Спосіб модифікування сплавів електричним струмом

Реферат: Винахід належить до металургії та ливарного виробництва і може бути використаний для модифікування залізовуглецевих і кольорових сплавів. У способі модифікування сплавів електричним струмом, що містить оброблення розплавів металів однополярним імпульсним електричним струмом, відповідно до винаходу, оброблення розплавів металів однополярним імпульсним електричним струмом здійснюють з циклічною 2 зміною його частоти в межах 100-500000 Гц та щільності в межах 7-2000 А/см з періодичністю 0,5-1 с, з числом циклів 3-20, при підтримці напруги в межах 10-220 В. UA 111308 C2 (12) UA 111308 C2 UA 111308 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до металургії та ливарного виробництва і може бути використаний для модифікування залізовуглецевих і кольорових сплавів. Відомий спосіб модифікування силумінів обробленням розплаву електричним струмом [авторське свідоцтво СССР № 1150960, МКл. С22В 9/00, С22В 21/00, 1983 p.], що включає виготовлення силікоалюмінію, фільтрацію його від інтерметалідних і шлакових включень, корегування хімічного складу розплаву, модифікування розплаву флюсом, розливання отриманого сплаву з пічного простору за допомогою жолоба. На останній операції (при розливанні розплаву) здійснюється оброблення розплаву на жолобі постійним електричним 2 2 струмом щільністю 80-440 А/см або змінним 150-670 А/см при підтримці напруги у межах 2-40 В. Час оброблення становить 3-45 с. Недоліками способу є застосування електричного струму з незмінною частотою імпульсів струму промислових мереж (40-50 Гц), що обмежує можливості керування процесами структуроутворення. Спосіб забезпечує підвищення якості литих виробів за рахунок зменшення вмісту водню і відповідно пористості, зміни морфології кристалів залізовмісних інтерметалідів, але практично не впливає на розмір евтектичних фаз (не подрібнює структурні складові), від чого значною мірою залежать механічні властивості сплавів. Відомий спосіб поліпшення якості чавунів обробленням розплаву пульсуючим електричним струмом [Миненко Г.Н. и др. Повышение механических свойств оливок из серого чугуна обработкой пульсирующим электрическим током в процессе модифицирования //Литейное производство. - 1979. - № 8. - С. 5-6; Миненко Г.Н. и др. Свойства серого чугунка, обработанного при модифицировании пульсирующим электрическим током //Изв. ВУЗ. Черная металлургия. - 1982. - № 9. - С. 123-124; Миненко Г.Н. Обработка током модифицированного серого чугуна //Литейное производство. - 2001. - № 2. - С. 11; Миненко Г.Н. Обработка електротоком модифицированного серого чугунка //Литейное производство. - 2001. - № 2. - С. 11; Миненко Г.Н., Смирнова Ю.А. Физическая модель воздействия электрического тока на процесс кристаллизации //Металлургия машиностроения. - 2009. - № 3. - С. 48-49], що підвищує ефективність модифікування чавунів хімічними реагентами та поліпшує їх технологічні властивості, зменшує вміст розчинених газів. Але незначною мірою впливає на мікроструктуру, морфологію та розмір фаз. Тому зростання механічних властивостей досить незначне: тимчасовий опір розриву (σв) збільшується лише на 1,7-9,6 %, твердість (НВ) - на 4,8 %. Відомий спосіб модифікування силумінів імпульсним електричним струмом [Вернидуб А.Г. и др. Обработка сплава АК7 импульсным электрическим током //Процессы литья. - 2005. - № 1. С. 64-67], що позитивно впливає на пористість виливка, деякою мірою на зменшення розміру пластин евтектичного кремнію та об'ємної частки залізовмісних фаз, але не змінює їх морфологію та розмір, які впливають на рівень механічних властивостей. Найбільш близьким по суті та технічному результату, що досягається, до винаходу, що заявляється, є "Спосіб виробництва силумінів" [Патент на винахід України № 101208, МПК B22D 1/00, С22В 9/00, C22F 3/00, 2013], який прийнято за прототип. Спосіб за прототипом містить виплавку силікоалюмінію, у тому числі з брухту та відходів, корегування