Влияние условий ввода частиц композита на механические свойства алюмоматричного композиционного материала при обработке электрическим полем

Исследования влияния электрофизической обработки показали, что в процессе этого воздействия на формирование металломатричного композиционного материала происходят существенные изменения в его состоянии и в структуре этого материала [1, 2]. При применении данного способа обработки композиционного материала должны учитываться особенности связанные с использованием различных материалов частиц композита и металлов электродов, с помощью которых на металлический расплав накладывается электрическое поле.

Для определения этих особенностей данного метода обработки алюмоматричного композиционного материала (АКМ) были проведены опыты на алюминиевым сплаве АК12 с введением частиц композита: карбида титана TiC и С (графита марки ТГ-1). В качестве электродов для подвода электрического поля к металлическому расплаву использовали прутки диаметрами 6 мм из титанового сплава марки ВТ1-00 (99,70% Ti) и вольфрамового сплава марки ВА (99,00% W). В первом варианте обработки использовали электроды без покрытия с вводом частиц TiC или ТГ-1, во втором варианте обработки применяли электроды с покрытием, в состав которых входили частицы TiC или ТГ-1. Общее количество вводимых в металлический расплав частиц TiC и ТГ-1во всех вариантах было равно15 объёмных процентов от жидкого сплава.  Время электрофизической обработки, которая производилась сразу после ввода частиц композита, было определено по результатам специальных опытов и составило 120 секунд [3].

Схема экспериментальной установки для электрофизической обработки АКМ представлена на рисунке. Она состоит из: ИПН – источника пульсирующего напряжения; 1 – печи сопротивления; 2 – титановых или вольфрамовых электродов с огнеупорным покрытием 3; 4 –обмазки, содержащей частицы TiC или ТГ-1; 5 – механизма   перемещения электродов; 6 – ковша с металлическим расплавом; 7 – электродов из Ti или из W без обмазки; 8 – электродов из Ti или из W с обмазкой.

Рис. Схема экспериментальной установки для электрофизической    обработки алюмоматричного композиционного материала

При этом величину контакта электродов с металлическим расплавом контролировали величиной длины электродов ∆L, погружаемой в жидкий сплав (см. рис.). Частицы композита (ЧК) с TiC или с ТГ-1 вводили в металлический расплав при определённой температуре и затем опускали в него с помощью механизма  перемещения электродов 5 из  Ti или из W . Эти электроды 7 не имели обмазку или электроды 8 были покрыты обмазкой с частицами TiC или с ТГ-1.

Опытные данные проведённых экспериментов представлены в таблице.

Таблица. Влияние изменения условий ввода частиц композита на механические свойства АКМ при обработке электрическим полем

Из результатов опытов (см. таблицу) видно, что изменения условий ввода частиц композита при обработке АКМ электрическим полем позитивно влияет на прочностные свойства (Ϭ_В, МПа) этого материала. Оптимальным вариантом обработки является использование титановых электродов с обмазкой содержащих TiC и  с вводом ЧК содержащих TiC (позиция 6 табл.). При добавлении ЧК с TiC в металлический расплав другими методами и использование вольфрамовых электродов приводят к снижению величины Ϭ_В АКМ, однако значения относительного удлинения этого материала несколько увеличиваются.

Полученные результаты данных экспериментов с использованием различных металлов для электродов и обмазок электродов, содержащих ЧК, можно объяснить возникшими за счёт разности потенциалов между металлом электродов и металлическим расплавом электродными процессами [4]. Они приводят к направленному перемещению ионов металла в межэлектродном пространстве, т.е. отрицательно заряженные ионы металлов сплава вместе с потоком электронов  движутся к аноду (электрод с положительным зарядом) и положительно заряженные ионы направляются к катоду (электрод с отрицательным зарядом). Изменение концентрации ионов металлов  приводит к поляризации и возникновению двойного электрического слоя (ДЭС) в металлическом расплаве рядом с ЧК и у электродов. Протекание электрического тока, вызванного наложением на металлический расплав электрического поля, через межфазную границу жидкий сплав – твёрдая ЧК вызывает рост скачка потенциала в ДЭС. При этом величина заряда поверхности ЧК влияет на межфазное натяжение металлического расплава [5]. Возникновение электрического заряда снижает межфазного натяжения, которое воздействует на величину угла смачивания между твёрдой, жидкой фазами сплава и ЧК. Обмазка электродов позволяет за счёт ускорения её  растворения, вызванного снижением  межфазного натяжения, повысить массоперенос ЧК из обмазки в жидкий сплав.

Эти явления, по нашему мнению, способствуют активизации гетерогенных процессов, протекающих на границе раздела фаз, и улучшают условия формирования переходного слоя между ЧК и сплавом, т.к. они имеют высокий энергетический барьер, обусловленный различными параметрами кристаллических решёток. Образующийся при кристаллизации переходный слой упрочняет структуру АКМ и позволяет повысить прочностные свойства самого композиционного материала.

Таким образом, наложение электрического поля на металлический расплав приводит к упрочнению структуру АКМ и вызывает рост его механических свойств. Это, как известно, позитивно сказывается на эксплуатационных свойствах деталей, что даёт экономический эффект и повышает конкурентоспособность производства промышленных изделей, использующих АКМ.

ЛИТЕРАТУРА 

1. Миненко Г.Н. Механизм воздействия электрического поля на алюмоматричные материалы, «Литьё Украины», 2018, № 5, с. 2 – 3.
2. Миненко Г.Н. Способ электрофизической обработки металломатричного композиционного материала, «Литьё Украины», 2018, № 7, с. 2 - 3.
3. Миненко Г.Н. Физическая модель процесса воздействия электрического поля на композиционные материалы, «Литьё Украины», 2018, № 9, с. 2 - 4.
4. Моррисон С. Химическая физика поверхности твёрдого тела. М., «МИР», 1980, 488 с.
5. Жидкие металлы и их затвердевание. Сб. статей / Под ред. Б.Я. Любова. – М.: Металлургиздат, 1962, 434 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

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

Московская область, г. Люберцы,  тел.: +7(909) 634-95-97. E-mail: minen29ko2009@ya.ru