойств отливок из различных сплавов наиболее широко применяются тепловые, механические и электромагнитные методы совершенствования структуры сплавов в жидком и твердо-жидком состояниях.

Для повышения качества и свойств отливок все большее применение находит метод воздействия электрического тока на расплав при кристаллизации. Технические решения, реализованные с использованием этого метода, дают возможность управлять процессами тепломасоперенососа и структурообразования и получать литые изделия с повышенным содержанием необходимых компонентов в поверхностном слое или уменьшать их содержание в определенных зонах отливки.

Работы по обработке расплавов электрическим током в процессе кристаллизации, в основном, проводились на цветных металлах и сплавах [[4]¸ [5]¸[6]].

Положительные результаты применения электрообработки существуют и при изготовлении отливок из чугунов [[7]] [[8]]. Обработка электрическим током также оказывает положительное влияние на процессы тепломассопереноса и структурообразования и обусловливает направленную кристаллизацию в межэлектродном пространстве. В работе [[9]]автор показал первые опыты по електровоздействию на сталь марки 40Л. Электрообработка тока на легированные и марганецсодержащие стальные расплавы ранее не изучалось.

Поэтому проведение комплекса исследований по изучению модификации током структуры марганецсодержащих стальных расплавов при кристаллизации в литейной форме является актуальной задачей.

Экспериментальные методика

В основу экспериментальных исследований поставлена задача обоснования возможности улучшения качественных характеристик отливок из марганецсодержащих сталей в результате модифицирования электрическим током. Для изучения закономерностей влияния постоянного электрического тока на расплав при кристаллизации использовались конструкционная сталь марки 35ГЛ, химический состав которой определялся методом спектрального анализа с использованием эталонных образцов.

Исследовались экспериментальные образцы весом 12 кг и размерами 100х100х180 мм. Модели образцов формировались в литейной форме с заформованными в ней тугоплавкими электродами диаметром 3 мм, по которым во время кристаллизации расплавов подавали постоянный электрический ток.

Согласно плану экспериментов варьировались следующие параметры: сила тока - от 40 А; положения образцов в форме - вертикальное и горизонтальное; расположение и количество электродов в форме (рис.1).

а- вертикальное расположение	б – горизонтальное расположение
Рисунок 1. Расположения отливок в форме, места подводов электродов.

Плавку шихты для получения конструкционного сплава заданного состава осуществляли в электродуговой печи. Исследование фазового состава микроструктуры образцов с 35ГЛ выполнялись на оптическом микроскопе МИМ-8М с цифровой камерой, подключенной к компьютеру. Фотографии микроструктуры образцов, полученные при увеличениях 200, анализировались методом сравнения. Физико-механические свойства ISO 9001-2001.

В промышленных условиях проведены испытания технологии получения экспериментальных отливок из марганецсодержащих сталей с применением электрообработки стальных расплавов в процессе кристаллизации.

Результаты и их обсуждение

Результаты исследования полученных литых образцов из стали 35ГЛ, модифицированной при кристаллизации постоянным электрическим током силой 40А, показали, что под действием тока наблюдается электроперенос основных компонентов расплавов, обусловливает формирование мелкозернистой структуры сплавов у кромки образца (катод) и увеличение концентрации неметаллических включений и газовых раковин в его центральной части (анод).

При модифицировании электрическим током силой 40 А содержание Mn в верхней части (анод) снижалось до 1,2%, в нижней части (катод) повышался до 1,8%. При пропускании электрического тока силой более 80А содержание Mn в верхней части образца уменьшается до 1,4%, в нижней части образца - увеличивается до 1,6%.

В качестве одного из показателей электропереноса использована относительное изменение концентрации элемента между анодом и катодом. Данный показатель широко используется в теории и практике электропереноса [[10],[11]]и его выражают в процентах:

де СК- содержание элемента на катода, мас. %;

СА – содержание элемента на аноде, мас %;

С- содержание компонента в расплаве до электропереноса.