хімічного складу розплаву алюмінієм і легуючими елементами, модифікування розплаву флюсом, оброблення розплаву силуміну електричним струмом при переміщенні його по жолобу в процесі розливання. Оброблення розплаву здійснюється однополярним імпульсним електричним струмом із частотою імпульсів (ν) від 100 до 5000 Гц і щільністю 2 струму (j) від 7 до 20 А/см . Це дозволило підвищити ефективність нейтралізації шкідливого впливу заліза в силумінах внаслідок зміни морфології залізовмісних фаз з пластинчастих на розгалужені і, відповідно, покращити їх механічні властивості, знизити втрати електроенергії. Зміни у процесі кристалізації, обумовлені обробленням розплаву однополярним імпульсним електричним струмом, і фазового складу (з β-інтерметаліду на α-інтерметалід) забезпечують зростання механічних властивостей. Суттєвими ознаками за прототипом, що збігаються з ознаками способу, що заявляється, є виплавка сплавів, у тому числі з брухту та відходів, оброблення розплаву однополярним імпульсним електричним струмом. Недоліком способу за прототипом є призначення його лише для сплавів системи Al-Si, а також те, що при обробленні розплаву електричним струмом його щільність, форма та частота імпульсів (фіг. 1 а, б) не змінюються протягом всього періоду дії електричного струму. Це обмежує можливості керування структуроутворенням, не забезпечує досягнення високого рівня модифікування всіх, а не тільки окремих структурних складових, не дозволяє одержувати виливки з дрібнокристалічною структурою, подібної до тієї, що утворюється в деяких (до 5 %) ділянках сплаву при обробленні його в рідкому стані електричним струмом 1 UA 111308 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 високої частоти, коли разом із суттєвим зменшенням розміру фаз спостерігається їх сфероїдизація. Унаслідок скін-ефекту високочастотний струм впливає лише на поверхневий шар розплаву, в якому відбуваються структурні зміни, пов'язані, перш за все, зі зменшенням розміру кластерів. Приповерхневі шари розплаву, обробленого високочастотним електричним струмом на жолобі у процесі його розливання, потрапляючи до виливниці, перемішуються з тими його об'ємами, якими струм не проходив. Через незначну частку розплаву, обробленого високочастотним струмом, при кристалізації утворюються лише окремі ділянки виливка з дрібнокристалічною структурою та сфероподібною морфологією фаз. В основу винаходу поставлена задача удосконалення "Способу виробництва силумінів" шляхом оброблення розплаву однополярним імпульсним електричним струмом з різною комбінацією його частоти (фіг. 1 а, б) та щільності, що змінюються циклами в порядку наростання або спадання їх показників протягом одного циклу і чергуються через окремі часові інтервали (фіг. 1 в, г). Величина останніх залежить від кількості імпульсів частоти та проміжків між ними в циклі при безперервному обробленні розплаву, тривалість якого визначається числом таких циклів. Це дозволить модифікувати структуру та поліпшити механічні властивості, зокрема міцність та пластичність широкого кола залізовмісних і кольорових сплавів (системи ΑlSi, Fe-C, Al-Cu, Al-Ag, Al-Ti, Cu-Zn та інші), у тому числі сплавів, що виплавляються з брухту та відходів і містять значну кількість шкідливих домішок. Поставлена задача вирішується тим, що в Способі модифікування сплавів електричним струмом, що включає оброблення розплаву однополярним імпульсним електричним струмом, відповідно до винаходу, оброблення розплаву силумінів та інших залізовмісних і кольорових сплавів однополярним імпульсним електричним струмом здійснюють з циклічною зміною його 2 частоти в межах 100-500000 Гц та щільності в межах 7-2000 А/см з періодичністю 0,5-1 с, з числом циклів 3-20, при підтримці напруги в межах 10-220 В. Кожен з циклів оброблення розплаву електричним струмом являє собою комбінацію імпульсів низьких, середніх і високих частот або високих, середніх і низьких в межах інтервалу частот 100-500000 Гц, а цикли безперервно