Под действием электрического тока

Экспериментально изучалось влияние электрического тока плотностью j ~ (105 –107) А/м² на процесс кристаллизации алюминиевого сплава АК12 (Ал2) при литье в песчаные формы. Показана возможность управления процессом кристаллизации с помощью внешнего электрического воздействия. Измерение временной зависимости падения напряжения Δ ϕ (t) позволяет без измерения температуры материала отливки контролировать процессы кристаллизации сплава, его динамику и формирования отливки в целом, определять скорость dΔ ϕ (t)/dt и время фазового перехода образца. Получено соотношение, связывающее массу твердожидкой фазы сплава с

зависимостью Δ ϕ (t). Доказано влияние электрического тока на свойства материала.

Ключевые слова: кристаллизация, структура, эвтектика, электрический ток, электропроводность, микротвердость.

Известно, что формирование свойств материала изделия осуществляется на этапе его изготовления, поэтому влияние на свойства материала необходимо осуществлять на этапах формирования его структуры. В области литейных технологий технологически важные этапы получения изделий следующие: приготовление расплава, заполнение расплавом формы, кристаллизация (фазовый переход), обработка изделия с применением внешних воздействий (например, термообработка).

Экспериментально доказано, что применение электромагнитных воздействий при перемешивании расплава перед его заливкой в форму и в процессе кристаллизации и приводит к улучшению свойств материала [1–3]. Например, применение термовременной обработки расплава и кристаллизации расплава под действием тока позволило увеличить прочность материала (АК7ч) почти на 42%, пластичность на 2, 1% при плотности тока j = 0, 4 · 105 А/м².

Цель настоящей работы – создание совмещенного способа контроля процесса фазового перехода и управления данным процессом, а также изучение результата влияния электрического тока, пропускаемого в процессе фазового перехода. Для реализации поставленной цели экспериментально исследовалось влияние постоянного электрического тока плотностью j ~ (105

–107) А/м² на процесс кристаллизации алюминиевого сплава AlSi (Ал2) при литье в песчаные формы. Проведен анализ особенностей структуры и свойств материала отливок (твердость, удельное электросопротивление).

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для создания постоянного электрического тока в процессе кристаллизации металла (1 – автотрансформатор; 2 – силовой трансформатор; 3 – выпрямительный мост; 4 – образец; 5 – электроды; 6 – термопара; 7 – регистрирующее устройство (двухканальный записывающий осциллограф)).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (пояснения в тексте).

Силовое оборудование (элементы 1–3) предназначено для создания постоянного электрического тока. Для достижения непосредственного действия тока на металл в момент его заливки в форму используются последовательно расположенные контакты, примыкающие к отливке. Таким образом достигается влияние тока на металл на всех этапах его кристаллизации, которое не зависит от электрических параметров литейной формы.

На рис. 2 показана временная развертка напряжения на выходе выпрямительного моста 3. Конденсаторы шунтируют высокочастотную составляющую шума, наводок в виде ЭМ-излучения. Емкость каждого конденсатора составляла С = 0, 05 мкФ.

Рис. 2. Временная развертка выходного напряжения.

Выбор значения плотности электрического тока определяют как минимум два фактора: эффективное влияние на свойства материала и дополнительный разогрев образца за счет джоулева тепла.

В процессе кристаллизации образца измеряли временную зависимость падения напряжения Δ ϕ на нем (рис.3). Анализ данной зависимости позволил выделить три характерных участка в процессе формирования отливки. Первый участок кривой Δ ϕ (t), когда значения падения напряжения практически не зависит от времени и лишь слабо уменьшаются с течением времени, свидетельствует о наличии остывающей жидкой фазы.

Второй участок кривой Δ ϕ (t) соответствует стадии фазового перехода материала из жидкого в твердое состояние и представляет собой спадающую экспоненциальную зависимость вида Δ ϕ (t) = 0.444 + 0.25e^{–(t – 1, 42)/1, 191} +

0, 058e^{-(t – 1.42)/18.22} при силе тока через образец I = 60 A.

Третий участок кривой Δ ϕ (t) регистрирует стадию остывания твердой фазы материала отливки. Используя зависимость Δ ϕ (t), можно без измерения временной температурной зависимости материала отливки при ее кристаллизации определить скорость dΔ ϕ (t)/dt и время фазового перехода образца. Фазовый переход происходит не мгновенно во всем объеме, а имеет конечный временной интервал, который в нашем случае составил ~(4.0±0.5) с. Измеряемая разность потенциалов зависит от электрического сопротивления объема образца в состоянии фазового перехода. Поэтому можно ввести соотношение, которое свяжет массу твердожидкой фазы с зависимостью Δ ϕ (t):

Здесь а – коэффициент пропорциональности, значение которого определяется как - исходная масса жидкого расплава); Δ ϕ (0) – значение разности потенциалов в начальный момент времени, перед фазовым переходом.

Рис. 3. Временная зависимость падения напряжения в процессе фазового перехода. Литье в песчаные формы, сплав AЛ2, I = 60 А.

Рис. 4. Микроструктура сплава АЛ2, продольный шлиф (Ч500):

а) I = 0 А; б) I = 60 А.

Также используя зависимость Δ ϕ (t), можно определить временную зависимость удельного электросопротивления ρ (t) объема сплава на этапе его фазового перехода. Применение зависимости ρ (t) в законе Видемана–Франца позволяет получить значение теплопроводности материала в широком температурном диапазоне: , где:

l, S – длина, площадь поперечного сечения; k, e – постоянная Больцмана, заряд электрона; Т – температура.

Подводя итоги данной экспериментальной части работы, отметим, что представленные результаты исследований показывают возможность осуществления контроля процесса кристаллизации, управления фазовым переходом и влияния на свойства изделия.

Используя данную экспериментальную установку (рис. 1), можно влиять на структуру материала и после фазового перехода, осуществляя обработку отливки электрическим током до выемки ее из формы. Эта операция позволит уменьшить механические напряжения в изделии, связанные с технологическими особенностями изготовления. Пространственное совмещение различных технологических операций уменьшает стоимость изготовления изделия.

Далее покажем, что при кристаллизации под действием тока изменяются свойства сплава:

Для анализа особенностей микроструктуры материала отливок были сделаны шлифы, вырезанные вдоль оси отливки, т. е. вдоль тока (продольный шлиф) и поперек оси отливки (поперечный шлиф). На рис. 4 и 5 показана микроструктура продольного и поперечного шлифов, вырезанных из отливок, полученных литьем в ПФ без воздействия тока

(I = 0) и с воздействием постоянного электрического тока плотностью

I = 60 A в процессе кристаллизации.

В результате проведения структурного сравнительного анализа

образцов установлено существенное различие в их структуре. Электрический ток влияет на ориентацию зерен, растворимость и распределение кремния в алюминии. Изменяются границы зерен, происходит перераспределение эвтектики в твердом растворе, увеличивается дисперсность эвтектики в колониях (эвтектических зернах). Наблюдается ориентация фазы, содержащей кремний, вдоль тока (рис. 4б). То есть структура материала имеет анизотропный характер, который должен отразиться на анизотропии его физических свойств.

Рис. 5. Микроструктура сплава АЛ2, поперечный шлиф (Ч500):

а) I = 0 А; б) I = 60 А.

В частности, изменение в распределении неметаллических включений в сплаве под действием электрического тока скажется на его электрических свойствах. В нашем случае неметаллическим включением являлся кристаллический кремний Si, который как в чистом виде, так и в виде соединений с основным материалом (Al) будет оказывать влияние на электропроводность сплава. Температура плавления Si составляет 1713 К, а для алюминия Тпл = 932 К и поэтому при температуре заливки сплава AlSi, равной 1050–1100 К, кремний находится в кристаллическом состоянии со структурой алмаза (гранецентрированная кубическая решетка а = 5.431 А) и является полупроводниковым включением. В целом данный сплав металла с неметаллическими включениями представляет собой электрически неоднородную среду. Описание таких сред в процессах (электропроводность, теплопроводность и т.п.) требует применения статистического расчета для

характерных физических величин [8].

Для выявления связи структурной анизотропии с анизотропией удельного электросопротивления были изготовлены образцы прямоугольной формы. На установке (рис. 6) измерены ВАХ образцов U||(I), U⊥ (I) и рассчитано удельное сопротивление вдоль и поперек тока: , , где U_ob – падение напряжения на образце, U_kont – на контактах.

На основе анализа вольтамперных характеристик установлено, что значение удельного электросопротивления вдоль оси образца ρ _{⎟ ⎟} (вдоль тока) меньше, чем в поперечном направлении ρ ⊥. Следовательно, пропускание электрического тока при кристаллизации отливки приводит к возникновению анизотропии электросопротивления ее материала.

При I = 140 A имеем . Анизотропия удельного электросопротивления обусловлена статической текстурой, возникшей при кристаллизации сплава с неметаллическими включениями под действием электрического тока. Так как градиент температуры в продольном направлении образца (вдоль тока) меньше, чем в поперечном, то скорость процесса зародышеобразования и выделения эвтектики в поперечном направлении больше, чем в продольном. Различие в значениях физических характеристик материала будет наибольшим в периферийной и центральной части отливки.

Также достаточно важным эксплуатационным свойством материала является твердость материала. Твердость металлов, определяемая как сопротивление металлов вдавливанию, не есть постоянная физическая величина. Твердость чувствительна к изменению структуры металла. При изменении температуры или после различных термических и механических обработок твердость металлов и сплавов меняется в том же направлении, что и предел текучести, поэтому часто при контроле изменения механических свойств после различных обработок металл характеризуют твердостью, измерения которой являются более доступными. Измерением микротвердости пользуются при

изучении механических свойств отдельных зерен, а также структурных составляющих сложных сплавов.

Твердость сплава АЛ2 определяется размером зерна, распределением эвтектики в твердом растворе. Учитывая неоднородность температурного фронта, следует ожидать отклонения в пространственном распределении твердости в материале.

Для исследования распределения твердости материала по сечению отливки были использованы шлифы в области одинаковых по форме сечений площадью S _A–A = 4 · 10^–4 м², S_В–В = 10.89 · 10^–6 м². Твердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3 методом вдавливания алмазной пирамидки, при нагрузке на индентор 0.02 кг.

Рис. 6. Схема установки для измерения сопротивления образцов.

Единицы измерения микротвердости (МТВ) – виккерс (HV). Относительная погрешность микротвердомера, ПМТТ3, по паспорту составляет 2%.

Относительное изменение микротвердости материала по сечению определялось как:

Обнаружено, что микротвердость материала зависит от пространственного расположения области сканирования и от плотности тока. В обоих случаях (I = 0 и I ≠ 0) твердость уменьшается от периферии к центру, что связано с направлением тепловых потоков в поперечном сечении образца. Однако, в сравнении с базовым, при I ≠ 0 значение МТВ материала больше не только в периферийной части, но и в центре. Анализ МТВ в сечениях А–А и В–В в отсутствие тока (I = 0) показал, что разница между значениями МТВ в периферийной и центральной частях в относительных единицах равны:
- для сечения А-А и 6, 5% для сечения В-В. Так как площади указанных сечений отличаются примерно в 40 раз (S_A–A > S_B–B), то логично предположить, что различие в пространственном распределении МТВ по сечению отливки, которое составляет 3.29%, можно объяснить разными скоростями процессов зародышеобразования и кристаллизации. Однако с учетом приборной погрешности полученный результат требует дополнительного уточнения.

При силе тока через образец I = 60 A для сечения В–В (j = 5.5 · 10⁶ А/м²) с усреднением по всем пространственным точкам относительное изменение МТВ равно 15%, а для сечения А–А при I = 140 A (j = 3.5 · 10⁵А/м²) имеем 25 %. Этот результат указывает на факт существования диапазона плотности электрического тока, в котором его воздействие будет наиболее эффективным. Электрический ток оказывает дополнительное влияние на характер пространственного распределения МТВ: при I = 60 A в сечении

В–В величина , а при I = 140 A в сечении А–А она составляет .

Увеличение микротвердости под действием постоянного электрического тока можно объяснить измельчением зерна, изменениями в распределении и форме эвтектики. В [3] установлено, что в отливках, кристаллизация которых происходила под действием тока силой 40 А, микроструктура представлена дендритами твердого Аl - раствора и эвтектикой пластинчатой формы. Кристаллизация носит направленный характер с выраженным процессом зарождения дендритов и эвтектики в кромочной части, измельчением

зерна. Увеличение МТВ в периферийной части отливки можно объяснить условиями границы, то есть тепло отводом в форму. Таким образом, электрический ток влияет не только на значение твердости, но и на характер распределения данного параметра в объеме.

Установлено [1], что с увеличением силы тока, пропускаемого через литейную форму, механические свойства немодифицированного сплава АЛ9 улучшаются, а содержание водорода уменьшается. Прочность литого изделия (диаметр 30 мм, длина 300 мм), кристаллизация которого происходила под действием постоянного тока (I = 5 A), увеличивалась на 17%, пластичность на 77%, содержание газов уменьшилось на 50% Применение последовательно операций кристаллизации под действием тока и последующей термообработки позволяет повысить прочность образцов на 45%.

Анализ микроструктуры образцов показал [1], что в отливках, закристаллизовавшихся под воздействием электрического тока, значительно измельчаются включения кремния, одновременно они приобретают правильную, округлую форму. Также становится

более дисперсной твердая фаза СuAl₂. При постоянном токе (I = 3 A) уменьшаются размеры зерен твердого раствора кремния в алюминии. Данный факт можно объяснить совместным действием электронного потока [7] и локальных электрических сил на кремниевые включения. Влиянием джоулева тепла при небольших плотностях тока для большого объема материала можно пренебречь. Покажем это в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой, и при этом считая, что материал уже находится при температуре фазового перехода: - тепло Джоуля –Ленца, - тепло, необходимое для осуществления фазового перехода материала плавлением). Критическую плотность тока можно оценить как: . Для алюминия оценка по выражению (3) дает 2 · 10⁸А/м². Реальная плотность тока, необходимая для осуществления фазового перехода, будет на порядки выше.

