НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

Середенко Олена Володимирівна

УДК 621.745.56:538.4/5:669-14

ФОРМУВАННЯ ЛИТОЇ СТРУКТУРИ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ

МОНОТЕКТИЧНИХ СИСТЕМ ПРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІЙ

ДІЇ НА РОЗПЛАВ

Спеціальність 05. 16. 04 - Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів

Національної Академії Наук України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор,

Кірієвський Борис Абрамович,

Фізико-технологічний інститут

металів та сплавів НАН України,

завідувач відділу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Борисов Георгій павлович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Медовар Лев Борисович, науково-інженерний центр електрошлакових технологій Інституту електрозварю- вання ім. Є. О. Патона НАН України, директор

Провідна установа

Національній технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра фізико-хімічних основ технології металів, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “_28 ” __лютого 2002 р. о _14.00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26. 232. 01 Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, пр. Вернадського, 34/1

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680 Київ-142, пр. Вернадського, 34/1

Автореферат розісланий “_22 ” _січня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26. 232. 01

доктор технічних наук, професор Чорновол А. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасної техніки зумовлює потребу в нових класах матеріалів зі спеціальними експлуатаційними властивостями. Застосування нових литих матеріалів на базі металевих сплавів монотектичних систем (литих композитів) стримується внаслідок проблем, що виникають при їх отриманні. В Україні і світі активно досліджуються сплави на основі менш тугоплавкого компоненту, переважно міді. Більшість таких металевих матеріалів в Україну імпортується. Проблема їх виготовлення пов’язана, у першу чергу, з особливостями діаграм стану сплавів, насамперед з наявністю області незмішування в рідкому стані, та склад-ністю керування фазами сплаву у цій області. Для дії на фази розплаву застосовуються різні зовнішні впливи, серед яких вельми перспективними є електромагнітні. Однак, їх застосування обмежується внаслідок недостатньої вивченості закономірностей дії електромагнітних сил на рідкі фази в процесах плавлення, охолодження та тверднення сплавів.

Зв’язок роботи з науковими темами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України (ФТІМС НАН України) у рамках теми 1. 65. 433 “Дослідження впливу мікролегування, модифі-кування, режимів МГД- і лазерної обробки на параметри області незмішування сплавів, особливості їх структури і властивостей, а також відпрацювання технології одержання виливків із них” (виконується відповідно до постанови Бюро ВФТПМ НАН України від 12. 06. 98 р.) і “Створення елементів принципово нової магніто-гідродинамічної технології отримання в умовах мікрогравітації сплавів з особливою структурою” № держ. регістрації 0198U007559 (виконувалась згідно Державного контракту № 2. 4. 7.-98 “Космос. Обгрунтування технологій і експериментів на борту орбітального модуля” від 14. 07. 98р. з Національним космічним агенством України в рамках Загальнодержавної (Національної) космічної програми України (Створення пілотованого науково-технічного модуля (МКС). Розробка наукової програми)). Як виконавець робіт, автор брала активну участь в розробці методик досліджень, технічній підготовці і проведенні експериментів, обробці й узагальненні їх результатів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є закономірності формування литої структури металевих сплавів монотектичних систем при електромагнітній дії на рідкий метал та такий, що твердне, а також розробка технологічних параметрів про-цесу отримання литих виробів зі сплаву на основі міді монотектичної системи зі структурою замороженої емульсії, яка забезпечує високі показники експлуатаційної стійкості при підвищених температурах.

Для досягнення мети в роботі були поставлені такі задачі:

-розробити методики досліджень процессу формування литої структури металевих сплавів монотектичних систем;

-дослідити вплив електромагнітної дії на процес взаємодії рідких фаз сплавів

монотектичних систем;

-визначити закономірності утворення емульгованих структур у виливках зі сплавів монотектичних систем на основі менш тугоплавкого компоненту у широко-

му діапазоні складів під впливом постійного магнітного поля та з’ясувати особливості електромагнітного зрівноважування металевої краплі у металевому розплаві;

-встановити параметри енергозберігаючого процесу формування тонкодисперсного емульгованого стану сплаву монотектичної системи під дією змінного електромагнітного поля (ЕМП) в умовах плавки в індукційній тигельній печі (ІТП);

-визначити оптимальні умови, які забезпечують отримання литої структури замороженої емульсії при заливці і твердненні емульгованого розплаву в ливарній формі під дією постійного магнітного поля, що гарантує високі показники експлуатаційної стійкості електродів контактного зварювання;

-розробити заснований на електромагнітних впливах технологічний процес отримання виливків з мідного сплаву монотектичної системи, зміцненого дисперсними включеннями хромистого чавуну, які формуються в області незмішування рідких фаз.

Об’єкт дослідження – процес формування литої структури заготовок з металевих сплавів монотектичних систем.

Предмет дослідження – литі металеві сплави монотектичних систем зі структурою замороженої емульсії, яка сформована при електромагнітній дії.