переходять один в інший - останній показник попереднього циклу є початком наступного. Перший цикл оброблення розплаву починається від менших частот імпульсів електричного струму до більш високих, наступний - від високих до менших з подальшим відповідним їх чергуванням і можливою відмінністю абсолютних показників частоти у різних циклах. Циклічна зміна частоти імпульсів електричного струму супроводжується відповідною циклічною зміною його щільності, а тенденція підвищення (зменшення) частоти струму протягом одного циклу оброблення розплаву повинно супроводжуватися відповідною тенденцією 2 зменшення (підвищення) його щільності у межах інтервалу 7-2000 А/см . Протягом одного циклу оброблення розплаву зміна показників частоти імпульсів та щільності електричного струму складає не менше 2-3. Причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, і технічним результатом, який досягається, полягає в наступному. Запропонований спосіб дозволить підвищити ефективність нейтралізації шкідливого впливу домішок, суттєво поліпшити механічні властивості, насамперед, міцність і пластичність, внаслідок зміни складу, морфології, значного подрібнення первинних і збільшення ступеня диференціювання евтектичних фаз, у тому числі залізовмісних у силумінах, їхсфероїдизації, навіть при низьких швидкостях охолодження. Такий модифікуючий ефект досягається за рахунок структурних перебудов в розплаві при обробленні його за способом, що пропонується. Змінюється ближній порядок атомів у кластерах, зменшується їх розмір. Суттєве подрібнення кластерів аж до повного їх розчинення є наслідком резонансних явищ, які відбуваються в процесі енергетичного впливу на розплав однополярного імпульсного електричного струму зі спеціальними характеристиками частоти, щільності та способу подачі імпульсів. Як результат, при кристалізації утворюються нові фази, видозмінюється морфологія структурних складових з тенденцією до утворення сфероподібних кристалів, зменшуються їх геометричні розміри у декілька та сотні разів, аж до величин "нано", навіть при мінімальних швидкостях охолодження. Це забезпечує значне підвищення рівня механічних властивостей, перш за все, міцності та пластичності, без зміни хімічного складу сплавів. Оптимальні діапазони параметрів оброблення розплаву циклічним (періодичним) однополярним імпульсним електричним струмом визначаються наступними чинниками. Низька частота імпульсів електричного струму (менше 100 Гц), невелика його щільність (менше 7 2 А/см ), зменшення числа циклів оброблення розплаву до 2, а змін показників частоти імпульсів і 2 UA 111308 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 щільності струму протягом одного циклу до 1 не забезпечують досягнення резонансних явищ у розплаві та одержання дрібнокристалічної структури. При цьому при числі циклів понад 20 структура та механічні властивості якісно не змінюються, що робить подальше збільшення кількості циклів оброблення недоцільним. При частоті імпульсів понад 500000 Гц внаслідок скінефекту суттєво зменшується частка розплаву, через який проходить електричний струм, а при 2 щільності понад 2000 А/см збільшується конвективна складова електричного струму, що сприяє інтенсивному перемішуванню розплаву і утворенню при кристалізації сплаву зі структурою та механічними властивостями початкового стану. Ефект подрібнення структури тим більший, чим менше проміжки між переходами з однієї частоти на іншу. Проте обмеження періодичності зміни частоти імпульсів і щільності електричного струму значенням 0,5 с обумовлено технічними можливостями генератору імпульсів. Збільшення часового інтервалу між змінами параметрів частоти імпульсів та щільності електричного струму понад 1 с не забезпечує необхідні структурні зміни та подрібнення структурних складових, особливо це відноситься до фаз, що утворюються в процесі первинної кристалізації. Підтримання напруги при обробленні розплаву в межах 10-220 В обумовлено, перш за все, можливостями