авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование влияния обработки расплавов импульсным магнитным полем высокой напряженности на структуру и свойства алюминиево-кремниевых сплавов

ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

Ф.И.О Черников Дмитрий Генадьевич

Название диссертации Исследование влияния обработки расплавов

импульсным магнитным полем высокой

напряженности на структуру и свойства

алюминиево-кремниевых сплавов

Специальность 05.16.04 - «Литейное производство»

Отрасль наук

и Технические науки

Шифр совета Д 212.110.05 Тел. ученого секретаря (499)141-9495 E-mail a_paltievich@mati.ru Предполагаемая дата защиты 20 октября 2011 Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 523А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте «МАТИ»Российского государственного технологического университета им.

К.Э.Циолковского в сети Интернет 19 сентября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Р. Палтиевич

На правах рукописи

ЧЕРНИКОВ ДМИТРИЙ ГЕНАДЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВОВ ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ВЫСОКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ Специальность 05.16.04 – Литейное производство Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара – 2011 г.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокос мический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследо вательский университет)» (СГАУ) на кафедре «Обработка металлов давлением».

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Гречников Федор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Батышев Константин Александрович кандидат технических наук, профессор Ряховский Александр Павлович Ведущее предприятие: ОАО «Металлист-Самара» (г. Самара).

Защита состоится «20» октября 2011 года в 14 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.110.05 при ФГБОУ ВПО «МАТИ» - Российском госу дарственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского (МАТИ), по адресу: 121552 Москва, ул. Оршанская, д. 3, аудитория № 523А, корп. А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «МАТИ» - РГТУ имени К.Э. Циолковского.

Ваш отзыв на автореферат диссертации в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направить по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Телефон для справок: 8 (499) 141-94- Автореферат разослан «19» сентября 2011 года.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета Д 212.110. к.т.н., доц. Палтиевич А.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Для обеспечения постоянно растущих требований к качеству литых дета лей необходимо совершенствовать существующие и создавать новые литейные технологии. Решение этой задачи во многом определяет технологический про гресс во всех отраслях машиностроения.

Кроме того, неуклонно растет применение алюминиевых сплавов в маши ностроении, наиболее перспективными из которых являются силумины. Исполь зование алюминия повышает эксплуатационные характеристики изделия, сни жая при этом его вес, и вместе с тем удорожает себестоимость. Поэтому эффек тивности технологических процессов изготовления литых деталей из алюминие вых сплавов придается повышенное значение.

В настоящее время на предприятиях машиностроительной отрасли существуют проблемы, связанные с качеством отливок ответственного назначения из алюминиевых сплавов – пониженные механические свойства, высокий литейный брак по металлургическим и литейным дефектам и т.д.

Основными дефектами в отливках являются пористость, усадочные рыхлоты и газовые раковины, загрязненность сплава неметаллическими включениями и многие другие.

Во многих работах было показано, что физические методы обработки рас плавов обладают существенными преимуществами по сравнению с традицион ными технологиями плавки и литья. Так, физические методы обработки распла вов способствуют получению мелкозернистой структуры и повышенных техни ко-эксплуатационных свойств отливок, не загрязняя при этом химический со став литейных сплавов нежелательными примесями при дальнейших перепла вах.

С этих позиций представляет научный и практический интерес воздейст вие в процессах плавки и литья на расплавы импульсного магнитного поля (ИМП) высокой напряженности. Подобные ИМП получили широкое распро странение в машиностроении при выполнении операций штамповки, сборки, сварки и др. Рассматриваются поля с импульсной мощностью около 1 МВт и длительностью импульса порядка 50 – 200 мкс, при этом напряженность маг нитного поля достигает 105 – 107 А/м.

Таким образом, исследование влияния обработки расплавов ИМП на структуру и свойства алюминиево-кремниевых сплавов является актуальной за дачей, как в общенаучном, так и в прикладном аспектах.

Актуальность темы диссертационной работы подтверждена выполнением научно-исследовательских работ в рамках: гранта Российского фонда фундамен тальных исследований (РФФИ). № 07-08-97612 (2007 – 2008 гг.) «Исследование эффектов воздействия импульсных магнитных полей высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл;

создание научных основ разработки но вых технологий в металлургии и машиностроении»;

выполнения Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы, шифр темы ОКР «Про гресс».

Цель работы. Исследование влияния обработки расплавов импульсным магнитным полем высокой напряженности на процессы кристаллизации, меха нические и литейные свойства алюминиево-кремниевых сплавов.

Для реализации данной цели в работе поставлены следующие основные задачи исследований:

1. Разработать физическую модель воздействия ИМП высокой напряжен ности на расплав.

2. Разработать технологические схемы магнитно-импульсной обработки (МИО) расплава и создать для ее реализации специализированное оснащение, состоящее из магнитно-импульсной установки и индукторной системы, способ ной работать при высоких температурах.

3. Разработать методики компьютерного моделирования и эксперимен тальных исследований теплосиловых факторов воздействия ИМП на расплав.

4. Исследовать влияние ИМП высокой напряженности на процесс кри сталлизации, механические и литейные свойства бинарных (1,2%Si;

6%Si;

11,7%Si и 18%Si) и промышленных алюминиево-кремниевых сплавов АК9Т, АК6М2;

определить оптимальные параметры воздействия.

5. Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов для деталей ответственного назна чения.

Методы исследований.

В работе применялись экспериментальные и расчетные методы исследова ний с использованием современного оборудования: инфракрасная пирометрия, оптическая и электронно-сканирующая микроскопия, статические испытания на растяжение, компьютерное моделирование исследуемых процессов.

Научная новизна работы.

1. Экспериментально доказано модифицирующее влияние обработки рас плава ИМП высокой напряженности на структуру, механические и литейные свойства алюминиево-кремниевых сплавов.

2. Предложена физическая модель воздействия ИМП высокой напряжен ности на расплав.

3. Разработаны универсальные методики компьютерного моделирования на базе СКМ ЛП «ПолигонСофт» и многоцелевого конечно-элементного ком плекса ANSYS/LS-DYNA, позволяющие исследовать влияние каждого фактора теплосилового воздействия ИМП высокой напряженности на расплав.

4. Разработаны методики экспериментальных исследований, позволяющие оценивать влияние факторов МИО с учетом быстропротекающего характера воздействия и интенсивных электромагнитных помех.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны технологические схемы МИО расплава.

2. Создано специализированное оснащение для МИО расплава, состоящее из специализированной малогабаритной магнитно-импульсной установки (МИУ-10Л), с запасаемой энергией до 10 кДж, основным достоинством которой является высокая скважность разрядов (не менее 1 Гц) и возможность управле ния формой импульса, а также индукторной системы с использованием новых материалов в качестве витковой изоляции, способной работать при высоких температурах.

3. Для выявления дополнительных резервов физико-механических свойств отливок из алюминиево-кремниевых сплавов предложен новый способ физиче ского воздействия ИМП высокой напряженности на расплав, опробованный в промышленных условиях.

4. Определены области промышленного применения магнитно импульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся расплав.

Апробация работы.

Результаты работы прошли экспертизу и обсуждались на конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», «МАТИ» – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского (Москва, 2006 г.);

3-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, г.);

Международная научно-техническая конференция «МИОМ – 2007» (Самара, 2007 г.);

VII Международный научно-технический симпозиум «Наследствен ность в литейных процессах» (Самара, 2008 г.);

XI Международная научно техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в маши ностроительном комплексе», «Технология-2009» (Орел, 2009 г.);

3-я Междуна родная научно-техническая конференция «Металлофизика, механика материа лов, наноструктур и процессов деформирования», «Металлдеформ-2009» (Сама ра, 2009 г.);

VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудни ков и аспирантов, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН (Москва, 2009 г.);

3-е Всерос сийское научно-практическое совещание «Взаимодействие науки и литейного металлургического производства» (Самара, 2010 г.), 2-ой семинар «Повышение эффективности процессов изготовления ответственных деталей авиа- и двигате лестроения штамповкой и литьем. Разработка, моделирование и оптимизация технологий с использованием программ QForm и ProCAST» (Москва, 2010 г.), XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики» (Звенигород – Москва, 2010 г.).

Научные разработки, полученные в ходе выполнения диссертационной ра боты, демонстрировались на 58-м Всемирном Салоне инноваций, научных ис следований и новых технологий «Брюссель - Иннова/Эврика 2009» и удостоены золотой медали.

Проект «Разработка физического способа воздействия импульсного маг нитного поля высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл с целью повышения его технико-эксплуатационных свойств» занял второе место в номинации «Разработка новых авиационных технологий и материалов» на Всероссийском конкурсе «Вертолеты XXI века», Москва, 22 мая 2009 г.

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в 17 публикациях, в том чис ле в 5 статьях в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России для публи кации основных научных результатов диссертации. Кроме того, по результатам работы получено 5 патентов РФ. Материалы диссертации использованы в отче тах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литера туры и приложений. Работа изложена на 179 страницах, содержит 22 таблицы, 105 рисунка. Список литературы составляет 124 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность исследуемой проблемы, общая ха рактеристика и цель работы, а также основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ наиболее характерных литейных дефек тов на примере деталей двигателей летательных аппаратов, как наиболее ответ ственных. Показаны современные представления о строении металлических расплавов. Особое внимание уделено практике использования различных физи ческих способов управления литой структурой для повышения качества отливок.

Более подробно рассмотрена обработка расплава магнитными полями, как в предкристаллизационный, так и в кристаллизационный периоды.

Проанализирована возможность формирования отливок с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами путем воздействия на расплав ИМП высокой напряженности. Такая магнитно-импульсная обработка расплава обладает рядом существенных преимуществ, например, энергосбере жение, бесконтактный характер воздействия, возможность генерации магнитных полей с широким диапазоном значений напряженности и длительности, высокая точность и воспроизводимость параметров, экологическая чистота и др.

В связи с этим появляется необходимость в исследовании явлений, проис ходящих в расплаве под воздействием ИМП, а также влияния факторов такой обработки на кристаллизацию и структурообразование расплавов.

Во второй главе рассмотрена суть процесса МИО, которая заключается в преобразовании электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов магнитно-импульсной установки (МИУ) в теплосиловое воздействие на обраба тываемый объект.