Учитывая результаты многочисленных работ, в которых для влияния на свойства материала в условиях фазового перехода использовался электрический ток j «10⁸ А/м², можно сделать вывод о целесообразности использования данного воздействия в технологических процессах. Электрический ток – дополнительный фактор, с помощью которого можно влиять на свойства расплава, а также материала в твердом состоянии [1–3, 5].

В условиях фазового перехода следует учитывать локальное тепловое действие тока. При протекании тока через расплав, содержащий частично твердую фазу, происходит дополнительное охлаждение жидкой фазы Δ q > 0, связанное с различием удельного электросопротивления этих фаз, ρ _L > ρ _S:

, где Δ Т – переохлаждение (К); с_L – удельная теплоемкость (Дж/(кг · К), ρ _L – удельное

сопротивление жидкой фазы (Ом · м); ρ _S –удельное сопротивление твердой фазы; γ – плотность (кг/м³). Уменьшение степени переохлаждения приводит к уменьшению критического размера зародыша [6] Для эвтектического сплава учет распределения локальных тепловых потоков является достаточно актуальным, что связано с существенным различием свойств его составляющих. Например, теплопроводность алюминия больше теплопроводности кремния более чем на 40%, а удельное электрическое сопротивление Al существенно меньше, чем у Si.

В рамках теории “поверхностного зародышеобразования” предполагается, что новые слои возникают на атомногладкой поверхности раздела лишь посредством образования зародышей, а энергия поверхностного атома очень сильно зависит от числа соседних занятых позиций. Промежуток времени, в течение которого отдельный атом должен задерживаться в занятой им позиции, быстро возрастает, когда его соседей становится все

больше. Следовательно, зарождение нового слоя возможно лишь тогда, когда скорость поступления атомов намного превышает наблюдаемую при равновесии, благодаря чему вероятность одновременного прихода атомов в несколько соседних позиций и их заполнения вследствие взаимной стабилизации возрастает. Скорость роста связана со степенью отклонения от равновесия зависимостью Δ Т вида [4] .

Для того чтобы влияние электрического тока как векторного (силового), так и теплового было максимально эффективным, необходимо согласовывать распределение тепловых потоков. Например, использовать терморегулируемые литейные формы. При этом локальный характер действия электрического тока более важен при формировании структуры, чем интегральный. Использование дополнительного источника энергии позволит управлять процессом фазового перехода и, как следствие, физическими свойствами материала.

ВЫВОДЫ

Литейное производство заинтересовано в разработке таких физических методов, которые позволяют воздействовать на металл в самый ответственный момент формирования структуры, позволяют управлять процессом кристаллизации металлов и сплавов.

1. Метод кристаллизации металла под действием электрического тока позволяет управлять процессом кристаллизации с помощью внешнего электрического воздействия.

2. Регистрируемая в процессе воздействия временная зависимость падения напряжения Δ ϕ (t) позволяет без измерения температуры материала отливки контролировать процессы кристаллизации сплава и формирования отливки, его динамику, определять скорость dΔ ϕ (t)/dt и время фазового перехода материала образца.

3. Анализ особенностей структуры и свойств материала отливок показал, что происходит перераспределение эвтектики в объеме, твердость материала отливок, кристаллизация которых осуществлялась под действием электрического тока, возрастает от центра к периферии, возникает анизотропия электросопротивления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Батышев А. И. Литье с применением электромагнитных сил. – М., НИИМАШ, 1977, с. 37–53.

2. Деев В.Б., Селянин И.Ф., Нохрина О.И., Башмакова Н.В. Влияние

температурной обработки и электрического тока на свойства алюминиевых сплавов. – Заготовительное производство в машиностроении, 2008, № 4, с. 50–53.

3. Кольчугина И.Ю., Селянин И.Ф. Влияние внешних воздействий на микроструктуру кристаллизующегося сплава – Литейное производство, 2009, № 8, с. 13–15.

4. Чалмерс Б. Теория затвердевания. – М. Металлургия, 1968, 288 с.

5. Conrad H., Karam N., Mannan S., Sprecher A.F. Effect o f electri c current

pulses on the recrystallization kinetics of copper – Scr. Met., 1988, 22, p. 235–238.

6. Салли И. В. Кристаллизация сплавов. – Киев: Наукова думка, 1974. – 229с.

7. Ф и к с В. Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках. –

М.: Наука, 1969. – 296 с.

8. Сидоренков В. В., Тимченко С. Л. Динамический механизм дисперсии высокочастотных магнитных параметров поликристаллических пленок ферромагнитных металлов – ФММ, 1987, 64, с. 821–82

Приложение №1

(недоделанное)

Ссылки:

1. https://vk.com/away.php? to=http%3A%2F%2Fwww1.fips.ru

2. https://normis.com.ua/index.php? option=com_content& view=article& id=17& Itemid=24

3. https://www.dissercat.com

4. https://www.rf-u.ru