Методи дослідження: метод теоретичного аналізу – для дослідження процесу взаємодії рідких фаз в сплавах монотектичних систем при електромагнітній дії; метод моделювання на основі теорії подібності – для вивчення особливостей впливу постійного магнітного поля на виникнення і поведінку крапель металоемульсії; структурно-гартівний метод – для фіксації отриманого стану сплаву; методи оптичної мікроскопії, металографічного і мікрорентгеноспектрального анализу – для вивчення литої структури сплавів монотектичних систем, отриманих при різних зов-нішніх діях; стандартні методи визначення властивостей литих виробів.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше для металевих сплавів за-монотектичного складу встановлені закономірності формування литої структури ти-пу замороженої емульсії під електромагнітною дією на розплав без його значного перегріву відносно температури монотектики. Показано, що під дією змінного ЕМП, яке диференційовано діє на фази розплаву з різним питомим електроопором і концентровано на пограничний шар біля дисперсних включень, емульгування розплаву відбувається поступово при змішуванні компонентів сплаву - основи дисперсної фази з матричним розплавом, а краплі виникають при досягненні окремими об’ємами розплаву складу області незмішування. Зосереджена дія ЕМП на концентраційні неоднорідності розплаву прискорює змішування компонентів розплаву і запобігає росту крапель в області незмішування. Накладання постійного горизонтального однорідного магнітного поля на емульгований розплав при його заливці у ливарну форму і охолодженні збільшує рівномірність і густину розподілу включень дисперсної фази в об’ємі виливка.

Вперше для рідких сплавів монотектичних систем встановлено рівень в’язкіс-

ного та швидкісного обмежень способу диспергування рідких фаз в області незмі-шування - в’язкість фаз сплавів перешкоджає росту амплітуди короткохвильових збурень на міжфазній поверхні та виникненню при її руйнуванні крапель менш ніж 5мкм, а потрібна різниця швидкостей руху фаз вздовж міжфазної поверхні для її руйнування на краплі розміром 5мкм при характерному значенні міжфазного натягу 0,05Н/м перевищує 4 м/с.

Вперше доведено, що дія постійного магнітного поля, яке накладене на рідкі сплави замонотектичного складу, що охолоджуються в статичних умовах приводить до збільшення дисперсності і густини розподілу включень дисперсної фази.

Дістало подальший розвиток уявлення про магнітогідродинамічне обтікання кулі для випадку металевої краплі, яка переміщується у металевому розплаві під дією гравітації перпендикулярно силовим лініям постійного однорідного магнітного поля, з урахуванням питомих електроопорів розплаву і краплі. Встановлено, що при співвідношенні питомих електроопорів розплаву і краплі більш 1, швидкість переміщення краплі зменшується, а при менш 1 швидкість її руху збільшується. З’ясовано, що при додатковому накладанні зовнішнього електричного постійного однорідного горизонтального поля перпендикулярно магнітному полю та при співвідношенні питомих електроопорів розплаву і краплі значно більш 1 стабільне зрівноважування фаз при суттєвій зміні їх питомих електроопорів у процесі охолодження розплаву забезпечується вибіром фіксованих значень напруженостей полів з урахуванням різниці питомих ваг краплі і розплаву.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені наукові підходи до формування однорідних та неоднорідних литих структур сплавів монотектичних систем, а також технологія отримання виливків з однорідною структурою замороженої емульсії (литих композитів) зі сплаву на основі міді з хромистим чавуном, здатних зберігати високі показники експлуатаційної стійкості при підвищених температурах. Розроблений технологічниий процес впроваджено на спеціалізованій ді-лянці по виробництву литих заготовок зі сплавів на основі міді ФТІМС НАН України, а литі вироби використовуються як електроди контактного зварювання на підприємстві м. Києва (ТОВ “Пітон”). Строк служби електродів підвищився у 2,5 рази в порівнянні зі стандартними. На спосіб отримання виливків зі зносостійких сплавів отримано патент на винахід Державного департаменту інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні аналізу процесу формування литих структур металевих сплавів монотектичних систем, на основі якого сформульовано наукові підходи до формування литої структури цих сплавів при електромагнітній дії на розплав; розробці методик дослідження процесу взаємодії рідкометалевих фаз; експериментальному визначенні закономірностей процесу фор-мування литих структур металевих сплавів монотектичних систем під електромаг-нітною дією на рідкий метал, та на такий, що твердне; встановленні закономір-ностей формування емульгованого стану розплаву з однорідним та неоднорідним розподілами включень дисперсної фази в умовах варіацій схем електромагнітних впливів на розплав; проведенні обробки, аналізу і узагальнення результатів дослід-жень електромагнітної дії на процес формування литих структур сплавів; визначенні особливостей процесу формування різних литих структур сплавів монотектичних систем під електромагнітною дією; обгрунтуванні вибору оптимальної технологічної схеми і параметрів електромагнітної обробки розплавів для формування заданої литої структури сплавів монотектичних систем, яка забезпечує високі показники експлуатаційної стійкості литих виробів; участі в освоєнні технології виготовлення литих заготовок електродів контактного зварювання та їх впровадженні.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи висвітлені на:

-International Conference “Advanced Materials ”- AM’99, October 4-7,1999, Kiev, Ukraine;

-4th International Conference “MHD at dawn of 3rd Millenium”- pamir, September 18-22, 2000, Presqu’ile de Giens, Franse;

-Second International Conference on Processing materials for Properties – PMP 2000, November 5-8, 2000, San Francisco, USA.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 6 наукових статтях і матеріалах трьох міжнародних конференцій, отримано патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 156 найменуваннь, 3 додатків (патент України на винахід, акт використання винаходу, акт використання литих заготовок). Дисертація викладена на 218 сторінках, містить 77 рисунків та 10 таблиць. Обсяг ілюстрацій, таблиць, додатків, списку літератури – 93 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, викладено зв’язок обраного на-

прямку досліджень з науковими темами та державною програмою, сформульовані мета і задачі досліджень, визначена наукова новизна отриманих результатів і їх практична цінність, наведені дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та публікації за темою дисертаційної роботи.