Полученные в процессе исследований обобщены данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Электроперенос при силе тока 40А

Разница в вертикальном и горизонтальном расположении образцов на образование карбидов марганца существенно не отразилась. А вот содержимое неметаллических примесей при горизонтальном положении образца в литейной форме и боковом подводе постоянного электрического тока к образцу эффективность довольно низкая несмотря на силу тока 40 А, что связано с большей работой системы на перемещение примесей в горизонтальном направлении по сравнению с вертикальным расположенным.

При горизонтальном расположении отливки на разной полярности электродах наблюдается скопление неметаллических частиц (рис 2). Проведенные эксперименты на стали марки 35ГЛ, показали, что полярность подведения постоянного электрического тока влияет на эффективность смещение неметаллических частиц в верхней части при горизонтальном расположении электродов и вертикальном расположении отливок (рис.3). Это связано с движением ионов к катоду и его меньшей плотностью по отношению железа.

Рисунок 2. Образцы неметаллических включений при горизонтальном расположении отливки

Неметаллические включения оксиды и нитриды в катодных образцах мельче, и их гораздо больше. Кроме измельчения зерна феррита за счет увеличения числа первичных зародышей, электрический ток способствует выделению газа и неметаллических включений из расплава, на которые влияет количество подключенных электродов.

Рисунок 3. Образцы неметаллических включений при вертикальном расположении отливки

 Эффект полярности дает возможность повышать качество стали в нижней зоне отливки - образец 3 на рисунке 3 (или в центральной, если подвести к ней положительный электрод).

Исследование влияния постоянного электрического тока на смещение неметаллических частиц для образцов из стали 35ГЛ при увеличении колличества анодов, показали, что на анодной части наблюдается существенное увеличение FeP, MnP, Fe3P, Mn3P и газовых включений причем содержание последних увеличивается почти в 2,5 раза. Этот факт свидетельствует о значительном улучшении физической однородности сплава в катодной части.

В ходе экспериментов установлено, что за счет изменения полярности подведения к образцу постоянного электрического тока меняются кристаллизационные параметры сплава: интервал кристаллизации увеличился на 2-4%, время кристаллизации отливки увеличилась на 5-9%. Параметры кристаллизации марганецсодержащих сплавов зависят от силы тока.

Обработка жидкого марганцсодержащего расплава электрическим током создает направленную кристаллизацию, что позволяет управлять процессом кристаллизации стальных отливок. Наряду с этим, электрический ток, будучи внутренним источником энергии, дополнительно прогревает отливка, что приводит к существенному улучшении физико-механических свойств отливки - происходят изменения в распределении фазовых составляющих в расплаве и формирования более мелкой структуры; наблюдается увеличение твердости литого металла в катодной части; происходит дегазация расплава (таблица 2).

Таблица 2. Физико-механические свойства образцов

Выводы:

Такой технологический прием дает возможность получать литые изделия с повышенным содержанием необходимых компонентов в поверхностном слое отливки (катодной части) и снижать их содержание в теле отливки (анодной части) или решать обратную задачу - перемещать «вредные» компоненты из поверхностных слоев в тело отливки. Для практической реализации данного процесса следует использовать постоянный электрический ток 40 А.

Экспериментально установлено влияние полярности постоянного электрического тока на величину электропереноса компонентов в расплаве 35ГЛ - для Мп разница концентрации между анодом и катодом составляет 26,6%. Наибольший эффект электропереноса компонентов расплава в литейной форме достигается для марганецсодержащих сплавов при вертикальном расположении анода и катода. Так, эффективность токовой обработки стального расплава в горизонтальной плоскости снижается в 4-8 раз по сравнению с обработкой расплава в вертикальной плоскости за счет конвективных потоков.

Обработка сплавов электрическим постоянным током приводит к росту твердости сплава - для марганецсодержащих сталей в катодной части образцов твердость возрастает на 7%.

 Литература: