Шабурова Н.А.

ФГБОУ ВПО Южно-Уральский государственный университет (НИУ),

г. Челябинск, E-mail: nata8855@gmail.com

Влияние электромагнитной импульсной обработки на кристаллизацию монотектических бинарных сплавов

Современная наука открывает возможности для создания новых и улучшения качества существующих материалов. В работе описывается разработанная в конце девяностых годов технология, позволяющая существенно улучшать технологические и механические свойства металлов. Указанная технология заключается в воздействии на расплавы металлов электромагнитными импульсами (ЭМИ). Для обработки расплавов используется генератор типа GNP со следующими характеристиками: длительность импульса 0,5 нс, амплитуда более 8кВ, мощность в одном импульсе более 1МВт, частота повторения импульсов до 1000 Гц. Большая мощность и малая длительность импульса приводит к возникновению импульсов электромагнитных полей с напряженностью до 10⁷ В/м [1]. Импульсная электромагнитная обработка расплава проводится в печи, перед разливкой. Образцы сравнения (без импульсной обработки) получают в аналогичных температурно-временных условиях плавки. В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по обработке, как цветных, так и черных металлов [2–4].

Приведенные экспериментальные данные получены при изучении влияния импульсного воздействия на диффузионную способность двухкомпонентной система Al–50 масс. % Pb монотектического типа.

Как в экспериментальных, так и в образцах сравнения наблюдалось расслоение слитка: в верхней части легкий алюминий, внизу – свинец. В микроструктуре исследуемых образцов следует отметить большее количество и размеры свинцовых включений в нижних частях алюминиевой области. Количество и размеры их по высоте слитка изменяются. Чем выше к поверхности, тем белее дисперсными они становятся, а количество их – уменьшается. Объяснить движение свинцовистой фазы, имеющей более низкую температуру кристаллизации, в закристаллизовавшейся алюминиевой можно опираясь на модель Тиллера [5]. Причина такого движения (термомиграции) – различие в условиях равновесия фаз вдоль межфазной границы.

Для определения ширины зоны взаимопроникновения металлов на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6460LV: проводили сканирования по линии, пересекающей зону сплавления. Расчеты, проведенные на основании полученных зависимостей интенсивностей излучения Al и Pb показывают, что суммарная ширина зоны уменьшается с 24,1 мкм до 7,5 мкм. При этом глубина зоны выделения избыточных фаз свинца в алюминиевую матрицу снижается с 21,6 до 6,25 мкм, а алюминия в свинцовую матрицу – с 2,5 до 1,25 мкм.

Приняв за нулевой уровень содержания свинца интенсивность его линий в алюминиевой области, за 100% – интенсивность его линий в свинцовой области (аналогично для алюминия) можно оценить изменение концентрации элементов в зоне сплавления. Показано, что концентрация свинца в зоне взаимопроникновения обработанного импульсами металла изменяется более интенсивно. Кроме того, после обработки ЭМИ концентрация свинца заметно снижается с 82 до 41масс.%. Этот результат хорошо согласуется с полученной ранее зависимостью продолжительности кристаллизации чистого алюминия. В [6] было показано, что при 15 минутной обработке чистого алюминия время кристаллизации его уменьшается. А значит, снижается время, в течение которого атомы имеют наибольшую подвижность.

Расчет коэффициентов диффузии атомов алюминия и свинца показывает, что при температурах кристаллизации/плавления коэффициенты диффузии атомов алюминия и свинца отличаются почти в 15 раз. Этим, объясняется тот факт, что глубина зоны выделения свинцовых фаз в алюминии, намного превышает глубину зоны обратного проникновения.

Исследования, проведенные на сплаве системы Zn-Pb, так же испытывающей монотектическое превращение, показали аналогичные результаты.

Таким образом, на примере монотектических систем показана возможность изменения растворимости компонентов при электромагнитной импульсной обработке расплавов.

Литература:

1. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение / В.С. Белкин, В.А. Бухарин, В.К.Дубровин; под ред. В.В. Крымского.– Челябинск: Изд. Татьяны Лурье, 2001.–159 с.

2. Электроимпульсная и ультразвуковая обработка материалов в точном литье. Знаменский Л.Г., Ивочкина О.В., Кулаков Б.А., Крымский В.В: Челябинск, 2010, 259 с.

3. Шабурова, Н.А. Обработка расплавов металлов и сплавов наносекундными электромагнитными импульсами: Монография. – Челябинск, 2011, 94 с.

4. Балакирев, В.Ф., Крымский В.В., Шабурова, Н.А. Наноимпульсные технологии: Челябинск, 2012, 124 с.

5. Tiller, W.A. Migration of a liquid zone through a solid: Part I / W.A. Tiller // J. Appl.Phys. – 1963.–v.34–N.9.–P. 2757-2762.

6. Ри, Э.Х. Влияние облучения жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами на их строение, процессы кристаллизации, структурообразование и свойства литейных сплавов / Э.Х. Ри, Ри Хосен, С.В. Дорофеев, В.И. Якимов. – Владивосток: Дальнаука, 2008. – 177 с.