У першому розділі на підставі огляду літератури розглянуто стан і перспективи використання металевих сплавів монотектичних систем і показано зв’язок особливостей їх литих структур зі спеціальними властивостями. На сучасному етапі в Україні і світі активно досліджуються сплави на базі менш тугоплавкого компоненту, переважно міді, зі структурою тонкодисперсної (<5мкм) однорідної замороженої емульсії з метою іх використання як дисперснозміцнених металевих мате-ріалів зі спеціальними властивостями. Такі мідні матеріали в Україну імпорту-ються. Виробництво цих сплавів стримується в основному внаслідок складності керування утворенням та рухом рідких фаз, як при формуванні металоемульсії, так і у процесі охолодження розплаву. Встановлено, що серед керуючих впливів, найбільш перспективними є електромагнітні, перш за все завдяки можливості диферен-ційованої дії на фази розплаву, які суттєво відрізняються питомим електроопором. Визначено, що використання електромагнітних впливів обмежується через недостатню вивченість закономірностей електромагнітної дії на рідкі фази у процесі плавлення і тверднення сплавів. На основі проведеного аналізу визначено мету та задачі досліджень.

У другому розділі обгрунтовано вибір напряму досліджень і розроблено загальну методичну побудову роботи, яка містила: розробку методики теоретичного аналізу процесу взаємодії рідких фаз сплавів монотектичних систем з метою визначння найбільш раціонального шляху отримання емульгованого розплаву з одно-рідно розподіленими краплями розмірами <5мкм при використанні електромаг-нітної дії; створення методики фізичного моделювання на низькотемпературному сплаві процесу формування литих структур типу замороженої емульсії при електро-магнітній дії на рідкий та тверднучий сплав; розробку методики електромагнітної обробки рідкого та тверднучого сплаву на основі міді з хромистим чавуном замонотектичного складу для отримання литої структури з рівномірним розподілом тонкодисперсних включень хромистого чавуну в мідній матриці; використання стандартних методик для оцінки структури і властивостей металу виливків.

У третьому розділі виконано теоретичний аналіз процесу взаємодії рідких фаз у розплавах монотектичних систем при електромагнітних впливах. На підставі законів Фіка, Ньютона-Ріхмана, аналізу гідродинаміки розплаву у тиглі індукційної печі визначено, що процес масообміну у рідкометалевому середовищі залежить, перш за все, від ступеня насиченості фаз, концентраційної та температурної протяжності області незмішування. Для прискорення досягнення однорідного стану розплаву його рух в тиглі печі повинен відбуватися у режимі одноконтурної циркуляції у вертикальній площині.

Показано, що емульгування розплаву, який складається з двох розшарованих фаз, способом диспергування відбувається при утворенні збурень на міжфазній поверхні. Довжина хвиль в цих збурень повинна відповідати потрібним розмірам крапель. При аналізі математичної моделі Біркгофа Г., адаптованої для умов процесу розвитку несталості міжфазної поверхні рідких фаз сплавів монотектичної системи, визначено, що цей процес має обмеження. Найбільший вплив на розвиток несталості міжфазної поверхні має відносна швидкість переміщення фаз U вздовж поверхні розділу. Визначено, що при довжинах хвиль 5мкм і типовому значенні між-фазного натягу 0,05Н/м необхідне значення U перевищує 4м/с. Збурення з малою амплітудою А0 на міжфазній поверхні отримують значний темп Т зростання амп-літуди у часі - А()>А0 в області “дозволеної зони” довжин хвиль (рис.1 заштриховані зони). В той же час, збурення зі значно більшою амплітудою не можуть зростати А()=А0, якщо їх довжини хвиль не потрапляють у “дозволену зону”. Визначено, що в’язкість фаз розплаву протидіє зростанню амплітуди збурення з малою довжиною хвилі, що обмежує розмір крапель емульсії на рівні 5мкм (див. рис. 1 штрих пунктирна лінія). На підставі аналізу теоретичної моделі Левича В. Г і Гуревича Ю. Я. з’ясовано, що постійне магнітне поле перешкоджає розвитку збурень на міжфазній поверхні, але у обмеженому диапазоні довжин хвиль, що визначається, перш за все, величиною індукції магнітного поля.

Аналіз математичної моделі Добичіна Є. І. і Попова В. І. дії схрещених постійних горизонтальних магнітного і електричного полів на діа- або парамагнітне включення в електропровідній рідині показав, що при співвідношенні питомих електроопорів матриці (2) і краплі (1) (симплексі Kэ), яке змінюється у процесі охолодження емульгованого розплаву і при цьому значно перевищує 1, можливе ста-більне зрівноважування краплі у розплаві без корекції електромагнітного впливу. Для сплавів монотектичних систем при характерній різниці густини рідких фаз 1 - 2 =

=3300кг/м3 стале зрівноважування краплі і розплаву, який охолоджується, забезпечується у випадку Kэ7 (рис. 2, зона 1) при індукції магнітного поля Вэ=0,5Тл і гу-стині електроструму у розплаві j2=7104А/м2. При 7<Kэ<1 (зона 2) і Kэ<1 (зона 6) для збереження фіксованого положення краплі у розплаві у процесі охолодження потрібна зміна Вэ і j2. При Kэ=1 (зона 4) електромагнітне зрівноважування неможливе, а при Kэ, яке в незначній мірі відрізняється від 1 (зони 3 і 5), воно практично недосяжне.

Накладання постійного горизонтального однорідного магнітного поля на металеву краплю, яка спливає або поринає у рідкометалевому середовищі, приводить, згідно законів електромагнітної індукції і Ампера до виникнення електромагнітних сил, які діють на краплю і об’єм розплаву, прилеглий до краплі. Аналіз характеру дії електромагнітних сил показав, що в краплі вони діють у напрямку, протилежному її руху, а поза краплею в основному спрямовані згідно з її рухом.

У четвертому розділі досліджено вплив постійного магнітного поля на поведінку крапель металоемульсії у розплаві, що розшаровується у процесі охолодження та наведено результати досліджень закономірностей структуроутворення у сплавах монотектичних систем. Дослідження проведені на низькотемпературному сплаві системи цинк-вісмут. Для поширення отриманих результатів на високотемпературний сплав міді з хромистим чавуном визначаючими крітеріями подібності обрані числа Архімеда (Ar), Гартмана (Ha), симплекс Kэ та співвідношення густин фаз симплекс K. Для задоволення Kэ=idem і вивчення впливу величини Kэ на поведінку краплі досліджувався розплав, який складався з двох емульгованих об’ємів як з цинковою, так і з вісмутовою матрицею. Така структура розплаву забезпечувалась сплавленням в статичних умовах приведених у контакт чистих компонентів А (цинку) та В (вісмуту), які утворюють сплав монотектичної системи при температурі, що перевищує критичну.

Емульгована структура злитків була отримана при охолодженні розплаву зі швидкостями (ох) 2,5С/с та 1,7103С/с. При ох=1,7103С/с процес седиментації крапель практично не відбувався і аналіз литих структур сплавів на основі менш тугоплавкого компоненту В показав, що зі зростанням концентрації (С) дисперсної фази А зростали середнє значення розмірів (lс) і густина розподілу (qв) дисперсних включень (рис. 3). Зміна qв більш суттєво відбувалась при концентраціях дисперсного компоненту до 20%об., а lс – до 5%об. У розглянутому диапазоні концентрацій А (0-45%об.) характер залежності параметрів литої структури qв і lс від концентрації дисперсного компоненту визначався: С=0-20%об. gradqв=11мм-2/%об., С=20-45%об. gradqв= 7мм-2/%об.; С=0-5%об. gradlс=5мкм/%об., С=5-45%об. grad lс= =0,3мкм/%об.

Накладання постійного однорідного горизонтального магнітного поля на розплави, які охолоджувалися, збільшило число рідких включень у розплаві замоно-тектичного складу та зменшило середнє значення їх розмірів в порівнянні зі сплавами, які отримані без впливу магнітного поля. При індукції магнітного поля 0,1Тл в диапазонах концентрацій А від 0 до 20 %об. та від 20 до 45%об. qв зросла відпо-відно у 1,4 і 1,3 рази (див. рис. 3). Для тих самих діапазонів концентрацій А при індукції 1,0Тл зростання qв відбулося у 2,1 рази. Вплив слабкого магнітного поля (0,1Тл) на lс характеризувався тим, що при С=0-5%об. воно зменшилось у 1,7 рази, а при при С=5-45%об.- у 1,3 рази. Сильне магнітне поле (1,0Тл) подіяло на lс так: при концентрації компоненту А до 5%об. lс зменшилось у 1,8 рази, а при збільшенні С до 45%об. співвідношення значень lс у порівнюваних сплавах складало 1,6.

В об’ємі на основі А при охолодженні зі швидкістю 2,5С/с накладання слабкого (0,1Тл) магнітного поля привело до різкого (до трьох разів біля міжфазної поверхні) зменшення густини розподілу включень на основі В. Вірогідно при Kэ=0,2<1 постійне магнітне поле прискорило рух крапель, які седиментували у полі тяжіння. Збільшення індукції до 1,0Тл забезпечило такий же розподіл включень по висоті об’єму А, який був отриманий без дії магнітного поля. Це зв’язано зі значним збільшенням частки дрібних включень, які виникли під дією сильного магнітного поля, що і компенсувало зростання швидкості седиментації крапель і зумовило високу густину розподілу включень.

В об’ємі на основі В накладання магнітного поля приводило до гальмування руху включень на основі А (Kэ=4,1>1). При цьому збільшилась протяжність зони сплаву з глобулярними включеннями, а сильне магнітне поле привело до появи більшого числа дрібних крапель, котрі забезпечили зростання густини розподілу включень в об’ємі на основі В.

