Локальная электроимпульсная обработка кристаллизующегося алюминиевого сплава

Одна из важнейших научно-технических задач заключается в улучшении комплекса физикомеханических и эксплуатационных свойств металлических сплавов за счет применения физических методов воздействия. В последние годы наиболее перспективным и широко изучаемым способом управления структурой сплава является обработка наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ), характерная его особенность состоит в однополярности и отсутствии осциллирующих колебаний в излучаемом поле [1, 2].

Исследования по применению данного способа обработки в период кристаллизации сплава АК7ч показали, что эффективная область электромагнитного воздействия располагается в 5–10 см вокруг места установки излучателя [3].

В связи с этими изучение локального воздействия НЭМИ на структуру ал ю миниевого сплава проводилось на модифицирова н ной экспериментальной установке, схема которой представлена н а рис. 1.

В отличие от установки [2] г рафитовые трубки уменьшены до 110 мм, на эту же глубину

Рис. 1. Экспериментальная установка для создания локального электромагнитного воздействия на кристаллизующийся алюминиевый сплав: 1 - песчаноглинистая форма; 2 - графитовая трубка; 3 - асбестовая крышка; 4 - генератор НЭМИ; 5 - кварцевая трубка; 6 - кварцевая втулка; 7, 9 - медные электроды; 8 - термопара; 10 - милливольтметр

Новокрещенов В.В.

Локальная электроимпульсная обработка кристаллизующегося алюминиевого сплава

Рис. 2. Обработанный (справа) и необработанный (слева) цилиндры сплава АК7ч с графитовыми трубками

от графитовой крышки погружены медные излучатели.

В результате проведенных экспериментов были получены цилиндрические образцы исходного и обработанного НЭМИ сплавов диаметром 60 мм и высотой 220 мм, представленные на рис. 2.

Для изучения характера влияния НЭМИ в отдельно взятой области отливки на структуру сплава из низкокачественной шихты использовался сплав АК7ч с повышенным содержанием железа (0,6 мас. %). Температура заливки расплава составляла 700 °С.

Для проведения металлографических исследований из цилиндров вырезались пластины толщиной 10 мм вдоль оси установки кварцевой трубки. Полученные пластины разрезали на две части и маркировались: 1 – контрольный верхний, 3 – экспериментальный верхний; 2 – контрольный нижний, 4 – экспериментальный нижний.

В результате анализа макроструктуры сплава установлено, что размер зерна из обработанной НЭМИ части слитка на 10–15 % меньше, чем в аналогичной части слитка исходного сплава. Фотографии характерных макроструктур образцов четырех типов представлены на рис. 3.

В ходе микроструктурных исследований на растровом электронном микроскопе JOEL JSM-64600LV были получены фотографии (рис. 4).

На фотографиях видно, что образец, сформированный в локальном поле НЭМИ (экспериментальный верхний), имеет наименьшие размеры дендритных ячеек α-фазы (размер дендритов уменьша-

а)

б)

в)                                                                                  г)

Рис. 3. Макроструктуры алюминиевых образцов: а – контрольный верхний; б – экспериментальный верхний; в – контрольный нижний; г – экспериментальный нижний

а)

б)

в)

Рис. 4. Микроструктуры алюминиевых образцов: а – контрольный верхний; б – экспериментальный верхний; в – контрольный нижний; г – экспериментальный нижний

г)

ется в 1,15 раза), и железистая фаза Al x SiFe в ходе кристаллизации выделяется в компактной форме. Зафиксировано уменьшение количества макро- и микропор в экспериментальных образцах: во 2-м образце – в 1,8 раза; в 4-м образце – 2,3 раза.

Указанное влияние НЭМИ на кристаллизацию силумина можно объяснить с позиций основных закономерностей физики контактной разности потенциалов. Под действием НЭМИ в локальной области расплава происходит пространственное разделение зарядов возникших зародышей с образованием электрических диполей. Электрическое поле диполей понижает потенциальную энергию электронов, новых зарождающихся твердых частиц в ближайших объемах расплава, и уменьшает их работу выхода из зародыша. Это уменьшает контактную разность потенциалов между расплавом и зародышем, снижается критический размер последнего, интенсифицируется процесс зародышеобразования в локальной области отливки.

Учитывая предположение о том, что в интер-металлиде AlxSiFe ионы Fe– несут избыточный отрицательный, а ионы Al+ и Si+ избыточные положительные заряды [4], противоположное воздействие НЭМИ на ионы β-фазы препятствует образованию ее кристаллической решетки. Наименее прочно связаны между собой ионы Fe–, Al+ и Si+ на острых углах зародыша. Поэтому скорость роста выступающих тонких частей кристалла замедляет- ся и в верхней части отливки кристалл растет в более компактной форме.

В результате проведенных экспериментальных исследований установлена возмо ж ность эфф е ктивного воздействия НЭМИ на кристаллизующийся сплав силумина с повышенным содержанием железа в локальной зон е отливки.