Способ электрофизического воздействия на расплав металла в процессе кристаллизации Российский патент 2023 года по МПК B22D27/02 H03B28/00 

Изобретение относится к способам повышения прочности и твердости сплава и основано на воздействии электрическим переменным частотно-модулированным сигналом в процессе кристаллизации.

Основным способом увеличения прочности и твердости металлов и сплавов является закалка. Сплав нагревают до температуры критической точки, в результате чего происходят фазовые превращения, выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают - при этом обратные фазовые превращения не успевают произойти полностью. Качество закалки определяется размером зерна.

Известен способ упрочнения в СВЧ электромагнитном поле крупногабаритных изделий сложной формы из армированных углеродным волокном полимерных композиционых материалов, при котором размещают несколько излучающих рупорных систем, расстояние между которыми выбирают таким, чтобы распределение суммарной поверхностной мощности было наиболее близко к равномерному при заданной геометрии антенны и расстояния от нее до поверхности обрабатываемого объекта, отличающийся тем, что на основании анализа профиля поперечного сечения обрабатываемого изделия определяют форму суммарной несимметричной диаграммы направленности антенны с требуемым распределением амплитуд и фаз, выбирают форму зеркала, после формирования диаграммы направленности поворачивают зеркало так, что огибающая диаграммы направленности оказывается эквидистантной контуру поперечного сечения изделия (патент RU 2694462 C1, 15.07.2019).

Недостатком способа является узкая область применения в части размеров и состава обрабатываемого изделия.

В качестве прототипа выбран способ управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз, включающий определение параметров среды, воздействие электрическим сигналом на среду, в которой протекает управляемый процесс, для достижения оптимальных показателей эффективности процесса, отличающийся тем, что в качестве электрического сигнала используется нелинейно-искаженный сигнал с двумя интервалами однородности, воздействие осуществляется непосредственно на среду и/или на оболочку, в которую заключена среда, при этом о достижении оптимальных показателей процесса судят по коэффициенту сравнительной эффективности, который определяется отдельно для каждого процесса по формуле Y=E₁/E₂, где E₁ - показатели эффективности процесса при стандартных условиях, Е₂ - показатели эффективности процесса при воздействии нелинейно-искаженного сигнала с двумя интервалами однородности (патент RU 2479005 С2, 10.04.2013).

В отличие от прототипа, в предлагаемом способе электрофизическое воздействие на обрабатываемый материал начинается еще в жидкой фазе, на этапе расплава, что оказывает положительное влияние на структурообразование в сплаве при кристаллизации - происходит более равномерное распределение эвтектоида в теле зерен, снижается суммарное количество грубой эвтектоидной составляющей, а также уменьшается средний размер избыточных составляющих. Без воздействия электрического переменного частотно-модулированного сигнала (ЭПЧМС) при объемном содержании фазы 2,5-3% ее средний размер составляет 9-12 мкм, после воздействия ЭПЧМС при объемном содержании фазы 0,5-1% ее средний размер - не более 3-5 мкм.

Проводились исследования влияния воздействия ЭПЧМС на микроструктуры третника, стали марки У8 и парафина.

Для проведения опыта было взята навеска 350 г третника. Литейная форма использовалась из термоустойчивой керамики.

Перед началом эксперимента с поверхностей заготовок удалялась грязь и окислы, затем с помощью механической обработки достигалось мелкодисперсное состояние, для ускорения процесса плавления.

Образец материала в керамическом тигле помещали в муфельную печь, предварительно разогретую до температуры 500°С. После начала плавления образец выдерживали в печи в течение 10 мин до полного расплавления. Расплавленный образец вынимали из муфельной печи и разливали в заранее подготовленные формы, по дну которых были уложены контакты, подключенные к генератору ЭПЧМС, тем самым воздействуя на расплав в течение времени, определяемого условиями эксперимента. Переменные частотно-модулированные сигналы представляли собой нелинейно-искаженные импульсы с двумя интервалами однородности: первый интервал аппроксимирован синусоидой основной (опорной) частоты (f_ном = 50 Гц), второй - затухающим экспоненциальным сигналом.