У п’ятому розділі наведені результати вивчення особливостей застосування постійного магнітного поля в комплексі з деякими зовнішніми впливами для формування литих структур сплавів монотектичних систем та визначення параметрів електромагнітної обробки розплаву міді з хромистим чавуном на основі результатів моделювання.

Накладання на розплав цинк-вісмут замонотектичного складу при його виливанні на розплав менш тугоплавкого компоненту (вісмуту) сильного постійного однорідного горизонтального магнітного поля (Ha=500, параметр магніто-гідродинамічної (МГД) взаємодії N=4,8-6,1) привело до придушення збурень з в>110-3м на міжфазній поверхні об’ємів сплаву замонотектичного складу, які були зумовлені дією струменя розплаву. Визначено, що в таких умовах магнітне поле значно збільшило швидкість седиментації рідких включень в більш електропровідному матричному розплаві. Включення з розміром в попереку більш ніж 50мкм утикались в міжфазну поверхню макрофаз, оточені тонким (5мкм) шаром матричного розплаву. Внаслідок розвитку МГД-течій всередені та навкруги крапель таких розмірів вони деформувались найбільш сильно. При цьому вдвічі збільшилась величина максимальної густини розподілу включень, які виникли в області незмішування в об’ємі на основі більш тугоплавкого компоненту та розчинились глобулярні включення в об’ємі менш тугоплавкого компоненту (рис.4).

В об’ємі менш тугоплавкого компоненту (вісмуту) виливків накладання маг-нітного поля привело до розорієнтування дендритів, які у структурі контрольних (без дії магнитного поля) орієнтувалися вертикально.

Експериментально встановлені умови (Bэj2), які забезпечують при використанні постійного однорідного горизонтального магнітного поля, схрещеного (під прямим кутом) з таким же електричним полем, стале електромагнітне зрівноважу-вання металевої краплі (Ga) у термодинамічно незрівноваженому (Bэ=0,7Тл; j2= =1,3104А/м2) та у зрівноваженому (Bэ=0,97Тл; j2=17,5104А/м2) розплавах монотек-тичної системи Ga-(Bi-Pb-Sb-Sn). Отримані результати можливо використати при дослідженні сплавів монотектичних систем, для яких відсутні дані по діаграмам стану, електроопорам і густинам фаз. З урахуванням незначної різниці густин міді та хромистого чавуну (800кг/м3), малих розмірів включень дисперсної фази і числа Ar (<1,510-3), а також значення Kэ<1, фіксацію однорідної структури емульсії у виливках раціонально забезпечувати за рахунок швидкості охолодження без електромагнітного зрівноважування.

Для умов отримання злитків зі сплавів монотектичних систем при дії мікрогравітації визначені параметри постійного магнітного поля (Bэ=0,1Тл), схрещеного зі змінним електричним (q=1160Втс/см3; j2=215А/см2) при виготовленні сплаву Bi-Ga з тонкодисперсною структурою замороженої емульсії. Визначено, що геомагнітне поле збільшує сталість міжфазної поверхні у двофазних розплавах мо-нотектичних систем в орбітальних умовах, що сприяє гальмуванню хвильових збу-

рень у діапазоні довжин хвиль 1102-1,0м.

На підставі даних моделювання на низькотемпературному сплаві встановлено,

що при отриманні емульгованого розплаву на основі міді з хромистим чавуном електромагнітний вплив на розплав необхідно здійснювати при виконанні умови N<4,8. Визначено, що для формування однорідної структури замороженої емульсії у виливках зі сплаву на основі міді з хромистим чавуном під дією на розплав при заливці і охолодженні у ливарній формі постійного горизонтального магнітного поля необхідно забезпечувати значення його індукції 0,2-0,4Тл, критерія Ha>100, а N1.

У шостому розділі викладені результати досліджень закономірностей формування структури литого композиту на основі міді з хромистим чавуном під електромагнітною дією на розплав та наведені параметри технологічного процесу отримання литих заготовок. В процесі отримання емульгованого стану розплаву міді з 6,5%мас. хромистого чавуну в ІТП під дією змінного ЕМП з параметрами В0= =3102Тл, =400, виконувалась умова при якій товщина стінки графітового тигля (bг) не перевищувала глибини проникнення електромагнітних хвиль у графіт (г). При цьому густина електроструму в розплаві досягала рівня 7106А/м2 і забезпечувала значний вплив на включення чавуну в рідкій міді. Виконання умов домірності висоти тигля ІТП hт з його діаметром dт (hт dт) та hт<hі (hівисота індуктора) забезпечувало одноконтурний циркуляційний рух розплаву у тиглі у вертикальній площині в ламінарному режимі (число Рейнольдса Re1250) при активних конвективному теплопереносі (число Пекле Pe9) і магнітогідродинамічній взаємодії (N=3,5).

Дослідження проб розплаву показало, що при незначному (110С) перегріві відносно температури плавлення хромистого чавуну (1350С) процес змішування розплавленого хромистого чавуну з рідкою міддю під дією змінного ЕМП мав послідовний характер з проникненням міді у поверхневу зону хромистого чавуну і переміщення його дискретних об’ємів у прилеглий об’єм мідного розплаву. Гетерогенний стан розплаву характеризувався числом подібності FoДЦ, яке визначає комплексну електромагнітну дію в часі. При FoДЦ>1100 увесь розплав за складом знаходився в області незмішування в емульгованому стані (рис. 5) з рівномірно роз-поділеними (3мкм) краплями на основі хромистого чавуну.

