Анализ эффективности существующих физических способов модифицирования алюминиевых сплавов
- Authors: 1, 1,2, 1
-
Affiliations:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
- Самарский государственный технический университет
- Issue: Vol 1 (2022)
- Pages: 397-399
- Section: Цифровые технологии в машиностроении: материаловедение и металлообработка
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107808
- ID: 107808
Cite item
Full Text
Abstract
Обоснование. Получение желаемых механических свойств и их улучшение у изделий аэрокосмической промышленности всегда была актуальной задачей в металлургии. В литейном производстве были предложены методы модификации расплавов. Среди физических способов модификации можно выделить электротоковую, ультразвуковую, магнитно-импульсную и другие обработки расплавов металлов, но их сравнение между собой требует изучения.
Цель — провести сравнение физических методов модификации алюминиевого сплава А5 и выделить из них наиболее эффективный.
Методы. Были проведены эксперименты по воздействию магнитно-импульсной обработки (МИО) и электротоковой обработки (ЭТО), также был проведен литературный обзор с целью сбора информации для лучшего понимания механизма действия методов и экспериментальных данных для непосредственного сравнения их с полученными данными.
Для проведения МИО и ЭТО расплава алюминия использовали установку МИУ-10. МИО проводилась с различными энергиями воздействия: 0,5, 1 и 1,5 кДж на образцы и различным числом импульсов: 15, 25 и 70. ЭТО проводилась с энергией воздействия 1кДж и числом импульсов n = 10.
Результаты. После исследования литературы были выяснены механизмы воздействия физических методов обработки на алюминиевый расплав. При ЭТО под действием силы Лоренца индуцированной электро-токовыми импульсами, зародыши зерен смещаются с верхней поверхности расплава вниз, что способствует измельчению структуры [1].
При ультразвуковой обработке (УЗО) на кристаллизующийся сплав формируются вибрационные потоки жидкости, которые смывают кристаллические зародыши с фронта твердой фазы и разносят их по всему объему, а также происходит схлопывание пузырьков газа, запасенная энергия которых трансформируются в импульсы высокого давления и кумулятивные струи, что также способствует измельчению структуры слитка [2].
При МИО протекание импульсного тока по индуктору создает вокруг него переменное магнитное поле, вследствие этого возникают объемные электродинамические силы, которые способствуют измельчению структуры в слитке [3]. Схемы обработки представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы различных методов обработки расплава
После проведения экспериментов при сравнении полученных образцов видно, что при УЗО структура получается более однородной. При ЭТО и МИО зерненая структура не настолько однородная, однако при МИО структура наиболее измельченная (рис. 2), что так же видно при количественном сравнении по размеру зерна и степени его измельчения (см. таблицу).
Рис. 2. Структуры слитков а) — без обработки [2]; б) — обработанный УЗО [2]; в) — модифицированный солями натрия; г) — обработанный ЭТО; д) — без обработки; е) обработанный МИО (n = 15, w = 0,5 кДж); ж) — обработанный МИО (n = 25, w = 1 кДж); з) — обработанный МИО (n = 25, w = 1,5 кДж); и) обработанный МИО (n = 70, w = 1 кДж)
Таблица. Результаты измельчения структуры отливок при воздействии различными методами обработки расплава
Вид обработки | Средний размер зерна, мм | Измельчение % | |
Магнитно-импульсная обработка | Образец Д | 4,91 | – |
Образец Е | 3,66 | 25,4 | |
Образец Ж | 1,33 | 73 | |
Образец З | 0,54 | 89 | |
Образец И | 0,88 | 82 | |
Образец В | 3,00 | 38 | |
Электротоковая обработка | 2,00 | 59 | |
Ультразвуковая обработка | 0,22 | 66 |
Выводы. Были проведены исследования влияния МИО, ЭТО и УЗО на структуру и свойства алюминиевого сплава марки А5. Установлено, что МИО способствует измельчению зернен отливок до 10 раз, что благоприятным образом отражается на физических и механических свойствах.
Данный способ обладает значительными преимуществами перед другими, что делает его одним из самых перспективных для промышленного внедрения, так как обладает наибольшей степенью измельчения зерна, а также имеет дистанционный характер воздействия и не имеет погружных элементов, подверженных износу и способных «загрязнять» рабочий расплав.
Full Text
Обоснование. Получение желаемых механических свойств и их улучшение у изделий аэрокосмической промышленности всегда была актуальной задачей в металлургии. В литейном производстве были предложены методы модификации расплавов. Среди физических способов модификации можно выделить электротоковую, ультразвуковую, магнитно-импульсную и другие обработки расплавов металлов, но их сравнение между собой требует изучения.
Цель — провести сравнение физических методов модификации алюминиевого сплава А5 и выделить из них наиболее эффективный.
