УДК 621.74

К.т.н. А.И. Куценко, д.т.н. И.Ф. Селянин, к.т.н. С.Н. Старовацкая, А.А.Куценко

ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СПЛАВОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Известно, что пропускание электрического тока через расплав металла является эффективным способом формирования требуемого фазового состава, а, следовательно, и свойств получаемого изделия.

Целью настоящей работы явилось исследование влияния постоянного электрического тока на элементный состав, структуру, микротвердость и температурные режимы кристаллизации модельного сплава системы Pb–Sn (27% Sn, 73 % Pb).

Согласно плану эксперимента варьировались следующие параметры токового воздействия на расплав: плотность тока (от 6,5×10⁴ до 1,3×10⁵), полярность электродов.

Плавку шихты осуществляли в лабораторной печи Таммана в керамическом тигле с перегревом расплава на 45-50 ^ОС выше температуры ликвидуса. После расплавления шихты, в расплав опускали специально сконструированную оснастку, включающую электроды для подвода постоянного электрического тока к торцам образца, кварцевую трубку диаметром 14 мм, хромель-алюмелевые термопары. Кварцевая трубка через донную часть заполнялась жидким металлом из тигля и служила для формирования отливки высотой 90 мм. Тигель с расплавом охлаждали вместе с печью до комнатной температуры. Для регистрации аналоговых сигналов силы тока, напряжения и термо-ЭДС от термопар использовали 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь ZET 220, подключенный к персональному компьютеру. Микротвердость сплава измеряли в нескольких сечениях отливки на поперечных микрошлифах с помощью цифрового микротвердомера HVS-1000 в соответствии с ГОСТ 9450-76, при нагрузке на индентор 50 гс и температуре 20 ⁰C. Химический состав образцов определяли рентгенофлуоресцентым методом на рентгеновском спектрометре XRF-1800. Микроструктуру сплава изучали с помощью инвертированного металлографического микроскопа OLIMPUS GX-51 на поперечных и продольных образцах после травления поверхности шлифа в концентрированной азотной кислоте с многократными полировками.

В результате проведенного элементного анализа образцов, вырезанных на разной высоте отливки, выявлены следующие закономерности. Пропускание через расплав электрического тока плотностью 6,5×10⁴ А/м² не приводит к значимому изменению элементного состава сплава. Повышение плотности тока до 1,3×10⁵ А/м² оказывает влияние на содержание олова в нижней и верхних частях отливки и изменяется в зависимости от полярности электрического тока. При пропускании электрического тока в направлении, совпадающем с силой тяжести (на верхнем электроде «плюс»), содержание олова в нижней части отливки снижалось до 24 %, в верхней части повышалось до 30 %. При пропускании электрического тока в направлении, противоположном силе тяжести (на верхнем электроде «минус»), содержание олова в нижней части образца увеличивалось до 31 %, в верхней части образца - снижалось до 25 %. Максимальное изменение содержания олова в образце наблюдалось на расстоянии 10-12 мм от положения нижнего электрода. На расстоянии 35-40 мм от верхнего электрода содержание олова в отливке соответствует исходному составу.

Серия проведенных экспериментов показала, что воздействие на расплав постоянного электрического тока плотностью 6,5×10⁴ А/м² не повлияло на значение температуры ликвидуса сплава. Пропускание через образец электрического тока плотностью 1,3×10⁵ А/м² привело к существенному изменению значения температуры ликвидуса сплава в нижней и верхних частях образца. В случае верхнего расположения положительного электрода, температура ликвидуса расплава в нижней части образца составила 271 ^ОС, в центральной части – 267 ^ОС, в верхней части – 263 ^ОС. При обратном направлении тока зафиксированы следующие температуры ликвидуса – 261 ^ОС, 267 ^ОС и 269 ^ОС соответственно. Такие результаты обусловлены различиями в элементном составе сплава по высоте отливки, вызванными воздействием на жидкий расплав постоянного электрического тока (рис. 1).

Воздействие на кристаллизующийся расплав постоянным электрическим током также привело к увеличению температуры солидуса на 1,8-4,1 ^ОС и снижению величины эвтектического переохлаждения на 2-3 ^ОС относительно зафиксированных температур в отливках, не подвергнутых токовому воздействию, что может объясняться разогревом отливки за счет активного выделения Джоулева тепла.

Рисунок 2 – Изменение содержания олова Sn (%) и температуры ликвидуса (T_L) по высоте отливки (плотность тока 1,3×10⁵ А/м²)

В микроструктуре отливки, не обработанной электрическим током, наблюдалось значительное количество a-фазы и разрозненные эвтектические выделения. В сплаве, подвергшемся обработке электрическим током с плотностью 6,5´10⁴ А/м², отмечено увеличение количества эвтектики и уменьшение доли свинцовистой фазы. В верхней части слитка этот эффект наиболее ярко выражен. При повышении плотности тока до 1,3×10⁵ А/м², доля эвтектики в структуре уменьшается, в то же время происходит увеличение размеров зерен a-фазы.

Измерения микротвердости образцов сплава, вырезанных из верхних, средних и нижних частей отливок при различных токовых воздействиях, показали ее увеличение у положительного электрода на величину от 0,8 до 2,4 кг×мм^-2.

Таким образом, экспериментально показано, что воздействие на затвердевающий расплав постоянного электрического тока определенной плотности влияет на распределение компонентов сплава по высоте отливки, ее механические и эксплуатационные свойства. Полученные результаты имеют большое практическое значение, так как способствуют уменьшению металлоемкости отливок и снижению их себестоимости.