На основании анализа процессов МИО разработана физическая модель воздействия ИМП высокой напряженности на расплав, которая заключается в следующем. Импульс тока в индукторе формируется за счет разряда через него батареи конденсаторов МИУ, заряжаемой до высокого напряжения, составляю щего от тысяч до нескольких десятков тысяч вольт. Такой импульс тока изме няется по закону затухающей синусоиды, с длительностью не более одной ты сячной доли секунды и частотой от нескольких единиц до десятков килогерц.

Протекание импульса тока по индуктору создает вокруг него переменное маг нитное поле (H), которое индуцирует в расплаве вихревые токи (I 2 ), имеющие обратное по отношению к току индуктора (I 1 ) направление (рис. 1).

В результате возникают объемные электродинамические силы, величина которых прямо пропорциональна значе нию тока в проводниках и обратно про порциональна расстоянию между ними.

Глубина проникновения тока в расплав, скин-слой (), тем меньше, чем выше электропроводность материала и частота колебаний разрядного тока.

Рис. 1. Схема воздействия ИМП Таким образом, основными факто на расплав рами воздействия ИМП высокой напря женности на расплав являются:

Тепловой – дополнительный разогрев расплава в результате действия вих ревых токов;

Силовой – распространение волн напряжений и интенсивных металлопо токов по всему объему расплава в результате действия давления ИМП.

Исходя из физики процесса, используя описанную физическую модель, было предложено несколько технологических схем МИО расплава, среди кото рых можно выделить три основные:

радиальное воздействие ИМП на расплав через стенки тигля (рис. 2, а);

осевое воздействие ИМП на поверхность расплава (рис. 2, б);

объемное воздействие ИМП с помощью погружного индуктора (рис. 2, в).

б) в) а) Рис. 2. Основные технологические схемы МИО расплава 1 – тигель;

2 – индуктор;

МИУ – магнитно-импульсная установка На основе этих принципиальных схем МИО рас плава были разработаны различные их комбинации. Бы ла решена проблема с работоспособностью индуктор ной системы при высоких температурах путем приме нения новых материалов в качестве витковой изоляции.

Проведенные экспериментальные исследования показа ли ее надежность при напряжении до 5 кВ и температу ре 700°С. Для МИО расплава спроектирована и изго товлена специализированная МИУ с запасаемой энерги ей до 10 кДж (рис. 3). Главным ее отличием от традици онных установок является возможность обеспечения высокой скважности разрядов и необходимой формы Рис. 3. Специализиро ванная МИУ-10Л импульса с изменяемой длительностью.

В третьей главе представлены результаты численных и эксперименталь ных исследований влияния основных теплосиловых факторов воздействия ИМП на расплав металла.

Компьютерное моделирование процесса затвердевания расплава АК9Т под воздействием ИМП осуществлялось на базе СКМ ЛП «ПолигонСофт» для ради альной схемы воздействия. В этом случае объем расплава, принадлежащий скин слою максимален, поэтому данный фактор МИО проявляется в полной мере.

При подготовке геометрической модели отливки был учтен объем скин-слоя.

Основными варьируемыми параметрами являлись:

величина скин-слоя: без МИО;

2,5мм и 5 мм;

значение силы тока, подводимого к скин-слою: без МИО;

25 кА;

50 кА и 90 кА;

количество импульсов разряда: без МИО;

1;

3 и 5.

В результате компьютерного моделирования для каждого случая получены картины распределения температурных полей расплава. На рис. 4, в качестве примера, показаны картины распределения температурных полей для случая за твердевания расплава без обработки и после МИО, со следующими параметра ми: скин-слой – 2,5 мм, сила тока 50 кА, количество импульсов – 3 шт.

300 с 400 с 600 с 800 с 300 с 400 с 600 с 800 с а) без МИО б) МИО (=2,5 мм;

50 кА;

3 имп.) Рис. 4. Процесс затвердевания расплава Из рис. 4 видно, что величина дополнительного разогрева расплава метал ла под действием ИМП достаточна для изменения условий кристаллизации.

В ходе анализа результатов была получена зависимость дополнительного разогрева расплава (средняя температура по всему объему) от параметров МИО:

силы тока, количества импульсов и величины скин-слоя (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость температуры разогрева расплава от параметров МИО Результаты компьютерного моделирования показали, что величина скин слоя, как и степень интенсивности обработки (сила тока и количество импуль сов), существенным образом влияет на величину дополнительного разогрева и увеличивает время затвердевания расплава.

Для оценки влияния МИО на изменения температурных полей в объеме расплава и проверки адекватности результатов компьютерного моделирования были проведены экспериментальные исследования. Суть этих исследований за ключалась в замере температуры дополнительного разогрева расплава АК9Т от действия наведенных вихревых токов при одно- и многократной МИО по ради альной схеме. Энергия разряда составляла W=1,26 кДж, что соответствует силе тока I=25 кА в численных расчетах.

