Исследование влияния продолжительности облучения расплава наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на структурообразование и элементно-фазовый состав оловяннистой бронзы Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 621.74

Э. Х. Ри, С. В. Дорофеев, В. Г. Комков

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОБЛУЧЕНИЯ РАСПЛАВА НАНОСЕКУНДНЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ (НЭМИ) НА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И ЭЛЕМЕНТНО-ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ОЛОВЯННИСТОЙ БРОНЗЫ

В работах [ 1-3] установлено, что под воздействием на расплавы НЭМИ происходит аномальное изменение кристаллизационных параметров, физико-механических и эксплуатационных свойств меди и оловянистой бронзы (Си+6 мас.% Sn).

В настоящей работе приведены результаты электр онно -микр оскопиче ского исс ледо вания

и микрорентгеноспектрального анализа образцов из бронзы, не- и облученных в жидком состоянии НЭМИ.

На сканирующем электронном микроскопе ЕУО-50ХР (фирма «Карл Цейс») исследовалась микроструктура образцов из бронзы (6,0 масс. % Sn), подвергнутых облучению в жидком состоянии (1250°С) НЭМИ в течение 0, 5, 10, 15, 20 мин.

Шлифы были приготовлены механической резкой днища слитка на 5 мм с последующими шлифовкой и полировкой. В качестве травителя использовался раствор хлорного железа (11 гр FeQз на 100 мл Н20). Приготовленные шлифы просматривались на СКАНе при увеличениях от 30 до 5000 крат (для особых участков шлифа). Исследованию подвергались участки 1, 2 и 3, удаленные от поверхности слитка на различных расстояниях. Выявлены следующие особенности в структуро-образовании исходного, необлученного НЭМИ в жидком состоянии сплава. Микроструктура бронзы состоит из неоднородного а-твердого раствора, имеющего дендритное строение, и эвтектоида (а + 5 - Си31 Sn8), располагающегося внутри участков твердого раствора а, богатого оловом. При увеличении х1000 эвтектоид имеет скелетообразное строение (рис. 1, а). Кроме того, в структуре наблюдается темное включение компактной формы, представляющее усадочные поры. В зоне 3 (в центре слитка) усадочные поры значительно больше по количеству и размеру. В зоне 1 вблизи края слитка количество усадочных пор резко уменьшается из-за ускоренного охлаждения сплава. Однако вокруг этих пор формируется особая структура,

84----------------------------------------------

представляющая конгломерат кристаллов с четкими границами. Природа этих кристаллов пока не установлена. Таким образом, микроструктура бронзы, необлученной в жидком состоянии НЭМИ, характеризуется фазовой неоднородностью, зависящей от расстояния от поверхности слитка. Также следует отметить, что в литом сплаве формируется значительное количество усадочных пор, в особенности в центральной зоне слитка, где кристаллизация идет более медленным темпом.

Облучение расплава НЭМИ в течение 5 мин существенно изменяет процесс структурообразо-вания (рис. 1, б и е). Наблюдается тенденция измельчения структурных составляющих (а и эвтектоид) сплава. Уменьшаются фазовая неоднородность, количество эвтектоида и его размеры независимо от местоположения исследуемых зон. Кроме того, в структуре также резко сокращается количество усадочных пор.

С увеличением продолжительности облучения расплава НЭМИ до 10 мин включения эвтек-тоида становятся более компактными в результате их дробления (диспергирования) под воздействием НЭМИ (рис. 1, в и ж).

Дальнейшее облучение расплава НЭМИ (15 мин) способствует более интенсивному измельчению структурных составляющих (рис. 1, г и з). Скелетообразное строение эвтектоида превращается в более компактную форму, что видно при больших увеличениях (х1500 и х4000). Крупные одиночные включения эвтектоида имеют сотовое строение независимо от места нахождения зон. Такое строение эвтектоида также наблюдалось в зоне

1 сплавов, облученных в жидком состоянии НЭМИ в течение 5-10 мин (см. рис. 1, е и ж).

При 20-минутной продолжительности облучения расплава НЭМИ эвтектоид кристаллизуется в виде цепочек (рис. 1, д и и). Особенно это хорошо видно в зоне 3 и 2 при увеличении х250

-----------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

(см. рис. 1, и). Микроструктура эвтектоида имеет сложное строение (х250, х1000, х2500, см. рис. 1, д, и и к). В зоне 1 эвтектоид имеет сотовое строение. Таким образом, при длительном облучении расплава вновь проявляется фазовая неоднородность и увеличиваются размеры эвтектоида.

На основании проведенных электронно-микроскопических исследований можно сделать следующие выводы:

1. Обработка бронзы в жидком состоянии НЭМИ устраняет усадочную пористость при продолжительности облучения расплава более 5 мин.

2. С увеличением продолжительности облучения расплава НЭМИ намечается тенденция измельчения эвтектоида и уменьшения количества эвтектоидной составляющей сплава. Уменьшается фазовая неоднородность по сравнению с необлученным расплавом.

