» » Управление структурой кристаллизующихся металлов
18.12.2014

Перспективным методом управления процессом первичной кристаллизации металлов является электромагнитное индукционное перемешивание (имеющее место при ЭШП на постоянном токе), позволяющее создать заданную циркуляцию жидкого металла вдоль фронта кристаллизации, бесконтактно и автоматически регулировать уровень гидродинамического воздействия по мере затвердевания слитка.
Как известно, характер и скорость движения расплава зависят от частоты тока, интенсивности и конфигурации магнитного поля. Эти вопросы применительно к кристаллизации жидких металлов, рассмотрены в работе. Тепло- и массообменные процессы, возникающие в результате циркуляции, оказывают определенное влияние на условия кристаллизации, структуру и качество слитка. Для более эффективного воздействия этим процессом необходимо выяснить механизм влияния магнитного поля на расплав.
Поскольку выпадающий из расплава зародыш кристалла ориентируется полем в определенном направлении, зависящем от магнитных свойств кристалла и расплава, целесообразно оценить усилия, приводящие к повороту кристалла, и сопоставить их с моментом сил сопротивления, обусловленных вязкостью расплава. В работе проанализированы три варианта воздействия внешнего магнитного поля: а) изотропный кристалл в однородном поле; б) изотропный кристалл в неоднородном поле; в) анизотропный кристалл в однородном поле.
Если кристалл имеет форму, близкую к эллипсоиду вращения, то момент сил в однородном магнитном поле может быть рассчитан из уравнения
Управление структурой кристаллизующихся металлов

где n — размагничивающий фактор вдоль оси вращения эллипсоида; χ — магнитная восприимчивость вещества кристалла; α — угол между осью вращения эллипсоида и направлением вектора В; μ0 — магнитная постоянная.
Поскольку момент силы в уравнении (4.11) не зависит от знака χ, то как она, так и парамагнитный эллипсоид ориентируются одинаково. В неоднородном магнитном поле ориентирующий момент, действующий на эллипсоид, имеет вид
Управление структурой кристаллизующихся металлов

Здесь а и b — соответственно длины короткой и длинной полуосей эллипсоида, P=a/b. Коэффициенты g0 и β0 относятся к случаю, когда α=0. Ориентирующее воздействие однородного поля на анизотропный кристалл, у которого имеется аномалия магнитной восприимчивости по двум перпендикулярным осям (Δχ) без учета влияния формы кристалла выражается формулой
Управление структурой кристаллизующихся металлов

В ней α — угол между вектором и осью с наибольшей |χ|. Из (4.13) следует, что парамагнитный кристалл в однородном поле развернется осью с наибольшей |χ| по силовым линиям, а диамагнитный кристалл — перпендикулярно. Оценку момента сил вязкого сопротивления авторы [154] выполнили с помощью выражения, полученного для обтекания бесконечно длинного цилиндра при Re≥1:
Управление структурой кристаллизующихся металлов

В этом уравнении F — сила, приходящаяся на единицу длины цилиндра; v — скорость течения жидкости. После ряда преобразований имеем
Управление структурой кристаллизующихся металлов