Процесс МИО является быстропротекающим, поэтому применение мало инерционных термоэлектрических преобразователей для регистрации дополни тельного разогрева расплава не даёт чёткой временной картины изменения тем пературы. Анализ современной измерительной техники показал, что в настоящее время нет доступных устройств, позволяющих производить подобные измерения даже в миллисекундном диапазоне. В связи с этим была разработана новая ме тодика измерения температуры в объеме расплава с миллисекундным быстро действием. Для этого был использован быстродействующий инфракрасный пи рометр. Вывод инфракрасного излучения из объёма расплава на пирометр осу ществлялся с помощью кварцевого световода.

Для получения полной тепловой картины дополнительного разогрева объ ема расплава после МИО, измерения температуры проводились в нескольких характерных точках – в центральной, промежуточной и в точке, принадлежащей скин-слою.

В результате проведенных измерений был зарегистрирован дополнитель ный разогрев расплава металла от воздействия ИМП высокой напряженности в миллисекундном диапазоне и выявлено его влияние на кинетику кристаллиза ции. Сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и экс периментальных исследований показал хорошую сходимость.

Таким образом, впервые с помощью СКМ ЛП «ПолигонСофт» была про ведена качественная и количественная оценка дополнительного разогрева рас плава металла под действием наведенных вихревых токов в процессе МИО. Раз работанная методика компьютерного моделирования носит универсальный ха рактер и может быть использована для подобных расчетов различных техноло гических схем МИО.

Механизм силового воздействия в процессе МИО расплава металла вклю чает в себя два фактора:

зарождение и распространение в расплаве волн напряжений, возникающих в результате действия давления ИМП;

зарождение и распространение металлопотоков, возникающих вследствие неравномерного распределения давления ИМП.

Численные исследования проводились с помощью многоцелевого конеч но-элементного комплекса ANSYS/LS-DYNA для двух основных технологиче ских схем МИО (рис. 2, а, б). Для схемы осевого воздействия ИМП рассмотрено два случая: симметричное и несимметричное нагружение. С этой целью была разработана методика компьютерного моделирования, которая позволяет учиты вать изменение нагрузки по глубине скин-слоя и задавать распределение интен сивности давления ИМП по экспериментальным значениям (рис. 6). Пунктирной линией на графике показана кривая, построенная по экспериментальным значе ниям, сплошной – зависимость в полиномиальном виде, задаваемая в расчетах.

Экспериментальные значения распределения ИМП определялись с помощью интегрального датчика Холла, установленного в зазор между индуктором и рас плавом. Картина распределения ИМП получена перемещением датчика в плос кости индуктора с определенным шагом. Также по экспериментальным значени ям построена зависимость изменения давления ИМП во времени, задаваемая в расчетах (рис. 7).

Рис. 6. Распределение напряженности Рис. 7. Зависимость давления ИМП ИМП в индукторе от времени h – расстояние от центра витка индуктора Предложенная методика компьютерного моделирования опробована по схеме, когда на плоский многовитковый индуктор устанавливался тигель с рас плавом АК9Т, а воздействие ИМП осуществлялось на его донную часть.

Для проверки адекватности разработанной методики и полученных ре зультатов компьютерного моделирования проведены экспериментальные иссле дования. Был создан измерительный стенд, позволяющий замерять необходимые параметры, с учетом особенностей процесса МИО расплава. Основными состав ляющими этого стенда являются датчик импульсных давлений и осциллограф.

Существующие датчики давления не удовлетворяют требованиям данного процесса, поэтому была разработана новая конструкция датчика импульсных давлений, позволяющая замыкать в его опорной части отраженные волны, что позволило повысить точность измерений (Пат. № 2314504).

Сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами экспериментов показало хорошую сходимость, поэтому разработанная методика использовалась и для остальных технологических схем. некоторые результаты проведенных расчетов для всех схем МИО (рис. 2 а, б) представлены на рис. 8.

10 мкс 30 мкс 140 мкс а) Радиальная схема магнитно-импульсного воздействия 40 мкс 140 мкс 560 мкс б) Осевая симметричная схема магнитно-импульсного воздействия 30 мкс 80 мкс 170 мкс в) Осевая несимметричная схема магнитно-импульсного воздействия Рис. 8. Распространение волн напряжений в расплаве АК9Т под воздействием ИМП Анализ результатов компьютерного моделирования позволяет дать качест венную и количественную оценку волнам напряжений.

О существовании второго фактора силового воздействия ИМП на расплав – возникновении металлопотоков можно судить по рис. 9 и 10, на которых пока зано результирующее перемещение расплава. Для данного примера расчет был проведен до 2 мс, это связано со значительными вычислительными ресурсами.

Ввиду инерционности расплава результирующие перемещения будут значитель но большими.

Рис. 9. Диаграмма результирующих переме- Рис. 10. Диаграмма перемещений щений выделенных элементов расплава расплава в векторной форме Таким образом, разработанная методика компьютерного моделирования позволяет исследовать физические процессы, происходящие в расплаве металла под действием ИМП высокой напряженности, а разработанный макрос – исполь зовать для расчетов экспериментальные данные, тем самым, повышая точность моделирования.

Проведенный анализ результатов компьютерного моделирования подтвер дил существование факторов силового воздействия, которые создают благопри ятные условия для формирования качественной структуры литого металла и по зволяет выдвинуть предположение о механизме воздействия импульсного маг нитного поля на жидкий или кристаллизующийся металл.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния ИМП высокой напряженности на структуру и свойства бинарных (с содержанием кремния 1,2%, 6%, 11,7% и 18%) и промышленных алюминиево-кремниевых сплавов АК9Т, АК6М2. Данные исследования проводились с участием специа листов кафедры «Литейные и высокоэффективные технологии» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет».