3. При облучении расплава НЭМИ в течение 15 мин наблюдаются более интенсивное измельчение структурных составляющих и превращение скелетообразного строения эвтектоида в более компактную форму. Крупные одиночные включения эвтектоида имеют сотовое строение независимо от места нахождения исследуемых зон.

При 20-минутном облучении расплава НЭМИ эвтектоид кристаллизуется в виде цепочек (в зонах

2 и 3), где сплав затвердевает в последнюю очередь. В зоне 1, где затвердевание идет более интенсивно, эвтектоид приобретает сотовое строение. Таким образом, при длительном облучении расплава (20 мин) вновь проявляется фазовая неоднородность и увеличиваются размеры эвтектоида.

Микрорентгеноспектральный анализ образцов из бронзы производился на установке фирмы «Джеол-8100» (Япония). Анализу подвергались следующие участки:

- центр (ЦД) и край (КД) дендрита а-твердого раствора;

- включения эвтектоида (а + 5 - Cu31Sn8): темные и светлые включения;

- металлическая основа между дендритами а-твердого раствора.

Исследован характер распределения меди и олова в отраженных электронах и в рентгеновских излучениях Cu KaL и Sn LaL в различных участках сплава.

Установлено неравномерное распределение компонентов бронзы в фазовых составляющих сплава по различным участкам образца (профилям). Компоненты сплава сравнительно равномерно распределяются в металлической основе по выбранным профилям. Однако по профилям содержание Cu и Sn существенно отличается.

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.-------

В местах скопления эвтектоида (а + Си^п^ содержание меди резко уменьшается, а содержание олова возрастает.

На рис. 2 приведено распределение Си и Sn по сечению дендрита а-твердого раствора. В центре дендрита (ЦД) медь растворяется больше, чем в его периферии (КД). Следовательно, в твердом растворе наблюдается прямая ликвация меди и обратная ликвация олова (рис. 2, а, б).

В темных включениях (ТВ) содержание меди несколько выше, чем в светлых (сотовых), а концентрация олова, наоборот, значительно меньше (рис. 2, в, г). Таким образом, в исходной бронзе наблюдается фазовая неоднородность.

Облучение жидкой фазы НЭМИ в течение 5 мин приводит к более равномерной фазовой однородности по сравнению с необлученной бронзой, о чем свидетельствуют результаты рентгеновских излучений. Наблюдается тенденция снижения растворимости меди в центре и крае дендрита твердого раствора, а характер распределения олова имеет обратную зависимость, чем медь (см. рис. 2, а, б).

Такой характер растворимости олова в твердом растворе можно объяснить измельчением электронного соединения Си3^П8 и уменьшением его количества под воздействием НЭМИ, в конечном итоге частичным растворением электронного соединения.

В светлых включениях при облучении жидкой фазы НЭМИ в течение 5 мин содержание меди незначительно возрастает (~ 70 мас.%) и одновременно увеличивается в них содержание олова (~30 мас.%). В темных включениях наблюдается существенное увеличение содержания меди (~75 мас.%) и уменьшение концентрации олова (~25 мас.%, см. рис. 2, г).

Дальнейшее увеличение продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ до 15 мин (см. рис. 2) способствует уменьшению содержания меди и возрастанию растворимости олова в центре и периферии дендрита а-твердого раствора, при этом сохраняется также прямая ликвация меди и обратная ликвация олова в кристаллах а-твердо-го раствора. В компактных включениях эвтектои-да содержание меди уменьшается, а концентрация олова скачкообразно возрастает.

В светлых включениях эвтектоида растворимость Си и Sn возрастает по мере увеличения продолжительности облучения жидкой фазы. В темных включениях эвтектоида наблюдаются существенное увеличение содержания меди и уменьшение концентрации олова (~ 78 мас. % Си и ~ 22 мас. % Sn, см. рис. 2, в, г).

--------------------------------------------85

о

<я

(О

о

<я

о

со

+

100

98

96

94

92

90

10

8

6

4

2

0

^ 85 80 75 70 65

_0

со

I

о

ю

X

3

2

к

СО

СО

с5

о

0

X

_о

1

к

с5

СО

СО

О

I-

I

CD

CD

О

CD

I

CD

Ч

О 20

40

35

30 i

25

20

15

100

95

90

85

15

10

5

Cu

1—/"" ЦД

\ 1 1 —I

V КД

Sn

—1 S- КД 1-^- "* —

— ■« t— 1 t— —1

ТВ _ \

I i i

Sn

I I \ *

\_ св

ТВ —7~~—1 1

Матриц 4а, Cu

—— 1

Матри ца, Sn

0 5 10 15 20

Продолжительность облучения расплава бронзы НЭМИ, мин

Рис. 2. Распределение элементов в различных структурных составляющих бронзы в зависимости от продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ

Следовательно, можно сделать вывод о том, что при облучении жидкой фазы возрастающей продолжительностью (до 10 мин) намечается тенденция увеличения растворимости олова в первичных дендритах а-твердого раствора и уменьшения ее в металлической матрице между дендритами а-твердого раствора (рис. 2, д, е). Последнее обстоятельство, по-видимому, должно способствовать кристаллизации мелкодисперсной электронной фазы типа Си318п8 в составе эв-тектоида и ее уменьшению.

