CC BY
37
_ж^пг^гш7ггг:п /1пч
-3 (72), 2013/ IUU
Щф
ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.74 Поступила 26.07.2013
И. Н. ЕРДАКОВ, Южно-Уральский государственный университет
управление процессом формирования структуры отливки импульсным электромагнитным полем
Представлены результаты экспериментальных исследований затвердевания алюминиевого сплава АК7ч в электронном поле, формируемым генератором импульсов марки FID-technology. Приведены схема экспериментальной установки, фотографии микроструктур сплава, результаты физико-механических испытаний, термометрирования кристаллизации сплава и рентгенофазового анализа.
The results of experimental studies of the АК7ч alumunium alloy solidification in the electromagnetic field produced by a pulse generator of the FID-technology are presented. The scheme of the experimental set, the photos of microstructures of the alloy, the results ofphysical and mechanical tests termometring of the alloy crystallization and X-ray analysis are adduced.
Одним из перспективных способов получения мелкозернистой структуры и улучшения свойств литых изделий без изменения химического состава отливок является обработка сплава импульсным электромагнитным полем [1, 2] . Данный способ воздействия благодаря техническим особенностям генератора импульсов выгодно отличается от других меньшими энергетическими затратами, что позволяет отнести его к энергосберегающим процессам .
Дальнейшее развитие указанного способа физического воздействия представлялось целесообразным в изучении влияния импульсной электромагнитной обработки металлических сплавов на стадии кристаллизации [3] .
Разрабатывая методику формирования литой структуры металлического сплава в электромагнитном поле, было изучено несколько вариантов
Рис . 1 . Экспериментальная установка для изучения воздействия импульсного электромагнитного поля на стадии кристаллизации сплава: 1 - разовая песчано-глинистая форма; 2 - электроды; 3 - изоляционный материал; 4 - генератор электромагнитного поля марки FID-technology; 5 - термопара; 6 - милливольтметр
экспериментальной установки [4] . Наиболее эффективное воздействие оказалось в случае погружения в расплав металлических электродов без диэлектрика между ними . Схема такой установки показана на рис . 1.
Установка собирается следующим образом . Сначала изготавливается разовая песчано-глинистая форма, в которую устанавливаются электроды и термопара. Затем к одной паре электродов подключается генератор импульсов и в полости литейной формы создается электромагнитное поле высокой напряженности . При необходимости та часть электродов, которая контактирует с формой, может быть покрыта изоляционным материалом .
В исследованиях электромагнитное поле создавалось генератором марки FID-technology. Параметры физического воздействия следующие: длительность импульса - 0,5 нс; амплитуда импульса - 10 кВ; фронт импульса - 0,1 нс; частота повторения импульсов - 1000 Гц .
Отличительные особенности генераторов марки FID-technology по сравнению с генераторами марки GNP [1] - более высокие значения амплитуд импульсов и возможность работы с погруженным в расплав активным электродом без кварцевой трубки
На опытном производстве Челябинского тракторного завода сплав силумина марки АК7ч обрабатывали электромагнитными импульсами в стандартных формах из ХТС . В такие формы отливают стальные клинья Она не пропускает ток, поэтому на медных электродах изоляционный материал отсутствовал (рис . 2) .
Ш//хтг:с г: ктштъ
I 3 (72), 2013-
а б
Рис . 2 . Обработка импульсным электромагнитным полем сплава в условиях опытного производства Челябинского тракторного завода: а - процесс обработки расплава; б - форма из ХТС с электродами
4■ ab4*
■ "у
Х50 500нт
10 55 BES
а б
Рис . 3 . Микроструктура силумина марки АК7ч на расстоянии 40 мм от активного электрода (ТЗЕ
образец; б - экспериментальный образец
= 700 °С): а - контрольный
Результаты физико-механических (твердомер марки ТШ-2, разрывная машина Р-5) и металлографических исследований (растровой электронной микроскопией на JOEL JSM-64600LV), термо-метрирования (хромель-алюмелевые термопары, электронный автоматический потенциометр ЭПР-09мз) и рентгенофазового анализа (ДРОН-3М, картотека ASTM) представлены в табл . 1, 2 и на рис . 3-5 .