В качестве шихтовых материалов для бинарных сплавов использовался чушковый алюминий марки А5 (ГОСТ 11070-74) и кристаллический кремний марки Кр0 (ГОСТ 2159-69) с размером частиц порядка 3-5 мм.

Шихта готовилась двух типов:

крупнокристаллическая (ККШ) и мелко кристаллическая (МКШ). ККШ получали при кристаллизации расплава в графито вом тигле в песчаной засыпке, а МКШ при заливке расплава металла в охлаж даемый кристаллизатор. Для проведения МИО расплавов была спроектирована и изготовлена экспериментальная техноло гическая оснастка, воздействие ИМП в Рис. 11. Оснастка для МИО расплава которой осуществлялось по радиальной 1 – тигель;

2 – индуктор;

3 – тепловая камера;

4 – крышка;

5 – термопара схеме (рис. 11).

Для снижения тепловых потерь во время МИО в конструкции установки была предусмотрена тепловая камера, в которой расположен многовитковый ин дуктор. Во избежание выплеска расплава во время обработки предусмотрена крышка, в которую встроена термопара для контроля его температуры.

Параметры МИО представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Параметры МИО расплавов Параметры обработки Темп. Темп. Темп. Темп.

Состав W, кДж n, шт расплава,°С МИО,°С заливки,°С кокиля,°С Al+1,2% Si 750 740 720 250 0,280–2,24 1 – Al+6% Si 740 730 720 250 0,280–2,24 1 – Al+11,7% Si 680 670 660 250 0,280–2,24 1 – Al+18% Si 750 740 730 250 0,280–2,24 1 – На рис. 12 показаны результаты исследования влияния МИО на структуру, например, сплава Al-6% Si из ККШ.

Без обработки МИО (W=0,56 кДж, n=3 имп.) Без обработки МИО (W=0,56 кДж, n=3 имп.) Рис. 12. Микроструктура сплава Al-6% Si из ККШ Воздействие ИМП оказывает положительное влияние на измельчение микроструктуры рассматриваемых сплавов.

Количественный и качественный анализ микроструктуры представлен в табл. 2.

Таблица 2 – Усредненные параметры -Al сплава Al-6% Si из ККШ Без обработки МИО (W=0,56 кДж;

3 имп.) Количество частиц, шт/мм 112 Среднее значение, мкм 50,2 29, Механические свойства определяли на стандартных отдельно отлитых об разцах (ГОСТ 1583-93). Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Усредненные результаты механических испытаний бинарных алю миниево-кремниевых сплавов Механические свойства Сплав Тип шихты Параметры МИО в, МПа, % Без обработки 97 МИО (W=0,56, n=3 имп.) 105 12, ККШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 108 МИО (W=2,24, n=3 имп.) 106 Al+1,2% Si Без обработки 104 10, МИО (W=0,56, n=3 имп.) 105 МКШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 111 МИО (W=2,24, n=3 имп.) 108 Без обработки 125 5, МИО (W=0,56, n=3 имп.) 159 ККШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 133 7, МИО (W=2,24, n=3 имп.) 131 6, Al+6% Si Без обработки 135 МИО (W=0,56, n=3 имп.) 162 9, МКШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 140 7, МИО (W=2,24, n=3 имп.) 147 10, Без обработки 207 12, МИО (W=0,56, n=3 имп.) 220 ККШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 211 МИО (W=2,24, n=3 имп.) 207 Al+11,7% Si Без обработки 224 МИО (W=0,56, n=3 имп.) 223 15, МКШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 230 17, МИО (W=2,24, n=3 имп.) 224 Без обработки 79,2 МИО (W=0,56, n=3 имп.) 128,5 1, Al+18% Si МКШ МИО (W=1,26, n=3 имп.) 132,7 2, МИО (W=2,24, n=3 имп.) 146 2, Экспериментальные исследования показали прирост механических свойств во всех образцах. Как и предполагалось ККШ более подвержена влия нию МИО, чем МКШ.

Кроме этого проведены комплексные исследования влияния МИО на ки нетику кристаллизации, структуру, механические и литейные свойства промыш ленных сплавов АК9Т и АК6М2.

Так, анализ полученных кривых охлаждения не обработанных и обрабо танных ИМП сплавов показал, что угол наклона между кривой на участке от Т обр до Т лик (жидкое состояние) и осью абсцисс увеличивается пропорционально сте пени интенсивности МИО. Таким образом, предположение о дополнительной энергии в скин-слое и результаты компьютерного моделирования дополнитель ного разогрева расплава под воздействием ИМП подтверждены эксперимен тально. Магнитно-импульсная обработка расплава при температуре 720°С вызы вает дополнительный разогрев расплава, что выражается в увеличении времени его охлаждения до температуры ликвидус и уменьшении скорости охлаждения жидкой фазы.

Дальнейший анализ кривых охлаждения показал, что при МИО сплава АК9Т температуры образования основных составляющих сплав фаз увеличились (табл. 4).