При продолжительности облучения жидкой фазы НЭМИ, равной 20 мин, растворимость олова в первичных дендритах а-твердого раствора уменьшается, а в оставшейся части расплава (металлической матрице), наоборот, возрастает, что приводит к кристаллизации большего количества эвтектоида более крупного размера. Характер распределения Си и Sn в светлых и темных включениях при этом сохраняется (см. рис. 2, в, г).

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Увеличение продолжительности облучения жидкой фазы до 15 мин включительно способствует возрастанию растворимости олова в дендритах а-твердого раствора. При дальнейшем увеличении продолжительности облучения НЭМИ растворимость олова в дендритах твердого раствора а уменьшается.

2. Растворимость меди в металлической основе, кристаллизующейся в последнюю очередь перед перитектиче-ским превращением, изменяется по экстремальной зависимости с максимумом при 15 мин; содержание олова, наоборот, уменьшается, а затем возрастает до продолжительности облучения, равной 20 мин, что должно приводить к укрупнению эвтектоида и увеличению его количества.

3. В светлых включениях эвтектоида по мере увеличения продолжительности облучения до 20 мин возрастает незначительно растворимость Си и Sn, а в темных включениях, наоборот, существенно возрастает содержание меди и уменьшается концентрация в них олова.

Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.

а

б

в

г

д

е

Таким образом, при облучении жидкой фазы НЭМИ существенно изменяются не только кристаллизационные параметры, физико-механические и эксплуатационные свойства [1-3], но и характер изменения растворимости олова в структурных составляющих оловянной бронзы и их количественное соотношение, а также габитус и дисперсность эвтектоида.

Наблюдаемые скачкообразные изменения кристаллизационных параметров, процесса структу-рообразования, физико-механических и эксплуатационных свойств бронзы и элементно-фазового состава а-твердого раствора и эвтектоида являются новым явлением, возникающим при облучении жидкой фазы НЭМИ определенной продолжительности.

2.

3.

Библиографический список

Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) на кристаллизацию, структуро-образование и физико-механические свойства меди и бронзы / Ри Э.Х., Ри Хосен, Бруй В.Н., Белых В.В. // Труды седьмого съезда литейщиков России. Новосибирск: Изц-во «Издательский дом «Историческое наследие Сибири», 2005. С. 278-283. Облучение при плавке жидкой меди и бронзы наносекундными электромагнитными импульсами / Ри Э.Х., Дорофеев С.В., Крымский В.В., Ри Хосен, Кухаренко Е.Б. // Металлургия машиностроения. 2006. № 4. С. 13-17.

Свойства алюминия и силумина после облучения наносекундными электромагнитными импульсами / Ри Хосен, Ри Э.Х., Дорофеев С.В., Крымский В.В., Кухаренко Е.Б. // Металлургия машиностроения. 2006. № 4. С. 18-20.

1

УДК 621.74

И. Е. Илларионов, А. М. Столяров

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМЕСЕЙ

1. Влияние пьезо- и трибоэлектрического эффектов на свойства смесей

Большое влияние на свойства формовочных смесей оказывает их основа - кварцевый песок. Химическая природа, количество и состав глинистой составляющей во многом определяют свойства формовочных песков и смесей. Этот вопрос получил значительное развитие в работах российских и зарубежных ученых. В работах П.П.Берга [1] отмечено, что зерно кварца несет на себе электрический заряд. Однако явление электризации зерен песка вследствие неизученности не находит практического применения в технологических процессах литейного производства.

Взаимодействие воды с зернами кварца, как и другими минералами, носит адсорбционный характер, вызванный наличием электрического силового поля на поверхности твердого тела.

Среди многочисленных факторов, влияющих на формирование прочности формовочных смесей (зерновой и минералогический состав песка, химический и минералогический состав глин, специальные добавки, степень перемешивания и т.д.), определенное значение имеют электрические свойства применяемого песка, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью, удельным сопротивлением и диэлектрическими потерями [2, 3 и др.].

88----------------------------------------------

Применяемые кварцевые пески состоят из минерала кварца, отличительной особенностью которого является приобретение электрического заряда под действием механических напряжений. Сущность этого так называемого пьезоэлектрического эффекта состоит в том, что при механическом воздействии на кристалл кварца механическая энергия переходит в электрическую, в результате чего поверхности кварца приобретают электрические заряды (пьезоэлектрический эффект) [4].

В зависимости от направления усилий пьезоэлектрический эффект подразделяют на продольный и поперечный. В первом случае под действием усилия, направленного вдоль электрической оси, происходит вклинивание атома между атомами кислорода, а во втором - под действием усилия, направленного перпендикулярно электрической оси, происходит смещение атомов кремния и кислорода.

В результате указанных процессов на поверхности зерен кварца возникают электрические заряды. Согласно [5, 6 и др.] явления пьезоэлектрического эффекта для простых случаев могут быть описаны следующими уравнениями:

Q = ёГ; Р = ё о ; Р = е е,

где Q - величина электрического заряда; Р - электрическая поляризация; Г - механическая сила; и -

------------Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2007. № 1.