После полного остывания из формы вынимались готовые цилиндры 2×8 см. Форма, подключенная к генератору ЭПЧМС, как и сам генератор, были установлены в отдалении 1 м от остальных образцов, во избежание возможного ненаправленного воздействия ЭПЧМС на другие образцы.

Для сравнительных характеристик изготовленных цилиндров из материала для плавки без воздействия на него ЭПЧМС были отлиты типовые образцы. Третья серия расплавов образца была подключена к заземлению, для сравнения воздействия.

Воздействие ЭПЧМС проводили в «клетке Фарадея» для минимизации влияния внешних электрических полей.

Для проведения сравнения характеристик полученных образцов были использованы снимки металлографической структуры твердого тела. Для изучения мест скоплений структур, состоящих из множества микроскопических тел (кристаллов) применялся металлографический микроскоп. Срезы цилиндрических форм представлены на фиг. 1.

Микроструктура среза стали марки У8 при различных воздействиях представлена на фиг. 2.

Микроструктура среза парафина при различных воздействиях представлена на фиг. 3.

Воздействие ЭПЧМС на образец оказывает влияние на микроструктуру образцов сплавов и парафина. На примере сплава третника и расплава парафина особенно наглядно продемонстрированы результаты данного воздействия. Причем, если на микроструктуру третника воздействие ЭПЧМС оказало упорядочивающее влияние, то парафин приобрел более неоднородную структуру по сравнению с его необработанным аналогом.

Сущность воздействия ЭПЧМС заключается в том, что благодаря ему снижается влияние статического электричества, возникающего в момент кристаллизации сплава. Подобное воздействие приводит к увеличению его микротвердости. Для третника увеличение микротвердости составило 29% относительно исходного образца, а для стали марки У8 - 12%.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена микроструктура образца третника после кристаллизации при различных воздействиях. Буквами обозначены образцы:

а - обработанный путем воздействия на материал для плавки ЭПЧМС;

б - необработанный;

в - подключенный к заземлению.

На фиг. 2 изображена микроструктура среза стали марки У8 при различных воздействиях. Буквами обозначены образцы:

а - подвергнутые обычной закалке;

б - обработанные ЭПЧМС;

в - охлаждаемые водой и обработанные ЭПЧМС;

г - незакаленные.

На фиг. 3 изображена микроструктура среза парафина при различных воздействиях. Буквами обозначены образцы:

а - обработанный ЭПЧМС;

б - необработанный.

Изобретение относится к металлургии и основано на электрофизическом воздействии на обрабатываемый материал электрическим переменным частотно-модулированным сигналом (ЭПЧМС) в процессе кристаллизации жидкого металла. Электрофизическое воздействие на обрабатываемый материал начинается еще в жидкой фазе, на этапе расплава, что оказывает положительное влияние на структурообразование в сплаве при кристаллизации - происходит более равномерное распределение эвтектоида в теле зерен, снижается суммарное количество грубой эвтектоидной составляющей, а также уменьшается средний размер избыточных составляющих. Благодаря воздействию ЭПЧМС на расплав металла снижается влияние статического электричества, возникающего в момент кристаллизации сплава, что приводит к увеличению его микротвердости, например, для третника увеличение микротвердости составило 29% относительно исходного образца, а для стали марки У8 - 12%. 3 ил.

Способ электрофизического воздействия на расплав металла в процессе кристаллизации, отличающийся тем, что на расплав в процессе кристаллизации оказывают воздействие электрическим переменным частотно-модулированным сигналом, при этом расплав заливают в формы, на дне которых расположены контакты, подключенные к генератору электрического переменного частотно-модулированного сигнала, а электрический переменный частотно-модулированный сигнал представляет собой нелинейно-искаженные импульсы с двумя интервалами однородности: первый интервал аппроксимирован синусоидой основной частоты f_ном = 50 Гц, второй - затухающим экспоненциальным сигналом.