Таблица 4 – Влияние параметров МИО на температуры фазообразования сплавов АК9Т и АК6М Параметры МИО Температуры фазообразования АК9Т/АК6М W, n, Т обр, °С -Al Эвтектика Интервал кристаллизации кДж шт Без обработки 573,6/590,5 548,3/535,0 25,3/55, 1 573,6/584,4, 548,3/527,0 25,3/57, 0,28 2 574,8/ – 550,7/ – 24,1/ – 3 574,8/ – 550,7/ – 24,1/ – 720 1 574,8/584,4 548,3/527,0 26,5/57, 0,56 2 584,4/ – 555,5/ – 28,9/ – 3 577,2/ – 550,7/ – 26,5/ – 577,2/582,0 550,7/524,2 26,5/57, 1,26 1 576,0/590,5 550,7/535, 573 (Т лик ) 25,3/55, 571 (10% тв.ф.) 572,4/59,5 548,3/535,0 24,1/55, Также оценивалось влияние МИО на литейные свойства сплавов: для оп ределения жидкотекучести и линейной усадки сплава АК9Т использовалась ма лая комплексная проба Нехендзи-Купцова.

Результаты замеров U-образных прутков и расчетов линейной усадки в за висимости от режимов МИО приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Влияние параметров МИО на технологические свойства сплава АК9Т (в среднем) Параметры МИО Жидкотекучесть, Линейная усадка лин, мм % W, кДж n, шт Без обработки 302 1, 0,56 362,7 0, 1,26 323 0, Анализ полученных результатов свидетельствует о повышении жидкоте кучести расплава более чем на 20% при оптимальных параметрах воздействия ИМП.

Было изучено влияние параметров МИО на макро- и микроструктуру сплавов. Установлено, что воздействие ИМП высокой напряженности на рас плавы способствует устранению пористости в центре опытных отливках, из мельчению эвтектики и ее видоизменению – переход от игольчатого типа к гло булярному.

Результаты механических испытаний отдельно отлитых образцов показа ны в таблице 6.

Таблица 6 – Усредненные результаты механических испытаний образцов из АК9Т и АК6М Параметры МИО Механические свойства АК9Т/АК6М W, кДж n, шт В, МПа, % Без обработки 183/202 1,4/2, 0,28 203/211 2,2/3, 0,56 217/233 3,8/4, 1,26 219/238 3,4/5, Из таблицы видно, что МИО расплавов привела к повышению механиче ских свойств: для сплава АК9Т предел прочности повысился на 19,7%, относи тельное удлинение в 2,7 раза;

для сплава АК6М2 – предел прочности на 17,8%, относительное удлинение в 2,4 раза.

Для объяснения модифицирующего эффекта воздействия ИМП высокой напряженности на структуру и свойства силуминов с позиций современных представлений о строении расплава можно предположить следующее. Распро странение интенсивных волн напряжений способствует возможному разруше нию самих элементов строения расплава (кластеров) или их микрогруппировок.

Такое разрушение приводит к снижению значения критического размера заро дышевых центров кристаллизации. Возникающие металлопотоки равномерно распределяют их по всему объему расплава. Дополнительный разогрев расплава приводит к выравниванию его температуры также по всему объему, что способ ствует началу объемной кристаллизации.

В пятой главе представлены результаты опытно-промышленной апроба ции разработанной технологии МИО расплава в условиях ОАО «Кузнецов» (г.

Самара). Данная технология была реализована на примере получения реальной отливки «Маслота» из сплава АК9ч.

В качестве технологической схемы использовалось осевое воз действие ИМП на расплав в при быльной части отливки непосредст венно в металлической форме. Для работоспособности индуктора при высоких рабочих температурах, а также для предотвращения контакта с расплавом установлен защитный экран из магнитопрозрачного жаро прочного материала. Схема собран ной в комплекс модернизированной Рис. 13. Модернизированная литейная фор металлической формы показана на ма для МИО расплава металла рис. 13.

Технология литья осталась без изменений, за исключением того, что после заливки расплава в литейную форму индуктор устанавливался и фиксировался в рабочем положении, и производилась МИО со следующими параметрами: энер гия разряда – 1;

1,5;

2 и 2,5 кДж;

количество импульсов разряда – 1 и 3. Были проведены одна контрольная и пять опытных плавок (рис. 14).

Рис. 14. Образцы опытных отливок Отливки подверглись стандартной термообработке (режим Т6), после чего из их основной части были вырезаны образцы для определения механических свойств (ГОСТ 1583-93), а также темплеты для проведения металлографических исследований. Анализ микроструктуры приведен в табл. 7.

Таблица 7 – Усредненные параметры -Al сплава АК9ч Без обработки МИО (W=1 кДж, n=3 имп.) Количество частиц, шт/мм2 126 Среднее значение, мкм 12,2 8, Согласно данным, представленным в табл. 7, МИО расплава в кристалли зационном периоде и непосредственно в металлической литейной форме также способствует измельчению микроструктуры. Анализ результатов механических испытаний показал прирост предела прочность, относительного удлинения и твердости на 10-12 %.