використання струму побутових мереж. При напрузі менше 10 В спостерігаються деякі зміни в структурі сплавів, які практично не позначаються на механічних властивостях. Підняття напруги понад 220 В потребує спеціального, більш складного і високовартісного обладнання, підвищується безпека його експлуатації. Суть винаходу пояснюють креслення. на Фіг. 1 - Форма сигналів однополярного імпульсного електричного струму з різними показниками частоти (а, б) та схеми варіантів зміни імпульсів низьких, середніх і високих частот (в) та щільності (г) електричного струму при обробленні розплаву за способом, що заявляється; на Фіг. 2 - Мікроструктура заевтектичного чавуну, легованого кремнієм (3,5 %): а початковий стан; б, в, г - після оброблення розплаву електричним струмом за способом, що заявляється (табл. 1); б - режим 1 (j↓); в, г - режим 3 (j↑↑); Vохол=0,7 K/с; на Фіг. 3 - Мікроструктура сплаву Аl-8 % Si-0,7 % Fe: a - початковий стан; б, в - після оброблення розплаву електричним струмом за способом, що заявляється (табл. 1); б - режим 2 (j↑); в - режим 3 (j↑↑); Vохол=0,3 K/с; на Фіг. 4 - Мікроструктура сплаву АК5М2: а - початковий стан; б, в, - після оброблення розплаву за способом, що заявляється (табл. 1); б - режим 2 (j↑), в - режим 3 (j↑↑); Vохол=0,3 K/с; на Фіг. 5 - Мікроструктура сплаву Аl-18,5 % Si: a - початковий стан; б, в - після оброблення розплаву електричним струмом за способом, що заявляється (табл. 1); в - режим 2 (j↑); г режим 3 (j↑↑); Vохол=0,3 K/с; на Фіг. 6 - Результати растрової електронної мікроскопії сплаву Аl-18,5 % Si: а, б - після оброблення розплаву електричним струмом за способом, що заявляється, режим 3 (j↑↑) Vохол=0,3 K/с; в - схема триплощинного дендриту кремнію; Реалізацію способу модифікування сплавів електричним струмом здійснено на чавуні та силумінах, при обробленні їх у рідкому стані за режимами, наведеними в табл. 1 і на фіг. 1 в, г. Одержані результати свідчать про значний ефект модифікування структури сплавів (фіг. 2 б-г; 3 б, в; 4 б, в; 5 б, в) та підвищення механічних властивостей (табл.). Таблиця Механічні властивості заевтектичного сплаву Аl-18,5 % Si, модифікованого різними способами Спосіб оброблення розплаву електричним струмом Без обробки Згідно з прототипом (Патент 101208, Україна) Частота імпульсів Періодичність Механічні Щільність електричного зміни Число властивості електричного струму струму при параметрів циклів при обробленні обробленні частоти та зміни розплаву σв, розплаву щільності частоти та δ, % електричним МПа електричним електричного щільності 2 струмом, А/см струмом, Гц струму, с 45 0 700 7 3 57 2,5 UA 111308 C2 Продовження таблиці Згідно зі способом, що заявляється: 700→3000→ 300→100→30→ 30000→3000→700 100→300→100→30 3000→30000 700→3000→ 700→250→70→ Режим 2 (j↑) 30000→3000→700→ 250→700→250→70 3000→30000 700→3000→ 1300→450→150→ Режим 3 (j↑↑) 30000→3000→700→ 450→1300→450→150 3000→30000 Режим 1 (І↓) 5 10 15 20 25 30 35 0,7 3 103 29 0,7 3 96 33 0,7 3 85 37 Детально процес формування структури та, відповідно, механічних властивостей при використанні способу, що заявляється, розглянемо на заевтектичному силуміні Аl-18,5 % Si. Сплав нагрівали до температури 700 °C і обробляли імпульсним електричним струмом за режимами, наведеними в табл. 1 і на фіг. 1 в, г, при напрузі 20 В. Установлено, що при обробленні розплаву електричним струмом за режимами 2 (j↑) і 3 (j↑↑) утворюються дендрити твердого розчину алюмінію (фіг. 5 б, в). За морфологічними ознаками їх можна класифікувати як первинні. Збільшується ступінь диференціювання алюмінієво-кремнієвої евтектики, спостерігається сфероїдизація поодиноких первинних (фіг. 5 б) і евтектичних (фіг. 5 б, в) кристалів кремнію. Після оброблення розплаву за режимом 3 (j↑↑) (табл.1) первинні кристали кремнію методами світлової мікроскопії не виявляються (фіг. 5 в). Растровою електронною мікроскопією (фіг. 6) доказано, що вони мають трубчасту форму і нанокристалічні розміри: зовнішній