При заливці розплаву з температурою 1400С розрахована швидкість охолодження для фіксації однорідної емульсії у виливках складала 29С/с. Ця швидкість охолодження забезпечувалась при використанні графітових кокилів (Bi=0,5). Досягнення рівномірного розподілу дисперсних включень в об’ємі розплаву, який за-ливався в кокіль, забезпечувалось при числах подібності FoДЦ1100; фруда Fr60; Re20000. Лита структура циліндричних заготовок електродів контактного зварю-вання складалась з трьох характерних об’ємів (рис. 6а). Тонкий (1мм) приповерх-невий об’єм характеризувся qв= (3,920,08)109м-2 та діапазоном розмірів включень 3-15мкм. Мікроструктура основного об’єму виливків (див. рис. 6б) характеризувалась наявністю включень з qв=(3,810,22)109м-2 розмірами, які не перевищували 3мкм, та окремими включеннями розмірами до 30мкм. Твердість отриманого сплаву становила 82,14,9НВ.

Встановлено, що при заливці і охолодженні розплаву в кокілі, накладання постійного горизонтального магнітного поля (Вэ=0,3Тл, Ha=223, N=0,4) суттєво поліпшила макро- і мікроструктуру отриманих заготовок (див. рис. 6 в, г). За виключенням об’єму зі шлаковими включеннями і усадковими дефектами (зона 3), який зменшився майже у 1,5 рази і локалізувався головним чином в центральній частині біля верха виливків, литі заготовки мали однорідну мідну матрицю, яка містила кулясті дрібнодисперсні (<3мкм) включення на основі хромистого чавуну. Розміри окремих більш крупних включень не перевищували 15мкм, а qв досягла (4,12 0,05)109м-2. Дані мікрорентгеноспектрального аналізу свідчили про те, що коливання розподілу міді у виливках, отриманих під дією магнітного поля, зменшились у 1,3 рази (до 0,7%). Об’ємна усадка сплаву не змінилась і становила 4,50,1%. Твердість сплаву міді з хромистим чавуном майже не змінилась і була на рівні 84,41,9НВ. Але, коливання значень цієї характеристики по висоті виливків зменшилось у 2,5 рази. Густина виливків, які були залиті і тверднули в постійному магнітному полі, збільшилась на 9,01,4% і дорівнювала 8572123 кг/м3.

Виходячи з проведених досліджень була створена технологія виплавлення композиційного сплаву мідь+хромистий чавун та виготовлення виливків у графі-тових кокілях. Розроблена технологія дає можливість отримати в литій структурі виробів більшу густину розподілу включень, ніж існуюча, в якій для інтенсифікації плавки застосовується перегрів розплаву до 1700-1750С. Існуюча технологія забезпечує для сплавів міді з хромистим чавуном (5-7%мас.) значення qв відповідно вмісту чавуну (2,3-2,5)109м-2. Твердість сплавів, виготовлених по цій технології, становить 79-82НВ в залежності від кількості чавуну. Крім того, значно менші перегрів розплаву (на 240 - 290С) і час його виплавки (на 10хв) в порівнянні з існуючою технологією, сприяли заощадженню електроенергії, підвищенню ресурсу роботи плавильного обладнання, а в порівнянні з виплавкою хромових бронз, які традиційно застосовуються як дисперснозміцнені мідні матеріали значно зменшили вартість виливків (зокрема, за рахунок зниження вартості шихти на 0,5грн./кг і зменшення витрат електроенергії на 2,9 кВтгод/кг сплаву). На базі зазначеної технології на спеціалізованій ділянці ФТІМС НАН України виготовляються литі заготовки електродів контактного зварювання. Експериментальні випробування електродів контактного зварювання на київському підприємстві “Пітон” при виготовленні сіткових конструкцій показали, що їх стійкість до повного зносу становила біля 16000 зварних точок, у той час як стійкість стандартних електродів із бронзи БрХ складає біля 6000 зварних точок.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. визначено, що сплави монотектичних систем перспективні для використання в якості литих металевих материалів зі спеціальними властивостями, перш за

все, де основою сплаву є менш тугоплавкий компонент, зокрема мідь. Властивості таких сплавів визначаються їх структурами, в тому числі замороженої емульсії. Виготовлення і застосування вказаних сплавів стримується внаслідок складності керування процесами утворення і рухом рідких фаз, як при формуванні металоемульсії, так і під час охолодження розплаву. Встановлено, що серед керуючих впливів найперспективнішими є електромагнітні.

2. Встановлено існування обмежень розвитку збурень на міжфазній поверхні в двофазних рідких сплавах монотектичних систем, зумовлених в’язкістю рідкометалевої системи та швидкістю руху розплаву вздовж міжфазної поверхні і міжфазним натягом. У зв’яку з відповідністю розмірів крапель довжинам хвиль збурень, які створюються на міжфазній поверхні, величина відносної швидкості фаз, необхідної для забезпечення зростання амплітуди короткохвильових збурень і подрібнення фази при характерному значенні міжфазного натягу 0,05Н/м, повинна перевищувати 4м/с для отримання крапель з розміром 5мкм. В’язкість сплавів перешкоджає зростанню амплітуди короткохвильових збурень і отриманню крапель дрібніших ніж 5мкм.