Полученные результаты подтверждают модифицирующее воздействие МИО на механические свойства сплава. Важным моментом является повышение качества отливок при минимальном уровне энергии разряда и количестве им пульсов. Время МИО составляет доли секунды, а минимальные параметры воз действия позволяют существенным образом экономить электроэнергию и повы сить ресурс МИУ.

Таким образом, в промышленных условиях была опробована технология МИО расплава непосредственно в металлической форме. Проведенная работа показала ее гибкость и легкость адаптации к существующей технологии литья.

На основе результатов проведенных исследований были определены об ласти промышленного применения МИО жидкого и кристаллизующегося рас плава. Некоторые из направлений были опробованы в объеме поисковых экспе риментов. Наиболее эффективные технические решения были запатентованы, например, способ образования литых электроконтактных пробок (пат. № 2385976).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Предложен новый метод физического воздействия импульсного магнитно го поля высокой напряженности на расплавы, с целью формирования структуры и свойств алюминиево-кремниевых сплавов;

определены его параметры.

2. Разработаны технологические схемы МИО: осевая, радиальная и объемная, с использованием погружного индуктора и их комбинации.

3. Сознаны методики компьютерного моделирования факторов воздействия ИМП на расплав. Для задания распределения давления магнитного поля по экс периментальным данным разработан макрос на языке программирования APDL.

4. Созданы методики экспериментальных исследований эффектов, возни кающих в расплаве под действием ИМП с учетом быстропротекающего характе ра нагружения и интенсивных электромагнитных помех.

5. Разработана модель воздействия и предложен механизм формирования мелкозернистой структуры алюминиево-кремниевых сплавов под действием ИМП высокой напряженности.

6. Выявлено, что МИО расплавов перед заливкой в литейную форму увели чивает полное время их затвердевания за счет дополнительно разогрева под дей ствием вихревых токов.

7. Установлено, что МИО расплавов (по оптимальным технологическим па раметрам) повышает литейные и механические свойства алюминиево кремниевых сплавов. Механические свойства рассмотренных сплавов после МИО повысились (в среднем): временное сопротивление разрыву – на 12…25 %, относительное удлинение – на 70…160 %. Жидкотекучесть сплава АК9Т повы силось на 20 %.

8. Для реализации МИО расплава создано специализированное технологиче ское оснащение, состоящее из: специализированной малогабаритной магнитно импульсной установки (МИУ-10Л), с запасаемой энергией до 10 кДж, с высокой скважностью разрядов (не менее 1 Гц) и возможностью управления формой им пульса;

и индукторной системы, способной работать при высоких температурах.  9. Предложенный метод физического воздействия ИМП высокой напряжен ности на расплавы опробован в производственных условиях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Черников Д.Г. Разработка физического способа модифицирования литейных алюминиевых сплавов магнитно-импульсной обработкой/Д.Г. Черников //Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»: Вып. № 2-3/274(560). 2009. С. 87 – 92.

2. Глущенков В.А. Влияние импульсного магнитного поля высокой напряженно сти на свойства жидких алюминиевых сплавов/В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, В.И. Никитин, Д.Г. Черников, А.Ю. Иголкин, К.В. Никитин, А.А. Поздня ков//Литейщик России. 2010. № 7. С. 34-39.

3. Глущенков В.А. Использование СКМ «Полигон» для моделирования допол нительного разогрева расплава металла при магнитно-импульсной обработ ке/В.А. Глущенков, А.Ю. Иголкин, Д.Г. Черников, М.Д. Тихомиров//Вопросы материаловедения № 4 (64), 2010. С. 66-71.

4. Мишуков А.В. Конструкторские решения применения магнитно-импульсных технологий в литейном производстве/Мишуков А.В., Котов А.Н., Кривенко Г.Г., Ефимов А.А., Глущенков В.А., Черников Д.Г., Акишин С.А.//Литейщик России.

2011. № 7. С. 8-11.

5. Черников Д.Г. О магнитно-импульсной обработке расплава силумина АК9Т/ Глущенков В.А., Гречников Ф.В., Иголкин А.Ю., Никитин В.И., Никитин К.В.//Литейное производство. 2011. № 9. С.8-11.

Патенты:

6. Пат. 2311989 Российская Федерация, МПК B22D 27/02 Способ воздействия на расплавленный металл магнитно-импульсным полем и устройство для его осу ществления/Глущенков В.А., Егоров Ю.А., Иголкин А.Ю., Черников Д.Г.;

заяви тель и патентообладатель ГОУ ВПО СГАУ. – № 2005136350/02;

заявл.

22.11.2005;

опубл. 10.12.2007. – 5 с.

7. Пат. 2314504 Российская Федерация, МПК G01L 9/08 Датчик импульсных давлений/Юсупов Р.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г.;

заявитель и патентооб ладатель ГОУ ВПО СГАУ. – № 2005133514/28;

заявл. 31.10.2005;

опубл.

10.01.2008. – 5 с.

8. Пат. 83508 Российская Федерация, МПК С25С7/02 Электродный контактный узел электролизеров/Глущенков В.А., Гречников Ф.В., Патон Б.Е., Лебедев В.А., Черников Д.Г., Лазарева А.А.;

заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СГАУ, ООО «НТФ «Заряд».– №2008151661/22;

заявл. 25.12.2008;

опубл. 10.06.2009.– с.