діаметр - не перевищує 120 нм; внутрішній - не перевищує 100 нм, товщина стінок кристалу - менша, ніж 20 нм (фіг. 6 а). Рентгеноструктурним аналізом визначено, що у заевтектичному силуміні утворюються нові поліморфні модифікації кремнію з ковалентнометалевим типом міжатомного зв'язку. Останнє обумовило зміну морфології евтектичних кристалів кремнію, які зазвичай мають форму довгих крихких пластин (фіг. 5 а). Внаслідок посилення металізації міжатомних зв'язків у кремнії, що досягнуто завдяки способу, що заявляється, вперше зафіксовано утворення в заевтектичному силуміні трьох площинних дендритів кремнію довжиною 1-10 мкм і товщиною гілок 40-100 нм при швидкості охолодження розплаву 0,3 K/с (фіг. 6 б, в). Поява псевдо первинних дендритів твердого розчину алюмінію, зміна морфології, складу первинних та евтектичних кристалів кремнію, утворення дрібнокристалічної, з елементами "нано", структури при модифікуванні заевтектичного сплаву Al-18,5 % Si за способом, що заявляється, дозволило одержати заевтектичний силумін з принципово новими механічними властивостями (табл. 1). Так, при швидкості охолодження 0,3 K/с, що відповідає швидкості охолодження в піщаних формах, механічні характеристики сплаву Аl-18,5 % Si, обробленого в рідкому стані за режимом 3 (j↑↑) складають: σв=85 МПа, δ=37 %, за показниками пластичності наближаючись до алюмінію марки А0 (δ=30-40 %) і суттєво відрізняються від механічних властивостей у вихідному стані: σв=45 МПа, δ=0 %. Крім того, зразки розміром 1,0×0,5×50,0 (мм) зі сплаву Αl-18,5 % Si після оброблення їх електричним струмом за режимом 3 (j↑↑) (табл. 1) піддавали вигину на кут 90°. Руйнування наступало після 5…10 циклів навантаження, при тому, що зразок вихідного сплаву зруйнувався при першому ж вигині. Таким чином, запропонований спосіб дає можливість одержати раніше невідомий результат і новий технологічний ефект, виражений у нейтралізації впливу шкідливих домішок, суттєвому підвищенні міцності та пластичності сплавів без зміни їх хімічного складу за рахунок формування дрібнокристалічної структури з нанорозмірними елементами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 1. Спосіб модифікування сплавів електричним струмом, що містить оброблення розплаву однополярним імпульсним електричним струмом, який відрізняється тим, що оброблення розплаву силумінів та інших залізовмісних і кольорових сплавів однополярним імпульсним електричним струмом здійснюють з циклічною зміною його частоти в межах 100-500000 Гц та 4 UA 111308 C2 2 5 10 15 щільності в межах 7-2000 А/см з періодичністю 0,5-1 с, з числом циклів 3-20, при підтримці напруги в межах 10-220 В. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що кожен з циклів оброблення розплаву електричним струмом являє собою комбінацію імпульсів низьких, середніх і високих частот або високих, середніх і низьких в межах інтервалу частот за п. 1, а цикли безперервно переходять один в інший - останній показник попереднього циклу є початком наступного. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перший цикл оброблення розплаву починається від менших частот імпульсів електричного струму до більш високих, наступний - від високих до менших з подальшим відповідним їх чергуванням і можливою відмінністю абсолютних показників частоти у різних циклах. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що циклічна зміна частоти імпульсів електричного струму супроводжується відповідною циклічною зміною його щільності, а тенденція підвищення (зменшення) частоти струму протягом одного циклу оброблення розплаву повинно супроводжуватися відповідною тенденцією зменшення (підвищення) його щільності у межах інтервалу за п. 1. 5. Спосіб за п. 3 або 4, який відрізняється тим, що протягом одного циклу оброблення розплаву зміна показників частоти імпульсів та щільності електричного струму складає не менше 2-3. 5 UA 111308 C2 6 UA 111308 C2 7 UA 111308 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8