Структурообразование и формирование свойств в системе «Расплав» - «Твердый металл», страница 6

Электрогидроимпульсная обработка (ЭГИО) жидких и кристаллизующихся металлов, как способ воздействия на жидкую фазу, развивается около двадцати лет. Экспериментально показано, что при обработке черных и цветных металлов достигается их рафинирование от газовых и твердых включений, выравнивается в объеме металла его химсостав, создаются благоприятные условия для кристаллизационных процессов. Важнейшим обстоятельством является влияние акустического поля, генерируемого при электрогидроимпульсной обработке в объеме жидкого металла, на его атомарную структуру, микро- и макроструктуру.

В настоящее время имеемые экспериментальные данные позволяют утверждать, что ЭГИО, используемая перед разливкой металла, оказывает влияние на все структурные уровни металла через обработку его в жидком состоянии. Но механизмы, через которые осуществляется это влияние, пока не описаны.

Заметим, что в многочисленных публикациях, посвященных описанию методов  электрофизического воздействия на жидкий металл, механизмы воздействия также практически не описаны, хотя эти методы в определенных вариантах применения отмечаются высокой экономичностью и исключительно низкой энергоемкостью [53–56].

По имеющимся литературным данным механизм электрической проводимости в металлических расплавах и твердых металлах принципиально не различается [28, 57, 58]. Переход металла из твердого состояния в жидкое  сопровождается некоторым изменением электрических свойств: при плавлении удельное электросопротивление большинства металлов увеличивается от 1,5 до 2 раз. Для некоторых металлов (Bi, Sb, As) характерно аномальное поведение: при плавлении их удельное электросопротивление уменьшается.

Металлические расплавы являются  веществами с электронной проводимостью. Доля электрического тока, переносимого ионами в жидких металлах незначительна, не превышает 10-4. Однако, при прохождении постоянного тока через расплав, процессы взаимодействия электронов проводимости [59, 60] и ионов примесей позволяют  описать такие явления как, электролиз расплава, электродиффузию, электроперенос и распределение различных неметаллических включений в расплавах металлов.

Кроме разных видов носителей зарядов (электроны и ионы) при электронной проводимости отсутствует перенос массы, в отличие от ионной. Таким образом при обработке расплава током процессы перемешивания маловероятны. Т.к. расплавы промышленных сплавов имеют разнообразные включения, то именно на границе разделов фаз нужно ожидать максимального влияния электрического тока.

Обработка расплава постоянным электрическим током не вышла за рамки лабораторных исследований и опытных образцов оборудования, т.к. предложенные и опробованные промышленные схемы обработки позволяют слабо влиять на процессы газоудаления и модифицирования, практически не влияют на рафинирование от неметаллических включений, концентрацию избыточных ингредиентов и легирование. Вместе с тем бесспорным преимуществом электрического тока является регулирование температуры расплава и усреднение  химического состава. Следует согласится с выводами работы [61], в которой отмечено , что механизмы, по которым осуществляется обработка электрическим током расплавов изучены очень слабо, что не позволяет обосновать рациональные схемы обработки.

В ряде работ [62–63] авторами не только приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих положительное влияние электрического тока на расплав, но и проведен ряд экспериментальных исследований, направленных на изучение механизмов влияния постоянного электрического тока на металлические расплавы.

Исходя из приведенных в литературе результатов, можно сделать вывод, о том, что под влиянием электрического тока в расплаве происходит изменение энергии электронов, переданной атомам сплава, расположенным около центров кристаллизации на межэлектродном участке, что приводит к их активации. Это  позволяет участвовать большему числу центров в процессе кристаллизации, что увеличивает число зародышей кристаллов в единице объема сплава. Показано, что при пропускании постоянного тока через расплав имеет место явление, связанное с изменением поверхностного заряда сплава. Авторы считают, что возникновение разности потенциалов между расплавом и зародышем объясняется различной высотой уровней Ферми этих фаз. Увеличение скачка потенциала на границе раздела фаз приводит к повышению концентрации  ионов в слое расплава, контактирующем с зародышем, и росту заряда на поверхности самого зародыша.

Ряд работ посвящен исследованиям, связанным с обработкой током жидких Fe-C сплавов [63-65]. Путем теоретических и  экспериментальных исследований было установлено, что воздействие электротоком на расплав целесообразно  применять при модифицировании и легировании, так как такая обработка не только увеличивает количество кристаллов в единице объема сплава, но повышает степень усвоения добавок. Таким образом процесс внепечной обработки сплавов становится более эффективным и экономичным, увеличивая при этом механические и эксплутационные свойства Fe-C сплавов. Было показано, что обработка электротоком жидкой стали  в процессе модифицирования позволяет повысить механические  свойства литой стали при условии соблюдения оптимального режима воздействия тока. Повышение же плотности тока сверх оптимальной не только не приводит к увеличению  прочностных свойств стали, но и оказывается экономически не целесообразным.

Данные работы показывают, что обработка постоянным электрическим током, в целом, оказывает положительное влияние на различные свойства сплавов. Однако, общим недостатком, по нашему мнению, является  металловедческий уклон в исследованиях у большинства работ, нет сведений о параметрах источников тока и схем обработки. В связи с этим затруднен выбор оптимальной схемы обработки и управляющих параметров. Так, например, в работе [55] варьируемым параметром обработки является плотность тока. Однако в работе [54] исследовано влияние постоянного электрического тока на структуру металла при  пропускании его через металлический расплав в период его кристаллизации. Показано, что именно амплитуда тока существенно влияет на параметры кристаллизации металла. Это, по мнению автора, предопределяет изменение структуры и свойств металла. Показано, что именно увеличение силы тока свыше оптимальной величины ухудшает эффект воздействия.