9. Пат. 86189 Российская Федерация, МПК С25С7/02 Анод для электролизе ров/Глущенков В.А., Черников Д.Г.;

заявитель и патентообладатель Государст венное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОУ ВПО СГАУ, ООО «НТФ «Заряд».– № 2009102476/22;

заявл. 26.01.2009;

опубл. 27.01.2009. – 5 с.

10. Пат. 2385976 Российская Федерация, МПК С25С7/02, С25С3/12 Способ об разования литых электроконтактных пробок/Глущенков В.А., Лебедев В.А., Черников Д.Г., Патон Б.Е., Иголкин А.Ю., Пичак В.Г.;

заявитель и патентообла датель ГОУ ВПО СГАУ, ООО «НТФ «Заряд».– № 2008127923/02;

заявл.

08.07.2008;

опубл. 10.04.2010. – 5 с.

Публикации в трудах международных и всероссийских конференций:

11. Вялов Б.В. Влияние магнитно-импульсной обработки на физико механические свойства бинарных сплавов системы Al-Si/Б.В. Вялов, В.И. Ники тин, К.В. Никитин, Д.Г. Черников//Актуальные проблемы современной науки:

Материалы 2-го международного форума. – Самара, 2006. С. 84-89.

12. Glouschenkov V.A. Forming of structure and properties of multi-phase alloys un der action of a high-intensity pulsed-magnetic field/V.A. Glouschenkov, A.Ju. Igolkin, D.G. Chernikov, V.I. Nikitin, B.V. Vyalov//«Multi-phases and multi-components ma terials under dynamic loading»: Materials of 10th European Mechanics of Materials Conference. – Kazimierz Dolny, Poland, 2007.

13. Глущенков В.А. Исследование возможности воздействия импульсного маг нитного поля на жидкий и кристаллизующийся металл/В.А. Глущенков, Ф.В.

Гречников, А.Ю. Иголкин, Д.Г. Черников//«МИОМ-2007»: Материалы между народной научно-технической конференции. – Самара, 2007. С. 69-75.

14. Glouschenkov V.A. Action of pulse-magnetic fields on liquid and crystallizing metal. Prospects for development of new technologies/V.A. Glouschenkov, F.V.

Grechnikov, A.Ju. Igolkin, D.G. Chernikov//«ICHSF-2008»: Materials of 3rd Interna tional Conference on Highspeed Forming. – Dortmund, Germany, 2008.

15. Glouschenkov V.A. A possibility of forming structure and mechanical properties of aluminum alloys by the action of the pulse-magnetic field on a melt/V.A.

Glouschenkov, D.G. Chernikov, F.V. Grechnikov, V.A. Kostyshev, A.Ju. Igolkin, R.Yu. Yusupov, A.P. Popov//11th International Conference on Aluminum Alloys. – Aachen, Germany, 2008. С. 223-232.

16. Гречишников В.М. Методики экспериментальных исследований технологи ческих параметров воздействия импульсного магнитного поля на кристалли зующийся металл/В.М. Гречишников, А.П. Попов, Д.Г. Черников, Р.Ю. Юсу пов//«Наследственность в литейных процессах»: Материалы трудов VII Между народного научно-технического симпозиума. – Самара, 2008. С. 153-157.

17. Гречников Ф.В. Возможность повышения качества литого металла под дей ствием импульсного магнитного поля/Ф.В. Гречников, А.Ю. Иголкин, Д.Г. Чер ников, В.И. Бобринский//«Наследственность в литейных процессах»: Материалы трудов VII Международного научно-технического симпозиума. – Самара, 2008.

С. 260-264.

18. Костышев В.А. Ресурсосберегающая технология литья алюминиевых спла вов с одновременным воздействием импульсных магнитных полей на расплав металла/В.А. Костышев, А.Ю. Иголкин, Д.Г. Черников//Металлофизика, меха ника материалов, наноструктур и процессов деформирования (Металлдеформ 2009): Материалы международной научно-практической конференции. – Сама ра, 2009. С. 121-125.

19. Черников Д.Г. Компьютерное моделирование физических процессов в жид ком металле под воздействием импульсных магнитных полей/Д.Г. Черни ков//Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформи рования (Металлдеформ-2009): Материалы международной научно практической конференции. – Самара, 2009. С. 264-270.

20. Черников Д.Г. Компьютерное моделирование температурных полей метал лического расплава затвердевающего под действием импульсного магнитного поля/Д.Г. Черников//VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов. – Россия, Москва, 2009. С. 188-192.

21. Глущенков В.А. Комплексное исследование влияния импульсного магнитно го поля высокой напряженности на структуру и свойства литейных алюминие вых сплавов/В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, Д.Г. Черников, А.Ю. Игол кин//Современные методы и технологии создания и обработки материалов: Ма териалы V международная научно-техническая конференция – Минск, 2010. С.

237-243.

22. Черников Д.Г. Физические аспекты воздействия импульсного магнитного поля высокой напряженности на металлический расплав/Глущенков В.А., Греч ников Ф.В.//XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики». 14 – 19 ноября 2010 г. г. Звенигород – Москва. С. 64-68.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.