Таблица 1. Влияние импульсной электромагнитной обработки кристаллизующегося силумина марки АК7ч
Тип образца Гзал = 700 °С Тзал = 740 °С Тзал = 800 °С
МПа а„, МПа 8,% ат МПа а„, МПа 8, % ат МПа а„, МПа 8,%
Контрольный 159 115 1,3 145 111 1,2 131 105 1,1
Экспериментальный 172 138 1,7 196 155 1,8 223 164 1,9
Таблица 2 . Поверхностная твердость образцов из сплава АК7ч
Тип образца* Поверхностная твердость при изменении расстояния от активного электрода HB
10 мм 20 мм 30 мм 40 мм 50 мм 60 мм
Контрольный 84 85 81 78 78 78
Экспериментальный 99 96 95 91 90 90
Рис . 4 . Кривые охлаждения силумина марки АК7ч на расстоянии 40 мм от активного электрода (Тзал = 700 °С): 1 -контрольный образец; 2 - экспериментальный образец
* Температура заливки сплава составляла 700 °С .
Анализ экспериментальных данных показывает, что затвердевание силумина под действием импульсного электрического поля протекает в условиях переохлаждения сплава с замедленным выделением эвтектического кремния . В направ-
птг^г: г^гш глтг:п/1пч
3 (72), 2013/ Ши
Рис . 5 . Результаты рентгенофазового анализа образцов из сплава АК7ч, вырезанных на расстоянии 40 мм от активного электрода (Тзал = 700 °С): синяя кривая - контрольный образец; красная кривая - экспериментальный образец
лении к активному электроду формируется плотная мелкозернистая структура сплава . Повышение температуры заливки с 700 до 800 °С приводит к увеличению физико-механических свойств кристаллизующегося в электромагнитном поле сплава
Рассматриваемое физическое поле поляризует двойной электрический слой на поверхности первоначально образовавшихся зародышей кристаллов . Своим полем диполи расплава снижают работу выхода электрона из зародыша и потенциаль-
ную энергию электронов, зарождающихся твердых частиц в ближайших объемах расплава . В итоге уменьшается контактная разность потенциалов на границе фаз, критический размер зародыша становится меньше [5] .
Применение нового способа затвердевания сплава в импульсном электромагнитном поле на опытном производстве челябинского тракторного завода повысило качество машиностроительных отливок и обеспечило суммарный годовой экономический эффект размером 100 тыс . руб .
Литература
1. К р ы м с к и й В .В . , К о р я г и н Ю . Д . , С а р ы ч е в а Н .А . Изменение свойств цветных сплавов под действием на-носекундных электромагнитных импульсов: Препринт. Челябинск, Изд-во ЮУрГУ, 2004.
2 . Диплом № 349 от 5 февраля 2008 г. на научное открытие «Явление изменения физических характеристик металлических расплавов при воздействии на них наносекундных электромагнитных импульсов» / Э . Х . Ри, Л. Г. Знаменский, Б . А . Кулаков, В .В . Крымский и др .
3 .Е р д а к о в И Н О кристаллизации алюминиевого сплава в импульсном электромагнитном поле / И. Н . Ердаков, В . В . Но-вокрещенов // Литейное производство . 2012 . № 2 . С . 34-35 .
4 .Е р д а к о в И . Н . Методика формирования литой структуры металлического сплава в электромагнитном поле высокой напряженности / И . Н . Ердаков, В . В . Новокрещенов // Заготовительные производства в машиностроении . 2012 . № 11. С . 3-5 .
5 . Д е е в В .Б . Влияние электрического тока на кристаллизацию алюминиевых сплавов, содержащих железо / В .Б . Деев, И. Ф . Селянин, Н. В . Башмакова и др . // Литейщик России. 2007. № 8 . С . 12-15 .