3. Експериментально визначено вплив концентрації дисперсної фази в області незмішування в менш тугоплавкій матриці на густину розподілу qв та середнє значення розміру крапель lс, які виникли в статичних умовах у низькотемпературних розплавах, охолоджених зі швидкістю 1,7103С/с. Встановлено, що при концентрації дисперсного компоненту до 20%об., qв зростає майже лінійно з градієнтом gradqв=11мм-2 / %об., а в діапазоні 20-45%об.- gradqв=7мм-2/%об. При зміні концентрації від 0 до 5%об. lс зростає з gradlс=5мкм/%об., а в діапазоні 5-45%об. цей зріст значно уповільнюється - gradlс=0,3мкм/%об.

4. Накладання слабкого (0,1Тл) Ha0,35 однорідного постійного магнітного поля на низькотемпературний розплав з менш тугоплавкою матрицею, який охолоджувався зі швидкістю 1,7103С/с, привело до значного зростання qв і змен-шення lс. Цей ефект посилювався зі зростанням концентрації більш тугоплавкого компоненту в області незмішування і при 45%об. qв зросла у 1,3 рази, а lс змен-шилось у 1,2 рази. Підвищення індукції магнітного поля вдесятеро (до 1,0Тл) Ha3,18 при 45%об. привело, в порівнянні зі структурою сплавів отриманих без дії магнітного поля, до збільшення qв у 2,1 рази і зменшення lс у 1,6 рази.

5. Встановлено, що коли показник питомого електроопору матричного розплаву є значно більшим ніж у краплі (Kэ>>1) у процесі охолодження вибір оптимальних фіксованих величин індукції магнітного поля і густини електроструму у розплаві забезпечує стале зрівноважування краплі і матричного розплаву при зміні електроопорів фаз. Теоретично обгрунтована і екпериментально підтверджена наявність впливу постійного однорідного магнітного поля на процес гравитаційної седимен-тації металевої краплі в металевому розплаві. Встановлено, що при Kэ>1 результую-ча сила уповільнює переміщення краплі, а при Kэ<1 прискорює її рух у розплаві.

6. Підтверджено, що при дії електромагнітного поля на металевий розплав з електропровідними включеннями, внаслідок локальної неоднорідності електроопору в системі “включення (крапля)-шар оточуючого розплаву” виникають електромагнітні сили, які інтенсифікують рух в цій системі. Встановлено, що для отримання однорідного емульгованого стану сплаву замонотектичного складу при дії електромагнітного поля (=400; Вэ0=310-2Тл) в умовах індукційної тигельної печі необхідно забезпечити ламінарний режим течії і одноконтурну вертикальну циркуляцію розплаву в тиглі печі при N=3,5. Визначено, що при сплавленні міді (93,5% мас.) з хромистим чавуном (6,5%мас.) увесь об’єм розплаву на основі міді при 1460С і hт<hі, hтdт досягав замонотектичного складу з рівномірно розподіленими дрібнодисперсними (3мкм) краплями хромистого чавуну при значенні FoДЦ>1100.

7. Встановлено, що заливка емульгованого розплаву (FoДЦ>1100) “мідь+ хромистий чавун (6,5%мас.)” з температурою 1400С в графітові кокілі при Fr=50-74; Re=(2,2-2,4)104; Bi=0,5; Fo=(6-7)10-2 забезпечила отримання виливків зі структурою замороженої емульсії з розмірами дисперсної фази 3мкм і окремими включеннями діаметром до 30мкм (за виключенням зони усадкової раковини). Густина розподілу включень в мідній матриці складала (3,80,22)109м-2. Твердість такого сплаву становила 82,14,9НВ. Визначено, що вплив постійного однорідного горизонтального магнітного поля при заливці і охолодженні розплаву (Ha=223; N=0,4) привів до формування більш однорідних структури та властивостей металу виливків. Під дією постійного магнітного поля у виливках qв збільшилась до (4,12 0,05)109м-2 (на 7,7%), а коливання цієї характеристики в об’ємі виливків зменшились у 4,4 рази, діапазон розмірів включень (розміри дисперсної фази 3мкм і окремі включення розміром до 15мкм) зменшився вдвічі за рахунок скорочення максимальних. Об’єм виливків, який містив шлакові включення та усадкові дефекти, зменшився майже у 1,5 рази. Коливання вмісту міді у виливках, оброблених постійним магнітним полем, знизились у 1,3 рази. Густина виливків збільшилась на 9,01,4%. Об’ємна усадка не змінилась – 4,50,1%. Твердість сплаву підвищилась незначно – до 84,41,9НВ, але коливання її значення були у 2,5 рази меншими, ніж у виливках, отриманих без дії постійного магнітного поля.