Методы. Были проведены эксперименты по воздействию магнитно-импульсной обработки (МИО) и электротоковой обработки (ЭТО), также был проведен литературный обзор с целью сбора информации для лучшего понимания механизма действия методов и экспериментальных данных для непосредственного сравнения их с полученными данными.
Для проведения МИО и ЭТО расплава алюминия использовали установку МИУ-10. МИО проводилась с различными энергиями воздействия: 0,5, 1 и 1,5 кДж на образцы и различным числом импульсов: 15, 25 и 70. ЭТО проводилась с энергией воздействия 1кДж и числом импульсов n = 10.
Результаты. После исследования литературы были выяснены механизмы воздействия физических методов обработки на алюминиевый расплав. При ЭТО под действием силы Лоренца индуцированной электро-токовыми импульсами, зародыши зерен смещаются с верхней поверхности расплава вниз, что способствует измельчению структуры [1].
При ультразвуковой обработке (УЗО) на кристаллизующийся сплав формируются вибрационные потоки жидкости, которые смывают кристаллические зародыши с фронта твердой фазы и разносят их по всему объему, а также происходит схлопывание пузырьков газа, запасенная энергия которых трансформируются в импульсы высокого давления и кумулятивные струи, что также способствует измельчению структуры слитка [2].
При МИО протекание импульсного тока по индуктору создает вокруг него переменное магнитное поле, вследствие этого возникают объемные электродинамические силы, которые способствуют измельчению структуры в слитке [3]. Схемы обработки представлены на рис. 1.
Рис. 1. Схемы различных методов обработки расплава
После проведения экспериментов при сравнении полученных образцов видно, что при УЗО структура получается более однородной. При ЭТО и МИО зерненая структура не настолько однородная, однако при МИО структура наиболее измельченная (рис. 2), что так же видно при количественном сравнении по размеру зерна и степени его измельчения (см. таблицу).
Рис. 2. Структуры слитков а) — без обработки [2]; б) — обработанный УЗО [2]; в) — модифицированный солями натрия; г) — обработанный ЭТО; д) — без обработки; е) обработанный МИО (n = 15, w = 0,5 кДж); ж) — обработанный МИО (n = 25, w = 1 кДж); з) — обработанный МИО (n = 25, w = 1,5 кДж); и) обработанный МИО (n = 70, w = 1 кДж)
Таблица. Результаты измельчения структуры отливок при воздействии различными методами обработки расплава
Вид обработки | Средний размер зерна, мм | Измельчение % | |
Магнитно-импульсная обработка | Образец Д | 4,91 | – |
Образец Е | 3,66 | 25,4 | |
Образец Ж | 1,33 | 73 | |
Образец З | 0,54 | 89 | |
Образец И | 0,88 | 82 | |
Образец В | 3,00 | 38 | |
Электротоковая обработка | 2,00 | 59 | |
Ультразвуковая обработка | 0,22 | 66 |
Выводы. Были проведены исследования влияния МИО, ЭТО и УЗО на структуру и свойства алюминиевого сплава марки А5. Установлено, что МИО способствует измельчению зернен отливок до 10 раз, что благоприятным образом отражается на физических и механических свойствах.
Данный способ обладает значительными преимуществами перед другими, что делает его одним из самых перспективных для промышленного внедрения, так как обладает наибольшей степенью измельчения зерна, а также имеет дистанционный характер воздействия и не имеет погружных элементов, подверженных износу и способных «загрязнять» рабочий расплав.
About the authors
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: andreyskoroumov@mail.ru
студент, группа 1321-220302D, институт авиационной и ракетно-космической техники
Russian Federation, СамараСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева; Самарский государственный технический университет
Email: pfettser.2-mmt-4@yandex.ru
аспирант, группа 1-ОАД-22-2, факультет машиностроения, металлургии и транспорта; инженер-конструктор ОНИЛ-41, кафедра обработки металлов давлением
Russian Federation, Самара; СамараСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Author for correspondence.
Email: 4ernikov82@mail.ru
научный руководитель, кандидат технических наук, доцент кафедры обработки металлов давлением
Russian Federation, СамараReferences
- Li J., Ma J., Gao Y., Zhai Q. Research on solidification structure refinement of pure aluminum by electric current pulse with parallel electrodes // Mater Sci Eng. 2008. Vol. 490, No. 1–2. P. 452–456. doi: 10.1016/j.msea.2008.01.052
- Эскин Г.И. Влияние кавитационной обработки расплава на измельчение структуры слитков легких сплавов // Труды V Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». Москва, 2009. С. 44–48.
- Прокофьев А.Б., Беляева И.А., Глущенков В.А., и др. Магнитно-импульсная обработка материалов (МИОМ): монография. Самара: Изд-во СНЦ, 2019. 140 с.
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)