где А = 1,329 — In Re; E — интегральная показательная функция, e = e/R.
Таким образом, наложение внешнего магнитного поля в процессе кристаллизации приводит к возникновению у выпадающих кристаллов определенной ориентации. Ориентирующее действие магнитного поля должно сказываться с момента образования кристаллических центров и сохраняться в период их роста вплоть до формирования поликристаллических образований. Однако при наличии конвективных потоков в жидком металле эффект ориентации может оказаться незначительным. Устойчивая ориентация кристаллов при кристаллизации в магнитном поле должна наблюдаться в системах, у которых выпадающие кристаллы обладают сравнительно большой анизотропией магнитной восприимчивости. При этом следует, конечно, учитывать различие в плотности компонентов и изменение вязкости металла в интервале кристаллизации.
Проверка этих положений была выполнена в работе. Авторы экспериментально исследовали возможность использования магнитного поля для получения ориентированных структур двойных сплавов Cd—Zn, Bi—Cd, Al—Ni и Al—Cu в постоянном магнитном поле. В эвтектических сплавах Cd—Zn и Bi—Cd первичные дендриты твердых растворов ориентировались главными осями вдоль направления силовых линий магнитного поля. Игольчатые кристаллы соединения Al2Gu ориентировались длинными осями параллельно полю, а пластинчатые первичные кристаллы соединения Al3Ni — длинными осями перпендикулярно полю. В контрольных образцах наблюдалась обычная хаотичность распределения первичных включений. Следовательно, в исследованных сплавах момент сил, действующих на зародыш в интервале кристаллизации во внешнем магнитном поле, больше сил гидравлического сопротивления и сил, вызываемых хаотическим тепловым движением отдельных элементов. Подобные же закономерности отмечены в работе.
При кристаллизации расплавов в магнитных полях следует учитывать еще одно важное обстоятельство. Оказалось, что компоненты жидких сплавов, помещенных в магнитное поле, изменяют величины коэффициентов диффузии, которые в значительной степени определяют процессы ликвации и сегрегации при затвердевании. Так, при изучении коэффициентов диффузии железа в алюминии капилляр-резервуарным методом оказалось [160], что воздействие магнитного поля, обладающего осевым градиентом, совпадающим с вертикальной осью капилляра, приводит к увеличению DАl Fe с 8*10в-5 до 43*10в-5 см2/с, т. е. на порядок. Рост градиента напряженности магнитного поля ведет к увеличению коэффициента диффузии пропорционально квадрату напряженности. Более того, наличие значительных градиентов напряженности магнитного поля по вертикальной оси капилляра приводит к изменению температурной зависимости коэффициента диффузии, который может даже уменьшаться с увеличением температуры в связи с уменьшением магнитной восприимчивости железа по закону Кюри—Вейсса.
Исследование направленной кристаллизации сплавов Ni—Cu показало, что наложение магнитного поля приводит к существенному изменению коэффициента распределения и может быть использовано для более полного разделения никеля и меди.
Применение плоских индукторов с бегущим магнитным полем при кристаллизации предельного чугуна позволило осуществить интенсивную циркуляцию расплава в вертикальной плоскости. Изучение отпечатков распределения серы и фосфора показало, что в чугунах, обработанных магнитными полями, отсутствует ликвация данных элементов. Сульфиды (Mn, Fe) S при электромагнитном воздействии измельчаются и равномерно распределяются по всему сечению отливки.
Изучение структуры слитков, полученных в процессе полунепрерывного литья с применением электромагнитного вращения, подтвердило перспективность этого метода. В данном случае снижается осевая рыхлость, повышается химическая однородность и, следовательно, улучшаются пластические свойства. Это относится, в частности, к отливкам из высоколегированных сталей и сплавов для получения качественных расходуемых электродов, а также литой структуры, пригодной для последующей пластической деформации.
Заслуживает внимания использование магнитных полей для создания новых сплавов из металлов с широкой областью расслаивания. Препятствием к получению гомогенных структур в расслаивающихся смесях является сила тяжести, обусловливающая разделение отдельных компонентов сплава. Однако с помощью электромагнитных сил, действующих на каждый элементарный объем вещества, можно реализовать ситуацию, при которой будут лимитироваться кажущиеся отсутствия гравитации. В этом случае компоненты расплава могут быть взвешены относительно друг друга и расслаивающиеся в обычном состоянии металлы должны образовывать при условии интенсивного перемешивания гомогенную структуру. Экспериментальная проверка возможности получения подобных структур показала, что в неоднородных полях, когда имеет место интенсивное перемешивание металла получается сплав с крупнодисперсными включениями свинца по всему сечению слитка. При нагреве до температуры выше критической и при последующей кристаллизации в скрещенных однородных полях сплав приобретал однородную мелкодисперсную структуру, близкую к структуре эвтектических сплавов. Подобные же результаты были получены для систем Bi—Ga и Pb—Ga.