8. Розроблено технологічний процес виготовлення литих заготовок зі сплавів на основі міді, зміцнених дисперсними включеннями хромистого чавуну (структура замороженої емульсії). Він включає операції отримання розплаву в індукційній тигельній печі с графітовым тиглем (bтг; hт<hі) при N=3,5 і температурі 1460С до FoДЦ1100, а також заливку розплаву з температурою 1400С в графітові кокілі при додатковому впливі на розплав, який заливається і охолоджується, постійного горизонтального магнітного поля (Ha>200; N1,0). Використання розробленої технології в виробництві литих заготовок для електродів машин контактного зварювання дозволило знизити енерговитрати та спростити процес, підвищити строк служби електродів до повного зносу в порівнянні зі стандартними у 2,5 рази.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кірієвський Б. А., Середенко В. О., Дубодєлов В. І., Середенко О. В. Про використання сплавів з областю незмішування в рідкому стані // Металознавство та обробка металів.- 1998.- №3.- С.34-38.

2. Середенко В.А., Дубоделов В. И., Середенко Е.В. Особенности литья в жидкометаллическую охлаждающую среду // Процессы литья. – 1998.- №3-4.- С.112-121.

3. Середенко В. А., Дубоделов В. И., Середенко Е. В. Сплавление алюминия с трудно- и малорастворимыми компонентами в магнитодинамических печах // Технология лёгких сплавов.- 1999.- №6.- С.21-24.

4. Середенко Е. В. Особенности электромагнитного уравновешивания металлической капли в монотектическом расплаве // Металл и литьё Украины.- 2000.- №1-2.- С.53-56.

5. Середенко О. В., Кірієвський Б. А., Середенко В. О., Дубодєлов В. І. Особливості литих стуктур сплавів монотектичної системи, які отримані під дією постійного електромагнітного поля // Металознавство та обробка металів.- 2000.- №1-2.- С.11-15.

6. Дубоделов В. И., Середенко В. А., Кириевский Б. А., Середенко Е. В. Разработка элементов космической МГД-технологии получения литых монотектических сплавов с тонкодисперсной структурой //Процессы литья. – 2000.-№3.-С.58-64.

7. Пат. 34 081 А Україна, МКИ6 В 22D 27/00 Спосіб отримання відливків із зносостійких сплавів: Б. А. Кірієвський, В. О. Середенко, В. І. Дубодєлов, О. В. Середенко, В. В. Христенко (Україна): ФТІМС НАН України.-№ 99062991; Заявл. 01. 06. 1999; опубл. 15. 02. 2001, бюл. №1.-2с.

8. Kyryevskyy B. A., Dubodelov V. I., Seredenko V. A, Seredenko H. V., Khristenko V. V. New composite cast alloys on copper base and technological parameters for producing of casting blanks // Proc. International Conf. “Advanced materials” (AM’99). Symposium A: Engineering of composites: investigations, technologies and

perspectives.- Kiev (Ukraine).- 1999.- P.184.

9. Dubodelov V. I., Seredenko V. A, Kyryevskyy B. A., Seredenko E. V. Some aspects of electromagnetic balancing a metallic drop in liquid matrix in monotectic system melt cooling // Proc. Forth International Conf. on MHD at dawn of Third Millenium.- Presqu’ile de Giens (Franse) – 2000. - P. 669-703.

10. Kyryevskyy B. A., Dubodelov V. I., Seredenko V. A, Seredenko H.V., Khristenko V. V. The new composite cast alloys copper based and technological pecu-liarities of processing // Proc. Second International Conf. on Processing materials for Properties.- San Francisco (USA).-2000.- P.1049-1051.

АНОТАЦІЯ

Середенко О. В. Формування литої структури металевих сплавів монотектич-них систем при електромагнітній дії на розплав.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спе-ціальністю 05.16.04 – Ливарне виробництво. – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2001р.

Дисертація присвячена дослідженню процесу формування литих структур ме-талевих сплавів монотектичних систем під дією постійних та змінних електро-магнітних полів на розплав. В дисертаційній роботі досліджені закономірності електромагнітних впливів на розміри, кількість та розподіл рідких дисперсних металевих включень, які виникають в області двофазного стану розплаву. Визначені параметри електромагнітних впливів на розплав, при яких забезпечується формування дрібнодисперсного однорідного емульгованого стану розплаву при температурах, близьких до монотектичної. Визначені теплофізичні, гідродинамічні та магнітогідродинамічні умови при заливці та охолодженні емульгованого розплаву у ливарних формах, що забезпечують формування у виливках однорідної структури замороженої емульсії. Розроблено енергозберігаючий технологічний процес отримання виливків з мідних сплавів, зміцнених дисперсними включеннями хромистого чавуну (структура замороженої емульсії) з підвищеними експлуатаційними властивостями.

Ключові слова: формування, лита структура, металеві сплави, монотектичні системи, розплав, електромагнітні впливи, заморожена емульсія.

АННОТАЦИЯ

Середенко Е. В. Формирование литой структуры металлических сплавов монотектических систем при электромагнитном воздействии на расплав.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 – Литейное производство. – Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена исследованию процесса формирования структур литых металлических сплавов монотектических систем, а так же разработке технологических параметров процесса получения литых заготовок из сплава монотектической системы (структура замороженной эмульсии) на основе меди с хромистым чугуном и высокими показателями эксплуатационной стойкости при повышенных температурах. Определено, что сплавы монотектических систем перспективны в качестве литых металлическх материалов со специальными свойствами, прежде всего для таких, где основой является менее